一种利用超临界二氧化碳流体为工质的压气机性能预测与评估方法与流程

本发明属于发动机领域，具体涉及一种利用超临界二氧化碳流体为工质的压气机性能预测与评估方法。

背景技术：

压气机作为各个发电系统的“心脏”，在采用不同的工质作为动力循环介质时，压气机所表现出来的性能是不一样的，或者说根据某种流体设计的压气机是不能随便更换其他工质进行工作。为了确保压气机能稳定工作是实现超临界二氧化碳发电系统的必要保障。在获取高效率的同时，压气机的气动稳定性也是必须完成的一项重要内容。

我国的生产装置中发生了大量关于离心压缩机的故障，而且压缩机的故障次数所占比率最大。这要归咎于气体的特殊性质，气体是可溶于水的，溶于水后形成酸性液体，这对压缩机将形成高腐烛效应。为了保证二氧化碳压气机的稳定运行，必须对压气机内气体的气动性能足够了解。二氧化碳的临界点低，并且在特定条件下很容易形成干冰，这可能造成迅速降压的现象。而且在超临界状态下，其表现出来的性质介于液体和气体之间，即高密度低粘性，且运行压力很大，对于这些处理或者其他酸性气体的离心压缩机存在着一些关键性问题，比如说气体动力学性能、材料的选择、介质相变、轴向推力、稳定性和密封等问题。

由于离心压缩机本身结构复杂，所以影响离心压缩机性能和稳定性的因素也特别多。多年来有无数学者对离心压缩机进行了各方面的研究，尤其是超临界二氧化碳压气机的性能预测和评估方法，存在一下不足：

在离心式压气机性设计时采用按照理想气体进行设计离心压气机是不可行的，因为二氧化碳在超临界状态下，其性质复杂，密度和比热变化都很剧烈，需按照实际气体进行设计；

二氧化碳离心式压气机经常出现故障，主要是由于主要是因为压缩机在设计过程中未能准确计算转子轴向推力的大小，造成推力轴承的承载能力不足。还有一些事故是因为压缩机转子失稳造成的，这类故障的原因则是由于没能对转子在高速运转过程中，转子周围的气流对转子产生的激振力对转子的稳定性造成的影响。而这种气流激振力是无法避免的，但是我们通过计算研究可以将激振力对转子转动造成的影响降低到最小。

一般的压气机的性能体现均是将压气机机安装在整个系统中试验完成，那么需要的试验费用较大，安装调试周期也很长。若在试验过程中，压气机的稳定性满足不了要求，出现了压气机失稳的情况，必然造成很大的安全隐患。因此，需要一种新的技术方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可用于工业中的发电制冷等需要压气机的情况下的利用超临界二氧化碳流体为工质的压气机性能预测与评估方法。

本发明的目的是这样实现的：

第一步，根据给定的基本参数，选取合适的气动参数和几何参数对压气机进行一维热力计算。其中关于超临界二氧化碳的热物性可利用REFPROPM软件查询得出，得到压气机进出口参数设计参数,并通过损失模型进行基本参数的分析选择，从而得到优化过的压气机基本设计参数；

第二步，根据一维压气机进出口设计参数，对压气机的叶轮采用骨架成型法进行成型设计，并采用矩形截面的蜗壳流道并设计成前后蜗壳盖配合形成蜗壳流道的形式，最后得到压气机三维实体模型；

第三步，开展超临界二氧化碳压气机气流扰流流场全三维数值模拟，并获得压气机叶轮流道流场的特性，从而预测压气机整个流道内流动稳定性；

第四步，基于压气机流道模拟的技术，对离心压缩机转子的轴向推力进行研究：探究不同压力、不同密封间隙、不同流量情况下转子轴向力的变化；同时将数值计算结果与工程计算方法进行对比，研究影响转子轴向力的因素。

本发明的有益效果在于：

(I)在压气机的设计阶段就可以开展压气机内部流场稳定性影响的预测，较现在的技术明显提前，当发现问题时，可以立即修改设计方案，从而大大降低了压气机在运行过程中出现故障造成的危险性；

(2)采用CFD技术手段通过对超临界二氧化碳压气机气动稳定性影响的评估与实验室试验相比明显节约了试验费用、缩短了试验周期，同时也大大降低了试验风险。

附图说明

图1超临界二氧化碳压气机性能预测与评估流程图；

图2压气机叶轮三维实体模型；

图3扩压器三维实体；

图4采用全三维CFD数值计算得到的叶轮设计工况时流场特性图；

图5叶轮两侧间隙内的压力分布；

图6轴向推力随入口压力的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明采用如下技术方案：一种利用超临界二氧化碳流体为工质的压气机性能预测与评估方法，其包括如下步骤：

