动力工程学报

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朱瀚, 李莉, 周乐平, 张辉, 张润生, 杜小泽

2026, 46(3): 1-9. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250593

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为响应国家"双碳"战略,燃气轮机掺氢燃烧技术成为重要发展方向。基于SST k-ω湍流模型和非预混燃烧模型,采用数值模拟方法研究了某单管燃烧室在燃料喷射速度40~120 m/s和掺氢比0~20%条件下,掺氢天然气的流动和排放特性。结果表明:纯天然气和掺氢比20%工况下,燃烧室出口温度均在100 m/s时达到峰值后下降;燃料喷射速度超过100 m/s时,掺氢工况表现出更高的出口温度和更均匀的出口温度分布,但会破坏回流区,降低燃烧效率;CO排放量线性增加,CO₂排放量先增后减;综合分析得出最佳燃料喷射速度为80 m/s,此工况下掺氢20%与纯天然气燃烧相比可扩大回流区面积,延长燃料充分燃烧时间,同时CO₂和CO排放量分别减少了14.8%和54.9%,但NO_x排放量增加了64.1%,易引发燃烧不稳定现象。本研究为燃气轮机掺氢燃烧系统的优化设计提供了重要的理论支撑。

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基于IGV调节策略的氢氨掺混F级燃气轮机变工况特性研究

曹宇翔, 姚宇博, 吕小静, 翁一武

2026, 46(3): 10-18. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250533

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为拓宽重型燃气轮机使用氢氨掺混燃料时的运行区间并提高其热力性能,以半山电厂255.6 MW重型燃气轮机为研究对象,提出基于改变压气机进口导叶(IGV)角度的调节策略,研究不同氢氨掺混比例下燃气轮机性能、透平各级超临界情况以及通流匹配特性。结果表明:基于所建模型,计算得到机组额定工况功率为254.59 MW,效率为36.33%,与设计值的相对误差分别为-0.4%,-1.54%,表明该模型计算结果具有足够精度;重型燃气轮机在使用氢氨掺混燃料时出口级静叶出口处马赫数均超过1,导致机组存在安全隐患且运行性能下降;随氨气体积占比从0增加至100%,IGV角度由81.41°减小到72.77°;通流匹配后出口级静叶马赫数由0.97降低到0.86,燃机效率从37.14%降低到36.64%。

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燃气轮机电厂天然气掺氢发电改造关键技术

刘网扣, 谢岳生, 范雪飞, 朱志劼, 江路毅, 张义, 卜一凡, 杨志鹏, 王建业, 张会生

2026, 46(3): 19-29. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250554

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双碳目标背景下,为了促进燃气轮机发电产业低碳化发展,实现氢能的大规模应用,通过对某典型F级燃气轮机开展0%~65%掺氢比例(体积分数)性能计算,深入分析了燃气轮机掺氢对燃气轮机功率、效率、排气流量、排气温度、CO₂排放以及联合循环性能的影响,重点研究了在燃气轮机燃烧系统、控制系统和辅助系统等方面的改造关键技术。结果表明:燃气轮机掺氢发电改造需新增氢气掺混设备及控制装置,对燃气轮机燃烧器、燃料系统、可燃气体探测系统、消防系统及罩壳通风等系统进行适应性升级改造,并改进相应的燃料量控制、燃料分配、回火监视等控制和保护逻辑;燃气轮机掺氢改造后,随掺氢比例的增大燃气轮机和联合循环出力、效率随之增大,排气中CO₂含量显著降低,提高了机组碳减排能力。

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基于氢燃机的"电-氢-电"综合能源系统设计与运行管理

卜一凡, 刘网扣, 朱志劼, 任显龙, 徐望人

2026, 46(3): 30-39. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250629

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针对新型电力系统新能源占比高带来的出力波动、供需不匹配以及无功支撑能力差的问题,提出基于氢燃机"电-氢-电"耦合储能和调峰的解决方案,并构建双层嵌套优化模型。首先,外层以项目净现值最大化为优化目标,采用遗传算法确定系统内各组件的最佳容量配置;然后,内层以年度净收入最大化为优化目标,基于典型场景下的新能源出力波动与负荷变化,将外层容量作为输入,采用线性优化动态求解各组件运行策略。最后,以我国西北地区新能源大基地气象条件和典型工业负荷条件作为计算边界开展系统性能评估。结果表明:电氢电系统年弃电率4.9%,系统盈亏平衡点在第17年,系统的绿电率为99.9%。基于氢燃机的"电-氢-电"系统能够解决新型电力系统电力平衡问题,通过所建立的双层优化模型,优化系统配置和运行方式,有效提升了新能源消纳率,降低了系统投资和运行成本以及碳排放量,增强了能源供应稳定性,具有可行性与经济性。

