叶顶间隙对多级轴流压气机性能退化的影响

以某F级燃机压气机为研究对象,考虑燃机实际运行过程中腐蚀和磨损作用导致的压气机叶顶间隙变化,通过三维数值模拟方法开展了不同腐蚀/磨损状态下多级轴流压气机的性能退化机理研究,分析了叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能的影响规律。结果表明:叶顶间隙增大会导致压气机特性曲线整体向质量流量减小的方向偏移,使得压气机的质量流量、效率及压比均产生一定程度的衰退;随着叶顶间隙的增大,压气机峰值效率逐渐降低,喘振裕度明显降低;叶顶间隙增大会导致压气机通道内的流动分离加剧,动叶叶顶间隙变化对压气机流动分离的影响更严重;静叶吸力面尾缘附近的流动分离导致形成低马赫数区,同时逆流的低速涡团导致叶根附近的损失显著增大,造成压气机性能衰退。

冷却通道对引射器红外辐射特性影响的研究

为降低燃气轮机排气系统中的引射器排气温度,从而减少排出燃气的红外辐射强度,本文提出了一种具有冷却通道的亚音速引射器结构,并提出了评价冷却通道引射器的综合系数。在原有的引射器喷嘴内增加冷却通道,使冷气直接与主流中心位置的高温气体掺混,破坏排气包覆性分布,达到提高主流温度均匀性、降低中心温度的目的。本文运用数值模拟的方法,研究引射器内冷却通道数量、冷却通道进深和排气通道的排布对引射器内阻力特性、换热特性、出口温度分布特性的综合影响。研究结果表明:单排冷却通道排布时,通道数量与换热特性成正比,与阻力损失成反比;双排冷却通道排布时,阻力损失降低。双排12通道引射器可有效降低出流总温,均匀主流温度,综合系数最高。

引气量对多级轴流压气机性能影响的数值研究

以NASA 74A压气机前3.5级为研究对象,利用源项法探究级间引气量变化对压气机总体性能和内部流动的影响。结果表明:引气量越大压气机总体特性变化越显著,10%引气量下压气机流量范围拓宽25.72%,相比于未引气的压气机最高效率点效率增加5.6%,压比增加2.76%,而引气后进口气流冲角减小以及叶背处流动分离减弱所带来的气体流通量的增加是效率提升的主要原因;引气使得压气机稳定裕度升高,当最佳引气量8%时其稳定裕度增大21.80%;引气提高了压气机进口流量,但两者变化量不完全一致,在最高效率点处引气,引气量与进口质量流量增加量基本相等,然而,当低于最高效率点流量时,小流量点的增加量大于引气量,而大流量点则相反,这决定了出口流量的增减,影响了压气机总压比;引气对于气流周向角度影响更大,对径向角度的影响主要集中于引气位置附近。

烟气再循环联合循环中燃气轮机温度控制方案

在部分负荷工况下,采用余热锅炉排气再循环与压气机进口导叶调节联合应用(EGR-IGVC)策略,可有效改善燃气轮机联合循环性能.但此策略若配合联合循环电站部分负荷工况中燃气轮机常采用的等T3(透平入口温度)-T4_(m)(透平排气温度最大允许值)温控方案,在较低负荷下会造成较大的底循环[火用]损失,底循环做功能力下降明显.提出了一种更适用于EGR-IGVC策略的等T3-T4_(m)-T4_(d)(透平排气温度设计值)温控方案,以PG9351FA型燃气轮机联合循环为研究对象,采用能量与[火用]分析方法,对比研究了EGR-IGVC策略配合两种温控方案时的联合循环部分负荷性能.研究结果表明,当环境温度为15℃,部分负荷率在80%负荷以上时,EGR-IGVC策略配合等T3-T4_(m)方案效果仍为最佳;在30%~80%负荷时,与配合等T3-T4_(m)方案相比,EGR-IGVC策略配合等T3-T4_(m)-T4_(d)方案可使燃气轮机效率提高0.15~0.47个百分点,余热锅炉[火用]损失减少0.51%(2.15 MW)以上.研究亦表明,当环境温度在0~40℃间变化时,采用等T3-T4_(m)-T4_(d)方案总能获得更高的联合循环效率,且随环境温度上升,部分负荷效率增幅更为明显.

