考虑实际气体性质的三轴燃气轮机中冷循环性能优化

考虑实际气体的热力性质,建立了三轴燃气轮机中冷循环的热力模型,以循环功率和效率为优化目标,对中间压比(或低压压气机压比)的分配进行了优化,同时分析了低压压气机进口气流温度、中冷度和总压比对循环性能的影响。研究发现,与不考虑实际气体热力性质的研究结论相比,循环功率或效率最大时的中间压比并不等于高压压气机压比。     

增压器压气机叶顶间隙对柴油机性能的影响

基于两种不同压气机叶顶间隙,研究叶顶间隙对压气机效率、压比等增压器性能参数以及动力经济性、常规气态物排放、进排气情况等柴油机性能参数的影响。结果表明:相同工况下,小叶顶间隙压气机的效率比大叶顶间隙压气机高约3%且高效区域范围更大。装有小叶顶间隙压气机时进气流量增幅达6%;进气中冷后温度有所降低,最大降幅为19%;发动机动力输出增幅达2%;NOx体积排放量减少,最大降幅为15%;THC体积排放量增加,最大增幅为100%。叶顶间隙对CO排放、CO2排放、发动机排气背压及比油耗基本无影响。     

基于不同增压系统共轨柴油机变海拔工作特性模拟

以两级增压共轨重型柴油机为研究机型,采用GT-Power构建了其一维热力学仿真模型,对比模拟了柴油机采用两级增压(2,TC)和单级增压(1,TC)的变海拔(0、2和4,km)工作特性.结果表明:1,TC压气机效率在发动机低速和高速时随海拔升高而降低.对于2,TC,低压级压气机效率在发动机低速时随海拔升高而降低,而高压级效率随发动机转速增加呈先升后降,且在0海拔下高转速时显著减小;相比1,TC,2,TC在高海拔下低速时的排气损失率显著降低,但传热与摩擦损失率增大,同时泵气损失随转速增大逐渐高于1,TC;随EGR率增大,1,TC压气机效率呈先升后降,且随海拔升高而降低.2,TC低压级效率随EGR率增大而快速降低,而高压级效率呈先升后降,并在低EGR率时随海拔升高而增大;随EGR率增加,2,TC传热损失逐渐高于1,TC,但能显著降低高海拔时排气损失率和改善NO_x-BSFC之间trade-off关系.     

增压器压气机级多目标气动优化设计

针对某型号增压器压气机级的叶轮和蜗壳进行稳态分析改进,采用NUMECA公司的FINETM/Design3D软件对叶轮型线进行优化设计,以效率、压比、功率为优化目标,整个过程贯穿了参数化建模,三维黏性气动数值分析、试验设计方法、遗传算法和神经网络技术;通过调整蜗壳环量来降低流动损失.对优化前后压气机的整体性能进行了比较,结果表明:整机效率提高了6 %,压比提高了0.11,功率增加了0.5 kW.     

注蒸汽对涡轮增压器的影响

水蒸气与燃气混合后的混合气体注入涡轮后,涡轮增压器会出现运行状态的变化。经对注蒸汽后的涡轮增压器进行了热力学的分拆,认为：汽气比的增大使增压器的转速、压气机空气流量和压气机压比增高;注汽温度对压气机压比有较小影响;低工况时,水蒸气的注入使涡轮的折合流量、膨胀比皆增大;在高工况时,膨胀比、折合流量能够增大的幅度减小：不同的汽气比对涡轮效率特性曲线影响较小。     

大型空气压缩机变工况性能试验研究

压缩空气储能系统压缩机受系统自身特性影响,长期处于变工况运行状态。对某多级压缩空气储能系统大型空气压缩机变工况条件下级间性能开展试验研究,即利用压缩机管网特性试验平台,开展排气压力6.5～9.5MPa范围试验测试,对压缩机各级吸气和排气压力、吸气和排气温度、压缩机排气量、电机电流、电压等参数进行实时采集。通过对压缩机实时变工况下各项参数分析,具体研究压缩机的容积效率、循环指示功率、等温效率、各级压比分配和各级压损随出口负荷变化而变化的规律。研究结果表明:压缩机的容积效率基本不随工况的变化而变化,平均为0.96;循环指示功率随出口负荷的增加而增加;压缩机的多变效率从74.02%上升到78.14%,多变效率随着排气压力的增加而增加;低压级压比增大速度较快,易达到额定状态,高压级压比达到额定状态较缓;一～四级的相对压力损失基本保持不变,五级出口排气到集气汇管的相对压力损失随着出口负荷的增大而减小。     

