闭式布雷顿循环发电系统热力过程建模及其参数影响研究

针对闭式布雷顿循环发电系统热力循环过程及其参数影响,开展系统的热力过程参数建模研究,建立系统发电功率、比功率和效率的计算模型;在此基础上,研究闭式布雷顿循环发电系统比功率和效率随涡轮入口总温及效率、压气机入口总温、压气机压比及效率、累积总压恢复系数等的变化规律,考虑参数灵敏度及其优化潜力,提出可用灵敏度并对系统的比功率和效率进行灵敏度分析。研究表明,闭式布雷顿循环发电系统的比功率和效率随涡轮入口总温及效率、压气机压比及效率、系统累积总压恢复系数等参数的增大而增高,随压气机入口总温的增大而减小。在压气机入口总温、压比与效率、涡轮入口总温及效率、累积总压恢复系数等主要热力参数中,系统比功率灵敏度最高的参数为涡轮效率,系统效率灵敏度最高的参数为压气机压比。考虑参数的实际优化潜力,在循环工质一定的条件下,系统比功率可用灵敏度最高的参数为涡轮入口总温,系统效率可用灵敏度最高的参数为压气机压比。     

气液两相工质激光推进的理想动力循环模型

为了分析气液两相工质激光推进的能量转换效率,建立了气液两相工质激光推进的理想动力循环模型,对能量转换效率的影响因素进行了研究。结果表明,冲压比和定容增压比是影响能量转换效率提高的主要因素,增大冲压比或定容增压比都能有效提高能量转换效率,冲压比随进口马赫数的增大而增大,而定容增压比随激光功率密度或工质中水滴与空气质量比的增大而增大。增大工质中水滴与空气的质量比能够有效增大定容增压比,提高能量转换效率,据算例可得,当冲压比π=10,水滴与空气的质量比f由0增大到10时,能量转换效率ηt由52.5%提高到了55.8%。     

不可逆闭式中冷回热布雷顿循环效率优化

应用有限时间热力学的方法优化了恒温热源条件下不可逆闭式中冷回热布雷顿循环的中间压比分配和高温侧换热器、低温侧换热器、中冷器及回热器热导率分配，得到了循环最大热效率；通过进一步优化总压比，又得到了双重最大效率。最后通过数值计算，研究了一些重要参数对循环优化结果的影响。     

布雷顿和卡诺热机循环性能比较(Ⅰ)定常态流恒温热源循环

研究定常态恒温热源热机循环性能，导出内可逆卡诺热机和布雷顿热机的最佳功率、效率关系和最大功率及相应的效率界限，并对这两种热机循环的最优性能进行了比较。理论分析表明，只有当工质的热容率趋于无穷大时，布雷顿循环才能达到卡诺循环的性能。数值计算显示，当布雷顿循环的工质热容率为高、低温侧换热器的热导率总量的1．5倍时，布雷顿循环的功率已为卡诺循环功率的99％以上。     

布雷顿和卡诺热机循环性能比较(Ⅰ)定常态流恒温热源循环

研究定常态恒温热源热机循环性能，导出内可逆卡诺热机和布雷顿热机的最佳功率、效率关系和最大功率及相应的效率界限，并对这两种热机循环的最优性能进行了比较。理论分析表明，只有当工质的热容率趋于无穷大时，布雷顿循环才能达到卡诺循环的性能。数值计算显示，当布雷顿循环的工质热容率为高、低温侧换热器的热导率总量的1．5倍时，布雷顿循环的功率已为卡诺循环功率的99％以上。     

定常态流恒温、变温热源两种热机循环比较

研究定常态恒温,变温热源热机循环性能,导出内可逆卡诺热机和布雷顿热机的最佳率,效率关系和最大功率及相应效率界限,并对这两种热机循环的最优性能进行了比较,理论分析表明,定常态流恒温热源循环,只有当工质的热容率趋于无穷大时,布雷顿循环才能达到卡诺循环的性能。数值计算显示,当布雷顿循环的工质热容率为高,低温侧换热器的热导率总量的1．5倍时,布雷顿循环的功率已为卡诺循环功率的99％以上。定常态流变温热源环在相同的边界条件和热效率下,布雷顿循环的功率可以高于卡诺循环功率,极限情况下前是后的两倍,对于变温热源条件,布雷顿循环主要受益于其工质与热源间的较佳的匹配,所得结果对热机工作参数和工质的最优选择有一定指导意义。     

