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水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究

王瀚伟 姜晓鹏 罗凯 张佳楠 党建军 秦侃

王瀚伟, 姜晓鹏, 罗凯, 等. 水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 87-96 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
引用本文: 王瀚伟, 姜晓鹏, 罗凯, 等. 水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 87-96 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
WANG Hanwei, JIANG Xiaopeng, LUO Kai, ZHANG Jianan, DANG Jianjun, QIN Kan. Comparison of Partial Admission Axial and Radial Inflow Turbines for Underwater S-CO2 Power Cycle System[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 87-96. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
Citation: WANG Hanwei, JIANG Xiaopeng, LUO Kai, ZHANG Jianan, DANG Jianjun, QIN Kan. Comparison of Partial Admission Axial and Radial Inflow Turbines for Underwater S-CO2 Power Cycle System[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 87-96. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037

水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51805435).
详细信息
    作者简介:

    王瀚伟(1994-), 男, 在读博士, 主要研究方向为水下航行器动力推进技术

    通讯作者:

    秦 侃(1988-), 男, 副教授, 主要研究方向为水下航行器动力推进技术

  • 中图分类号: TJ630.34; U674

Comparison of Partial Admission Axial and Radial Inflow Turbines for Underwater S-CO2 Power Cycle System

  • 摘要: 将超临界二氧化碳(S-CO2)循环动力系统合理应用于无人水下航行器(UUV), 有助于解决现有 UUV 蒸汽动力循环系统尤其是针对小功率等级应用效率低的问题。为合理选型水下 S-CO2系统涡轮机, 结合损失模型的一维方法获得了设计空间内的最佳几何参数, 并基于 RANS 方程的三维数值仿真方法验证了一维设计方法的合理性, 进一步对比分析了轴/径向涡轮机的气动性能及流动特性。结果表明, 设计工况下径向涡轮机内效率比轴向涡轮机高5.41%, 但尺寸较大, 约为轴向涡轮机的2倍; 径向涡轮机的主要损失集中在喷管和转子非工作段, 而轴向涡轮机则主要为转子处产生的二次流损失。通过变工况分析发现, 轴向涡轮机更适用于低速比工况, 但在同一转速下径向涡轮机效率更高。文中研究结果可为应用于UUV的S-CO2系统动力主机的研制提供参考。

     

  • 图  1  径向涡轮机一维设计流程

    Figure  1.  One-dimensional design process for radial turbine

    图  2  径向涡轮机几何模型图

    Figure  2.  Geometric model of the radial turbine

    图  3  轴向涡轮机一维设计流程

    Figure  3.  One-dimensional design process of axial turbine

    图  4  轴向涡轮机几何模型图

    Figure  4.  Geometric model of the axial turbine

    图  5  径向和轴向涡轮机计算网格

    Figure  5.  Computational mesh of radial and axial turbines

    图  6  S-CO2布雷顿分流压缩循环示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of S-CO2 Brayton recompression cycle

    图  7  径向和轴向涡轮机一维设计结果

    Figure  7.  One-dimensional design results of radial and axial turbines

    图  8  径向和轴向涡轮机尺寸对比

    Figure  8.  Size comparison of radial and axial turbines

    图  9  径向和轴向涡轮机损失分解

    Figure  9.  Loss breakdown of radial and axial trubines

    图  10  径向/轴向涡轮机喷管内熵分布云图

    Figure  10.  Nozzle entropy contour of radial and axial turbines

    图  11  轴向涡轮机转子内部流线图

    Figure  11.  Rotor passage streamlines for axial turbine

    图  12  径向和轴向涡轮机转子内熵分布云图

    Figure  12.  Rotor passage entropy contour of radial and axial turbines

    图  13  径向涡轮机转子内部流线图

    Figure  13.  Rotor passage streamlines for radial turbine

    图  14  径向和轴向涡轮机非设计点性能对比

    Figure  14.  Comparison of off-design point performance of radial and axial turbines

    表  1  用于模型验证的涡轮机几何尺寸

    Table  1.   Turbine geometric dimensions used for model validation

    径向涡轮机轴向涡轮机
    参数数值参数数值
    喷管入口半径/mm74.00中径/mm25.76
    喷管出口半径/mm63.50叶片高度/mm1.52
    转子入口半径/mm58.20中径/mm25.76
    转子出口轮毂半径/mm15.20喷管数5.00
    转子入口叶顶角度/(°)0.46喷管斜切角/(°)15.00
    转子出口叶顶角度/(°)61.47叶片安装角/(°)25.00
    喷管数19.00叶片高度/mm1.52
    喷管弦长/mm22.90转子数75.00
    喷管叶片高度/mm6.18叶片弦长/mm1.88
    转子入口叶片高度/mm6.35叶片边缘厚/mm0.08
    转子出口叶顶半径/mm36.80喉部直径/mm0.56
    转子入口轮毂角度/(°)0.04喷管出口直径/mm1.27
    转子出口轮毂角度/(°)39.40转子数75.00
    转子数16.00叶片弦长/mm1.88
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    表  2  模型验证所选边界条件

