体现裕度定制思想的轴流压气机二维特性预估方法

为实施裕度定制，本文开发了能够体现裕度定制思想的轴流压气机二维特性预估方法。精细考虑了前后缘形状、最大弯度位置等，尤其是通过考虑叶片力而全面包含掠影响是本方法的重要特色。为初步验证本方法，对NASA37和NASA67转子进行了性能预估并与试验结果进行了对比。结果表明，本方法基本可靠，可以用于裕度定制目的。     

一种对转涡轮性能基本分析

借鉴Stewart关于对转涡轮的效率分析方法,从速度三角形基本分析入手,以速功比为主要变量,通过与一级高压一级无导叶低压涡轮对转涡轮的比较,考察一级高压两级低压第一级无导叶对转涡轮性能特点。研究表明:各转速比下,后者对转涡轮高效率对应的总速功比范围都比前者对转涡轮窄,但其高效区发生在更小的总速功比区域;随转速比绝对值增加,两种涡轮高效率区都增加,且其位置均偏向更大的总速功比区域;相比于前者对转涡轮,后者对转涡轮具有较低出功比,且偏向于低速功比区域;随转速比绝对值增加,两种对转涡轮出功比范围均拓展。     

贫预混燃烧室化学反应器网络模型建模及不确定性分析

基于CFD三维数值模拟结果的化学反应器(CRN)网络模型方法具有快速预估燃烧室NOx排放的特点。研究通过CFD数值模拟手段获得了贫预混燃烧室流场、温度场等特征分布,基于燃料空气掺混特性、速度场、温度场、OH分布以及达姆科勒数,燃烧室被离散划分为预热区、火焰锋面区、火焰过渡区、后火焰区、中心回流区以及角回流区,建立了复杂的CRN模型表征燃烧室内部的流动特征和火焰结构。以贫预混燃烧器为对象,与实验结果进行了对比验证。通过敏感性和不确定性分析获得了反应区域停留时间和烟气回流比例等关键参数对NOx排放的影响规律。结果表明:CFD-CRN混合方法更适用于在高当量比条件下贫预混燃烧室NOx排放的快速有效预测。在相同扰动强度的条件下,反应预热区域和火焰锋面区域的停留时间扰动对CRN模型预测NOx的生成量和稳定性影响更显著。CFD-CRN混合方法应明确在较高的绝热火焰温度条件下烟气回流比的准确性计算及其对NOx生成的显著影响。      

基于交叉射流与切向旋流的CH_4柔和燃烧特性对比

轴向分级柔和燃烧器中,采用了交叉射流、切向旋流两种掺混方式,通过实验结合数值计算的方法,从流场和组分分布角度比较了两种掺混方式的掺混特点,从火焰特征、NO/CO排放方面比较了燃烧性能.实验以甲烷为燃料,热功率为16.2~25.9kW,相对切向旋流,交叉射流延缓了燃料、空气的直接混合,燃料、空气燃烧前经回流烟气充分预热和稀释,火焰根部有抬升,反应区体积大,火焰特征更接近柔和燃烧.同时,交叉射流分级燃烧器的污染物排放性能更优,回流比例为0.5、当量比为0.6时,烟气中NO和CO体积分数均仅为4×10-6.     

轴流压气机叶尖片削全工况特性分析

以ROTOR3转子为例,采用数值模拟方法对叶尖压力面片削深度(沿叶片切向)及高度(沿叶片展高方向)进行参数化研究.计算得到60%,80%,90%及100%设计转速工况下的全工况特性曲线,并对100%设计转速工况作了详细的内部流场分析.包括原型在内10种模型计算结果表明:在0～50%片削深度和82%～100%展高内片削使ROTOR3转子堵塞流量、总压比、绝热效率略有提高,失速裕度略有下降,但影响并不十分显著.      

