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研究所压气机内部流动研究取得多项成果
发稿时间:2014-05-16         作者:杜娟          来源:能源动力中心     【字号:

  由于燃气轮机具有高技术集成的特征,其设计和制造受到跨国燃气轮机集团的联合限制和垄断,因此,燃气轮机技术已成为一个国家综合国力和科技水平的象征。我国“十二五”期间将燃气轮机作为主要攻克任务之一,作为燃气轮机三大部件之一的压气机,其设计和稳定运行技术是其中的主要课题。在航空推进技术方面,由于追求高推重比、低油耗、宽失速裕度的要求,单级动力载荷的水平不断攀升,缩级和级匹配对内部流动的稳定性提出了更高的要求;另一方面,我国发电能源以煤为主的格局仍然不会改变,低热值煤气流量占据主流量1/3份额的现状将引起透平逼近堵塞流量,在保持燃机功率不变的条件下,压气机的运行点逼近失速或喘振边界的客观事实对压气机提出了拓宽稳定性边界的新要求。 

  目前,我国多能源互补的措施已见雏形,中小型燃气轮机在冷热电并供、分布式发电、快速响应调峰动力、移动电源等装置中广泛应用,如何让中小型燃气轮机在频繁的起停过程中保持稳定,对科研人员提出了挑战。诠释压气机内部流动的失稳机理,并提出有效的控制方法是各类燃气轮机面临的共性问题,也是本研究领域科研人员一直为之努力的目标。 对风扇/压气机扩稳技术的探索起源于20世纪50年代,其过程与失稳机理的研究交替进行,相互促进。最早认识失速机理的代表性成果是1955年提出的Emmons模型,在此基础上,发展了以消除堵塞为目的的放气技术。第二个代表性成果是1986年前后形成的M-G模型,该模型从系统动力学的视角来研究失速,成功预测了压气机气动稳定性与沿压气机周向传播的先兆波发展具有关联性。基于对先兆波的认识,以抑制先兆波为目的的闭环主动控制系统应运而生,主要控制手段有可调IGV和叶顶喷气。但是,由于信号感应的高频响要求、控制反馈函数复杂、动作机构鲁棒性要求高,迄今为止,主动控制技术仍基本停留在实验室阶段,没有取得真正的工业应用价值。近期研究揭示,叶顶间隙区域的复杂端区流动是引起压气机流动失稳的主要原因,在此基础上,麻省理工学院的Vo等人还提出了突尖型失速先兆发生的判定准则。 

  研究所能源动力研究中心近20年来一直从事风扇/压气机非定常流动机理和失稳控制方面的基础性研究工作,对动叶顶部间隙泄漏流的非定常特征开展了一系列数值模拟和实验验证工作。针对多台低速和跨音速轴流压气机,开展了叶顶泄漏流非定常时空特征和和波动机制的研究,证实了叶顶泄漏流周期非定常性的普遍存在性,提出了压气机节流过程中叶顶泄漏流三段发展模式的说法。在前期工作基础上,受国家自然科学基金委重大国际合作与交流项目“风扇/压气机动叶端区复杂流动结构、非定常激励与失稳调控的基础研究”资助,研究团队进一步结合数值与实验方法,以叶顶端区流动的时空特征为切入点,对轴流风扇/压气机失稳过程中动叶端区复杂流动的演变过程开展了研究,并在此基础上发展了以空间和时间激励为手段的失稳调控方法,近期取得了以下三项主要成果:(1)揭示了风扇/压气机失稳过程中动叶端区流动时空特性的演化规律及其与失速先兆类型之间的关联特性;发展了包含真实复杂叶片造型因素在内的风扇/压气机失速起始预测模型,为风扇/压气机设计阶段提供了稳定性判断依据;(2)在空间几何结构激励方面,主要关注周向槽和轴向缝两种经典的机匣处理扩稳方法。在机理层面,澄清了周向槽和轴向缝几何参数对叶顶端区流动时空特征的影响,及其与稳定性和效率的关系;在设计方法层面,发展了一套控制体分析法用以鉴别各种机匣处理方案的扩稳与增效作用,进而指导机匣处理的结构设计;(3)在非定常激励策略方面,实验研究了自循环引气-喷气装置的扩稳效果。揭示了不同喷气量的扩稳机制,并研究了自循环引气-喷气装置的引气角度和喷气偏航角度对压气机稳定性和效率的影响规律。结果表明自循环引气-喷气方法能够获得扩稳和增效的双重目的,具有很好的工程应用前景。 

  相关研究结果已发表在国际知名杂志Journal of TurbomachineryJournal of Propulsion and Power上,研究团队承担的国家自然科学国际合作与交流项目也在项目终期汇报中获得好评。 

 
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