毕业论文-多级单阀膨胀机的理论与实验研究

密级密级: 硕士学位论文硕士学位论文 多级单阀膨胀机的理论与实验研究多级单阀膨胀机的理论与实验研究 作者姓名：作者姓名： 薛皓白薛皓白 指导教师指导教师: 陈海生陈海生 研究员研究员 张新敬张新敬 助理研究员助理研究员 学位类别学位类别: 工学硕士工学硕士 学科专业学科专业: 工程热物理工程热物理 研究所研究所: 中国科学院工程热物理研究所中国科学院工程热物理研究所 2014 年年 5 月月 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 Theoretical and Experimental Study of a Multistage Single Valve Reciprocating Expander By Xue Haobai A Dissertation Submitted to The University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Master of Engineering Institute of Engineering Thermophysics Chinese Academy of Sciences May, 2014 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 关于学位论文使用权声明 任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得 将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍 著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院工程热物理研究所有关保存、使用学位论文的规 定，即：中国科学院工程热物理研究所有权保留学位论文的副本，允许该论文 被查阅；中国科学院工程热物理研究所可以公布该论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。 （涉密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签 名： 导师签名： 日 期： 关于学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡 献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签 名： 导师签名： 日 期： 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 摘要 I 摘 要 储能技术是能源领域的研发热点。 其中， 压缩空气储能技术 （CAES） 具有功率范围广、 寿命长、存储时间不受限制、环境友好等优点，已经成为当前储能技术的重要研究方向。 压缩空气储能系统主要分为储能和释能两个子系统，作为释能子系统的关键部件，多 级膨胀机的工作特性直接影响储能系统出功及效率的高低。按照结构形式的不同，多级膨 胀机可以分为容积式和透平式两种。在容积式膨胀机中，单阀活塞膨胀机具有结构简单、 压比高、易于调节控制等优点，尤其适用于微小型压缩空气储能系统。本文通过数值模拟 分析和实验研究方法，研究了单阀膨胀机的热力学特性，以及膨胀机的内部流场，并分析 各种结构参数与运行参数对膨胀机系统性能的影响规律。主要研究内容包括： 1. 根据单阀膨胀机的理论循环特性，结合小型超临界压缩空气储能系统的要求，对其进 行了热力设计及过程模拟，分析了缸内状态参数随曲轴转角的变化规律及不同结构、 运行参数对膨胀机整体性能的影响。 2. 对单阀膨胀机气缸内部流场结构进行了数值模拟，研究了缸内特性参数随曲轴转角的 变化规律，得到了不同曲轴转角时的流动细节及其内部流动损失机理，为开展膨胀机 气缸优化设计提供了理论依据。 3. 研究了单阀膨胀机配气机构设计方法， 提出进气阀运动控制方法并完成配气机构设计； 改进了膨胀机飞轮设计方法，改进后的设计方法能够更加精确、高效地计算飞轮矩。 4. 搭建单阀膨胀机实验台并开展实验研究，测试得到其实际工作特性，讨论其特性参数 随转速的变化规律。同时将实验结果与理论分析结果进行对比，在验证数值分析方法 的同时为更深入的理论与实验研究提供参考和依据。 关键词：关键词：压缩空气储能；活塞式膨胀机；数值模拟；实验研究 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 II Abstract III Abstract Electrical Energy Storage (EES) technology is the research focus of energy research field. Among all the EES technologies, Compressed Air Energy Storage (CAES) has the merits of wide power range, long life time, unlimited storage time and lower impact on the environment and has become an important research area of current EES technology. CAES system