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微型燃气轮机向心透平的设计和研究


  28 卷 第 1 期 第   2008 年 2 月

动  力  工  程
Jo urnal of Power Engineering

Vol . 28 No . 1   Feb. 2008  

Abstract : The mat hematical model of design and calcu

latio n for radial inflow t urbine was established o n t he basis of st udying st ruct ure feat ures and wo rking p rinciple of radial inflow t urbine for micro gas t urbine generator . The t hermodynamic calculatio n of radial inflow t urbine and st ruct ural design of flow passage were finished by using co mp uter aided design technique. Rapid solid modeling was realized by integrating paramet ric design idea and t hree2dimensio nal mo deling technique. The analysis result s by finite element planning , collisio n detectio n and assembly simulatio n were realized based o n t he virt ual assembly platform. technique ; finite element analysis met hod were offered for st ruct ural analyzing and op timizatio n of t he impeller . A ssembly sequence Key words : energy and power engineering ; radial inflow t urbine ; t hermodynamic calculatio n ; modeling

   微型燃气轮机是小型分散式热力发动机 , 单机 功率范围为 25~300 kW ,基本技术特征是采用向心 式透平 、 离心式压气机以及回热循环 , 具有高效率 、 低 NO x 和 U HC 排放 、 体积小 、 重量轻 、 适用燃料范 围广等特点 ,能够较好满足当前能源 、 环保方面的要 求和现代工业及生活对分布式能源系统的需求 [ 1 ] . 虚拟现实 ( Virt ual Realit y ,V R ) 技术融合了数字图 像处理 、 计算机图形学 、 多媒体技术 、 传感器技术等 多种信息技术 . 利用计算机辅助技术设计计算向心

   文章编号 :100026761 ( 2008) 0120071205

微型燃气轮机向心透平的设计和研究
沈景凤 ,   姚福生 ,   王志远
( 上海理工大学 ,上海 200093)

摘   : 在研究微型燃气轮机向心透平结构特点和工作原理的基础上 , 建立了向心透平设计计算 要 的数学模型 . 利用计算机辅助设计技术完成向心透平的热力计算和通流部分的结构设计 ,应用参数 化设计思想和三维建模技术实现其变参数时的快速实体建模 ,应用有限元分析方法进行叶轮的结 构分析和优化 ,基于虚拟操作平台实现其装配顺序规划 、 碰撞检测和装配仿真 . 关键词 : 能源与动力工程 ; 向心透平 ; 热力计算 ; 建模技术 ; 有限元分析 中图分类号 : T K472     文献标识码 : A

De sign and Study of Radial Inflow Turbine for Micro Ga s Turbine
( Shanghai U niver sit y of Science and Technology , Shanghai 200093 , China)
S H E N J i n g2f en g ,  YA O Fu2s hen g ,   A N G Z hi2y uan W

透平的热力参数和结构参数 , 利用 V R 技术建立向 心透平的数字样机 , 结合有限元分析技术对其重要 部件 ,如叶轮进行动态和静态分析 ,可以缩短产品开 发周期 、 提高和控制产品质量 ,解决微型燃气轮机设 计中的关键技术 .

1  向心透平的工作原理和结构特点

向心式燃气透平利用较大的焓降产生较高的圆

收稿日期 :2007205225    修订日期 :2007207210 基金项目 : 上海市重点学科建设资助项目 ( 能源岛关键技术与基地建设) 作者简介 : 沈景凤 (19682) ,女 ,副教授 ,博士研究生 ,主要研究方向为 : 动力系统与机械建模 、 仿真和优化 . 电话 ( Tel . ) :13671509737 ; E2mail : sh - jf @163. co m. cn.

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       动

        力 工 程

第 28 卷  

周速度 ,一般可达 400 ~ 500 m/ s ; 其显著缺点是制 造加工复杂 . 气体流经透平机时的膨胀过程是一个 等熵膨胀过程 . 膨胀气体流经的元件是蜗壳 、 导流 器、 叶轮及扩压器 ,它们组成了透平膨胀机的通流部 分 ,通流部分是制冷及输出功的部件[ 2 ] . 图 1 是向心 透平的组成结构图 . 由图可见 ,具有一定压力的膨胀 空气进入蜗壳后 , 再流入喷嘴 、 叶轮及扩压器 , 然后 离开透平 . 蜗壳将气体均匀的分配到喷嘴中 ,喷嘴可 将气体的压力能转变为气体的动能 ; 叶轮将气体的 能量转变为轴上的机械功 , 而气体本身的压力及温 度降低 ; 扩压器将低温的气体排出 . 气体经过上述 4 个元件后 ,降低了压力及温度 ,并输出功 .

