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小型燃气轮机传热效应研究

龚建波  
【摘要】: 伴随着小型燃气轮机日益广泛的应用以及其尺度的不断缩小,燃机传热效应越来越明显,此时若对气体流动过程继续沿用绝热的处理方法,必导致燃机的设计估算误差。热量从燃机高温端(主要是透平)传入低温端(主要是压气机),会带来一系列的副作用,包括压气机、透平乃至燃机整体性能都会受到影响。本文的主要内容即是针对非绝热“背靠背”小型燃气轮机,研究内部传热效应对性能的影响,通过热力学模型分析,阐述其传热机理,建立非转实验台,以CFD、实验等手段对燃机传热现象进行模拟和验证,进而考查相关隔热措施,指导改进非绝热小燃机设计。 首先,本文在前人工作的基础上,推导分析了压气机和涡轮非绝热运行工况热力学模型。基于一定假设,定义三种不同的效率表达式,即为绝热效率、非绝热效率和传热效率。发现测量效率(即非绝热效率)不能准确反映部件的实际气动能力,它对压气机和涡轮实际气动效率的估计均存在偏差,而传热效率可视为实际气动效率。文章具体分析了影响各种效率改变的因素及变化趋势。 本文采用ANSYS CFX软件对MarkⅡ叶片进行流热耦合验证计算并与实验值比较,研究表明虽然流热耦合计算的精度受湍流模型、转捩模型、网格密度等诸项因素制约,但相比非耦合计算,其结果更加接近真实值,完全满足工程计算要求。流热耦合计算的准确应用,将大大推动非绝热燃机的设计效率。 本文以真实“背靠背”小燃机为模型,以相似准则为基准,自行设计了非转模型实验台,并且搭建了实验台软硬件测试系统。基于非转实验台进行传热实验考查,测量了不同工况条件实验件压气机、涡轮通道的壁面温度分布,并与数值计算结果进行对比,两组结果吻和得较好,进一步验证流热耦合计算的有效性。另一方面,考查了不同隔热方式的隔热效果,发现降低空隙辐射强度是工程上较为有效和可行的一种方法,从而给真实燃机的隔热设计提供了参考。 本文针对某“背靠背”80kW非绝热小燃机建立三维整机计算模型,进行了CFD数值模拟。对比不同计算方式结果发现,绝热计算与耦合计算对流场影响的差别主要体现在温度场的不同上,而对流场内的压力场及其他参数影响不太明显。同时对有无隔热情况也进行了耦合计算比较,可以看到,采用有隔热耦合计算,燃机热效应明显减弱,这又一次验证了隔热设计对非绝热燃机的有效性。 最后,为了使压气机性能与透平更好地相匹配,对非绝热压气机修改设计指标,并尝试进行了气动改进设计。新设计压气机提高了通流能力,并且减小了扩压器尺寸。计算结果表明,改进设计的压气机传热效应有所降低,取得一定效果。


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