三级轴流压气机湿压缩特性数值研究

摘要

湿压缩技术能够有效提高燃气轮机的性能，近些年该技术成了压气机领域的一个热点。在一定条件下，湿压缩虽然能够降低压气机的出口温度并减少压缩功，但喷水后会对压缩过程造成额外的损失，将使湿压缩的效果趋于不利，所以需要进一步研究压气机的湿压缩性能，尤其需要针对湿压缩可能带来的负面作用进行分析。
　　 本文首先对湿压缩的基本理论知识进行阐述，并且着重分析了湿压缩过程的传热传质现象。在湿压缩过程的理论分析基础上，改进了湿压缩数学计算模型，并进行了编程计算。利用该计算模型，分别对不同的加湿量、压比、水滴直径、干压缩效率以及不同大气温度工况下湿压缩的性能进行研究。
　　 由于该理论计算模型建立的前提是基于一系列假设条件的，使该计算模型的应用具有一定的局限性。为对湿压缩过程进行进一步分析，本文第二部分在湿压缩数值模拟基本理论的基础上，通过应用Turbogrid建立了压气机的几何模型及其计算网格，并采用ANSYSCFX对某型三级轴流压气机在不同工况下的干、湿压缩过程进行了三维数值模拟计算。利用计算结果，本文对在不同工况下（1％加湿量）压气机加湿前后的特性线、出口温度、功耗等变量的变化规律及压气机流场分布、各变量沿轴向的变化情况进行了比较分析；文中将动叶叶尖的分离情况作为湿压缩影响压气机稳定性的分析依据，从而分析了湿压缩对压气机稳定性的影响。此外，本文还针对该计算模型来计算分析不同颗粒直径、加湿量、颗粒温度及大气温度下应用湿压缩的效果。
　　 从计算结果可知，压气机的工作点和加湿条件对湿压缩的效果影响很大，尤其在低转速、大流量工况下湿压缩很可能会带来负面影响，同时在应用湿压缩技术时需要针对具体的压气机来选择最优的加湿条件。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 湿压缩技术的研究进展

1.2.1 湿压缩技术在国外的研究进展

1.2.2 湿压缩技术在国内的研究进展

1.3 本文主要研究工作

第2章 湿压缩的基本理论及微元段计算方法

2.1 湿压缩过程的基本理论

2.1.1 传质过程

2.1.2 湿压缩过程的熵变

2.1.3 水滴的蒸发模型

2.1.4 湿压缩热力过程及效率的定义

2.2 湿压缩的微元段计算方法及结果分析

2.2.1 湿压缩微元段计算模型

2.2.2 微元段时间Δti的确定

2.2.3 蒸发量及熵变计算

2.2.4 进口加湿计算结果及分析

2.3 本章小结

第3章 湿压缩CFD数值计算方法基本理论

3.1 流场基本控制方程

3.2 湍流模型及控制方程

3.3 两相流计算模型及控制方程

3.3.1 两相流计算模型

3.3.2 颗粒相的控制方程

3.4 动静叶交界面

3.5 控制方程的求解

3.5.1 方程的离散和迭代求解方法

3.5.2 边界条件及收敛准则

3.6 本章小结

第4章 不同运行工况下湿压缩数值模拟结果分析

4.1 物理模型

4.2 不同工况下加湿计算结果及分析

4.2.1 不同工况下水滴蒸发比较分析

4.2.2 干、湿压缩特性比较分析

4.2.3 不同工况下湿压缩等熵效率分析

4.2.4 不同工况下湿压缩对压气机出口总温的影响

4.2.5 不同工况下湿压缩对压气机总耗功量的影响

4.2.6 湿压缩对动叶叶尖吸力面分离流的影响

4.2.7 加湿后压气机流场的变化分析

4.2.8 加湿后压气机各变量沿轴向的变化分析

4.3 本章小结

第5章 不同加湿条件下湿压缩数值模拟结果分析

5.1 不同水滴直径对湿压缩效果的影响

5.1.1 不同直径的水滴运动轨迹

5.1.2 不同水滴直径对压气机性能参数的影响

5.2 不同加湿量对湿压缩效果的影响

5.3 不同水滴温度对湿压缩效果的影响

5.4 不同大气温度对湿压缩效果的影响

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