等过程集于一体 ,为用户提供了一种设计计算向心 透平以及了解其工作过程的集成平台 . ( 3) 采用统一的工程数据库管理 . 工程数据库中 包括设计时的原始数据 ,关键部件的几何参数 、 结构 参数和性能参数 , 实体建模 、 虚拟环境建构 、 虚拟装 配等过程中的所有数据 . 各模块的数据采用统一数 据库管理 ,便于数据的共享和维护 .

图2  向心透平虚拟设计的体系框架
Fig. 2   Systematic st ruct ure of virt ual design for radial inflow t urbine

2. 2   计算模型 2. 2. 1   热力计算  

1. 蜗壳 2. 喷嘴 3. 叶轮 4. 扩压器

向心透平的热力计算是确定透平机设计方案的 依据 ,在热力计算中通过给定的初始参数确定透平 机的性能参数和主要结构参数 . 经热力计算后 ,透平 机通流部分的几何形状就确定下来了 , 之后根据通 流部分形状进行向心透平导向装置和叶轮的造型设 计 . 因此 ,向心透平的主要计算内容为 : 给定向心透 平的初始设计数据 , 根据实验数据和生产经验预选 各通流部分的各参数 , 计算出向心透平通流部分各 零部件 ,如叶轮 、 喷嘴和蜗壳的性能参数和结构参 数[ 2 ] . 2. 2. 2   主要结构计算 向心透平采用单蜗室圆截面蜗壳 , 蜗壳是截面 沿流动方向均匀变小的螺旋管 , 具有轴对称气流结 构 . 蜗壳结构较为复杂 ,常采用耐低温的钢合金或铝 合金铸造而成 . 蜗壳的设计主要是蜗壳截面形状的 选择和蜗壳型线的设计 . 圆截面蜗壳任意截面处的 型线半径
r =θ C + /

图1  向心透平的组成结构
Fig. 1   mposition and st ruct ure of radial inflow t urbine Co

2  向心透平的设计和体系结构
2. 1   设计和体系结构

虚拟设计是指设计者在虚拟环境中用交互手段 对在计算机内建立的模型进行修改 . 向心透平的设 计是微型燃气轮机虚拟设计研究中的主要模块之 一 ,其主要任务是 : 研究确定向心透平设计模块的体 系结构 ; 建立数学计算模型 ,利用计算机辅助设计技 术设计计算向心透平的参数 , 建立基于参数化技术 的的三维实体模型 ; 研究向心透平设计系统的数据 结构和虚拟环境 ,实现向心透平在虚拟环境中的装 配 . 图 2 为向心透平设计模块的体系结构 . 该体系结 构的主要特点是 : ( 1) 采用模块化设计方法 , 有利于系统的修改 、 扩展和维护 . 向心透平的蜗壳 、 喷嘴 、 叶轮和扩压器 等关键部件的设计计算 , 实体建模 , 虚拟样机的建 立 ,静态动态分析等功能模块可按实际要求进行扩 充和修改 ,亦可单独使用 ,具有较好的开放性 . ( 2) 通过友好方便的可视化界面 ,以面向对象的 编程方式 ,将向心透平的分析 、 、 、 设计 计算 虚拟演示

θ 2 R′/ C
R″ R′

( 1)

式中 ,截面位置角 θ =


V

K

B ∫ ?d R/ R ,V 为蜗壳

进口处气体的容积流量 ; K 是常数 ; B 是截面位置角 θ处的宽度 ; R′ R″ 和 分别为蜗壳出口处和外壳处的
2 半径 , C = 4π K/ V .