叶尖泄漏掺混损失影响因素分析

借鉴Denton不可压叶尖泄漏损失的理论分析,推导出可压缩流动中叶尖泄漏掺混损失基本关系式,其集中反映了尖区叶表压强、叶尖间隙、泄漏流流量系数及总损失系数影响.在仅考虑泄漏掺混损失情况下,数值分析了叶尖基元负荷、间隙、泄漏流量系数整体水平及其弦向分布等因素对叶尖泄漏掺混损失的影响.结果展示了各因素对叶尖泄漏掺混损失的作用及机理.最后提出一个重要的组合参数,反映了叶片尖部载荷和叶尖间隙的流向分布对叶尖泄漏掺混损失的综合影响.      

冷却涡轮定常/非定常流场的内外耦合快速计算方法

通过源项传递的方法将计算叶片内部流动与冷却的流体网络法与计算叶片外部冷却的源项模拟法耦合起来并嵌入到叶片外部三维气动计算程序中,实现了整个冷却涡轮叶片流热环境的快速模拟.基于此方法编写了计算机程序CTUCP.首先将程序应用到涡轮静叶栅C3X的定常冷却计算中,并与CFX的计算结果进行了对比,结果表明:CTUCP计算稳定、计算速度要快一个数量级以上,并且对叶片表面前缘之外区域的温度分布总体趋势预测基本相符.然后将程序应用到C3X脉动冷却的计算中,计算了两种冷气进气脉动幅度下叶片的冷气与壁温脉动特点.      

叶身融合技术在涡轮中的应用

将叶身融合技术进一步应用于涡轮,探索其技术应用效果.为此,以TTM-stage为原型,施加7种不同的叶身融合模型,并采用数值模拟方法进行了对比研究.结果表明:前缘融合面可削弱马蹄涡;侧融合面可削弱角区分离;对静叶实施融合使动叶进口总温附面层厚度降低,在通道涡作用下高总温流体被部分推离,明显降低了轮毂壁温.      

超临界二氧化碳压缩机特性数值模拟

以某小流量超临界二氧化碳(SCO_2)离心压缩机为例,开展了近临界点SCO_2压缩机多工况数值模拟。研究发现:物性表格的分辨率对流场的计算结果影响较大,尤其是在冷凝区域,同时,物性的剧烈变化导致流场高梯度、强非线性使得近临界点SCO_2压缩机数值模拟存在极易发散的问题。通过精细调节物性表格分辨率以及库朗数等数值参数获得了多工况范围内的收敛解,与实验数据对比的结果表明:5×10~4 r/min转速下设计点进口工况最大相对误差为9.1%。设计了某5MW级热功率SCO_2布雷顿循环主压缩机并完成三维数值模拟。在保证效率基本不变的前提下,通过调整后弯角并与其他几何参数匹配,实现了压缩机压比及喘振裕度增加,并抑制了吸力面冷凝区域的发展。     

天然气燃料分级燃烧中NO_x排放特性分析

为了获得燃料分级比例与烟气排放之间的变化规律,基于燃料分级概念,结合数值模拟和实验研究的手段对以CH_4为燃料的轴向燃料分级燃烧中NO_x排放特性进行了研究。建立燃料分级化学反应器网络模型,研究了停留时间和燃料分级比例对NO_x排放的影响,对燃料分级燃烧中的NO_x反应途径进行了分析,并通过调节参与再燃的烟气比例分析了二级燃料与烟气的掺混性能对NO_x排放的影响。针对燃料分级模型燃烧器,实验测量了不同燃料分级比例和不同二级燃料流量下的NO_x排放。结果表明,燃料分级缩短了烟气在高温区的停留时间,抑制了热力型NO的生成;在再燃区燃烧反应初始阶段二级燃料与高温烟气形成还原性气氛,通过NO再燃还原了主燃烟气中的NO;在一定的总当量比工况下,燃料分级比例的增加降低了出口的NO_x排放,提高了NO_x排放中NO_2的比例。与二级燃料进行掺混反应的烟气量过少会形成再燃区的局部高温,导致NO_x排放增加。