王曉奇，張鯤羽，杜曉東，隨志強

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

海洋溫差能作為一種可再生的清潔能源，具有巨大開發(fā)潛力。由于海洋溫差能受天氣、晝夜以及季節(jié)的影響很小，穩(wěn)定性和可控性堪比化石能源，因此海洋溫差能也是海洋能中最穩(wěn)定的可再生能源，海洋溫差發(fā)電作為海洋溫差能的主要應(yīng)用方式之一，具有巨大發(fā)展?jié)摿ΑＮ覈虾夭钅苜Y源十分豐富，中國海域溫差能可供開發(fā)的理論裝機(jī)容量約18×108kW，其中90%分布在我國南海[1]。

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)由于換熱溫差小，僅有約20 ℃，故系統(tǒng)效率不高，這也是制約海洋溫差發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要因素之一，工質(zhì)透平機(jī)作為海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，用于推動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，工質(zhì)透平機(jī)效率的高低對整個發(fā)電系統(tǒng)的效率有著直接的影響。高效的透平機(jī)可提高海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，降低設(shè)備建設(shè)投資，故透平機(jī)的研究至關(guān)重要。

1 海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)

1.1 海洋溫差發(fā)電原理

海洋溫差發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)主要有3種：閉式朗肯循環(huán)、開式朗肯循環(huán)和混合式朗肯循環(huán)[2]，其中閉式循環(huán)方式結(jié)構(gòu)簡單，體積小，是海洋溫差發(fā)電的主要研究方向。閉式循環(huán)基本原理為以海洋表面的溫海水為熱源，以海洋深層冷海水為冷源，采用低沸點工質(zhì)與溫海水在蒸發(fā)器內(nèi)換熱蒸發(fā)為工質(zhì)蒸氣，驅(qū)動透平發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，做過功的工質(zhì)蒸氣與冷海水在冷凝器內(nèi)換熱冷凝為液態(tài)，由工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器形成閉式循環(huán)。其原理見圖1。

圖1 海洋溫差發(fā)電閉式循環(huán)基本原理

1.2 工質(zhì)選擇

工質(zhì)的選擇對海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)有重要的影響，海洋溫差發(fā)電所用工質(zhì)需同時考慮熱源溫度、系統(tǒng)運行壓力、工質(zhì)干濕性、環(huán)保型、安全性。世界范圍內(nèi)的閉式海洋溫差發(fā)電示范裝置主要采用氨或氟利昂作為循環(huán)工質(zhì)[3]。考慮環(huán)保及安全性，本文采用R134a作為海洋溫差發(fā)電工質(zhì)進(jìn)行設(shè)計分析。

1.3 有機(jī)工質(zhì)透平

海洋溫差發(fā)電由于冷、熱源溫差較小，工質(zhì)在透平機(jī)內(nèi)焓降較小，適宜于采用向心式透平作為能量轉(zhuǎn)換裝置。

向心式透平結(jié)構(gòu)見圖2，主要包括進(jìn)氣蝸殼、噴嘴、葉輪、排氣通道，工質(zhì)蒸氣通過蝸殼將蒸氣分配至噴嘴，在噴嘴內(nèi)膨脹加速后進(jìn)入葉輪，推動葉輪旋轉(zhuǎn)做功。

圖2 向心式透平結(jié)構(gòu)示意圖

2 海洋溫差發(fā)電用向心透平初步設(shè)計

本文對55 kW級海洋溫差發(fā)電用透平機(jī)以R134a為工質(zhì)進(jìn)行向心式透平機(jī)初步設(shè)計計算。設(shè)計過程中透平入口的工質(zhì)蒸氣溫度23.5 ℃，壓力0.63 MPa，排氣背壓0.413 MPa。

