2020/09/21

【技術】基于CAESES的超臨界二氧化碳(sCO2)軸流透平葉片優化設計研究

這篇文章中采用CAESES進行sCO2軸流透平設計的方法,發表于2019年7月17日至21日的ASME透平會議。

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簡 介

傳統發電廠采用蒸汽作為工質,通過透平產生動力,超臨界二氧化碳(以下簡稱sCO2)循環使用的是溫度和壓力均高于臨界點(超臨界狀態)的CO2,在這種狀態下,CO2表現出介于氣體和液體之間的特性,并且具有較高的密度和體積熱容,這種狀態下的特性為高循環效率提供了巨大潛力。由于工質的能量密度更高,因此可以減小組件尺寸,從而減小占地面積和成本。sCO2也被認為是一種安全的介質,其資源十分充足且使用收益高,因此,從效率和成本角度來看,sCO2發電有潛力取代蒸汽發電。

本文對用于廢熱回收應用的新型sCO2軸流透平設計進行了探索,文中基于10兆瓦的案例進行介紹。

文中采用Kulfan Class Shape Transformation(CST)變換方法進行二維軸流葉型輪廓變形優化設計,并在設計優化過程中同時考慮葉片的氣動效率及應力情況。

軸流透平設計原理

首先基于尺寸、性能、運行工況等設計需求,項目中使用了Triveni Turbines開發的一維均線計算內部工具進行設計計算,均線計算的結果構成了二維葉片輪廓設計的基礎。

項目中采用CAESES進行軸流透平的幾何建模,調用二維/準三維流動求解器MISES用于方針分析,并采用印度科技學院(IISc)內部開發的Matlab腳本進行前后處理。通過CAESES軟件的自動優化平臺封裝了整個過程,用以優化透平葉片的氣動性能。

有多種方法能夠用于軸流透平葉片二維截面形狀的參數化建模,下圖展示了一種通用方法,該方法可以直接控制有意義的參數,例如氣流角、楔角、前尾緣半徑、厚度等,但是這種方法在幾何變化的靈活性方面存在局限性,因此很難得到突破性的進展。其他方法比如采用B樣條曲線建模和采用類函數變換(CST)方法等,可以帶來了更大的靈活性和局部形狀控制,從而使得優化過程中出現新的、出乎意料的設計。

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透平葉片截面形狀參數化定義

本研究使用基于B樣條曲線和CST方法進行幾何參數化、仿真和優化,具體步驟如下:

1. 導入現有二維基礎輪廓線;

2. 將其分割為壓力面和吸力面;

3.使用B樣條曲線和CST方法自動匹出新的壓力和吸力面曲線;

4. 創建設計變量控制B樣條曲線控制點和CST參數變化,從而控制葉型輪廓線變化;

5. 創建幾何約束,例如某些區域的內切輪廓面積和的曲率單調性,保證曲線變化時的光順性;

6. 建立軟件連接,導出文件,運行Matlab腳本及MISES軟件;

7. 在CAESES中使用DAKOTA全局優化算法,進行透平葉片氣動性能優化。 

透平葉片的表面曲率對亞音速機翼的壓力分布有重大影響,因此CAESES中創建了獨特的曲率識別功能,并將其作為約束,從而在保證參數變化靈活性的同時,保持曲率分布合理過渡。下圖顯示了擬合后葉片型線輪廓的曲率分布,其中位置0表示壓力面的尾緣,位置1表示吸力面的尾緣。

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葉型表面單調曲率分布

通過曲率分布的導數能夠評估曲率的單調性,將曲率分析劃分為不同的區域,并設置約束條件來判斷這些區域的單調性,下圖顯示了違反曲率約束的示例(以紅色顯示)。CAESES中能夠采用光順程序進行曲線曲率分布的自動光順(僅適用于B樣條曲線)。

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軸流透平葉片的空氣動力學優化
 

 

透平葉片優化是為了最大程度地減少葉片氣動損失。在CAESES軟件中調整曲線控制點和CST變換參數,并且將曲率單調性作為約束,采用DAKOTA的優化方法進行葉片氣動性能優化。將透平葉片損失系數Y2-norm定義為相對于原始葉片損失系數的歸一化相對值,即每一個新葉片模型損失除以原始葉片模型損失的比值。

B樣條方法中,每個控制點的參數變化都在與基準值相差0.05毫米范圍內。此方法不同方案的相對葉片損失如下圖所示。其中最小相對葉片損失為Y2-norm= 0.85,這意味著與初始葉片模型相比,損失減少了15%。

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B樣條優化的相對葉片損失

對于CST方法,幾何形狀的變化分布在整個葉片表面上,參數變化范圍超過70%.不同方案的相對葉片損失如下圖所示,優化后最小相對葉片損失為0.83,表明該設計葉片損失相較于原始模型減少了17%.與B樣條方法,CST方法的變形覆蓋了更多的設計空間。與最佳的B樣條設計相比,最佳的CST設計葉片損失要低2%。

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CST方法優化的相對葉片損失
進一步工作

 

 

本項目中還考慮了葉片應力計算,這是透平葉片設計不可或缺的一部分,特別是對于高能量密度的sCO2循環。計算時考慮了葉片離心拉應力及流體載荷所產生的彎曲應力的總和。在優化過程中,進行氣動分析優化同時,也調用應力計算軟件進行應力分析,保證優化后模型滿足強度要求。

本文也研究了功率從10 MW擴大到50 MW時,功率密度增加對透平機設計的影響。進一步研究中還考慮了工作條件、葉片尺寸和葉片材料的變化。


結 論

 

 

當前關于用于廢熱回收應用的sCO2軸流透平葉片設計的研究表明,使用新穎的參數化方法和自動優化技術來研究新穎的設計,可以降低葉片損失從而得到更高的效率。

當前研究中,與原始模型相比,基于B樣條的參數化設計使葉片損失減少了15%,CST技術產生了更好的結果,葉片損失減少了17%。

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