could be divided into two subsystems: the energy storage subsystem and the energy release subsystem. As a key component of energy release subsystem, the operating characteristics of multistage expander directly influence the power output and efficiency of energy storage systems. According to the structure difference, multistage expander could be divided into positive-displacement expander and dynamic expander. Among the former, single valve reciprocating expander, with the merits of simple structure, high pressure ratio and easy controlling, is especially suitable for micro-scale CAES systems. Therefore, this dissertation takes single valve reciprocating expander as the energy release unit of micro-scale supercritical CAES system. Through the methods of theoretical analysis and experimental research, the thermodynamic characteristics of single valve reciprocating expander are discussed, the internal flow fields of expanders are studied and the impacts of different structural and operational parameters on the expander system performance are analyzed. The following aspects are studied in this paper: 1. According to the theoretical cycle of single valve reciprocating expander as well as the requirements of micro-scale supercritical CAES systems, thermodynamic design and simulation are conducted, the properties within the cylinder as functions of crank angle and the impacts of different structural and operational parameters on the overall system performance are analyzed, based on which the volume ratio of interstage buffer tanks is optimized. 2. CFD numerical computation of the flow field within the cylinders are conducted, the properties as functions of crank angle are studied and the flow fields under different crank angles are obtained, which laid solid theoretical foundation for future flow fields optimization. 3. The design method of the air supply system of single valve reciprocating expander is studied, the inlet motion control method is proposed and the air supply system is designed. The design method of expander flywheel is also revised in this paper and the revised design method could compute the flywheel moment more accurately and efficiently. 