科创中国

"103. 流体机械及工程类项目

依托单位：流体机械及工程系

所在学院：能动学院

一、团队简介

流体机械及工程系始建于1956年，是全国最早成立的压缩机专业，自 1957年开始培养研究生，1981年批准为流体机械及流体动力工程全国首批博士点，并于1988年批准为首批国家重点学科，1989年经国家计委批准建设流体机械国家专业实验室，1995年经国家计委批准依托于本学科建立流体机械及压缩机国家工程研究中心，1998年被批准为“长江学者”设点单位。 在2002年、2007年历届国家重点学科的评选中，均以流体机械及工程学科第一名资格直接入选。 

流体机械及工程系现有教职工28人，其中有教授 10人，副教授7 人，讲师6人，高级工程师4人，工程师1人。拥有教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队1个，国家杰出青年基金获得者1人，教育部跨/新世纪优秀人才5人，在专职教师队伍中具有博士学位的比例超过88%。目前在读博士生90名，硕士生 126名。已经为国家培养了2000多名流体机械与工程专业的高级技术人才，其中全国百篇优秀博士学位论文获得者1名。近五年来承担国家973课题、863项目、国家自然科学基金项目、国防重要科研项目、武器探索重点项目、军口863项目等共35项。

二、团队项目

1、大型透平压缩机整机及部件气动性能与流动测试技术

负责人：宫武旗

（1）项目简介

透平压缩机，主要包括离心及轴流式压缩机。它广泛应用于航空发动机、燃气轮机等重大关键装备中，以及能源、石化、冶金、制冷及空分等重要行业中，对国民经济的发展起着举足轻重的作用。透平压缩机由一系列部件按照一定规律组合而成，主要有进口集流器、进口导叶、一组基本级及出口蜗室等部件。基本级又由一组相邻的动叶和静叶排构成，或者由叶轮、扩压器、弯道和回流器等部件构成。为研发高性能的透平压缩机产品，传统的压缩机气动测试分析技术局限于整机气动性能、或单个部件性能、或单个部件流场的测试与分析。不能全面切实地反映压缩机性能与内部流动之间的关系，对压缩机研发形成阻碍。随着对高性能压缩机指标的不断提高，在试验研究上，不仅需要测试整机性能，更重要地还需要测试研究压缩机各部件之间的性能和流场匹配情况。这样，才可能较全面系统地掌握压缩机内流情况，为理解其非定常流动机理，分析和判断影响产品性能的主因，为改进定位提供准确目标，使产品研发做到有的放矢，提高高性能压缩机研发的效率，节省投资成本。

本项目通过创新性设计，在轴流及离心压缩机各部件之间布置由计算机控制的微小型探针运动机构，将探针测试系统与压缩机部件结构有机地融合为一体，实现对部件各关键位置截面流动参数分布的准确测试。本项目提供有完整配套的测试数据分析技术，能对透平压缩机整机和部件性能进行综合分析，全面反映压缩机部件及整机性能与内部流场特性之间的关系，是服务于新一代高性能透平压缩机产品研发的重要技术。其中部分技术2016年获得陕西高等学校科学技术奖二等奖，2017年获中国通用机械工业协会科技创新突出贡献奖。

（2）产品性能优势

在目前透平压缩机气动计算与分析软件发展迅速、种类繁多的情况下，本项目提出一种全面测试透平压缩机整机及部件气动性能，以及其内部流动参数的试验技术，是对该领域研究技术手段很有价值的探索与发展。

项目通过试验手段获得压缩机内部流动参量信息，测试精度高，测试数据的空间和时间分辨率高，测试过程实现了高度自动化，达到目前最先进水平。该测试技术获得的气动参量信息十分巨大，能全面覆盖压缩机运行的各种工况，及所有关键流道区域，为掌握压缩机部件和整机性能，以及内部流动提供大量有价值的直接数据信息。项目测试技术充分利用计算机自动控制功能，与最先进探针技术相结合，实现了测试技术的高适应和高智能化，测试精度和测试效率大大提高。项目组自行研发有各式微小型气动探针及高频动态探针，对各式探针校准测试技术有长期研究，开发有高精度气动探针自动校准软硬件系统。

