2023年第38卷第11期文章目次

2023, 38(11):1.

[摘要](460) [HTML](0) [PDF 8.76 M](425)

摘要:
以蒸发与冷凝温差为30 ℃的20 kW月球基地能量系统为例，采用R600a为工质研究了有机工质透平/泵一体化一维设计和三维建模，使用CFD模拟计算了蒸发温度对透平和工质泵效率、流量和功率的影响规律，及透平/泵在转速、质量流量和压比相等的强耦合约束条件下的变工况运行特性。研究表明：透平/泵最佳设计转速为23 610 r/min，透平进口直径为156 mm时效率为79%，泵出口直径为29 mm时效率为71%；随着蒸发温度的增加，透平/泵的转速呈线性增加，效率先上升后下降，保持在70%以上，输出功呈线性增加趋势；当考虑蒸发器、冷凝器和管路压损时，同转速下蒸发温度比理想情况低2.16 ℃、输出功率低3.13 kW、效率略微下降；透平/泵一体化技术结构紧凑，在变工况时拥有良好的运行性能，非常适用于对体积重量要求较高的航空航天领域。

2 基于正交试验的低速机增压器涡轮排气壳性能优化研究

王净，周东，唐国庆，龙家豪

2023, 38(11):11.

[摘要](454) [HTML](0) [PDF 20.05 M](336)

摘要:
为提升船用低速机涡轮增压器性能，对增压器涡轮排气壳底部流道结构进行参数化，设计并开展了以效率为优化目标的四因素三水平正交试验优化设计和增压器整机性能试验。首先，采用CFD数值模拟方法对不同参数组合的涡轮气动性能进行了计算，然后对涡轮排气壳底部流道结构参数开展了灵敏度分析，同时针对不同参数组结构开展了内部流场对比分析，明确结构因素对流动的影响机理；在此基础上对优化后方案开展了涡轮特性分析，最后在低速双燃料机平台上开展增压器整机试验验证。分析研究表明：在涡轮进气壳、喷嘴环和涡轮叶片等通流部件结构不变的前提下，涡轮排气壳排气方向轴向长度对涡轮整级效率的影响最大，优化后效率明显提升，设计点总压损失系数降低0.3874，静压恢复系数提升0.537，总静效率提升1.85%，其余工况总静效率最大提升24%。试验结果表明：优化后涡轮增压器整机效率在主机燃油模式和燃气模式下的全工况范围内效率均有提升，最大提升幅度分别达到1.4%和2.1%，涡轮性能和增压器整机性能改善明显。

3 基于弯曲叶片的氦气轴流压气机优化设计

孙泽秦，张靖煊

2023, 38(11):20.

[摘要](288) [HTML](0) [PDF 15.99 M](342)

摘要:
针对高负荷氦气压气机中角区分离、叶顶泄漏严重带来的效率损失问题，以单级氦气压缩机为研究对象，利用CFD方法，分析了不同弯曲角度下氦气压气机内部的角区损失和叶顶泄漏损失，并优化了现有五级轴流氦气压气机。结果表明：叶片正弯会增加端区处的静压，减少角区分离，进而降低角区损失；对动叶而言，在设计攻角下正弯也会增加前缘损失；动叶叶顶反弯使泄漏流远离下一个叶片的压力面，而合适的反弯角度可以降低叶顶泄漏量；选取合适的弯曲角度使五级轴流压气机设计点效率提高1.85%。

4 压气机微小损伤叶型流动特性及边界层发展机制研究

王浩，彭鸿博，陶源，熊泽辉

2023, 38(11):29.

[摘要](376) [HTML](0) [PDF 11.47 M](356)

摘要:
压气机在运行过程易受到砂石等外来物冲击，致使叶片产生轻微损伤，进而导致气动性能下降。本文以某轴流压气机进口级静子中基元级为研究对象，利用数值模拟方法分析了“凹坑”型损伤尺寸、位置对压气机叶片基元级性能的影响规律，揭示了叶型损伤对边界层流动演化的影响机制。研究表明：随损伤位置向前缘靠近，叶型性能恶化程度呈非线性增大；损伤特征尺寸可以影响边界层转捩的形式，进而影响叶型损失；型面损伤增强了边界层流体与主流区的掺混程度，使损伤区域附近边界层流体动能增强，进而影响分离泡转捩位置，在特定条件下可以减小叶型损失。

5 初始条件对燃气轮机DLE燃烧室性能影响研究

郑玮琳，郑一萍，李洁，马宏宇

2023, 38(11):40.