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直燃超临界二氧化碳燃气轮机热力循环的建立与研究

吴智泉, 陈洪溪, 张天博, 石䶮, 郝宁

2026, 46(3): 40-52. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250654

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新型电力系统高质量发展对低碳、调节型支撑电源提出了迫切需求。利用超临界二氧化碳物性特征,构建了具有零碳发电和调节功能的直燃超临界二氧化碳燃气轮机(SCGT)热力循环,并研究了热力循环特性、性能优化策略及其与新能源耦合应用场景。结果表明:SCGT净电效率为55.62%,净比功为794.7 kW/kg,与加装碳捕集与封存(CCS)设备的燃气轮机联合循环相比,净电效率提高4.56百分点,与Allam循环相比,净比功提高141%;燃烧室、透平和回热器分别占系统㶲损失的58.99%、17.57%和7.87%,是净电效率损失的主要来源;增加透平进口温度对提高系统净电效率最为有利,保持进口条件不变,优化透平背压可获得净电效率最佳值;SCGT耦合压缩储能后,储能效率达70%左右,储能容量达28.6%,具有低燃料成本、高功率密度、长时储能的优势,符合新型电力系统发展需求。

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氢燃气轮机燃烧特性与涡轮气热性能研究进展

白波, 张昊, 黄海, 李志刚, 李军

2026, 46(3): 53-67. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250736

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在全球能源转型和降碳减排背景下,国际社会普遍将氢能作为零碳能源体系的重要组成部分。氢燃气轮机作为电力系统零碳化和新型多能互补体系构建的重要支撑,凭借零碳排放潜力、灵活调峰特性及与可再生能源高度耦合能力等优势,成为未来电力系统深度脱碳的重要路径。从掺氢/纯氢燃料燃烧及排放特性、氢燃气轮机优势和涡轮叶栅气热性能三方面,梳理总结了碳基燃料掺氢或纯氢燃料高效稳定燃烧、高温高湿环境中涡轮叶栅热防护设计和强脉动流场中涡轮叶栅气膜冷却组织面临的难点挑战。最后结合目前氢燃气轮机涡轮叶栅气热性能研究现状,提出了燃氢涡轮叶栅高效气膜冷却设计思路和展望。

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燃气轮机燃烧室壁面红外辐射二维测温误差修正方法研究

胡君恒, 廖志弘, 江栋军, 张岚, 樊雨骐, 吴学成, 许传龙

2026, 46(3): 68-77. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250529

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红外成像辐射测温是实现燃气轮机燃烧室壁面二维温度在线精准测量的有效途径,对保障机组安全运行、准确监测设备故障具有重要意义。针对燃气轮机燃烧室壁面辐射测温过程中存在的主要外部影响因素,提出了一种综合考虑燃气影响和高温背景影响的测温误差修正方法。通过对高温燃气辐射特性进行分析,选择了3.7~3.9 μm作为测量波段,在该波段下通过试验说明消除高温燃气影响的必要性,同时基于燃气体积流量及空燃比的平方,对等效高温背景反射辐射温度进行拟合,并在模拟燃烧室测温系统上测量了多个工况下的待测样件表面温度。结果表明:所提出的误差修正方法平均测量误差为0.722%,满足实际应用要求。

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多喷嘴阵列燃烧器分区燃烧稳定机理与火焰形态研究

韦小坡, 熊燕, 刘志刚, 路兴港, 王晖

2026, 46(3): 78-87. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250652

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对多喷嘴阵列燃烧器分区燃烧特性进行了实验和数值模拟研究,以揭示多喷嘴阵列燃烧器燃烧分区稳定机理与火焰形态。通过实验研究得到了不同当量比和不同喷嘴出口速度的火焰形态,通过数值模拟得到了燃烧器冷态(非反应态)和热态(反应态)的流动特性。结果表明:冷态条件下形成了中心大回流区,热态流场与实验结果显示多喷嘴之间相互作用形成小范围回流区,促进了值班区烟气卷吸,增强了整体燃烧稳定性;随着喷嘴出口速度的增加,回流区的范围相对稳定,燃烧器稳定燃烧,速度适应范围宽;随着当量比的增大,中心值班区火焰强度逐渐增强,周围主燃区逐渐被引燃;瞬态OH^*化学发光图像显示在不同时间的燃烧形态表现稳定。相关研究结果可以为分区多喷嘴阵列燃烧器设计提供参考。