2.1 向心透平一維氣動計算

根據(jù)透平機(jī)進(jìn)出口參數(shù)，采用物性查詢軟件REFPROP軟件確定透平各處工質(zhì)的物性參數(shù)，按照透平軸向排氣的前提，通過假定透平機(jī)比轉(zhuǎn)速、載荷系數(shù)、出口流量系數(shù)、噴嘴出口氣流角參數(shù)計算出透平機(jī)工作轉(zhuǎn)速及初始幾何參數(shù)，再進(jìn)行迭代計算形成透平機(jī)的一維設(shè)計，設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 55 kW 海洋溫差發(fā)電用向心透平一維計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，55 kW向心式透平機(jī)的一維設(shè)計氣動性能優(yōu)良，渦輪總靜效率82.7%，輸出軸功61.6 kW，考慮軸承損失及發(fā)電機(jī)損失后（假設(shè)效率為92%），通過發(fā)電機(jī)輸出電功率56.6 kW。

2.2 向心透平幾何造型

1）葉輪幾何造型

本文葉輪造型采用黃希程的圓柱拋物線造型方法進(jìn)行葉輪造型設(shè)計，采用拋物線形成葉片拋物面，根據(jù)一維計算結(jié)果生成葉片中弧面的型線坐標(biāo)，然后根據(jù)葉片的厚度分布通過偏置獲得壓力面和吸力面的型線坐標(biāo)。

根據(jù)一維通流計算結(jié)果，采用NREC里面的AXCENT葉輪造型軟件進(jìn)行設(shè)計，完成葉輪造型設(shè)計，結(jié)果見圖3。

圖3 葉輪三維模型

2）噴嘴造型設(shè)計

根據(jù)一維氣動設(shè)計結(jié)果，噴嘴出口絕對馬赫數(shù)在0.6，屬于典型的亞音速葉型，本文向心透平噴嘴根據(jù)一維計算結(jié)果的噴嘴出口馬赫數(shù)、出口角參數(shù)選用軸流式汽輪機(jī)對應(yīng)參數(shù)的靜葉葉型經(jīng)過保角變化為徑流式導(dǎo)向葉片。噴嘴葉型見圖4。

圖4 噴嘴葉柵截面

3）通流幾何造型

根據(jù)生成的噴嘴及葉輪的幾何造型形成55 kW向心透平的通流葉型三維幾何模型見圖5。

圖5 透平葉型模型

2.3 向心透平數(shù)值模擬

本文采用CFD中的NUMECA進(jìn)行透平機(jī)通流數(shù)值仿真分析，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行分析，總網(wǎng)格數(shù)量為200萬左右，計算模型見圖6。

圖6 55 kW 向心透平機(jī)通流網(wǎng)格模型（續(xù)）

圖6 55 kW 向心透平機(jī)通流網(wǎng)格模型

計算設(shè)定邊界條件為：

1）計算域進(jìn)口給定總溫、總壓。

2）出口給定平均靜壓。

3）湍流模型采用帶壁面函數(shù)的SST模型。

4）與葉輪相關(guān)的網(wǎng)格塊和葉輪壁面給定轉(zhuǎn)速。

5）固體壁面采用絕熱無滑移邊界條件。

3 結(jié)果分析

3.1 額定工況性能

通過仿真迭代，得出透平流量收斂曲線見圖7，透平效率收斂曲線見圖8。

圖7 55 kW ORC 透平流量收斂曲線

圖8 55 kW ORC 透平效率收斂曲線

通過CFD數(shù)值仿真計算，透平主要性能參數(shù)見表2。

表2 CFD 數(shù)值仿真計算結(jié)果

通過圖7可以看出CFD數(shù)值仿真計算流量對比一維計算流量差距很小，說明三維葉型通流面積準(zhǔn)確。通過圖 8可以看出，CFD數(shù)值仿真計算的透平機(jī)總總效率達(dá)94.9%，達(dá)到了很高的效率水平，工質(zhì)蒸氣在流道內(nèi)的非等熵?fù)p失較小，三維葉型設(shè)計優(yōu)良，完全可達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