喷嘴是向心透平的导向装置 , 其主要作用是把 气流的压力能转变为速度能 . 喷嘴由一定数量形状 相同的叶片以等间隔分布在圆环上 ,与上 、 下盖板形

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成径向流动的通道 . 喷嘴常用材料为不锈钢或表面 镀铬的黄铜 . 喷嘴的设计原则是 : 保证气流以较小的 流动损失流过喷嘴 , 并在喷嘴出口处获得指定的流 速和流动方向 . 喷嘴设计的主要工作是确定喷嘴各 结构尺寸和叶片形状 . 喷嘴中的损失 式中 ,速度系数 <与叶片形状 、 尾缘厚度 、 叶片高度 及表面粗糙度有关 , 中压小型低温透平机 < = 0. 90 值. 中的损失
2 2 qr = W 2 ( 1 / ψ - 1 ) / 2 2 qn = ( i0 - i1 S ) ( 1 - < )
e e e e

Solidworks A PI 及其参数化设计机制 , 集成参数化

设计和三维实体建模技术 , 实现向心透平的参数化 实体建模 . 具体实现方法为 [ 5 ] : 首先由 Solidworks 建立三维实体模型 , 建模过程中用到的尺寸参数必 须采用完全定义方式 ; 由计算模型的程序化实现实 体建模所需驱动尺寸的转化 ; 定义驱动尺寸名称 ,用 solidworks 参数化技术将信息存储到指定的 Excel 表格中 ; 利用 C + + Builder 的数据库操作形成驱动 尺寸数据库 ,用 OL E 功能修改实体结构尺寸 , 完成 新结构参数的实体建模 . 参数化建模充分利用对象 拓朴结构的共同特性 , 通过对对象实体尺寸的局部 驱动来实现相似对象的柔性设计 , 既保持了产品的 拓朴结构关系不变 , 又保证了用户可以随时改变控 制参数来满足自己的设计建模要求 . 2. 3. 2   虚拟环境中的建模技术 在虚拟产品的开发过程中 , 为了给用户创建一 个身临其境和沉浸其中的环境 , 必须根据需要建立 逼真的视景环境 [ 6 ] . 向心透平在虚拟环境中的视景 建模技术 ,包括将参数化建模中的实体转化为虚拟 环境中的视景模型 , 向心透平视景模型在三维场景 中的引入 ,定义观察视点 、 操纵方式 、 光照环境 、 运动 对象以及对象之间的交互关系等 .

( 2)

~0. 92 ; i0 为喷嘴进口处焓值 ; i1 S 为出口处理想焓 叶轮的主要作用是将气体的能量转变为轴上的

机械功 ,它由一定数量的叶片均匀地分布在一个轮 盘上而形成的 ,叶片间为气体的流动通道 . 叶轮的结 构较复杂 ,工作转速较高 ,常采用低温下强度较好又 较轻的材料 ,如铝合金精密铸造而成 . 为了防止高速 气流对工作轮的冲蚀 , 通常采用表面阳极氧化处理 以提高表面的硬度 . 叶轮的主要结构尺寸有 : 叶轮 进/ 出口直径 、 叶轮出口截面叶片外径和根径 、 流道 的曲率半径 、 叶轮宽度 、 导流段宽度和叶片出口安装 角等 . 叶轮设计的任务是确定上述各尺寸 ,并使叶片 流道具有良好的流动性和叶轮有足够的强度 . 叶轮
( 3)

式中 , W 2 为叶轮出口相对速度 ;ψ为速度系数 ,一般 径轴流式叶轮取 ψ= 0. 75~0. 92.
2. 2. 3   叶轮的有限元分析模型

3  设计实例及结果分析
向心透平设计的已知参数为 : 空气流量 1. 501 kg/ s ,透平初压 0. 9415 M Pa ,初温 174. 2 K ,出口背 压 0. 145 M Pa ,空气压缩性系数 0. 964 ,进口气流密 度 19. 515 kg/ m3 . 3. 1   向心透平辅助设计结果 表 1 为向心透平主要结构尺寸的计算结果 . 辅 助计算部分得到的结构参数通过数据的特征提取和 转化将成为参数化建模阶段的数据源 , 用来驱动不 同结构参数的实体建模 .    经向心透平热力计算 , 确定主要结构尺寸后还 要对影响向心透平性能的参数进行研究 . 图 3 为设 计时选用不同进口角 α 、 1 静叶速度系数 <和动叶速 度系数ψ 时对向心透平功率 、 流量和效率产生的影 响 . 由图中可知 , 若设计时 < 和ψ 取得过小 , 实际不 能达到时 , 则功率减小 , 流量 、 效率下降 ; 若 <和ψ 取 得过大 , 虽向心透平流量增加 , 但此时压气机排气无 法达到设计压力 , 因此透平进口总压下降 、 做功减 少 , 燃气轮机总效率不会提高 , 甚至可能因压气机耗 功增加而下降 . 流量偏小还可能使压气机进入喘振 . 因此 , 设计后应正确估价可能产生的偏差及由此带 来的影响 [ 7 ] .