壁面粗糙度对隔离段气动性能影响的数值计算

针对粗糙度对隔离段性能影响,本文开展了不同粗糙度大小、不同粗糙度分布对相同背压下隔离段内激波串发展以及对隔离段出口气流参数影响的数值计算。隔离段进口马赫数2.0,总压0.82 MPa,总温840 K。研究结果表明:与光滑壁面相比,整体布置粗糙度时,边界层转捩提前,激波串起始位置向上游移动,隔离段出口气流参数下降;当粗糙带布置在50S时,随着粗糙度的增加,激波串起始位置后移;当粗糙带布置在70S时,随着粗糙度的增加,隔离段出口气流总压恢复系数升高。因此,合理布置粗糙度位置及大小能够使隔离段具有更优的性能。

重型燃气轮机侧向进气蜗壳参数化设计方法研究

重型燃气轮机侧向进气蜗壳会带来额外进气损失并产生进气畸变,这将会影响压气机的效率和稳定性,进而影响整机效率。目前侧向进气蜗壳的设计仍以经验设计为基础,并未形成系统化的侧向进气蜗壳参数化设计方法,尚无各关键无量纲参数的推荐取值范围。该文基于传统的蜗壳设计理论,针对侧向进气道蜗壳进行简化设计,并通过数值模拟方法研究其内部流动机理,明确进气蜗壳内的流动损失主要来自导流锥两侧的剪切涡、支板绕流涡和收缩段边界层。在此基础上,提出一种参数化设计方法,研究几何结构对进气蜗壳总压损失和出口气流不均匀性的影响。结果表明,收缩段入口直径、锥底直径和锥角对进气蜗壳气动性能影响较大。最后,该文给出各设计参数的推荐取值范围,可为未来高性能侧向进气蜗壳设计准则制定提供基础。

氦气轮机转子动力学特性优化设计

基于ANSYS软件对某一型号的氦气轮机柔性转子进行了转子动力学特性的计算分析与优化设计。首先对转子的初始模型进行了临界转速计算,并识别影响转子固有频率的关键部位,通过加强其弯曲刚度,初步提高了转子的临界转速。进一步将转子分段并用柔性膜盘联轴器连接,计算得到氦气轮机转子的临界转速大幅提高,使其在设计转速下可视为刚性轴,保证了氦气轮机转子的转子动力学安全。

考虑透平背压影响的燃气轮机动态特性研究

燃气透平的背压是决定燃气轮机性能的重要参数之一,对燃气轮机运行效率以及安全性都具有不可忽略的影响。该文采用模块化建模方法,结合燃气轮机的控制策略,基于仿真平台建立某重型燃气轮机的动态仿真模型,研究透平背压调控过程及负荷波动过程机组的动态特性。结果表明,建立的动态模型可以较为准确地模拟重型燃气轮机的动态特性。对不同输入信号的仿真结果进行对比分析,探究透平背压的不同变化趋势对燃气轮机动态特性的影响,包括背压降低时不同控制策略下燃气轮机透平进出口温度变化对机组的影响及不同控制策略面对扰动时各参数动态响应的差异。验证了透平背压调控对燃气轮机动态响应特性和变几何性能的优化作用,包括低背压下燃气轮机具有更快的响应速度及更高的级效率,透平背压调控能够确保机组在更大的负荷范围内透平进出口温度维持在目标值附近,可保证机组高效、稳定运行。

新型高效空气冷却燃气轮机系统热力性能分析

为改善空气冷却重型燃气轮机热力性能,提出了一种能够高效利用抽气能量的新型空气冷却燃气轮机系统并研究了其热力性能的变化。以传统典型F级燃气轮机不同环境温度下的性能数据作为对比基础,通过数值仿真分析了新型高效空气冷却燃气轮机中冷却系统设计参数变更条件下的系统性能指标变化,计算对比了3种运行模式下的热力性能。结果表明:新型高效空气冷却燃气轮机能够有效降低压气机抽气温度,进而改善燃气轮机热力性能。在夏季工况下,进口温度分别被冷却到30、20、15℃时,燃气轮机功率分别升高了25.92、40.49、48.22 MW,燃气轮机效率分别提升了0.78、1.19、1.40个百分点。