    Table  2.   Boundary conditions selected for model validation

    径向涡轮机轴向涡轮机
    边界条件数值边界条件数值
    转速/(r/min)71 700转速/(r/min)435 000
    入口总压/MPa0.413入口总压/MPa2.068
    入口总温/K477.6入口总温/K1 255
    出口静压/MPa0.072 4出口静压/MPa0.034 5
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    表  3  网格无关性验证

    Table  3.   Verification of mesh independent

    节点数径向涡轮机内效率/%轴向涡轮机内效率 /%
    1.5×10685.4561.25
    2.0×10685.5361.39
    2.5×10685.5261.38
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    表  4  不同算法与试验结果对比

    Table  4.   Comparison of different methods and experimental results

    算法径向涡轮机内效率/%轴向涡轮机内效率/%
    一维计算86.360.04
    仿真计算85.5061.40
    试验86.4062.90
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    表  5  涡轮机设计参数

    Table  5.   Turbine design parameters

    参数数值
    转速/(r/min)≤100 000
    入口总压/MPa18
    入口总温/MPa873
    出口静压/MPa7.96
    功率/kW30.61
    喉部直径(宽度)/mm≥1
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    表  6  径向和轴向涡轮机所选设计点尺寸参数

    Table  6.   Geometry parameter of selected radial and axial turbines

    径向涡轮机 轴向涡轮机
    参数数值参数数值
    喷管入口半径/mm 44.36 中径/mm 42.91
    喷管出口半径/mm 34.00 叶片高度/mm 2.20
    转子入口半径/mm 32.99 叶片安装角/(°) 24.99
    转子出口轮毂半径/mm 9.80 喷管数 5.00
    转子入口角度/(°) 28.80 部分进气度 0.26
    转子出口叶顶角度/(°) 63.90 转子数 77.00
    喷管数 9.00 叶片弦长/mm 2.72
    部分进气度 0.43 叶片边缘厚度/mm 0.11
    喷管喉部宽度/mm 1.37 喉部直径/mm 1.80
    喷管叶片高度/mm 1.02 内效率/% 68.52
    转子入口叶片高度/mm 1.22
    转子出口叶顶半径/mm 14.25
    最小叶片边缘厚度/mm 0.50
    转子出口轮毂角度/(°) 56.30
    转子数 19.00
    内效率/% 71.39
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    表  7  一维计算与仿真计算结果对比

    Table  7.   Comparison of one-dimensional calculation and simulation calculation results

    算法径向涡轮机内效率 /%轴向涡轮机内效率 /%
    一维计算71.3968.52
    仿真计算70.7765.36
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    表  8  损失分解方法

    Table  8.   Loss breakdown method

    损失类型计算方法计算设置
    叶型损失 面平均熵增(从喷管/转子的入口到出口) 全周, 无间隙, 自由壁面
    端面损失 面平均熵增(从喷管/转子的入口到出口) 全周, 无间隙, 自由/无滑移壁面
    叶顶间隙损失 效率变化 全周, 有/无间隙, 无滑移壁面
    出口能量损失 面平均速度(转子出口) 全周, 有间隙, 无滑移壁面
    部分进气损失 效率变化 全周/部分进气, 有间隙, 无滑移壁面
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  • [1] Wang X, Shang J, Luo Z, et al. Reviews of power systems and environmental energy conversion for unmanned underwater vehicles[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(4): 1958-1970. doi: 10.1016/j.rser.2011.12.016
    [2] Eagle W, Waters D, Cadou C. System modeling of a novel aluminum fueled UUV power system[C]//Proceedings of the 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Nashville, Tennessee, USA: AIAA, 2000.
    [3] Harper A D. Thermochemical power systems for underwater applications[C]//Proceedings of the 6th International Symposium on Unmanned Untethered Submersible Technology. Durham, USA: IEEE, 1989.
    [4] Ahn Y, Bae S J, Kim M, et al. Review of supercritical CO2 power cycle technology and current status of research and development[J]. Nuclear Engineering and Technology, 2015, 47(6): 647-661. doi: 10.1016/j.net.2015.06.009
    [5] Hughes T G, Smith R B, Kiely D H. Stored chemical energy propulsion system for underwater applications[J]. Journal of Energy, 1983, 7(2): 128-133. doi: 10.2514/3.62644
    [6] Kiely D H, Moore J T. Hydrocarbon fueled UUV power systems[C]//Proceedings of the 2002 Workshop on Autonomous Underwater Vehicles. San Antonio, USA: IEEE, 2002: 121-128.
    [7] Miller T F, Walter J L, Kiely D H. A next-generation AUV energy system based on aluminum-seawater combustion[C]//Proceedings of the 2002 Workshop on Autonomous Underwater Vehicles. San Antonio, USA: IEEE, 2002: 111-119.
    [8] Qin K, Wang H, Qi J, et al. Aerodynamic design and experimental validation of high pressure ratio partial admission axial impulse turbines for unmanned underwater vehicles[J]. Energy, 2022, 239: 122242. doi: 10.1016/j.energy.2021.122242
    [9] 伊进宝, 赵卫兵, 师海潮. 动叶围带对鱼雷涡轮机通流性能影响研究[J]. 水下无人系统学报, 2012, 20(1): 56-59.

