涡轮动力模拟器甩油盘热流模型与流场特性研究

甩油盘作为涡轮动力模拟器(TPS)的重要零件,能有效地促进模拟器内循环系统润滑油的回流,提高轴承的润滑性并降低系统温升,为整机安全可靠运行提供了基础性保障。为了解决TPS内循环系统润滑油的回流问题,对TPS甩油盘及其内部循环流道进行了研究。首先,确定了涡轮动力模拟器轴承发热量及散热系数随转速的变化、甩油盘内部流体控制方程和边界条件;然后,构建了一类TPS甩油盘及其内部循环流道的完整内循环热流模型,并对比了轴承处温度仿真结果与实验结果以确保模型的合理性;最后,数值仿真得到了不同转速下内部循环流道的温度场、压力场和速度场。研究结果表明:转速增加能显著引发系统内最高温度上升,甩油盘作用下的内循环流场温度变化较为平稳,典型工况条件下仿真与实验得到的最高温度相对误差最大为12.3%,表明了热流模型的合理性。研究结果对于指导TPS甩油盘结构设计和提高整机运行安全稳定性具有重要的价值。

天然气余压发电透平发电机组控制特性研究

本文研究了透平发电机组的物理模型,重点详细介绍了透平膨胀机调速系统、同步发电机、励磁系统的工作原理。并据此利用MATLAB/Simulink建立起透平发电机组数学模型,主要包括透平膨胀机及其调速系统、同步发电机及励磁系统、电力负载模型等。然后根据建立的仿真模型对透平发电机组运行工况进行了常规PID仿真研究,在此基础上,对系统的控制方法进行优化,采用模糊PID控制进行了空载启动和投切负载的仿真研究,根据仿真结果对比了常规PID和模糊PID的控制性能,仿真结果显示模糊PID控制器比常规PID控制器的启动时间更短、超调量更小,使得发电机组的响应过程更加快速、稳定。

不同叶型的液压动力轴的设计与数值模拟

涡轮可将高压射流的能量转换为维持液压动力轴运转的机械能,合理设计其型式可显著提升液压动力轴的工作性能。设计4种不同型式的涡轮模型,采用数值模拟的方法,分析了不同型式方案下液压动力轴外特性、内流场分布以及能量损失的影响。结果表明:在切击式涡轮方案下,涡轮平均总扭矩最大,装置水力效率最大,达到了94.37%;切击式涡轮叶片的湍动能最小,流体速度梯度变化更加均匀;由于此方案中涡轮设计与流体流动的匹配良好,旋转域部件和整个模型的总熵产值均最小,降低了水力损失,能量转换效果更优。在同一工况条件下,切击式涡轮方案的液压动力轴性能最优。

周期性脉动源对风力机功率的影响

针对WindPACT1.5 MW机组,通过大涡模拟探究风轮5°仰角时周期性脉动源(仰角、塔影效应、偏航、风剪切)对风力机总功率的影响,并结合逆叶素动量理论,进一步分析功率与升力系数之间的联系。结果表明,仰角、塔影效应加仰角与偏航加仰角均使得风力机总功率产生“3P”的波动规律,而风剪切加仰角使得总功率产生“锯齿状”的高频率波动规律,其中偏航是总功率损失的主要因素,塔影效应是功率波动的主要因素,且发现升力系数波动规律与功率单周期内的波动规律相似。