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 IV 4. Experimental platform of the single valve reciprocating expander is constructed, the actual operational characteristics are tested and the performance indexes as functions of rotational speed are discussed. Meanwhile, the experimental results are compared with the theoretical results, which provide references for further theoretical and experimental research. Key Words：compressed air energy storage; reciprocating expander; numerical simulation; experimental study 目 录 V 目 录 摘摘 要要 . I ABSTRACT . III 目目 录录 . V 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1. 研究背景及意义 . 1 1.2. 活塞膨胀机的应用领域及研究现状 . 3 1.2.1. 活塞膨胀机在制冷低温领域的发展 . 3 1.2.2. 活塞膨胀机在气动汽车领域的发展 . 4 1.2.3. 活塞膨胀机在压缩空气储能领域的发展 . 6 1.3. 研究内容及方法 . 9 第二章第二章 活塞式膨胀机系统活塞式膨胀机系统 . 10 2.1 膨胀机系统的应用与选型 . 10 2.1.1 超临界空气储能系统 . 10 2.1.2 膨胀机组的选型 . 11 2.2 单阀活塞式膨胀机系统 . 12 2.2.1 单阀膨胀机系统的工作原理 . 12 2.2.2 单阀膨胀机的理论循环 . 13 2.2.3 单阀膨胀机的理论等熵效率及其流量 . 16 2.3 多级单阀膨胀机的热力学设计 . 18 2.3.1 膨胀机系统整体设计 . 19 2.3.2 基本结构参数的选定 . 20 2.4 本章小结 . 24 第三章第三章 热力过程模拟计算热力过程模拟计算 . 25 3.1 单级膨胀机热力学模拟 . 25 3.1.1 单阀膨胀机工作过程数学建模 . 25 3.1.2 单阀膨胀机数学模型模拟计算 . 27 3.1.3 单阀膨胀机工作特性理论分析 . 28 3.1.4 运行参数影响规律的理论研究 . 31 3.2 多级膨胀机热力学模拟 . 40 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 VI 3.2.1 各级气缸工作过程数学建模 . 40 3.2.2 级间缓冲罐与再热过程模拟 . 41 3.2.3 多级膨胀机工作特性理论分析 . 42 3.2.4 级间缓冲罐设计计算 . 46 3.3 本章小结 . 50 第四章第四章 内部流场数值计算内部流场数值计算 . 51 4.1 引言 . 51 4.2 数学模型 . 51 4.3 计算网格划分及性能参数定义 . 52 4.4 数值计算方法的验证 . 54 4.4.1 实验台介绍 . 54 4.4.2 模拟计算与实验结果对比 . 54 4.5 数值计算结果分析 . 55 4.5.1 特性参数分析 . 55 4.5.2 流场参数分析 . 57 4.6 本章小结 . 64 第五章第五章 辅助部件分析辅助部件分析 . 65 5.1 进气阀的运动控制 . 65 5.1.1 配气机构的工作原理 . 65 5.1.2 基于热力学模拟的气阀运动分析 . 71 5.1.3 基于数值计算的气阀运动分析 . 73 5.2 飞轮的设计计算 . 75 5.2.1 膨胀机中的主要作用力 . 75 5.2.2 飞轮矩的计算 . 78 5.2.3 计算结果与讨论 . 79 5.3 本章小结 . 81 第六章第六章 实验研究与验证实验研究与验证 . 82 6.1 实验系统简介 . 82 6.2 实验结果分析 . 86 6.2.1 膨胀机摩擦功测试 . 86 6.2.2 膨胀机转速特性测试 . 87 6.2.3 热力过程模拟的实验验证 . 91 6.2.4 流场数值计算的对比分析 . 92 目 录 VII 6.3 本章小结 . 94 第七章第七章 总结与展望总结与展望 . 95 7.1 研究结论及创新点 . 95 7.2 研究展望 . 95 参考文献参考文献 . 97 攻读硕士学位期间发表的论文攻读硕士学位期间发表的论文 . 105 致谢致谢 . 107 作者简介作者简介 . 109 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 VIII 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1. 研究背景及意义 随着社会的发展，改善环境和节约能源已经成为全球性的发展战略问题之一，同时也 对电力工业提出了新的要求1。电力的生产由于需要燃烧化石燃料，不仅消耗了大量宝贵 的不可再生矿物资源，而且也对环境造成了严重的污染。因此，越来越多的国家出台了鼓 励可再生资源的政策和措施，可再生能源的生产规模和使用范围正在不断扩大2。但目前 主要的可再生资源，如风能、太阳能、潮汐能等，具有间歇性和不稳定性的缺点，如果大 规模直接并网， 势必会对电网的稳定性造成严重危害3。 此外， 为了满足电力负荷的要求， 电力部门长期按照最大负荷要求建设发电能力，这就造成了大量发电能力的过剩与浪费。 另一方面，我国电力输运网络的建设相对滞后，电网的调峰能力普遍不足，从而迫使电力 部门在用电高峰时段拉闸限电4。