微型燃气轮机CW原表面回热器芯体内传热及阻力特性分析

建立微型燃气轮机CW(交叉波浪型,Cross Wavy)原表面回热器三维周期性充分发展数值计算模型,对芯体内传热和阻力特性进行了分析,确定了质量流量和温度水平对换热量及压降的影响,给出了CW原表面芯体板内阻力、传热因子以及努塞尔数与雷诺数之间的经验关联式。传热及阻力性能分析结果表明:随着雷诺数的增大,回热器芯体单元传热系数增大,传热量逐渐增加,并且随着低压高温烟气侧的进口温度升高,传热量增加幅度增大;回热器芯体单元回热度随雷诺数的增大而减小,随燃气进口温度升高而减小。     

船用燃气轮机一次表面回热器的设计分析

提出了一种新型紧凑式回热器——一次表面回热器(PSR)的设计技术。结合船用ICR燃气轮机一次表面回热器的研发，简述PSR的结构特点及其设计计算的理论依据，并给出了设计算例。研究表明，一次表面回热器具有极高的紧凑性和卓越的换热性能，因而这种先进的热交换装置必将替代那些常规的热交换器，在船用动力装置及先进热工程设施中发挥重要作用。     

微型燃气轮机原表面回热器应力有限元分析

本文通过建立微型燃气轮机CW(Cross Wavy)原表面回热器热-结构耦合有限元分析模型,对其在设计工况下运行后的应力进行了有限元分析,验证了回热器所选材料的可靠性,并分析了压比和燃气入口温度对回热器的应力影响。分析结果表明:不考虑热应力,只计及压力时,回热器燃气出口侧最大应力和应变高于燃气进口侧最大应力和应变;与之相反,计及热应力时,在压力和温度耦合作用下,回热器燃气进口侧最大应力和应变高于燃气出口侧最大应力和应变;无论是计及热应力还是不考虑热应力,空气通道的波谷处应力最大,并且应力沿波谷处左右对称分布,计及热应力后,其最大应力增长较大,对应各处增幅最高达到34.1%;回热器空气通道向燃气通道侧变形,空气通道变大,燃气通道减小;随着空气侧和燃气侧压比的增加,回热器通道的最大应力也随之增加,当压比增加到8.4时,已达到换热片材料的强度极限;当燃气与空气出口温度不变、回热度减小时,随着燃气入口温度增加,最大应力随之增加,燃气入口温度每增加50 K,回热器最大应力增加约2.3 MPa。研究结果为回热器的设计提供了一定的参考依据。     

应用遗传算法优化设计微型燃气轮机原表面换热器

提出将热力性能设计与遗传算法搜索过程相结合的方法.对适用于100 kW微型燃气轮机的人字形交错波纹板式原表面换热器进行结构优化,分别以重量最轻和换热紧凑度/重量最大作为目标函数,把换热器芯体外形尺寸和换热表面结构尺寸作为待寻求最佳值的优化变量进行优化.遗传算法程序采用二进制编码,锦标赛选择,均匀交叉和单点变异,并采用基...     

一次表面回热器的流动和传热研究

对一次表面回热器的流动和传热特性进行了试验研究和理论评价，获得了有工程价值的k-u和f-u试验曲线以及经验计算公式。指出对于当量直径为lmm左右的一次表面回热器不宜采用工业级通道而应使用微小通道的准则式，才能较为准确地评估其热性能。对比分析一次表面回热器的明显优点：质量轻，紧凑性好，传热效率高，占地面积和占用空间小以及热响应快，具有管壳式、板翅式等传统换热器无法比拟的性能和价格优势。图7表2参7     

基于Modelica的回热型微型燃气轮机动态模拟

以Bowman TG80微型燃气轮机为研究对象,采用模块化的建模方法,基于Modelica/Dymola平台建立了回热型微型燃气轮机的全工况动态热力系统及控制系统模型。根据试验数据对模型不同负荷下的发电效率进行了对比,并通过验证模型的启动、连续变负荷和停机动态过程,确定了多个关键技术参数。最后,分析了阶跃升降25%负荷过渡过程中不同回热器热惯性、转轴转动惯量、燃烧室容积惯性和控制器参数的系统动态响应。结果表明：不同负荷下的发电效率与试验值吻合良好,设计工况相对误差为0.11%,部分负荷最大相对误差为3.58%;根据停机工况确定的转动惯量和高温气道质量分别为0.016 kg·m²和5 kg,启动和连续变负荷过程与试验数据吻合较好;回热器热惯性和转轴转动惯量是影响系统响应特性的主要因素,回热器和转轴轻量化有利于实现更优的动态响应;合理的PID控制参数可以优化控制品质,比例增益和积分时间对控制效果的影响较大,微分时间作用不明显。     

微型燃气轮机回热器燃气腔结构优化

1引言分布式发电与大电网相结合是节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的一种方式,被世界很多专家公认是21世纪电力工业的发展方向[1],微型燃气轮机是目前最有竞争力的分布式发电方式[2]。微型燃气轮机是一种新型发动机,近年来在分布式发电/能源系统领域发展迅速。     

