ORC系统向心透平膨胀机动态特性研究
高速透平膨胀制冷机低频振动特性试验研究
临界转速振动幅值随之降低。
图 3.2.1 变轴承供气压力临界转速区转速幅值特性曲线
图 3.2.2 不同轴承供气压下的失稳转速
图 3.2.2 给出了出现低频振荡的初始转速随轴承供气压力变化的特征：随着轴承供气压力 从 0.3 MPa 增加到 0.7MPa，出现低频振荡初始转速从 21154rpm 增加到 50336rpm，最高工作 转速也从 28329 rpm 增加到 55755 rpm。由此可见，较高的轴承供气压力能有效地控制和抑制 低频振荡。 同时，采用提高轴承供气压力的方法，能够调整轴系的固有频率和轴系临界转速区域特 性，这为制定相应的升速方案提供试验依据，便于下文进一步分析轴系低频涡动、振荡和固 有频率之间的耦合关系。 3.2.2 升速率对低频振动特性的影响 图 3.2.3 是 0.4MPa 轴承供气压下的升速过程三维谱图。 其中， 曲线 BDE 表示低频振荡线， 曲线 CDE 表征的分频涡动线。 K 区域（196.2Hz~213.5Hz）是转子升速过程的临界转速区，转子的工作频率与固有频率 相近发生共振。 两条低频线都呈现出随转速变化的特性。分频涡动的频率保持和升速曲线一致：当转速 增大时涡动频率值随之增大，当转速保持稳定并略微下降时涡动频率随之发生相应变化；同 时，随着转速的升高，轴承内气膜的动压效果增强，刚度升高，振荡线锁频频率也随之增加。 因此，可以利用涡动、低频振荡频率与转速的关系，通过合理调整升速率，调整涡动和振荡 之间的关系。 由于气膜涡动效应，A 区域（216.35Hz ~221.15Hz）发生明显的半速涡动。涡动的频率变 化时刻保持和升速曲线一致，随着工频的增加，半速涡动频率逐渐增加并在 B 点和固有频率 耦合，发生低频振荡。由于存在气膜动压效应，B 点低频振荡刚刚出现时锁定的频率值 （223.56Hz）比临界转速对应的频率值大。 同时，C 点出现了分频涡动（低频频率为 128.21Hz，涡动比 0.23） 。在 D 点振荡线与分频 涡动线重合前， 涡动频率随着转速的升高而升高， 并始终低于振荡频率 （222.22Hz ~241.45Hz， 涡动比 0.38~0.33） ，直到 D 点（低频频率 241.452Hz，涡动比 0.33） ，分频涡动频率和振荡频 率相同，在 DE 段，分频涡动、低频振荡、固有频率三者发生多频耦合振荡。
ORC涡旋膨胀机旁通阀／开启阀切换工况系统性能参数变化研究
Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ａ ｎ ＯＲＣ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ
变化 ， 继而隔膜泵 的出 口压力 随系统阻力特性发生变化 ， 从 而导致 Ｏ Ｒ Ｃ各部件 都 出现对应 的性能参 数变 化。通过阻 力
变化特性 和设备响应规律 的研究 ， 为膨胀机和减压 阀匹配设计 以及膨胀机 故障诊断提供 了相关的指导 。 关键 词 ： 有机朗肯循环 ； 涡旋 膨胀机 ； 阀门切换
２ ０ １ ５年第 ４ ３ 卷第 ４期
文章 编 号 ： １ ０ ０ ５— ０ ３ ２ ９ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４—０ ０ ０ １ 一 Ｏ ７
流
体
机
械
Ｏ Ｒ Ｃ涡旋 膨胀 机旁通 阀／ 开 启阀切换工况 系统 性能参数变化研究
刘季华， 朱 彤， 谢 飞博 ， 王 海鹰 。 穆
２ ０ １ ８ ０ ４ ）
ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ａ ｐ ｈ ｒ ａ ｇ ｍ ｐ ｕ ｍｐ ｗｏ ｕ ｌ ｄ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ａ ｓ ｗｅ ｌ １ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｍａ ｒ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｖ ａ ｉｅ ｒ ｄ ． Ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ
有机朗肯循环系统孤网运行的实验研究
2017年第36卷第10期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·3577·化 工 进展有机朗肯循环系统孤网运行的实验研究曹泷，刘秀龙，张鸣，徐进良（华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室，北京102206）摘要：针对孤网环境下有机郎肯（ORC ）系统的实际应用，以R245fa 为工质，采用单螺杆膨胀机与同步发电机同轴联动，设计集成了一台10kW 级的小型ORC 机组，并以10.5kW 的卤素灯阵作为孤网负载，就地消耗机组输出的电能。
实验中在115℃热源条件下通过调整负载容量改变ORC 系统的运行工况，对不同负载与膨胀机转速下ORC 系统性能进行实验研究。
实验数据表明：单螺杆膨胀机的性能较为优良，其等熵效率最大值为84.1%，随负载及膨胀机转速的增加而减小。
工质泵的实际运行效率为8.31%～19.10%，其等熵效率随负载及转速增大而变大，最大值为73.97%。
工质泵的机械效率较低，仅为19.22%～36.82%，与负载及膨胀机转速之间没有明显关系，较低的机械效率是工质泵实际运行效率偏低的主要原因。
机组电功随负载及膨胀机转速的增加而增大，最大发电量与发电效率分别为5.86kW 与7.38%。
