（轮机工程专业论文）三级轴流压气机湿压缩特性数值研究.pdfVIP

j ) 7 i 。c：誊f， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：泺百啼l 日期：f 口年；月岁日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：f 鄹吼导师( 签字) ：御鸭陇 日期： 幻f 1 7 年；月岁日州矿年岁月岁日 l 多飞 、 、 一、 0 ， 哈尔滨工程大学硕士学何论文 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t u r b og r i d 建立了压气机 的几何模型及其计算网格，并采用a n s y sc f x 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。 关键词：湿压缩；三级轴流压气机；两相流；数值模拟 7 ， 丐l a b s t r a c t w e tc o m p r e s s i o nh a sb e e naf o c u si nt h ef i e l do fc o m p r e s s o rd u r i n gt h e s e y e a r sf o rt h ef a c tt h a ti tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i co fg a st u r b i n e a l t h o u g hw e tc o m p r e s s i o nc a nr e d u c et h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo fc o m p r e s s o ra n d c o m p r e s s i o nw o r ku n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，w a t e ri n j e c t i o ni nt h ec o m p r e s s o r w o u l db r i n ge x t r al o s st oa f f e c tt h ee f f e c t so fw e tc o m p r e s s i o n s oi ti sn e c e s s a r y t oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p r e s s o r 、i 也w e tc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt oa n a l y z et h es i d ee f f e c t sb r o u g h tb yw e tc o m p r e s s i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eb a s i ct h e o r yo fw e tc o m p r e s s i o ni se x p l a i n e df i r s t l y , a n dt h eh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n o na r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fw e tc o m p r e s s i o n i si m p r o v e da n dt h er e l e v a n tp r o g r a mi sc o m p i l e di nt h i sd i s s e r t a t i o na c c o r d i n gt o t h er e l e v a n t k n o w l e d g eo ft h e r m o d y n a m i c s b ya p p l y i n gt h i sm o d e l ，t h e i n f l u e n c e so fw a t e rm a s sf l o wr a t e ，p r e s s u r er a t i o ，w a t e rd r o p l e t s d i a m e t e r , c o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y a n dd i f f e r e n