2022年第37卷第12期文章目次

2022, 37(12):1.

[摘要](529) [HTML](0) [PDF 6.21 M](222)

摘要:
为研究某重型燃气轮机的压气机叶栅在振荡条件下的非定常响应特性，采用基于γ-Reθ转捩模型的雷诺时均方程对可控扩散叶型组成的振荡叶栅进行了数值计算，研究了折合频率、来流攻角和前缘造型对叶片气动性能及表面边界层发展的影响。结果表明：叶片吸力面发生分离前存在较大的压力波动,边界层转捩后叶片表面压力波动减小；叶片振动对可控扩散叶型的分离转捩特性影响较大，随着叶片振动折合频率的增大，叶片吸力面边界层分离转捩位置向叶片前缘移动；通过优化前缘曲率造型能抑制边界层转捩位置的前移，同时改善振动状态下的前缘压力波动特征。

2 多级轴流压气机模化设计中尺寸缩放对气动性能影响的数值研究

陈伟，崔树鑫，张毅，刘志刚

2022, 37(12):11.

[摘要](615) [HTML](0) [PDF 10.07 M](354)

摘要:
为了研究几何尺寸模化缩放及叶尖间隙对多级轴流压气机气动性能及内部流动的影响，采用Numeca程序对17级轴流压气机开展了数值计算。结果表明：在80%及100%等高转速条件下压气机效率随着模化比例增大而增大，而在50%转速下模化缩放对压气机效率的影响较小。相对于原型压气机，模化放大时，压气机前8级单级压比均有所降低，而后8级压比均提高；模化缩小时，压气机的变化规律则相反。随着压气机几何尺寸的增大，静叶叶根和叶尖区域的总压恢复系数显著提高。同时，叶片叶尖泄漏流区域的熵增减少，从而使各级效率均有所提升。缩放模化中，随着叶尖间隙的增大，泄漏流增多，恶化了动叶叶尖附近的流动分离，降低了动叶后50%弦长区域的相对马赫数，同时扩大了静叶上端壁的流动分离，使压气机效率降低。

3 粗糙度对压气机叶栅性能影响研究

王立松，孙玮琪，孙涛，孙海鸥

2022, 37(12):20.

[摘要](423) [HTML](0) [PDF 3.67 M](198)

摘要:
受工作环境的影响，空气中的杂质进入到压气机内部，这些杂质冲击压气机部件表面造成壁面粗糙度增加，严重时会造成叶片损伤，严重影响压气机的安全稳定运行。为了分析粗糙度造成压气机性能衰退的气动原因，首先需要研究粗糙度对叶栅性能的影响。选择某双弧形压气机叶栅作为研究对象，首次使用一种多控制点叶型型线变化的方法模拟二维粗糙叶片表面，从而实现粗糙叶片的物理模型体现。数值模拟计算过程中避开了传统的、经验式的壁面函数方程，提高了数值模拟对于粗糙表面的计算精度。研究了不同粗糙度以及不同粗糙位置条件下叶栅各方面的损失变化。研究结果表明：当叶栅表面完全粗糙时，尾迹损失值较光滑叶栅升高33%；叶背前缘20%位置的粗糙度对叶栅性能影响最大。

4 基于NURBS曲线的高亚音速压气机叶型参数化建模方法研究

李志捷，邹积国，王仕敏，姜斌

2022, 37(12):29.

[摘要](170) [HTML](0) [PDF 3.51 M](264)

摘要:
具有良好灵活性的高精度叶型参数化建模方法对于压气机叶型设计和优化具有重要影响。本文研究了一种基于非有理B样条曲线理论(NURBS)曲线组和遗传算法的轴流压气机叶片参数化建模方法。该方法基于中弧线厚度叠加法，采用两条三次七点NURBS曲线分别构造中弧线形状和厚度分布，前尾缘采用双二次NURBS曲线，通过多段曲线光滑拼接实现叶片造型。以压气机型线方差值最小作为目标函数，利用遗传算法实现了叶型的参数化建模。通过数值模拟实验证明，本文提出的参数化造型方法适用于高亚音速压气机叶型的参数化建模。

5 基于多元非线性回归损失及落后角模型研究

陶慧卿，徐宁，李润泽，姜斌

2022, 37(12):38.