关键词：有机朗肯循环；孤网；R245fa ；单螺杆膨胀机；系统集成中图分类号：TK11+5 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）10–3577–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0194Experimental study of an integrated organic Rankine cycle system underisolated network operating conditionCAO Shuang ，LIU Xiulong ，ZHANG Ming ，XU Jinliang（Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer for Low Grade Energy ，North China Electric PowerUniversity ，Beijing 102206，China ）Abstract ：The test results of a 10kW integrated organic Rankine cycle （ORC ）system with R245fa as the working fluid under isolated network operating condition were presented in this paper. A single screw expander was integrated in the system to drive the synchronous generator to generate electric power. The 10.5kW halogen lamp array was used as the load to consume the generated electric power. Two independent parameters ，the load capacity and the expander speed ，were varied during the test. The ORC system characteristics were analyzed at the heat source temperature of 115℃. The experimental data showed that the single screw expander performed very well. The maximum expander isentropic efficiency was 84.1%，which decreased with increase of load and expander speed. The maximum isentropic efficiency of working fluid pump was 73.97%，which increased with the increase of load and expander speed. The mechanical efficiency of the working fluid pump was only 19.22%—36.82%，and had no obvious relationship with the load and the expander speed. The generated electric power increased with the increase of load and expander speed. The maximum generated electric power and the electrical efficiency were 5.86kW and 7.38%，respectively. Key words ：organic Rankine cycle ；isolated network ；R245fa ；single screw expander ；system integration利用技术研究。
工质流量对ORC低温余热发电系统性能的影响
工质流量对ORC低温余热发电系统性能的影响王慧;马新灵;孟祥睿;魏新利【摘要】搭建了以自行研发的向心透平为膨胀机的ORC低温余热发电系统实验平台，研究了R123质量流量对循环系统的性能影响。
结果表明：液压隔膜泵的温升和熵增均较小，所消耗的功率随流量的增加而增加。
工质在蒸发器内的压降明显大于冷凝器内的压降，均随流量的增加而增加；向心透平的等熵效率随质量流量的增加先增加后减小，存在最佳流量0.215 kg·s−1使透平等熵效率达到最大值0.775；系统输出的电功率随流量的增加而增加，流量为0.283 kg·s−1时输出系统最大功率为2.009 kW；蒸发器的㶲损率占系统总㶲损率的比重最大，冷凝器次之，向心透平第三，在本实验最佳质量流量下，三者的㶲损率分别为62%、32%、6%。
%An experimental prototype of organic Rankine cycle (ORC) was built for low-temperature waste heat power generation. With R123 as working fluid, heat transfer oil as the waste heat source, and radial inflow turbine as expander, a series of tests were carried out by adjusting the R123 massflow rate to evaluate the performance of apparatus and system. The temperature rise and entropy increase of hydraulic diaphragm pump were lower, and consumed power increased with the mass flow rate. The pressure drop in the evaporator was greater than that in the condenser, and both increased with the mass flow rate of R123. The isentropic efficiency of the radial inflow turbine increased first and then decreased with the increase of R123 flow rate, with the maximum value of 0.775 kg·s−1 and the optimum value of 0.215 kg·s−1. The system output power increased monotonously to 2.009 kW as the flow rate of R123 increased to0.283 kg·s−1. E xergy destruction rate of evaporator was the largest parts in total exergy destruction rate, followed by condenser and radial inflow turbine, about 62%, 32% and 6%, respectively, under the optimum condition.