燃气轮机多级轴流压气机快捷一体化气动设计与性能优化研究

基于子午流面正反问题流线曲率法、改进Powell算法和叶型参数化方法,构建轴流压气机快捷气动设计、性能分析与优化平台,对某燃气轮机9级轴流高压压气机开展一体化气动设计和多目标优化。结果表明:该平台可自动有效实现多级轴流压气机快速设计、多工况性能分析和优化流程;优化改善了压气机各叶排流动和负荷匹配,实现了多工况扩稳增效;优化后设计点流量、总压比、绝热效率及设计转速下喘振裕度分别为25.97 kg/s, 5.038,88.25%和33.33%;相比优化前,设计转速下裕度提升了5.39%,80%相对转速下裕度和目标工况点效率分别提升了7.56%和2.71%。     

多级轴流压气机全工况性能计算

运用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca对某重型燃气轮机多级轴流压气机的前5排叶列进行了全工况下的数值联算．重点分析了设计转速下可调导叶角度的变化．以及可调导叶处于设计角度时转速的变化对压气机特性的影响。计算中采用Jameson的中心差分格式使用全局时间推进方法求解N—S方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型。结果表明，这套方法能比较准确地反映压气机在各种工况下的性能，同样适用于后续阶段的整机联算。．     

多级轴流压气机气动设计体系的国内外研究进展

轴流压气机设计体系对压气机的设计周期和性能有着重要影响。为了能够更好地了解轴流压气机设计体系的发展情况,本文对其进行了整理综述。首先,结合轴流压气机涉及到的设计方法,对国内外轴流压气机设计的发展过程进行了介绍,主要包括一维二维设计体系、准三维设计体系和全三维流场计算模拟技术;然后,在整理完整设计体系要求的基础上,简述了国内外现有比较完整的轴流压气机设计体系。就目前发展来看,随着工程要求的不断提高以及计算机技术的提升,全三维流场计算模拟技术势必会成为今后的发展焦点,各公司和研究机构也在此基础上对原有的设计体系开展技术攻关。     

用于跨音速多级轴流压气机气动性能模拟的准一维程序

发展了一种能够较为准确预测跨音速多级轴流压气机气动性能的准一维数学模型。该模型基于欧拉方程外加源项的方法,可对多级轴流压气机的气动性能进行数值模拟。方程中的源项用于表示叶片、壁面摩擦以及流道面积变化对气流的影响,可以通过求解叶片排的进出口速度三角形求得。通过对跨音速压气机内部复杂的三维流动现象进行了简化,发展了合适的损失系数和落后角模型用来计算得到叶片排出口参数。对两种不同的多级跨音速压气机进行了数值模拟并与实验结果进行了对比,验证了本模型能够较为准确地模拟出跨音速轴流压气机的气动性能,但计算的精确度还需要根据不同的压气机类型对经验公式的系数进行优化。发展的模型根据压气机简单的几何尺寸就能对其气动性能做出较为准确的预测,这在压气机的预设计以及优化阶段有着重要的指导作用。     

多级轴流压气机变工况性能数值模拟

采用商业软件NUMECA对某型轴流压气机进行了数值计算,采用Spalart-Allamaras湍流模型,运用了多重网格技术以及残差光顺方法缩短计算周期。在额定工况计算的基础上进行了变工况的数值模拟,计算结果与试验曲线进行了对比分析,试验曲线与软件计算的曲线在趋势上是相符的。相同压比下,软件计算的流量偏大,在靠近额定工况点附近,流量偏差3%以内,在远离额定工况点流量偏差5%左右;对于喘振边界点的预测,运用NUMECA进一步提高出口静压可以逼近发散点,此时可以近似认为失速点,再结合NREC计算出的失速点,可以得到相应的喘振边界点。     

一维多级轴流压气机性能的解析优化

用一维理论对轴流压气机的初步设计作进一步的研究，导出了多级轴流压气机特性关系，建立了在给定轴向分速时最优化设计的数学模型，得到了解析关系，所得结论具有一定的普适性，对多级轴流压气机的初步设计有一定的指导作用。     

多级轴流压气机吸雨性能变化的数值研究

为了研究吸雨对轴流压气机性能和稳定性的影响,以某型三级轴流压气机为研究对象,利用CFD软件针对不同吸雨量及雨滴颗粒直径进行了两相流数值模拟。研究结果发现：雨水的吸入会不同程度地降低压气机的总压比、总温比及效率等性能参数,在相同吸雨量的情况下雨滴颗粒的直径变化对压气机性能影响较小,而性能的恶化程度会随着吸雨量的增大而大幅度增大;雨水的吸入会影响压气机的气动参数,影响各级间的性能匹配,雨水的吸入会不同程度上改变各级的进口气流角,对后两级的影响较大;雨水吸入使动叶叶根处的反动度变小,叶顶处的反动度变大,从而改变各级间动静叶的负荷分配,降低压气机的效率。     

