动力工程学报

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  • 特约主编寄语
    丰镇平, 袁新
    2024, 44(9): 0-0.
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  • 重型燃气轮机压气机技术发展趋势
    余春华, 阙晓斌, 吴宏
    2024, 44(9): 1317-1327. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240309
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    重型燃气轮机联合循环效率可超过60%,是一种高效率的热功转换设备。燃气轮机具有的优异调峰能力使其在以新能源为主体的新型电力系统中发挥越来越重要的作用。概述了重型燃气轮机压气机的工作特点、结构特征和主要技术指标,重点介绍了国际主流燃机厂商典型型号压气机研制及技术进展。总结了重型燃气轮机压气机设计体系的研究进展,并基于我国重型燃气轮机研制现状,对标先进重型燃气轮机技术发展趋势,提出了通流气动布局优化技术、高性能叶型技术、跨音级叶片全三维设计技术、高度集成设计系统等重点技术发展方向。
  • 燃气轮机轴向贫燃分级燃烧技术进展
    梁恩广, 张辰杰, 余志健, 朱民
    2024, 44(9): 1328-1339. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240233
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    在碳减排背景下,燃气轮机燃烧室需要在出口温度不断提高的同时控制NOx排放、提高功率调节范围和燃料适应性。为了应对以上挑战,燃气轮机厂商正在发展轴向分级燃烧技术。本文介绍了轴向分级燃烧原理,分析了轴向分级参数、交叉射流火焰形态、喷嘴结构和燃料种类对污染物排放和燃烧不稳定性的影响。现有研究表明,降低一级燃烧室当量比、增强二级燃烧室的掺混均匀性能够降低污染物排放;轴向分级燃烧室的热声振荡特性复杂,合理选取分级参数能够抑制振荡。轴向分级燃烧室的减排效益和工况调节能力已经在商业运行中得到验证。基于目前研究现状,展望了轴向分级燃烧技术的关键问题和未来研究方向。
  • 燃气透平叶栅端壁冷却研究进展
    丰镇平, 刘钊, 陆熠璇, 张韦馨, 谢晔航, 丁玉强, 宋宇
    2024, 44(9): 1340-1352. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240274
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    燃气透平叶栅端壁区域的流动呈现高度复杂的强三维特性,端壁冷却设计不仅需要考虑端壁强烈的二次流对冷却特性的影响,也需要考虑冷却布局对近端壁流动与换热特性的影响。针对燃气透平叶栅端壁冷却需求,结合数值模拟和试验测试方法,系统研究了不同冷气质量流量比条件下,离散气膜孔、泄漏流、端壁改型等措施对端壁表面气膜冷却、换热、流动及叶栅气动特性的影响。结果表明:采用合适的气膜孔射流角和布局、泄漏流冷却单元几何结构和端壁表面微尺度肋等方式可以有效提高端壁表面的气膜冷却有效度;上游槽缝及轮缘密封泄漏流可以对端壁上游及前半部分近吸力面区域提供较好的冷却保护,而叶片装配间隙泄漏流对于端壁下半部分靠近叶片吸力面区域的冷却更加有利;扇形气膜孔布置及曲线型装配间隙不仅能提高气膜冷却有效度,还可以有效控制气动损失。
  • 叶顶间隙对多级轴流压气机性能退化的影响
    肖俊峰, 伍赫, 高松, 李园园, 于飞龙, 段静瑶, 何伟, 张蒙
    2024, 44(9): 1353-1360. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240193
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    以某F级燃机压气机为研究对象,考虑燃机实际运行过程中腐蚀和磨损作用导致的压气机叶顶间隙变化,通过三维数值模拟方法开展了不同腐蚀/磨损状态下多级轴流压气机的性能退化机理研究,分析了叶顶间隙变化对多级轴流压气机性能的影响规律。结果表明:叶顶间隙增大会导致压气机特性曲线整体向质量流量减小的方向偏移,使得压气机的质量流量、效率及压比均产生一定程度的衰退;随着叶顶间隙的增大,压气机峰值效率逐渐降低,喘振裕度明显降低;叶顶间隙增大会导致压气机通道内的流动分离加剧,动叶叶顶间隙变化对压气机流动分离的影响更严重;静叶吸力面尾缘附近的流动分离导致形成低马赫数区,同时逆流的低速涡团导致叶根附近的损失显著增大,造成压气机性能衰退。