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】8页(P4185-4192)【关键词】有机朗肯循环;余热发电;熵;热力学【作者】王慧;马新灵;孟祥睿;魏新利【作者单位】郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001; 河南职业技术学院机电工程系，河南郑州 450046;郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001;郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001;郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TK11+5有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）是利用低品位热能最有效的方法之一。
基于小型ORC涡旋膨胀机变工况特性研究及实验验证
基于小型ORC涡旋膨胀机变工况特性研究及实验验证
石磊;赵亚珑;彭斌
【期刊名称】《热力发电》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】涡旋膨胀机作为有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)核心部件之一,其运行特性直接影响了ORC的性能。
首先,建立了涡旋膨胀机的三维瞬态仿真模型,通过数值模拟的方法,系统地分析了不同工况下吸气压力、排气压力、转速和对涡旋膨胀机输出功率和等熵效率的影响;其次,分析了不同工况对涡旋膨胀机瞬态性能的影响,较为全面地分析了其中的机理;最后,通过实验室搭建的ORC低温余热无油发电系统试验台验证了数值模型的准确性,实验结果与数值模拟结果吻合良好,验证了数值模拟方法的可靠性和适用性。
研究结果对涡旋膨胀机的设计和优化具有重要的参考价值。
【总页数】9页(P115-123)
【作者】石磊;赵亚珑;彭斌
【作者单位】兰州理工大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM6
【相关文献】
1.ORC 涡旋膨胀机旁通阀／开启阀切换工况系统性能参数变化研究
2.基于燃气轮机变工况的IGCC系统特性研究
3.低温余热用涡旋膨胀机的热力学特性研究及试验
验证4.大型离心式风机变工况调节中噪声特性的实验研究5.有机朗肯循环无油涡旋膨胀机热力学特性研究及试验验证
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ORC透平气动性能分析及优化设计
前言在节能减排和保护环境等国家战略需求下，低温余热的回收利用受到了广泛的重视。
ORC(Or-ganic Rankine Cycle,简称ORC)透平具有工质沸点低、来源范围广、蒸汽饱和曲线陡的特点，能安全高效的将低温热源的热能转换为机械能和电能。
透平是热能转换系统的核心设备，所以对ORC透平性能分析和设计方法的研究具有理论意义和重要的工程应用价值。
本文以R245fa有机蒸汽作为流动工质，设计了ORC透平，并开展ORC透平内部流动结构和气动性能分析。
1ORC单级透平热力设计1.1主要技术参数设计功率:50kW;循环工质:R245fa;新汽温度:110℃;新汽压力：1.56MPa;排汽压力:0.28MPa机组转速:8000r/min。
1.2热力设计模型及计算过程（1）由i-s图得整机理想比焓降Δh sC a=2×Δh s×103√(1) (2)汽轮机热力过程曲线图如图1所示图1汽轮机热力过程曲线图ORC透平气动性能分析及优化设计刘伟阳，闵爱妮，刘美丽，周志明（西安陕鼓动力股份有限公司，陕西西安710075）【摘要】采用一维绝热热力设计方法，在给定的技术参数条件下，给出了叶片节距、气流角、叶高等参数，计算了各个截面上的流动参数。
设计了通流部分的流道结构和整个有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)单级透平结构。
采用商业软件NUMECA进行数值模拟，对ORC单级透平内部流动的气动性能进行详细分析。
通过改善流动条件，对叶型进行优化。
【关键词】ORC透平；气动性能；数值模拟；优化设计【中图分类号】TK14【文献标识码】B【文章编号】1006-6764(2017)07-0038-05 Analysis and Optimized Design of the AerodynamicPerformance of ORC TurbinesLiu Weiyang,Min Aini,Liu Meili,Zhou Zhiming（Xian Shaangu Power Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi710611,China）[Abstract]The one-dimensional adiabatic thermal design method was adopted;and with given technical parameters,the blade pitch,flow angle and blade length were provided and flow parameters of every section were calculated.The channel structure and the entire ORC single-stage turbine structure were designed.Numerical simulation was performed using com-mercial software NUMECA,to analyze the aerodynamic performance of the internal flow of single stage ORC turbine in detail.Through improving the flow conditions the blade shape was optimized.[Keywords]ORC turbine;aerodynamic performance;numerical simulation;optimized de-sign（3）主汽管和调节阀节流损失ΔP0=（0.003~0.005）P0（2）(4）排汽管中压力损失ΔP C=（0.004~0.008）P C（3）(5)汽轮机内效率是指蒸汽热能转化成轴上机械功的有效比焓降与整机理想比焓降之比。