变几何涡轮燃气轮机总体性能研究

为深入了解变几何涡轮对燃气轮机的总体性能影响机理,通过部件法对燃气轮机进行建模,然后分别改变高压涡轮、中压涡轮和动力涡轮的第一级导向器喉道面积,在不考虑导叶两端调节机构和导叶间隙等对涡轮效率影响情况下,对燃气轮机总体性能的变化情况进行了系统地分析,并得出各截面的总温与总压变化情况。结果表明:在采用保持高压涡轮入口总温恒定的控制规律时,增大燃气轮机的高压涡轮流通能力,燃气轮机输出轴功率与耗油率均不断增加,高压涡轮流通能力增加10%,输出轴功率与耗油率分别上升2.83%与1.13%;增大燃气轮机的中压涡轮流通能力,导致燃气轮机输出轴功率降低,耗油率上升,中压涡轮流通能力增加10%,输出轴功率降低9.96%,耗油率上升3.63%;动力涡轮流通能力增加,燃气轮机输出轴功率先上升,后有小幅下降,耗油率增大,动力涡轮流通能力变化量从0增加到10%,输出轴功率降低0.05%,耗油率增加2.01%。

某40MW级燃气轮机压气机的模化设计

针对40MW燃气轮机压气机技术要求,以某成熟燃气轮机的压气机为母型机,开展基于相似原理的模化设计,并辅以前加级、后减级综合优化设计方法,得到适配40MW燃气轮机的压气机。通过三维数值计算分析方法考察新压气机气动性能,其各级气动性能与母型压气机基本一致,模化设计方法可行;通过对各级压气机不同叶高截面的马赫数分布情况分析,提出了进一步优化建议,为后续设计提供参考。

一种高载荷燃气轮机高压透平可控扩散叶型开发

文章针对某燃气轮机高压透平,开发了一种高载荷叶型,其叶型Zweifel载荷系数达到1.2,对该叶型在典型的燃机叶片运行压比下进行平面叶栅吹风试验验证,试验结果显示气动载荷分布与设计值匹配较好,在设计工况下叶型能量损失系数为1.4%;在1.1到1.7的压比之间叶型损失系数都小于1.7%,出口气流角的变化在1°以内;在-10°到20°的攻角变化范围内表现出优异的气动性能;不同的安装角下叶型损失系数都在1.5%以内。

可倒车燃气轮机切换机构过渡工况流动分析

以某船用燃气轮机切换机构为研究对象,以切换机构挡板处于30%开度时为例,进行可倒车涡轮过渡工况下切换机构的流动规律和损失机理研究。对挡板、上下端壁、机械臂和挡板上方肋板结构等结构复杂处做网格加密设置,然后进行网格无关性验证,最后开展数值模拟研究。研究发现:在过渡工况下,正车通道的损失为挡板之间间隙引起的对称大尺度旋涡和下壁面处形成的回流区损失,倒车通道的损失源于流体流过机械臂的绕流作用引起的连杆后方局部低能流体回流区。

F级重型燃气轮机新型DeNO_(x)燃烧器掺氢燃烧试验研究

为实现降低碳排放的绿色环保目标,天然气掺氢燃烧成为燃气轮机的重要发展趋势。针对天然气掺氢燃烧特性,对自主研发的F级重型燃气轮机新型DeNO_(x)燃烧器展开全温、全压、全尺寸高掺氢比例的燃烧试验,从温度、排放、嗡鸣和加速度等性能参数分析燃烧器掺氢燃烧适应性。结果表明:该燃烧器在30%~40%掺氢比例,55%~100%基本负荷段的NO_(x)排放质量浓度均可控制在30 mg/m^(3)以内;随着掺氢比例的增加,火焰转换发生在更低的负荷,有利于稳定升负荷,同时燃烧器出口温度升高,但未发生回火。

E级燃气轮机掺混富氢合成气的改造研究

对SGT5-2000E型燃气轮机进行了天然气燃料掺混富氢合成气的改造研究,分析了该型燃气轮机的富氢合成气掺混能力,提出了针对富氢合成气中H_(2)和CO引起的技术问题的改造措施,并对比了掺混前后燃气轮机机组的性能参数。结果表明:该型燃气轮机最高可掺混体积分数为50%的富氢合成气;在掺混50%富氢合成气时,燃气轮机的性能参数达到设计要求,相关改造和改进措施均达到预期效果,提高了该型燃气轮机机组的运行灵活性,同时为同类掺混研究提供了参考。

