颜伟开题报告

1、华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告题目：火电厂风机失速和喘振特性研究（ 从客车空调供电方式来看,客车空调由本车供电向集中供电转变。本车供电是指空调客车装置的用电由本车车轴发电机供电或单车柴油机发电机组供电。这种供电方式的特点是：电压制为110V,空调装置的使用不受整车电压的影响,列车编组较为灵活；但车内用电器的互换性较差,维修量大。集中式供电则是指整个列车空调装置的用电由地面电站通过接触电网集中供电或由列车中编挂的发电车集中供电。这种供电方式的特点是：具有良好的机动性和适应性，不受机车牵引动力的限制；电压制为380/220V ,车内设备可直接使用民用设备，便于维护和使用；但柴油机使用的

2、柴油消耗量大,运行成本较高。另外柴油机的磨损较大,寿命较短,检修频繁。特别是整车用电对发电车的依赖性大,一旦发电车出现故障从列车中摘解后,将会对全列车的用电造成影响。尽管有以上的不足之处,但由于它无可比拟的优越性,列车集中供电仍然是铁路客车用电制的发展方向。 ）通风管道阻力计算步骤如下：选取通风系统阻力最不利环路，一般指风量较大或者局部阻力构件最多、走向最复杂管路。根据通风管道布置，按比例绘制示意图，并从风道末端给管路编号，注明各管段风量和长度。确定各部位风速。根据各管段风量和选定风速，计算各管段的断面尺寸。算出各管段的当量直径。根据风量和当量直径可计算出摩擦阻力。计算通风系统内各设备的阻力损

3、失。计算通风系统总阻力损失。按需要进行并联支管压损平衡，如果支路压损不平衡，则不能按预定风量分配空气，压损小的支管实际风量比预定风量大，压损大的支管则相反，实际风量比预定风量小。压损不平衡时，可视情况调整分支管断面尺寸，如不能通过分支管达到压损平衡时，可利用风门进行调节。学 号：U201111405姓 名：颜伟指导老师：杨涛院系专业：能源与动力工程学院热能与动力工程专业 华中科技大学教务处制华中科技大学本科生毕业设计（论文）开题报告一、课题来源、目的、意义 风机作为通用机械的一种在各个行业都得到极广泛的应用。在能源行业中， 一般是厂房、车间空调、原子防护设备通风、锅炉系统等的组成部分。从应用的

4、角度看，风机是实现动力循环的重要辅机，被喻作“呼吸系统、消化系统、排泄系统等”。本课题主要是研究火电厂中的风机特性，课题来自杨涛老师的横向课题。 下图是常规火电厂中风机分布示意图。风机在火电厂中应用广泛，现代常规火电厂中风机分布如图1所示。图1 火电站风机分布示意图火电厂风机分布示意图 从图中可以看出电厂的锅炉系统中一般具有送风机、引风机、一次风机、排粉风机、烟气再循环风机、脱硫风机，对于直吹式制粉系统还有具有给粉机等。风机一般分为离心式、子午加速式轴流式和动叶可调轴流式三种。离心式的具有压头高但是流量小，不稳定，结构简单等特点；轴流式具有结构紧凑，相对简单，风量大，高效、低噪，宽工况运行范围

5、等特点。随着现在机组向着大容量高参数发展，要求风机的流量和安全性也高了很多，所以现在火电厂常用的风机为轴流式风机。风机是火电厂关键辅机之一，且是电厂自耗电“大户”之一；从经济的角度看，风机的耗电量约占30%的厂用电。作为典型工作机，风机和泵每年的耗电量占全国总用电量的30%-40%。（把重点放在风机上，不要提泵）随着现在环境污染的加剧和环保要求的提高，由于分步脱硫脱硝技术存在流程复杂, 运行成本高等缺点, 国际上把开发技术简单, 运行成本低, 具有更好的运行性能的脱硫脱硝一体化技术作为燃煤烟气治理技术发展的方向之一1。由于国内机组脱硫脱硝系统一体化的改变使原有的辅机设备运行工况有了很大的改变，

6、很容易出现异常运行工况。如果风机运作不正常将会导致锅炉系统无法正常工作，小则是短期受损，大则会导致锅炉爆炸引起重大事故。因此，对于火电站中风机的失速和喘振特性分析对于保证设备和生产安全，电厂效益具有十分重大的意义。 本课题目的是针对现在火电厂所用的典型风机进行结构分析，并通过建立风机的失速和喘振特性的MG模型，求解得到风机的性能曲线和喘振失速特性线，通过计算和参数变化得到不稳定响应并做分析，为电厂运行提供建设性的意见和指导。二、国内外研究概况1. 国外研究情况 目前国外对于压气机和风机不稳定工况特性的研究比较多。20世纪80年代以前，对于失速的研究主要集中在对现象的观察和物理描述。随后，一些学

