变几何多级轴流压气机全工况性能预测模型

基于压气机级的综合特性曲线,采用逐级叠加法开发了静叶可调的变几何多级轴流压气机全工况性能预测模型。在计算中将低转速下不同的级特性曲线分别应用于压气机各级,建立每一级的性能计算模块;在合理假设的基础上,根据动叶速度三角形推导出压气机入口可调静叶(IGV)角度变化对压气机性能的影响;引入气体动力学函数和变比热计算公式,简化了计算,提高了模型精度。算例表明,本模型具有一定的适用性,基本上反映出压气机的全工况特性,较准确地体现了IGV调节对整台压气机性能的影响,为开发现代大型燃气轮机动态仿真模型提供较可靠的压气机性能计算数据。     

变弯度导叶对某1.5级压气机气动性能的影响

为了改善压气机进口导叶的分离问题,使用变弯度可调导叶替换原1. 5级压气机中的整体可调导叶。首先通过分析变弯度导叶损失特性随铰接点位置的变化,得出最佳铰接点在0. 25倍轴向弦长位置。然后选用性能最优的叶片作为进口导叶进行计算,比较了不同工况下变弯度导叶对压气机性能的影响。结果表明,由于第一排叶片分离减少,90%转速下使用VIGV效率提升了0. 97%,稳定工作的流量范围增加4. 9%,69%转速下分别提升了6. 33%和6. 8%。     

带可调进口导叶的多级轴流压气机非设计点性能计算

多级轴流压气机为保证非设计转速下的性能,通常采用进口导叶(IGV)以及静叶可调的扩稳方法。为获得可靠的进口导叶性能以用于压气机初步设计和扩稳方案的初步筛选,基于Banjac和Petrovic等提出的IGV损失和落后角模型与平均中径计算相结合,开发了带有IGV的多级轴流压气机性能分析工具。选用E3压气机作为算例进行计算分析,结果表明,所选用的IGV模型在较大开度内具有较好的精度和有效性。研究结果可以为多级轴流压气机初步设计和扩稳方案确定提供参考。     

多级轴流压气机全工况特性预测

使用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca,研究了多级轴流压气机在设计工况及非设计工况的性能预估问题。对某七级轴流压气机进行了全工况特性数值计算。重点分析了低转速下近失速点、设计转速下近最高效率点、高转速下近堵塞点、进口导叶关小时设计转速下近失速点等四个典型工况点的流场特性。计算工作在自主开发的20节点集群计算机系统上进行。计算结果表明现有的软件和硬件平台能比较准确地预测压气机多叶片排的全工况特性。     

船用燃气轮机压气机多级可调静叶优化匹配方法研究

作为防止燃气轮机喘振的有效手段之一,可调静叶技术的应用能够提升压气机在非设计工况下的效率和运行范围,从而提高燃气轮机变工况下的经济性和稳定性。以某型船用三轴燃气轮机为研究对象,建立压气机一维性能分析模型与燃气轮机零维仿真模型耦合的变维度燃气轮机仿真模型,以经济性和稳定性为优化目标,通过多目标遗传算法对低压压气机多级可调静叶进行优化匹配。结果表明:优化后的可调静叶方案能提高压气机的喘振裕度并降低耗油率;静叶处于不同优化角度方案时,不同工况下压比-流量共同工作线上压比最高提升2.17%,效率-流量共同工作线上效率最高提升4.34%,折合转速提高3%～4%。     

基于F级燃机压气机的跨音级特性数值分析

以F级重型燃气轮机压气机的跨音级为研究对象,采用三维数值模拟方法计算了不同转速下压气机的性能曲线,并在设计转速下,对其内部流场进行了分析研究.研究结果表明:所使用的计算方法能够很好地计算出跨音级压气机全工况特性,并通过典型工况点的计算,研究了跨音级叶栅内部流动的特点,为跨音级的改进设计工作提供依据.     

