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氦透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证.pdf
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1、真空与低温498Vacuum and Cryogenics第2 9 卷第5期2023年9 月氢透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证张泽1-2,周楷森”,付豹”,陈双涛 2,陈良 2,侯予1.2(1.西安交通大学能源与动力工程学院,西安7 10 0 49;2.深低温技术与装备教育部重点实验室,西安7 10 0 49;3.中国科学院等离子体物理研究所,合肥2 30 0 31)摘要:由于氨透平膨胀机在设计工况下进行低温性能测试的实验平台和配套设施很难满足要求,且低温工况较难达到,因此通常用膨胀机在空气中的实验来检验其性能,并通过相似模化方法得到膨胀机低温下的性能。通过分析工质在透平膨胀机中的流动及能
2、量转化过程,发现特性比U/Cs、膨胀比P/P2、马赫数Ma、雷诺数Re是影响膨胀机性能的关键参数。结合相似理论,以透平膨胀机变工况性能预测程序计算结果为依据,筛选出了以U/Cs为第一相似准则,以Ma、k Ma、Ma k 、k Ma 作为第二相似准则的四组相似准则数。以流体动力学计算结果为依据,从四组相似准则中选择出了模化误差最小的相似准则,即U,/Cs与Mk组合。结果表明:相似模化前后氮气与空气透平膨胀机间等熵效率的最大误差在土1.4%以内,且在内部流场预测(马赫数、速度分布)等方面具有良好的模化效果;氨透平膨胀机在设定工况下和空气透平膨胀机在相似模化工况下的等熵效率实验数据显示,两者变化趋势
3、一致且误差小于1%。关键词:氮气;透平膨胀机;相似理论;变工质中图分类号:TB653D0I:10.3969/j.issn.1006-7086.2023.05.009Analysis and Experimental Verification of Similitude Modeling Method for Helium Turbo-expanderZHANG Ze,ZHOU Kaimiao,FU Bao,CHEN Shuangtao,CHEN Liang,OU Yu*(1.School of Energy and Power Engineering,Xian Jiaotong Univers
4、ity,Xian710049,China;2.MOE key Laboratory of Cryogenic Technology and Equipment,Xian710049,China;3.Institute of Plasma Physics,China Academy of Sciences,Hefei 230031,China)Abstract:Because the test platform and supporting facilities for cryogenic performance testing of helium turbo-ex-panders under
5、design conditions are difficult to meet,and the design conditions are difficult to achieve,the expander is usual-ly tested in air to test its performance,and then the performance of the expander at cryogenic temperature is obtained by simi-larity modeling method.By analyzing the flow and energy conv
6、ersion process of the working fluid in the turbo-expander,it isfound that the characteristic ratio U,/Cs,expansion ratio P/P2,Mach number Ma,and Reynolds number Re are the key pa-rameters that affect the performance of the expander.Based on similar theories and the calculation results of the turbo-e
7、x-pander performance prediction program under variable conditions,four groups of similarity criteria were selected with U/Csas the first similarity criterion and Ma,k Ma,Mak,k-Ma as the second similarity criterion.Based on the calculation re-sults of computational fluid dynamics,the similarity crite
8、rion with the smallest modeling error is selected from the four setsof similarity criteria,namely the combination of U,/Cs and Ma.k.Theoretical calculation results show that the maximum er-ror of isentropic efficiency between helium and air turbo-expanders before and after similar modeling is within
9、 1.4%,and italso has a good model in terms of internal flow field prediction(Mach number,velocity distribution),etc.Finally,experi-mental data of isentropic efficiency of helium turbo-expander under set working conditions and air turbo-expander under si-收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 5基金项目:国家自然科学基金(U21B2084)作者简
