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离心压气机扩稳实验及数值研究

刘海清  
【摘要】:以微小型燃气轮机为核心的热电联产系统由于其环境友好性,供电可靠性以及对电负荷和热负荷不同需求良好的适应性成为分布式能源系统中最具有潜力的发展方向之一。应用于热电联供的小型燃气轮机由于蒸汽回注而要求拓宽离心压气机的稳定工作范围,本文在此背景下开展了离心压气机扩稳的实验和数值模拟研究。 本论文以实现小型燃气轮机用离心压气机扩稳为目标,分别对离心压气机带有叶扩压器、带无叶扩压器两种情况时的叶轮喉部放气机匣和扩压器进口喷蒸汽机匣进行了系统研究。 实验包括两部分:1)带有叶扩压器离心压气机部分。光壁实验结果表明随着转速升高有叶扩压器稳定性变差;叶轮喉部放气使得在80%转速下该压气机流量裕度改善量(SMI)为4.32%,90%转速下流量裕度改善量为3.18%;扩压器进口喷蒸汽,8个喷嘴均布安装在扩压器盖侧,在各转速下,流量裕度改善量与蒸汽喷射量间不呈单调递增或递减的关系,而是各存在最优值。2)带无叶扩压器离心压气机部分。叶轮喉部放气导致80%转速下该压气机流量裕度改善量为-0.55%,90%转速下,流量裕度改善量为2.24%;90%转速下,当喷嘴为4个非均布时,扩压器进口喷蒸汽导致压气机提前失稳,并且蒸汽量越大离心压气机的失稳点流量越大。 为了进一步研究离心压气机的失稳机理,针对带无叶扩压器的离心压气机,采用三维粘性定常CFD方法对90%转速下扩稳前后的压气机特性进行了详细的数值模拟,并与实验结果进行了对比分析。采用叶轮喉部放气后叶轮相对速度扩散比增大、叶顶载荷减小,改善了压气机内部流动并实现扩稳;适当增大蒸汽的喷汽量(不大于4g/s)会改善扩稳效果,但蒸汽量过大(10g/s)会导致离心压气机性能急剧恶化,这是由于过大的蒸汽量会破坏蒸汽的附壁效应、干扰无叶扩压器内主流流动而导致扩压器失稳。


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