基于CPPID柱面投影设计方法的氢液化器氦透平膨胀机叶轮优化与流场分析OA
Optimization and flow analysis of helium turbo-expander impeller for hydrogen liquefier through cylindrical projection-based design method
针对低温透平膨胀机叶轮传统设计方法缺乏叶片几何与内部流动之间显式物理映射的问题,提出了一种柱面投影参数化叶轮设计(CPPID)方法.该方法通过控制轮毂、中心、轮罩三层叶片型线在各自参考圆柱面上的投影曲线形状,实现对三维叶轮流道的精确参数化设计.以一台5 t/d氢液化器末级氦透平膨胀机(TEX3)的高效叶轮为优化对象,固定其制冷功率与进气攻角,系统分析了关键设计参数(Tu)对性能的影响.数值模拟结果表明:采用CPPID方法优化的叶轮,在维持相同制冷功率时,所需工质质量流量更低,等熵效率更高;其中,中心层叶形对性能影响最为显著,轮罩层叶形能有效调控涡结构并抑制高损失通道涡,而轮毂层影响相对较弱.极端内凹轮罩叶形可实现等熵效率从89.528%提升至91.887%.本研究验证了CPPID方法的有效性,为高性能透平叶轮的精细化设计提供了新途径.
This paper addresses the lack of explicit physical mapping between blade geometry and internal flow in traditional impeller design methods for cryogenic turbine expanders.A cylindrical projection parametric impeller design method(CPPID)is proposed.This method enables precise parametric control of the three-dimensional impeller flow path by shaping the projected curves of the blade profiles(at the hub,center,and shroud)onto their respective reference cylindrical surfaces.The high-efficiency impeller of a 5 t/d hydrogen liquefier's final-stage helium turbo-expander(TEX3)served as the baseline for optimization.Maintaining constant refrigeration power and incidence angle,a systematic analysis of the key design parameter(Tu)was conducted.Numerical results demonstrate that the impellers redesigned using the CPPID method achieve higher isentropic efficiency while requiring less mass flow rate for the same refrigeration power.The center layer profile had the most pronounced impact on overall performance,while the shroud layer profile effectively manipulated vortex structures and suppressed high-loss passage vortices;the hub layer showed relatively minor influence.Specifically,the extremely concave shroud blade profile achieved an isentropic efficiency increase from 89.528%to 91.887%.This study validates the effectiveness of the CPPID method,providing a new approach for the refined design of high-performance turbo-expander impellers.
刘弘民;李空荣;柯长磊;左建生;郝昭璋;张晓华;彭楠;熊联友;刘立强
中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190||中国科学院大学,北京 100049中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190||中国科学院大学,北京 100049中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190||中国科学院大学,北京 100049中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190||中国科学院大学,北京 100049中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190||中国科学院大学,北京 100049中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室,北京 100190||中国科学院大学,北京 100049
通用工业技术
氢液化透平膨胀机叶轮设计流场分析
hydrogen liquefactionturbo-expanderimpeller designflow field analysis
《化工学报》 2026 (8)
4431-4439,9
北京市科技计划项目(Z25110100040000)
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