一种跨临界二氧化碳离心压气机优化方法与流程

本发明涉及叶轮机械 ，特别涉及一种跨临界二氧化碳离心压气机优化方法。

背景技术：

1、超临界二氧化碳热力循环发电技术是一种利用超临界二氧化碳工质的物性特点，基于布雷顿循环原理，通过工质物性、循环过程和设备创新综合匹配形成的新型共性动力技术方案，有望在核能、光热、燃气电厂、余热、生物质发电等领域快速推广应用，带来上述领域内的技术和产业变革，同时带动能源领域装备制造业发展。

2、研究表明，在超临界二氧化碳热力循环系统中，当二氧化碳的热力循环处于跨临界状态时，即当压气机入口温度从305 k降低到300 k，循环效率提高1.5%以上，将入口温度降低到295 k，循环效率提高2.7%以上。对于大型电力系统来说，这些效率的大幅提高可以对发电厂的经济产生强大的影响。

3、目前文献公开的百千瓦级至兆瓦级二氧化碳循环发电系统均采用离心压气机，离心压气机适用于低功率等级的低流量、大焓降情况，但此时跨临界二氧化碳区域物性急剧变化从而导致传统物性插值设计时插值误差大，从而导致跨临界二氧化碳离心压气机优化不准或者优化失效，无法为跨临界压气机设计提供较优或者更优的离心压气机参数组合方案；另一方面，工程上离心压气机的设计需要符合快速响应的特征，因此快速高效的优化设计方法也是工程发展的方向。因此寻求合适、精确的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法是跨临界二氧化碳高效循环运行的发展方向。

4、有鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，经过反复试验设计出及一种跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，以期解决现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，能够获得最佳的跨临界二氧化碳离心压气机设计参数。

2、为达到上述目的，本发明提出一种跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其中，所述跨临界二氧化碳离心压气机优化方法包括：基于流体相似理论将跨临界二氧化碳的物性区间等效于理想工质的物性区间，根据所述理想工质进行离心压气机的几何参数敏感性分析并筛选出理想工质离心压气机耗功最优的几何参数值；根据流体相似理论将理想工质离心压气机耗能最优的几何参数值缩放回跨临界二氧化碳离心压气机，以获得跨临界二氧化碳离心压气机耗功最优的几何参数值。

3、与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

4、本发明提出的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，将跨临界二氧化碳的物性区间等效于某理想工质的物性区间，由于理想工质的物性在热循环中不会发生急剧变化，从而避免跨临界二氧化碳区域物性急剧变化的问题，然后根据等效理想工质进行离心压气机的几何参数敏感性分析并筛选出理想工质离心压气机耗功最优的几何参数值；最后再根据流体相似理论将理想工质离心压气机耗能最优的几何参数值缩放回跨临界二氧化碳离心压气机，以获得跨临界二氧化碳离心压气机耗功最优的几何参数值，从而解决跨临界二氧化碳离心压气机因物性急剧变化导致优化设计失效以及无法快速高效进行参数敏感性分析从而获得最佳的跨临界二氧化碳离心压气机设计参数的问题，为百千瓦级至兆瓦级跨临界二氧化碳离心压气机的高效研发以及跨临界二氧化碳循环高效运行提供技术支撑与保障。

技术特征：

1.一种跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述跨临界二氧化碳离心压气机优化方法包括：基于流体相似理论将跨临界二氧化碳的物性区间等效于理想工质的物性区间，根据所述理想工质进行离心压气机的几何参数敏感性分析并筛选出理想工质离心压气机耗功最优的几何参数值；根据流体相似理论将理想工质离心压气机耗能最优的几何参数值缩放回跨临界二氧化碳离心压气机，以获得跨临界二氧化碳离心压气机耗功最优的几何参数值。

2.如权利要求1所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，根据近似经验关系式缩放获得跨临界二氧化碳的等熵效率，其采用的经验关系式如下：

3.如权利要求1所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述几何参数包括离心压气机叶根直径、叶轮出口直径、叶轮入口间隙、叶轮出口间隙。

4.如权利要求1所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，基于中心组合设计和doe试验方案进行几何参数敏感性分析。

5.如权利要求4所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述中心组合设计采用四因子五水平。

6.如权利要求4所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述doe试验方案采用2d平均线方法进行一维气动评估。

7.如权利要求1所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，根据几何参数对性能指标的贡献率大小和以及主效应分析筛选出理想工质离心压气机最优的几何参数值。

8.如权利要求7所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述性能指标为离心压气机的压气机耗功。

9.如权利要求8所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，压气机耗功包括压气机气动耗功以及风阻耗功。

10.如权利要求9所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述气动耗功定义如下：

11.如权利要求9所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述风阻耗功定义如下：

12.如权利要求1所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述离心压气机的叶轮的叶根直径最小值满足如下关系式：

13.如权利要求1所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述离心压气机进口气流位于饱和线以上区域。

14.如权利要求1所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述离心压气机进口气流极限流速vlimit与极限声速αlimit的比值≥0.3，其中，所述离心压气机进口气流极限流速vlimit定义如下：

15.如权利要求7所述的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，其特征在于，所述贡献率大小通过pareto图进行比较而确定。

技术总结
本发明提出一种跨临界二氧化碳离心压气机优化方法，涉及叶轮机械技术领域，该跨临界二氧化碳离心压气机优化方法包括：基于流体相似理论将跨临界二氧化碳的物性区间等效于理想工质的物性区间，根据理想工质进行离心压气机的几何参数敏感性分析并筛选出理想工质离心压气机耗功最优的几何参数值；根据流体相似理论将理想工质离心压气机耗能最优的几何参数值缩放回跨临界二氧化碳离心压气机，以获得跨临界二氧化碳离心压气机耗功最优的几何参数值。本发明提出的跨临界二氧化碳离心压气机优化方法能够获得最佳的跨临界二氧化碳离心压气机设计参数。

技术研发人员：陈尧兴,叶绿,黄彦平,刘光旭,臧金光
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14