多级轴流压气机级间引气的仿真方法

为了论证采用直接网格划分法或者源项法对级间引气技术进行数值研究的可行性,本文对比了2种不同的三维仿真方法。利用直接网格划分法对引气腔室进行简化,再通过对引气腔室网格划分将引气效果施加于压气机的主流道;源项法则省略了引气的二次通道,赋予引气口一定的引气流量。研究结果表明:由于计算原理的限制,源项法对引气口的模拟失真,无法预测出不均匀的引气效果和局部溢流。同时,源项法导致引气口上游的流量系数增大,造成了上游静叶的落后角减小,甚至于过偏转。由于上游静叶的过滤作用,源项法的流向影响范围有限,如若不是要对引气口上游的局部流场进行研究,源项法足以支撑级间引气对压气机总体特性的影响分析。

径向分级燃烧室热声特性的试验研究

为了探究径向分级燃烧室燃料分配比例对燃烧室热声特性的影响,对工业级单筒4 MW功率等级径向分级燃烧室进行试验研究.试验中通过改变径向上值班喷嘴和主燃喷嘴的燃料分配比例,分析燃料分配比例对动态压力特征频率和幅值的影响.采用相空间重构方法和递归分析方法,探究燃料分配比例变化过程中燃烧室内热声状态的变化特征.结果表明,燃烧室内整体存在低频(70~90 Hz)和高频(200~230 Hz)2个主导频率.在燃料分配比例调节过程中,出现低频向高频跃迁现象.相空间重构图和递归图显示,当燃料分配比例增大时,燃烧室内热声状态存在切换过程:由准周期状态过渡为混沌状态,最终切换至极限环状态.

某燃气轮机涡轮叶顶间隙计算分析

涡轮叶顶间隙直接影响燃机的安全和效率。利用有限元软件,首先,进行涡轮转静子二维热-结构耦合分析,计算得到涡轮周向平均叶顶间隙;其次,考虑涡轮转静子三维效应、转子挠度、油膜抬升和燃机启停对涡轮叶顶间隙的影响,修正了涡轮叶顶间隙。计算结果表明:涡轮二维热-结构耦合分析能够较为准确地计算涡轮叶顶间隙,涡轮转静子三维效应、转子挠度、油膜抬升对涡轮叶顶间隙周向分布有一定影响;燃机启动过程,涡轮叶顶间隙出现极小值,尤其涡轮叶顶间隙g3和g4发生碰磨,需增加可磨密封设计避免碰磨。

陀螺效应对转子横向振动的影响分析

举例说明了在动力转子系统中陀螺效应对实际模型的影响。着重分析了转子陀螺效应对进动角速度、振型以及临界角速度的影响。并应用状态空间法求解陀螺系统的本征值问题。数值结果表明,在一些工程问题中,陀螺力对于转子系统振动特性的影响是不能忽略的。

变转速工业汽轮机叶片叶冠设计研究

以某型变转速工业汽轮机低压级叶片为研究对象,对叶冠进行结构设计。根据叶冠的特点建立了参数化模型,以啮合角和冠形角为设计变量,确定了叶冠局部等效应力最小和叶冠质量最轻为目标函数。通过采用基于Kriging响应面的遗传算法优化出2组尺寸方案。对比了采用的2组方案,叶片在工作转速范围内叶冠的接触状态和接触应力对叶冠阻尼效果的影响。同时对2组方案叶片进行谐响应分析,得到叶身振动应力分布。综上筛选出方案1为最优方案,其相较原始模型,叶冠最大局部应力降低25.1%,质量增加2.2%,改善了70%转速下叶冠接触状态,且叶身振动应力降低6.6%。该研究结果可以指导变转速工业汽轮机叶片的叶冠设计。

陀螺系统时间有限元方法

将保辛的时间有限元方法应用于陀螺系统,扩展时间有限元方法的应用领域。同时导出陀螺系统时间有限元方法的形函数矩阵、时间单元刚度阵列式和非齐次外力的表达式。该方法既继承了有限元保辛的优良特性,又大大提高了数值计算精度,具有非常明显的优越性。算例给出本文方法、四阶Runge-Kutta方法与Newmark方法的比较结果,进一步表明本方法的优越性。

轴流压气机可调进口导叶叶顶间隙的数值仿真

为了研究分布式能源燃气轮机可调进口导叶的叶顶间隙,以某型燃气轮机跨音速级的轴流压气机为研究对象,采用NUMECA软件对可调进口导叶的不同叶顶间隙方案进行了数值模拟,分析了可调进口导叶叶顶间隙的仿真方法,以及对压气机跨音速级性能的影响。结果表明:若忽略可调进口导叶的部分间隙,将减小压气机的堵塞流量,增大高负荷工况的效率;部分间隙的泄漏流增加了可调进口导叶叶顶区域的总压损失,增大了下游动叶的入口冲角,并改变了近堵塞工况时下游动叶内的激波结构。建议在三维仿真时,不可忽略可调进口导叶的部分间隙结构。