t a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e o nt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o m p r e s s o ra r ea n a l y z e d t h e a s s u m p t i o n so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e ll i m i tt h er a n g eo fi t sa p p l i c a t i o n i no r d e rt of u r t h e ru n d e r s t a n d i n gw e tc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y , o nt h eb a s i so ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e o r i e s ，t h eg e o m e t r i c a lm o d e la n dc o m p u t a t i o n a lg r i d sa r e b u i l t 嘶也t u r b og r i di nt h es e c o n dp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n b e s i d e s ，w i t ht h e s i m u l a t i o nm o d e lo fat h r e e s t a g ea x i a lf l o wc o m p r e s s o r , af u l lt h r e e d i m e n s i o n a l c a l c u l a t i o no fd r ya n dw e tc o m p r e s s i o nu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n si s c o n d u c t e db yu t i l i z i n ga n s y sc f x b ys i m u l a t i o n , u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n c o n d i t i o n s ( w a t e rm a s sf l o wr a t ei s1 o ft h ea i rf l o wo ft h ec o m p r e s s o r ) ，t h e i n f l u e n c e so fw e tc o m p r e s s i o no nt h ec o m p r e s s o rc h a r a c t e r i s t i cc u l w e s ，t h eo u t l e t t e m p e r a t u r e ，c o m p r e s s i o nw o r ke t c ，t h ec h a n g eo ff l o wf i e l da n dt h ep a r a m e t e r s ， 一 ： 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 湿压缩技术的研究进展2 1 2 1 湿压缩技术在国外的研究进展2 1 2 2 湿压缩技术在国内的研究进展5 1 3 本文主要研究工作7 第2 章湿压缩的基本理论及微元段计算方法8 2 1 湿压缩过程的基本理论8 2 1 。1 传质过程8 2 1 2 湿压缩过程的熵变8 2 1 3 水滴的蒸发模型9 2 1 4 湿压缩热力过程及效率的定义，1 2 2 2 湿压缩的微元段计算方法及结果分析1 4 2 2 1 湿压缩微元段计算模型1 4 2 2 2 微元段时间出j 的确定1 8 2 2 3 蒸发量及熵变计算1 9 2 2 4 进口加湿计算结果及分析一19 2 3 本章小结“2 4 第3 章湿压缩c f d 数值计算方法基本理论2 6 3 1 流场基本控制方程2 6 3 2 湍流模型及控制方程2 7 3 3 两相流计算模型及控制方程2 9 3 3 1 两相流计算模型”2 9 3 3 2 颗粒相的控制方程3 0 3 4 动静叶交界面3 3 3 5 控制方程的求解3 4 3 5 1 方程的离散和迭代求解方法3 4 3 5 2 边界条件及收敛准则”3 5 一 ，、 l 