动力工程学报

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锅炉技术

固定床上典型煤种高温裂解特性试验研究

袁野, 李谦, 王智化, 谭佳昕, 何勇, 朱燕群, 岑可法

2021, 41(6): 433-438. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.001

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为研究神华烟煤和平庄褐煤在高温（600~1 200℃）下的裂解特性，通过程序升温在管式炉反应装置上对2种煤进行裂解，利用气相色谱、气相色谱质谱联用和孔隙分析的方式分别对各产物进行分析。结果表明：随着温度的升高，裂解气体积急剧增加，生成了大量的H₂，最终H₂体积分数为50%~70%；裂解温度对平庄褐煤的影响较大，其裂解气体积产生剧变时的反应温度较低，且在高温时裂解气体积增幅更大；焦油中脂肪族化合物质量分数最高，随着温度上升，其质量分数不断下降，而多环芳香烃质量分数增幅较大，主要是由于菲、荧蒽和苊烯等质量分数的增加，酚类质量分数也小幅增加，半焦比表面积和孔容基本上均显著增大，半焦平均孔径则明显减小；提高裂解温度有利于增加裂解气的体积同时降低焦油和半焦的产率。

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锅炉技术

低氧稀释条件下不同煤种着火燃烧特性实验研究

李国栋, 张廷尧, 曾柱楷, 周月桂

2021, 41(6): 439-445. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.002

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在平面火焰煤粉燃烧实验系统上研究了O₂/CO₂气氛中不同热协流温度（1 473~1 873 K）和氧气体积分数（5%~20%）下神木西烟煤、长平贫煤和济源无烟煤煤粉的着火和燃烧特性。采用光纤光谱仪和CMOS相机分别获取了煤粉燃烧的火焰辐射光谱和火焰图像，比较了不同燃烧条件下不同煤种的煤粉着火距离、颗粒温度和颗粒温度波动系数。结果表明：随着热协流氧气体积分数的减小，煤粉火焰长度和着火距离增加，颗粒平均温度下降，颗粒温度波动系数减小；煤粉挥发分质量分数越高，颗粒温度波动系数越小，颗粒温度分布越均匀；在热协流温度为1 473 K、氧气体积分数为5%的条件下，神木西烟煤的煤粉颗粒温度波动系数为2.0%，比济源无烟煤低70%，更易于实现煤粉的低氧稀释燃烧。

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汽轮机与燃气轮机

中压内缸进汽腔温度场的测试与分析

吴仕芳, 康明, 张军辉, 李潇潇

2021, 41(6): 446-451. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.003

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为了验证采用传热系数经验公式计算温度场的准确性，利用温度场测试和有限元计算2种方法对某在役超超临界1 000 MW汽轮机中压内缸进汽腔的温度场进行了研究，得到了中压内缸进汽腔各测点温度的实测值，并与额定负荷工况下各测点温度的计算值进行了比较。结果表明：进汽腔内壁的金属温度计算值与实测值拟合较好，经验传热系数设定合理；进汽腔外壁的金属温度计算值比实测值偏高较多，经验传热系数给定值偏小；利用温度场实测值迭代反算传热系数的方法可以用于指导后续的汽轮机设计。

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汽轮机与燃气轮机

基于悬臂结构型芯的燃机叶片铸造过程位移、壁厚演化研究

郭雄, 杨啊涛, 赵代银, 何建, 陶飞, 张琼元, 杨照宏

2021, 41(6): 452-459. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.004

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以某具有悬臂蛇形蜿蜒状冷却通道的燃机叶片作为研究对象，通过精密铸造成型方法制备叶片毛坯，并采用Olympus壁厚测量仪获取壁厚点数据，同时结合数值计算软件PROCAST模拟型壳预热过程及充型凝固过程，研究并阐述了型壳/型芯的位移变化及叶片壁厚演化过程。结果表明：叶片壁厚超差的根本原因是型壳预热阶段悬臂型芯发生了张开变形，其与型壳的位置匹配确定了初始壁厚的形成，并影响至后续浇注过程；充型凝固过程因持续时间短，对最终壁厚的形成无显著影响；合金的固态收缩阶段对叶片的轮廓尺寸影响很大。