  • 径向来流畸变对燃气轮机压气机叶片颤振特性的影响研究
    刘玉鹏, 李云珠, 罗宇轩, 谢永慧, 张荻
    2024, 44(9): 1361-1369. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240194
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    为分析来流畸变对燃气轮机压气机颤振特性的影响,建立了径向畸变的入口来流总压模型,基于影响系数法研究了不同相位角和不同畸变强度的径向来流总压畸变对压气机流场特征及气弹稳定性的影响。结果表明:相位角为90°和180°的径向来流总压畸变会使危险工况下的气动阻尼最小值有所增大,气弹稳定性提升;相位角为180°的径向来流总压畸变可以在所有叶间相位角下提高压气机的气弹稳定性;相位角为0°和270°的径向来流总压畸变均会提高压气机发生颤振的风险,需要尽量避免。
  • F级重型燃气轮机新型DeNOx燃烧器掺氢燃烧试验研究
    何磊, 张富诚, 颜伟, 张津, 王成武, 王浩同, 刘晓佩, 吴克梁, 陈明敏
    2024, 44(9): 1370-1377. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240106
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    为实现降低碳排放的绿色环保目标,天然气掺氢燃烧成为燃气轮机的重要发展趋势。针对天然气掺氢燃烧特性,对自主研发的F级重型燃气轮机新型DeNOx燃烧器展开全温、全压、全尺寸高掺氢比例的燃烧试验,从温度、排放、嗡鸣和加速度等性能参数分析燃烧器掺氢燃烧适应性。结果表明:该燃烧器在30%~40%掺氢比例,55%~100%基本负荷段的NOx排放质量浓度均可控制在30 mg/m3以内;随着掺氢比例的增加,火焰转换发生在更低的负荷,有利于稳定升负荷,同时燃烧器出口温度升高,但未发生回火。
  • 某型F级轴向分级燃烧室的全温全压试验研究
    隋永枫, 臧鹏, 张宇明, 彭志胜, 傅燕妮, 谷庭伟
    2024, 44(9): 1378-1384. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240234
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    在全温全压条件下对自主研发的F级燃气轮机轴向分级燃烧室进行了燃烧试验研究,以探究设计点工况下燃烧室的压力损失、出口温度分布、火焰筒壁面温度、污染物排放、燃烧效率和热声稳定性等燃烧性能。结果表明:在设计点工况下,燃烧室总压损失系数为5.4%;燃烧室出口温度分布系数为0.06,燃烧室出口径向温度分布系数为0.03;燃烧室火焰筒壁面温度低于850 ℃;NOx摩尔分数维持在1.9×10-5 ,CO和未燃碳氢(UHC)排放基本为0,燃烧效率维持在99.99%以上;压力脉动各特征频率对应幅值均低于3 kPa,表明燃烧室热声状态稳定。
  • H2/CH4燃料轴向分级燃烧再燃火焰流动与燃烧特性的试验研究
    李原森, 李昱泽, 肖运来, 葛冰
    2024, 44(9): 1385-1392. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240206
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    燃料轴向分级(AFS)燃烧技术是目前重型燃气轮机的先进低污染燃烧技术。为了揭示H2/CH4燃料种类和射流角对轴向分级燃烧的再燃区流场、火焰结构的影响规律,使用高频粒子图像测速(PIV)技术和OH*基自发光技术,探究射流当量比为0.6、动量通量比为6时90°和45°射流角对不同种类的燃料轴向分级流场、再燃火焰结构的影响。研究表明:当射流角为90°时,射流根部会产生明显的回流区;射流火焰存在周期性脉动;当射流角为45°时,剪切层在射流根部不会产生明显的回流区,射流火焰燃烧更加稳定,燃料在低速区的化学停留时间更短,对于火焰传播速度快、容易回火的氢气燃料有较好的适应性;甲烷燃料掺氢增加了射流火焰的传播速度,随着掺氢比的增加,射流火焰从脱体火焰逐渐变为连续火焰,迎风侧射流火焰分支出现,反应区长度缩短并且变小,火焰强度增强,火焰根部向喷嘴出口移动并最终附着在射流喷嘴出口。