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 6 本章小结3 6 第4 章不同运行工况下湿压缩数值模拟结果分析3 7 4 1 物理模型3 7 4 2 不同工况下加湿计算结果及分析3 9 4 2 1 不同工况下水滴蒸发比较分析4 0 4 2 2 干、湿压缩特性比较分析4 1 4 2 3 不同工况下湿压缩等熵效率分析4 2 4 2 4 不同工况下湿压缩对压气机出口总温的影响4 3 4 2 5 不同工况下湿压缩对压气机总耗功量的影响4 5 4 2 6 湿压缩对动叶叶尖吸力面分离流的影响4 7 4 2 7 加湿后压气机流场的变化分析r 5 4 4 2 8 加湿后压气机各变量沿轴向的变化分析5 9 4 3 本章小结6 2 第5 章不同加湿条件下湿压缩数值模拟结果分析6 4 5 1 不同水滴直径对湿压缩效果的影响6 4 5 1 1 不同直径的水滴运动轨迹6 4 5 1 2 不同水滴直径对压气机性能参数的影响6 5 5 2 不同加湿量对湿压缩效果的影响6 9 5 3 不同水滴温度对湿压缩效果的影响7 2 5 4 不同大气温度对湿压缩效果的影响7 6 5 5 本章小结一7 9 结论8 0 参考文献8 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 l 致谢9 2 户 户 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 1 1 引言 第1 章绪论 近些年，随着能源危机的影响，燃气轮机作为较新型的热机己经成为新 一代的动力装置，在各个领域都得到了广泛应用，除了应用于常规的航空发 动机、船舶动力装置、地面发电等，近些年还兴起了燃气轮机用作辅机的热 潮，因此如何进一步提高燃气轮机各方面的性能将会是国内外相关研究方向 的热点之一。提高燃气轮的性能总体上可分别通过提高压气机、燃烧室以及 透平的性能，而压气机作为燃气轮机的重要耗功部件，它所消耗的功占透平 总发出功的很大一部分，如果能够提高压气机的工作性能就能有效增加燃气 轮机的输出功。经过多年来人们对压气机内流动规律的研究，目前压气机的 压缩效率已提高到基本满意的程度，那么，如何进一步提高压气机工作的稳 定性、减少压缩功使得人们想到了湿压缩。许多研究者通过对湿压缩技术及 其应用情况的分析，表明该技术对提高燃气轮机性能有很大的潜力，一方面 湿压缩能够有效的降低压气机的出口温度从而增加燃气轮机输出功，另一方 面该技术在一定条件下也能提高燃气轮机热效率，同时还能减少n o x 的排放。 此外，燃气轮机的功率输出与大气环境温度有很大的关联，大气温度每升高 l ，功率输出量就下降0 5 4 - 0 9 e ，这使能够减轻燃气轮机对环境依赖程 度的湿压缩技术倍受各国关注。 尽管人们已经对湿压缩技术进行了不少研究，也已有将该技术投入实践 的案例，但是湿压缩技术本身仍存在许多的理论和技术问题有待于进一步的 深入研究来解决。如建立全面而准确的数学分析模型是湿压缩性能研究的理 论基础，而目前的湿压缩的数学计算模型均是在不少前提假设条件下建立的， 尤其是针对水滴在压气机中的传热传质过程的分析，还没有一套成熟且完整 的应用于湿压缩性能计算的理论数学模型；由于湿压缩过程改变了压气机原 有的工作特性，尤其是加湿后压气机喘振裕度的变化还没有确切的结论，对 1 一 ， 哈尔滨工程 于燃气轮机而言，喘振裕度还和燃气 有压气机特性线特别是对稳定工作的 体的喷水位置、最大喷水量、喷嘴型式、喷嘴特性等喷水环节的研究尽管已 经有相关文献提及，但是如何达到最优的雾化效果和喷水环节的设置都还需 进一步的理论分析和实验研究；此外，在不同工况下喷水后的效果及喷水量 随工况变化该如何控制才能发挥湿压缩的最佳效能以及其他使湿压缩达到真 正实用化的限制因素也都还需进一步的研究和讨论。 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 湿压缩的概念自上世纪4 0 年代末5 0 年代初被提出来以后，早期在美国曾 是一个研究热点，同时前苏联也有相关方面的研究，由于当时对湿压缩过程 认识的不足以及当时技术条件的限制，未能取得预期的研究成果，但还是得 到了一些有一定指导作用的基本结论，如“当其它条件相同时，湿压缩在高 压压气机比在低压压气机中使用效果更好【2 】，等值得后续研究用以借鉴的结 论。2 0 世纪6 0 年代以后，美国对湿压缩的研究逐渐减少，而此阶段前苏联则 继续进行湿压缩的理论和实验研究。 此后，在能源与环境问题的大背景下以及燃气轮机的进一步发展，使得 湿压缩技术再次受到重视，国外尤其是美国涌现了不少将湿压缩技术应用于 燃气轮机以解决燃气轮机在炎热环境下输出功率大幅度下降的问题。