基于谐波平衡法的粗糙表面压气机性能衰退规律研究

Various factors including fouling, erosion, corrosion, fatigue and oxidative in marine environment can cause the compressor performance degradation which will directly affect the safety and operation of gas turbine. How to keep the gas turbine working efficient and stable is the problem that engineers and users concern about together. Therefore, how to predict the performance degradation of compressor with rough surface under marine environment is a key scientific problem to be solved. Further on a former study, we plan to combine the accelerating experiment with actual compressor blade data in order to establish the mathematical relationship between surface roughness topography data and operation parameters. We want to compare the sand grain roughness correlation method with discrete element method of equivalent resistance to find a model for predicting the influence of flow on rough surface, also to verify and modify the prediction model by using the DNS method. In addition, we will combine the prediction model of rough surface with the harmonic balance method to simulate compressor performance degradation with different roughness in order to establish the mathematical relationship between operation parameters and compressor performance degradation regularities. The research results can be used in the compressor life monitoring, cleaning and blade protection. It also can provide the scientific basis and theoretical support for the design of high-performance compressor.

海洋环境下积垢、侵蚀、腐蚀及疲劳氧化等各种因素会造成压气机性能的衰退，直接影响机组的安全和运行。如何维持机组相对高效、稳定的运行是燃气轮机工作者和使用方共同关注的问题。因此，海洋环境下粗糙表面压气机性能衰退规律的快速准确预测是亟待解决的关键科学问题。通过前期研究，拟通过加速模拟实验结合实际运行机组叶片数据，建立粗糙表面形貌数据与运行状态参数的数学关系。结合平均砂粒粗糙度拟合关系式与等效阻力有限元离散方法，提出粗糙表面对流动影响的预测模型，并利用直接数值模拟方法验证、修改所建立的预测模型。利用所获取的粗糙表面流动阻力预测模型，结合谐波平衡法获得不同粗糙程度下压气机性能衰退的变化规律，并建立运行状态参数与压气机性能衰退规律的数学关系。研究成果可为海洋环境下压气机寿命监测、清洗与叶片防护以及高性能压气机设计提供科学依据和理论支撑。

在海洋环境下，燃气轮机设备长期处于高温、潮湿、多盐雾的恶劣环境中，积垢、侵蚀、腐蚀以及疲劳氧化等各种因素会造成压气机叶片表面粗糙度增大，从而导致压气机性能衰退，影响燃气轮机机组的稳定运行。为了深入研究粗糙表面对压气机气动性能的影响机理，本项目针对腐蚀引起的叶片表面粗糙度增大对压气机气动性能衰退规律进行了研究。.以Stage35型压气机为研究对象，对其工作特性进行了数值模拟研究，通过与实验数据对比验证了所采用数值方法的有效性。在此基础之上，采用壁面函数法建立了压气机粗糙表面流动模型，对不同粗糙程度条件下的压气机的内部流场及其性能衰退规律进行了数值模拟研究。结果表明：随着动叶粗糙度增加，其流量显著减小，压比和效率也相应减小，在工作特性线上表现为向左下方偏移。在设计点上，当动叶表面粗糙度ks由1μm增大至100μm时，压气机峰值效率减小3.5%，对应工况点的压比减小0.8%，总温比升高0.4%，最大压比与光滑情况下相比减小4.5%。.在此基础之上，对具有不同分布规律的粗糙表面条件下压气机的性能衰退规律进行了数值模拟研究。结果表明，粗糙度值和粗糙度位置分布对压气机总体性能的影响都有着重要的作用，在压气机前缘区域分布的粗糙度对总体性能的影响要比尾缘分布的粗糙度所产生的影响更显著。.在实验室条件下进行了压气机叶片加速腐蚀实验。通过盐雾加速实验对马氏体不锈钢材料在海洋环境下腐蚀过程进行了模拟，建立了粗糙表面与运行状态参数之间的关系。结果表明：随着盐雾实验时间的延长，腐蚀越来越严重，结合对腐蚀坑的数量、形状、面积、分布、深度及失重的测量，可以发现腐蚀形式主要是局部腐蚀，腐蚀种类为点蚀。.最后，基于谐波平衡法建立了压气机性能快速预测方法。并对所提出的压气机性能快速预测方法进行了实验验证。结果表明：所提出的基于谐波平衡法的压气机性能高效预测方法在计算精度上与传统的稳态数值模拟方法相当，其计算精度与传统的数值模拟方法相当，但是计算效率提高了10倍以上。