  • 掺氢比例对螺旋微混-旋流复合喷嘴燃烧不稳定的影响研究
    邱成旭, 刘佳琦, 姜东坡, 冯永志, 王辉
    2024, 44(9): 1393-1400. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240205
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    为实现燃气轮机低排放目标,进行了螺旋微混-旋流复合结构喷嘴在不同掺氢比例下的燃烧不稳定特性实验研究。在恒定输出功率下,探究了掺氢体积分数为0%~100%时燃烧室腔体及预燃级内压力振荡状态。结果表明:在主燃级当量比为0.45的条件下,燃烧室压力振幅随着掺氢比例增加先增加后减小,掺氢比例为70%时,燃烧室内出现了2 903.4、4 490.2 Hz 2种频率的压力振荡信号;该掺氢比例下燃烧产生的这2种压力振荡频率与燃烧室固有声学模态频率重合,进而形成驻波;预燃级一阶声学模态频率为5 450 Hz,燃烧区产生的该频段声波传播至预燃级内形成驻波,导致预燃级内出现5 400 Hz附近的压力脉动峰值,与燃烧室腔体相反,其在70%掺氢比例工况下的压力脉动幅值最小;综合燃烧室及预燃级压力脉动情况,主燃级的掺氢比例在30%~60%区间最为合适。
  • 旋流对氢气微混扩散燃烧特性的影响
    史挺, 刘怡, 贾世琦, 葛冰, 段冬霞, 臧树升
    2024, 44(9): 1401-1407. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240197
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    在当量比0.3~0.5的条件下,针对旋流数为0.62与无旋流2种微混扩散燃烧器开展了试验研究,考察了旋流作用对微混扩散燃烧流场、火焰结构、NOx排放以及燃烧不稳定性的影响。实验运用OH*化学发光法与粒子图像测速(PIV)技术捕获了火焰与流动结构。结果表明:加入旋流能够通过改变流场结构,使火焰高度降低44%,进而缩短停留时间,最终实现NOx排放体积分数减少63.4%;无旋流微混扩散火焰脉动的主要驱动因素是高当量比下火焰径向膨胀区的生成,而旋流的加入可以抑制径向膨胀区的生成,从而在宽负荷范围内实现抑制燃烧振荡的效果。
  • 考虑热障涂层及冷却结构影响的某F级燃气轮机火焰筒数值研究
    肖俊峰, 高松, 闫安, 上官博, 张蒙, 何伟, 李晓丰, 张博瑶
    2024, 44(9): 1408-1415. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240192
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    以某F级燃气轮机燃烧室火焰筒为研究对象,考虑热障涂层及冷却结构对火焰筒气动传热影响,基于流热固耦合方法对额定工况下的火焰筒进行了内部流场、温度场和应力场分析,并将数值分析结果与火焰筒实际损伤情况进行对比。结果表明:数值分析结果的火焰筒高应力区域与火焰筒实际损伤区域基本吻合,采用流热固耦合方法可以预测火焰筒实际损伤情况;不同位置的热障涂层陶瓷层隔热效果相近;基体和热障涂层陶瓷层在冷却结构附近的区域均为高应力区域。
  • 燃氢燃机高温高湿透平耦合传热和冷却特性
    任静, 李雪英, 黄新宇, 王文萍, 孙鹏, 李明飞
    2024, 44(9): 1416-1423. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240231
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    分析了燃氢燃机透平在导热/对流/辐射耦合作用下的流动传热和冷却特性,发展了能够计算高H2O与CO2分压比的灰气体加权和(WSGG)模型。结果表明:燃氢燃机工质中水蒸气含量增大导致金属壁面温度升高;加入辐射的影响后,H2O和CO2含量对传热的影响呈相反的结果,这主要是由于CO2的对流传热能力强于H2O,而H2O的辐射能力强于CO2;在对流、导热、辐射3种传热方式都存在的燃氢透平冷却耦合系统中,气膜冷却的速度场几乎不受影响,而温度场则深受耦合及辐射的影响,所定义的耦合条件下气膜冷却效率能够表征燃氢条件下气膜的冷却性能,因此在燃氢燃机透平冷却的设计中,燃氢导致的热负荷恶化需纳入设计变量中。
  • 时序效应对高负荷低压涡轮边界层流动的影响研究
    邹正平, 盛然, 杜鹏程
    2024, 44(9): 1424-1436. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240195