大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析

为了评估民机低速带动力试验时进排气效应的影响，选取大涵道比发动机涡轮动力模拟器（TPS）短舱和真实发动机短舱作为研究对象，采用数值模拟方法对其起飞、进近状态的低速气动特性进行对比分析。结果表明：由于TPS流量低于真实发动机需求，其唇口、外罩流场特征和真实发动机短舱有所不同，阻力特性也有差别；在进气道处于亚临界状态时，TPS短舱阻力系数比真实短舱大了约1.7个阻力单位，又由于唇口当地气流攻角更大，使得TPS短舱失速攻角相对降低了约1.0°；当进气道工作于超临界状态时，TPS短舱虽然也可以反映真实短舱的流动特性，但由于捕获流管收缩情况和气流驻点随攻角的变化，使得在0°～20°攻角时TPS短舱的阻力系数高于真实短舱，而在20°～30°攻角时其阻力系数略低，差量最大约为1.8个阻力单位。对于研究的大涵道比发动机，未经唇口及外罩修正的TPS短舱其低速气动特性基本可以反映真实进排气效应的影响，但在气动特性分析中可以考虑进一步修正进气效应的影响。

2.4m跨声速风洞TPS测控系统设计与实现

带涡轮动力模拟器(TPS)实验是一种先进的进/排气一体化动力模拟实验技术,该技术能为大型军用运输机、战略轰炸机、大型民用飞机、巡航导弹等推进/机体一体化设计提供必须的实验平台和有力的技术支撑。其中,TPS测控系统主要是为TPS单元驱动气体流量提供精确控制和测量并且负责TPS单元的安全监控工作。笔者介绍了2.4m跨声速风洞TPS测控系统的设计、实现以及调试应用情况。结果表明,整个实验系统运行稳定,工作可靠,TPS涡轮驱动气体的流量波动可以控制在0.001kg/s以内,可应用于型号实验。

8米×6米风洞TPS反推力试验技术

TPS(涡扇动力模拟器)试验技术是风洞中模拟发动机反推力状态最有效的手段。开展反推力试验的目的是获得反推力发动机对飞机气动特性的影响,确定反推力发动机的再吸入速度边界。为满足我国大飞机研制的试验技术需求,中国空气动力研究与发展中心在8米×6米风洞发展了全模TPS反推力试验技术。自主研制了TPS反推力试验专用的高精度六分量杆式应变天平、大流量空气桥和流量控制单元、TPS监视报警系统、数据采集系统、综合显示系统等TPS反推力试验系统,制定了试验模拟准则、试验流程和试验方法,建立了完善的全模TPS反推力试验技术。利用TPS反推力试验技术,开展了国内首期全模TPS反推力风洞试验,研究了某型飞机反推力发动机的再吸入特性,获得了反推力发动机的再吸入速度边界。

局部进气裂解油气向心涡轮气动性能分析

为解决低进气量条件下油气涡轮功率与效率提升困难的问题,本文结合裂解油气物性特点,针对性地提出了局部进气裂解油气向心涡轮设计方案。通过数值仿真详细分析了向心式油气涡轮在设计工况下的内部流动特征,并总结了非设计工况下轮周效率随压比、转速以及正癸烷裂解度的变化规律与影响机制。仿真结果表明,本文所设计油气涡轮在0.5 kg/s进气量条件下可实现38.8 kW功率输出,轮周效率为68%,能够满足油气涡轮气动设计需求。根据结果分析可知,随着压比的增大,轮周效率呈现出先增大后减小的趋势:低压比条件下轮周效率增大主要与转子入口攻角损失有关;高压比条件下轮周效率降低则主要是由于激波损失及其引发的附面层分离损失不断增大导致的。研究表明,轮周效率随转速、裂解度发生变化时与转子入口攻角有直接关系,其中,油气工质裂解度每提高20%,涡轮轮周效率可提高13%左右。

低速TPS试验内式流量控制技术研究

TPS试验技术是风洞中研究飞机/发动机一体化设计的最佳手段之一。作为发动机模拟器的TPS单元采用高压空气驱动,因此高压供气流量控制精度与试验精度直接相关。常用的外式流量控制方式由于风洞模型内部空间限制,无法对2台以上的TPS单元进行流量控制。针对外式流量控制方式的不足,设计了一种基于双喉道匹配设计的内式流量控制装置,集流量控制与测量功能于一体,可同时进行4台TPS单元的流量控制,满足4发运输机的动力模拟试验需求。为考核该装置的性能,进行了地面校核试验,试验结果表明该装置具有良好的流量线性控制能力,控制分辨率优于0.15 g/s,流量控制精度优于3 g/s;在8 m×6 m低速风洞进行了某型飞机全模TPS动力模拟试验,试验重复性精度满足国军标合格指标。

