基于ANSYS燃气轮机排气引射器优化设计.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4537-4548 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125413 文章引用文章引用:尹思杰,温华兵,童宗鹏.基于 ANSYS 燃气轮机排气引射器优化设计J.建模与仿真,2023,12(5):4537-4548.DOI:10.12677/mos.2023.125413 基于基于ANSYS燃气轮机排气引射器优化设计燃气轮机排气
2、引射器优化设计 尹思杰,温华兵,童宗鹏尹思杰,温华兵,童宗鹏 江苏科技大学能源动力工程学院,江苏 镇江 收稿日期:2023年7月25日;录用日期:2023年9月7日;发布日期:2023年9月14日 摘摘 要要 为了探究最佳尺寸的排气引射器对燃气轮机箱体的冷却效果,应用计算流体动力学理论,建立某船用燃为了探究最佳尺寸的排气引射器对燃气轮机箱体的冷却效果,应用计算流体动力学理论,建立某船用燃气轮机箱装排气引射器体模型,并通过气轮机箱装排气引射器体模型,并通过ANSYS对不同喷嘴距以及不同混合室直径的船用燃气轮机排气引对不同喷嘴距以及不同混合室直径的船用燃气轮机排气引射器进行仿真。结果表明,随着喷嘴
3、距的增加其引射效率在不同混合室直径下变化规律不一,较小混合射器进行仿真。结果表明,随着喷嘴距的增加其引射效率在不同混合室直径下变化规律不一,较小混合室直径的引射效率变化不明显,而较大混合室直径变化规律先增加后逐渐变化不明显,当喷嘴距达到室直径的引射效率变化不明显,而较大混合室直径变化规律先增加后逐渐变化不明显,当喷嘴距达到1 m时效果最好;而随着混合室直径增加,不同喷嘴距其引射系数变化规律都先增加后减少,当混合室直径时效果最好;而随着混合室直径增加,不同喷嘴距其引射系数变化规律都先增加后减少,当混合室直径为为1.8 m时时为最佳。当船用燃气轮机排气引射器选用喷嘴距为为最佳。当船用燃气轮机排气引
4、射器选用喷嘴距为1 m,混合室直径为,混合室直径为1.8 m时,能够达到最时,能够达到最大的引射效率为大的引射效率为38.12%,此时对于箱体的冷却效果为最佳,其满足了工业型燃气轮机零组件的使用要,此时对于箱体的冷却效果为最佳,其满足了工业型燃气轮机零组件的使用要求和天然系统的防爆要求和天然系统的防爆要求求。关键词关键词 燃气轮机排气引射器燃气轮机排气引射器,仿真仿真,混合室直径混合室直径,喷嘴距喷嘴距 Optimization Design of Gas Turbine Exhaust Ejector Based on ANSYS Sijie Yin,Huabing Wen,Zongpeng
5、 Tong College of Energy Power and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu Received:Jul.25th,2023;accepted:Sep.7th,2023;published:Sep.14th,2023 Abstract In order to explore the cooling effect of the exhaust ejector with the best size on the gas turbine box,the compu
6、tational fluid dynamics theory was applied to establish a model of the exhaust ejector installed in a marine gas turbine box,and the exhaust ejector of marine gas turbine with different nozzle spacing and different mixing chamber diameter was simulated through ANSYS.The results show that as the nozz
7、le distance increases,the variation of injection efficiency varies under dif-尹思杰 等 DOI:10.12677/mos.2023.125413 4538 建模与仿真 ferent mixing chamber diameters.The change in injection efficiency is not significant for smaller mixing chamber diameters,while the change in diameter of larger mixing chambers
8、 first increases and then gradually changes.The best effect is achieved when the nozzle distance reaches 1 m;as the diameter of the mixing chamber increases,the variation pattern of the injection coefficient for different nozzle distances first increases and then decreases.When the diameter of the m