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    在多级涡轮内,时序效应和寂静效应会对涡轮内部的流动及气动效率产生重要影响。以两级高负荷低压涡轮为研究对象,采用高精度大涡模拟(LES)方法对该涡轮叶中截面的非定常流场进行了数值模拟,分析了5个不同静子时序位置下第二级静子的时均流场、时均性能和边界层流动非定常演化过程。结果表明:第一级静子的不同时序位置对第二级静子的总压损失产生明显影响,不同时序位置下总压损失的变化可达20%;不同时序位置下的流动差异主要归因于尾迹在通道中的输运过程,尾迹与边界层相互作用诱导边界层转捩发生变化;当第一级静子尾迹撞击第二级静子前缘时,第二级静子吸力面的分离区明显减小,第二级静子的总压损失达到最小值;相反地,当第一级静子尾迹在第二级静子通道中靠近吸力面侧约40%栅距位置时,一个转子通过周期内第二级静子吸力面后部出现多个分离泡,使得时均总压损失最大。
  • 高压涡轮外环流动换热的试验与数值研究
    殷林林, 卢元丽, 吴伟龙, 陈云
    2024, 44(9): 1437-1445. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240219
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    为了获得不同冷气参数对高压涡轮外环流场和温度场的影响规律,采用加温加压试验研究了不同冷气与燃气流量比条件下的外环温度场及冷却效率,并将数值仿真结果与试验结果进行了对比分析,同时研究了不同燃气来流气流角条件对外环流动换热的影响。结果表明:数值仿真结果与试验结果吻合较好,采用测点进行温度平均计算的冷却效率略高于试验结果;试验条件下外环试验环境下燃气主流的流动存在明显的分离,周期性较差,通过在外环块侧边增加陪衬件有效地改善了外环块区域的流动周期性;当来流方向与气膜孔出流方向一致时,冷气覆盖效果较好,在一定角度范围内对冷却效率的影响较小,来流气流角与气膜孔出流方向存在最佳匹配值。
  • 涡轮动叶肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能研究
    周祚弘, 程国强, 许承天, 孔祥林, 李志刚, 李军
    2024, 44(9): 1446-1458. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240098
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    针对涡轮动叶凹槽状叶顶近压力侧气膜冷却设计的结构,设计了2条全肋条、1条全肋条和1条压力侧尾缘半肋条与1条吸力侧尾缘半肋条的3种凹槽状叶顶肋条布局设计。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和标准k-ω湍流模型研究了肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能,研究了4种吹风比下2条全肋条布局的凹槽状叶顶的传热冷却性能。在吹风比为1.0时,对比分析了典型凹槽状叶顶和3种肋条布局凹槽状叶顶的气动传热特性和气膜冷却效率。结果表明:数值预测的叶顶传热系数分布与实验测量结果吻合良好,验证了数值方法的可靠性;吹风比1.0时,全肋条凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;全肋条布局凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;相比于典型凹槽状叶顶,全肋条布局凹槽状叶顶能够使气膜冷却效率提高2.2%;压力侧半肋条布局的凹槽状叶顶具有最低的平均传热系数和总压损失系数;肋条布局通过调控叶顶涡系与冷气的迁移路径而显著改变了凹槽状叶顶的流场结构,进而影响气热性能和气膜冷却效率;全肋条布局的动叶凹槽状叶顶具有最佳的综合气热性能和气膜冷却效率。
  • 基于物理信息神经网络的气膜冷却湍流模型反演学习
    张振, 苏欣荣, 袁新
    2024, 44(9): 1459-1465. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240201