偏航风力机尾流特性和功率性能的大涡模拟研究

对偏航风力机尾流特性更好地了解有助于风电场偏航策略的使用,本文开展了偏航风力机尾流大涡模拟研究.首先,建立基于伪谱法的大涡模拟耦合新发展的滤波致动盘模型的模拟方法,使用EPFL偏航风力机尾流风洞实验数据验证了该方法的可行性和准确性.然后,模拟了不同偏航角下的风力机尾流,发现滤波致动盘模型对远尾流区的速度亏损、湍流度和尾流中心偏移有较高的预测精度.与非偏航情形不同,偏航情形大涡模拟重现了实验中观察到的“卷曲尾流”现象,这种现象造成了速度亏损和湍流度在垂直面出现不对称的分布.最后,模拟了两台风力机的尾流状况,并分析上游风力机偏航角对功率性能的影响.模拟结果显示风力机间距不宜过短,一方面,上游风力机尾流干扰造成下游风力机的功率下降,另一方面,在较短间距情况下上游风力机尾流中心偏移值在下游风力机处较小,总功率增加量减少.研究内容对在风电场使用偏航技术具有指导意义.

上游山脉对风力机尾流和功率影响的模拟研究

更好地了解山地上风力机尾流和功率特性有助于山地风电场的布局设计。本研究采用高精度的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)研究了上游山脉对下游山脉顶部风力机的尾流和功率性能的影响。在基于伪谱法的LES框架中,本文分别使用了滤波致动盘模型和浸入边界法模拟风力机和山脉对气流的作用。研究表明,LES结果与实验测量的速度和湍动能吻合很好,对湍动能的预测优于雷诺平均Navier-Stokes(Reynolds average Navier-Stokes, RANS)方法。在山脉风力机尾流的模拟中,研究发现风力机尾迹中心轨迹在山顶下风处向下偏转。与孤立山地相比,双峰型山地的尾流恢复速度更快,其恢复速率随着山脉间距的增加先增加后减少。对于有山脉情况,尽管由于气流的加速效应,高斯分布与尾流速度亏损分布在尾流下边缘存在差异,但高斯曲线仍然适用于近似风力机尾流的速度亏损。此外,因为上游山脉尾迹会扩散且到达下游山脉迎风面时会被抬升,所以当山脉间距达到一定距离时,风轮会完全浸没在上游山脉尾迹中,导致风力机功率性能受到上游山脉的不利影响,随着山脉间距的增加先下降后上升。本研究加深了对山地风力机尾流特性和功率性能的认识,对山区风电场的布局设计具有指导意义。

基于各项异性多项式分布的风力机三维尾流模型

针对风切变效应及风切变与均匀流的风速差产生的质量亏损,本文提出了一种更先进的三维尾流模型,不同于以往高斯模型,该模型假设速度分布为多项式形状,采用了更加直观的物理尾流边界。此外,考虑到尾流边界的各向异性膨胀,给出了横向和垂向尾流边界扩展率的表达式,这使得该模型仅根据入流风条件及风力机参数即可确定2个方向上的扩展率。通过陆上(I0=13.4%, 9.4%)和海上(I0=6.9%, 4.8%)风况的大涡模拟数据对本文模型的预测精度进行验证研究。与传统模型相比,本文模型能够更好地预测风力机的垂向和横向的尾流分布,最大和最小误差均最小。