1 9 8 9 年， 美国佛罗伦萨州的a t l a s 联合循环电厂对压气机进气道进行喷水，从而补偿由 于高温而造成的动力不足；1 9 9 6 年，u t i l i c o r p 能源集团利用e p r i 的技术在 r a l p hg r e e n 电厂的7 e 型燃气轮机上进行了1 5 0 小时的实验，运行表明燃机装 置功率增加了1 5 5 ，机组效率可提高1 9 ；1 9 9 8 年，美国g e 公司通过向 l m 6 0 0 0 燃气轮机的高压压气机和低压压气机之间喷水，且该技术使 l m 6 0 0 0 p c p d 机组在i s o 条件下的功率提高了9 ，热耗下降约0 5 ；英国南 2 一 一 曩 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 方电力公司也采用了该系统来增加电站的经济效益；1 9 9 9 年，美国德克萨斯 ) l l m a s s e n g a l e 电站在把基于l m 6 0 0 0s p r i n t 的燃气轮机系统联合循环装置投入 商业化运行；2 0 0 0 年，在美国科罗拉多州的f tl u p t o n 安装的- - 台l m 6 0 0 0 燃气 轮机采用对低、高压压气机喷水的技术口】。另外，乌克兰在g t l 5 0 0 0 燃气轮 机低压压气机进口进行了喷水实验，结果表明湿压缩能够提高燃气轮机的效 率；俄罗斯也在湿压缩方面进行了大量的实验和理论研究1 3 。 进入2 1 世纪后，国外陆续仍有不少湿压缩的相关研究。其中有文献分别 针对湿压缩的雾化环节进行研究，如进口雾化的理论( 雾化颗粒的热力学、 传热分析等) 、实验分析【4 7 j 以及燃气轮机进口喷雾喷嘴的性能参数分析和设 计方法【妯】、雾化环节的控制和实际应用【l o 】等方面的分析。也有不少研究者通 过理论或者实验方法对采用湿压缩技术的燃气轮机【d5 】或者单独针对压气机 性能【1 6 - 1 8 进行研究分析。如jhh o r l o c k 1 1 1 研究喷水后压气机的压缩性能，认 为尽管加湿量不大，但由于水滴的连续喷入导致压气机级特性线偏离设计运 行工况，并通过研究压气机的一维偏离设计特性来阐述这些效果。w h i t e 和 m e a c o c k 1 4 】贝0 通过简单的数值方法，研究湿压缩的热力学和空气动力学方 面的内容。他们认为考虑到叶片的寿命，必须避免由于喷入大颗粒水滴引起 的叶片腐蚀；单个压气机级加湿后将运行在非设计工况，前几级向堵塞方向 发展，后几级向失速方向移动；这将降低空气动力学的效率，并且使得最高 效率的范围变窄。此外，文献 1 9 、【2 0 均针对7 e a 燃气轮机的级间喷水分别 利用实验及空气一热力学模型进行研究。文献 2 1 中介绍了燃气轮机加湿后具 体的运行经验，同时着眼于该技术实际应用需要考虑的因素，如水质的要求、 燃气轮机进口除冰、进口管道设计、压气机性能的改变等问题，还为使用者 提供了一个清单来进行雾化系统的设计和应用。 近几年来国外仍继续进行湿压缩相关的研究，也出现了大量的相关研究 资料。对湿压缩的研究方法可以大体分为通过理论分析研究、通过数值模拟 研究、通过实验及实践使用情况研究这三方面。 不少研究者对湿压缩的理论计算方法进行了进一步的研究，通过建立湿 一 一 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 压缩数学计算模型来获得压气机加湿后的性能变化。如文献【2 2 仍使用空气一 热力学计算模型针对7 e a 燃气轮机的级间喷水效果进行研究。计算过程考虑 了在压气机内喷入的水的蒸发效果，包括水滴动力学。通过进口喷雾、过量 喷水和级间喷水的各级压气机性能和整个燃气轮机的性能来阐述这个计算程 序。结果显示喷水位置影响压气机级间负荷的重新分布。s e f a n ob r a c c o 等【2 3 】 从热力学角度研究了湿压缩对燃气轮机的影响，尤其分析了环境条件对装置 性能的影响。计算结果表明湿压缩是个很有效率的技术，它允许在环境变化 比较剧烈的情况下使用燃气轮机。m b i a n c h i 等基于i n f o g t e 计算程序对湿 压缩，。1 ，工4 - 厶匕厅匕进行的分析【2 4 2 5 】，如在文献 2 4 中通过计算程序对湿压缩的各方面 尤其是喷入的水滴尺寸和表面温度对燃气轮机性能和轴流压气机性能影响的 分析。得到“随着喷入水滴尺寸的减小和水温的增加，燃气轮机性能( 输出功 和热效率) 将有所提高；水滴表面的温度增加和水滴尺寸的减少将提高蒸发速 率”等结论。此外，国外还有采用“级堆叠”的理论计算方法【2 6 2 7 】来对湿压 缩进行研究。 另外，还有专门针对加湿后压气机内部叶片上形成的水膜的不少相关研 究 2 8 - 3 2 】。