摘要
氟利昂类工质导致了严重的臭氧层空洞效应及温室效应，各国分别制定了淘汰CFCs、HFC等工质的期限，研发替代工质及其相适用设备迫在眉睫。其中二氧化碳以其优良的热力学性能及显著的环保性能，赢得了广泛关注。由于二氧化碳特殊的热物性，对相关系统的研究及压缩机、膨胀机等关键设备的研发都提出了新的挑战。 当前由于二氧化碳在临界区域物性波动较大及气液两相膨胀过程相变理论涉及许多交叉学科，二氧化碳膨胀机的研发应用处于瓶颈状态，针对二氧化碳特殊物性开发出运行稳定的膨胀装置是目前的研究热点。透平膨胀机相较于容积型膨胀机更易清洁、且运行更接近于等熵膨胀过程，得到了广泛的研究与关注。本文设计的透平膨胀机进口为近临界区饱和液态，经过膨胀相变后出口为气液两相流，采用均相设计方法，得到透平膨胀机通流部分蜗壳、喷嘴、工作轮的造型参数并建立几何模型。 数值模拟采用平衡相变模型研究透平膨胀机的内流相变特性，与当前已有的二氧化碳透平膨胀机实验结果进行对比验证模拟方案可行性，对比分析模拟结果与设计结果，验证本文设计方法的合理性。 结合透平膨胀机工作原理及相关理论，研究喷嘴叶片出口角度为12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°时膨胀机的内部流动特性，分析喷嘴出口叶片角度对于工作轮流道流动状况的影响。研究发现在喷嘴出13叶片角度为13°时，工作轮入口压力面漩涡消失，流体沿着叶片型线均匀流出，整体流动状况最好。 在原设计进口状态的基础上，通过等压情况下改变膨胀机进口温度，以及等温情况下改变膨胀机进口压力，计算分析膨胀机性能及内流特性，研究透平膨胀机进口状态参数对透平膨胀机性能的影响。结果表明在进口压力不变的情况下，进口温度越高，膨胀机性能越好:在进口温度不变的情况下.进口压力越低，膨胀机性能越好。即质量流量不变时，透平膨胀机进口状态越接近饱和状态点做功能力越强。 分析了质量流量分别为4.5、5、5.5、6、6.5kg/s时，透平膨胀机性能随不同喷嘴叶片出口角度的变化规律，质量流量相同时，透平膨胀机做功量随着喷嘴叶片出口角度减小而增加;喷嘴叶片出口角度相同时，透平膨胀机做功量随着质量流量减小而降低。
NETL