[发明专利]一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法

说明书

本发明一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法，首先，根据几何相似准则，通过同比缩放获得试验模型几何参数。然后，依据不同工质间的流动相似性准则，保证主要准则数一致，获得空气工质压缩机的转速、进口压力、进口温度、流量等运行参数，开展试验研究，获得试验数据。其次，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳压缩机压比、等熵效率、应力载荷以及泄漏流量等性能参数。最后，改变运行工况，评估超临界二氧化碳压缩机不同运行工况下的综合性能，验证超临界二氧化碳压缩机的变工况性能。采用本发明的模化方法可以显著降低超临界二氧化碳压缩机试验系统的复杂度和试验台搭建难度，节约试验成本，缩短超临界二氧化碳压缩机的产品研发周期。

技术领域

本发明属于叶轮机械领域，具体涉及一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法。

背景技术

采用超临界二氧化碳作为动力循环工质，可以充分利用其高密度、低粘度和低表面张力的优点，显著降低动力循环系统尺寸，提高循环效率。超临界二氧化碳(SCO₂)布雷顿循环在新一代核电、煤电、余热利用、可再生能源利用方面的应用引起了越来越多的关注。压缩机作为动力循环的核心部件之一，其功能是将低压的超临界二氧化碳工质压缩到热源加热所需的高压状态，压缩机的功耗及效率对整个热力循环的效率具有重大的影响。

尽管数值模拟已经广泛应用于压缩机的设计研究中，但为了保证数值模拟结果的精确性，试验研究仍然是压缩机设计到最终投产过程中必不可少的一环。然而对于超临界二氧化碳压缩机，试验研究过程中存在着诸多不便因素，例如超临界状态工质的制备及存储问题，高转速对电机及主轴带来的安全性问题，压缩机进口参数靠近临界点导致凝结两相流问题等。此外，在实际运行工况下开展试验研究将大大增加试验难度及研发周期，不利于产品的快速迭代更新。在此背景下，相似模化试验逐渐得到了设计人员的青睐。相似是指对于同一物理过程，若各个物理量在各对应点上以及各对应瞬间大小成比例，且各矢量的对应方向一致，则称这两个物理现象相似，其问题的解也同样具有相似性。根据相似模化方法，可以在设计工况难以满足的条件下开展模化试验，通过流动相似降低设计工况参数，并且可以通过简单工质代替实际工质开展流体机械的性能研究，因此，相似模化试验可以大大简化试验系统，提高测试能力，避开一些难以达到的运行条件。对于不同工质的相似模化试验，通常采用安全、易得、廉价的空气作为代替工质。然而对于超临界二氧化碳工质，其物性参数与空气存在明显的差异，如何组织使用空气工质的超临界二氧化碳压缩机模化试验是一个现实且复杂的问题，目前公开的资料中，还没有系统的、直接指导超临界二氧化碳压缩机试验设计的相似模化方法。

发明内容

本发明的目的在于针对超临界二氧化碳压缩机试验开展的复杂性，提供了一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法。本发明依据相似性原理，以空气为替代工质研究超临界二氧化碳压缩机的强度及气动综合性能，显著降低了试验系统的复杂度和试验台搭建难度，给出了超临界二氧化碳压缩机的相似模化试验流程，可直接指导超临界二氧化碳压缩机的相似模化试验，并将试验结果应用于实际压缩机叶片优化设计中。

本发明采用以下技术方案来实现：

一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法，包括以下步骤：

1)几何相似性模化

根据原始超临界二氧化碳压缩机模型，通过几何相似性模化获得模化压缩机叶轮的结构参数；

2)流动相似性模化

根据几何相似性模化确定的压缩机结构参数以及超临界二氧化碳工质流动参数，利用超临界二氧化碳工质与空气工质之间的流动相似性原理，通过流动相似性模化获得空气工质试验的流动参数；

3)压缩机性能转换

根据流动相似性模化确定的空气工质流动参数开展试验研究，获得空气工质试验数据，通过压缩机性能转换过程获得超临界二氧化碳压缩机性能参数；

4)综合性能评估