燃机压气机启动工况影响因素数值模拟研究

针对燃气轮机启动阶段压气机旋转失速及喘振问题突出的现象,对某燃气轮机压气机部件的启动过程进行了数值模拟,并比较了不同升转速率及进口可调导叶角度的升转过程中,速度云图、沿叶高总压分布等相关参数。模拟结果显示：不同的升转速率对于叶高较低位置流场的影响不大,但是在0.9叶高处会存在明显差异,2 r/s²升转速率下,动叶尾缘流动分离较弱,4 r/s²升转速率下,低速区基本占据流道空间;动叶叶片尖端的流动分离现象在进口可调导叶逆时针旋转5°时,较其他工况得到明显抑制;进口可调导叶角度的变化带来流场改变的同时,在叶顶间隙会出现一个沿着压力侧的高速区。     

基于功率前馈的燃气轮机可转导叶角度控制规律研究

针对某型发电燃气轮机在负载突变过程中可转导叶角度与压气机转速互相耦合、控制失稳的问题,提出了“功率前馈”控制策略——即根据负载功率对可转导叶角度进行调整。首先,通过粒子群寻优算法,将压气机喘振裕度作为目标,对不同工况下的导叶角度进行寻优匹配;其次,采用“功率前馈”对燃气轮机突增负荷和甩负荷过程中的导叶角度进行调节;最后,以船用发电型间冷燃气轮机为研究对象,建立三转子燃气轮机整机模型,针对突变工况过程可转导叶角度的控制规律开展研究。结果表明：采用“功率前馈”控制模式,在突增负荷过程中,动力涡轮转速超调量减小11%,高压涡轮进口温度降低了3%;在甩负荷过程中动力涡轮转速超调量减少10%,高压涡轮进口温度超调量降低11.9%,低压压气机最小喘振裕度由0.87%提高至9.1%。     

某型多级轴流压气机三维CFD流场分析及气动优化

以某11级轴流压气机为研究对象,通过三维计算软件对某型压气机整机建模及流场进行了数值模拟,分别计算了设计工况、变工况及改变导叶安装角等工况的特性,得到了压气机流量－压比特性曲线、流量－效率特性曲线,与压气机的性能试验数据进行了对比,其误差在可允许范围内.同时对压气机的每一级的数据行了分析,总结了该压气机的气动设计规律.通过流场分析得到出口导叶的流场分布不合理的结论,并通过对其母型机的流场分析,提出了改进的方案.这些工作对压气机的设计开发提供了宝贵经验.     

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。     

叶顶间隙对压气机性能的影响

对某多级轴流压气机的其中两级的内部流场进行了全三维的CFD数值模拟,模拟结果与设计的级间参数比较吻合.通过对0.5倍设计间隙、1倍设计间隙和2倍设计间隙3个不同间隙的模拟结果的比较,探讨了间隙的大小对多级压气机总体性能的影响;通过内部流场的详细分析,揭示了间隙泄漏损失的特征.     

定压比热对多级轴流式压气机性能计算的影响

基于基元叶栅法建立了多级轴流式压气机的计算模型。建模过程中发现,空气定压比热对压气机性能计算有较大的影响。计算表明,对于级数较多的轴流式压气机,定压比热不能取定值,否则将会造成较大的计算误差。     

Automatic efficiency optimization of an axial compressor with adjustable inlet guide vanes

The inlet attack angle of rotor blade reasonably can be adjusted with the change of the stagger angle of inlet guide vane (IGV); so the efficiency of each condition will be affected. For the purpose to improve the efficiency, the DSP (Digital Signal Processor) controller is designed to adjust the stagger angle of IGV automatically in order to optimize the efficiency at any operating condition. The A/D signal collection includes inlet static pressure, outlet static pressure, outlet total pressure, rotor speed and torque signal, the efficiency can be calculated in the DSP, and the angle signal for the stepping motor which control the IGV will be sent out from the D/A. Experimental investigations are performed in a three-stage, low-speed axial compressor with variable inlet guide vanes. It is demonstrated that the DSP designed can well adjust the stagger angle of IGV online, the efficiency under different conditions can be optimized. This establishment of DSP online adjustment scheme may provide a practical solution for improving performance of multi-stage axial flow compressor when its operating condition is varied.     