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监测与测量

基于XGBoost算法的汽轮机转子故障原因定位方法

王新伟, 钱虹, 冷述文, 杨宝清

2021, 41(6): 460-467. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.005

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提出了基于XGBoost算法的汽轮机转子故障原因定位方法，首先对由故障类型和相关参数组成的原始样本集进行特征分析，评估各特征的重要度，然后利用XGBoost算法构建汽轮机转子故障原因定位模型，利用转子故障数据对模型进行训练和测试，最后将具体的故障原因链接到故障知识库，采取相应的故障修复措施。结果表明：相比随机森林（RF）和梯度提升决策树（GBDT）模型，XGBoost模型可有效识别汽轮机转子3种故障类型下的9种故障原因，其分类准确率更高。

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监测与测量

基于应变的多平面动平衡检测方法

周浩, 房久正, 沈德明, 杨建刚, 许泽玮

2021, 41(6): 468-473. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.006

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针对动平衡试验过程中配重面与不平衡面不一致而导致的转轴弯曲变形问题，提出了一种基于应变的多平面动平衡检测方法。采用转轴受力分析模型，在旋转坐标系下通过转轴各截面应变平均值计算出不平衡力。在转子试验台上对单轮盘和多轮盘上的不平衡量进行检测，并与不平衡量的实际结果进行比较。结果表明：不平衡量的检测结果与实际结果之间的误差较小，表明本方法可以准确检测出多轮盘上的不平衡量。

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工程热物理

超临界流体水平流动换热中浮升力效应分析与判据评价

蒲星宇, 李舟航

2021, 41(6): 474-480. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.007

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为了准确判断浮升力对换热模型精度的影响，收集整理了多种超临界流体（水、CO₂和R125等）水平流动换热的实验数据，对不同浮升力影响判断准则进行了评价，并提出了对浮升力判别式展开修正应遵循的原则。结果表明：目前被广泛认为适应性最好的判别式Gr_q/Gr_th仍存在拟气区表现效果不佳、拟液区与拟气区数值无一致性、其峰值对应的主流焓值与壁温差峰值对应的主流焓值无相关性等局限性；壁温差峰值处流体焓值也是衡量管内浮升力影响程度的重要因素。

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工程热物理

声波诱导湍流的实验研究与模拟计算

于淼, 姜根山, 姜羽, 杨延锋, 孔倩

2021, 41(6): 481-488. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.008

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为了研究声波特性对流体流动的影响，搭建了声波与流体流动的实验平台，研究了调制声波频率和声压级等因素对流速的影响。利用Comsol软件对声场与流场进行数值计算，分析了流速实验值与计算值之间的相对误差。结果表明：声压级<125 dB时，声波不论与流体同向还是逆向对流速均无影响；当声压级在125~<132 dB，且声波与流体同向时，随着声压级的增大，流速脉动幅值变化减弱，强化了流体层流状态；当声压级在132~155 dB时，随着声压级的增大，流速脉动幅值增大，声压级达到153 dB左右时，流速脉动幅值产生爆发性增长从而引发湍流激变。声波与流体逆向时，当声压级在125~<145 dB，随着声压级的增大，流体脉动幅值先增大后变化缓慢；当声压级在145~155 dB时，随着声压级的增大，流体脉动幅值增大，在相同声压级条件下，随着声波频率的增大，流速脉动幅值变化缓慢；声波与流体同向时，声波频率对流体流速基本无影响；声波与流体逆向时流速脉动幅度的增长率要比声波与流体同向时低。

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辅机技术

突变偏心距激励下两级离心泵转子系统动力学分析

高红斌, 刘哲, 张润元

2021, 41(6): 489-496. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.009

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为分析两级离心泵叶轮偏心距激励突变时转子系统产生振动和冲击的机理，改进了将质量集中于叶轮的方法并建立了悬臂式两级离心泵转子系统动力学方程，得到了2个叶轮在不同方向振动量的无量纲化解析式，提出了无量纲化的偏心距效应系数，以判别不同叶轮偏心距激励突变对整个转子系统振动的影响，最后对叶轮偏心距激励突变时其弯曲振动特性和几何中心位移规律进行了分析。结果表明：与叶轮1偏心距激励突变相比，叶轮2偏心距激励突变对离心泵的影响更大；叶轮2偏心距激励突变对叶轮1的影响大于叶轮1偏心距激励突变对叶轮2的影响；相比偏心距激励突减，偏心距激励突增时超调量更大、对系统破坏性更强。

