变几何涡轮可调导叶瞬时转动气动特性研究

为探究单级变几何涡轮(VGT)在导叶转动过程中的过渡态性能,对某动力涡轮进行了非定常数值计算,应用动网格技术实现导叶转角的改变,并对导叶通道开大或关小过渡过程中涡轮性能进行了分析。结果表明：导叶转角从0°变化到-5°时,单级涡轮效率逐渐下降1.6%,从0°变化到6°时,效率逐渐提高0.5%;质量流量和导叶出口绝对气流角随转角改变接近线性变化,而动叶出口相对气流角、熵增、效率和导叶出口总压损失等随转角改变呈抛物线型变化;过渡态下导叶流场内损失变化主要受上、下端壁处间隙泄漏涡影响,动叶出口熵增变化规律主要受动叶吸力侧泄漏涡和下部通道涡影响,其中下部通道涡的改变是引起熵增变化的主要原因。     

基于基元叶栅法的轴流式压气机变工况性能计算模型

基于基元叶栅法,建立了轴流式压气机的变工况计算模型,并采用变比热公式计算空气的热力参数;绘制了压比、等熵效率、折合耗功率和折合出口总温的通用特性曲线;计算了压气机的运行工况线。在此基础上,确定了压气机的喘振边界线。定量计算了IGV对压气机通用特性曲线的影响。建模过程中,考虑了空气相对湿度对压气机通用特性曲线的影响。算例表明,该模型精度较高,能够对具有IGV的压气机进行变工况计算。本文所做工作为进一步研究压气机的变工况性能奠定了基础。     

叶顶间隙对离心式压气机效率的影响研究

针对涡轮增压器压气机的叶顶间隙进行数值模拟计算,探究其对压气机效率损失的影响。研究结果表明:在均匀叶顶间隙下,随着叶顶间隙的增大,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,叶顶间隙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,叶顶间隙的变化引起的效率损失逐渐减小;在变叶顶间隙下,叶轮出口叶顶间隙的减小可以使压气机效率得到明显的改善。     

热传递对涡轮增压器效率特性影响的研究

在涡轮增压器热试台架上进行涡轮和压气机效率特性测量时,由于高温涡轮与相对温度较低的压气机之间有明显温差,造成热量从涡轮传向压气机,会使测量得到的涡轮和压气机的效率分别高于和低于实际值。本文对增压器的热传递现象进行了分析,并通过一种有效计算方法对涡轮和压气机的效率特性进行了热传递校准。校准后的涡轮和压气机效率特性与增压器冷试台架上测得的数据符合较好,最大误差低于4.7%。     

涡轮叶尖间隙流动的数值模拟

采用基于雷诺平均N-S方程的三维CFD计算程序,并结合Spalart-Allmaras-方程或κ-epsilon双方程湍流模型加壁面函数的方法,对涡轮平面叶栅和涡轮级转子的叶尖间隙流场进行了数值计算,详细研究了不同叶尖间隙高度、不同叶尖间隙形式和叶尖间隙有冷气入射时其对涡轮叶尖间隙流场和性能的影响.计算结果表明:叶尖间隙对从大约70%叶高到叶尖位置的叶片损失具有明显的影响;在同样间隙大小情况下,余高间隙叶片等熵效率比平间隙叶片等熵效率约提高了一个百分点;而叶尖间隙有冷气入射时涡轮的等熵效率要比无冷气入射时的等熵效率约提高两个百分点.     

变几何燃气轮机性能的计算分析

为了分析不同涡轮变几何时的机组性能,基于小偏差方程提出了一种研究变几何燃气轮机性能的新方法。应用该方法计算了不同涡轮通流面积的相对变化量在±5%时的机组性能,并从理论上进行了分析。分析表明:在简单循环机组中,无论是高压涡轮、低压涡轮还是动力涡轮变几何,对系统经济性的影响都不大,但会影响压气机平衡运行线,其中低压涡轮变几何对低压压气机平衡运行线的影响较大,高压涡轮和低压涡轮变几何对高压压气机平衡运行线的影响较大。     

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。     

射流预冷对高空高马赫数下压气机性能影响的数值研究

为研究射流液滴与空气双向耦合流动对压气机内部流场及其工作性能的影响,以NASA Stage35为模型,基于相似理论得到高空高马赫数下相似流场和压气机进出口条件,并对多工况下不同喷水量和液滴粒径下的射流冷却湿压缩过程进行分析。研究表明:射流预冷技术可有效抑制压气机进气同比温升。液滴与空气双向耦合流动使得压气机内部流场发生变化,有效降低叶片载荷的同时使动叶内的激波后移。在空气质量流量的0～2%的射流范围内,随着喷雾粒径的增大,压气机压比先增大后减小;比耗功量随喷雾量的增多而减少。25 km高空3.5Ma工况下,5μm粒径且喷雾量为空气质量流量的2%时,液滴蒸发率超过50%,压气机出口温度下降约20%,实际比压缩耗功同比减少约12%,压气机等熵效率提升约8%。     

