微型盘式透平流动机理、设计方法及试验验证研究

Disc turbine, making use of a fluid's viscous force to cause rotation of a set of closely spaced discs and convert the thermal energy to the mechanical work, is a novel structure concept to solve the flow efficiency reducing severely and the shaft rotational speed increasing steeply when the conventional turbomachinery is downsizing. The project target is to investigate the flow mechanism, the design method and aerodynamic characteristics' experimental validation of micro disc turbines. Firstly based on the numerical method with high precision, the thickness regular patterns of the velocity and temperature boundary layers and their interaction mechanism are proclaimed through analyzing the important flow problems of the size effect,aerodynamics, heat transfer, low Reynolds number and ect, and the thickness equation of the velocity boundary layer is developed under taking the influence of the temperature boundary layer into account in order to offer theory evidence for the precise profile design of the disc and interdisk. Secondly the constitutive relations between the aerodynamic and structure parameters are investigated and clarified, the important rankings of all macroscopic parameters are created, and then we can construct the design method and criterion for micro disc turbines. Finally the test rig of the micro disc turbine aerodynamic characteristics with high precision is built up,and then the aerodynamic performance parameters will be acquired for accuracy validation of the design method and criterion. The research results of this project are going to provide theoretical principle and technical support for the development of disc turbines.

盘式透平借助工质粘性力，在流过多个圆盘形成的数个缝隙时，产生拖拽作用，将流体的热能转换成机械功，它为解决常规叶轮机械在小型化或微型化后流动效率严重降低以及轴系转速大幅升高等问题，提供了一种新颖的结构方案。本项目针对微型盘式透平，研究其流动机理、设计方法和试验验证，基于高精度的数值模拟方法，分析微型盘式透平的尺寸效应、气动、传热、低雷诺数等关键流动问题，揭示其盘间速度边界层厚度和温度边界层厚度的空间演化规律及其相互作用机制，建立考虑温度边界层影响的速度边界层厚度计算公式，为盘面与盘间型线精准设计提供理论依据；研究并阐明微型盘式透平气动与结构参数之间的本质关系，构建各参数的重要性序列，建立其气动设计方法及相关设计准则；搭建高精度微型盘式透平气动特性试验平台，获取微型盘式透平总体气动特性试验数据，验证其设计方法与设计准则的准确性。本项目研究结果将为微型盘式透平研制提供理论基础和技术支撑。

盘式透平是一种无叶的非常规透平,其工质在喷嘴或蜗壳中膨胀加速，以近切向流入数个盘片形成的轮盘间隙时，依靠工质粘性，使轮盘绕轴旋转，从而将工质的热能转化为机械功。由于盘式透平结构的独特性，为解决常规叶轮机械微型化时流动效率严重降低和轴系转速大幅升高这两大难题提供了一种解决方案。.本项目发展了盘式透平的理论分析模型，推演了透平等熵效率与六个无量纲参数的关系式，并对其进行了敏感性分析，获得了各无量纲参数的重要性序列，结果表明轮盘进口马赫数对盘式透平效率影响最大。基于理论分析与敏感性分析的结果，提出了一套盘式透平设计方法，并对一典型工况的盘式透平进行了设计验证。借助计算流体动力学软件CFX，验证了盘式透平数值计算中的网格无关性及流动模型，结果表明SST湍流模型计算结果与实验结果最为接近。基于验证结果，数值分析了气动参数如转速、透平压比，以及结构参数如喷嘴数、盘片半径比、喷嘴结构、排气结构、盘片间隙及盘片厚度对盘式透平气动性能和流动特性的影响，结果表明转速及盘片间隙均存在最佳值使得气动性能最高，等熵效率随着透平压比和喷嘴数的增加而减小，而一对一多通道盘式透平的气动性能优于一对多多通道盘式透平，另外盘片半径比对气动性能的影响最小。通过分析各参数对盘式透平流动特性的影响，揭示了盘式透平各部件的损失规律，结果表明随转速升高，喷嘴损失变化较小，轮盘损失先减后增，而余速损失一直增加。最后研究了现有小型原动机功率测量方法，提出了一种小型超高速原动机的功率测量装置及方法，设计了高精度盘式透平气动性能试验平台，解决了实验平台搭建过程中的诸多困难，并搭建了该气动性能试验平台。.本项目针对盘式透平的流动机理和设计方法的研究，对盘式透平的研制具有重要的理论研究意义及工程应用价值。