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GT36型燃气轮机恒压顺序燃烧特性分析

刘文华, 李啸峰, 张伟, 王超

2026, 46(3): 88-94. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250541

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针对GT36-S5 型燃气轮机配套恒压顺序燃烧器的燃烧特性及其工程应用价值,系统阐述了其结构原理与实际运行中的燃烧调整机制,分析了燃料分级配比、燃烧压力脉动频率、温度分布等特性参数对机组运行稳定性的影响。通过解析实际工况下的燃烧调整过程参数,揭示了负荷动态变化时燃机燃烧的非线性响应规律。针对冬季低温运行场景,重点分析各级燃料配比、混合器出口温度(MET)设定温度及C₂₊等多种因素对燃烧稳定性、不同频段脉动及NO_x排放量的影响。结果表明:所形成的燃烧特性分析结果可为机组运行维护提供关键依据,可指导现场人员通过调整燃机负荷、各负荷段停留时间等手段,提升复杂环境下的燃烧稳定性与设备可靠性,对同类重型燃机的运行优化具有重要工程参考价值。

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基于PINN的含低浓度化学物种燃烧正逆问题建模方法

张伟娜, 李港扬, 崔弘杨, 毕忠勤, 戴丹

2026, 46(3): 95-105. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250709

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随着燃气轮机向更高效、更清洁方向发展,基于高保真模型的燃烧室设计需求日益迫切。提出基于变分自编码器火焰(variational auto-encoder flame,VAEF)的物理信息神经网络(physics-informed neural networks,PINN)对含低浓度化学物种的层流预混火焰正逆问题进行建模:通过基于自适应上下界或观测数据的约束映射;通过平滑窗划分计算域与局部加权;在稀疏观测条件下的逆问题中将变分自编码器重构误差与相对熵项加入观测条件损失计算中。结果表明:以上措施显著提升了训练稳定性与低浓度物种预测精度,PINN模型的决定系数均大于0.95,相对误差绝对值均小于15%,展现良好的全局拟合精度和参数反演能力,为复杂化学机理下的燃烧模拟与排放监测提供了鲁棒性更好的PINN方案。

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重型燃机用650 ℃级特大型GH4169高温合金透平盘制备关键技术

孙攀贺, 李昕, 李澍, 张亨年, 姚凯俊, 张少辉, 江河, 姚志浩, 董建新

2026, 46(3): 106-118. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250637

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为满足重型燃机对高承温、大尺寸透平盘的性能需求,针对超大尺寸GH4169高温合金透平盘制备过程中(冶炼、锻造及热处理)工序复杂、风险集中的问题开展了关键技术研究。以GH4169合金超大尺寸透平盘为研究对象,系统分析了真空感应熔炼(VIM)、真空自耗重熔(VAR)、去应力退火、均匀化,以及开坯和模锻过程中缩孔缺陷、元素偏析、有害相分布、组织演变与开裂损伤等关键问题。主要采用有限元模拟结合二次开发、热力学与动力学计算等方法,建立了电极锭凝固过程中缩孔缺陷与安全脱模时间的预测模型、VAR过程中铸锭元素偏析与Laves相分布预测方法、去应力退火损伤模型与应力松弛模型,以及基于Laves相回溶和Nb元素扩散的均匀化工艺设计模型,构建了组织控制-损伤控制-载荷控制相耦合的集成式锻造控制技术。结果表明:所提出的全流程控制技术可有效降低制备风险、优化盘锻件组织,为超大尺寸高温合金关键部件的制造提供了重要技术支撑,通过该技术成功制备出目前最大的直径2 440 mm级特大型GH4169合金透平盘。

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轮缘密封试验台研建及调试试验分析

刘夏, 马也, 张旭妍, 刘志刚, 王晖, 熊燕

2026, 46(3): 119-126. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250622

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基于高效低碳燃气轮机试验装置——轮缘密封试验台(TB03B),针对1.5级燃气透平前盘腔及鱼嘴密封结构开展了系列的试验研究,并采用CO₂示踪法监测燃气入侵。该试验台可系统开展封严效率、燃气入侵、盘腔流动及透平气动综合效率等试验研究。结果表明:该试验台具备1.5级透平试验能力,最高转速3 000 r/min,主气最大质量流量10 kg/s;试验台性能参数均能达到且大部分优于设计指标;封严效率随二次流压比的增大而提高,周向均匀性同步改善;盘腔内高半径处封严效率与静叶叶根处压力梯度呈显著负相关,低半径处受二次流的掺混等影响导致相关性减弱。