综合起来，项目是系统性解决大型透平压缩机的部件和整机，以及内部流动测试的当今先进技术。 

（3）市场前景及应用

项目主要应用于航空发动机/重型燃气轮机的气动试验研究，以及石化、空分、制冷行业中大型透平压缩机的气动试验研究，能为高性能透平压缩机产品的研发提供技术支持。

为沈阳透平机械股份有限公司，陕鼓动力股份有限公司，中国空气动力研究与发展中心（29），荏原冷热系统（中国）有限公司等单位均有合作。为荏原冷热系统（中国）有限公司提供冷水机组性能升级服务，目标是COP提升6%，达到一级能效。主要工作是，通过对其离心式压缩机整机及各部件性能及流动进行测试与分析，对其流道进行了优化设计，完全实现了其能效指标要求。

4）技术成熟度

£概念验证   □原理样机  R工程样机  £中试    £产业化

负责人：宫武旗

（1）项目简介

蒸发结晶作为工业生产中最基本的工艺流程，可广泛应用于化工生产、食品制药、海水淡化、工业废水或废液处理等领域。主要技术有单效蒸发、多效蒸发、热泵蒸发等几大类，单效蒸发和多效蒸发均属于传统蒸发方式，基于传统蒸发方式的结晶系统中，产生的二次蒸汽直接被排放或通过冷却水处理后排放，造成大量热量能源和冷却水资源的浪费。

在热泵蒸发技术中，机械蒸汽再压缩（MVR）技术采用机械压缩的方法，将蒸发过程产生二次蒸汽的压力和温度提高后再次作为热源蒸汽，该过程在蒸气压缩机中进行，同时免去了后续的冷却处理。通过消耗少量的电力能源，可回收大量热能和蒸汽，具有显著的节能和节水优势。该技术在对物料进行处理后的产物为冷凝水、浓缩液或晶体，过程无污染，属于环境友好型技术。对高效且节能的蒸发结晶处理技术进行分析研究，能够带来明显的经济效益和社会效益。

本项目开发的是一种MVR并联双效蒸发结晶系统，主要部件有降膜蒸发器、强制循环蒸发器、离心式蒸汽压缩机等。本系统考虑到不同类型蒸发器的物料适用性及节能性，将降膜蒸发器与强制循环蒸发器联用，建立系统及部件的数学模型，与传统蒸发结晶系统进行性能对比，并对系统的操作参数组合进行了多目标优化。

①—原料液泵；②—预热器；③—凝水泵；④—凝水箱；⑤—降膜蒸发器；⑥—强制循环蒸发加热室；⑦—强制循环蒸发蒸发室；⑧—气液分离器；⑨—蒸汽压缩机；⑩—循环泵原料液泵； ⑪—结晶分离器；⑫—晶体储存罐

（2）产品性能优势

本项目为一种MVR并联双效蒸发结晶系统，其流程如图1所示。本系统中原料液先通过降膜蒸发器进行蒸发浓缩处理，产生的浓溶液再经过强制循环蒸发器进行结晶，既克服了降膜蒸发器不适用于结晶物料的限制，也减少了强制循环蒸发器运行需要的驱动功率。项目组建立了系统和各部件的数学模型，计算确定系统中各管段不同介质的热力学参数。通过能量和㶲分析，本系统与传统多效蒸发结晶系统相比，在相同蒸发量下耗能更少、COP值和㶲效率更高，节能性和热力学完善程度都较好。

通过分析各参数对系统总功耗及满足生产要求所需的总换热面积的影响规律，主要操作参数为压缩温升和蒸发温度，分析得到两者的取值范围。在取值范围内，以系统总功耗最小和总换热面积最小为优化目标，利用遗传算法进行多目标优化计算，确定一组最优的压缩温升和蒸发温度组合。在相同蒸发量下，优化后的参数组合可使系统总功耗及总换热面积均相对较小，且能使系统具有更高的COP值和㶲效率，节能性和热力学完善程度都有所提高。以蒸发量15000kg/h为计算实例，结合实际工程对温度的控制精度，在模糊集合选优的基础上确定最优解，优化前后的操作参数及系统性能评价参数对比情况如表1所示。