t r o n dgg r t i n e r 等【3 2 】进行了湿空气流的单个叶片动态性能的研究， 该研究将有助于压气机的修改设计和对多相流机理的进一步研究。文献中描 述了空气、水混合物被用作实验流体，湿空气对叶片性能的影响通过不同的 冲角和气体体积的改变进行研究。当液体被引进到流场内，可观察到大量复 杂的物理过程，由于边界层的分离，叶型性能随着增加的液体流量的增加而 下降，使得压气机运行受到限制。并且观察到在叶片周围的一个连续波动， 该连续波可能导致叶轮和扩压器处流动角的改变，也可能由于增加的水滴聚 集而使得多相声速发生改变。并且提到针对湿空气压气机需要对压气机进行 相对应的设计修改。 由于近些年计算机技术和计算流体力学的迅速发展，越来越多的学者将 采用数值模拟的方法对真实流场进行仿真计算。针对湿压缩方面的研究，也 出现了对压气机进口管道及喷嘴方面【3 3 3 4 】、叶栅流场 3 5 - 3 6 、熵产【3 7 及叶片上 的水膜 3 1 j 的模拟计算。r c p a y n e 等【3 5 采用完全欧拉方法，且认为气相为半 4 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 完全气体，进行三维压气机中气液两相流的计算，主要是计算压气机中水滴 的蒸发过程。该方法首先通过计算验证一维管道中的水滴蒸发现象来确定计 算方法的可靠性，进而将其应用于单级压气机流道中，得到由于水滴的蒸发， 湿压缩相对于干压缩轴向速度大幅度减少，且叶片压力分布也发生了全局性 改变的结论。提出需要进一步对与大颗粒水滴有关的速度滑移方面的内容进 行研究。j o b a i d u rr k h a n 及t i n gw a n g e 3 6 】针对一级轴流压气机计算模型，使 用c f d 模拟研究水滴的动力特性和压气机流道内空气一水滴之间的相互作 用，包括水滴的分裂和合并；湿压缩对压气机的叶片流场和热性能的影响； 潜在的对叶片的腐蚀的影响。结果表明水滴颗粒的滑移速度受到叶片加速的 影响很明显，同时，传热过程和水的蒸发率也将受到影响。尽管有过量的的 水，由于颗粒在压气机内的停留时间比较短暂，热平衡很难达到，空气将不 会出现饱和现象；腐蚀将容易发生在动叶前侧的吸力面上；不同的水滴边界 条件的影响很小。 湿压缩的实验与实践应用方面的分析主要通过压气机在线清洗【3 8 1 、实际 湿压缩影响因素【3 9 4 1 1 、雾化及喷嘴实际使用情况【1 ，4 2 】等方面的研究来提高湿 压缩的实用性，对燃气轮机雾化系统的设计者和使用者很有参考价值。k l a u s b r u n 和l u i se d u a r d og o n z a l e z 在文献 3 9 中回顾和分析从历史监控系统中获 得的安装和运行数据；叶片的脏污，腐蚀和蚀损斑的检查；对污垢沉积和动 叶表面的蚀损斑和进口过滤介质的材料分析；回顾进口喷雾和过量喷水的效 果和作用；估计目前存在的在线与不在线的压气机的清洗程序的效果和它与 过量喷水运行的兼容性；也分析了连续的进口喷雾和过量的水对g e 5 0 0 2 燃气 轮机的寿命和性能的影响。h e m a n tg 蛳a r 在文献【4 1 】中说明了如何为重型工 业燃气轮机选择进口冷却系统和插入喷雾冷却系统，并强调必须予以考虑的 一些重要参数和关键点。 1 2 2 湿压缩技术在国内的研究进展 国内对湿压缩技术的研究起步较晚，虽然进行的相关研究相对较少，但 5 ，t o 理论研究，得到了一些有指导意义的结论；此外，实验室目前已初步建设完 成三级轴流压气机湿压缩试验台，这对压气机湿压缩实验在国内的研究发展 很有意义。对湿压缩的研究成果主要包括湿压缩热力循环性能分析f 4 6 巧0 1 、湿 压缩的实验研列5 1 啦】、湿压缩机理及特性分析【5 3 - 5 7 1 、雾化环节的研究【5 8 - 6 0 等。 如文献 5 0 提出了理想湿压缩的定义，将湿压缩对压气机性能影响的理论分 析结果同实验进行对比，获得可通过湿压缩来减少压缩功以改善燃气轮机的 理论，为湿压缩的应用提供理论和实验的参考。文献 5 5 采用能量转移法来 研究燃气轮机进口加湿后的稳定性变化，文献认为湿压缩能够提高压气机稳 定性，由于加湿后的压气机的稳定性是否得到提高目前尚未有统一说法，该 文的研究内容很有意义。文献 6 0 中利用f l u e n t 对直喷、离心式喷嘴的闪蒸 雾化流量进行了数值模拟计算，得到各参数对雾化质量的影响规律。 需要特别关注的是，相对叶轮机械内部流动的数值模拟，国内湿压缩方 面的数值模拟较少【6 卜6 4 1 。