orc系统向心透平膨胀机动态特性研究
摘要应用有机朗肯循环（ORC）将低品位热能转换为高品位电能，适用于工业废热、地热能、海洋温差能等领域。
ORC系统具有结构简单、环境友好、无有害气体排放等特点，其关键的换能设备是有机工质膨胀机。
本文在实验室搭建的ORC低温余热发电实验平台上，对自主设计的向心透平膨胀机进行性能研究。
分别研究了向心透平的工作性能和转子系统的振动特性；对向心透平流动特性、转子系统临界转速以及不平衡响应特性进行了实验和数值研究，并优化了透平的结构。
以R123为工质，实验研究了向心透平及其系统的性能变化规律。
对向心透平转轴的径向振动进行了测量，研究了转子系统的振动特性。
结果表明：随着工质流量的增加，透平转速增大，存在最佳转速，使得向心透平等熵效率最大；随着热源温度的升高，最佳转速不断增大；随着冷源流量的增加，向心透平的压比、转速以及膨胀功率不断增加，系统热效率逐渐升高；随着透平转速的增加，转轴径向振动幅值增加，振动峰值的特征频率增大；向心透平的最高转速达到54850r/m，等熵效率最大值为83.6%，膨胀机最大功率为3.041kW，达到设计要求。
使用ANSYS Fluent 软件，建立向心透平内部流动的单流道数值计算模型，研究不同的导叶安装角、导叶静叶数以及动叶的非可展直纹抛物面对内部流动特性的影响；根据实验数据，对比工质流量、膨胀功率以及等熵效率等参数的计算值，验证了单流道模型的正确性；根据数值研究结果，对透平结构进行了优化，导叶优化后，周向速度提高7.4%，速度系数提高1.12%；动叶优化后，叶轮效率提高 1.05%，最大叶轮效率为90.3%。
向心透平整级优化后，总-静效率提高1.7%。
利用ANSYS Workbench软件，对叶轮进行了模态分析，得到叶轮和转子前八阶固有频率及振型，并对向心透平转子系统进行临界转速分析。
结果表明：预应力下的叶轮固有频率大于无预应力的情况，离心力对叶轮的刚化作用明显；实验用转子系统一阶临界转速为33218r/min，二阶临界转速为65061 r/min；随着轴承支撑刚度的增加，临界转速先快速增大后逐渐缓慢增加，选取转子系统的轴承刚度为1×108N/m较为合理；随着转轴轴尾伸长量的增加，转子临界转速不断减小；随着叶轮密度的增加，临界转速将逐渐减小。
向心透平发电膨胀机静压气体轴承设计与承载特性分析
向心透平发电膨胀机静压气体轴承设计与承载特性分析
武潭;蔡树亭;高晓蕾;郭保国;张黎君
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2024(49)6
【摘要】为提升有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统向心透平发电膨胀机静压气体轴承的承载力与刚度,采用表压比法设计了以R245fa为润滑工质的静压气体轴承,分析转子偏心率、供气孔尺寸、进气压力对静压气体轴承承载力与刚度的影响。
实验结果表明:在相同供气压力下,轴承承载力与刚度随着转速的增大而增大;在相同转速下,0.7 MPa供气压力相对于其他气体供气压力轴承的承载力与刚度略高;静压气体轴承的偏心率越大承载力越大;相同供气孔直径下,静压气体轴承的承载力与刚度随着转速的升高而升高;随供气孔直径增大,静压气体轴承的承载力和刚度也随之增大。
【总页数】9页(P145-153)
【作者】武潭;蔡树亭;高晓蕾;郭保国;张黎君
【作者单位】郑州轻工业大学能源与动力工程学院;郑州大学力学与安全工程学院;河南省锅炉压力容器检验技术科学研究院;河南应用技术职业学院化学工程学院【正文语种】中文
【中图分类】TH133
【相关文献】
1.透平膨胀机气体动压可倾瓦止推轴承承载特性的研究
2.透平膨胀机气体静压轴承的修复
3.气体轴承透平膨胀制冷机的低频振动特性
4.低温氦透平膨胀机静压气体径向轴承的改进设计
5.透平膨胀机径向动静压混合气体轴承静特性分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ORC技术在石化行业中的应用分析
ORC技术在石化行业中的应用分析摘要：为实现国家“双碳”和“双减”目标，采用有机朗肯循环（ORC）低温余热发电技术，对提高能源利用率、节能减排、保护环境具有重要的意义。
本文以某炼化企业ORC项目为例做方案分析，并对其进行经济效果做出评价。
关键词：有机朗肯循环；低温余热发电;石化行业Analysis of the application of ORC technology in the petrochemical industryGUORui（CENTRAL SOUTHERN CHINA ELECTRIC POWER DESIGN INSTITUTE CO， LTD OF CHINA POWER ENGINEERING CONSULTING GROUP，Wuhan 430071，China）Abstract：In order to realize the domestic "dual-carbon" and"dual-reduction" targets, it is of great significance to promoteenergy conservation and emission reduction in high-energy-consuming petrochemical enterprises by adopting the Organic Rankine Cycle (ORC) low-temperature waste heat power generation technology, which can improve energy utilization efficiency, save energy, reduce emissions, and protect the environment. This article takes the ORC project of a certain refining enterprise as an example for scheme analysis and evaluates its economic effects.Keywords：Organic Rankine Cycle; low-temperature waste heat power generation; ORC; Petrochemical industry0. 引言按照温度的差异，余热资源可以划分为三类：低温余热（≤200℃ ）、中温余热（200℃~500 ℃ ）以及高温余热（500 ℃以上），它们各自具有独特的特点。
