燃气轮机透平盘腔流动换热及轮盘热固耦合特性数值研究

针对燃气轮机安全运行问题,为保证盘腔良好冷却效果以及轮盘强度可靠性,该文对盘腔流动换热以及轮盘热固耦合特性进行数值研究。建立三级轮盘盘腔分析模型,对比转速及流量对盘腔流动换热特性的影响。基于流动换热结果分析轮盘应力及变形特性。结果表明:当转速增大时,各腔室内压力损失降低,换热面努塞尔数(Nu)呈现下降趋势,最多降低约66.1%;而当流量增大时,各腔室内压力损失升高,部分换热面Nu呈现上升趋势,最多升高约198%。在多种载荷综合作用下,轮盘最大等效应力为996.06 MPa,最大径向变形为2.62 mm。结果可为保证燃气轮机轮盘安全性提供一定技术支撑及数据参考。

采用AK-MCS的燃气轮机轮盘疲劳寿命预测及可靠性评估

为确保燃气轮机透平轮盘在实际工作中的性能和可靠性,综合考虑燃气轮机服役时轮盘伴随的多种不确定性因素,通过概率表征合理量化,采用主动学习克里金代理模型与蒙特卡罗模拟结合算法(AK-MCS),搭建了考虑多源混合不确定性的燃气轮机轮盘寿命预测代理模型,并对轮盘低周疲劳寿命可靠性进行了合理评估。建立了一套完整的轮盘低周疲劳寿命可靠性分析流程,完成了某型燃气轮机透平轮盘低周疲劳寿命可靠性评估及灵敏度分析。研究结果表明:轮盘的最大等效应力值为773.518 MPa,最大应变值为0.004 73,局部危险点位于轮槽第3根齿面下方的圆角处,寿命预测结果为1.177×10^(4)周。设计寿命为8×10^(3)周的条件下,得到透平轮盘的失效概率为0.043 1,可靠度为0.956 9。灵敏度分析结果表明,影响疲劳寿命最主要的参数是轮槽齿面接触压力及轮盘转速。研究结果展示了AK-MCS算法在轮盘可靠性分析中的应用优势,能为工程中轮盘的设计提供方法和参考数据。

特约主编寄语

“双碳”目标的实施促进了我国能源结构变革,需要大力发展风、光等新能源,构建清洁低碳的能源体系。然而大多数新能源受制于自然条件,发电波动剧烈,大规模并网会影响电网的安全稳定运行。为了适应新的能源形式,燃煤电站灵活运行已经成为常态,由此给电厂动力设备带来了安全隐患。采用储能技术可以解决新能源发电固有的暂歇性和波动性缺陷,大幅减少弃风、弃光现象,有效提高可再生能源发电占比;同时也可以提升燃煤电站的负荷,缓解低负荷灵活运行对电站设备效率和安全性的影响,实现用电削峰填谷、稳定电网频率、平抑电网波动,为我国达成“双碳”目标提供重要技术支撑。

压气机叶片叶根轮槽物理场预测及快速优化设计

为获得压气机叶片叶根轮槽区域的物理场分布状况、降低其型线优化的时间成本,提出一种叶根轮槽物理场预测模型及快速优化设计方法。选取叶根轮槽的关键几何参数作为设计变量和状态变量,建立了参数化模型;基于深度图卷积神经网络,构建了叶根轮槽区域物理场快速预测模型,通过对比有限元分析结果验证了模型的预测精度;基于预测模型和遗传算法,进行了叶根轮槽型线的快速优化设计。结果表明:利用所提预测模型对单个设计工况的分析相比于有限元分析的加速效果达到103量级,位移和应力预测值的变化趋势与有限元分析值的变化趋势一致,最大总位移的相对预测偏差在±1%范围附近,最大等效应力相对预测偏差在±5%范围内;优化后压气机叶片叶根轮槽的最大等效应力由240.96 MPa降低至206.37 MPa,减小了14.36%,优化效果明显。