文献 6 1 1 采用f l u e n t 对一级轴流压气机的干、湿压 缩进行全三维计算模拟，分析加湿前后压气机流场分布的变化，分析不同喷 水量、不同水滴直径、不同水滴温度条件下湿压缩的效果，为湿压缩的实验 研究提供理论指导。文献 6 2 1 针对两级压气机喷水后的中间连接管道进行数 值模拟计算，通过对干压缩和湿压缩时连接管道的温度场、压力损失、积水 位置等进行分析比较，从而确定理想的喷水位置。孙兰昕等在文献 6 3 】中也 采用f l u e n t 计算一级轴流压气机的可压分离流在加湿以后的变化，结论显示 湿压缩能减轻压气机叶片表面上的分离程度；同时该文也分析了水滴尺寸、 温度和流量及压气机性能参数对压气机级的性能影响。该文作者还在文献 6 4 】 中利用c f x 对两级轴流压气机进行了湿压缩的数值模拟研究，得到了“湿压 缩降低气流温度与比压缩功，提高压比与流量，提高压气机通流能力与压缩 效率”等结论。 6 ，i a 哈尔滨工程大学硕士学何论文 国内的哈尔滨工业大学和7 0 3 研究所等也在湿压缩方面做了不少研究和 应用。如7 0 3 研究所给5 、6 家化工厂的空压机加装了喷水装置【4 3 】；7 0 3 研究 所结合燃气轮机进行蒸发式冷却研究，在s1 a - 0 2 燃气轮机实验装置上也进 行了初步喷水实验【6 5 】。还有不少相关文献【6 5 7 0 1 也比较深刻地分析了湿压缩 的理论特性、热力性能等。此外，有文献【7 l 】针对湿压缩应用在航空发动机上 的情况进行了分析，结果表明湿压缩可以提高发动机的推重比和经济性；文 献 7 2 针对湿压缩在地面燃气轮机方面的应用进行研究，分析了济钢集团 p g 6 5 6 1 l 机组上采用湿压缩后的效果，结果表明该技术能有效的提高燃气轮 机的输出功。 1 3 本文主要研究工作 本文的主要研究内容分为两部分，第一部分是湿压缩过程的理论计算分 析方法，第二部分通过采用数值模拟计算方法对压气机的湿压缩特性进行研 究。具体内容如下： 1 从热力学的角度分析湿压缩过程的传热、传质基本原理，进一步完善 了湿压缩过程的热力学计算模型，给出了湿压缩过程的计算方法，分析了不 同条件下相关状态参数的变化规律。 2 基于某三级轴流压气机叶片成型数据，采用t u r b og r i d 建立计算物理 模型，熟悉a n s y sc f x 流体仿真软件，针对该计算模型，明确计算方法， 进行纯气相的三级轴流压气机叶栅流场的计算。 3 基于各工况下干压缩的计算结果，对压气机在进口加湿后的气液两相 流流场进行数值模拟。对比分析该模型在不同条件下采用湿压缩技术后的效 果，分析某些工作条件下湿压缩可能带来的负面效应。 4 基于设计工况下干压缩的计算结果，对不同进口加湿条件下的压气机 的气液两相流流场进行数值模拟。对比各个加湿条件对湿压缩效果的影响， 为实际湿压缩技术的应用提供理论依据。 7 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 第2 章湿压缩的基本理论及微元段计算方法 r 2 1 湿压缩过程的基本理论 湿压缩技术是指在压气机进口或者在压缩过程中喷入液态颗粒，通过液 态颗粒吸收空气的热量使液体发生相变蒸发，在压气机叶栅内部边冷却空气 边对蒸汽和空气进行压缩的工作过程。虽然理论上湿压缩喷入的液体可以是 水、乙醇、苯等各种液体，但由于液态水相对廉价易得，同时也具有较好的 冷却效果，所以目前湿压缩技术中基本上喷入的液体均为水。 湿压缩过程是个比较复杂的过程，其复杂性主要由于水滴的运动和蒸发 是在流动且被压缩的空气中进行的，使压气机在伴随着水滴与湿空气进行质 量、热量以及动量传递的情况下运行，从而使进行湿压缩的压气机内部的热 力学过程与干压缩过程相比发生了很大的变化。 2 1 1 传质过程 湿压缩过程包含能量传递、质量传递和动量传递。其中的质量传递即传 质，物质系统由于浓度不均匀而发生的质量迁移过程。某一组分在两相中的 浓度尚未达到相平衡即有浓度梯度存在时，这一组分就会由比平衡浓度高的 一相，直至两相间浓度达到平衡为止【7 3 1 。 2 1 2 湿压缩过程的熵变 含l k g 干空气的湿空气以及即将喷入压气机的水的总熵是l k g 干空气的 熵、湿空气中的v k g 水蒸气和w k g 水的熵的总和，如式( 2 1 ) 所示。公式中下 标a 代表干空气，下标v 代表水蒸气，下标w 代表液态水。 s ( r ，p ，o r ) = j 。( 丁，p 。) + w ，( 丁，p ，) + w s 。( 丁，p 。) ( 2 1 ) 在湿压缩过程中，随着水的喷入和压缩过程，空气的含湿量和气体状态 都发生变化，那么各种工质的熵值也相应发生变化，可得如下关系式【6 l 】。 8 ， 属 哈尔滨工程大学硕七学位论文 d s = 矗+ d ( 峨) + d ( w 岱。) = d s a + s ，d v + v d s 。