海洋温差发电用向心式透平机性能分析

王晓奇，张鲲羽，杜晓东，随志强

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

海洋温差能作为一种可再生的清洁能源，具有巨大开发潜力。由于海洋温差能受天气、昼夜以及季节的影响很小，稳定性和可控性堪比化石能源，因此海洋温差能也是海洋能中最稳定的可再生能源，海洋温差发电作为海洋温差能的主要应用方式之一，具有巨大发展潜力。我国南海温差能资源十分丰富，中国海域温差能可供开发的理论装机容量约18×108kW，其中90%分布在我国南海[1]。

海洋温差发电系统由于换热温差小，仅有约20 ℃，故系统效率不高，这也是制约海洋温差发电产业化发展的主要因素之一，工质透平机作为海洋温差发电系统的关键组成部分，用于推动发电机进行发电，工质透平机效率的高低对整个发电系统的效率有着直接的影响。高效的透平机可提高海洋温差发电系统的系统效率，降低设备建设投资，故透平机的研究至关重要。

1 海洋温差发电系统

1.1 海洋温差发电原理

海洋温差发电循环系统主要有3种：闭式朗肯循环、开式朗肯循环和混合式朗肯循环[2]，其中闭式循环方式结构简单，体积小，是海洋温差发电的主要研究方向。闭式循环基本原理为以海洋表面的温海水为热源，以海洋深层冷海水为冷源，采用低沸点工质与温海水在蒸发器内换热蒸发为工质蒸气，驱动透平发电机组进行发电，做过功的工质蒸气与冷海水在冷凝器内换热冷凝为液态，由工质泵加压后进入蒸发器形成闭式循环。其原理见图1。

图1 海洋温差发电闭式循环基本原理

1.2 工质选择

工质的选择对海洋温差发电系统有重要的影响，海洋温差发电所用工质需同时考虑热源温度、系统运行压力、工质干湿性、环保型、安全性。世界范围内的闭式海洋温差发电示范装置主要采用氨或氟利昂作为循环工质[3]。考虑环保及安全性，本文采用R134a作为海洋温差发电工质进行设计分析。

1.3 有机工质透平

海洋温差发电由于冷、热源温差较小，工质在透平机内焓降较小，适宜于采用向心式透平作为能量转换装置。

向心式透平结构见图2，主要包括进气蜗壳、喷嘴、叶轮、排气通道，工质蒸气通过蜗壳将蒸气分配至喷嘴，在喷嘴内膨胀加速后进入叶轮，推动叶轮旋转做功。

图2 向心式透平结构示意图

2 海洋温差发电用向心透平初步设计

本文对55 kW级海洋温差发电用透平机以R134a为工质进行向心式透平机初步设计计算。设计过程中透平入口的工质蒸气温度23.5 ℃，压力0.63 MPa，排气背压0.413 MPa。

2.1 向心透平一维气动计算

根据透平机进出口参数，采用物性查询软件REFPROP软件确定透平各处工质的物性参数，按照透平轴向排气的前提，通过假定透平机比转速、载荷系数、出口流量系数、喷嘴出口气流角参数计算出透平机工作转速及初始几何参数，再进行迭代计算形成透平机的一维设计，设计结果见表1。

表1 55 kW 海洋温差发电用向心透平一维计算结果

计算结果表明，55 kW向心式透平机的一维设计气动性能优良，涡轮总静效率82.7%，输出轴功61.6 kW，考虑轴承损失及发电机损失后（假设效率为92%），通过发电机输出电功率56.6 kW。

2.2 向心透平几何造型

1）叶轮几何造型

本文叶轮造型采用黄希程的圆柱抛物线造型方法进行叶轮造型设计，采用抛物线形成叶片抛物面，根据一维计算结果生成叶片中弧面的型线坐标，然后根据叶片的厚度分布通过偏置获得压力面和吸力面的型线坐标。

根据一维通流计算结果，采用NREC里面的AXCENT叶轮造型软件进行设计，完成叶轮造型设计，结果见图3。

图3 叶轮三维模型

2）喷嘴造型设计

根据一维气动设计结果，喷嘴出口绝对马赫数在0.6，属于典型的亚音速叶型，本文向心透平喷嘴根据一维计算结果的喷嘴出口马赫数、出口角参数选用轴流式汽轮机对应参数的静叶叶型经过保角变化为径流式导向叶片。喷嘴叶型见图4。