空间核能布雷顿循环系统热力学参数分析及优化*

在深空探索快速发展的背景下,空间核能布雷顿循环系统因其能量密度高、环境适应性强、效率高等优势成为深空探测的理想方案之一。与地面发电站不同的是,空间能量转换系统要兼顾系统效率和轻量化的要求,而系统关键参数对系统的效率和质量等性能有着重要的影响。因此,开展热力学参数分析和优化对空间核能布雷顿循环系统的设计具有重要意义。通过建立空间核能布雷顿循环的数学模型和系统部件的质量计算模型,以“质量比功率”为性能优化目标,研究压气机进口温度、压气机压比和涡轮进口温度等参数对系统性能的影响,并采用正交实验法进行优化分析。结果表明,压气机进口温度和压气机压比存在最优值使质量比功率取得最小值,涡轮进口温度升高有利于提高系统的发电效率和降低系统质量。涡轮进口温度的最优值为1 500 K,压气机进口温度的最优值范围为416 ~ 508 K,压气机压比的最优值范围为2.4 ~ 3.1。     

小偏差方法在变几何燃气轮机性能研究中的应用

为了分析不同涡轮变几何给燃气轮机性能带来的影响,基于小偏差方程提出了一种研究变几何燃气轮机性能的新方法。该方法的计算结果与特性曲线法的计算结果比较表明,新方法的计算精度在绝大多数工况下都可以保证在4%以内,如表2所示。采用该方法的计算结果表明,不同涡轮变几何可以得到不同的效果:高压涡轮和低压涡轮变几何可以很好地调节压气机的工作点,在燃气轮机改造过程中可以起到很重要的调节作用,动力涡轮变几何则可以更好地改善机组的变工况性能。     

Thermo‐economic Optimization of Gas Turbine Power Plant with Details in Intercooler

In this paper a gas turbine power plant with intercooler is modeled and optimized. The intercooler is modeled in details using the ε ? NTU method. Air compressor pressure ratio, compressor isentropic efficiency, gas turbine isentropic efficiency, turbine inlet temperature, cooling capacity of the absorption chiller, recuperator effectiveness as well as eight parameters for configuration of the intercooler are selected as design variables. Multi‐objective genetic algorithm is applied to optimize the total cost rate and total cycle efficiency simultaneously. Two plants including an intercooler and with/without air preheater are studied separately. It is observed that the air compressor pressure ratio in the HP compressor is higher than the LP compressor in both cases and its differences are higher for a plant without an air preheater. Actually the air compressor pressure ratio is found to be about 8.5% lower than the ideal value and 9.5% higher than the ideal value in the LP compressor and HP compressor, respectively, in the case with an air preheater. Moreover, a correlation for intercooler pressure drop in terms of its effectiveness was derived in the optimum situation for each case. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res, 42(8): 704–723, 2013; Published online in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com/journal/htj ). DOI 10.1002/htj.21051     

基于性能仿真模型和Bootstrap的燃气轮机气路故障预警算法

针对传统均值标准差阈值法不能用于变工况故障预警这一问题,以三轴燃气轮机的性能仿真模型为基础,提出了基于Bootstrap方法的气路参数波动比阈值计算模型,对三轴燃气轮机0.8以及1.0工况下的低压涡轮出口温度T₆进行故障预警研究,并与传统均值标准差阈值法进行预警结果对比。结果表明：该计算模型用于预警阈值计算的样本量更丰富、具有更高的可信度;其得到的预警阈值单值图,在燃气轮机与样本数据运行情况较为一致时可作为燃气轮机的固有属性,对于变工况故障预警及运行情况较为相近的燃气轮机故障预警同样适用;预警阈值偏差仅为-0.015%,相较于传统的动态阈值法减少了计算量。     

两级填充床蓄热器式绝热压缩空气储能系统变工况特性研究

利用压缩机和透平的变工况模型及填充床蓄热器的非稳态模型,对两级填充床蓄热器式绝热压缩空气储能系统一次完整的充放电循环过程进行模拟,分析系统的热力学性能和各个部件的变工况特性.结果表明,系统的充放电效率可达62.4％.储能时,受洞穴内压力变化影响,两级压缩机压比、效率不断改变,从而引起下游填充床蓄热器进口温度变化;释能时...     