轴流压气机多叶片排的气动优化设计

对某多级轴流压气机前三排叶片径向积叠方案进行了气动优化。该方案以商用软件iSIGHT作为平台,利用试验设计方法对整个搜索空间进行初步探索,采用逐次序列二次规划算法进行局部寻优,利用商业软件NUMECA进行粘性流场数值评估。对压气机全工况性能的计算表明,在流量和压比不减少的情况下,优化后的叶型设计工况和非设计工况性能均得到了改善。     

Optimized efficiency axial-flow compressor

A preliminary design efficiency-optimization of an axial-flow compressor, using one-dimensional flow theory, is studied in this paper. A model for the optimum design of a compressor stage, assuming a fixed distribution of axial velocities, is presented. The absolute inlet and exit angles of the rotor are taken as design variables. Analytical relations between the isentropic efficiency and the flow coefficient, the work coefficient, the flow angles and the degree of reaction of the compressor stage are obtained. The results are universal and can be extended to the optimal design of a multi-stage compressor. Numerical examples are provided to illustrate the effects of various parameters on the optimal performance of the compressor stage.     

Design efficiency optimization of one-dimensional multi-stage axial-flow compressor

A model for the optimal design of a multi-stage compressor, assuming a fixed configuration of the flow-path, is presented. The absolute inlet and exit angles of the rotor, the absolute exit angle of the stator, and the relative gas densities at the inlet and exit stations of the stator, of every stage, are taken as the design variables. Analytical relations of the compressor elemental stage and the multi-stage compressor are obtained. Numerical examples are provided to illustrate the effects of various parameters on the optimal performance of the multi-stage compressor.     

多级轴流压气机一维性能预测程序开发及应用

为了实现对轴流压气机气动性能的准确预测,基于平均流线法建立了多级轴流压气机一维气动性能预测方法,编制了相应的Matlab程序,该方法允许针对不同类型压气机选择适用的经验模型。通过计算得到了某四级亚音速轴流压气机和某八级高速轴流压气机的气动性能,对比分析发现,一维性能预测结果与实验/三维CFD模拟结果吻合较好,效率与压比计算偏差均保持在较小范围内,预测结果精度较高。为进一步提高压气机气动性能预测的准确性,发展了一种经验模型自动校准方法,采用该方法对选取的四级亚音速轴流压气机和八级高速轴流压气机模型进行校准,校准后对各转速下气动性能的预测精度均有所提高。研究工作表明,所建立的多级轴流压气机一维气动性能预测方法以及模型自动校准方法具有一定的准确性和可靠性。     

Optimum design of a subsonic axial-flow compressor stage

The design of an axial-flow compressor stage for subcritical Mach numbers has been formulated as a non-linear multi-objective mathematical programming problem with the objective of minimizing the aerodynamic losses and the weight of the stage, while maximizing the compressor's stall margin. Aerodynamic as well as mechanical constraints are considered in the optimization solution. The prediction model for estimating the performance characteristics, such as efficiency, weight and stall margin, of the compressor stage is presented. The present design optimization procedure can be applied to a multi-stage compressor.     

径向导叶与空间导叶的优劣分析与试验

对某一参数的节段式多级泵导叶进行研究。通过数值模拟对比分析传统的径向导叶(正、反导叶)与空间导叶对泵性能的影响并进行试验验证。以通用CFD软件NUMECA为计算平台,分别对叶轮加径向导叶及空间导叶流场进行分析,发现空间导叶在大流量区容易获得较好性能,但在小流量区损失较大,扬程曲线容易出现驼峰。在小流量区径向导叶性能要优于空间导叶。