燃气轮机进气系统结冰机理及防冰方法的数值模拟研究.pdf

摘要

由于气流流速快，进气流量大、空气湿度高等因素，燃气轮机进气系统在雨水、

雾霾、高湿和寒冷气候易发生“湿堵”和冰堵现象。此现象不仅使燃气轮机进气系

统压差急剧升高，还对旋转机械动力设备的安全运行构成威胁，严重影响燃气轮机

的安全运行。为确保燃气轮机进气过滤系统正常的功能和性能，本文采用数值模拟

的方法对燃气轮机进气系统结冰和防冰过程进行了相关研究。

本文主要进行了以下几个方面的工作：

首先，运用Fluent软件模拟空气流经平面、梯形和三角形折褶滤网模型的流

态特征。结果表明：三种不同结构的滤芯压降随空气质量流率和滤芯厚度的增大而

增大。通过分析三种折褶滤芯进气系统流场的流动规律、过滤压降和出口均匀性，

发现三角形折褶滤网适用于进气速度较大的进气系统。这个结论为滤芯的设计、选

型和后续防冰除湿提供了基础和参考依据。

再次，进一步探究水滴撞击滤网后结冰的现象，通过Fluent软件的CSF（The

ContinuumSurfaceForceModel）和UDF（UserDefinedFunctions）模块进行数值模

拟计算，研究结果表明：入射水滴速度的增大，水滴的铺展和渗透能力增强，导致

二次水滴过程产生的初始时间减小；入射水滴半径增大，水滴的铺展和渗透速率加

快；而随着温度升高（263K～283K），水滴的渗透因子几乎保持不变，但水滴的铺

展因子与温度呈正相关关系。这些研究结果表明液滴的飞溅、渗透和铺展特性是滤

网后结冰的主要原因。此研究为后续进行加热防冰做铺垫。

最后建立抽气加热防冰模型，并通过软件Fluent对其进行验证和优化，最终

得到一种抽气加热模型。研究结果表明，当入口温度为263K时，将喷管数量从6

个增加到10个时，过滤器的最低表面温度从266.36K上升到270.45K。入口温度

温度越高，效率越高。此外，随着喷嘴离滤网距离的增加，滤网的表面最高温度会

逐渐降低，在三种不同的环境温度下，进气流量越高，表面温度也会升高。对于最

大抽气量进行计算可知，3种燃气轮机试验负荷下的抽气比例为1.96%，小于2%。

本文通过仿真模拟实验，表明了过滤器的构造和结冰的机理，提出了在过滤器

前进行防冰的必要性，并设计了一种高效的抽气式加热模型。为低温环境下燃气轮

机进气系统防冰、预加热装置的设计提供了有益参考。

关键词：燃气轮机；进气系统；结冰；防冰；数值模拟；加热方法

Abstract

Duetothefactorssuchasfastairflowvelocity,largeintakeflowandhighair

humidity,thegasturbineintakesystemispronetowetpluggingandicepluggingin

rain,haze,highhumidityandcoldclimate.Thisphenomenonnotonlymakesthepressure

differenceofgasturbineintakesystemrisesharply,butalsoposesathreattothesafe

operationofrotatingmechanicalpowerequipment,whichseriouslyaffectsthesafe

operationofgasturbine.Inordertoensurethenormalfunctionandperformanceofgas

turbineinletfiltrationsystem,thispaperadoptsthenumericalsimulationmethodtostudy

theicingandanti-icingprocessofgasturbineinletsystem.

Thispaperfocusesonthefollowingaspects:

Firstly,Fluentsoftwarewasusedtosimulatet