10、介:张泽,助理教授,主要从事低温透平膨胀机研究。E-mail:通信作者:侯予,教授,博士生导师,主要从事低温工程研究。E-mail:引文信息:张泽,周楷淼,付豹,等.氨透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证J.真空与低温,2 0 2 3,2 9(5):49 8-50 3.ZHANG Z,ZHOU K M,FU B,et al.Analysis and experimental verification of similitude modeling method for helium tur-bo-expanderJ.Vacuum and Cryogenics,2023,29(5):498-503
11、.文献标志码:A文章编号:10 0 6-7 0 8 6(2 0 2 3)0 5-0 49 8-0 6张泽等:氨透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证milar modeling conditions show that the variation trend is consistent,and the error is less than 1%.Key words:helium;turbo-expander;similarity theory;variable working fluid0引言随着我国航天工程、新能源技术的发展,氢能已经纳入我国能源战略。液氢储运具有低成本、携氢密度大、纯度高、便
12、于后期应用中加注等优点。基于氮膨胀制冷的氢液化系统是目前液氢制取方式中常见的一种。同时,随着工业和科学研究领域对液氮的需求越来越多,氮制冷系统的发展程度将对能源工业、基础科学工程以及航天航空等领域内关键技术的进步产生极大的影响。氮透平膨胀机是氢液化装置和氮制冷系统的核心部件,其性能的优劣直接影响整个系统的技术指标。生产方在交付前,希望了解透平膨胀机的工作状态并获得实验数据,但是,氮透平膨胀机很难获得设计工况下的极低温实验条件,因此采用相似理论来实现验证是目前比较可行的方案。空气作为氨透平膨胀机的替代测试工质,首先其可以较好地体现透平膨胀机的机械性能,具体表现为空气和氮气分别作为气体轴承润滑介质
13、时,计算出的轴承承载力较接近。另外,空气作为工质时,冷箱等实验平台的搭建难度较低。因此行业内通常选择空气作为工质对氮透平膨胀机进行模化实验,这就引出了透平膨胀机不同工质的相似模化问题。国内开展氮透平膨胀机相关研究的机构主要有西安交通大学、中国科学院等离子体物理研究所和中国科学院理化技术研究所等。相关学者的研究侧重于透平膨胀机机械性能与热力性能,相似理论在低温透平膨胀机的设计及性能预测方面的研究则较少。在离心式压缩机的设计及实验工作中,相似理论已得到广泛应用2-1。在透平膨胀机的相似模化方法研究方面,西安交通大学侯予等5 通过推导获得了透平膨胀机使用同种工质时的决定性相似准则,随后针对氨透平膨胀
14、机,提出了以周向马赫数Ma的数值为参考对象,给出了Ma不同数值范围内应遵循的四种相似准则数的表达式,并通过实验数据对相似准则进行了验证6-7 。中国科学院理化技术研究所刘立强等8 将人工神经网络技术应用于透平膨胀机使用不同工质时的热力性能转换研究中,获得了较好的预测效果。当采用相同的工质时,透平膨胀机在同样的特性比及膨胀比下具有相同的反动度及相同的扩压比,进而就具有相同的效率9。对于透平膨胀机使499用不同工质时的相似准则,通过分析工质在透平膨胀机中的流动及能量转化过程,可知特性比U/Cs仍然是一个很重要的准则数,这一点得到普遍认可6-10,,但仅保证特性比相等并不能保证不同工质下透平膨胀机的
15、相似。因此,除选取特性比U/Cs为第一相似准则外,还需增加第二相似准则才可能使得不同工质下透平膨胀机满足相似的要求。本文通过分析影响透平膨胀机性能的关键参数,结合相似理论和透平膨胀机变工况性能预测程序,初步选出多个第二相似准则,并通过计算流体动力学的方法对各相似准则下透平膨胀机的运行工况点进行数值模拟,进而从多组相似准则中选择出相似模化误差最小的一组相似准则。最后,为了验证相似模化准则数的有效性,本文将利用选择出的模化方法对透平膨胀机采用氮气作为工质的实验数据和采用空气相似模化工况后的实验数据进行对比。1不同工质下透平膨胀机相似准则分析相似模化方法的核心是如何选取相似准则。在同种工质下透平膨胀
16、机相似准则的研究中,学者们1-14采用的相似准则数有特性比U,/Cs、膨胀比P/P2、叶轮进/出口圆周马赫数之比Ma/Ma2、雷诺数Re、速度系数2 u、反动度Q等。其中,遵循特性比这个相似准则具有十分重要的意义。特性比U,/Cs是透平膨胀机工作轮进口处的圆周速度与等熵理想速度之比,是透平膨胀机中的重要参数之一。特性比的计算式为:=元DnCs660V2h60k-1式中:U为工作轮进口圆周速度,ms;Cs为等理想速度,ms;D,为工作轮进口直径,mm;n为工作轮转速,r-min;h,为膨胀机的等熵比恰降,Jkg;为膨胀比;T。为膨胀机进口温度,K。由特性比的定义可知,在膨胀比一定的情况下,特性比
17、直接反映了转速对膨胀机性能的影响。透平膨胀机的特性比存在着最佳值,当特性比偏离最佳值时,会导致膨胀机效率下降。由于特性比在透平膨胀机参数中的重要性,在不同工质透平膨胀机相似准则选取中,也将特性比作为透平膨胀机的第一相似准则。对于另外一个元DK(1-6)VR(1n(1)500准则数的选取,有文献将P/P2、Ma 或Eu(欧拉数)作为相似准则。在对透平机械进行相似模化时,应保证几何相似、运动相似、动力相似、热力相似和物性相似。热力相似和物性相似要求在对应的各截面上都有相同的绝热指数k。由于空气与氮气具有不同的绝热指数k,因此,在另一个相似准则数的选取上,可将绝热指数k与马赫数进行组合,从而得到第二
18、相似准则。由于透平膨胀机中的流动是一种极为复杂的开始膨胀机各部件(喷嘴、工作轮和扩压器)几何参数输入,氨物性参数以及膨胀机进出口热力学参数的输入,转速的输入假定喷嘴出口马赫数Ma假定喷嘴损失系数以及损失因子计算喷嘴出口热力学参数以及流量,喷嘴损失系数计算损失系数以及假定值是否相等是假定间隙出口速度C2计算间隙出口热力学参数以及损失系数计算出口速度以及假定值是否相等是真空与低温三维流动,很难用简单的解析式描述其流动规律,也就不可能通过公式推导得出相似准则。因此,本文通过应用基于中心线法的透平膨胀机变工况性能预测方法进行计算,通过对比理论计算结果得出了相似模化误差较小的多种第二相似准则。本文所述透
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