表1  优化前后系统操作参数及性能指标变化表

参数及性能指标 优化前 优化后 变化率%

蒸发温度t1/℃    100 120 20

压缩温升/℃    12 12.5 4.17

系统总功耗N/kw  529.6 507.5 -4.17

总换热面积S/m2 951.7 920.5 -3.28

效能系数COP 21.4 23.1 7.94

㶲效率/% 49.1 52.0 5.91

㶲损失/kw 772.6 734.2 -4.97

单位能耗/kJ·kg-1 130.3 121.8 -6.52

注：变化率中的正负号分别代表数值增大和减小。

图2为通过遗传算法得到的系统多目标优化问题最优前沿数据，然后，依据模糊集合理论选取最优解。

（3）市场前景及应用

本项目的技术主要应用于大型工业的废水处理和回收、海水淡化，以及化工、制药、食品加工等过程的蒸发结晶中。

（4）技术成熟度

R概念验证   □原理样机  □工程样机  £中试    £产业化

3、基于透平压缩机的跨临界二氧化碳热泵循环系统研究

负责人：宫武旗

（1）项目简介

当前环境问题已成为一个重要的全球问题，其中臭氧层破坏和温室效应问题引起人们高度重视。传统的热泵热水器以氟利昂作为工质，不符合环保要求，而人工合成的制冷剂又可能对环境造成潜在的、不可预知的危害。因此，开发环保意义上的热泵热水器具有重要价值。

热泵热水器是以消耗少部分电能为代价，通过热力循环，将环境介质水、地热源、空气等储存的能量加以发掘利用，用来生产热水。CO2作为自然工质，以其环保性、经济性、安全性、优良的传热特性、大单位容积制冷量等综合优势，成为热泵工质的首选。由于其较低的临界温度，循环一般处于跨临界状态下运行。所谓跨临界循环就是压缩机的吸气压力低于临界压力，但是排气压力高于临界压力，工质在高压侧换热主要通过显热交换完成，其蒸发温度低于临界温度，循环吸热过程仍在亚临界条件下，换热依靠潜热，高压侧温度和压力相互独立，使得系统多了一个自由度或者可控参数。相较于常规亚临界循环，CO2跨临界循环中气体冷却器所具有的较高排气温度和较大温度滑移正好和冷却介质的温升过程相匹配，温差不可逆损失减小，有利于提高系统性能，非常适用于家用水的加热。而且CO2跨临界循环的容积膨胀比为2~4，是常规工质的1/10，膨胀功约占压缩功的20％~40％，将其回收用于驱动压缩机，可以辅助提高系统效率。

本项目开发的是一种较大容量跨临界二氧化碳热泵系统，由离心压缩机、气体冷却器、透平膨胀机、蒸发器等主要部件构成。该系统具有供热系数高，结构紧凑，生产热水温度高，膨胀比小，膨胀功大的特点。采用透平膨胀机回收膨胀功，可有效减少节流损失，提高系统COP值及效率。系统采用离心压缩机，具有体积小、振动噪音小、气量大且供热集中的优点。所以，本项目所开发的二氧化碳热泵循环系统，不但在环境保护方面具有很大优势，而且节能潜力非常大，所以市场应用前景广阔。

（2）产品性能优势

项目组通过研究自行建立了跨临界二氧化碳热泵系统的数学模型，对系统各部件进行了数学建模；计算确定了系统各状态点的热力参数，研究了各参数的取值范围，以及各参数对系统COP及效率的影响规律；采用多目标优化方法对系统进行优化，确定了最优参数组合，使得系统COP及效率达到最高。

