工质与叶轮传热对超临界二氧化碳向心透平气动性能与流动特性的作用机制

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (5) : 156 -167.

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摘要

为探究工质与叶轮间传热对超临界二氧化碳透平气动性能与流动特性的作用机制，基于某循环输出功率为150 kW的超临界二氧化碳向心透平几何模型，通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程开展了透平主流和轮背间隙流道内流动与传热的三维数值模拟，采用流热耦合方法对比研究了工质与叶轮间的传热对透平气动性能、轮背间隙风阻损失以及密封间隙流动特性的影响。结果表明：耦合传热条件下，透平轴功率和等熵效率总体下降，其降幅随转轴温度变化存在极值，且动叶前缘压力侧涡流和叶顶间隙泄漏涡流强化了主流与叶轮之间的换热，叶轮前缘及其叶根附近出现局部高温区并产生一定温度梯度，同时动叶压力面与吸力面温差缩小；受到叶轮低壁温的冷却作用，耦合传热条件下轮背间隙内流体温度降低，密度增高，在轮背密封出口压力为2 MPa时，密封泄漏量增大约0.92%,轮背风阻损失增大约12.29%;与绝热条件对比，轮背密封区域工质温度在进口处降低20℃,在密封出口处增高到45℃。