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超临界二氧化碳径流涡轮设计及变几何研究

摘要

被称为“第四代能源系统”的超临界二氧化碳布雷顿循环系统，因其功率密度大、

循环结构紧凑以及环境友好等特点，具有广阔的应用前景。径流涡轮作为超临界二氧

化碳布雷顿循环中的核心部件，其对整体循环起到很大影响。另外变几何涡轮技术能

够有效的改善循环变工况性能，但导叶可调也增加系统的复杂性，引起效率下降，故

对以超临界二氧化碳为工质的径流涡轮进行设计以及对其开展变几何气动研究很有必

要。根据上述背景，本文主要研究内容如下：

首先，建立了超临界二氧化碳径流涡轮一维设计方法。根据分析速度三角形法在

理论公式的基础上对超临界二氧化碳径流涡轮进行气动设计，并开发出超临界二氧化

碳一维变工况预测程序用来预测设计方案并简化设计流程，在设计点与CFD计算流量

和效率相对误差分别为0.491%与0.158%，表明其可以对径流涡轮设计点进行准确预

测，通过预测程序筛选优化设计方案，将涡轮效率提升了0.197%。

其次，研究了动叶叶顶间隙大小以及结构对涡轮性能的影响。对超临界二氧化碳

径流涡轮叶顶轴向/径向间隙独立变化对间隙泄漏及性能产生的影响进行了研究，结果

表明径流涡轮对径向尾缘间隙更加敏感，改变相同的间隙，轴向前缘间隙的改变在设

计点效率与标准间隙效率平均相差0.425%，而径向尾缘则平均相差为0.56%。轴向与

径向间隙对涡轮产生非等效的影响，改变相同的泄漏面积的前提下，渐缩间隙方案可

以有效降低叶顶间隙泄漏量改善涡轮性能。

之后，研究了可调导叶间隙与驱动轴对泄漏和涡轮整体性能的影响。采取三种间

隙情况并分为不安装驱动轴与加装驱动轴两种方案进行数值模拟，对不同方案下的导

叶叶端间隙流场结构进行分析，剖析了导叶端部泄漏流动损失机理。结果表明：无驱

动轴方案导叶间隙每增加1%叶高，导叶间隙处泄漏量就会增加8%；有驱动轴方案在

各个导叶间隙情况下均对泄漏产生抑制作用，泄漏比例下降40%以上，同时稳定了动

叶前缘负攻角范围，流动得到了明显改善，效率分别提高了1.53%、4.88%、8.76%。

最后，研究了超临界二氧化碳径流涡轮的变几何特性。通过对比五种不同导叶安

装角模拟改变导叶开度状态，深入分析不同开度下动静叶片以及流场内的各种参数分

布，得到了不同开度对性能的影响规律。

关键词：超临界二氧化碳；径流涡轮；气动设计；变几何涡轮；间隙损失

超临界二氧化碳径流涡轮设计及变几何研究

Abstract

ThesupercriticalcarbondioxideBraytoncyclesystem,knownasthefourthgeneration

energysystem,hasbroadapplicationprospectsbecauseofitshighpowerdensity,compact

cyclestructureandenvironmentalfriendliness.Asthecorecomponentofsupercriticalcarbon

dioxideBraytoncycle,runoffturbinehasgreatinfluenceonthewholecycle.Inaddition,

variablegeometryturbinetechnologycaneffectivelyimprovetheperformanceofcyclic

variableoperatingconditions,buttheadjustableguidevanealsoincreasesthecomplexityof

thesystemandcausestheefficiencytodecline.Therefore,itisnecessarytodesignrunoff

turbineswithsupercriticalca