复杂载荷下燃气轮机轮盘Hirth齿多尺度接触界面结构强度特性研究

中心拉杆转子是燃气轮机的核心部件,但转子运行工况恶劣、事故频发,需要开展复杂接触状态下多尺度、多载荷作用的强度研究,以保障叶盘结构运行安全。基于粗糙表面接触模型和三维有限元方法,建立了考虑微观界面尺寸和粗糙度的燃气轮机轮盘Hirth齿接触界面热固耦合特性分析模型,探究了接触面微观尺度参数以及端面齿宏观尺度几何参数的影响。结果表明:端面齿的最大等效应力随齿根圆角半径的增大、压力角的减小而减小;端面齿的最大等效应力和平均接触压力均随着表面粗糙度的增大而减小。

径向来流畸变对燃气轮机压气机叶片颤振特性的影响研究

为分析来流畸变对燃气轮机压气机颤振特性的影响,建立了径向畸变的入口来流总压模型,基于影响系数法研究了不同相位角和不同畸变强度的径向来流总压畸变对压气机流场特征及气弹稳定性的影响。结果表明:相位角为90°和180°的径向来流总压畸变会使危险工况下的气动阻尼最小值有所增大,气弹稳定性提升;相位角为180°的径向来流总压畸变可以在所有叶间相位角下提高压气机的气弹稳定性;相位角为0°和270°的径向来流总压畸变均会提高压气机发生颤振的风险,需要尽量避免。

新型气液相变压缩二氧化碳储能系统性能分析

为了推动大规模、高效率储能技术的发展,提出了一种新型气液相变压缩二氧化碳储能系统。该系统整体压力水平低于CO_(2)临界压力,有效降低了部件制造难度,改善了系统经济性。对该系统进行了热力学与经济性分析,结果表明:典型设计工况下系统的储能效率为65.35%,投资回收周期约为5.50 a。[火用]分析结果表明:透平的[火用]损最大,为1.23 MW;蒸发器具有最小[火用]效率,为9.41%。参数分析结果表明:增大CO_(2)冷凝温度、压缩机等熵效率、透平等熵效率,或降低换热器2冷端和热端温差、换热器3冷端温差,均有利于提升系统储能效率,同时缩短系统投资回收周期。

汽轮机叶片水蚀损伤预测及防水蚀方法研究进展

长期以来,汽轮机叶片水蚀都是影响机组效率和安全性的重要问题。汽轮机低负荷工况下,高速水滴撞击造成的叶片水蚀日益严重,掌握汽轮机叶片水蚀规律并减少损伤对汽轮机正常运行具有重要意义。首先总结了汽轮机叶片水蚀疲劳寿命预测和叶片表面侵蚀方面的研究,尤其介绍了基于数据驱动的叶片水蚀寿命预测方法,然后总结了叶片的防水蚀措施,着重介绍了防水蚀新工艺的相关研究。所做的综述可为汽轮机防水蚀提供思路及方法。

高速液滴撞击下叶片表面微结构防水蚀性能研究

为了有效解决汽轮机叶片的水蚀问题,提高汽轮机运行的安全稳定性,基于水蚀频发位置的结构特点和水蚀特征,提出一种叶片表面微结构的防水蚀方法。这类方法中所包含的叶片表面微结构能在不影响叶型性能的前提下达到较好的防水蚀作用。基于防水蚀机理、结构经济性等多方面考量,设计了沟槽、条纹、球窝、球凸和锯齿共5种表面微结构,并采用两种叶片材料制成标准件及5种带结构试件,在团队自主设计的水蚀测试系统内进行水蚀性能试验。提出平均体积损失作为评价不同结构试件水蚀特性的参数,并使用无量纲抗水蚀性能参数进行对比排序。研究发现:在叶片材料表面布置锯齿形微结构后,叶片材料表面的抗水蚀性能最好,其抗水蚀性能系数是平面的1.57倍;布置条纹、沟槽、球窝3种结构均能在不同程度上提升表面抗水蚀性能。研究结果可为实际叶片防水蚀提供参考。

汽轮机叶片静态和动态应力的三维有限元分析

提出了一种三维实体混合单元模型来分析汽轮机叶片静态和动态应力。考虑到转动叶片的刚性变化，静应力的计算采用了非线性方法，在分析叶片的动频后，应用模态迭加法计算了叶片的响应，得到了叶片的动态应力。从文中的实际叶片算例可以看出，所提供的分析模型可以精确直观地反映叶片的静态和动态应力状况。