重型柴油机二级增压系统匹配仿真研究

为了降低重型柴油机的燃油消耗率,采用GT-POWER软件建立仿真模型,在一台单级可变截面涡轮增压器（variable geometry turbocharger, VGT）柴油机上开展了二级增压匹配与增压系统参数优化工作。仿真结果表明,所提出的二级增压系统在匹配点能够以最高效率运行,在全工况都能提供足够的进气流量;完全关闭低压级废气旁通阀,正交优化高压级废气旁通阀开度和米勒循环度,能够进一步降低二级增压发动机的燃油消耗率;降低级间中冷温度能够降低泵气损失,提高增压压力,温度由100℃降至50℃在标定点能够使燃油消耗率降低约3 g/（kW·h）。对二级增压及参数优化工作的燃油消耗率改善效果进行了试验验证,低速工况燃油消耗率整体有所下降,高效点燃油消耗率下降4.1%。     

增压器压气机水冷蜗壳设计及其内部流场分析

提出对柴油机涡轮增压器的压气机进行冷却的方法——在原压气机蜗壳外部加装散热片与冷却水道,从冷却系统散热器后取水,实现增压与中冷的集成。建立离心式压气机整级物理模型,根据基于有限元的有限体积法,采用全隐式多网格耦合求解技术对不同冷却程度下的压气机内部非定常流动进行三维CFD模拟,考察了蜗壳内部压力场、速度场与气体密度的分布,为高原进气水冷需求论证提供参考,增压台架试验验证了模拟的准确性。研究结果表明:若冷却水可以使压气机出口温度降低10.3℃,压比最大增加11.8%,效率增加11.1%,气体密度最大增加12.8%;同时,流场沿蜗壳流程分布没有压力集中与显著涡流的出现,说明压气机蜗壳设计合理。     

间冷循环燃气轮机低压工作线及影响因素分析

为详细掌握间冷循环燃气轮机的工作特性及实际运行过程中低压工作线的变动,考虑空气系统引 气、压气机出口漏气对流量连续的影响,引人压气机与涡轮及相邻涡轮间的流量比例系数,理论推导间冷循 环燃气轮机低压工作线方程,得到影响低压工作线的典型因素。开展间冷循环燃气轮机低压工作线在典型 影响因素下的变动机理分析,不同于高压工作线变动分析采用等换算转速条件,低压工作线变动分析采用等 高压转子增压比条件更为合理。依据间冷循环燃气轮机长期运行后典型影响因素的变化,获得间冷循环燃 气轮机低压工作线的具体变动结果,即高压压气机效率降低、高压涡轮效率降低、高压涡轮导向器面积增加、 间冷器性能衰减及二次水温度升高等会导致低压工作线升高,低压压气机效率降低、低压涡轮效率降低、低 压涡轮导向器面积增加、低压出口漏气量增加及大气温度增加等会导致低压工作线降低。     

高炉余能余热驱动ICR Brayton CHP装置的(火用)性能优化

采用有限时间热力学的思想,建立了高炉余能余热驱动的变温热源不可逆中冷回热(ICR)布雷顿热电联产(CHP)装置模型.以(火用)输出率和炯效率为目标优化了装置的性能,发现回热器对炯性能的影响在所有换热器中是最小的,当给定回热器热导率分配时,分别存在两个最佳的中间压比和两组最佳的高、低温侧和热用户侧换热器以及中冷器的热导率分配使炯输出率和炯效率取得最大值.进一步优化总压比,得到了双重最大(火用)输出率和炯效率.增大高炉余热源入口温度、压力恢复系数、压气机和涡轮机效率有利于提高装置的炯性能,在一定范围内,热用户温度越高越好.最后发现分别存在最佳的工质与热源间的热容率匹配使(火用)输出率和(火用)效率取得三重最大值.     