[摘要](414) [HTML](0) [PDF 3.27 M](168)

摘要:
针对传统经验叶栅损失及落后角模型缺少厚度分布修正项的问题，基于多元非线性回归分析方法对叶栅损失及落后角模型进行修正，采用修正模型分析了最大厚度位置系数影响下叶栅攻角损失特性、落后角与攻角特性曲线的变化情况。修正后的模型与CFD计算值拟合效果较好，叶型损失均方差从0.028降低至0.007，落后角均方差从1.898°降低至0.860°。修正后的模型的计算精度、适用范围得到提升。

6 轴流压气机叶片磨损位置模拟方法研究

易一，邓智伟，王艳华，张晶

2022, 37(12):47.

[摘要](506) [HTML](0) [PDF 12.10 M](258)

摘要:
采用气固两相流计算方法，对某型燃气轮机压气机实际工作环境中沙尘颗粒对压气机叶片磨损特性进行了全三维数值模拟研究，分析了叶片表面磨损位置的分布情况。研究表明：同级与不同级压气机叶片均呈现出明显的非均匀磨损特性，同级叶片的最大磨损浓度可以达到最小磨损浓度的2.9倍，不同级叶片的平均磨损浓度最大相差17.8倍；同一叶片上，颗粒对叶片前缘的磨损程度高于尾缘；随着转速的增大叶片的磨损率最大增加120%且非均匀性进一步增强。

7 小型离心压气机径向扩压器复杂涡系结构分析

安宇飞，刘艳明，张希，王大磊

2022, 37(12):55.

[摘要](488) [HTML](0) [PDF 23.97 M](213)

摘要:
对某小型离心压气机进行详细数值模拟，构建径向扩压器复杂涡系结构模型，重点分析设计、堵塞、失速工况下径向扩压器内部复杂涡系结构。研究表明：径向扩压器内部涡系结构主要包括前缘涡、两个通道涡（压力面侧通道涡与吸力面侧通道涡）以及喉部涡；主叶片吸力面的前缘涡是机匣侧低能流体在展向与流向压力梯度作用下形成的，喉部涡是吸力面侧通道涡沿分流叶片前缘的回流与前缘涡构成的；喉部涡在喉部的堆积是导致径向扩压器失速的原因，径向扩压器喉部的激波则是堵塞的原因；随流量的减小，前缘涡的涡核越向相邻主叶片压力面迁移。

8 用于跨声速叶轮性能计算的多种分裂格式的分析与比较

李子玄，杨波

2022, 37(12):64.

[摘要](229) [HTML](0) [PDF 7.58 M](190)

摘要:
针对跨声速压气机叶片内复杂的三维流动，采用自行开发的三维CFD程序对跨音速轴流压气机NASA Rotor 37流场进行数值模拟，对比分析了L-F（LaxFriedrichs）、StegerWarming及Van Leer 3种通矢量分裂格式和AUSMDV混合格式在跨声速叶轮流场数值计算时的格式效应。研究表明：与其他格式相比，AUSMDV在设计工况下的计算结果与实验误差最小，对激波和叶顶间隙泄漏的捕捉能力最强，Van Leer格式次之；StegerWarming格式在计算过程中收敛性最好。

9 某型燃气轮机涡轮盘热态超速预应力试验研究

季晨，何建元，孙景国，孙彦博

2022, 37(12):73.

[摘要](403) [HTML](0) [PDF 8.54 M](206)

摘要:
为提高某型燃气轮机涡轮盘使用寿命，采用弹塑性有限元仿真分析及通用斜率公式方法，预测了轮盘残余变形、应力与转速的关系以及预应力处理前后盘心位置低循环疲劳寿命。根据仿真结果确定超转转速后，通过设计的具有轴向补偿功能的预应力处理试验工装，对涡轮盘开展热态160%超速预应力处理试验研究。研究结果表明：采用的分析模型对涡轮盘残余变形预测精度高，轮缘及轮盘内孔残余变形计算结果与试验测量结果相比，误差分别为4.29%和2.50%，并且预应力处理能够显著提升盘心危险位置的低循环疲劳寿命。

10 某涡轮叶片热-机械疲劳寿命预测与试验验证

孙彦博，何建元，孙景国，卫嘉

2022, 37(12):80.

