首台“陆改船”用重型燃气轮机自主改型设计实践

某海上浮式发电项目中的燃气轮机,以引进型小F级燃气轮机为母型进行自主改型设计,其为国内首台套陆地重型燃气轮机在发电船上的应用。介绍了母型机的技术特点,并重点阐述了改型设计内容,包括轴系总体布置设计、轴系与钢结构基础耦合设计、带挠性联轴器的减速箱设计、轴承适应性设计、支撑的加固与匹配设计、海工化防腐设计、全新机岛布置及辅机优化设计等。该改型设计经验可以为其他型号“陆改船”用燃气轮机提供参考。

燃气轮机三头部燃烧室试验台全压燃烧试验研究

针对适用于环形燃烧室的燃烧器,其自主研发能力是燃气轮机企业竞争力的基础,也是国家能源动力装备实力的体现,需要投入力量进行提升。搭建了适用于小F级燃气轮机燃烧器试验的三头部全温全压燃烧试验台,在与实际机组运行工况一致的条件下对环形燃烧器进行了全温全压燃烧试验。试验所得数据可以客观反映燃烧器实际工作状态的NO_X排放性能,同时结果复现性良好。并通过对比试验验证了一项升级方案,升级后的燃烧器可以减少NO_X排放量,且降幅明显。研究成果可为燃烧器性能验证与新燃烧器研发提供支持,并为升级后的燃烧器投入商业应用提供参考。

燃气轮机透平动叶叶顶现场磨削工艺研究

燃气轮机透平转子是机组中的重要部件,将燃气热力学能转换为机械能,其动叶叶顶至缸体静子部件的间隙直接影响能量转化效率。针对燃气轮机中修需把转子拉回工厂进行修理的问题,开发了燃气轮机透平转子动叶叶顶现场磨削工艺方案,其重点在于根据测量的全缸及半缸叶顶间隙数据计算内张口值,以确定叶顶磨削余量。然后建立液压工作站实现转子回转,并开发现场叶顶磨削设备对透平动叶叶顶进行磨削。现场测量结果显示磨削后叶顶间隙符合公差要求,单机效率和出力均有提升。同时,采用该方案能够实现转子现场修理,缩短维修工期,节省运输成本。研究成果可为制定类似透平动叶叶顶的现场磨削工艺提供参考。

燃气轮机液压执行机构紧急关闭时间计算方法

针对重型燃气轮机液压执行机构紧急关闭的动作过程,分析液压油流出工作油缸流经管路的局部阻力,结合活塞受力分析,建立了活塞运动速度的数学模型。基于此,计算执行机构活塞从紧急关闭触发到完全关闭的位置轨迹,对运动速度的计算结果及运动速度公式进行分析,提出了一种工程设计中方便使用的紧急关闭时间的简单计算方法,并将计算结果与试验记录进行对比,发现计算所得位置曲线与试验记录吻合度高,紧急关闭时间计算值与实际值之间误差较小。

F级燃气轮机透平末级动叶颤振特性分析

介绍了一种燃气轮机透平叶片颤振分析的方法,以F级燃气轮机透平末级动叶为研究对象,采用该方法分析了其在设计工况以及全速空载2个典型工况下的颤振特性,同时考虑了叶片表面金属涂层以及阻尼结构对颤振特性的影响。研究结果表明,该型透平叶片的气动阻尼值为正,叶片无颤振风险。涂层及阻尼结构对提高最小气动阻尼有积极作用,可以改善叶片颤振特性。研究成果可为透平末级动叶进一步优化时的安全性评估提供参考。

基于压气机低速特性的燃气轮机热悬挂分析

燃气轮机在启动中可能会发生热悬挂故障,故障原因和相应的解决措施有多种。对比故障发生前后的相关运行参数,结合压气机低转速特性,对压气机引发的热悬挂故障机理进行了分析,并利用数值方法模拟研究了启动过程中压气机特性变化规律。结果表明,发生热悬挂的主要原因是透平前温过高导致压气机进入多重特性中的低值特性,以及压气机本身老化导致的性能衰退和耗功增加。基于分析结论,提出了预防和解决热悬挂的建议和措施。

燃气轮机不同检修间隔计算模型对比与分析

由于不同燃气轮机厂商产品结构不同,维修理念有差异,加之电厂运行方式不确定等因素,无法直接比较各厂商之间检修服务的优劣。聚焦于燃气轮机服务在检修间隔计算方面的异同点,通过对整个服务周期内检修年限长短的量化比较,提出运用等效运行小时数、折算运行小时数、折算启停数来综合评价燃气轮机检修服务周期的方法。研究成果可为电厂运行规划评估和检修计划安排提供参考。