[摘要](431) [HTML](0) [PDF 7.36 M](430)

摘要:
以单头部中心分级旋流干式低排放(Dry Low Emission， DLE)燃烧室为研究对象，以天然气为燃料，针对不同的全局当量比、进口温度、进口压力条件开展试验测试和数值模拟，研究燃烧室的燃烧性能以及污染物排放的变化规律。研究发现：随全局当量比增大，中心回流区长度略有增大、宽度变窄、回流速度增大，燃料量的增加使得高温区面积明显扩大，燃烧室出口温升明显增大，出口温度分布系数变化不大，燃烧室出口CO和NOx排放摩尔分数明显增大；随进口温度的增大，中心回流区长度先明显增大再减小、宽度变窄、回流速度先增大再减小，进口空气温度的升高使得反应速率加快从而导致燃烧室出口温度升高，但温升、出口温度分布系数变化不大，CO和NOx排放摩尔分数增大；随进口压力的增大，中心回流区长度、宽度略有增大，回流速度增大，燃烧室内部和燃烧室出口温度无明显变化，出口温度分布系数减小，CO和NOx排放摩尔分数受影响较小

6 重型燃气轮机进气系统性能研究

郭旭晓，马胜远，贺志荣，季振林

2023, 38(11):49.

[摘要](427) [HTML](0) [PDF 2.33 M](362)

摘要:
针对某款重型燃气轮机进气系统辐射噪声超标问题，采用声学有限元法和计算流体力学方法对系统部件进行声学和流场计算，得出插入损失和压力损失，并与进气系统指标要求进行比较发现，进气系统噪声指标与限值余量较小，且压力损失远低于限值。在分析的基础上，选取片式消声器为研究对象，研究不同结构参数和形式对进气系统声学性能和空气动力学性能的影响。结果表明：片式消声器的厚度和数量对进气系统性能有明显的影响，当增加片式消声器厚度和数量时，压力损失略有增加，插入损失增大，进气口声压级减小；通过添加侧支共振器，进气口总声压级降低了3.1 dB(A)，可以有效增大进气系统低频插入损失。

7 单晶涡轮叶片强度分析与结构优化设计

周渝航，林枫，侯隆安，孙景国

2023, 38(11):56.

[摘要](414) [HTML](0) [PDF 14.48 M](378)

摘要:
为提高某型燃气轮机的工作可靠性，对单晶涡轮叶片进行了强度分析与结构优化设计。采用第四强度理论，考虑了晶体取向、温度载荷、气动载荷和转速的影响，得到叶片的应力分布、典型截面的强度储备系数；根据诺顿蠕变方程计算关键节点的持久寿命；基于分析结果对叶片局部结构进行优化改进，将叶片质心向叶背侧偏移，调整进气前缘气膜孔的排列方式，并对新结构进行强度复算。结果表明：优化后的叶片静强度符合设计要求，消除了局部结构处的应力集中现象，叶身结构强度储备系数高于1.3，叶身两侧应力分布更加均匀，叶片在设计转速10%裕度范围内无共振现象发生。

8 基于高温熔盐储热系统的火电机组深度调峰方案对比及分析

宋晓辉，韩伟，王兴，李正宽

2023, 38(11):63.