氢混重型燃气轮机关键参数影响及热力性能分析

为了深入研究关键参数对氢混重型燃气轮机总体和关键部件热力性能的影响,构建了氢混重型燃气轮机的热力性能计算模型,阐述了模型中关键参数的定义与设定。研究了不同氢气掺混比例、透平初温、压气机压比和冷却空气量等关键参数对燃气轮机功率和热效率等性能指标的影响,分析了不同氢气掺混比例下的透平气动参数变化,进一步揭示了掺氢对燃气轮机性能的影响机制。结果表明:氢气的掺混比例、透平初温、压比和冷却空气量是影响氢混重型燃气轮机性能的关键参数;掺氢比变化时,透平气流角、出口马赫数等透平气动参数的变化则影响透平气动性能和燃气轮机的热力性能。

燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究

采用数值模拟与实验研究相结合的方法开展了应用于燃气轮机燃烧室的预混燃烧器中燃料/空气掺混均匀性问题研究。在CHEMKIN软件中建立化学反应网络模型,通过零维模拟研究了燃/空预混不均匀度对NO_x排放的影响规律。针对某预混燃烧器,从影响燃料/空气掺混均匀性角度,采用三维数值模拟手段对预混段长度和燃料孔径结构开展了参数化研究,评估了预混段长度对流场和组分场的综合影响,着重关注燃/空动量比对燃料射流深度的影响,进而分析其对燃料/空气掺混性能的影响。最后,选取2种典型预混燃烧器结构,实验测量了预混火焰在不同当量比工况下的OH分布和NO_x排放。结果表明,相同当量比工况下,2种预混燃烧器火焰结构相似,尺寸变化不大,但燃/空掺混性能更优的火焰OH峰值信号强度低,脉动小;燃/空预混不均匀度直接影响NO_x排放,尤其在高当量比工况下影响更加显著。研究结果将对预混燃烧器优化设计提供参考。

大型燃气轮机冷却空气量分配及透平膨胀功计算方法研究

根据大型发电燃气轮机的结构和性能信息,利用ASPEN软件建立了较详细的系统及部件的热力计算模型,对其冷却空气参数及其分配规律进行了推测;以逐级计算冷却空气做功的详细计算方法为基准,在透平压比及排气温度相同的条件下,对使用两种透平进口温度计算透平膨胀功的简化方法进行了比较和分析,展示了不同计算方法得出的功率和效率存在差别的原因;分析结果证明,两种由透平初温计算透平膨胀功的方法对功率的计算结果相似,但根据ISO方法定义的透平进口温度透平膨胀功,相应效率的值更接近透平的级等熵效率,效率意义明确,是一种较理想的简便计算方法。

重型燃机热力系统动态仿真模型

文中采用模块化建模方法开发了燃机热力系统动态仿真模型。利用逐级叠加法建立变几何多级轴流压气机全工况性能预估模型,在此基础上运用一维非稳态微分方程组建立压气机级的仿真模块;通过合理的简化建立以压力和焓为状态参数的微分方程组,反映燃烧室内燃气的动态变化过程;借助流体网络技术,将所要求解的级作为压力节点计算其排气压力,按照级工作原理计算其他状态参数的思路建立透平级仿真模块;结合其他相关仿真模块建立了完整的燃机热力系统实时仿真模型。仿真试验表明所开发的数学模型能够正确反映燃机热力系统的动态特性和全工况运行过程,模型运算稳定可靠,不仅可直接应用于燃气?蒸汽联合循环机组实时仿真系统的开发,还可为燃机控制系统设计与分析提供良好的非线性对象模型。

合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化

采用雷诺平均的计算流体力学方法,通过模拟与燃烧室模态相似的标准旋流扩散燃烧实验以及合成气模型旋流燃烧室实验,分析了4种湍流模型对旋流燃烧及合成气燃烧室的数值模拟结果的影响。对比标准实验的速度、温度以及混合分数等实验数据,讨论不同模型以及参数取值的模拟效果,选取最合适燃烧室内复杂流型预测的realizableκ-ε湍流模型,并对位于湍流动能耗散率(ε)方程源项中的模型常数C2做出修正。耦合相应较为准确的燃烧模型以及反应机理,形成针对合成气燃烧室性能预测的较为理想的模拟方法。开展合成气模型旋流燃烧室燃烧实验,利用形成的数值模拟方法,对燃烧室壁温及NOx排放进行了预测,结果与实验较吻合,验证模拟方法可靠。