变温热源内可逆闭式中冷回热布雷顿循环的功率和效率

应用有限时间热力学方法，首次研究了变温热源条件下内可逆闭式中冷回热布雷顿循环的性能。导出了无因次功率及效率的解析式，由数值计算，分析了循环最优功率和最优效率时的最佳中间压比分配。并研究了中冷度，回热度和高低温侧换热器的有效度，循环热源进口温比以及中冷源与低温侧热源进口温比对循环性能的影响。     

面向对象的先进循环燃气轮机工质热物性计算方法

先进循环是燃气轮机发展的重要方向,1套通用先进循环工质热物性计算方法对先进循环研究具有重要意义.以工质最为复杂的化学回热循环为例,建立了1套通用的工质热物性计算方法,并论证了该方法也适用于其他先进循环.基于面向对象方法建立了1套计算系统并采用C＋＋语言编制其计算程序,验证了空气和水蒸气的热物性计算精度,最大误差为0.00852％.采用该热物性计算方法计算了1个化学回热循环的热力过程;在给定的条件下其效率比简单循环效率提升32％,达到47.32％.结果表明：所提出的热物性计算方法计算准确,通用性强,为先进循环研究提供了基础.     

布雷顿和卡诺热机循环性能比较(Ⅱ)定常态流变温热源循环

研究定常态变温热源热机循环性能，导出内可逆卡诺热机和布雷顿热机的最佳功率、效率关系和最大功率及相应的效率界限，并对这两种热机循环的最优性能进行了比较。理论分析表明，在相同的边界条件和热效率下，布雷顿循环的功率可以高于卡诺循环的功率，极限情况下前者是后者的两倍。对于变温热源条件，布雷顿循环主要受益于其工质与热源间有较佳的匹配。所得结果对热机工作参数和工质的最优选择有一定指导意义。     

深冷组合循环发动机吸气模态循环分析与设计可行域研究

为了研究类似SABRE3结构的深冷组合循环发动机,建立了基于部件法的发动机设计点热力学计算模型,提出了发动机氦循环新的循环效率和循环特征参数的定义。考虑发动机参数的物理限制条件及不同工质循环之间的相互影响,求解得到了空气路、氦气路重要参数的设计可行域。在可行域内开展了空气路和氦气路的循环分析,获到了冷却当量比、性能参数等主要参数的分布结果。结果表明:此发动机空气热功转换比ηt2为0.02～0.746。氦循环设计可行域受ηt2及换热器热负荷限制;循环起始温度和热负荷限制确定的情况下,ηt2越低氦循环可行域越窄。降低发动机冷却当量比的关键是:提高换热器1的氦出口温度以降低氦流量;当换热器1和换热器2的氦出口温度同时取得最大值时,冷却当量比取得最小值。换热器1和2的氦出口温度分别取1200K和1300K时,空气路可行域内冷却当量比为0.917～2.64。     

超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环性能分析及优化设计方法研究

为发展工程适用的超临界二氧化碳布雷顿循环优化设计方法,研究了关键参数对超临界二氧化碳再压缩循环性能的影响规律,阐述了循环优化设计的必要性,并基于粒子群算法发展了一种再压缩循环优化设计方法.该方法以最低循环压力、循环增压比和分流因子为优化变量,以循环热效率为目标,以合流三通进口温差为约束条件.参数影响规律分析结果表明:循...     

不可逆中冷回热布雷顿循环功率密度优化

用有限时间热力学的方法，在给定总热导率的情况下，以功率密度为目标，通过数值计算，对恒温热源条件下不可逆中冷回热布雷顿循环高、低温侧换热器的热导率分配和中间压比进行了优化，分析了不可逆性对循环功率密度特性的影响。     

基于部件模型的超临界二氧化碳布雷顿循环性能计算

为了研究超临界二氧化碳布雷顿循环在设计状态和非设计状态下的性能,建立压气机、涡轮及换热器等主要部件的部 件模型。给出各部件在共同工作时需要满足的平衡方程,同时建立求解稳态特性计算模型的非线性方程组,进而发展出1 种超临 界二氧化碳布雷顿循环非设计点性能计算方法和对应程序。针对简单布雷顿循环和再压缩布雷顿循环分别建立2 种模型,并计算 分析了转速、压气机和涡轮进口温度对发动机性能的影响。结果表明：在设计状态下,再压缩布雷顿循环的效率高于简单布雷顿循 环的效率;在非设计状态下,再压缩布雷顿循环的性能降低速率更快。     