这些问题亟需发展电力储能技术来得以缓解。 电力储能技术（EES）指的是将电网中多余的电能通过某种介质储存，并在需要时重 新转换为电能的技术3, 4。 按照储能介质的不同， 电力储能技术可以分为： 抽水蓄能 （PHS） 5、压缩空气储能（CAES）6-9、电池储能10, 11、超导电磁储能（SMES）12、超级电容13 和飞轮储能14等形式。其中，压缩空气储能由于能够实现大容量、长时间的电能存储，而 且具有不受地理条件约束和对环境危害小等优点，日渐得到科研院所、大学、电力企业和 政府部门的高度重视，是目前储能技术的研发热点15。 压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术2。所不同的是：燃气轮机的压缩机和 膨胀机同时工作，压缩机消耗约 2/3 的膨胀功用来压缩空气（如图 1.1 所示） ；而压缩空气 储能系统的压缩机和膨胀机分时工作，在储能过程中，利用电能将空气压缩并存于储气室 中；在释能过程中，高压空气从储气室释放，加热后进入膨胀机做功发电，从而起到调峰 的作用（如图 1.2 所示）16。 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 2 图 1.1 燃气轮机系统示意图 图 1.2 压缩空气储能系统示意图 压缩空气储能系统一般包括 5 个主要部件：多级压缩机、燃烧室及换热器、多级膨胀 机、储气装置、电动机/发电机17。其中，多级膨胀机是将压缩空气的热力学能转变为机械 能的关键部件，在压缩空气储能系统中起着至关重要的作用18。多级膨胀机根据能量转换 方式的不同，可以分为容积式和透平式两类19。其中透平式膨胀机利用气体膨胀时，其能 量首先转化为高速气流的动能，然后推动转子旋转使动能转化为转子的输出功。而容积式 膨胀机是利用容积的变化而使气体膨胀做功。改变气体的容积有很多方法，但目前最常见 而应用最广的还是活塞膨胀机20。 不同种类的膨胀机， 其应用范围也不同， 活塞式膨胀机适用于压比大、 流量小的场合； 而透平膨胀机主要用于大型设备，即压比小、流量大的场合。虽然透平膨胀机有取代活塞 膨胀机的趋势，但在高压比、小流量的工作情况下，如果采用透平膨胀机，将要求有非常 高的转速， 目前尚没有此类型的透平膨胀机； 而且活塞式膨胀机没有气体流量下限的限制。 因此，在高压比、小流量的小型膨胀机中，活塞式膨胀机仍占有主要地位19。在活塞式膨 胀机中，单阀活塞膨胀机具有结构简单、压比高、易于调节控制等优点，尤其适用于微型 /离网压缩空气储能系统， 在小型制冷设备以及小型动力系统中也展现出了较好的应用前景。 燃烧室 废气 电力 空气 G 燃料 压缩机透平 发电机 第一章 绪论 3 1.2. 活塞膨胀机的应用领域及研究现状 1.2.1. 活塞膨胀机在制冷低温领域的发展 在制冷低温领域，活塞膨胀机主要用来使低温工质膨胀，从而制取冷量，同时获得少 量输出功。与应用于大规模低温液化设备的透平式膨胀机不同，活塞式膨胀机主要应用于 中、小型液化设备19。近年来随着制冷工艺的不断发展，活塞式膨胀机有被透平膨胀机和 节流阀取代的趋势， 但在某些特殊工况下， 如二氧化碳跨临界循环21、 有机朗肯循环22中， 活塞膨胀机仍占有重要地位。目前活塞膨胀机已发展出空气膨胀机、氦气膨胀机和两相膨 胀机等多种类型19。 活塞膨胀机在制冷领域内的发展始于 19 世纪。早在 19 世纪中叶，世界上便出现了第 一台空气膨胀机。但直到 1902 年，活塞膨胀机才首次被应用于空气液化装置中。1907 年 德国工程师建成世界首台高压活塞膨胀机，并将其应用在液氧制备装置中。1934 年前苏联 科学院院士卡皮查设计制造了用来液化氦的活塞膨胀机23。 在活塞膨胀机随后的发展过程中，虽然已有许多变化，但其基本构思还是早期膨胀机 的继承和发展。直到 1956 年，只有单一进气阀的单阀膨胀机开始出现19。这种膨胀机只 有一个进气阀，排气是通过气缸壁面上的排气孔进行的。由于膨胀后的低温气体不必在气 缸内折转流动，因此其等熵效率明显提高。同时由于单阀膨胀机简化了复杂的配气机构， 其转速也得以大大提高。实践证明，这种单阀膨胀机的性能是比较理想的19。 1962 年德国工程师 R. Doll 和 F. X. Eder 研制出无阀活塞膨胀机24。这种膨胀机的进、 排气均是通过气缸壁面的进、排气孔完成的，其启闭由活塞在气缸中的位置来确定。其结 构简单，运动部件少，由工质本身进行气体润滑，转速可达 10001700 r/min。但这种膨胀 机要求活塞和气缸间隙极小，对制造精度要求极高。 我国的学者和制冷工业也开展了有关活塞式膨胀机的研发工作。陕西低温电子研究所 的施锦对对称平衡型单阀膨胀机进行了实验研究，并成功将其应用在了低温氦制冷装置中 25-27。天津大学的马一太等自主研发出二氧化碳滚动活塞膨胀机，并对其进行了详尽的理 论与实验研究28-31。 随着制冷工业向大规模、低压流程的发展，在当前的制冷领域，透平膨胀机逐渐取代 了活塞式膨胀机。活塞式膨胀机被用来作为动力输出设备应用于各种新型的动力系统中。 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 4 1.2.2. 活塞膨胀机在气动汽车领域的发展 为了解决日益严峻的汽车污染，活塞膨胀机在气动汽车领域得到了快速的发展。气动 汽车利用压缩空气作为汽车的动力来源，具有绿色、清洁、零污染等优点，日渐引起了人 们的关注。