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 s

C 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 Aerodynamic

Performance of ORC Turbines

Liu 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。一般汽轮机的总蒸汽流量G可由下式得到：

G=3.6P s

Δh sηmηrηg(4)式中:

ηr——

—汽轮机通流部分相对内效率的初步估算值，取为0.6；

ηg——

—机组的发电机效率，取为0.9；

ηm——

—机组的机械效率，取为0.99。（6）取级的理想速比为x a=0.45

dm=60uπn=60x a C aπn（5）(7)取部分进汽度e=0.4

el1=Gv1s

πd m c1s sinα1（6）(8）超高

el2=Gv2s

πd mω2s sinβ2（7）1.3热力设计结果

（1）静叶几何参数:

节径Dc:280mm;

高度Lc:12mm;

型线:J4-25-33;

弦长Lc:25mm;

流道数目Zc:46;

节距tc:19.12274mm;

tc/Lc:0.76491;

安装角βB:33；

а1:10.9233。

（2）动叶几何参数

节径DΔ：280mm；

高度Ln：16mm；

型线：D7-20-81；

弦长Li：20mm；

流道数目Zc：64；

节距tn：13.74447mm;

tn/Li:0.687223;

安装角βS:81;

β2:24.72134。

（3）气动参数

流量：11.3t/h;

工质:R245fa;

进汽压力:1.56MPa;

进汽温度:110℃;

排汽压力:0.28MPa;

排汽温度:64.4℃;

内功率:56kW;

转速:8000r/min;

转子旋向:逆时针（顺汽流方向）。

2采用NUMECA软件对ORC透平进行数值模拟

模拟结果如下：

（1）ORC透平内部流动为跨音速流动，由于当地音速较低导致在较低的流动速度下相对马赫数值大于1。

（2）通道内的流动损失主要由于静叶出口附近吸力面位置由激波影响产生的分离损失、尾迹损失以及尾迹对下游动叶内流动造成的损失，由于受到端壁二次流的影响，上下端壁附近的通道涡流动强烈，是损失的主要来源。

（3）静叶出口、动叶进口沿流动方向速度分布极不均匀，最高速度与最低速度之比很大。受内部流动影响，动叶表面的静压载荷分布沿叶高分布变化较大，可能会影响实际叶片的强度安全性。

3对单级透平的三维叶型进行优化改进（1）优化前后流道变化见图2。

图2优化前后流道型线变化

（2）优化前后叶片型线变化见图3。优化后流道出口段呈扩张形态，有利于蒸汽在出口位置膨胀流动，改善出口段的流动条件；优化后静叶通道由优化前的收缩通道变为缩放通道，从前面的分析可知静叶通道内中流体的相对马赫数最大值为1.8以上，为跨音速流动，在静叶出口位置形成强烈的激波，流线弯曲。采用缩放型通道可将流体在喉部以前的吸力面上的相对马赫数控制在1以内，同时在后半段

位置扩张通道有利于更好地适应流体的膨胀流动，出口斜切部位吸力面位置近似呈斜直线，可减小流体马赫数的增加。优化后动叶的轴向弦长减小，从而a优化前

b优化后