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重型燃气轮机透平部件转子动力学特性理论与试验研究

狄广强, 周心洁, 周晟鋆, 彭生红, 石䶮, 黄单

2026, 46(3): 127-138. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250655

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为实现透平动静部件耦合振动特性的快速分析,将包含透平气缸和支架直接刚度、串扰刚度的机械阻抗作为计算边界,使用改进传递矩阵法对重型燃气轮机透平试验件进行了模态分析和不平衡响应分析,并且与有限元分析结果和试验数据进行对比分析。结果表明:相比于试验数据,改进传递矩阵法和有限元法分析得到的转子临界转速偏差分别在-3.38%~2.31%和-6.08%~7.05%,改进传递矩阵法得到的临界转速更接近试验值,有限元法得到的最大响应峰值更接近试验值,计算得到的振动响应曲线与试验结果趋势基本一致。考虑机械阻抗的改进传递矩阵法能够快速准确获取透平转子的临界转速及整机振动响应特性。

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F级重型燃气轮机透平第一级动叶高温高压全尺寸模化冷却效率试验方案设计

熊燕, 卞云航, 王晖, 马也, 刘志刚, 许莹莹, 韩星, 姜东坡

2026, 46(3): 139-148. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250640

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为获取适用于某重型F级燃气轮机透平第一级动叶的高温高压全尺寸的静态模化综合冷却效率试验方案,同时基于高效低碳燃气轮机试验装置高温喷嘴叶栅试验台得到接近真实条件下的动叶综合冷却效率试验数据,开展了动叶进口条件的模化方法研究、过渡段-第一级静叶一体化转接段和试验段的关键结构设计研究等,然后采用数值模拟和试验验证相结合的方法验证了方案的有效性。试验结果表明:试验方案和模拟方法合理可行,试验结果具有良好的可重复性,可靠性高。该试验方案可以为重型燃气轮机领域后续类似的动叶综合冷却效率试验提供参考。

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燃气轮机涡轮叶片气膜孔出口扇形化的影响

张润生, 冯旭铮, 邓丹, 韩少华, 张辉, 周乐平, 李莉, 杜小泽

2026, 46(3): 149-157. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250504

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采用数值模拟方法将圆柱孔、双喷孔和姐妹孔的出口转化为扇形,并在不同吹风比M下将不同孔型与原始结构进行比较,冷却工质分别为空气和液滴/空气混合物。结果表明:将圆柱孔和姐妹孔的出口转变为扇形将导致气膜冷却效率(FCE)明显降低;当M为0.50和0.75时,将双喷孔的出口转变为扇形是有利的,但当M为1.25和1.50时,双喷扇形孔的FCE仍低于双喷孔;与原始结构相比,扇形出口产生的肾形涡对更强,冷却气膜更容易脱离被冷却表面,同时在低吹风比下扇形出口有利于冷却工质的展向扩展;将液滴注入冷却空气中可以明显改善FCE;在真实叶片上,姐妹孔在叶片上3个位置均实现最佳FCE。

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基于PointNet和CGAN的锯齿状槽道冷却性能研究

刘金江, 李军现, 黄鑫, 韩泽涛, 张润生, 杜小泽

2026, 46(3): 158-167. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250648

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针对现有机器学习模型预测气膜冷却效率分布时依赖低维特征输入,且模型不具有通用性的问题,提出了一种基于PointNet与条件生成对抗网络(CGAN)的数据驱动框架。该框架将计算域中的不规则网格节点转换为点云形式,通过PointNet提取全局特征和局部特征,并以此特征作为条件信息,促使CGAN的生成器重构出与计算流体力学(CFD)高度一致的二维流场分布图,然后通过判别器进行对抗训练以提升输出图像的细节。实验中以锯齿状槽道为研究对象,结果表明:训练集和测试集的绝对误差不超过0.05,相对误差不超过6%,计算耗时低于传统CFD方法。所构建的模型在样本充足时能够适配所有气膜冷却结构,并解决了稀疏点云数据无法高精度重构气膜冷却效率分布的问题。