微型分轴燃气轮机HAT循环性能的机理试验研究

基于微型分轴燃气轮机,通过加入饱和器,构成了微型分轴燃气轮机HAT循环性能的试验装置,并开展了HAT循环性能的机理性试验。试验结果表明,空气加湿后对循环性能有明显影响,循环比功及效率相对简单循环都有很大的提高,当加湿量达到最大的4.2%时,循环输出功率增加了16%。根据试验条件进行的模拟计算结果与试验结果能很好地吻合。在此基础上,对带有回热器的试验系统进行了模拟计算,结果显示在不改变燃气初温的情况下,由于回热器的加入使系统压力损失加大,装置比功将减少3%～10%左右;但同时耗油率下降20%～45%,效率增加了30%～80%,此时系统的性能得到了显著的提高。     

生物质气化与微型燃气轮机联合发电系统模拟分析

为了研究不同生物质对生物质气化与微型燃气轮机联合发电系统运行特性的影响,搭建了联合发电系统的模型.以木屑、秸秆、食物垃圾为原料,气化过程确定了这3种生物质的最佳空燃比依次为1.4、1.6、1.9,将相应条件下的生物质气作为微型燃气轮机的燃料,研究生物质气初温变化对燃气轮机及联合发电系统运行性能的影响.在机组输出功率为额定值时,生物质气初温由环境温度升高到450℃,所需要的生物质流量减小,联合发电系统净效率增加;在保持燃气轮机输出功不变的条件下,增设回热器,引起燃烧室出口温度升高,排烟温度降低,燃料流量减少,燃气轮机发电效率和联合发电系统净效率增大;增设回热器及提高生物质气初温均有利于减少联合发电系统中SO2、SO3的排放且不利于减少NO的排放.     

一次表面回热器动态特性的数值模拟与实验研究

对一次表面回热器(Primary Surface Recuperator,PSR)流量阶跃变化时的动态特性进行了数值分析和实验研究.根据能量守恒原理和一次表面回热器(PSR)的结构特点,导出回热器冷热流体和固体间壁非稳态温度变化的微分方程式,研究流体流量发生阶跃变化时PSR的响应时间.在冷热空气进口参数和换热量相同的条件下,当冷热侧流量分别增加为原来3倍的情况下,PSR的响应时间只有管壳式换热器的1/8,板翅式的1/3.数值分析结果与实验结果相符.由于PSR的固体壁面时间常数远小于板翅式和管壳式回热器,因此这种轻重量结构的先进回热器响应特性明显优于常规回热器.     

通道形面对PSR性能影响的分析

针对一种新型的紧凑式换热器－－一次表面换热器（PSR）,分析了分别由椭圆、正弦曲线和抛物线构成板片波纹对芯体性能的影响。结合一台用于燃气轮机回热器的一次表面换热器样机的设计,给出了三种板片波纹形式的PSR芯体的主要性能,并通过与相应的板翅式芯体的对比,表明这种换热器的优越性。     

一次表面回热器通道流动阻力与传热增强因子的确定

基于一次表面回热器(PSR)通道的独特构型,提出可以引入增强因子fξ和fk的概念来直观描述PSR通道的复杂流动和传热特点.对典型50 kW微型燃机20:1 PSR缩比实验件的流动和传热特性进行了测定.根据这种先进热交换器固有的结构和流动特点--冷、热通道的湿边周长lc=lh,冷、热通道的质量流量Gc≈Gh以及流动Reh≈Rec,获得层流下PSR的fξ和fk随流动Re变化的经验计算式.联立增强因子fξ和fk以及已有的小当量直径de≈1 mm通道层流阻力和换热关系式,可以方便地计算PSR的流动和对流换热规律,进而获得PSR的传热系数k,最后快捷完成新型间壁式PSR的热设计分析工作.     

利用金属辐射网强化换热器烟气侧传热的研究

提出了用金属辐射网来强化高温烟气／空气换热器传热的方法，并通过实验研究了金属辐射网对其传热特性的影响。得出了烟气温度越高、流速越低、空气侧传热系数越大，则辐射网的效果越好等结论，为换热器传热的强化提供了一个新的途径。     

一次表面回热器瞬态响应特性的数值分析

基于能量守恒原理,根据一次表面回热器(PSR)的结构、流动特点,导出它的瞬态温度变化物理模型和数学方程式。研究温度和流量发生阶跃变化时PSR的响应特性,还分析了PSR波纹板片的数目n、波纹板片的长度L、宽度W和厚度等各几何参数以及波纹通道的形状对温度响应时间的影响。比较研究表明,由于PSR的固体壁面时间常数远小于板翅式和管壳式换热器。因此,这种轻重结构的换热器响应特性明显优于常规热交换器,非常适用于那些要求机动多变、灵敏反应的舰船燃气轮机或车用内燃机等动力装置。图9表3参12     

PSR波纹板片的热强度分析

提出一种新型紧凑式回热器——一次表面回热器(PSR)的强度设计技术。结合船用ICR燃气轮机一次表面回热器研发,以3．7MW燃气轮机为背景,根据热弹性力学和传热学理论,建立PSR板片热强度分析物理数学模型,并对波纹曲线为椭圆、正弦波和抛物线的3种常见波纹传热板片所受热应力做了对比计算,分析了板片厚度,两侧压差,本身温度及形状对板片热强度的影响。给出基于Von Mise等效应力极值σrmax的板片最小设计厚度δmin,还研究了波纹板片在典型工况下的弹性变形情况。本文工作对PSR的结构设计有重要参考价值：