系统中的离心式压缩机，采用两级压缩、中间冷却的设计方案，对压缩机进行了详细设计。通过对系统的研究确定透平膨胀机的进出口参数，编制膨胀机热力设计计算程序，设计了膨胀机蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器的基本几何参数。对压缩机和膨胀机建立了三维模型，数值计算网格模型，并进行数值计算分析，对叶片流道及工作轮流道进行优化，获得高效的压缩机和膨胀机方案。

由于二氧化碳的临界温度只有31.1℃，临界压力为7.38MPa，它的临界温度通常低于空调和热泵系统的排气温度，因此本系统采用跨临界循环模式。而冷却放热的高压侧压力高达9~11MPa，低压侧压力在3MPa左右，节流部分压差高达6-8MPa，结合近临界区二氧化碳特殊的热物性和传输性，所以常规二氧化碳跨临界循环系统性能并不高，提高整个系统性能的关键在于降低节流部分的损失。本项目采取两级压缩以及单级膨胀回收膨胀功的方式来提高系统性能，可以获得高性能的跨临界二氧化碳热泵系统。

（3）市场前景及应用

本项目主要应用于城市居民或企业大规模供热系统，以及低温热源的再利用和能源回收等系统。由于二氧化碳的特性，以及跨临界系统循环的特性，本项目研制的热泵系统有供热热水温度较高，系统结构紧凑简洁，占地面积小，可以代替热水锅炉进行采暖和生活热水供应，也可用于汽车空调的研发。二氧化碳热泵目前来说是一个新生事物，但是由于工质以及循环特性，有较高的研究价值和应用前景。  

（4）技术成熟度

□概念验证   R原理样机  □工程样机  £中试    £产业化

4、烧结风机模型机三元高效叶轮节能技术

负责人：宫武旗

（1）项目简介

烧结主抽风机的电能消耗约占整个烧结厂电能总消耗的50%，是能源消耗的大户。目前烧结风机大多是依据二元理论设计的风机，它制造较为简单，成本低，技术成熟，但是运行效率偏低，对能源有较大浪费。

本课题组通过对某烧结离心风机模型机叶轮进出口流动状态，子午面流动分离，叶片成型加载规律，以及蜗舌影响的研究，在不改变原蜗壳几何尺寸，以及采用直线锥前盘叶轮的条件下，开发了一种高效的三元叶轮烧结风机模型机。

该三元叶轮对工作介质在通过叶轮时能进行有效地控制，减少或消除叶轮内部的涡流，最大限度地利用叶轮结构尺寸，形成最适合气流通过的叶片流道形状，能较大幅度提升叶轮作功能力和风机效率。因此，在目前二元叶轮烧结风机应用还比较普遍的情况下，采用该三元流叶轮风机进行增容改造，具有比较突出的节能减排意义。

（2）产品性能优势

项目组掌握了三元风机气动设计研发的关键技术，可以依据用户参数要求开发高效的三元烧结风机模型机。所研发烧结风机不改变用户原有蜗壳主要尺寸，只改变叶轮，能最大限度节约用户的节能改造成本。

针对陕鼓通风设备有限公司某型号二元烧结风机模型机，本项目开发的三元风机模型机在额定条件下总压效率为86.7%，静压效率为78.8%，比原二元叶轮风机总压效率提高了7.7%，静压效率提高了6.5%，且高效工况区大幅度拓宽。对于实际尺寸的大型烧结风机机型，效率还会有显著提升空间，预计会提升在12%以上，项目具有显著的节能效益。所研发风机模型机的无量纲性能曲线对比，如图1所示。图2为研发中的风机加工与测试试验。

3）市场前景及应用

项目组可为烧结风机设计制造企业提供技术服务，开展合作研发。为烧结风机节能改造，以及其它大型高压离心风机的节能改造提供技术支持及合作研发。项目组可以依据用户需求开发新型高效离心风机。

（4）技术成熟度

£概念验证   □原理样机  R工程样机  £中试    £产业化

三、合作方式

£联合研发  £技术入股  □转让   £授权（许可） R面议"