一种基于粒子群优化算法的燃气轮机自适应热力计算方法

准确的燃气轮机热力计算模型在燃气轮机性能分析和气路故障诊断应用中起到关键作用。对于当前的热力性能建模技术,在变工况下的热力计算准确性主要取决于燃气轮机各部件(压气机和透平)特性线的精度。为了提高热力计算的精度,本文提出了一种基于粒子群优化算法的燃气轮机自适应热力计算方法,来提高设计工况和变工况下的热力计算准确性。该方法主要分为两步,包括设计点性能自适应和变工况性能自适应。所提出的自适应热力计算方法已经应用于某型三轴船用燃气轮机热力建模中,通过验证表明该方法能够大大提高热力计算的准确性。

一种基于多运行工况点的强鲁棒性燃气轮机非线性气路诊断方法

通常准确的气路测量信息对于获取准确的衰退特征从而实现准确的燃气轮机气路诊断至关重要。由于气路传感器同部件一样,其性能也可能会衰退甚至发生故障,而产生一定的测量偏差并引起误导性的诊断结果。为解决诊断准确性高度依赖气路传感器可靠性的问题,本文提出了一种基于高斯数据调和原理与多运行工况点相结合的非线性气路诊断方法。该方法能有效地降低部件健康参数对传感器测量偏差的敏感性,适用于存在测量偏差的离线气路诊断情况。

重型燃气轮机透平叶片表面粗糙度对换热的影响

以某重型燃气轮机透平第一级静叶的叶型为研究对象,采用商业软件CFX的等效砂粒粗糙度模型研究了表面粗糙度对叶片表面换热的影响。结果表明:表面粗糙度对叶片表面附近的时均流场影响不大;但在叶片典型表面粗糙度下,压力面和吸力面的换热水平分别比光滑表面时高36.6%和33.4%,换热发生恶化;较小的表面粗糙度对叶片前缘换热基本没有影响,但当等效砂粒粗糙度增大到51 μm时,无量纲线平均传热系数反而比光滑表面时减小了15%;根据叶片一维传热过程模型,在换热增强30%时,叶片金属表面平均温度上升17 K,极大地影响了叶片的寿命。

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层:回顾与展望

超音速火焰喷涂制作的金属黏结层加料浆喷涂制作的柱状晶结构陶瓷隔热层被视作新一代航空发动机和燃气轮机用热喷涂热障涂层,其中采用的MCrAlY金属黏结层正朝着长寿命、低成本、适用于新燃料的方向发展。本文综述近年来航空发动机和燃气轮机热端部件热障涂层用MCrAlY金属黏结层研究进展,并对涂层的结构设计与成分设计进行探讨。

燃气轮机干式低排放燃烧器燃烧特性的相同步PLIF方法研究

利用平面激光诱导荧光(PLIF)测试技术与高频压力脉动传感器相结合,采用相同步PLIF测试方法,实现了热声耦合振荡燃烧条件下不同相位的压力和火焰结构同步测量,获取了燃气轮机干式低排放中心分级燃烧器的燃烧火焰与压力的振荡特性.试验结果表明,随着当量比的增大,压力脉动的幅值从0.0007MPa上升到0.0037MPa,但当量比大于0.65后,振幅不再随当量比的增加而增加.相同步PLIF结果显示,在压力峰值时,OH基分布集中在燃烧室中轴线,火焰向中心收缩;而压力谷值时,OH基分布集中在燃烧室壁面,火焰向壁面扩张.最后,利用压力脉动和相同步OH-PLIF数据,给出了燃烧器中心分级火焰的瑞利因子分布,发现热声振荡的主要产生位置为燃烧室的中心区和壁面区.

重型燃气轮机用La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ双层热障涂层热循环性能研究

重型发电燃气轮机低排放、高效率的发展目标,要求燃气轮机透平的进气温度不断提高。热障涂层作为保护金属热端部件的重要手段,是实现这一目标的关键技术之一。目前世界上最先进的J级燃气轮机的透平进口温度已经达到1600℃,热端部件表面温度超过1250℃,传统的YSZ热障涂层已经不能满足这一发展需求,因此迫切需要开发温度更高、热导率更低的新型热障涂层。本文对La2(Zr0.7Ce0.3)2O7(以下简称LZ7C3)热障涂层在重型发电燃气轮机中的应用进行了初步验证。结果表明,LZ7C3涂层具有比常规YSZ热障涂层更低的热导率(0.79~0.48Wm^-1K^-1,相对传统YSZ涂层下降30%以上),且在1250℃的高温火焰台架试验中表现出优良的热循环寿命(>7370次),具有良好的应用前景。

低压模化对燃气轮机燃烧室工作特性影响的数值分析

为研究低压模化对于燃气轮机燃烧室工作特性的影响,采用ANSYS软件的FLUENT模块,对燃烧室在低压模化以及低压1/3尺寸模化条件下的燃气轮机燃烧室分别进行数值模拟研究,并与在全压条件下的燃烧室计算结果进行对比分析。计算结果表明:在低压模化条件下,燃烧室的流线形态与全压下基本相同;由于压力对于化学反应平衡的影响,在低压条件下燃烧室的壁温相比在全压下的平均降低70~100 K,其出口温度场指标比在全压下的更好;由于受燃烧室入口空气压力的影响,在低压条件下燃烧室的燃烧效率和流阻损失均比在全压下的低;另外,由燃烧室压力和尺寸的变化引起的燃烧室内温度分布变化,造成NO源分布的不同及燃烧室内NO的生成速率发生巨大变化,导致燃烧室NOx的排放水平不同,并验证了压力指数。其计算结果可为燃气轮机燃烧室的低压和常压模化试验提供参考。