[摘要](233) [HTML](0) [PDF 9.68 M](235)

摘要:
为了得到某燃气轮机涡轮叶片关键截面的真实寿命，设计并开展了涡轮叶片热-机械疲劳试验，获得了真实寿命数据，并基于试验结果提出了一种涡轮叶片低周疲劳与蠕变疲劳交互的寿命预测方法。首先，采用一维线弹性关系、修正公式以及循环应力应变关系3种名义应力应变处理模型计算获得了名义应变；然后，利用SWT寿命关系式预测模型预测了叶片的热-机械疲劳寿命；再将预测寿命与试验获得的真实寿命进行对比分析。研究表明：对于某型燃气轮机涡轮叶片，基于SWT预测模型的循环应力应变关系方法相比于一维线弹性关系和修正公式法预测精度最高，与试验寿命相比，预测误差在4倍分散带之内。

11 叶片旋转转速和吹风比对涡轮外环双层壁结构阵列冲击冷却特性的影响研究

孔德海，牛夕莹，庹天豪，刘存良

2022, 37(12):87.

[摘要](450) [HTML](0) [PDF 21.00 M](236)

摘要:
采用数值模拟的方法，基于稳态雷诺平均方程（URANS）耦合k-ω SST模型和滑移网格法分析了涡轮叶片旋转扫掠条件下带有非定常气膜出流的外环腔内阵列冲击传热特性。在外环冲击-气膜复合冷却结构中，冲击孔和气膜孔呈交错排列，冲击距与冲击孔直径之比为1.25，斯特劳哈尔数St=2.35、3.52（对应转速Ω=10 000、15 000 r/min），吹风比M=0.5、1及1.5。结果表明：叶片旋转扫掠效应引起的气膜孔出口压力波动会诱导冲击孔入口的瞬时质量流量发生变化，而时均质量流量几乎保持不变；吹风比在0.5~1.5之间变化时，靶面的瞬时和时均平均冲击换热特性随着吹风比的增大而增强；相同的吹风比时，叶片转速的提高对靶面瞬时和时均换热特性的影响非常微小。

12 蜂窝内冷通道布局对叶片冷却效率的影响研究

刘亚非，陶皓杰，迟重然

2022, 37(12):96.

[摘要](441) [HTML](0) [PDF 8.98 M](217)

摘要:
为提高涡轮叶片耐温能力，将蜂窝冷却通道应用于涡轮叶片内部，通过流热耦合计算研究蜂窝冷却通道叶片的传热流动特性。对蜂窝冷却通道的参数化方法进行研究，将蜂窝通道拆分成两种基本结构单元，即可方便调整蜂窝通道的几何参数；使用增材制造的叶片进行实验，通过对比数值计算与实验的冷却效率，验证了数值方法的准确性；在冷却二次流占比1%条件下，在原型蜂窝通道的基础上进行蜂窝通道空间布局和直径分布的调整，利用冷却效率、压降及相对阻力系数衡量不同通道的流动传热特性。研究表明：蜂窝通道由于增大换热面积以及增加分叉点强化换热，冷却效率提高到0.525，压降升高至229.1 kPa；通过调整蜂窝几何参数可以优化蜂窝通道的传热与阻力特性，通过增加蜂窝通道层数、增大次通道直径可以提高冷却效率，通过增加蜂窝通道入口数、增大主通道直径可以减小压降。

13 进气畸变对回流燃烧室性能的影响研究

赵宁波，梁恩广，石云姣，郑洪涛

2022, 37(12):104.

