基于全通流的湿压缩燃气透平非稳态多物理场耦合研究

Wet compression of compressor can effectively increase the power output of gas turbines, but also can reduce the pollutant emission of combustor to meet the more and more stringent emission index which has aroused great interest of the major global gas turbine manufacturers and research institutions. Because of the complex characteristics of unsteady multi-physics field coupling in gas turbine flow field, and mutual influence and strict matching requirement between components, it’s very necessary to take the thorough flow parts as an integrated whole in gas turbine study. At present, numerical methods are mainly used to solve wet compression problems based on the steady flow in an isolated compressor, without considering the influence of wet compression on the unsteady multi-physics field coupling in components of compressor, combustor and turbine in a thorough flow. Computation fluid dynamics method is used to establish systematically the model of unsteady multi-physics field coupling under complex thorough flow to study the wet compression cycle of a gas turbine, focusing on discussing the effect of wet compression on the overall and component performance of gas turbines, and on the production of NOx and other pollutants generated in combustor. The research results will provide beneficial reference for renovation and design of gas turbines with wet compression, and for the technique of suppression of pollutant emission by water injection.

湿压缩技术能够有效增加燃气透平装置的功率输出，还可以降低燃烧室污染物排放，从而满足越来越严格的排放指标，已引起全球主要燃气透平制造商及研发机构的极大兴趣。由于燃气透平内部流场具有非稳态、多物理场耦合等复杂特性，并且各部件之间存在相互影响及严格的匹配要求，因此，在燃气透平研究中将各通流部件作为一个有机整体是非常必要的。现有燃气透平湿压缩数值研究方法多基于单一压气机部件内的稳态流动问题，很少考虑全通流条件下湿压缩对压气机、燃烧室和涡轮各部件内的非稳态多物理场耦合的影响。本项目基于计算流体力学方法对燃气透平的湿压缩循环进行研究，系统建立全通流复杂条件下非稳态多物理场耦合模型，重点探讨非稳态条件下湿压缩对燃气透平整体性能及各部件性能的影响，以及对燃烧室NOx等污染物生成的影响机理。研究结果将为湿压缩燃气透平的改造与设计，以及湿压缩抑制污染物排放技术提供有益的参考。

燃气透平压气机湿压缩技术不但能够大大减少压缩耗功、增加装置功率输出，还可以有效抑制燃烧室内污染物的生成、降低排放。本项目旨在采用计算流体力学技术，对全通流复杂条件下的燃气透平湿压缩循环非稳态多物理场场进行耦合研究，获得湿压缩对燃气透平的性能及氮氧化物、碳氧化物等污染物生成影响规律。已完成研究内容及结果包括：1）根据燃气透平湿压缩问题的多相流动与相变传热、传质机理，建立了能够恰当考虑水滴或油滴与气流之间双向耦合的物理模型，较为精确地求解相变过程的传热、传质问题。针对在高速气流中运动水滴的二次破碎现象，建立了水滴与固体壁面的撞击破碎模型，能够较为准确模拟水滴撞击破碎现象对湿压缩性能的影响；2）建立了整机环境下的数值模拟平台，合理考虑动静部件之间及不同部件流体区域多物理场耦合特性及边界条件的差异，将各部件通过复杂的动静交界面、周期性界面、流固交界面等集成，使之较好适应求解旋转部件内高Re数和高Ma数流动流动、燃烧室内低速复杂湍流燃烧化学反应流动，很好实现部件整合的非稳态流动模拟；3）分析得到全通流环境下，湿压缩对燃气透平各部件内流场主要参数的影响规律，对功率匹配和流量匹配特性、压气机压比和透平膨胀比及部件性能的影响规律，及对压气机各级负荷分配影响规律，并分析了湿压缩对耗油率、推力等性能参数的影响规律；4）研究得到了湿压缩对燃烧室主要污染物NOx、CO的影响规律，并给出相应的关系式，给出了湿压缩对NOx的两种生成机理“热力型”和“快速型”的影响规律。本项目研究内容全面、综合性强，结果丰富，可为燃气透平进行湿压缩技术改造及新型燃气透平设计在提高功率、降低油耗、降低排放等方面提供重要参考和思路。研究工作均按照既定计划进行，发表高质量论文共十余篇。