[发明专利]一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法

说明书

本发明公开了一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，包括步骤：首先，根据几何相似准则，将超临界二氧化碳透平同比缩放获得空气透平模型几何参数。然后，利用流动的相似性原理，保证主要准则数及速度三角形相似，将超临界二氧化碳工质的实际工况作为相似准则的输入变量，计算空气工质透平的压比、转速以及进口温度等运行工况参数，开展试验研究，获得空气透平试验数据及性能参数。其次，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳透平无量纲速度场、透平效率、应力载荷以及泄漏量等性能参数。最后，评估超临界二氧化碳透平不同边界条件下的综合性能，验证超临界二氧化碳透平稳定高效运行的可行性，为超临界二氧化碳透平的设计及优化提供指导。

技术领域

本发明属于超临界二氧化碳透平技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法。

背景技术

超临界二氧化碳(SCO₂)布雷顿循环，是以SCO₂为循环工质的新型动力循环，具有效率高、体积小、重量轻、噪声低等特点，在空间狭小、热源温度低场合的应用具有很大的综合优势。是替代传统的锅炉加热蒸汽发电技术，实现能源利用更高效和低成本发展的重要方向之一。超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统主要由热源、压缩机、透平机、回热器、预冷器、管阀系统、控制系统以及辅助系统(供气、冷却、安保等)组成。其中透平的功能是将高温高压的超临界二氧化碳工质的内能转化为发电机主轴旋转所需的机械能，是热功转换核心部件。透平的设计制造水平及性能对整个热力循环的效率具有重大的影响。

相较于数值模拟，开展试验研究在获取透平关键运行参数，评估其性能等方面更为精确，是透平设计、投产过程中必不可少的一环。然而对于超临界二氧化碳透平，诸多不便因素，例如高转速对电机及主轴带来的安全性问题，工质高密度对材料强度的要求，高压或泄露引起的安全性问题等，限制了透平试验的开展。此外，对透平真实运行环境进行试验将耗费大量的时间和资源，大大增加研发周期，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，通过模化方法进行模化试验，可以有效简化试验系统，提高测试能力，避开一些难以达到的运行条件，并且可以通过简单工质的试验结果转换求得特殊工质的性能特征。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透平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透平试验设计的相似模化方法。本发明提出一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，依据相似模化原理，通过开展空气透平试验获得超临界二氧化碳透平性能参数，该方法可以直接指导超临界二氧化碳透平相似模化试验的设计，降低试验难度，缩短超临界二氧化碳透平研发周期。

发明内容

本发明的目的在于针对超临界二氧化碳透平试验开展的复杂性，提出一种超临界二氧化碳透平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透平的强度及气动综合性能，给出了超临界二氧化碳透平的相似模化试验流程，可直接指导超临界二氧化碳透平的相似模化试验，并将试验结果应用于实际透平叶片优化设计中。

本发明采用以下技术方案来实现：

一种超临界二氧化碳透平试验的相似模化方法，包括：

1)根据几何相似准则，将超临界二氧化碳透平同比缩放获得空气透平模型几何参数，确定几何相似比；

2)利用流动的相似性原理，保证主要准则数及速度三角形相似，将超临界二氧化碳工质的实际工况以及几何相似比作为相似准则的输入变量，计算空气工质透平的压比、转速以及进口温度运行工况参数，随后开展试验研究，获得空气透平试验数据及性能参数；

3)将空气透平试验数据及性能参数作为输入变量，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳透平无量纲速度场、透平效率、应力载荷以及泄漏量性能参数；