低电压穿越过程中风电机组载荷特性联合仿真研究

【目的】电网电压跌落故障会引起风电机组载荷的剧烈变化,严重影响风电机组的安全稳定运行。随着风电机组的大型化,风电叶片长度不断增加,塔筒增高,其载荷特性对系统参数波动变得敏感。因此,需要研究电网电压跌落过程中关键部件的载荷与振动特性。【方法】提出了基于动态链接库和Socket通信的数据交互方式,建立了Simulink与Bladed的联合仿真方法。基于某3.4 MW风电机组模型,采用给定风速变化的工况对联合仿真平台进行验证。研究了低电压穿越(low voltage ride through,LVRT)过程中机组总体性能与叶片、塔筒载荷的变化关系。【结果】电网电压跌落幅值对电机功率影响较大,对风轮的调节参数影响较小。低电压穿越过程中风轮的桨矩角调节和转速有较长时间的波动,叶片外叶展处载荷的变化大于内叶展处,叶尖位移增加。塔架的振动频率与固有频率接近,存在潜在风险,需要在机组设计中考虑。【结论】联合仿真平台可以很好地模拟风电机组的气动性能与部件载荷的暂态特性,为机组的优化控制提供参考。

深远海大兆瓦级半潜式风机基础运动特性数值模拟及试验研究

针对水深百米以上的深远海浮式风电开发需求,本文面向可搭载大兆瓦级(15 MW)风机的新型半潜式风机基础的运动特性展开研究。利用AQWA软件建立了该基础与系泊系统的数值模型,基于南海实际海况确定了风机塔筒的载荷,并开展了缩尺比为1∶64的水池模型试验,验证了数值模型计算的准确性;基于验证的数值模型分析了新型风机基础在南海恶劣海况下的运动特性及系泊张力,发现该新型风机基础的运动极值和系泊张力均满足规范要求。相同海况下,新型风机基础与经典半潜式风机基础OC4-DeepCwind(三浮筒平台)的运动性能及系泊缆张力对比结果表明:发电工况下,新型风机基础的垂荡和倾角的极值较三浮筒平台的分别下降62.8%和81.3%;停机工况下,垂荡和倾角的极值则分别下降46.1%和41.4%,充分说明该新型风机基础具有优越的运动性能;而在停机工况下1、2号缆系泊张力最大值分别下降17.4%和9.6%,大大降低了系泊系统的设计难度。研究结果为中国深远海浮式风电开发船型的选择提供了借鉴。

基于智能融合算法的冷热电联供系统灵活性运行优化研究

为了进一步提高燃气轮机仿真模型的模拟精度,在建立燃气轮机机理仿真模型和BP仿真模型基础上,基于模型替代技术、BP神经网络算法以及最优加权法、动态权重分配法,分别建立了3种燃气轮机串联智能融合仿真模型和2种并联智能融合仿真模型;通过将上述仿真模型的模拟结果与实际运行数据进行对比分析,遴选出模拟效果最优的仿真模型;以燃气轮机智能融合仿真模型作为燃气轮机的出力约束,建立了考虑热电解耦技术的冷热电联供系统灵活性运行优化仿真模型。结果表明:该模型不仅可以提高仿真结果的模拟精度,而且通过对出力设备的灵活性调整,可有效应对负荷侧能源需求量的动态变化,避免出现能源浪费现象,提升系统的经济效益。

面向规模化海上风电场站实时仿真的精细化建模方法

随着风电、光伏等新能源比例迅速增长,电力系统发展呈现“双高”态势。电磁暂态仿真是分析新型电力系统的关键技术,针对新能源场站的建模需要兼顾精度和效率两方面要求。核心设备机理复杂、机组拓扑节点数多,使得风电机组建模困难,现有机组模型计算复杂度高,占用大量实时仿真硬件资源。常用的聚合方法虽可扩大风电场站仿真规模,但却丢失了大量场站内部信息,精细程度不足。文中首先用离散化的方法建立直驱型风电机组各核心设备模型;然后,基于网络划分方法建立单台风电机组模型;最后,在RTDS实时仿真平台搭建海上风电场站测试模型进行多方面验证。结果表明,所提模型阻抗特性与时域波形精度较高,波形平均相对误差不超过3%,仿真资源占用为详细模型的27.3%。