大型不正定陀螺系统本征值问题

陀螺动力系统可以导入哈密顿辛几何体系,在哈密顿陀螺系统的辛子空间迭代法的基础上提出了一种能够有效计算大型不正定哈密顿函数的陀螺系统本征值问题的算法.利用陀螺矩阵既为哈密顿矩阵而本征值又是纯虚数或零的特点,将对应哈密顿函数为负的本征值分离开来,构造出对应哈密顿函数全为正的本征值问题,利用陀螺系统的辛子空间迭代法计算出正定哈密顿矩阵的本征值,从而解决了大型不正定陀螺系统的本征值问题,算例证明,本征解收敛得很快.

高转速工业汽轮机低压级组长扭叶片气动设计与分析

为了提高工业汽轮机效率,实现节能减排和降低加工制造成本,对高转速工业汽轮机低压级组进行气动设计,并对其进行三维气动分析。完成了低压级组的一维设计、二维气动设计和叶型设计:动叶转速为6600r/min,进口总压为200kPa、进口总焓为2684.2kJ/kg、背压为7kPa下的流量为51.2t/h,总总效率为92.4%,总静效率为88.6%,达到设计要求。末级动叶的径高比为2.68,降低了转子的尺寸。三维流场分析显示:低压级组载荷分布均匀,级间匹配合理,气动性能良好;气动参数沿叶高分布均匀,叶片沿叶高具有良好的攻角特性。

陀螺系统辛子空间迭代法

转子系统的有限元分析可以导出陀螺系统的本征值问题,而陀螺本征值问题可在哈密顿体系下求解。基于辛子空间迭代法的思想,提出了一种求解陀螺系统本征值问题的算法。首先引入对偶变量,将陀螺动力系统导入哈密顿体系,将问题化为了哈密顿矩阵的本征值问题,由于稳定的陀螺系统其本征值必为纯虚数,利用这个特点,提出了对应陀螺系统的辛子空间迭代法,从而可以求出系统任意阶的本征值及其振型。算例证明了这种算法的有效性。

线性哈密顿系统的本征摄动法

利用哈密顿算子辛自共轭的特点讨论了保守哈密顿体系的摄动问题,给出了哈密顿矩阵的本征值与本征向量的二阶摄动分析方法。即当系统在哈密顿框架下进行较小修改时,不重复求解大型哈密顿矩阵的本征问题,只需在原系统的模态参数基础上进行模态分析即可,这种矩阵摄动法给出了修改后矩阵的二阶本征值和本征向量,为一般线性保守体系的本征摄动求解提出了一个新方法。

陀螺转子动力学系统的时间有限元内点法

将保辛的时间有限元法(FEM)应用于陀螺转子动力学系统,给出了陀螺转子动力学系统时间有限元法的时间单元刚度阵列式和非齐次外力的表达式,以及辛时间传递矩阵。在此基础上,提出了精度更高的时间有限元内点法(IDTFEA),该方法既继承了时间有限元保辛的优良特性,又大大提高了数值计算精度,具有非常明显的优越性。算例给出了该方法和Newmark方法的比较结果,表明该方法的优越性。

侧向进汽对下游级组性能影响的数值研究

通过对某可调侧向进汽机组全三维流场计算分析发现:侧向进汽会导致下游级组扭矩和流量沿周向分布不均匀,在相同的进出口条件下,侧向进汽的影响级组通流能力明显减小,减少了11.9%,输出功率减少28.4%,效率降低18.8%;相同进出口流量条件下,动叶局部最大扭矩为均匀进汽的1.55倍左右,对叶片强度提出了较高的要求,效率降低17.9%。对侧向进汽机组的设计要充分考虑周向不均匀特性对机组气动性能的影响和对强度考核的要求。为侧向进汽机组通流设计提供了一定参考和指导方向。

汽轮机叶片改型及三维气动优化设计

为了提高汽轮机的效率,本文采用基于人工神经网络及遗传算法的叶轮机械叶片三维优化设计方法,对某低压叶片级组进行优化设计。优化目标是在流量不减小的情况下,减少叶片内的流动损失,增加叶片的总总效率及等熵效率。优化仿真结果显示,优化后所获得的扭曲叶片有效地改善了次末级叶根处的流动分离,流道损失显著降低,流量和总总效率也都得到了大幅度的提高。