9、ixing chamber is 1.8 m,it is optimal.When the nozzle spacing of the marine gas turbine exhaust ejector is 1 m and the mixing chamber diameter is 1.8 m,the maximum injection efficiency can be achieved at 38.12%.At this time,the cooling effect of the box is the best,which meets the requirements for th
10、e use of industrial gas turbine components and the explosion-proof requirements of natural sys-tems.Keywords Gas Turbine Exhaust Ejector,Simulation,Mixing Chamber Diameter,Nozzle Distance Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution
11、International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 燃气轮机在箱体运行过程中,箱体内部温度会不断升高,从而使得内部附属设备及元件遭到损坏。因此,对燃气轮机箱装体进行冷却结构优化设计是很有必要的。燃气轮机箱装体通风方式主要有两种,一种是采用风机进行强制冷却,通过风机对箱装体内部强制通风,但其能耗很高,不利于能源的节约,并且需要专门的冷却设备。而第二种是采用排气引射器,排气引射器利用高速高能流体引射另一股低速低能流体的设备,其不但节约能耗还可以抑制排气噪声、红外辐射等。故而本文采用排气引
12、射器对燃气轮机箱装体进行降温处理。针对燃气轮机箱体研究,如 GRAF 等1对燃气轮机箱体的流动与传热模拟研究,但对箱体冷却结构优化设计并未涉及;张智博等2对某工业型燃气轮机箱装体冷却结构优化设计研究,但其采用的是大型风机对箱体的冷却故而能耗较高。在已有的研究中,为了增强引射器的混合效果提高引射系数,主要从两个方面进行设计,其一是从引射器几何参数出发,通过改变引射器各部件的大小、距离、数量等;其二是从改变引射器喷嘴形状出发,如波瓣喷嘴,后缘开缝喷嘴等。在引射器结构参数方面,He 3对位置可调节的喷嘴引射器和固定喷嘴引射器性能进行了对比,结果显示喷嘴位置可调节引射器所得到的能效比小于固定位置引射器
13、的能效比。并且在不同工况的情况下,可调节喷嘴出口位置引射器在提升引射器性能的能力上有着更大的潜力4。Wang 5研究了不同喷嘴出口直径对于引射器引射比的影响,发现较大的喷嘴直径对于引射器影响最大,其会导致冲击波现象,不利于喷射器的性能。Pianhong 6认为喷嘴出口最好不要超过混合段的进口位置,这样更有利于得到较大的引射比。肖长庚等7对于缩扩型混合段部分的结构参数对圆排波瓣引射器性能的影响进行的细致研究,结果表明随着喉道直径和长度增大,总压恢复系数逐渐增大,并且喉道尺寸的增大对于流动损失具有改善作用。缪亚芹、廖达雄等8 9对多喷管引射器的相关结构以及喷嘴的混合结构进行了相应的数值仿真以及实验
14、研究,结果表明引射系数随着主次流的压比以及主流流量的增大而增大,随着喷嘴数量的增加、喷管直径的减小、扩压段长度的增加,引射系数得到升高,并以实验验证,结果相符;刘培启、陈吉民Open AccessOpen Access尹思杰 等 DOI:10.12677/mos.2023.125413 4539 建模与仿真 等10 11对排气引射器的混合室和其他结构参数进行了优化研究,通过 CFD 对喷嘴距、混合室直径、混合室长度以及扩压室长度进行优化得到较为理想的方案,并通过实验验证引射器在偏离设计工况时,引射效率急剧下降。在引射器喷嘴形状方面,对于波瓣形喷嘴引射器的研究,如刘润富等12提出了一种带波瓣结构
15、的可变面积涵道引射器外涵面积调节方法,结果表明这种方法显著改善了流场速度均匀度,极大地提升了内外涵气流混合的热混合效率;Presz 等13研究了拱门型波瓣、正弦对排型波瓣、正弦错排型波瓣以及矩形四种不同形状的直线排列喷管对于引射性能影响的变化规律,结果表明拱门型波瓣喷管的引射性能最优,同时给出主次流温度比对引射性能几乎没有影响的结论。Skebe 等14研究了矩形、正弦型波瓣,拱门型波瓣三种直线排列喷管,并探讨了主流喷管与混合管面积比、混合管长径比、主次流压比以及出口背压对三种喷管的引射性能的影响。其结果表明,主流喷管与混合管面积比和混合管长径比是最重要的影响因素。此外,主次流压比以及出口背压在