ORC技术在炼油厂低温热能回收利用中的应用
ORC技术在炼油厂低温热能回收利用中的应用刘晓敏;汪红;杨宏伟;张海峰;黄浩【摘要】探讨了有机朗肯循环(ORC)利用低温热能的技术路线,介绍了其在某炼油厂应用实例,按全年平均节电功率1 300 kW计算,每年节约电能10.92 GW·h,节约标煤3 822 t/a,C02减排9 718 t/a,取得较好的经济效益和社会效益.该工程主要创新点在于:①开发了国内首套采用向心式透平膨胀机的有机朗肯循环发电装置;②自主开发了向心式透平膨胀机,填补了国内ORC单机大功率膨胀机的空白;③采用高效紧凑的板壳式换热技术以提高换热效率,有效提升了有机工质蒸发压力,降低了有机工质冷凝压力,实现了发电装置的高效运行,减少了占地面积,降低了工质装填量;④开发了一套集检测、自动控制为一体的有机工质加注系统,实现了有机工质的自动加注,以确保发电装置安全运行.【期刊名称】《炼油技术与工程》【年(卷),期】2018(048)007【总页数】4页(P58-61)【关键词】有机朗肯循环;低温热能;有机工质;向心式透平膨胀机;低温热回收【作者】刘晓敏;汪红;杨宏伟;张海峰;黄浩【作者单位】中石化洛阳工程有限公司,河南省洛阳市471003;中石化广州程有限公司,广东省广州市510620;中石化洛阳工程有限公司,河南省洛阳市471003;中石化广州程有限公司,广东省广州市510620;中石化洛阳工程有限公司,河南省洛阳市471003;中石化广州程有限公司,广东省广州市510620;中石化洛阳工程有限公司,河南省洛阳市471003;中石化广州程有限公司,广东省广州市510620;中国船舶重工集团公司第七一一研究所,上海市201108【正文语种】中文现阶段国内在能源利用技术上仍存在很大的差距，工业余热的回收效率只有发达国家的80%。
低温余热有机工质发电技术的成功开发及工程应用在为中国石化行业积累相关技术的同时，也为炼油厂深化执行国家节能减排政策以及降低炼油装置能耗方面带来经济效益和社会效益。
1MW有机朗肯循环系统及轴流透平设计
1MW有机朗肯循环系统及轴流透平设计胡国军;胡刚星;祝华云;陈晶;徐志明【摘要】基于自行开发的有机朗肯循环(ORC)系统热力计算软件设计了1 MW ORC系统.考虑到有机朗肯循环系统的特点,介绍了适合于该系统工况参数的有机工质轴流透平的设计过程.随后分析比较了应用于ORC系统的向心透平、螺杆膨胀机及轴流透平的不同特点,总结了轴流透平应用于该功率等级ORC系统的主要优点.最后,针对ORC系统设计了采用R123为工质的1MW轴流透平,在CFD数值模拟的基础上进行了通流的优化和通流结构设计.【期刊名称】《能源研究与信息》【年(卷),期】2016(032)001【总页数】5页(P51-55)【关键词】轴流透平;有机朗肯循环;氟利昂;CFD数值模拟【作者】胡国军;胡刚星;祝华云;陈晶;徐志明【作者单位】杭州汽轮动力集团有限公司,浙江杭州 310016;上海海勋节能科技发展有限公司,上海 200444;杭州汽轮动力集团有限公司,浙江杭州 310016;杭州汽轮动力集团有限公司,浙江杭州 310016;杭州汽轮动力集团有限公司,浙江杭州310016【正文语种】中文【中图分类】TK472随着我国经济进入高速发展阶段,经济总量逐年增大,能源消耗量也随之增大.能源是经济发展的物质基础,为保证国民经济的可持续发展,必须有可持续供应的能源作为支撑.能源消费总量巨大、能源结构不合理、单位国民生产总值(GDP)能耗过高及能源对外依存度过大等问题已经引起全社会的广泛关注.余热回收是解决上述问题的有效途径之一.中高温余热的回收利用技术相对成熟,已经得到广泛的应用.然而,工业生产和自然环境中存在大量的低温余热,包括热水、低品位烟气、蒸汽及地热等,由于品位低,绝大部分不能被很好地再利用,回收这些余热并加以利用既有助于提高能源利用效率,又能有效减少工业生产对环境的污染,具有十分重要的意义.有机朗肯循环(ORC)系统在回收低温余热中具有较明显的优点,是未来低温余热回收利用的发展趋势之一.西方发达国家对ORC系统技术保密,国际上一些低温余热发电设备生产商,如ORMAT、PRATT & WHITNEY、GE油气集团等,已完成对我国大型冶金企业及石油化工企业低温余热资源的初步调查,准备进入我国市场.因此,加快研究,尽快攻克ORC技术难题,增强我国ORC设备制造及配套能力已刻不容缓.2012年ORC技术被国家四部委联合收录至《重大技术装备自主创新指导目录》,这对推动低温余热利用的ORC技术发展具有重大作用.目前国内对ORC系统及透平的研究较多,清华大学、中国科学院、中国科技大学及浙江大学等科研院所都对ORC进行了系统的研究[1-3].然而轴流透平的设计及研究没有公开的文献可查.本文采用R123为工质进行了ORC系统和轴流透平的设计.利用NUMECA软件对设计方案进行了CFD数值模拟,并对结果进行对比分析. 1.1 ORC系统设计针对温度为130～160 ℃的热源和27 ℃的冷却水的条件,所设计的ORC系统如图1所示,图中1、2、3、4均为状态点,各点主要参数如表1所示.该系统采用R123工质作为循环介质,冷凝器、蒸发器及预热器均为管壳式换热器.系统热力计算采用基于EES软件编写的程序进行计算.该程序能针对不同热源和冷源,对ORC系统进行热力计算,计算所采用的有机工质物性参数采用美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的数据.1.2 ORC与水蒸气朗肯循环的比较ORC系统与传统水蒸气朗肯循环有着很大的差别.一般来说,轴流ORC膨胀机的单级进出气容积变化较大;透平段整体温度较低;与普通凝汽式汽轮机相比轴流透平膨胀机背压较高;就系统而言,由于低压区相对汽轮机背压依然较高,工质外漏的风险较大,且有机工质相对于水蒸气价格非常昂贵,因此系统各部件包括透平膨胀机设计都对密封的要求比较高.这些主要差别决定了ORC低温余热发电系统的一些特点.本文的设计考虑采用机械密封作为膨胀机轴端密封.