[摘要](439) [HTML](0) [PDF 16.20 M](205)

摘要:
针对燃气轮机实际运行过程中不同火焰筒之间的空气流量畸变问题，以回流燃烧室为研究对象，开展三维数值模拟，分析进气流量改变对燃烧室多物理场分布特征和燃烧室性能的影响。结果表明：进气流量偏离理想设计对燃烧室回流区结构、温度场、总压恢复系数和燃烧效率等参数产生不利影响，而对燃烧室空气流量分配比例、主燃孔和掺混孔射流深度等参数的影响不明显；随着进气流量的减小，燃烧火焰拉长，燃烧室出口温度均匀性变差，燃烧效率急剧降低。

14 多孔介质稳焰器对旋流火焰振荡燃烧特性影响的试验研究

金明，陆羽笛，葛冰，臧述升

2022, 37(12):110.

[摘要](126) [HTML](0) [PDF 6.43 M](247)

摘要:
为研究多孔介质稳焰器孔密度变化对贫预混旋流火焰振荡燃烧特性的影响，通过光电倍增管测量全局火焰热释放率，采用双麦克风方法测量旋流器入口速度脉动，获得不同孔密度多孔介质稳焰器火焰传递函数；并通过高速相机测量不同孔密度多孔介质稳焰器振荡火焰结构的变化。试验结果表明：多孔介质能够改变燃烧室声模态，有效抑制燃烧振荡，但孔密度对受迫燃烧火焰热释放率和压力脉动影响具有非线性；高频入口扰动对火焰响应特性影响较弱，火焰受迫响应呈现低通滤波特性；火焰传递函数增益峰值对应入口激励频率存在差异，但相位分布斜率基本一致；多孔介质导致火焰向稳焰器中心轴线聚拢，相干结构更加明显；宽频扰动范围内的火焰张角分布趋势与火焰传递函数增益曲线的分布趋势相反。

15 轴向分级燃烧室受迫振荡特性的实验研究

贾玉良，李昱泽，葛冰，臧述升

2022, 37(12):118.

[摘要](412) [HTML](0) [PDF 2.23 M](179)

摘要:
为了研究轴向分级燃烧室主燃空气入口扰动对轴向分级燃烧的影响，开展了轴向分级燃烧室受迫振荡实验，获取受迫振荡情况下燃烧室内压力响应以及再燃火焰特性。实验结果表明：在受迫振荡燃烧过程中，轴向分级燃烧室内振荡主频与空气入口扰动频率基本相同，空气入口扰动频率为270 Hz时，燃烧室内压力响应更加明显；与稳定燃烧状态相比，空气入口扰动的加入会使再燃火焰抬升，再燃火焰向火焰中心收缩，再燃火焰质心位置向上方移动，火焰质心波动的带状区域由上下分布转化为左右分布，燃烧振荡会缩小再燃火焰在径向的波动范围，但是会扩大再燃火焰在轴向的波动范围；在无燃烧振荡的情况下，再燃火焰沿轴向和径向均出现了201 Hz的质心波动主频，且轴向振荡主频幅值更高，在振荡情况下，质心沿轴向和径向均产生270 Hz的波动主频，再燃火焰在轴向的波动的幅值增大，在径向无明显变化。

16 船舶燃气轮机气水分离器结构设计标准研究

韩彭锐，李翔宇，王艳华，栾一刚

2022, 37(12):124.

[摘要](499) [HTML](0) [PDF 4.08 M](302)

摘要:
船舶燃气轮机气水分离器的设计过程复杂，其使用时的外部环境、设计工况和性能要求等方面与普通过滤装置有很大差异。为了更好地完成船舶燃气轮机气水分离器结构设计标准的制定工作，结合船舶实际情况分析了船舶燃气轮机气水分离器在设计时应考虑的分离效率、总压损失、过流速度、海洋环境和机械环境等主要因素；介绍了惯性式滤清器、丝网式滤清器和旋风分离器等结构形式在结构设计标准中应规定的重要结构参数；最后简述了船舶气水分离器的保障性设计，对气水分离器的安全性、稳定性等提出要求。研究结果可为船舶燃气轮机气水分离结构设计标准的制定提供参考。

17 国产25 MW燃气轮机进气室改型设计

杜玉锋，孔庆毅，白冰，任博铖

2022, 37(12):132.