图4 喷嘴叶栅截面

3）通流几何造型

根据生成的喷嘴及叶轮的几何造型形成55 kW向心透平的通流叶型三维几何模型见图5。

图5 透平叶型模型

2.3 向心透平数值模拟

本文采用CFD中的NUMECA进行透平机通流数值仿真分析，采用结构化网格进行分析，总网格数量为200万左右，计算模型见图6。

图6 55 kW 向心透平机通流网格模型（续）

图6 55 kW 向心透平机通流网格模型

计算设定边界条件为：

1）计算域进口给定总温、总压。

2）出口给定平均静压。

3）湍流模型采用带壁面函数的SST模型。

4）与叶轮相关的网格块和叶轮壁面给定转速。

5）固体壁面采用绝热无滑移边界条件。

3 结果分析

3.1 额定工况性能

通过仿真迭代，得出透平流量收敛曲线见图7，透平效率收敛曲线见图8。

图7 55 kW ORC 透平流量收敛曲线

图8 55 kW ORC 透平效率收敛曲线

通过CFD数值仿真计算，透平主要性能参数见表2。

表2 CFD 数值仿真计算结果

通过图7可以看出CFD数值仿真计算流量对比一维计算流量差距很小，说明三维叶型通流面积准确。通过图 8可以看出，CFD数值仿真计算的透平机总总效率达94.9%，达到了很高的效率水平，工质蒸气在流道内的非等熵损失较小，三维叶型设计优良，完全可达到设计目标。

考虑透平机动静叶之间的漏气损失及叶轮的摩擦损失，对CFD仿真效率进行修正，修正后效率达到88.5%，高于一维计算的效率82.7%，这主要是一维计算时透平流动损失模型损失系数选取较大的缘故。

3.2 流场分析

透平静叶中径处表面载荷分布见图9，叶轮中径处表面载荷分布见图10。从静叶表面压力分布可以看出，从进口到出口呈现出明显后加载特性，能很好的抑制二次流发展，吸力面扩压较少，因此透平静叶整体气动性能优良。从叶轮中径表面压力分布可以看出叶轮进口到出口载荷分布均匀，吸力面几乎无扩压段存在，说明动叶片几何造型合理，气流能够在动叶片内均匀膨胀。

图9 静叶中径处表面载荷

透平壁面静压分布见图11，流线分布见图12～图14。

图11 透平CFD 计算壁面静压

图12 透平子午面流线

图14 吸力面极限流线

从图11中可以看出，工质蒸气在透平入口从0.613 MPa逐渐降低到0.413 MPa，满足设计要求。图13和图14为透平叶轮表面压力面和吸力面极限流线，压力面和吸力面气流流线均匀，无明显通道涡以及流线分离，这也进一步证明了叶轮设计气动分布合理。

图13 压力面极限流线

图15和图16为叶轮中截面和叶轮顶截面处相对马赫数，重点关注叶轮顶部相对马赫数，可以看出，叶轮顶部出口相对马赫数最高为0.6，最大马赫数发生在出口最小截面处，动叶同样属于典型的亚音速叶型，从进口到出口马赫数逐渐升高，且分布较为均匀，除尾缘处主流区域接近于等熵膨胀，尾缘处的低马赫数流体区域相对主流并不大，且在叶轮出口处很快掺混均匀。因此，定性判断叶型气动设计优良，型面损失主要发生在尾缘处，但由于出口处马赫数不高，该项损失不大，后期设计中考虑强度可行的前提下可以尽量减少尾缘厚度进一步提升效率。

图15 叶轮中截面相对马赫数

图16 叶轮顶截面相对马赫数

4 结论

针对南海海洋温差条件，本文采用R134a作为循环工质进行了55 kW向心式透平发电机的初步设计与分析，获得如下结论：

1）通过一维气动计算得出海洋温差发电用向心式透平机初步结构参数和性能参数，并根据一维计算结果形成几何模型，采用数值模拟获得了透平机性能及流场分布情况。

2）在入口温度23.5 ℃，入口压力为0.63 MPa条件下，出口压力0.413 MPa，向心透平一维计算效率为82.7%，透平机输出轴功61.6 kW，通过发电机后输出电功率56.6 kW，对应流量8.97 kg/s；通过CFD仿真分析，透平效率达88.5%，达到较高的内效率，可有效提升温差发电的系统效率。

3）通过三维流场分析，透平在设计参数下，具有良好的气动性能，压力分布和流线分布均匀，流动损失主要在于动叶出口尾缘区域和流道吸力面侧。