+ w 凼。+ s 。毋w ( 2 2 ) 在湿压缩过程中，由于水的熵变相对量很小，则可假设西。= 0 。则得【6 l 】 d s = d s a + 凡咖+ 砌，+ j 。毋w ( 2 3 ) 由d v = 一d w ，可得 d s = 矗+ ( 邑一乱) 咖+ v 奴 ( 2 - 4 ) 这也就意味着，湿压缩过程的熵变由空气被压缩引起的熵变、蒸发成水 蒸气的水的熵变以及水蒸气发生温度变化后的熵变这三部分组成。 喷入的水滴吸收热量产生相变蒸发，因此水在湿压缩过程中的熵变需要 分段进行计算。相变蒸发过程的熵变为液态水的熵变、气化过程的熵变和蒸 汽的熵变之和，即 & 一= 一+ 吾 ( 2 5 ) 上g 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 4 ) 可得 d s = d s a + v d s v + ( s v - - + 知咖 ( 2 6 ) 工g a s = 2 - s 1 - t - v 2 s v 2 一h j ，l + v 2 s 。2 一h s 。l ( 2 - 7 ) 若假设干空气为理想气体，则有 驴铲1 1 1 詈一驴等 ( 2 8 ) 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 7 ) 可得 虹i n 一r gi n 鲁峭z w t 哪 ( 2 - 9 ， 2 1 3 水滴的蒸发模型 湿压缩与常规压缩过程相比最明显的不同就是该过程加入了水滴这一对 于空气的另一个相，正是该第二相的出现与空气之间的传质传热，使得压缩 过程发生了很大的变化，而水滴蒸发过程是影响两相之间的传质传热的具体 体现，所以要建立全面而准确的计算模型，必需建立一个可靠的水滴蒸发模 9 矿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 型。从理论上讲，水滴的蒸发量除了与喷水量、水滴的直径、水滴的温度、 水滴在压气机内的运动时间有关，还与压气机内的空气温度、压力、湿度、 运动速度有关。目前，国内比较成熟的水滴蒸发模型有两种：以度差作为传 质驱动势及以v ( 一r ) 作为传质驱动势。 以度差作为传质驱动势时，该度差分别包括密度差和压力差。湿压缩过 程发生的是强制性对流传质，一方面由于流场中的浓度梯度的存在，水滴将 以分子扩散的方式进行质量的传递；另一方面水滴跟随空气的流动进行运动。 水滴的传质速率可表示成【4 3 】： 锄7 衍。嵩( p s p m s ) 彳( 2 - 1 0 )j 工 式中：七，对流传质系数，m s m 水滴质量，蝇 p 。水滴表面的水蒸汽分压力，p a p 。空气流中水蒸汽的分压力，p a r 。水蒸汽的气体常数，j k g k 彳水滴表面积，m 2 d 口水滴直径，m 由式2 1 0 可知，若要确定水滴的蒸发速率，就需要确定系数k ，即水滴 与空气间的对流传质系数，而针对湍流情况下的流场，该系数的确定非常复 杂，由于其具体机理未知，一般则只能采用经验公式或类比的方法来计算对 流传质系数。 由鼢：华：2 + o 6 如0 5 s c 0 3 3 4 3 可得 u k 。：坠二r x ? “0 型5 , - , 03 3xx(2-11) d p 式中：尼对流传质系数，m s d 。水滴直径，m l o ， a d 分子扩散系数，m 2 s 尺耐水滴的雷诺数，r 。，：d p u p 流体的施密特准数 且当颗粒被看成理想球体时，可得 a = 万以2 ( 2 1 2 ) 又由文献【7 4 】得 肚2 鹏圳巧( 半 ( 剖1 。7 5 则由式( 2 一l o ) 可得单个水滴蒸发速率为： 州拈2 川巧州半) ( 志) 1 7 5 ( p $ 一p r o s ) 绁铲 ( 2 - 1 4 ) 若喷入的颗粒数为，2 ，则由式( 2 一1 4 ) 可得刀个水滴的蒸发速率为： 烈删拈2 0 9 x 1 0 屯咧半( 南1 7 5 ( 只训绁筹塑 ( 2 - 1 5 ) 以广义热力学力v ( - t t ) 作为传质驱动势时( 其中为化学势，r 为温 度) ，水滴的传质速率可表示成【4 3 】： 塑d t = 研譬一争+ ( 争一争幽 ( 2 - 1 6 ) “t正7 。、五乙川“ 、1 u 7 式中：b 以v ( 叫卵为驱动势时水蒸汽在空气中的传质系数，k g k s m 4 互，乙分别为水滴和空气主流的温度，k l 。