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重型燃气轮机护环部件的复合冲击冷却特性研究

殷宇阳, 武安, 吴宏, 李雪英, 任静

2026, 46(3): 168-176. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250685

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随着重型燃气轮机透平进口温度持续升高,传统冲击冷却技术难以满足透平高温部件日益增长的冷却需求。针对透平的护环部件,在传统冲击冷却结构基础上,通过在冲击靶面设置不同扰流结构,设计了4种复合冲击冷却单元,并将其应用于护环部件的冷却方案中,采用半耦合数值模拟方法研究了各方案在F级、G/H级、HL级燃机工况下的综合冷却特性。结果表明:靶面采用离散型扰流结构可使热通量提升13.1%~17.6%,其中圆柱肋加球槽复合靶面结构(PF)构型的冷却性能最优;在H级燃机侧热负荷条件下,采用复合冷却单元护环方案的冷却效果可提升3.3%~9.3%,且高毕渥数条件下(如HL级)冷却效果增幅会进一步扩大,最大增幅为10.1%;复合方案的射流系数降低了1.2%~7.5%,相较于传统方案将其应用在自主下一代燃机产品的透平高温部件中更具优势。

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透平叶片复合冷却结构的管网方法研究

包林焌, 邵文洋, 隋永枫, 薛彬彬, 初鹏, 刘钊

2026, 46(3): 177-189. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250745

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为改进透平叶片复合冷却结构的设计方法,对用于冷却结构设计、分析、优化的管网方法进行了研究。在传统一维管网计算方法的基础上,综合考虑了叶片内外冷却耦合,搭建了管网耦合设计计算平台;以NASA GE-E³第一级动叶为基准,初步设计了冷却方案,并结合三维气热耦合计算对一维管网计算结果进行了验证与分析;基于初步设计结果,对叶片冷却结构进行了改型,并结合快速非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)优化算法进行了带肋通道管网优化。结果表明:一维管网计算结果与三维气热耦合计算结果的相对误差低于2%,验证了该管网方法的计算精度;管网优化计算时间约为25 h,且改型优化后的叶片温度明显降低。该方法计算精度较高,对透平叶片复合冷却结构的设计具有一定的指导作用。

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面向数字孪生应用的燃气轮机金属温度快速预测模型研究

李甲珊, 阙晓斌, 闫学慧, 王晓博, 王旭

2026, 46(3): 190-200. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250660

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针对燃气轮机数字孪生应用中的金属温度实时预测需求,提出了一种基于循环神经网络(RNN)的燃气轮机金属温度快速预测方法。传统基于运行曲线工况驱动的整机温度场物理模型存在复杂度高、计算耗时长等缺陷,难以满足燃气轮机试验、运行过程中实时预测与故障预警等应用需求。为解决这一问题,基于物理模型仿真数据集和整机试验数据集训练了2组模型,且经优化后2组模型的保真度分别达到99.14%和94.32%。系统分析了神经网络超参数对模型性能的影响规律,并提出了有效的模型调优和降低过拟合的方法。最后通过测试数据集验证了模型泛化能力,并基于功能模型接口(FMI)标准实现了燃气轮机金属温度快速预测模型在自主F级重型燃气轮机试验样机中的部署应用。研究成果为燃气轮机数字孪生系统的实时温度预测提供了有效的解决方案。

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自主重型燃气轮机控制系统正向设计

张晓毅, 章旋, 白涛, 吕新, 谢瑾瑜, 沈新军, 闫斌斌

2026, 46(3): 201-211. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250657

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以市场驱动为出发点,提出重型燃气轮机控制系统正向设计流程、主要任务、设计方法和验证技术,详细分析了控制系统正向设计中的技术难点及解决路径,结合自主重型燃气轮机研发工程实践,总结了一套完整的控制系统正向设计体系。结果表明:所提方法有效地保证了控制系统的设计质量,提升了燃气轮机的安全性、可用性、可靠性、经济性和运行灵活性;我国自主研制的重型燃气轮机首台样机实现点火、升速及并网试验的一次成功,控制系统发挥了关键作用,验证了正向设计方法的有效性。

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燃气轮机顶轴油系统流动与瞬态结构响应特性研究

王刚, 马强, 熊慧民, 辛公明, 刘波

2026, 46(3): 212-220. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2026.250569

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顶轴油系统是重型燃气轮机启停时为轴承注入高压油的关键安全屏障。以国产首台300 MW F级燃气轮机顶轴油系统管线为研究对象,采用计算流体力学与瞬态结构动力学耦合仿真方法,重点分析了其阀门开启引发的水锤效应及管道瞬态结构响应,揭示了不同开阀时间及特征对管内压力波传播及管线振动的显著影响。结果表明:短开阀时间及快速开阀特征均会加剧流体压力震荡并诱发高幅结构振动;而过长的开阀时间虽可缓解流体冲击,但也会延长管内流场重建过程;为抑制阀门启闭瞬态冲击,提出了"缓-急-缓"的开阀策略;管线最大等效应力(250.66 MPa)出现在三通相贯线处,系统管线强度满足工程要求。

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