[摘要](477) [HTML](0) [PDF 7.98 M](368)

摘要:
为构建以新能源为主体的电力系统，亟须提高火电机组灵活性，火电机组与熔盐储热系统进行耦合能够强化调峰灵活性和调峰经济性。本文以某670 MW电厂为依托，基于Ebsilon对该机组的4种熔盐—火电耦合系统改造方案进行仿真计算，并对比分析了各种方案的热力性能、调峰性能、环保性能及改造难度。结果表明：高温熔盐和低温熔盐储热组合方式有效克服了单种熔盐工作温度受限的问题，能够增强燃煤机组的调峰能力和循环效率；配置电加热器后熔盐能够以目标温度存储于热罐，热电转化效率得到提高，还额外平抑了部分可再生能源的不稳定性；通过低压缸零出力管道进行中压缸排汽蓄热和电加热提温的方案改造量最小、控制方式最为成熟灵活，能够兼顾调峰调频、节能环保和改造难度等方面的需求。

9 两级地源热泵用于天然气调压发电工艺的性能分析

徐啸，邵恩泽，王子涵，姜宇轩

2023, 38(11):75.

[摘要](485) [HTML](0) [PDF 5.60 M](385)

摘要:
本文提出了一种涡轮与两级地源热泵相耦合的新型天然气调压工艺，通过Matlab构建了系统热力学模型并借助Aspen/plus和实验数据予以验证，分析了降压和预热过程的碳排放核算方法，探究了涡轮膨胀比和热泵压缩比的最优分配策略，并结合实际案例评估了系统的经济性与环保性。结果表明：R123为热泵最优工质；热泵循环由单级升为双级后，新工艺年均火用效率为0.43，提升10.88%，加热效率为2.89，提升15.91%，全年净发电量3.67 GW•h，提升11.6%；相比于节流阀调压工艺，新工艺全年减少CO2排放0.24万t，减少预热成本4.7万元，同时产生经济效益146.94万元。

10 基于低氮燃烧的循环流化床低温增效脱硝实验研究

魏小兵，罗晨，武广剑，马素霞

2023, 38(11):84.

[摘要](330) [HTML](0) [PDF 1.53 M](341)

摘要:
为探究循环流化床（CFB）锅炉的低NOx排放性能，在热输入功率为81.3 kW的CFB热态实验台上研究了燃煤平均粒径与二次风对NOx原始生成量的影响，考察了以碳酸氢铵为还原剂，以碳酸钠和乙醇为添加剂的选择性非催化还原（SNCR）低温脱硝增效性能。结果表明：随燃煤平均粒径的减小，NOx生成量降低；提高二次风比例及二次风口位置可降低NOx生成量；以碳酸氢铵为还原剂的SNCR法在氨氮摩尔比为1.7时脱硝效率达到65.2%，还原剂利用率达到峰值；在650~800 ℃的低温范围内，添加碳酸钠较无添加剂工况的脱硝效率平均提升24.5个百分点，750 ℃时的脱硝效率提升34.8个百分点；添加乙醇后的低温区效率平均提升28.2个百分点，温度低于700 ℃时增效性能优于添加碳酸钠工况；添加剂主要通过自由基链式反应提升SNCR法的低温脱硝性能。

11 多区相变材料填充床储热性能数值分析

李成宇，郭雪岩，李春

2023, 38(11):90.

[摘要](313) [HTML](0) [PDF 9.32 M](384)

摘要:
为进一步提高相变储能填充床储热性能，运用计算流体力学软件Fluent采用DEMCFD数值模拟方法对轴向填充不同熔点颗粒的填充床进行了储热过程的数值分析。在分别填充了240和480个相变材料颗粒的直径为200 mm的相变储能填充床内，探究沿热流体流动方向分层逐级排布更低熔点相变材料的排布方式对填充床的储能速率、储能效率、热流体和相变储热材料温度分布的影响。研究表明：在轴向分层排布不同相变点的相变材料会对床内轴向温度场有显著影响；分层排布的方式使填充床的储能速率、储能效率均得到了提高，240和480颗粒填充床平均储能速率分别提升约31.0%和25.1%。

12 水平多管式换热器内部相变石蜡储热特性实验研究

宋杨凡，薛国强，杨思杨，陈鸿伟

2023, 38(11):98.

