车用高膨胀比有机工质涡轮膨胀机设计与流动控制研究

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1、车用高膨胀比有机工质涡轮膨胀机设计与流动控制研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：应祺煜指导教师:诸葛伟林副研究员二○一七年六月DesignandFlowControlStudyofaSmallScaleHighExpansionRatioOrganicVapourTurboExpanderforAutomotiveApplicationThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirement

2、forthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineering&EngineeringThermophysicsbyYingQiyuThesisSupervisor:AssociateProfessorZhugeWeilinJune,2017摘要摘要内燃机余热能量占燃料燃烧总能量的2/3左右，利用余热提高内燃机效率是具有最大节能减排潜力的技术。基于有机朗肯循环（ORC）的余热回收技术是内燃机余热利用技术发展的重要方向，也是目前的研究前沿和热点。膨胀机则是有机朗肯循环系统的关键部件之一，与容积式膨胀

3、机相比，涡轮膨胀机具有体积小、效率高、噪音低等优点，更适合车用内燃机余热回收系统。为了提高有机朗肯循环余热回收系统的效率，涡轮膨胀机被要求在较高的膨胀比下工作。因此，车用有机朗肯循环涡轮膨胀机的膨胀比和转速都较高。但是高速高膨胀比有机工质涡轮膨胀机的设计制造难度大，已成为制约车用内燃机有机朗肯循环余热回收技术发展的主要瓶颈之一。本文根据重型卡车柴油机余热利用ORC系统对膨胀机的要求，进行了高膨胀比低比转速有机工质涡轮膨胀机的气动设计与流动仿真分析。涡轮膨胀机采用R245fa作为流动工质，设计膨胀比为8，设计比转速较常规涡轮减小约

4、50%。流动仿真采用全三维计算流体力学（CFD）数值模拟的方法，对该涡轮膨胀机的内部流动损失机理进行了分析。结果表明，涡轮的主要流动损失来自于喷嘴叶片中的跨声速流动激波和尾缘损失，以及叶轮叶片前缘吸力面侧的流动分离损失。论文通过CFD数值模拟，探讨了涡轮膨胀机喷嘴和叶轮的叶型几何参数对涡轮内部流动和工作效率的影响规律。喷嘴叶型的主要几何参数包括喷嘴入口和出口安装角、喷嘴型线、喷嘴叶高和喷嘴倾斜角等；叶轮叶型的主要几何参数包括叶片前缘弯曲角度和尾缘厚度等。通过研究提出采用抛物线型面喷嘴以减小跨声速流动激波损失，采用前弯叶轮叶型降低

5、叶轮前缘分离流动损失的流动控制方法。最后对涡轮膨胀机的喷嘴和叶轮叶型进行了综合优化设计。数值仿真结果表明，涡轮喷嘴的总压损失系数明显降低，激波强度削弱，出口流场均匀性改善；叶轮的前缘分离得到抑制，流动损失减小。涡轮膨胀机的等熵效率较初始设计提高了3.3个百分点。关键词：余热回收；有机朗肯循环；低比转速；高膨胀比；涡轮膨胀机IAbstractAbstractThewasteheatofinternalcombustionenginetakesuptwothirdsofallfuelenergy,thereforewasteheat

6、recovery(WHR)technologyhaslargestpotentialforenergyconservationandemissionreductionamongallautomotivetechnologies.AmongalltheWHRtechnologies,thesystembasedonOrganicRankineCycle(ORC)isoutstandingandintheresearchfront.Moreover,numerousresearchesfocusontheexpanderasitis

7、themostsignificantcomponentwithinORCsystem.Andturboexpanderhasadvantagessuchascompactsize,highefficiencyandlownoiseemission,henceitismoresuitableforinternalcombustionengineWHRsystemcomparedwithvolumetricexpander.Whileturboexpanderusuallyworkswithhighexpansionratioino

8、rdertoincreasetheWHRsystemefficiency.However,themanufactureofturboexpanderwithautomotiveWHRsystemisproblematicasithaslowpoweroutput