大流量多级轴流压气机性能及流场分析

以某型17级大流量轴流压气机为研究对象,运用全三维黏性数值模拟的方法对设计点处性能和流场参数进行了研究.通过该压气机加功量、绝热效率、压比、反力度在各级的分布情况,分析了大流量多级轴流压气机的设计特点.在性能参数的分析中,发现第7级存在加功量、绝热效率、总压比偏低,反力度偏高的问题,通过三维流场分析,提出了改进建议.     

超临界二氧化碳分流式压缩机气动性能研究

超临界二氧化碳动力循环具有效率高、设备尺寸小的优点。离心式压缩机是其重要的动力设备。根据循环系统的要求,采用大小叶片分流结构的通流,完成了1台功率为5MW的离心压缩机的设计。其后基于有限体积法和SSTk-ω湍流模型,并采用六面体结构化网格,对压缩机的气动性能进行了详细的数值分析。结果表明,所设计的压缩机总总效率为79.7%,总压比为2.09,满足设计要求。     

变几何多级轴流压气机全工况性能预测模型

基于压气机级的综合特性曲线,采用逐级叠加法开发了静叶可调的变几何多级轴流压气机全工况性能预测模型。在计算中将低转速下不同的级特性曲线分别应用于压气机各级,建立每一级的性能计算模块;在合理假设的基础上,根据动叶速度三角形推导出压气机入口可调静叶(IGV)角度变化对压气机性能的影响;引入气体动力学函数和变比热计算公式,简化了计算,提高了模型精度。算例表明,本模型具有一定的适用性,基本上反映出压气机的全工况特性,较准确地体现了IGV调节对整台压气机性能的影响,为开发现代大型燃气轮机动态仿真模型提供较可靠的压气机性能计算数据。     

多级轴流压气机模化设计中尺寸缩放对气动性能影响的数值研究

为了研究几何尺寸模化缩放及叶尖间隙对多级轴流压气机气动性能及内部流动的影响,采用Numeca程序对17级轴流压气机开展了数值计算。结果表明：在80%及100%等高转速条件下压气机效率随着模化比例增大而增大,而在50%转速下模化缩放对压气机效率的影响较小。相对于原型压气机,模化放大时,压气机前8级单级压比均有所降低,而后8级压比均提高;模化缩小时,压气机的变化规律则相反。随着压气机几何尺寸的增大,静叶叶根和叶尖区域的总压恢复系数显著提高。同时,叶片叶尖泄漏流区域的熵增减少,从而使各级效率均有所提升。缩放模化中,随着叶尖间隙的增大,泄漏流增多,恶化了动叶叶尖附近的流动分离,降低了动叶后50%弦长区域的相对马赫数,同时扩大了静叶上端壁的流动分离,使压气机效率降低。     

舰船大功率轴流压气机气动设计研究

基于建立的舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系,开展了舰船用某型大功率燃气轮机压气机设计研究,完成了6级轴流压气机的气动设计。进行了一维反问题设计、一维特性计算分析、S2反问题计算、叶片造型以及三维CFD计算分析。各级载荷分布从前面级到后面级逐渐降低,叶展方向按照等压比分配以避免径向掺混损失过大,S2设计并没有严格遵循传统的设计规律(等环量、等反动度等),而是基于一维设计方案通过不断调整优化获得的。根据CDA的特点,开发了可用于工程应用的叶片造型程序,可实现不同中弧线、不同厚度分布调节,能够实现叶片弯、掠等功能。三维数值模拟结果表明,考虑动叶叶顶具有0. 5 mm间隙的情况下,6级压气机设计点效率达到89. 75%,设计转速下的喘振裕度为22. 5%,同时具有较好的变工况性能。     

多级轴流压气机失速特性分析

为了对某九级低压压气机的低工况性能进行改进和优化,分析压气机在低工况下的特性是必要的。采用三维黏性数值模拟方法对非设计工况进行了计算,根据压气机在近失速状态下的级特性,详细分析了第一级、第二级和末级的流场特性。结果表明:第一级转子扩压负荷过大,顶部发生了突尖波失速,是造成压气机不稳定运行的主要原因,且使下游的进气条件变差,导致第二级叶片顶部发生流动分离;末级静子扩压负荷较大,静子通道涡造成的漩涡耗散损失使末级的绝热效率低下。     