[摘要](360) [HTML](0) [PDF 4.29 M](386)

摘要:
设计并搭建了水平多管式相变储热系统，以水为传热流体（HTF）、石蜡为相变材料（PCM），通过实验对储热系统的具体蓄热特性和不同操作条件下HTF与PCM之间的传热特性进行定量分析，评估了HTF体积流量和进口温度对紧凑型低温相变储热系统功率输入、吸热完成时间以及储存能量的影响。该系统主要由一个聚碳酸酯壳和水平定向的多管换热器以及石蜡组成，其中石蜡相变温度约为41 ℃。结果表明：随着HTF进口温度或体积流量的增加，吸热完成时间减少，平均吸热功率增大，且增加速率都随着进口温度的增大而变小；HTF体积流量分别为4.5，6.0和7.5 L/min时，吸热过程耗时300.7，252.9和226.7 min；在58，64和70 ℃的进口温度下，吸热完成时间分别为270.1，226.7和204.9 min；提高HTF进口温度，会导致换热结束时石蜡温度与HTF出口温度出现越来越靠近的趋势，而在提高HTF体积流量时，却呈现相反的趋势。

13 基于VOF-DPM模型的离心喷嘴中的燃油流动及雾化特征研究

刘爱虢，李恒文，于浩洋

2023, 38(11):106.

[摘要](145) [HTML](0) [PDF 18.02 M](367)

摘要:
针对燃油在离心喷嘴中的内部流动及其外部雾化过程，采用VOF-DPM模型对其进行了数值模拟研究。分析了压力对喷嘴出口处空气芯大小和液膜厚度的影响，得到了液膜破碎长度和雾化锥角等雾化特性，应用实验测试结果对数值模拟进行了验证，并与流体体积函数法(VOF)和离散相追踪法(DPM)进行了对比。结果表明：VOF-DPM模型可以真实反映离心喷嘴的内部流动和外部雾化特性，研究发现了与实际雾化过程符合的液膜破碎存在孔洞破碎和边缘破碎两种形式；捕捉到了在液膜表面的波动及气动力共同作用下液膜失稳破碎形成液滴的过程；燃油流动及雾化特性随着压力增加发生变化，喷嘴内空气芯直径增大，出口处液膜厚度减小，液膜的破碎长度下降。

14 不同烟气再循环率燃油超低NOx燃烧器的大涡模拟

王雪，安恩科

2023, 38(11):115.

[摘要](352) [HTML](0) [PDF 7.88 M](351)

摘要:
利用Fluent软件中的大涡模拟方法，对燃油锅炉1/10尺缩模型进行不同烟气再循环率的燃烧过程研究，分析0%，20%和30%烟气再循环率下温度场的分布特点以及污染物的排放特性。模拟结果表明：采用烟气再循环能有效降低锅炉的最高温度、平均温度以及污染物排放水平。其中，20%烟气工况降温最为明显，最高温度相较无烟气工况下降400 K，且随着烟气再循环率的增加，焰型缩短，着火点逐渐向炉膛前部移动，温度梯度减小。相较于0%烟气工况，20%和30%烟气工况的NOx排放浓度分别减少了85.5%和72.7%；20%烟气工况下CO排放水平最低，出口排放浓度为110 mg/m3，而30%烟气工况下Soot排放水平最低，出口体积分数为2.14×10－5。

15 零碳燃料对燃气锅炉燃烧过程调控作用

别尔兰?贾纳依汗，王亮，阮扬帆，张猛

2023, 38(11):123.

[摘要](331) [HTML](0) [PDF 13.27 M](347)

摘要:
利用小型化模拟炉膛开展了零碳燃料氢气对燃气锅炉燃烧过程调控作用实验研究，研究了掺氢比对炉膛内部预混火焰宏观形态、炉膛温度均匀性、炉膛污染物排放规律的影响，并总结了CO及NOx的排放规律。实验结果表明：随着预混当量比增加，纯甲烷火焰长度逐渐缩短；对于20%掺氢火焰，随着预混程度的提高，火焰长度降低明显；不同火焰条件下，炉膛温度只由燃烧功率控制；改变燃烧条件时，处于壁面附近位置的温度变化较为平稳，而靠近火焰处温度变化较大；天然气中掺入氢气，燃烧时可以有效降低未燃CO排放；在相同预混程度下，全局当量比减小导致未燃空气增加，热量被稀释，火焰温度降低，热力型NOx的生成降低；随着掺氢比的增加，燃烧时火焰温度升高，导致热力型NOx排放增加

16 660 MW超超临界二次再热燃煤锅炉运行特性试验研究

岳峻峰，孔俊俊，李旭升

2023, 38(11):130.