除能量来源不同，气动发动机的工作原理与结构形式与传统内燃机大致相同， 因此现有的气动发动机大多由内燃机改造而来。除了中国，目前世界上还有法国、美国和 韩国等国家在进行气动发动机的研究工作。 法国的 MDI（Motor Development International）公司致力于压缩空气汽车的研发，并 获得专利 20 多项32。图 1.3 是 MDI 研发的气动发动机，其为气动发动机专门研制的曲柄 连杆机构可使发动机获得更长的进气时间，使进气过程更加充分。MDI 公司设计的气动发 动机采用多级膨胀、级间加热的工作方式，使膨胀过程尽量接近定温，从而获得更多的输 出功20, 33。 图 1.3 MDI 公司发动机外观图 美国华盛顿大学的 C. Knowlen 等对气动发动机的工作过程进行了热力学仿真， 并提出 了等温发动机的概念34-37。等温发动机指的是膨胀过程中气缸内工质温度接近常温。为实 现该过程，C. Knowlen 首先设计了小缸径大冲程以及低转速的气动发动机，此结构可尽可 能地增大工质的换热面积。随后作者提出了将气缸中的缸盖和活塞顶设计成锯齿状以增大 换热面积，并在缸盖内通换热介质将热量带出。仿真结果表明，这种结构形式可基本实现 准定温膨胀过程。 美国北德克萨斯大学的 Ordonez 等对液氮发动机的工作原理进行了理论研究，证明了 第一章 绪论 5 液氮发动机的技术、经济可行性38-41。Ordonez 等还对基于低温储能的多工质联合循环进 行了理论研究，结果表明多工质联合循环可有效提高系统效率，但需要找到满足循环要求 又安全可靠的第二工质。 韩国是新兴汽车制造业大国，其中以 Energine 公司为主开展了压缩空气+电动混合动 力汽车（PHEV）的研究工作42。Energine 公司的气动发动机（图 1.4）仅在汽车起步、上 坡等需要大功率输出的工况下使用，待汽车稳定行驶后，改由电动系统提供动力。该汽车 气动系统的储气压力为 30 MPa，而气动发动机的最高进气压力为 1 MPa，因此该系统存在 较大的节流损失，能量利用率较低，工作时间也较短。 图 1.4 韩国气电混合动力汽车原理图 国内，浙江大学在多项基金的资助下，针对气动发动机进行了一系列的研究工作，使 其在理论与实验方面，均走在世界前列。其主要工作包括： 对气动发动机的工作过程进行热力学模拟43-45， 研究了不同结构/运行参数对系统性能 的影响规律；对进气道及缸内工质流动过程进行 CFD 计算33, 46, 47，分析了进气道及气缸 内的流动特性及能量损失因素；并在理论研究的基础上对热力循环和关键部件进行优化设 计48-53。 对多款内燃机、柴油机进行改装，使其作为气动发动机的样机，并搭建相应的实验台 架， 对其工作特性进行大量的实验研究20, 54, 55。 台架实验结果表明， 气动发动机运转平稳， 空载下转速与质量流量随进气压力线性增长，且质量流量的增幅略高于转速的增幅20。 将改装后的气动发动机装在某微型汽车上，进行国内首次气动汽车实验20，并自主研 制其相应配套设备如加气站等56, 57。 其研发的气动汽车能够以30km/h的速度行驶1870m， 多级单阀膨胀机的理论与实验研究 6 气动发动机的输出功率和等熵效率分别为 2.673kW 和 24.15%20。整车实验证明了气动发 动机的可行性，同时也指出气动汽车距离实际应用还有较大差距。 对气动发动机的配气机构58, 59、减压装置60, 61、散热装置62等关键部件进行改进，并 申请发明专利。其研发的旋转阀配气机构无落座冲击，进气阻力小，配气相位调整方便58, 59。其研发的容积式减压装置可以提高气动汽车动力系统的能量利用率，增大汽车的行驶 距离60, 61。 对液氮发动机47、 气动-燃油混合动力发动机33等新型气动发动机进行探索性研究。 研 究结果表明，液氮潜热可用能的利用可以大大提高液氮发动机的效率和做功能力47，而利 用柴油机排气废热加热气动发动机进气，可显著改善气动发动机的动力性和经济性，从而 提高气动-燃油混合动力发动机的整体效率33。 除浙江大学外，合肥工业大学1, 63、南昌航空大学64, 65也对气动发动机进行了一些理 论与实验研究。 1.2.3. 活塞膨胀机在压缩空气储能领域的发展 近年来，随着压缩空气储能技术逐渐成为储能研发的热点，用于微型/离网压缩空气储 能系统的膨胀机开始被提出。由于微型/离网压缩空气储能系统对膨胀机具有高压比、低流 量的工况要求，传统的透平膨胀机难以满足，因此现有的释能系统多基于容积式膨胀机的 工作原理。按照释能过程趋于绝热或恒温的不同，膨胀机可选用不同的结构形式，但工作 原理均与活塞式膨胀机类似。 如果释能过程采用绝热膨胀，膨胀机多采用柴油机的结构形式，通过燃料的燃烧增加 膨胀初始温度，进而增加系统的输出功。以 M.W.Coney 为主的 Innogy 公司在本世纪初提 出了“等温柴油机” （Isoengine）的概念66-69。其基本原理是将传统柴油机的压缩、燃烧与 膨胀过程分离，并在不同的工作腔内进行。Innogy 公司采用特殊方法，使压缩过程接近等 温过程以减少压缩耗功， 使燃烧过程接近等压过程以降低燃烧温度和 NOx的排放量。 Innogy 公司开发的等温柴油机主要用于分布式供能系统， 其系统效率最高可达 60% （柴油） 或 58% （天然气）66。Innogy 公司开发的等温柴油机已将内燃机不同工作过程分离，因此也适用 于压缩空气储能系统。 近年来，加拿大学者提出将风力发电、压缩空气储能和柴油机相结合的风-柴-储系统 70-73。该系统既能有效地降低可再生能源系统的间