16、其实验范围内对引射性能的影响很小。刘友宏等15 16 17 18研究了圆周排列波瓣喷管与弯曲混合管或直混合管组合的引射性能,探究了混合管截面比、次流截面比、主次流温比等对引射性能的影响,还进行了有无中心锥等实验,解释了有中心锥情况下热混合效率更高的原因。对后缘开缝喷嘴的研究,如孙哲等19对后缘开缝喷嘴进行研究,发现适当的缝参数能提高引射器的引射效率。综上所述,相关文献对于引射器本身相关研究已经较为完善,但对于船用燃气轮机排气引射器的研究还有待研究,本文基于某船用燃气轮机,对其进行排气引射器设计,针对排气引射器结构参数中的混合室直径以及喷嘴距(喷嘴出口距离混合室进口之间的距离)进行设计,通过对排
17、气引射器结构参数优化得到较为理想的冷却方案,为该型燃气轮机箱装体排气引射器的后续改型设计提供依据。2.数值方法数值方法 2.1.算例设置算例设置 本文选用某船用燃气轮机箱体为研究对象,如图 1 所示,并对燃气轮机箱体几何模型进行排气引射器设计,如图 2 所示。其利用高速高能的气体经过喷嘴出口带动箱体内部气流流动,使得外界环境中低速低能的气体从分支结构的冷空气进口进入,通过冷空气出口进入箱体中,最后在混合室内高速高能气体与低速低能气体相互参混,最终从扩压室出口流向外界。1分支结构;2低压压气机;3过渡段;4高压压气机;5燃烧室;6高低压涡轮;7高低压涡轮支撑环;8第 3 级导向器机匣;946 级
18、机匣;10支撑环机匣;11出口;12动力涡轮支座。Figure 1.Industrial turbine case 图图 1.某工业型燃气轮机箱装几何模型 尹思杰 等 DOI:10.12677/mos.2023.125413 4540 建模与仿真 1出口;2冷空气进口;3冷空气出口;4混合室进口;5喷嘴出口;6燃气轮机。Figure 2.Geometric of gas turbine exhaust ejector module 图图 2.燃气轮机排气引射器几何模型 2.2.数学模型及边界条件数学模型及边界条件 计算流体力学涵盖了流体力学和偏微分方程等多领域多方面的交叉学科,但计算流体时都应
19、该遵循质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律三大定律。而排气引射器是一种将高速高能与低速低能的流体在混合段相互掺混的装置,其流场特性同样遵循流体力学的三大定律。本文利用 Boussinesq 涡旋粘性假设得出了忽略质量力的可压缩粘性气体的纳维斯托克斯方程组。材料及边界条件:固体域:燃气轮机机匣为合金钢,箱装体内壁为超细玻璃棉,外壁为钢。流体域:空气为不可压理想气体,温度 300 K。内壁面表面黑度 0.657,外壁黑度 0.9,对流换热系数 10 W/(m2K)。燃气轮机机匣为无滑移壁面,表面黑度为 0.8,出口为压力出口。冷空气进口设置为压力进口,热空气进口设置为质量流量进口,流量为 3
20、2 kg/s,温度为 800 K。结构参数取值见表 1 所示。满工况时燃气轮机的实际运行状况分段进行定义温度,如表 2 所示。Table 1.Simulated structural parameters and experimental values 表表 1.模拟结构参数及实验值 模拟结构参数 实验值 喷嘴距 L/(m)0.4 0.6 0.8 1 1.2 混合室直径 D/(m)1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 尹思杰 等 DOI:10.12677/mos.2023.125413 4541 建模与仿真 Table 2.Gas turbine casing wall temp
21、erature 表表 2.燃气轮机机匣壁温 位置 t/K 位置 t/K 1 低压压气机 392 6 高低压涡轮支撑环 520 2 过渡段 424 7 第 3 级导向器机匣 520 3 高压压气机 583 8 46 及机匣 520 4 燃烧室 714 9 支撑环机匣 520 5 高低压涡轮 652 10 动力涡轮支座 420 2.3.评价指标评价指标 1)引射系数 引射系数表示引射器引射夹带能量的强弱,具体是指的是单位时间内主流流体与被引射的次流流体的比值。引射系数越大表示引射性能越好,其定义为:21GuG=(5)其中,G1表示主流流体的质量流量,单位为 kg/s;G2表示被引射流体的质量流量,
22、单位为 kg/s。2)温度指标 箱体内部附属设备及元件所在大多在箱体底部,故而在箱体底部附近的工作温度范围应低于 82(355 K)。3.方法的验证及缺陷方法的验证及缺陷 3.1.方法的验证方法的验证 为了验证模型的准确性,将文献2中的燃气轮机箱装体进行数值模拟,采用相同的结构参数以及边界条件。其外壁面监控点如图 3 所示,温度分布的模拟结果与文献结果以及实验结果相对,如图 4 以及表 3 所示,数值模拟的结果与文献结果以及实验结果误差不超过 3%,故可以证明采用的建模及模拟方法是准确可靠的。1监测点 1(外壁顶板);2监测点 2(外壁左侧板);3监测点 3(外侧右侧板);4监测点 4(外壁底
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