    Yi Jinbao, Zhao Weibing, Shi Haichao. Effect of rotor shroud on flow passage performance of torpedo turbine[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2012, 20(1): 56-59.
    [10] 郭庆, 罗凯, 党建军, 等. 基于乏汽增压的水下半闭式循环动力系统研究[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(6): 680-689.

    Guo Qing, Luo Kai, Dang Jianjun, et al. Architecture of underwater semi-closed cycle power system based on exhaust booster[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(6): 680-689.
    [11] Holaind N, Bianchi G, De Miol M, et al. Design of radial turbomachinery for supercritical CO2 systems using theoretical and numerical CFD methodologies[J]. Energy Procedia, 2017, 123: 313-320. doi: 10.1016/j.egypro.2017.07.256
    [12] Saeed M, Berrouk A S, Burhani B M, et al. Turbine design and optimization for a supercritical CO2 cycle using a multifaceted approach based on deep neural network[J]. Energies, 2021, 14(22): 1-27. doi: 10.3390/en14227807
    [13] Grönman A, Uusitalo A. Analysis of radial-outflow turbine design for supercritical CO2 and comparison to radial-inflow turbines[J]. Energy Conversion and Management, 2022, 252: 115089. doi: 10.1016/j.enconman.2021.115089
    [14] 王雨琦, 张荻, 谢永慧. 部分进气超临界二氧化碳透平非定常流动研究[J]. 热力透平, 2018, 47(1): 47-52.

    Wang Yuqi, Zhang Di, Xie Yonghui. Investigation on unsteady flow of a partial-admission supercritical carbon dioxide turbine[J]. Thermal Turbine, 2018, 47(1): 47-52.
    [15] 周奥铮, 宋健, 任晓栋, 等. 超临界二氧化碳布雷顿循环及其向心透平的设计与分析[J]. 工程热物理学报, 2019, 40(6): 1233-1239.

    Zhou Aozheng, Song Jian, Ren Xiaodong, et al. The study and analysis of supercritical carbon dioxide brayton cycle and its radial inflow turbine[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2019, 40(6): 1233-1239.
    [16] 赵攀, 温玉聪, 娄聚伟, 等. 超临界二氧化碳向心透平设计与热流固耦合研究[J]. 西安交通大学学报, 2022, 56(11): 83-94.

    Zhao Pan, Wen Yucong, Lou Juwei, et al. Design and thermal-fluid-solid coupling investigation of supercritical carbon dioxide radial inflow turbine[J]. Journal of Xi’an Jiaotong Univercity, 2022, 56(11): 83-94.
    [17] Baines N C, Whitfield A. Design of radial turbomachines[M]. Essex, UK: Longman Scientific and Technical, 1990.
    [18] Persky R, Sauret E. Loss models for on and off-design performance of radial inflow turbomachinery[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 150: 1066-1077. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.01.042
    [19] Aungier R H. Turbine aerodynamics: axial-flow and radial-inflow turbine design and analysis[M]. New York, USA: ASME Press, 2006.
    [20] Ohlsson G O. Partial-admission turbines[J]. Journal of the Aerospace Sciences, 1962, 29(9): 1017-1023. doi: 10.2514/8.9686
    [21] Zhang J, Qin K, Li D, et al. Potential of organic rankine cycles for unmanned underwater vehicles[J]. Energy, 2020, 192: 116559. doi: 10.1016/j.energy.2019.116559
    [22] 查志武, 史小锋, 钱忠博. 鱼雷热动力技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.
    [23] Cao X, Bian J. Supersonic separation technology for natural gas processing: A review[J]. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 2019, 136: 138-151. doi: 10.1016/j.cep.2019.01.007
    [24] Jones A C. Design and test of a small, high pressure ratio radial turbine[J]. Journal of Turbomachinery, 1996, 118(2): 362-370. doi: 10.1115/1.2836651
    [25] Ventura C A M, Jacobs P A, Rowlands A S, et al. Preliminary design and performance estimation of radial inflow turbines: An automated approach[J]. Journal of Fluids Engineering, 2012, 134(3): 031102. doi: 10.1115/1.4006174
    [26] Wheeler A P S, Ong J. A study of the three-dimensional unsteady real-gas flows within a transonic ORC turbine[C]//Proceedings of the ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition. Düsseldorf, Germany: ASME, 2014.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-14
  • 修回日期:  2023-06-05
  • 录用日期:  2023-07-12
  • 网络出版日期:  2024-01-11

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