由于整个系统的温度相对传统汽轮机要低很多,系统各部件的热应力较小,对结构设计,尤其是透平膨胀机转子部分的强度和材料要求不是很高.此外,相较于水蒸气朗肯循环,两者最大的区别就是工质物性参数的区别,有机工质分子量大、音速低、总焓降小、膨胀比较大.因此,透平膨胀机、换热器、工质泵和仪表阀门等的设计选型均与普通水蒸气朗肯循环不同,需要特别注意避免生搬硬套传统水蒸气的相关经验和公式.2.1 ORC轴流透平的热力计算ORC轴流透平通流图如图2所示.ORC系统所用膨胀机主要有透平膨胀机、螺杆膨胀机和蜗旋膨胀机三大类,其中透平膨胀机中较为常见的为向心透平[2].轴流透平膨胀机相较于其它几类的主要优点有:①静叶出口马赫数不高于1,变工况性能更佳;②转速3 000 r·min-1,可以不用齿轮箱,与发电机直联;③低线速度对叶轮强度要求不高;④密封装置设计选型难度较高速透平低.轴流透平的通流部分主要分为进气道、静叶、动叶和出气道.根据热源及工质的不同,轴流透平需要采用不同的级数和部分进气度以保证透平的效率.本文中热力计算不涉及进气道和出气道的计算.轴流透平主要设计工况参数如表2所示.本文根据设计工况参数,采用了三级轴流方案,采用自编程序对三级动静叶栅进行了一元热力计算.为了便于叶片的加工,减小级的端部损失,提高级的效率,轴流透平应该尽量选取同样的动静叶型,并将第一级静叶叶高控制在15 mm以上.主要计算参数如表3所示.该透平采用冲动式直叶片,对于叶片径高比大于10的叶片需要根据完全径向平衡方程设计弯扭叶片以提高级效率[4].2.2 ORC轴流透平的CFD数值模拟及分析本文利用NUMECA软件对透平通流部分进行数值模拟[5]以验证一元热力计算的准确性.具体的计算方法为:(1) 控制方程为三维雷诺平均N-S方程;(2) 湍流模型为Spalart-Allmaras单方程模型;(3) 离散方法为空间项采用二阶中心差分格式,时间项采用四阶龙格-库塔法;(4) 动静交界面采用周向混合法(mixing plane approach);(5) 边界条件如表2所示,全部采用结构化网格,网格总数245万,如图3所示. 经计算,数值模拟计算值与设计值偏差不大,均在5%以内,表4为两者对比情况.由于篇幅所限加上第三级的设计为整个通流部分设计的难点,本文仅对总体结果和第三级部分参数进行对比分析.从CFD数值模拟结果来看,轴流透平各级从10%叶高到90%叶高处流线均较为光顺,没有在叶片内弧与背弧处检测到流动的附面层分离和涡的存在,如图4所示.图5为第三级50%叶高密度云图.从图5可以看出,在静叶喉部下游背弧处有一低密度区.这是由喉部工质气体达到临界状态后气流的突然膨胀及气流偏转所致.在流线图中没有捕捉到涡的存在,可知该低密度区对级的效率影响不大.第三级静叶和动叶出口绝对气流角沿叶高的分布如图6所示,可以看出,第三级静叶出口绝对气流角沿叶高从25°到19°不等,与设计值21°存在少许的偏差.这种偏差主要是由于设计叶片出口气流落后角时估计不足造成的.设计中叶片采用直叶片,然而由于直径变化,在径向上气流有一定的偏转,这种偏转需要在设计时使用径向平衡方程进行计算.对于径高比较小的叶片,需要采用弯扭叶片的设计以进一步提高效率.第三级动叶沿叶高的出口绝对气流角分布比静叶的更不均衡,最大偏差与设计值相差近20°.最大偏差发生在叶顶处,这与第三级动叶叶片高度有关,高度越高这种偏差越大.因此,该轴流透平的优化设计要重点考虑第三级动叶的空间造型,尽可能采用弯扭叶片代替直叶片. 图7分别为第三级静叶和动叶在中间截面的载荷分布.从图中可以看出,第三级静叶的载荷主要分布在叶片的后部,且载荷的变化较为光滑,仅尾缘部分有些波动.这是因为喉部为临界状态,在喉部之后流动有个转捩,进入叶栅的斜切部分,该部分的流动较为混乱,损失也较大.第三级动叶的载荷分布在前缘位置变化较大,叶片前缘后载荷分布较为均衡.这是因为动叶前缘相对于静叶前缘较为尖锐,而动叶叶型厚度沿轴向分布较为平均,且安装角接近90°所致.本文主要介绍了有机朗肯循环系统的设计.针对轴流透平的设计对其进行了CFD数值模拟及通流部分的结构设计.从分析对比的结果来看,应用于ORC系统的多级轴流透平的设计值与数值模拟计算值偏差不大.流场中涡和二次流较少,效率相较单级向心透平高.由于采用多级轴流型式,透平除了可以与发电机直联,叶轮最大线速度、静叶出口马赫数及轴封处线速度均远低于单级向心透平.这将使叶轮强度要求、转子-轴承系统设计难度以及材料的选择要求降低,轴端密封更易于选型设计,同时省却了一个齿轮箱.若设计得当则轴流透平将比向心透平及双螺杆膨胀机更适合于某些ORC系统应用场合.通流的设计及数值模拟尽管得到了不错的气动效果,但仍然需要结合强度、结构及转子动力学特性对设计进行进一步校核.进气道、出气道及叶型也有进一步优化的空间.透平总体性能参数及变工况性能还有待试验的进一步验证.【相关文献】[1] 柯玄龄,梁秀英.有机工质朗肯循环(ORC)在中、低温余热能量回收中的应用[J].汽轮机技术,1985(5):58-69.[2] 李艳,连红奎,顾春伟.有机朗肯循环系统及其透平设计研究[J].工程热物理学报,2010,31(12):2014-2018.[3] 郑浩,汤珂,金滔,等.有机朗肯循环工质研究进展[J].能源工程,2008(4):5-11.[4] 王乃宁,张志刚.汽轮机热力设计[M].北京:水利电力出版社,1987.[5] 吴曼,朱奇,姚征.300 MW汽轮机中压缸多级叶片气动设计与分析[J].上海理工大学学报,2008,30(5):434-438.。
低温热源有机工质向心透平变工况特性分析
第36卷第0期中国电机工程学报V ol.36 No.0 000.00, 20162016年0月00日Proceedings of the CSEE ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.152869 文章编号：0258-8013 (2016) 00-0000-00 中图分类号：TK14低温热源有机工质向心透平变工况特性分析薄泽民，桑振坤，张倩倩，翁一武(动力机械与工程教育部重点实验室(上海交通大学)，上海市闵行区 200240)Off-design Performance Analysis of Radial Turbine Using OrganicWorking Fluid for Low Temperature Heat SourcesBO Zemin, SANG Zhenkun, ZHANG Qianqian, WENG Yiwu(Key Laboratory of Power Machinery and