多级轴流压气机喘振特性分析

基于求解三维雷诺平均N-S方程,采用混合平面法并应用微机网络并行计算技术,结合Spalart-Allamaras一方程湍流模型,对某型多级轴流压气机非设计工况进行了数值计算,分析了近喘振工况下的流场特性。结果表明:在近喘振点时气流流量减小,在叶片吸力面尾缘处容易出现分离,而且叶根附近分离最强。数值模拟结果与实验数据吻合较好,可为压气机的设计和优化提供参考。     

多级轴流氦气压气机流动失稳实验研究

利用闭式循环实验台,分别使用氦气和空气工质,对多级轴流氦气压气机的流动失稳进行实验研究。实验结果表明,在不同转速下,氦气压气机的流动失稳呈现出不同的特征:在高转速下,流动失稳呈现出大尺度、高振幅、低频率的喘振特征;在低转速下,流动失稳表现为小尺度、高振幅、高频率的旋转失速特征;而在中间的过渡转速,则表现为大尺度和小尺度扰动同时出现。基于相似准则的空气工质实验所表现的流动失稳特征与氦气工质实验所表现的特征一致,且相应的B参数亦接近,说明流动失稳特征与工质无关,是压缩系统特性的表现。     

某型多级轴流压气机三维CFD流场分析及气动优化

以某11级轴流压气机为研究对象,通过三维计算软件对某型压气机整机建模及流场进行了数值模拟,分别计算了设计工况、变工况及改变导叶安装角等工况的特性,得到了压气机流量－压比特性曲线、流量－效率特性曲线,与压气机的性能试验数据进行了对比,其误差在可允许范围内.同时对压气机的每一级的数据行了分析,总结了该压气机的气动设计规律.通过流场分析得到出口导叶的流场分布不合理的结论,并通过对其母型机的流场分析,提出了改进的方案.这些工作对压气机的设计开发提供了宝贵经验.     

部分进气超临界二氧化碳向心透平气动性能研究

基于给定的热力参数,设计了1台超临界二氧化碳向心透平,功率为75kW,部分进气度为0.3,并采用六面体结构化网格、有限体积法和RNGk-ε双方程湍流模型对该透平进行了详细的流场分析。结果表明,所设计的部分进气超临界二氧化碳向心透平输出功率达到73.25kW,效率为66.27%,基本满足设计要求。喷嘴及动叶流道的压力、温度及马赫数分布合理,表明设计方案可行。靠近喷嘴堵塞弧段壁面及动叶非进气弧段流动紊乱,旋涡多,熵增较大,存在明显的部分进气损失。     

单级轴流氦气压气机空气模拟气动性能数值分析

HTGR-10模块式高温气冷堆作为第四代反应堆型具有系统简单、安全可靠和经济性能优越等特点。而氦气循环透平发电机组的氦气压缩机性能,将成为发电是否高效的决定因素之一。本文利用Numeca数值模拟软件对一亚音速轴流氦气压气机试验机进行了气动性能及准数关系研究,分析了气流在叶栅中的流动机理,探讨了等雷诺数下相似准数对压气机叶片性能的影响。结果表明:采用空气工质模拟氦气压缩,在马赫数小于0.4工况下对压气机的通流流动影响很小,基本可以忽略;采用大于0.5的反动度,增加正预旋可以使效率维持较高的水平;在马赫数较小的情况下,绝热指数k不会对相似模拟产生大的影响。     

多级轴流压气机全工况特性预测

使用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca,研究了多级轴流压气机在设计工况及非设计工况的性能预估问题。对某七级轴流压气机进行了全工况特性数值计算。重点分析了低转速下近失速点、设计转速下近最高效率点、高转速下近堵塞点、进口导叶关小时设计转速下近失速点等四个典型工况点的流场特性。计算工作在自主开发的20节点集群计算机系统上进行。计算结果表明现有的软件和硬件平台能比较准确地预测压气机多叶片排的全工况特性。     

多级轴流透平通流三维气动优化研究

燃气轮机单机功率的增大使得透平级负荷不断增加,从而对通流部分的气动造型提出了更高的要求.采用包括弯叶片和非轴对称端壁的三维通流造型系统对某两级高压透平进行了优化设计研究.优化结果表明,使用弯叶片或非轴对称端壁造型,能够改善流道内部压力分布,抑制二次流的发展,提高透平效率,分别使透平整机绝热效率提高0.37％和0.17％;而同时采用二者进行联合优化时,整机绝热效率提高了0.48％.