燃气轮机仿真中部件特性处理方法的准确性研究

在基于部件的燃气轮机性能仿真建模过程中,部件特性线处理方法的准确性是影响整个机组仿真精度的关键因素。分别介绍了采用传统离散插值处理方法、人工神经网络法和偏最小二乘法进行部件特性线处理的原理和方法,利用一部分已知样本特性数据和不同处理方法对某燃气轮机进行性能仿真,并将仿真结果与另一部分已知样本特性数据进行比较,分析不同处理方法对部件特性和整机性能计算精度的影响。结果表明:在仿真过程中利用偏最小二乘法可直接使用重构方程求解部件特性,无需对部件特性离散化和插值处理,避免了传统部件特性处理方法的计算误差,提高了燃气轮机热力模型求解的精度。

F级重型燃气轮机燃烧器天然气掺氢全压试验研究

“碳中和”已成为当今世界绿色发展的关键词,而氢能具有零碳排放的优势,其承担着减少碳排放的重要任务,也成为全球最具发展潜力的清洁能源。因此,氢气和燃气轮机的组合成为支撑绿色能源发展的大势所趋,也是全球使用可再生能源实现无碳-氢能社会的关键动力之一。本文通过全温、全压、全流量试验研究分析了天然气掺氢比例对F级重型燃气轮机燃烧器燃烧性能的影响。试验结果表明,该燃烧器在10%到20%的氢含量范围内,可实现安全和稳定燃烧,并满足排放的要求。

燃气轮机联合循环部分负荷下性能优化研究

从联合循环系统整体经济性提升的角度出发,提出了两种效果明显且工程实用性强的部分负荷运行性能提升手段。第一种手段在部分负荷运行下将燃气轮机透平前温控制在基本负荷水平。该方法效果明显,但燃烧温度的提高受限于诸多因素,特别是需要分别核算不同部分负荷工况下的冷却空气量是否充足,以避免对高温部件造成额外的寿命损耗。第二种手段为利用余热锅炉废热对燃气轮机进口空气进行加热,该方法对于部分负荷联合循环机组性能提升明显,且燃气轮机负荷率越低,联合循环效率提升越明显,最高可提升0.8%以上。采用进气加热优化联合循环部分负荷效率的方法,其优化系统设备简单,安全可靠,且对机组部件寿命无额外损耗,推荐使用该方法作为联合循环机组部分负荷优化手段。

燃气轮机环形燃烧室热态性能研究

目前,重型燃气轮机环形燃烧室应用比较广泛,技术也比较成熟,为了更好地理解其原型的设计思想,了解其工作特性,借助CFD软件FLUENT对燃气轮机环形燃烧室100%运行工况进行了热态性能分析,将有值班燃烧和无值班燃烧的情况以及使用ED模型与有限速率/ED模型的计算结果进行了对比;还针对燃烧室燃烧速度场和温度场的情况进行了计算。证实了值班燃烧对于燃烧稳定的重要性,以及选择合适的燃烧模型的重要性,并且验证了此类型的燃烧室在100%工况工作时,温度、流场分布均较为合理的特性,研究成果可为后续燃机项目的安全运行和燃烧室的设计改进提供参考。

F级重型燃气轮机燃烧室热声振荡分析研究

目前,为了进一步适应环境保护的要求,燃气轮机采用了贫预混燃烧技术来降低NO x的排放。热声振荡是燃气轮机稳定运行面临的一个主要问题。采用三维有限元方法对重型燃气轮机热声振荡特性进行建模分析:首先,分析了在无非稳定热源状态下燃烧室的固有频率;其次,加入非稳定热源,分析有热源情况下燃烧室的频率特性;最后,对比分析了有无非稳定热源的差别。通过分析发现了影响燃烧室热声振荡的主要模态和传播形式,为后续设计优化提供指导。

重型燃气轮机涡轮叶片材料及制造技术研究进展

从重型燃气轮机涡轮叶片的研制发展史出发,综述了用于重型燃气轮机涡轮叶片高温合金材料的典型化学成分、叶片制备工艺技术、冷却技术和热障涂层设计。通过分析重型燃气轮机涡轮叶片服役特点,总结了重型燃气轮机用高温合金材料的设计原则。结合国内外燃气轮机涡轮叶片关键成型技术的发展和现状,归纳总结了涡轮叶片的研制工艺难点,并对未来燃气轮机涡轮叶片发展和制造工艺革新进行了展望。