Engineering (Shanghai Jiao Tong University), Minhang District, Shanghai 200240, China)ABSTRACT: For recycling the waste heat from industrial waste gas with a temperature of 150~200℃, R600a is as the working fluid of the ORC power generation cycle. The preliminary design and performance analysis of the 150kW-level organic working fluid radial turbine for ORC power generation system was conducted. Based on the one-dimensional aerodynamic and thermodynamic calculation and the CFD numerical simulation, the aerodynamic performance of the organic working fluid radial turbine at design condition was obtained. Then the effects of inlet pressure, inlet temperature and rotation speed on the performance of the organic working fluid radial turbine at off-design condition were analyzed. The results show that the inlet pressure has the largest effect on the performance of the organic working fluid radial turbine, followed by the rotation speed, and then the inlet temperature has the minimum effect. Comparing with the design conditions, a ±6.25% change of inlet pressure (±0.1MPa) can result in approximately a ±7.4% change of output power (±12 kW) of the organic working fluid radial turbine, a ±1.2% change of efficiency (±1%) and a ±6.58% change of flow rate (±0.27 kg/s).KEY WORDS: distributed energy; low temperature heat source; organic working fluid radial turbine; R600a;CFD simulation; off-design performance摘要：有机物朗肯循环发电系统广泛应用于工业余热、太阳光热和地热等低温热源回收利用领域。
一种多级向心透平系统[发明专利]
![一种多级向心透平系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/20cfbe39ba68a98271fe910ef12d2af90242a836.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2013.08.21C N 103256077 A (21)申请号 201210040835.0(22)申请日 2012.02.21F01D 5/06(2006.01)F01D 15/10(2006.01)F01K 27/02(2006.01)F03G 6/06(2006.01)(71)申请人中国科学院工程热物理研究所地址100080 北京市海淀区北四环西路11号(72)发明人陈海生 张雪辉 张新敬 严晓辉谭春青(74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司 11021代理人周国城(54)发明名称一种多级向心透平系统(57)摘要本发明公开了一种多级向心透平系统，涉及透平技术，包括透平膨胀机系统、加热系统和齿轮传动系统。
该多级向心透平系统具有的向心透平个数为偶数，级数在2～8之间，级数的多少由膨胀比的大小决定，每级由一个向心透平或多个向心透平组成。
每两个向心透平采用背靠背的形式布置在一根轴上，具有相同的转速，且能平衡转子的轴向推力。
该多级向心透平的进口温度在220K ～973K 之间，进口压力在3bar ～340bar 之间。
同轴的两个向心透平产生的轴功输出给发电机或作为工业生产的动力源。
本发明的多级向心透平系统，具有膨胀比高、结构简单紧凑、效率高、运行可靠性高、可回收中低温(热值)废热等优点。
(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书6页 附图4页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图4页(10)申请公布号CN 103256077 A*CN103256077A*1.一种多级向心透平系统，包括向心透平组、换热器、发电机、齿轮变速箱、阀门、多根轴及多根管道；其特征在于：向心透平组包括多级向心透平，级数为2～8级，级数的多少由能量转换系统所需完成的膨胀比的大小决定；至少为两级向心透平，每级包括至少一个向心透平，两个向心透平共转动轴背靠背固接；各级向心透平经多根管道、至少一换热器相通连；管道中设有调节阀(26)、三通阀(27)；多级的转动轴分别与齿轮变速箱(18)连接，齿轮变速箱(18)的主输出轴(16)与发电机(19)或其他负荷的驱动轴连接，通过主输出轴(16)输出轴功，带动发电机(19)或其他负荷；换热器的热源为来自于环境、或中低温余热、或太阳能集热器。
ORC透平气动性能分析及优化设计