燃气轮机透平叶片冷却通道传热特性研究进展

燃气轮机透平叶片冷却通道的设计及开发对燃气轮机效率、运行安全性等具有重要意义,透平叶片冷却通道的传热特性研究是透平叶片中的重要领域。文中首先总结了透平叶片中典型U型通道中扰流冷却的研究现状:在U型通道中布置肋片、针状翅片、球窝/球凸及组合传热结构是重要的冷却方式,研究已深入至多种组合传热结构及旋转通道传热的层面;其次总结了冷却通道与气膜孔结构耦合传热的研究现状,气膜孔的布置改变了冷却通道内的原流场结构及传热特性,布置肋片、球窝等强化传热结构并与气膜孔相耦合时的流动及传热特性是目前研究的重点;最后总结了内部冷却与外部冷却相耦合时的传热特性,如叶片尾缘劈缝叶背面区域的气膜冷却与对流传热共同作用,指出该耦合传热过程是透平叶片中的重要现象。通过对透平叶片冷却通道传热特性的研究综述,指出在组合传热结构与气膜孔等相互耦合时的冷却通道传热特性还有较多的研究内容需要扩充,同时考虑适用于冷却通道的低阻高效强化传热结构也是目前关注的一大重点。

超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械研究进展

超临界二氧化碳具有密度大、黏性小的特征,将其应用于布雷顿循环动力系统中能够使系统结构紧凑、效率高,具有良好的工程应用前景。总结了近年来国内外针对超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械的研究进展及相应成果。首先介绍超临界二氧化碳工质的特性及布雷顿循环的优势,其次介绍各研究机构针对超临界二氧化碳布雷顿循环的研究以及已完成的布雷顿循环实验系统。此外,进一步总结了国内外超临界二氧化碳布雷顿循环透平机械即透平和压缩机的设计方法、数值分析及实验研究情况,涵盖了千瓦级至兆瓦级等各种功率等级。为我国超临界二氧化碳布雷顿循环系统及透平机械的研究提供参考。

透平级三维粘性非定常流动及气流激振力研究

非定常性是透平机械内部流动的固有特性。非定常流动不仅对透平机械的气动性能具有一定的影响,还会产生导致动叶片振动疲劳的气流激振力,所以对于透平级的非定常流动分析十分必要。文中基于CFX软件,采用RNGk-ε湍流模型、双时间步法、滑移界面法以及结构化网格建立了一级半透平级(静叶/动叶/静叶)三维非定常粘性流场的数值模型及计算方法;在此基础上详细分析了流场特性随时间的变化,发现时均非定常等熵效率小于相应的定常等熵效率;同时获得了作用于动叶上随时间变化的气流力以及气流激振力因子,该因子数值与汽轮机设计人员广泛采用的由实践而来的数据吻合良好。文中研究结果有利于分析非定常流动对透平机械气动性能影响的机理,并且为叶片的振动响应以及疲劳寿命分析提供必要的参数。

振荡扑翼流场能量采集研究进展

振荡扑翼现象广泛存在于自然界和工程实际中,在风能和水流能量采集输出方面有巨大的应用潜力,揭示振荡扑翼能量采集机理,获得提高振荡扑翼输出功率和效率的方法对于新型振荡扑翼流场能量采集装置的开发应用至关重要。文中介绍了振荡扑翼能量采集基本理论及其机制,运动参数对振荡扑翼流场结构和气动力的演变以及能量采集效果的影响规律;然后重点介绍了扑翼形状、柔性扑翼、非正弦振型、新型振型、多排扑翼和流固耦合等因素对振荡扑翼能量采集效果的影响规律;最后展示了振荡扑翼能量采集装备的工程开发现状。有关振荡扑翼能量采集的研究虽然取得一定进展,但尚需要更深入的试验和数值研究,文中指出:对扑翼形状、柔性扑翼和新型振型等的研究和优化分析可以有效提高振荡扑翼输出功率,但目前的研究较为有限;对扑翼非正弦振型的数值研究较为深入,但还缺乏相应的实验验证和分析;对双排或多排扑翼的研究涉及到扑翼运动参数、相邻扑翼间的运动相位差和前排尾流涡与后排扑翼间气动耦合作用等复杂因素,目前的研究尚不够系统深入。进一步采用三维数值分析方法和开展相应的实验对振荡扑翼能量采集过程中的流固耦合效应进行研究,可以更加精确地分析振荡扑翼周围流场的三维流动效应和功率输出过程。