高/低压EGR对两级增压柴油机性能和排放影响的试验研究

在一台两级增压高压共轨柴油机上,进行了高压废气再循环(HP-EGR)和低压废气再循环(LP-EGR)对柴油机燃烧、性能和排放影响的试验研究。研究结果表明:随EGR率增加,LP-EGR的高低压级压气机的压比和流量变化较小,而HP-EGR的高压级和低压级压气机都由中心高效区向低效区和流量减小的方向偏移,并快速靠近喘震线;低负荷时,HP-EGR的滞燃期延长,预混合燃烧比例较高,燃烧持续期缩短,更好地改善了NOx排放与油耗率和碳烟排放之间此消彼长的关系;低速高负荷时,随EGR率增加,相对HP-EGR,LP-EGR能提高两级增压系统的效率和做功能力,明显提高氧燃当量比,同时显著改善NOx排放与油耗率和碳烟排放之间此消彼长的关系;中高转速高负荷时,随EGR率增加,HP-EGR的进排气压差逐渐下降并越加低于LP-EGR,使得泵气损失明显减少,NOx排放与油耗率和碳烟排放之间此消彼长的关系好于LP-EGR。     

不可逆中冷焦耳_布雷顿功热并供系统火用分析

运用热力学火用分析的方法,分别考虑了高低温侧换热器、热回收装置侧换热器和中冷器的热阻损失,以及压缩机和涡轮机中的内不可逆损失,以无因次总输出火用和火用效率为目标函数,借助数值分析的方法,研究了恒温热源条件下不可逆中冷焦耳—布雷顿功热并供系统的火用性能,分析了主要特征参数对无因次总输出火用及火用效率的影响。分析结果表明,当中间压比不变而总压比变化时,存在一组最佳运行参数,使无因次总输出火用达到最大,还存在最大的总输出火用和火用效率以及相对应的一组最佳运行参数。提高中冷器换热有效度可以增加无因次总输出火用和火用效率。     

流道粗糙度对离心式压气机效率影响的研究

本文针对涡轮增压器离心压气机流道粗糙度进行数值仿真计算,探究其对压气机效率损失的影响。研究结果表明:随着压气机流道粗糙度的增大,压气机的效率随之降低;在恒定转速下,随着压气机稳定流量的增加,流道粗糙度变化引起的效率衰减量逐渐增加;在恒定流量下,随着压气机转速的增加,流道粗糙度变化引起的效率损失衰减量逐渐减小;在不同工况下,叶轮表面粗糙度变化引起的效率损失量均大于压壳流道粗糙度变化引起的效率损失。     

中冷后回热式布雷顿-逆布雷顿联合循环性能优化"

对中冷后回热式布雷顿-逆布雷顿联合循环构型进行有限时间热力学分析和优化,推导出了燃料燃烧放热流率、循环净功率、循环热效率和各个部件由于流动不可逆性产生的压力损失与顶循环压气机进口相对压力损失的函数关系。给出了循环净功率的分析和优化结果,以及在燃油消耗和尺寸约束条件下循环热效率的分析和优化结果。通过数值计算,详细分析了各主要设计参数对循环最优性能的影响。研究发现,存在最佳的中冷压比、压气机1进口相对压力损失、压气机3的压比和总压比,使循环功率获得最优值;在燃油消耗和装置尺寸的约束下,存在最佳的中冷压比、压气机1进口相对压力损失和总压比,使循环效率获得最优值;中冷过程能有效提高循环的功率,回热对循环功率影响很小。     

具有空气冷却的中冷回热循环三轴燃气轮机热力学建模和性能优化

建立了考虑涡轮叶片冷却和实际气体性质的中冷回热循环三轴燃气轮机模型,在给定叶片表面耐热温度的条件下通过优化总压比和中间压比分配,得到最优性能。研究表明:分别存在最佳的总压比和中间压比使得燃气轮机循环的比功率和效率达到双重最大值,双重最大比功率随中冷度的增大而增大,随回热度的增大略有减小,双重最大效率随中冷度和回热度的增大而增大。     