某燃气轮机电厂启动全过程无硝黄烟排放操作方法

[目的]某燃气轮机电厂的GE-PG9351FA型燃气轮机发电机组,目前采用DLN2.0+燃烧器,设计NO_(x)(氮氧化物)排放浓度为50 mg/m^(3),启动过程中大量排放黄色烟雾,已无法满足《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)要求,频繁遭到周围居民举报。根据江苏环保排放新规,自2023年1月1日起,NO_(x)折算排放全程小时均值均小于30 mg/m^(3)。针对该种型号燃烧器进一步降低NO_(x)且解决启动过程中硝黄烟排放的需求,电厂采用余热锅炉烟道SCR脱硝改造技术,且对启动过程各指标控制进行数据模拟推演、分析总结,提炼出合理的启动操作方法。[方法]为验证该操作方法的可行性,电厂进行了多次调峰启动过程操作试验,并根据实际NO_(x)排放特性修正操作方法中的启动时刻、燃气轮机负荷控制、SCR脱硝系统投入节点,形成最优化操作法。[结果]试验结果表明:在优化电厂SCR脱硝系统投入时刻、燃气轮机启动时刻、并网后暖机负荷后,NO_(x)折算排放全程小时均值均小于30 mg/m^(3),且硝黄烟排放现象消失。[结论]该操作策略是基于燃气轮机启动过程NO_(x)与硝黄烟排放特性而得出,后期通过数据推演和大量试验验证,可为同类型燃气轮机启动过程降低氮氧化物与硝黄烟现象提供直接指导,并为燃气轮机电厂调峰运行的NO_(x)排放控制提供分析借鉴思路。

5.3 MW直冷双馈异步风力发电机设计与分析

直冷双馈异步风力发电机以其较好的冷却效果成为目前陆上风电领域的设计主流。设计了一款5.3 MW直冷双馈异步风力发电机,结合理论计算和仿真分析确定电机尺寸并分析电机性能。通过分析电机的磁场分布及输出电压、电流、转矩等参数验证了设计的合理性。仿真结果表明,该电机设计方案合理,可行性较高,为大功率双馈异步风力发电机的设计提供了有益的参考。

双馈风力发电机组更换发电机对电网适应性能力的影响

为了研究相同容量不同型号的发电机对双馈风力发电机组电网适应性能力的影响,以实际运行的3 MW某型号风力发电机组为基础,通过对电网适应性前后的稳态和暂态运行过程进行理论分析,论证了更换发电机的可行性,并对发电机更换导致的参数变化对机组电网适应性能力的影响展开了定量研究。建立机组Matlab/Simulink数学模型后,将2种型号的发电机等效电路参数送入模型进行仿真,取得反映机组运行状态的主要技术指标。通过对比分析,明确了发电机更换对机组电网适应性能力影响的定性结论,为工程实际提供了理论指导,也为目前风力发电机组电网适应性能力检测方法的改进工作提供了思路。

高负荷变动率下核电汽轮机转子热应力数值模拟

国内某大型核电汽轮机需要在线性负荷变动率为每分钟6%额定负荷工况下运行,这超出了当前国内建造的第三代核电的设计限制。汽轮机是影响机组负荷变动率的要素之一。采用ANSYS软件对汽轮机进行了有限元分析,模拟了汽轮机高压缸转子在负荷变动率为每分钟6%额定负荷工况下的温度场和应力场,结合转子疲劳曲线,评估了该高变负荷运行工况对汽轮机转子疲劳寿命的影响。研究成果可以为“双碳”目标下提升核电机组运行灵活性、适应当前核能-多能耦合运行提供参考。