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环保技术与设备

白泥与石灰石粒径差异对脱硫性能的影响

马京香, 陈永新, 徐东升, 徐昉, 薛少凡, 范彬彬, 刘道宽, 马双忱

2021, 41(6): 497-504. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.010

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采用能量色散X射线谱（EDS）、X射线荧光光谱（XRF）和扫描电子显微镜（SEM）等表征手段研究白泥和石灰石的理化特性，并分析了颗粒粒径对2种脱硫剂脱硫性能和脱硫产物的影响。以质量传递方程为基础建立脱硫浆液CaCO₃消溶数学模型，分析浆液中CaCO₃粒径分布、质量分数、温度和颗粒球形度对消溶速率的影响。结果表明：与石灰石相比，白泥粒径小，粒度分布集中，在相同条件下白泥中CaCO₃的消溶速率、浆液反应活性和脱硫效率均更优，但白泥浆液的溶氧能力较低；经过充分预处理后的白泥可以脱硫，其产生的石膏晶型优于石灰石；采用白泥脱硫时产生的石膏具有粒径大、粒度分布集中的特点；将白泥和石灰石混合脱硫时容易造成石膏脱水困难，主要原因是两者产生的石膏粒径差异大，混合浆液中盐分质量分数高，且白泥脱硫产生的石膏会包裹住石灰石，产生"壳效应"等。

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环保技术与设备

喷淋式烟气脱碳传质过程的半经验模拟与分析

钱魏锋, 赵兵涛, 刘谦, 李萱, 李会梅

2021, 41(6): 505-510. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.011

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为进一步精确建立基于喷淋式的烟气脱碳传质模型，探究不同吸收剂和气液进口参数对传质性能的影响，基于双膜理论，以实验数据为基础建立烟气脱碳气相总传质系数的半经验模型，并探究其与气液流动相关参数的定量关系。结果表明：流场湍动和界面扰动对液相过程传质的影响不可忽略；所提出的半经验模型在变化趋势和数值上均能有效表征气液进口参数对传质过程的影响；在此基础上，进一步建立了修正系数与操作参数间的无因次幂律关联模型，其拟合优度R²为0.948；结果可为喷淋式烟气脱碳设备的性能预测和评价提供理论参考。

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新能源

尾缘主动式凹槽-襟翼垂直轴风力机气动性能研究

李根, 缪维跑, 李春, 刘青松, 张万福, 向斌, 金江涛

2021, 41(6): 511-518. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.012

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针对垂直轴风力机实际运行过程中叶片攻角随相位角周期性变化引发的气动性能降低问题，提出主动式凹槽-襟翼结构。以NACA0021翼型为研究对象，采用计算流体力学方法对不同控制策略下凹槽-襟翼结构进行了数值分析。结果表明：与传统固定凹槽-襟翼相比，垂直轴风力机叶片尾缘布置主动式凹槽-襟翼时气动效率最高可提升36.78%；凹槽-襟翼结构可提高低尖速比下叶片平均转矩，并提高自启动性能；当超过最佳尖速比时，整机气动性能逐渐降低，且主动式凹槽-襟翼对风力机气动性能的提升效果随着尖速比继续增大而下降。

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材料研究

核电汽轮机末级长叶片材料的疲劳性能研究

侍克献, 张作贵, 田根起, 杨昌顺, 王延峰

2021, 41(6): 519-524. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2021.06.013

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为了掌握核电汽轮机末级长叶片材料1Cr12Ni3Mo2VN的疲劳性能，开展了低周疲劳试验研究，测试了材料的疲劳循环响应特性、循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线，比较了不同疲劳寿命预测模型的预测结果。结果表明：叶片材料在循环寿命的绝大部分期间都保持非常稳定的应力应变状态，仅在循环寿命初期表现出一定的循环软化特征；作为一种屈强比极高的材料，在循环周次10⁵次及以上的疲劳寿命区域，循环塑性应变占总变形的比重变得非常小；断口形貌显示疲劳裂纹基本均起源于试样表面；Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型可以较好地拟合叶片材料的循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线；Manson-Coffin模型和Langer模型对低周疲劳寿命预测均保持了较好的准确性；三参数幂函数能量模型在10⁴循环周次以下的预测结果很好，需要更多的数据来提高其在更高循环周次的寿命预测准确性。

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