闭式中冷回热燃气轮机循环经济性能优化

建立了考虑变温热源的闭式中冷回热(ICR)燃气轮机循环有限时间热力学(FTT)模型,导出了循环利润率和效率解析式,优化各换热器热导率分配和中冷压比,得到了最大利润率;进一步优化总压比,得到双重最大利润率;并分析了总热导率等重要设计参数对循环最优性能的影响。结果表明,随着高低温侧热源进口温比、低压压气机效率、高压压气机效率、涡轮效率、各换热器有效度以及压力恢复系数的增大,循环最大利润率和对应的功率和效率增大。随着价格比的增大,循环利润率增大,但对应的效率却有所减小。存在一个最佳的工质与热源热容率匹配值使变温热源闭式不可逆中冷回热燃气轮机循环的利润率取得三重最大值。     

非对称双流道涡轮增压器的试验

传统的高压回路废气再循环技术在降低柴油机氮氧化物排放的同时增加了泵气损失,导致柴油机的燃油经济性变差.以一台6缸重型增压柴油机为平台,研究了非对称双流道涡轮增压器对柴油机性能的影响.通过与普通对称式增压器的试验结果进行比较,分析了3个稳态工况下非对称双流道涡轮增压器对该柴油机性能的影响.结果表明:采用非对称双流道涡轮增压器在保证循环废气量的同时能够有效地降低柴油机的泵气损失,使柴油机在中高速工况下的燃油经济性有明显改善;而低速工况的高压循环指示热效率由于受低空燃比的影响较大,燃油经济性改善不明显.     

电动增压器不同布置方式对涡轮增压器的影响

通过仿真软件对某型废气涡轮增压柴油机进行建模,在原机模型基础上分别在涡轮压气机前端和后端加装电动增压器,分析增压柴油机满负荷和25%负荷工况下,电动增压器前置和后置对于涡轮增压器稳态性能的影响以及增压柴油机1800 r/min时,通过时间3 s,使柴油机负荷从25%提升至满负荷的瞬态工况下,电动增压器对涡轮增压器瞬态响应的影响。通过研究表明:稳态时,涡轮增压器压比和效率随柴油机负荷降低而下降,加装电动增压器能够提升进气流量和涡轮增压器压比以及涡轮增压器效率;瞬态时,设定工况下,电动增压器有助于改善增压柴油机涡轮增压器瞬态进气流量、压比、效率以及涡轮压气机转速响应差的问题。     

1000 MW超超临界凝汽式汽轮机最佳背压模型应用分析

建立了1000 MW超超临界凝汽式汽轮机最佳背压的计算模型,实时分析最佳背压随负荷、循环水流量和机组状态的变化关系。结果表明循泵功率变化和汽轮发电机功率变化均随循环水流量增加而增大。机组净出力随循环水流量先增大后减小,在一定循环水流量和背压下存在最大值。在高负荷下,降低背压带来的收益大于损耗,应尽量提高循环水流量,降低背压。低负荷下,采用一机一循泵模式合理;中高负荷下,采用两机三循泵模式合理;长期高负荷下,采用一机两循泵模式合理。在循环水入口温度维持基本不变时,汽轮机最佳背压随负荷增加而降低,最佳循环水流量随负荷增加而增大。     

不可逆中冷回热太阳能布雷顿循环系统的优化分析

建立了由太阳能集热器模型和不可逆中冷回热布雷顿循环模型组成的恒温热源条件下太阳能布雷顿循环系统,以系统总效率为目标函数,考虑了高低温侧换热器、回热器和中冷器的热阻损失以及压缩机和涡轮机的不可逆损失,借助数值计算对太阳能集热器的工作温度进行了优化,并分析了主要特征参数对总效率的影响．结果表明：太阳能布雷顿循环系统中存在一个最佳的太阳能集热器工作温度和相应的最大总效率及最大总输出功率;在此基础上,通过优化中间压比可使循环系统的总效率和相应的总输出功率达到双重最大值;系统总效率随着回热器传热有效度和光学效率的增加而提高;系统运行时存在一个最佳的总压比．