考慮透平機(jī)動靜葉之間的漏氣損失及葉輪的摩擦損失，對CFD仿真效率進(jìn)行修正，修正后效率達(dá)到88.5%，高于一維計算的效率82.7%，這主要是一維計算時透平流動損失模型損失系數(shù)選取較大的緣故。

3.2 流場分析

透平靜葉中徑處表面載荷分布見圖9，葉輪中徑處表面載荷分布見圖10。從靜葉表面壓力分布可以看出，從進(jìn)口到出口呈現(xiàn)出明顯后加載特性，能很好的抑制二次流發(fā)展，吸力面擴(kuò)壓較少，因此透平靜葉整體氣動性能優(yōu)良。從葉輪中徑表面壓力分布可以看出葉輪進(jìn)口到出口載荷分布均勻，吸力面幾乎無擴(kuò)壓段存在，說明動葉片幾何造型合理，氣流能夠在動葉片內(nèi)均勻膨脹。

圖9 靜葉中徑處表面載荷

透平壁面靜壓分布見圖11，流線分布見圖12～圖14。

圖11 透平CFD 計算壁面靜壓

圖12 透平子午面流線

圖14 吸力面極限流線

從圖11中可以看出，工質(zhì)蒸氣在透平入口從0.613 MPa逐漸降低到0.413 MPa，滿足設(shè)計要求。圖13和圖14為透平葉輪表面壓力面和吸力面極限流線，壓力面和吸力面氣流流線均勻，無明顯通道渦以及流線分離，這也進(jìn)一步證明了葉輪設(shè)計氣動分布合理。

圖13 壓力面極限流線

圖15和圖16為葉輪中截面和葉輪頂截面處相對馬赫數(shù)，重點關(guān)注葉輪頂部相對馬赫數(shù)，可以看出，葉輪頂部出口相對馬赫數(shù)最高為0.6，最大馬赫數(shù)發(fā)生在出口最小截面處，動葉同樣屬于典型的亞音速葉型，從進(jìn)口到出口馬赫數(shù)逐漸升高，且分布較為均勻，除尾緣處主流區(qū)域接近于等熵膨脹，尾緣處的低馬赫數(shù)流體區(qū)域相對主流并不大，且在葉輪出口處很快摻混均勻。因此，定性判斷葉型氣動設(shè)計優(yōu)良，型面損失主要發(fā)生在尾緣處，但由于出口處馬赫數(shù)不高，該項損失不大，后期設(shè)計中考慮強度可行的前提下可以盡量減少尾緣厚度進(jìn)一步提升效率。

圖15 葉輪中截面相對馬赫數(shù)

圖16 葉輪頂截面相對馬赫數(shù)

4 結(jié)論

針對南海海洋溫差條件，本文采用R134a作為循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行了55 kW向心式透平發(fā)電機(jī)的初步設(shè)計與分析，獲得如下結(jié)論：

1）通過一維氣動計算得出海洋溫差發(fā)電用向心式透平機(jī)初步結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)，并根據(jù)一維計算結(jié)果形成幾何模型，采用數(shù)值模擬獲得了透平機(jī)性能及流場分布情況。

2）在入口溫度23.5 ℃，入口壓力為0.63 MPa條件下，出口壓力0.413 MPa，向心透平一維計算效率為82.7%，透平機(jī)輸出軸功61.6 kW，通過發(fā)電機(jī)后輸出電功率56.6 kW，對應(yīng)流量8.97 kg/s；通過CFD仿真分析，透平效率達(dá)88.5%，達(dá)到較高的內(nèi)效率，可有效提升溫差發(fā)電的系統(tǒng)效率。

3）通過三維流場分析，透平在設(shè)計參數(shù)下，具有良好的氣動性能，壓力分布和流線分布均勻，流動損失主要在于動葉出口尾緣區(qū)域和流道吸力面?zhèn)取?/p>