[摘要](474) [HTML](0) [PDF 11.09 M](249)

摘要:
为进一步提高国产25 MW燃气轮机进气稳定性、降低总压损失，首先计算分析了原进气室长、宽、高变化对总压损失及速度不均匀度的影响，确定了改进的独立进气室的主要几何参数，而后采用帕斯卡涡线对改进的独立进气室底面进行型线优化，采用圆弧曲线及维氏曲线对背面和部分底面进行型线优化。计算分析基于理想气体进口总压100 838 Pa，进口总温298.15 K，出口静压94 900 Pa的边界条件下开展。研究结果表明：相对于改进的独立进气室，采用型线优化的结构削弱了喇叭口前方形箱体内的涡流，进气室出口位置的速度不均匀度及总压损失均减小；相对于改进的独立进气室，选用圆弧曲线或维氏曲线优化型线，判定截面的速度不均匀度分别增加了0.13%，0.14%，总压损失分别降低15.58%，21.43%，内整流罩出口位置速度不均匀度分别降低0.28%，0.19%，总压损失分别降低13.73%，20.6%。

18 燃燃联合动力装置半物理仿真方法及试验研究

李健，王志涛，马亮，李淑英

2022, 37(12):140.

[摘要](469) [HTML](0) [PDF 9.26 M](310)

摘要:
为准确有效地对燃-燃联合动力（Combined gas turbine and gas turbine,COGAG）装置的运行特性和控制方法进行研究，设计了一种半物理仿真方法。建立了具备实时求解能力的燃气轮机模型作为代理模型，采用模型驱动电机的方法等效代替燃气轮机，将电机与传动装置及负载进行机械连接，组成半物理仿真试验台。对转子动力学特性相似原理进行研究，证明了半物理仿真方法的合理性。基于建立的试验台对COGAG系统的并车及负荷分配过程进行了研究，研究结果表明：设计的半物理仿真方法可以实现对COGAG系统的并车过程以及不同比例负荷分配过程的控制，当使两台燃气轮机各承担50%负荷时，双机功率的平均不平衡度为2.7%，验证了半物理仿真方法的有效性。

19 基于强化学习的燃气轮机转速控制策略研究

张启航，李学民，祝存玺

2022, 37(12):148.

[摘要](864) [HTML](0) [PDF 3.41 M](322)

摘要:
以某三轴燃气轮机作为研究对象，针对燃气轮机各工况下转速失稳、不同海况下的动力响应需求、外部干扰等因素对燃气轮机工作状态的影响问题，设计了基于Q-learning强化学习理论的控制策略，以智能算法在线调试代替人工手动调试过程，实现人工智能理论到工程实际的应用在进行软件层智能算法验证后，通过强化学习算法控制参数的自动优化完成了基于强化学习的转速控制策略硬件在环试验。研究表明：该设计算法可以在燃气轮机运行过程中判断触发、自我训练、自我调整控制参数，保证燃气轮机在各种突发情况下的运行稳定；在三轴燃气轮机转速失稳时，在较短时间内即可完成转速的回稳，并可将转速误差控制在2 r/min内，从而实现了转速失稳时的自救。

20 基于振动和声发射的滚动轴承故障诊断技术

徐科繁，刘喆，姜海燕，张广辉

2022, 37(12):157.

[摘要](431) [HTML](0) [PDF 12.28 M](313)

摘要:
针对舰船燃气轮机动力涡轮转子系统中滚动轴承故障频发的问题，搭建了滚动轴承故障模拟试验台，利用激光加工设备在前支承位置预制了3种滚动轴承故障（外圈、内圈和滚子），分别结合4种滚动轴承状态，在800~3 000 r/min转速范围内开展了定转速试验并同步采集了振动信号和声发射信号，在此基础上先后利用阶次分析、小波包分解实现了信号预处理。研究结果表明：动力涡轮转子系统临界转速试验值与仿真值相对误差约为3.8%，同时该系统平衡精度等级较高，可支持开展后续故障试验；较低转速（800~1 000 r/min）下加速度信号中滚动轴承故障特征较为明显，可进行故障源定位，更高转速下可借助明显增大的变柔度振动特征进行故障监测；滚动轴承故障对应的声发射信号主要频率范围集中在0~375 kHz。

21 基于机器学习的燃气轮机控制系统分层故障诊断

彭道刚，裴浩然，尹德斌，张腾

2022, 37(12):165.