汽轮机叶片三维有限元应力分析系统

介绍了汽轮机叶片三维有限元应力分析系统，它具备完善的前、后处理和计算分析功能．采用三维八节点非协调单元进行计算，这种单元对于汽流力等弯曲载荷具有比三维八节点协调单元更高的精确度．分析系统具有易用、精确、直观的特点．对一个真实叶片进行了计算。

透平机械叶轮叶片三维参数化造型及六面体网格生成方法研究

叶轮是向心透平和离心压缩机中的重要部件,其几何形状比较复杂,采用良好的网格进行有限元分析,以获得精确的强度和振动特性,是其安全性的重要保证。针对叶轮结构特点,采用CAGD(computer aided geometric design)技术实现叶轮的三维实体参数化造型;然后使用同胚原理和BMSweeping(sweeping via background mesh interpolation)等方法建立叶轮六面体网格生成方法。为了保证有限元分析的精确性,建立叶轮上叶片根部倒角、轮盘气道进口处等特殊结构的网格生成方法。100 kW微型燃气轮机的向心叶轮网格划分表明,使用上述方法生成的网格质量较高,能很好地满足有限元分析要求。

汽轮机高压缸三维热弹性接触模型及其气密性分析

汽轮机高压缸中的高温和高压蒸气经常会造成缸体较大的变形 ,从而在汽缸法兰中分面产生漏气。为了分析汽缸的气密性 ,文中结合汽缸温度场和三维弹性接触理论 ,建立汽缸三维热弹性接触有限元模型。利用建立的模型完成一个 10 0MW汽轮机高压缸的温度场及应力、变形计算 ,并且应用于实际的高压缸改造。实践表明这些计算结果可以作为汽缸设计的重要依据 。

汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究

为了提高汽轮机叶片的可靠性 ,预防电厂中汽轮机叶片疲劳断裂的发生 ,首先提出了叶片应力和动态特性的数值分析方法 ,然后基于动态应力分析结果 ,考虑了影响汽轮机叶片失效的各种因素 ,引入Neuber准则和雨流计数法 ,建立了汽轮机叶片的疲劳寿命预测模型 ,并分析了一个 5片成组的 85 1mm叶片疲劳寿命状况 .结果表明 :提出的汽轮机叶片动态应力三维有限元分析模型具有良好的工程精度 ,叶片疲劳寿命预测可以定量地分析影响叶片安全运行的各种因素和叶片的疲劳寿命 ,为现实中叶片的设计制造及汽轮机运行提供了参考 .

新能源形势下的“智慧汽轮机”及其研究进展

将信息技术的最新成果应用于汽轮机设计、制造和运维等各环节有助于满足新的能源形势下对汽轮机高效、灵活发电的需求。论文提出"智慧汽轮机"的概念,说明其架构、特点以及全寿命周期解决方案,介绍以机器学习和深度学习为代表的人工智能算法在"智慧汽轮机"通流设计、控制策略、故障预测、知识迁移等方面的应用,总结"智慧汽轮机"发展亟待解决的6个关键问题,为发展"智慧汽轮机"提供了思路和具体的示例。

液固高速撞击下材料损伤机制的数值和实验研究

为了进一步掌握液固高速撞击造成材料损伤的机制,从数值分析和实验两方面进行了研究。对国内外液固高速撞击的研究状况进行综述,建立有限元与光滑粒子动力学耦合数值模型,并且搭建了液固高速撞击试验装置。数值分析有机玻璃和钢材在液滴打击下的状况,获得了液滴撞击下材料内部的应力应变过程;试验中利用高速数码摄影系统得到了撞击时的射流速度,采用三维超景深数码显微系统对高达600m/s的射流撞击钢材时产生的表面损伤进行了研究,得到三维凹坑深度及尺寸数据,对比表明数值分析得到的凹坑深度与实验数据吻合较好,证明了数值模型的可行性和精确性。