空间发电系统热管式吸热器热性能分析

为了提高吸热器的热性能、降低吸热器的质量,将热管用于空间太阳能热动力发电系统的吸热蓄热器,建立了相应的物理和数学模型,给出了数值求解方法,计算了蓄热容器最高温度、热管最高壁温、工质出口温度、相变材料(PCM)熔化率等参数,并与基本形吸热器进行了对比,验证了PCM的储热能力,减小了工质气体出口温度的波动。计算结果可用于吸热器的设计。      

布雷顿-空气底部复合循环和外涵回热式燃气-空气轮机

介绍了俄罗斯新发展的一种外涵回热式燃机FTY-18ⅡC，这种燃机的外涵增压空气经与内涵燃机的排气换热后驱动热空气涡轮。该涡轮与内涵燃气动力涡轮共轴输出功率18MW，轴端热效率44％。对FTY-18ⅡC的布雷顿-空气底部复合循环方式与常规回热循环及LM2500的布雷顿-空气底部联合循环和WR21的间冷回热循环做了比较。估算了将斯贝MK202涡扇发动机改装成这种外涵回热燃机的最大功率为17．9MW，热效率为39．1％。     

高超声速飞行器发动机热防护与发电一体化系统

在对高超声速飞行器的热防护和机载设备电能需求的综合考虑下,立足发动机能量管理优化,结合CO2的物性特点,提出了以超临界CO2为循环工质的高效热防护与高温发电一体化系统。此一体化方案可以在实现发动机热防护的同时,提供电能、并减少冷却用燃油流量。基于燃油为该一体化系统的唯一热沉,通过理论分析和计算,提出了两个一体化系统,通过对一体化系统的优化分析,给出了提高一体化系统性能的措施:尽量提高燃油在CO2冷却器中被加热的终态温度以及采用回热来提高CO2闭式布雷顿循环的性能,该系统的热效率可达到17%。相对于采用蓄电池和燃料电池为机载设备供电的方案,当飞行器飞行时间为30 min,该一体化系统的净增质量分别降低85%和68%,体积分别降低81%和59%。      

速度比对气-气喷嘴燃烧性能的影响

为研究应用于全流量补燃循环发动机的气-气喷嘴,开展气氢/气氧为推进剂的同轴剪切喷嘴的热试试验研究。通过测量燃烧室压力和燃烧室壁面温度,研究氢氧速度比变化对燃烧效率和对燃烧室热载荷的影响。结果显示燃烧效率受到速度比和推进剂喷射绝对速度的影响;燃烧室热载荷随速度比增大而增大。气-气喷注器的设计应选择小的氧喷注压降和适合的速度比。     

超高压比民用发动机部件技术水平初步研究

提高总增压比是下一代民用发动机的重要发展趋势之一,有必要对于这一特征的涡扇发动机进行循环参数的研究。利用已有基于Gasturb平台开发的0维变比热部件级性能计算模型,在发动机安装尺寸给定的前提下,总增压比由40提高至60,分析比较不同构型的直驱风扇方案与齿轮传动方案对部件效率,冷却水平对循环参数优选过程的影响。结果表明:为实现更低耗油率,采用更高设计循环增压比,需要部件效率平均提高1%,冷却水平提高20%,此时性能均优于现有的大涵道比涡扇发动机GTF-11。因此,若技术水平未能达到预期目标,则需匹配合适的增压比才能达到更低的耗油率。     

布雷顿与斯特林联合循环ECOP性能分析

以反映热机循环输出和损失之比的生态学性能系数ECOP为目标,用有限时间热力学的方法分析了具有热阻、热漏的布雷顿与斯特林联合循环的性能;导出了在牛顿传热律下布雷顿循环的ECOP的解析式,并通过数值算例得到了它们之间的关系;分析并研究了各种参数对联合循环性能的影响。     

恒温热源内可逆中冷回热布雷顿循环功率密度分析

用有限时间热力学方法分析内可逆恒温热源中冷回热布雷顿循环，由数值计算给出了燃气轮机功率密度特性，分析了循环各热力参数对功率密度的影响，并对最大功率密度和最大功率时循环的主要参数进行了比较．得出了最大功率密度设计的优点和不足。