[摘要](451) [HTML](0) [PDF 5.42 M](250)

摘要:
针对传统算法在实际应用中存在网络规模庞大、学习训练时间过长和知识“组合爆炸”而导致网络组织失败等问题，提出基于变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD）、自回归模型（Autoregressive Model,AR）和轻量型梯度提升机（Light Gradient Boosting Machine,LightGBM）算法的燃气轮机控制系统分层故障诊断方法。首先对原始信号进行VMDAR建模，获取最具表征性的故障特征向量；然后根据不同层级特点和故障类型设计多个LightGBM模型；最后采用贝叶斯优化算法优化分层诊断模型中的超参数，并将待测信号输入模型进行故障诊断。结果表明：所提算法不仅能够达到95%以上的故障识别率，而且具有更强的泛化能力。

22 基于滤波阵列的燃气轮机气路故障诊断研究

朱麟海，冯春达，刘金福，于达仁

2022, 37(12):174.

[摘要](500) [HTML](0) [PDF 3.58 M](199)

摘要:
针对燃气轮机故障诊断过程中诊断精度不足，卡尔曼滤波易出现“弥散”现象的问题，提出了一种基于滤波阵列的燃气轮机气路故障诊断方法。该方法首先构建了一组基于健康参数调度的平衡流形展开模型阵列，然后结合平方根容积卡尔曼滤波对气路部件健康参数进行了实时估计，最后通过隔离因子实现了对故障部件的检测与隔离。仿真表明：该方法有效解决了卡尔曼滤波在故障诊断过程中出现“弥散”现象的问题，针对燃气轮机气路部件突变故障，能够有效实现故障的检测、隔离与估计。

23 基于DFCNN的滚动轴承定量诊断方法研究

张辉，曹云鹏，董昕阳，冯伟兴

2022, 37(12):181.

[摘要](379) [HTML](0) [PDF 3.38 M](171)

摘要:
以滚动轴承作为研究对象，设计了深度可分离模块、残差骨干网络、金字塔池化结构和路径聚合结构等特征融合单元，建立了深度特征融合的卷积神经网络（Deep Feature Convolutional Neural Network，DFCNN），分析了随机梯度下降法对网络参数优化的有效性及数据集传递次数与模型精度的关系，开展了不同样本容量和不同噪声环境下的故障试验。结果表明：提出的DFCNN模型可以有效识别滚动轴承损伤部位以及损伤程度，诊断准确率大于99.5%；该模型对样本容量要求低、抗噪能力出色，当信噪比大于-4时诊断准确率大于98.86%。

24 基于数字孪生的船用燃气轮机健康管理工业互联网平台

王睿瑞，陈芃樾，邱思琦，周彤彤

2022, 37(12):189.

[摘要](364) [HTML](0) [PDF 3.04 M](176)

摘要:
为了解决现阶段船用燃气轮机健康管理系统的数据准确率低、实效性差、各部件间数据和信息无法实现互联互通以及智能化故障诊断和预测程度低的问题，调研了现阶段数字孪生在健康管理领域的应用现状。基于成熟的五维数字孪生模型，阐述了物理实体、虚拟实体、数据孪生中心、健康管理功能系统的运行机制及交互机制。在此基础上，借鉴现有典型工业互联网平台的架构和功能，构建了基于数字孪生的船用燃气轮机健康管理工业互联网平台，通过与传统健康管理系统进行对比分析总结其优势。结果表明：该平台能够满足全生命周期健康管理过程中数据和模型信息的实时交互和动态更新，可打通健康管理系统中多个部件数字孪生模型闭环，并能为未来健康管理系统的发展和建设提供新的发展思路。

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