有限元分析是虚拟设计必不可少的过程和设计

手段 , 它通过对零部件的动态或静态性能的计算 、 分 析和评估 , 验证虚拟产品结构的合理性 , 优化结构方 案 . 利用转动叶轮单元的运动微分方程 [ 3 , 4 ] :
e e e

   建立向心透平叶轮的有限元模型 , 通过求解得 e 到位移向量 δ , 求解应力 、 位移和约束反力 . 式中 ,
M 为单元质量矩阵 ; M G 为单元科里奥利矩阵 ; Kc 、
e e

K0 分别为单元离心力和小位移刚度矩阵 ;V NL 为非线
e e

性应变能 ; Qe 、 eP 分别为单元离心力和气动力向量 ; c Q
F 为相邻单元和叶片边界给出的单元节点力大小 .

2. 3   建模技术

2. 3. 1   参数化实体建模技术

要进行反复迭代 . 因此 , 设计时运用 C + + Builder

可视化集成开发环境 ,开发了基于 Windows 的用户 界 面 . 利 用 C + + Builder 的 OL E 功 能 调 用

¨ δ δ M δ + M G - Kδ + 5V NL / 5 = F + Qc + Q P c
?
e e e e

( 4)

向心透平热力计算和结构设计时 , 其各参数需

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       动

        力 工 程

第 28 卷  

表1  向心透平通流部分主要结构尺寸 Tab. 1   Main structural size of flow passage of the radial inflow turbine
进口处截 面半径 蜗壳
R/ mm

θ θ 型线方程 : r = 0. 0013463 + 0. 0165724 1/ 2 截面 0 截面位置角θ rad / 型线的半径 r/ mm
0 0 102

截面 1 π4 /
16 133

截面 2 π2 /
23 148

截面 3 π 3 /4
29 159

截面 4 π
34 169

截面 5 π 5 /4
38 178

截面 6 π 3 /2
42 187

截面 7 π 7 /4
46 195

截面 8 π 2
50 202

50

流道外壳线半径 R″mm / 叶片弦长
b/ mm

岛状 叶型 喷嘴

叶片高度
lN / mm

喉部宽度
bN / mm

叶片出口厚度 δ / mm K
0. 47

出口安装角 α / (° ) 1
23. 21

外径
D0 / mm

内径
DN / mm

叶片数
ZN

5. 5

37. 5

6

172

128

17

进口直径 叶轮
D1 / mm

出口直径
D2 / mm

出口叶片外 径 D′/ mm 2
80

出口叶片根 径 D″/ mm 2
25

流道的曲率 半径 R/ mm
42

叶轮宽度
B r / mm

导流段宽度
B D / mm

进口叶片高 度 l 1 / mm
6

叶片出口安
) 装角β / (° 2 30. 2

120

60

34

16

图3  静叶 、 动叶速度系数和出口角对功率 、 流量和效率的影响
Fig. 3  Effect s of blade’s velocit y coefficient and outlet angle on power , flow and efficiency

3. 2   有限元分析

利用上述有限元计算模型采用有限元分析软件
NA S TRAN 分析 ,得到图 4 的叶轮有限元网格划分

铝合金 ,杨氏模量为 9. 6 × 4 M Pa ,泊松比为 0. 36 , 10 3 材料密度为 4 620 kg/ m . 边界条件设定为约束叶 轮摩擦环面沿轴心位移和叶轮螺孔内径向位移 . 载 荷设定为叶轮摩擦环面的压力和螺纹侧面的载荷 . 由位移云图可得 ,叶轮的位移分布呈近似同心圆状 , 由内向外逐渐变大 .