第一步，根据给定的基本参数，选取合适的气动参数和几何参数对压气机进行一维热力计算。其中关于超临界二氧化碳的热物性可利用REFPROPM软件查询得出，解决超临界二氧化碳不能按理想气体进行设计的问题。从而得到压气机进出口参数设计参数。并通过损失模型进行基本参数的分析选择，从而得到优化过的压气机基本设计参数。

第二步，根据一维压气机进出口设计参数，对压气机的叶轮采用骨架成型法进行成型设计，并采用矩形截面的蜗壳流道并设计成前后蜗壳盖配合形成蜗壳流道的形式，最后得到压气机三维实体模型。

第三步，开展超临界二氧化碳压气机气流扰流流场全三维数值模拟，并获得压气机叶轮流道流场的特性，从而预测压气机整个流道内流动稳定性。

第四步，基于压气机流道模拟的技术，对离心压缩机转子的轴向推力进行研究。探究不同压力、不同密封间隙、不同流量情况下转子轴向力的变化。同时将数值计算结果与工程计算方法进行对比，研究影响转子轴向力的因素，从而可以指导离心压缩机的精确设计，得到评估压气机的不确定性因素，进行量化研究。

请参照图1所示，为超临界二氧化碳压气机性能预测与评估流程图，其包括如下步骤:

第一步，根据给定参数，如给定叶轮进口总温、总压、质量流量和转速等基本参数，利用MATLAB编程语言计算调用REFPROP物性参数的方法进行压气机进口和出口设计，然后利用损失模型对叶轮出口气流绝对速度角度、叶轮后弯角度、轮毂比、叶片数等参数进行优化，得到压气机进出口参数为三维数值模拟提供设计参考。

第二步，采用骨架成型法对叶片进行造型，主要是前倾曲线和后弯曲线确定，通过前面计算出的叶片表面离散点导入UG，然后再根据离散点还原出吸力面和压力面上的后弯曲线，根据后弯曲线做出吸力面和压力面的片体，经过片体的缝合即可得到一个由骨架成型法计算出的叶片实体最后得到了压气机叶轮三维实体模型(如图2所示)。在扩压器上采用无叶和叶片式扩压器串联的形式，其中叶片式扩压器采用机翼形叶片，在机翼形叶片型线的选择上，采用NACA翼型数据库中的4系列原始翼型根据前面计算出的进出口角度进行一定的弯曲和扩大，即可或得叶片式扩压器中的叶片形状。扩压器的叶片数目采用15片，从而在NACA翼型数据库中选定弯曲程度和性能符合需求的NACA2405叶型，所得到的是用坐标表示的离散点。先在电子表格中对着一系列的离散点进行放大后导入到UG中用NURBS曲线连接各个离散点就可以得到需要的叶片式扩压器型线。再根据计算出来的叶片安装角、叶片数和扩压器大小可以做出来无叶扩压器的实体模型(如图3所示)。

第三步，开展超临界二氧化碳压气机流场全三维数值模拟，并获得超临界二氧化碳压气机流场内压力、速度、马赫数和流线分布图。

首先针对超临界二氧化碳压气机的几何特征，建立压气机流场计算的模型。建模时应根据一维优化过的几何参数，特别是压气机进出口几何特征，给定压气机进口相应的总温、总压以及速度方向，以及出口界面面平均静压，然后对建立的模型进行网格划分，为了获得详细的反流流场的细节，压气机进出口周围的网格应尽量细化。压气机流场的全三维CFD数值模拟采用了NUMECA软件，控制方程为雷诺平均的N-S方程，湍流模型为带壁面函数的K-Ε模型。在此基础上通过给定合理的边界条件，包括:环境大气的温度和压力、速度；压气机进口流量、进口的总温、总压和速度方向，求解雷诺平均的N-S方程，获得压气机流场特性，并通过对流场计算结果的处理，获得流道内静压、静温、马赫数和流线分布图(如图4所示)。

第四步，基于CFD中的模型，给定入口压力、密度动力粘度、质量流量和转速，计算得到两侧间隙内的压力分布以及轴向推力随入口压力的变化。

本发明通过利用CFD技术对超临界二氧化碳压气机的性能进行了预测月评估，与实验室建立实验系统相比达到了节约设计成本和时间的目的。