Thermal performance analysis of gas turbine engines based on different compressor configurations

In this study, the performance of several gas turbine engines has been investigated using computational modelling based on the actual manufacturer's data. Further, the study focuses on evaluating the impact of varying the configuration of the compressor on overall engine performance based on the first and second laws of thermodynamics. The results confirm that the main source of irreversibilities occurs in the combustion chamber in all cases. The exergetic efficiency of the gas turbine engine significantly varies with compressor configurations, type of compressors, load variation, climatic condition, and isentropic efficiency. The engine capacity and high‐pressure turbine inlet temperature govern the gas turbine performance, and higher values are more favourable. The gas turbine exergetic efficiency drops off when the power setting adjusted at part‐load and at high ambient temperature. The most optimal gas turbine performance is located at the single axial compressor case, followed by the axial‐centrifugal compressor and then the centrifugal–centrifugal compressor.     

压气机静叶可调对燃气轮机和联合循环变工况性能的影响

本文叙述了压气机采用可调静叶对单轴恒速燃气轮机变工况性能的影响。通过计算得到了燃气轮机变工况性能曲线,分析了不同的最大排气温度对静叶调节区的影响,以及在部分负荷下机组效率变化的影响。叙述了压气机静叶调节时对由单轴恒速燃气轮机组成的联合循环的影响,指出这时能改善部分负荷下的效率,因而得到了实际应用。     

Thermodynamic optimization for an open cycle of an externally fired micro gas turbine (EFmGT). Part 1: Thermodynamic modelling

The principle of optimally tuning the air flow rate and subsequent distribution of pressure drops is applied to optimize the performance of a thermodynamic model for an open regenerative cycle of an externally fired micro gas turbine power plant with pressure drop irreversibilities by using finite-time thermodynamics and considering the size constraints of the real plant. There are eight flow resistances encountered by the working fluid stream for the cycle model. Two of these, the friction through the blades and vanes of the compressor and the turbine, are related to the isentropic efficiencies. The remaining flow resistances are always present because of the changes in flow cross-section at the compressor inlet and outlet, the turbine inlet and outlet and the regenerator hot/cold-side inlet and outlet. These resistances associated with the flow through various cross-sectional areas are derived as functions of the compressor inlet relative pressure drop, and control the air flow rate and the net power output and thermal efficiency. The analytical formulae for the power output, efficiency and other coefficients are derived, which indicate that the thermodynamic performance for an open regenerative cycle of an externally fired micro gas turbine power plant can be optimized by adjusting the mass flow rate (or the distribution of pressure losses along the flow path). It is shown that there are optimal air mass flow rates (or the distribution of pressure losses along the flow path) which maximize the net power output.     

R32吸气状态对变频压缩机效率的影响

制冷剂R32作为R22热门过渡替代制冷剂,运行排气温度高严重影响压缩机长时间运行的可靠性,湿压缩方法可以降低压缩机的排气温度,但也降低了压缩机的效率。通过实验对比研究在定压比变频和定频变压比工况下,不同吸气状态对滚动转子式压缩机效率的影响,得出等熵压缩效率和容积效率与吸气状态的变化关系。实验结果表明:吸气过热时,均能保持较高的等熵压缩效率和容积效率,过热度对其影响不大,吸气带液时压缩机效率的变化趋势与吸气过热时不同,应区分开;相对x=1,x=0.9时等熵压缩效率和容积效率分别降低约7%和5%,总体降幅较小。定频下,压比越大,压缩机效率降低幅度越大,定压下,频率越高,降低幅度越小;等熵压缩效率和综合效率系数的变化趋势相同。     

氦气透平压气机组合弹性环密封试验研究

氦气透平压气机采用间冷回热方式的闭式循环,因此高低压压气机以及涡轮进排气口处的密封与外层压力壳间就形成了不同压力的腔室,针对其各不同温度和压力的腔室采用组合弹性环密封.为验证组合弹性环的密封效果,设计了密封试验器和与机组上的组合弹性环完全一致的密封试验件,并在密封试验台上分别采用氦气工质和空气工质进行了试验对比.试验结果表明,组合弹性环具有良好的密封效果,在低压压气机出口进口、高压压气机出口进口以及高压压气机出口涡轮出口3处密封的泄漏分别占设计流量的0.0322‰、0.1035‰、0.1282‰,与空气介质相比,当封前压力为0.6～1.0 MPa时,氦气的泄漏约为空气泄漏的2倍,当封前压力较低时(0.1～0.2 MPa),氦气与空气的泄漏比较接近.