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    由于气膜冷却问题中湍流的复杂特性,传统雷诺平均(RANS)方法会低估湍流的热扩散强度,导致冷却效果计算不准确。对此提出了一套基于物理信息神经网络(PINN)的湍流建模框架,基于RANS流场和大涡模拟(LES)温度场,建立了数据驱动的湍流普朗特数神经网络模型,在RANS求解器中嵌入该模型,可以动态调整湍流的热扩散强度,获得了与LES高度一致的温度场。结果表明:PINN是构建数据驱动湍流模型的良好方法,对于湍流普朗特数的建模可以有效提升RANS方法对温度预测的准确性。
  • 复杂载荷下燃气轮机轮盘Hirth齿多尺度接触界面结构强度特性研究
    朱光亚, 王崇宇, 谢永慧, 张荻
    2024, 44(9): 1466-1472. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240076
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    中心拉杆转子是燃气轮机的核心部件,但转子运行工况恶劣、事故频发,需要开展复杂接触状态下多尺度、多载荷作用的强度研究,以保障叶盘结构运行安全。基于粗糙表面接触模型和三维有限元方法,建立了考虑微观界面尺寸和粗糙度的燃气轮机轮盘Hirth齿接触界面热固耦合特性分析模型,探究了接触面微观尺度参数以及端面齿宏观尺度几何参数的影响。结果表明:端面齿的最大等效应力随齿根圆角半径的增大、压力角的减小而减小;端面齿的最大等效应力和平均接触压力均随着表面粗糙度的增大而减小。
  • 新型高效空气冷却燃气轮机系统热力性能分析
    陈强, 王凯琳, 姜文彬, 阙晓斌, 尉涵, 武文涛
    2024, 44(9): 1473-1481. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240245
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    为改善空气冷却重型燃气轮机热力性能,提出了一种能够高效利用抽气能量的新型空气冷却燃气轮机系统并研究了其热力性能的变化。以传统典型F级燃气轮机不同环境温度下的性能数据作为对比基础,通过数值仿真分析了新型高效空气冷却燃气轮机中冷却系统设计参数变更条件下的系统性能指标变化,计算对比了3种运行模式下的热力性能。结果表明:新型高效空气冷却燃气轮机能够有效降低压气机抽气温度,进而改善燃气轮机热力性能。在夏季工况下,进口温度分别被冷却到30、20、15 ℃时,燃气轮机功率分别升高了25.92、40.49、48.22 MW,燃气轮机效率分别提升了0.78、1.19、1.40个百分点。
  • 氢混重型燃气轮机关键参数影响及热力性能分析
    朱志劼, 徐前, 徐望人, 史进渊
    2024, 44(9): 1482-1492. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240270
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    为了深入研究关键参数对氢混重型燃气轮机总体和关键部件热力性能的影响,构建了氢混重型燃气轮机的热力性能计算模型,阐述了模型中关键参数的定义与设定。研究了不同氢气掺混比例、透平初温、压气机压比和冷却空气量等关键参数对燃气轮机功率和热效率等性能指标的影响,分析了不同氢气掺混比例下的透平气动参数变化,进一步揭示了掺氢对燃气轮机性能的影响机制。结果表明:氢气的掺混比例、透平初温、压比和冷却空气量是影响氢混重型燃气轮机性能的关键参数;掺氢比变化时,透平气流角、出口马赫数等透平气动参数的变化则影响透平气动性能和燃气轮机的热力性能。
  • 基于SOFC/GT和掺氢天然气的综合能源系统性能研究及经济性分析
    孙浩哲, 张辉, 盛明珺, 戴申华, 王玉璋
    2024, 44(9): 1493-1502. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.240266
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    提出了一种以固体氧化物燃料电池(SOFC)/燃气轮机(GT)为原动机,以掺氢天然气为燃料的综合能源系统。建立了风光发电和制氢设备、SOFC/GT系统、冷热电能源转换和存储设备、碳捕集设备等多种类型能源利用设备的数学模型,在考虑多种负荷平衡约束、设备运行约束和"双碳"目标约束的情况下研究了综合能源系统的性能与经济性。结果表明:随着燃料掺氢比的增加,SOFC/GT系统发电效率从60.36％增加到64.79％,综合能源利用率从87.80％增加到90.80％;系统使用可再生能源制氢时,碳排放量最低,尽管考虑了碳交易收益,但高昂的制氢成本导致系统运行成本最高。