ORC透平气动性能分析及优化设计刘伟阳;闵爱妮;刘美丽;周志明【摘要】采用一维绝热热力设计方法,在给定的技术参数条件下,给出了叶片节距、气流角、叶高等参数,计算了各个截面上的流动参数.设计了通流部分的流道结构和整个有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)单级透平结构.采用商业软件NUMECA进行数值模拟,对ORC单级透平内部流动的气动性能进行详细分析.通过改善流动条件,对叶型进行优化.【期刊名称】《冶金动力》【年(卷),期】2017(000)007【总页数】5页(P38-42)【关键词】ORC透平;气动性能;数值模拟;优化设计【作者】刘伟阳;闵爱妮;刘美丽;周志明【作者单位】西安陕鼓动力股份有限公司,陕西西安 710075;西安陕鼓动力股份有限公司,陕西西安 710075;西安陕鼓动力股份有限公司,陕西西安 710075;西安陕鼓动力股份有限公司,陕西西安 710075【正文语种】中文【中图分类】TK14在节能减排和保护环境等国家战略需求下，低温余热的回收利用受到了广泛的重视。
ORC(Organic Rankine Cycle,简称ORC)透平具有工质沸点低、来源范围广、蒸汽饱和曲线陡的特点，能安全高效的将低温热源的热能转换为机械能和电能。
透平是热能转换系统的核心设备，所以对ORC透平性能分析和设计方法的研究具有理论意义和重要的工程应用价值。
本文以R245fa有机蒸汽作为流动工质，设计了ORC透平，并开展ORC透平内部流动结构和气动性能分析。
1.1 主要技术参数设计功率:50 kW;循环工质:R245fa;新汽温度:110℃;新汽压力：1.56 MPa;排汽压力:0.28 MPa机组转速:8000 r/min。
1.2 热力设计模型及计算过程（1）由i-s图得整机理想比焓降Δhs(2)汽轮机热力过程曲线图如图1所示（3）主汽管和调节阀节流损失(4）排汽管中压力损失(5)汽轮机内效率是指蒸汽热能转化成轴上机械功的有效比焓降与整机理想比焓降之比。
有机朗肯循环向心透平气流激振及动应力分析
有机朗肯循环向⼼透平⽓流激振及动应⼒分析
有机朗肯循环向⼼透平⽓流激振及动应⼒分析
陶加银，刘乐，巫志华
【摘要】针对350 kW有机朗肯循环机组在满负载试验下发⽣叶⽚断裂故障的现象，在不改变蜗壳的前提下，对该向⼼透平的喷嘴和叶轮进⾏优化，包括优化喷嘴叶⽚的数量、型线和优化叶轮流道等。
针对优化前后的向⼼透平进⾏⾮定常流场计算，并在额定⼯况下对新叶轮进⾏瞬态动⼒学分析。
结果表明：新叶轮受到的⽓流激振⼒急剧降低；新叶轮平均应⼒很⼩，动应⼒⾮常⼩；新叶轮具有⾜够的静态和动态安全性。
【期刊名称】《动⼒⼯程学报》
【年(卷),期】2019(039)010
【总页数】7
【关键词】有机朗肯循环；向⼼透平；⽓流激振⼒；流固耦合；动应⼒
学科分类号：470.30
有机朗肯循环(ORC)采⽤有机⼯质代替⽔蒸⽓进⾏朗肯循环，有利于回收⼯业⽣产中的中低温余热[1]。
⽬前，在30～500 kW 等级的ORC机组中，由于向⼼透平具有⾼转速、⾼膨胀⽐和⾼焓降等优点，经常将其作为膨胀机。
Kang[2]采⽤R245fa为⼯质，设计了采⽤向⼼透平的50 kW ORC 系统，并进⾏试验研究。
王智等[3]采⽤环戊烷⼯质设计了200 kW的向⼼透平，并分析了叶轮扭曲⾓度对透平性能的影响。
总体上，国内外学者对ORC机组中向⼼透平的研究侧重于⼩功率的试验系统，针对采⽤向⼼透平的⼤功率ORC的试验研究很少。
在⾼转速、⾼膨胀⽐和超⾳速⽓流⼯况下，ORC机组中叶轮需要承受强烈的⽓流激振。
如果设计不当，。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ORC系统向心透平膨胀机动态特性研究
应用有机朗肯循环(ORC)将低品位热能转换为高品位电能,适用于工业废热、地热能、海洋温差能等领域。
ORC系统具有结构简单、环境友好、无有害气体排放等特点,其关键的换能设备是有机工质膨胀机。
本文在实验室搭建的ORC低温余热发电实验平台上,对自主设计的向心透平膨胀机进行性能研究。
分别研究了向心透平的工作性能和转子系统的振动特性;对向心透平流动特性、转子系统临界转速以及不平衡响应特性进行了实验和数值研究,并优化了透平的结构。
以R123为工质,实验研究了向心透平及其系统的性能变化规律。
对向心透平转轴的径向振动进行了测量,研究了转子系统的振动特性。
结果表明:随着工质流量的增加,透平转速增大,存在最佳转速,使得向心透平等熵效率最大;随着热源温度的升高,最佳转速不断增大;随着冷源流量的增加,向心透平的压比、转速以及膨胀功率不断增加,系统热效率逐渐升高;随着透平转速的增加,转轴径向振动幅值增加,振动峰值的特征频率增大;向心透平的最高转速达到54850r/m,等熵
效率最大值为83.6%,膨胀机最大功率为3.041kW,达到设计要求。
使用ANSYS Fluent软件,建立向心透平内部流动的单流道数值计算模型,研究不同的导叶安装角、导叶静叶数以及动叶的非可展直纹抛物面对内部流动特性的影响;根据实验数据,对比工质流量、膨胀功率以及等熵效率等参数的计算值,验证了单流道模型的正确性;根据数值研究结果,对透平结构进行了优化,导叶优化后,周向速度提高7.4%,速度系数提高1.12%;动叶优化后,叶轮效率提高1.05%,最大叶轮效率为90.3%。
向心透平整级优化后,总-静效率提高1.7%。
利用ANSYS Workbench软件,对叶轮进行了模态分析,得到叶轮和转子前八阶固有频率及振型,并对向心透平转子系统进行临界转速分析。
结果表明:预应力下的叶轮固有频率大于无预应力的情况,离心力对叶轮的刚化作用明显;实验用转子系统一阶临界转速为
33218r/min,二阶临界转速为65061 r/min;随着轴承支撑刚度的增加,临界转速先快速增大后逐渐缓慢增加,选取转子系统的轴承刚度为1×10~8N/m较为合理;随着转轴轴尾伸长量的增加,转子临界转速不断减小;随着叶轮密度的增加,临界转速将逐渐减小。
通过灵敏度分析发现,转子临界转速受轴承刚度的影响最大,叶轮密度的影响次之,而转轴轴尾伸长量对转子临界转速的影响程度最小。
编写ANSYS APDL程序,结合转子模态以及临界转速分析结果,进行了向心透平转子系统的不平衡响应分析,分别研究了转子结构参数、不平衡量位置以及平衡精度与响应幅值的关系。
结果表明:当转轴直径的增大,转子系统各结点不平衡响应幅值减小;当轴间跨距的增加,叶轮结点的响应幅值逐渐增大,轴尾结点的不平衡响应幅值先减小后增大,轴承结点的不平衡响应幅值增大;当轴尾长度增加,转子系统各结点不平衡响应逐渐减小;在相同平衡精度下,叶轮离两轴承中间点距离增加时,转子系统各结点的响应幅值先减小后增大;在不平衡位置一定时,当平衡精度逐步降低,转子各结点的响应幅值均出现相应增加。