[摘要](413) [HTML](0) [PDF 2.41 M](343)

摘要:
针对某660 MW超超临界二次再热旋流燃烧锅炉投产后锅炉燃烧均衡性较差，锅炉热效率和一、二次再热汽温偏低，NOx排放质量浓度偏高等问题，通过改变O2体积分数、煤粉细度、一次风量、外二次风挡板开度、异层燃烧器风量分配方式、燃尽风直流风水平摆角和燃尽风量等参数对其进行了性能优化试验研究。结果表明：通过提高O2体积分数运行和磨煤机动态分离器转速，以及合理设置外二次风配风方式、燃尽风直流风水平摆角及燃尽风风门开度，有效降低了灰、渣碳质量分数和CO排放浓度，提高了一、二次再热蒸汽温度。在各影响因素中，同层煤粉燃烧器外二次风风门开度和燃尽风直流风水平摆角的配置，对锅炉燃烧均衡性的影响至关重要；运行O2体积分数和燃尽风量大小对NOx排放影响最大。通过综合优化调整，锅炉性能得到明显改善，各项主要性能参数均达到或优于设计值。

17 改进CEEMDAN算法与CNN融合的深度学习系泊故障研究

贾文哲，闻麒，李春，岳敏楠

2023, 38(11):141.

[摘要](357) [HTML](0) [PDF 8.65 M](347)

摘要:
针对海上漂浮式风力机在长期的海洋环境作用下，受到风、浪、流等复杂载荷的影响，发生腐蚀、蠕变和失效等故障问题，基于深度学习理论，提出了一种改进的完全集合经验模态分解（Improved Complete Ensemble EMD，ICEEMDAN）结合卷积神经网络（Convolutional Neural Network， CNN）的故障诊断方法，用于对海上漂浮式风力机的系泊系统进行故障识别。该方法基于平台艏摇响应信号状态，计算系泊蠕变与失效阶段，并分析不同位置系泊对漂浮式风力机稳定性的影响，诊断出系泊是否产生蠕变以及系泊蠕变位置。研究结果表明：改进后的方法能够较好地识别系泊蠕变到失效过程，挖掘了纵荡、横荡、横摇及艏摇等因素对风力机稳定性的影响，其在不同信噪比下均可有效地诊断出系泊状况与不同位置的蠕变，且准确率最高可达99.83%。

18 市政污泥流化床掺烧生物质的NO与SO2排放特性研究

魏志强，马吉亮，陈晓平，赵子芃

2023, 38(11):151.

[摘要](395) [HTML](0) [PDF 1.66 M](356)

摘要:
为了探究市政污泥燃烧过程中的气态污染物排放特性，在30 kW鼓泡流化床实验台上进行了市政污泥的燃烧实验，研究燃烧温度、二次风率、秸秆掺混比等参数对气态污染物排放特性的影响。结果表明：燃烧温度的升高会显著提高NO与SO2的排放；提高二次风率使NO排放浓度减少，SO2排放浓度增加；由于生物质中较低的N、S含量以及生物质与污泥燃烧的协同作用，污泥掺烧生物质能够有效地减少NO与SO2的排放；秸秆占比由0提升至40%，NO由289 mg/m3下降至140 mg/m3，而SO2排放浓度也从3 949 mg/m3下降至1 725 mg/m3；污泥掺烧秸秆时，NO与SO2的整体排放特性与污泥单独焚烧相似，掺烧秸秆能够加快整体的燃烧速率，并加强燃烧气氛的氧化性，进而影响气态污染物的排放。

19 极端风况下双转子风力机降载复合控制策略

张文广，孙嘉壕，刘超，骆伟健

2023, 38(11):158.