不调频叶片设计改型研究

将计算固体力学分析、三维计算流体动力学分析以及流固耦合技术与传统的常规计算方法和汽轮机行业安全性准则相结合,综合判断动叶片在其共振点上运行的安全性。针对某一低压叶片级组,通过对其进行改进设计,在基本保持原有气动性能的前提下提高了叶片的安全性能指标,扩大了该低压级组转速运行范围。

工业汽轮机高负荷末级静叶积叠规律研究

以高负荷、大扩张角、小根径/顶径比、大展弦比的工业汽轮机末级叶片为研究对象,设计了直扭静叶、弯扭静叶、周偏直扭静叶3种积叠方案,采用三维CFD方法数值模拟了3种方案的内部流动,分析了压比、反动度、马赫数、静压系数、气流角、效率等参数的变化和内部流场。结果表明:周偏直扭方案的级效率最高,达到90.65%,比直扭方案和弯扭方案分别高0.93%、0.81%;正弯和周偏都能提高根部反动度,形成从根部指向流道中部的压力梯度,减小端壁附近的横向二次流动,降低二次流损失,同时降低了马赫数、减小了激波损失。

大型陀螺系统的模态综合方法

在陀螺系统辛子空间迭代法基础上,发展出了陀螺系统的模态综合方法(MSMGS).此方法将一个整体的大的陀螺系统化为几个小的陀螺系统.在各子结构中,应用辛子空间迭代法对其进行前几阶的模态计算,并合并各个子结构,以组装成整体系统的转换矩阵,然后将其代入整体陀螺系统.得到缩减后的整体陀螺系统,算例证明了缩减后的系统能够比较好地近似原来的整体陀螺系统。

工业汽轮机CAE技术研发与应用

本文以高转速大容量工业汽轮机长叶片为主要研究对象,将CAE技术应用于工业汽轮机的设计和分析中,并与工业汽轮机行业准则相结合,建立了一个以叶片开发为中心涵盖工业汽轮机各个部件的,集结构设计、气动设计、结构分析、气动分析、流固耦合分析和转子动力学分析于一体的企业型研究开发平台。这对提高我国工业汽轮机叶片及其他部件的设计与开发有着很重要的现实意义。

某燃气轮机涡轮动叶片腐蚀疲劳失效分析

针对某燃气轮机涡轮第1级动叶叶身表面涂层剥落及尾缘转接R处产生疲劳裂纹的现象进行了失效分析,并对失效机理进行探讨。首先,对失效叶片开展了理化检查,包括外观检查、化学成分分析及显微组织分析;然后模拟了机组运行时涡轮叶片的温度场和应力场分布。研究结果表明:重油中的S和V燃烧后产生硫酸盐和钒酸盐,局部高温促使其加速穿过陶瓷隔热层中的空隙并产生反应,从而使涂层出现脱落;温度场计算获得的局部高温区域与涂层剥落区域吻合;叶片应力模拟计算结果显示尾缘应力水平较高,频繁的启停使尾缘转接R处产生疲劳裂纹。基于研究结果,得出此次叶片失效的主要原因是腐蚀疲劳失效,并对涡轮叶片使用提出了合理的建议。

多界面CrN/CrAlN涂层在海水环境中的腐蚀磨损性能研究

目的通过多界面结构CrN/CrAlN涂层来提高316不锈钢在海水中的耐腐蚀磨损性能。方法采用多弧离子镀技术在316不锈钢基底表面制备CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等设备表征涂层的微观结构和相组成;借助纳米压痕仪及划痕仪分别测试涂层的硬度和结合强度;通过往复式摩擦磨损试验机及电化学工作站,实时记录涂层在人工海水环境下摩擦系数和电化学信号的连续变化,并采用扫描电子显微镜对磨痕形貌进行分析,评价CrAlN单层和CrN/CrAlN多层涂层在人工海水环境中的腐蚀磨损特性。结果CrN/CrAlN多层涂层结构致密,层间界面清晰,厚度大约在4.12μm,力学性能优异,其硬度高达37.65 GPa。在海水环境中,摩擦系数随外加电位增加而降低,且当外加电位为0.2 V时,最低摩擦系数在0.29左右。而多层涂层损失量变化规律与之相反,当外加电位为–0.6 V时,其具有最低损失量,大约为0.00086 mm^(3)。相比CrAlN单层涂层,CrN/CrAlN多层涂层的腐蚀电流密度降低,损失量显著减小。结论CrN/CrAlN多层涂层具有致密的多界面结构,在海水环境中的耐腐蚀磨损性能更为优异。主要失效机制为磨粒磨损、塑性变形和腐蚀磨损。