水滴表面水蒸汽的化学势( 正所对应饱和蒸汽化学势) ，j k g l 水滴的化学势，j k g 胁空气中水蒸汽的化学势，j k g 彳水滴表面积，m 2 考虑到水滴表面附近的蒸汽可以认为处于饱和状态【3 3 】，所以该计算模型 亡 a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可忽略水分子由水滴内部向水滴表面迁移的驱动势，仅考虑水滴表面向空气 主流迁移的驱动势对水滴蒸发所作的贡献，同时将水蒸汽看作理想气体，则 ( 2 一1 6 ) 式可写为： 鲁柏 等一等+ ( c p , - r , ) h a 鲁袱。h 尝卜 c 2 1 7 ， 式中：，水滴表面饱和蒸汽的焓值，j k g k 空气主流中水蒸汽的焓值，j k g c 。水蒸汽的定压比热容，j k g k r 。水蒸汽的气体常数，j k g k p l ，水滴表面饱和蒸汽的密度，k g m 3 氏空气主流中水蒸汽的密度，k g m 3 与度差作为传质驱动势类似，以广义热力学力作为传质驱动势计算蒸发 速率，其对应的传质系数b 的确定也比较困难，通过实验来确定也比较困难， 且工作量大，文献 6 7 】中提供了根据湿球温度下水滴和空气的传热传质平衡 分析得到的关于b 的拟合公式。 本章的湿压缩计算模型将采用以度差( 如密度差、压力差等) 作为传质驱 动势的水滴蒸发速率计算模型来计算湿压缩过程中的水滴蒸发速率，从而确 定水滴的蒸发量。 2 1 4 湿压缩热力过程及效率的定义 在热力学上，湿压缩过程在理论上的t - s 图如图2 1 所示。其中1 - 2 过 程表示实际干压缩过程；l - 2 w 过程表示先冷却后压缩的湿压缩过程；1 - 2 s 过程表示等熵压缩过程；1 - 2 t 过程表示等温压缩过程。 1 2 广 庸 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 t l 图2 1 湿压缩过程的温熵示意图 由于湿压缩过程在应用恰当的情况下能节省功，甚至耗功量小于理想干 压缩情况下的功，那么原本定义的压缩效率在这种情况下将会大于1 ，所以 需要定义新的应用于湿压缩的效率。 与常规的压缩效率不同的有如下两种湿压缩效率的定义。 等熵湿压缩效率，即用等熵湿压缩的压缩功代替理想干压缩的压缩功来 与实际湿压缩的压缩功作比较，从而来形成新的压缩效率的定义。该压缩效 率用来表示实际湿压缩过程接近等熵湿压缩过程的程度，一般该值小于1 。 其表达式 5 3 1 为： 驴监 ( 2 一1 8 ) 驴嚣 忆1 引 式中：等熵湿压缩耗功值，k w w w 实际湿压缩耗功值，k w 相对效率，该效率和等熵湿压缩效率的定义类似。该效率表达了实际湿 压缩、实际干压缩过程压缩功的偏离量与理想湿压缩、实际干压缩过程压缩 ，- 一 哈尔滨下程大学硕十学位论文 功的偏离量的比值。其表达式【5 3 】为： r , d = 万w - 瓦w w ( 2 一1 9 ) 式中：实际干压缩的耗功量，k w 本文第四、五章采用的效率定义即为等熵湿压缩效率。但是，本章中由 于多微元段理论计算模型的假设前提，在编程时采用的效率仍假设为加湿后 干空气的等熵干压缩效率。 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 该计算方法认为整个压缩过程可被看作是由无数多段小的压缩过程组 成，由于湿压缩过程同时存在水滴蒸发和两相流问题，使得湿压缩的机理变 得复杂，其复杂性主要在于水滴跟随空气的运动和蒸发过程，同时，水滴在 几何复杂的叶栅流道内可能相互碰撞、聚合或再次分裂，也有可能与压气机 的机匣、轮毂、叶片表面发生碰撞后附在该表面被导入排水系统或者逐渐蒸 发，也可能有部分与动叶叶片表面碰撞的水滴被再次甩入空气流中，继续跟 随空气蒸发流动；另外，空气流中出现了液态工质后，对空气主流也会产生 反作用，所以在水滴的不规则运动和蒸发过程中，伴随着压气机对工质及两 相工质之间热量、质量和动量的传递。若同时考虑压缩过程与水滴对空气的 冷却过程在理论上并不容易，若可以将压缩与冷却过程分开来考虑，即认为 空气和已经蒸发成水蒸气的水在某一微元段内被压缩，在该微元段后空气和 水蒸气与水发生传热被水冷却降温促成水蒸气的蒸发和空气的降温，然后再 在下一个微元段内进行气体工质压缩，再在微元段后被液态水滴进行冷却， 以此类推，直至整个压缩过程结束。将整个压缩冷却过程分成若干段，当微 元段段数趋于无穷的时候，该计算方法的结果就很接近与边压缩边冷却的压 缩过程。 1 4 产 一 哈尔滨下程大学硕士学位论文 t s 图2 2 微元段计算模型t - s 示意图 微元段计算过程的t - s 图如图2 2 所示，为简化计算过程，假设进口管 道内的加湿冷却过程不予考虑，如果需要考虑的话，只需要改变该计算程序 的相关进口参数即可，此外，在应用该计算模型时还有如下假设条件：( 1 ) 假设湿压缩与干压缩的压比相同，且不考虑由于湿压缩引起的空气质量流量 的改变；( 2 ) 假设每一微元段的压比平均分配，即若