模型和位移云图 . 算例中的叶轮直径 120 mm , 叶片 总数 14 ,工作转速为 65000 r/ min. 采用 NA S TRAN 软件中的 TE T4 ( 四面体 4 节点 ) 单元进行网格划 分 ,产生节点 32 182 ,单元 113 305. 叶轮材料采用钛

图4  向心透平叶轮的有限元网格划分模型 ( 左) 和位移云图
Fig. 4  Finite element mesh dividing model and displacement f ringe figure of t he radial inflow t urbine impeller

  1期 第

沈景凤 ,等 : 微型燃气轮机向心透平的设计和研究

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3. 3   实体模型和虚拟装配

图 5 为向心透平的三维实体模型和虚拟装配过 程 . 基于向心透平零部件的几何配合约束和工程语 义信息 ,在通过干涉检查的前提下 ,自动推理与人机 交互相结合 ,求解可行拆卸方向和路径 ,获得合理可 行的拆卸顺序和初始路径 , 通过求逆得到可行装配 序列 ,即装配顺序和路径 . 然后 , 在计算机上模拟产 品的实际装配过程 ,直观展示产品的可装配性 ,这种 可视化方式确保了装配序列的可实现性 , 为向心透 平装配工艺 、 装配设备和装配工步的规划提供了准 确可靠的信息 .

构特点的分析 ,建立了向心透平的计算模型 . 利用计 算机辅助设计技术进行了向心透平的热力计算和结 构设计 ,分析了向心透平的性能特点 . 同时 , 提出了 向心透平三维实体模型的参数化设计方法 , 实现了 不同参数下快速设计计算向心透平的要求 . 利用计 算机装配出 “虚拟产品”以可视化方法验证 、 , 展示和 完善产品及其零件的可装配性 , 以此来检验原设计 的合理性和正确性 , 并规划出科学 、 合理 、 高效的工 艺流程 . 参考文献 :
[ 1 ]     ,马朝臣 ,沈宏继 ,等 . 一种微型燃气轮机核心机 杨 策

工程设计及分析 [J ] . 工程热物理学报 ,2004 ,25 ( 1) :53
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京 : 国防工业出版社 ,2001.
[4]   骆天舒 , 戴   . 整体式向心叶轮模态的有限元分析 韧 [J ] . 内燃机工程 ,2005 ,26 (1) :77 - 80. [5]   沈景凤 ,姚福生 . CP 型单螺杆压缩机的计算机辅助设
图5  向心透平的虚拟装配过程
Fig. 5   Virt ual assembly process of t he radial inflow t urbine

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[6]   刘常乐 , 郁  杰 , 武松涛 . ITER 真空室内屏蔽结构的

4    结 论
通过对微型燃气轮机向心透平的工作原理和结    ( 上接第 57 页)

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[7]   刘坚风 ,曹孝瑾 . 向心透平损失模型和出气角对热力气

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4    结 论
( 1) 利用布置在炉本体上不同高度处的多个 CCD 火焰探头实时拍摄炉内燃烧火焰图像 ,经计算

[2]   黄本元 , 罗自学 , 胡光明 ,等 . 基于炉膛辐射能信号的

主汽 温 控 制 试 验 研 究 [ J ] . 电 站 系 统 工 程 , 2006 ,
22 (5) : 21 - 25. [3]   周怀春 , 娄新生 , 尹鹤龄 , 等 . 采用辐射能信号的电

机图像处理得到各分层辐射能信号 , 提出了一种多 层辐射能信号融合处理得到总辐射能信号的新算 法 . 它可确定各分层辐射能的最佳加权系数 ,由此导 出的总辐射能与负荷之间具有最大相关性 , 其相关 系数高达 0. 92 以上 . 总辐射能能够很好地反映因燃 料量改变引起的机组负荷的变化趋势 , 并超前辐射 变化 30 s 以上 ,适合引入机组在线控制系统 . ( 2) 新算法能够自适应整定各分层辐射能最佳 加权系数 ,适应于某些火焰探头周期性积灰 、 结焦甚 至短期故障检修的情况 ,并易于工程实现 . 参考文献 :
[ 1 ]     , 缪楚雄 . 炉膛火焰图像数字技术在电厂锅炉 彭 敏

站锅炉燃料调节对象建模及控制仿真研究 [J ] . 中国 电机工程学报 , 1996 , 16 (4) : 226 - 229.
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汉 : 华中理工大学出版社 , 1987.


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