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研究所“超强换热”重点培育方向:大中型间冷燃气轮机关键技术取得突破性进展
发稿时间:2018-09-27         作者:郭江峰 崔欣莹          来源:传热传质研究中心     【字号:

  一、项目概述

  间冷燃气轮机循环系统,通过间冷器大幅降低进入高压压气机气流的温度,减少高压压气机的压缩耗功,从而提高燃机的输出功率,是燃机发展的重要方向。间冷器作为间冷循环燃机系统的关键设备,其技术难点在于:换热器流道结构复杂,缺乏成熟设计方法;对换热效率和紧凑度要求极高,同时又要求阻力损失极低;对换热器加工工艺精确度和可靠性要求高。间冷器一直是多年来难以克服的技术瓶颈,制约着我国先进燃机系统的发展和应用。

  传热中心超强换热团队在研究所创新引导基金项目“燃机新型高效紧凑式间冷器研发”的支持下,于2017年3月成立间冷器研发小组开始进行大中型燃机间冷器高效低阻传热机理、结构完整性设计、高精度加工和宽板幅焊接等关键技术攻关。该项目致力于开展针对大中型间冷燃气轮机间冷器在恶劣或极端条件下的高效低阻传热机理研究,以及多苛刻约束条件下的间冷器的结构性能优化设计;致力于建立具有自主知识产权的高效间冷器设计指导思想和优化体系,间冷器整体成型及新型制作加工工艺开发,间冷模块研制和测试等,为我国先进间冷燃机技术的发展提供重要技术支撑。

  二、项目进展情况

  在过去的1年半的时间内,传热中心超强换热团队间冷器研发小组开展了大中型燃机间冷器高效低阻传热机理、结构完整性设计、高精度加工和宽板幅焊接等关键技术攻关,研究工作进展顺利,先后取得了一系列创新性成果。

  1.针对大中型间冷燃机对间冷器高效、低阻、高紧凑性的要求,基于传热强化理论的最新成果结合研发小组提出的“耦合分布、协同优化”的换热器设计思想,发展了新型气液两则流道布局和结构形式。通过换热器通道结构及流动形式的理论分析,结合最新的加工焊接工艺,创新性提出了适用于气液换热的通道结构形式及流向布局,克服了传统换热器结构及制作工艺造成的综合性能差、易开裂等弊端。

  2.基于间冷器性能需求,发展了多目标多参数协同优化思想,在体积、重量、压力恢复系数等严格约束条件下,寻求综合换热性能最优的板厚、肋高、通道宽和通道数量等多个设计参数间的最佳组合,从而获得间冷器Pareto最优设计方案。

  3.针对微小通道换热器复杂结构形式和通道布局,基于多尺度耦合模拟技术结合周期性条件开展了大规模跨尺度高精度数值仿真研究,用于指导新型换热结构的开发和优化定型。在多种苛刻约束条件下,对换热器的结构参数进行了跨尺度模拟测试和计算分析。研究计算结果为结构尺寸优化提供了依据,并成功获得最优结构设计方案。

  4.针对大宽幅大流量下流量分布不均的问题,基于热质传递理论开展入口区域流量分布均匀性研究,再结合多尺度仿真技术,创新性提出了多边形换热结构流体入口区域通道分布新形式,有效保证了工程应用中流量分布的均匀性,提高了间冷器换热性能、耐用性等。

  5.针对恶劣工作环境以及燃机启停等运行条件使间冷器常处于非设计工况条件下运行,研发人员建立了多变量非线性间冷模块动态优化模型,用于研究各种恶劣条件非设计工况下间冷器性能及对燃机系统的影响,并从多个角度研究了恶劣工况条件下的间冷器运行性能,及对整体间冷循环系统的影响。

  6.研发团队先后多次在研究所廊坊研发中心开展了全温全压间冷器实验缩比样机的测试验证,并邀请有关专家领导到测试现场指导和审核,测试结果显示样机冷热流体两侧的换热性能、压力损失等各项指标均优于原设计目标和实际要求。测试结果和设计计算结果以及仿真结果对比显示,热负荷平均误差在2%以内,宽板幅出口截面温度和压力不均匀度小于1.5%,证实了研发团队开发的换热器设计方法和大规模跨尺度数值仿真技术的准确性和可靠性。

  7.研发团队基于“通道-芯体-整体”由局部到整体的换热器设计思路,通过对实验样机的优化改进和放大,结合当前加工焊接等工艺,完成了新型高效全尺寸原型机的设计、加工和制造,突破了宽幅板材流道设计、结构优化、精密加工、无钎料焊接等关键技术,能够满足恶劣工作环境下高强度、耐腐蚀等严酷要求。近日,研究所加工的新型高效全尺寸间冷器原型机在相关单位测试平台完成了全温全压全工况下性能测试,各项指标均达到或优于原设计和实际要求,与现有间冷器产品相比在综合性能和加工工艺等方面均具有明显的技术优势,并得到有关单位领导专家的高度认可。

  间冷系统能够有效提高燃机效率、降低燃油消耗,在间冷燃机系统中起关键作用,具有广阔的应用前景。相比世界先进的间冷燃机技术,国内燃机技术水平尚有一定差距,其中间冷器正是制约间冷燃机系统发展的关键技术瓶颈之一。研究所传热中心超强换热团队间冷器研发小组,经过一年半的技术攻关,克服了通道形式、结构设计、芯体优化、整体成型等一系列从设计到优化、从理论到工艺的技术难关,形成了具有自主知识产权的新型高效低阻紧凑式间冷器设计方法和优化思想,并在通道布局、结构创新、加工焊接工艺等方面形成了多项国家发明专利。中科院工程热物理所全温全压全尺寸新型高效间冷模块的研发成功,将我国大中型燃气轮机中间冷却技术提升到一个新的高度,填补了国内相关技术空白,有助于我国先进燃机技术早日赶超世界先进水平。

  三、下一阶段工作

  1.根据多工况条件实验测试结果,进一步对全尺寸间冷模块进行优化和改进,最大可能地提高间冷模块综合性能。

  2.针对寒带、热带区域等一些极端运行环境,开展极端运行条件下间冷模块理论分析及实验测试,提高间冷模块适应性。

  3.对新型间冷模块通道结构、设计方法、制作工艺等进一步归纳总结,形成间冷模块设计准则和制作标准。

  4.加强制作加工和焊接工艺管控,降低批量化制造成本,为产品生产作好准备。

 
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