[摘要](363) [HTML](0) [PDF 2.37 M](382)

摘要:
为降低双转子风力机在极端风况下的大波动载荷，基于双转子风力机气动与控制仿真系统，提出了基于独立变桨自抗扰控制器和偏航模糊控制器的降载复合控制策略，并分析了正常风况和极端风况下该策略的控制效果。结果表明：与传统PID独立变桨控制相比，在极端运行阵风和极端湍流模型下，独立变桨自抗扰控制方法使叶根挥舞弯矩标准差减小18%以上；与传统恒速偏航控制相比，在极端风向变化下，偏航模糊控制方法使偏航轴承滚动力矩标准差减小约27%。降载复合控制策略有效降低了极端风况下双转子风力机的大载荷，抑制了功率波动。

20 基于热管阵列锂电池组喷雾冷却实验研究

李洪波，江智元，屈治国

2023, 38(11):167.

[摘要](329) [HTML](0) [PDF 3.86 M](338)

摘要:
为了解决传统空气冷却系统散热效率不足的问题，通过实验方法将喷雾蒸发过程与强制空气冷却相结合，强化电池热管理系统的散热效率。建立了基于热管阵列/喷雾冷却复合结构的电池组散热系统，对比了不同冷却措施的散热性能，研究了入口风速、喷雾频率及喷雾占空比对系统散热性能的影响规律。结果表明：复合温控结构在1 C倍率下可完全抑制电池组升温，在3 C倍率下可将电池组平均温度维持在41 ℃左右；采用10 s喷雾周期进行冷却可将电池组平均温度降低2 ℃，喷雾频率的增加可显著降低电池温度波动。

21 多能互补清洁供暖系统特性分析

耿直，段博文，王剑利，华康民

2023, 38(11):175.

[摘要](360) [HTML](0) [PDF 2.82 M](356)

摘要:
为加速能源低碳转型，本文提出了一种基于太阳能、风能和地热能3类可再生能源多能互补的清洁耦合供暖方案，即在利用地热能供热的同时，将太阳能和风能联合其中实现辅助供热，从而突破太阳能与风能的不稳定性及间歇性等缺点，达到3类能源的合理配置效果。首先，在EBSILON软件中搭建了集热、储热、换热各能量转换与输运的热力模型，选定郑州典型供暖季的气象、地热等自然资源条件作为初始约束，研究了太阳能光热换热效率、供暖量及地热单元供暖输出等关键指标的变化规律。结果表明：光热转换效率集中分布在45%～60%；辐照较弱时，太阳能主要依靠储热装置放热维持机组热平衡，其最低供热谷值为27.268 kW；随着外界辐射能力的增强，系统供热量最大可达40.311 kW；在夜晚时段，地热机组供热量出力占主导，输出负荷最大达165.556 kW；相较于日照条件较好的白天，经太阳能预加热的回水温度有所升高，致使地热机组日间供热量相对减小，最小供热量为163637 kW；当地热温度梯度上升5 ℃时，该机组供热量平均增高6.548 kW；风能利用单元伴随着机组负荷与外部风资源的波动，灵活地满足后端热泵机组处电压缩机用能需求，确保用户侧供暖的长效稳定。

22 基于动态加权差分主成分分析的工业锅炉故障诊断

王文标，张谦谦

2023, 38(11):185.

[摘要](352) [HTML](0) [PDF 1.69 M](300)

摘要:
针对工业锅炉的动态特性与多模态特性带来的故障检测问题，提出一种动态加权差分主成分分析法(DWDPCA)。首先，建立合理的时间窗描述系统的时序特性；然后，对时间窗中的样本寻找其空间上的第一近邻和第一近邻的近邻集，使用加权差分方法将数据转化为单模态结构；最后，利用处理后的数据建立PCA模型进行故障检测。通过在某实际工业锅炉中的应用表明，DWDPCA方法可解决动态时序问题和多模态数据中心漂移问题，显著提高故障检测的精度。

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