7、者在理论上提出：失速的发生是从线性扰动发展非线性失稳的一个过程。Mcdougall2等在一台低速压气机实验中观察到一些沿周向旋转的正弦波动，即所谓的模态波。之后Day3在实验中首次检测到一种所谓的短尺度“Spike”类型失速扰动。1986年Moore和Greitzer联合提出了压缩系统失速动态性能的旋转失速和喘振的统一模型, 其特点是对压气机及其进出口管道应用二维不可压流动模型, 而以压气机周向参数的积分来联系排气容腔、节气门的参数变化, 而且模型中仍然使用压气机的轴对称流动特性。应用该模型既可以模拟旋转失速的周向扰动, 又可以描述喘振时的轴向扰动, 耦合了旋转失速和喘振两方面的影响因素。（注

8、意段落对齐等格式问题） 20世纪90年代，研究人员开展了大量的实验工作（比如Camp与Day4；Day等；除了两类失速先兆波外，Day5等在4台高速压气机上开展实验研究，发现了两类新的物理现象：高频失速与固定位置失速。研究发现：在同一台压气机上还可以发现多种类型失速先兆波，或者失速过程中不同类型扰动波之间可以相互触发。进气畸变、雷诺数和级间不匹配也会影响失速类型。总之，不同压气机中存在多种样式的失速过程。即使是某一特定压气机，也会因工作状态不同而呈现复杂多样的失速演化方式。由于先兆波类型的多样性，目前尚未有任何统一理论能够解释旋转失速瞬态的细节演变过程。然而，各种类型的失速先兆波都是由小扰动发

9、展为最终失速团的。尽管失速演化过程的研究具有重要理论意义，但工程实践中设计和使用人员更为关注的是风扇压气机流动失稳起始点的位置。对于喘振和旋转失速发生的先后顺序Tryfonidis等在6中提出旋转失速先于喘振发生，并且是喘振发生的重要先兆。而Garnier等在7中大量模拟了喘振和失速的共生现象。（参考文献的表述方式全文应该一致，比如都采用人名加上其工作的描述，文献都标上标等） 迄今为止，有关压气机旋转失速起始判定的研究工作主要有两类：解析模型和数值计算。几十年来，从不可压缩到可压缩，从二维到三维，解析模型不断发展完善。各种解析模型虽然在描述流动画面、提炼物理本质上各有侧重和不同，但其根本的出发

10、点都是要建立判断压气机失稳的定性准则，分析影响压气机流动失稳的主要因素。这些模型在形式上都具有简洁明晰的特点，并在早期研究中产生了积极的影响。但是从另一方面讲，这类模型对压气机，特别是叶栅通道内的流动细节缺乏深入的了解和详细的刻画，叶片几何造型对稳定性的影响不能精确地包含在模型中，而这些因素常常对稳定性起到至关重要的影响。（这段评述指的是解析模型还是数值模型，描述的不够清晰）PIV（Partical Image Velocimetry）又称粒子图像测速法，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术的成熟运用对于研究失速状态下叶栅通道内的流动

11、细节变化具有重要的意义，被喻作“可视化”技术。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场，另外PIV技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述优点，它已成为当今流体力学测量研究中的热门课题。如Matej Fike8等利用PIV测试技术得到轴流式风机在旋转失速状态下的速度流场，通过得到大量的图片分析从而观测到失速状态下速度场的变化情况,使风机内部流动结构在失速和喘振状态下变得“可视化”。Takuya ABE9等对于压气机内的旋转失速和喘振的共生现象做了详细的研究，同时Yutaka OHTA10等通过实验测得单级轴流式压气机在旋转失速和喘振状态下的不稳定行为并做了分析。目前，在国

12、外，许多学者和专家致力于风机的低碳技术研究，如英国帝国理工 RicardoF.Martinez-Bolas 教授就风机和泵的低碳技术作了有关研究，在保证压缩机性能不变的情况下研究如何缩小压缩机尺寸，这对于在运输机器上有重要的意义，有助于减少能源的消耗11等等。2. 国内研究情况在国内，对于风机的失速和喘振特性研究也是非常广泛的，很多发电厂和设计院以及高校都针对压气机和风机做了大量的数值模拟和仿真，比如张森12在航空发动机喘振问题分析中详细地介绍了发动机喘振的机理，同时也对于喘振故障监控和预防措施提出了建设性的意见和方案；童红政等在13中结合嘉兴电站事故实例分析了电站轴流风机喘振的原因和危害，同

13、时也提出很多关于运行和预防的措施。较全面综合性的是Xiaofeng Sun等在14中提出了关于流体机械不稳定流动初始的通用理论。 在建模分析方面，曹惠玲等在15中对于航空发动机喘振故障诊断建立最小二乘支持向量机（Least Squares Support Vector Machine,简称LS-SVM）回归模型，对航空发动机进行状态检测，并根据转速、压比、燃油量的预测值和真实值的相对误差来分析喘振故障，得到良好的结果，证明其可以作为快速测量喘振的依据。王聪16等人在轴流压气机旋转失速建模与检测: I 基于确定学习理论与高阶MG 模型的研究中基于确定学习理论及动态模式识别方法提出一个旋转失速初始

14、扰动近似准确建模和快速检测的方法。首先，基于高阶MG模型（Mansoux 模型），利用确定学习理论提出一个对旋转失速初始扰动的内在系统动态的近似准确建模方法；其次，基于以上近似准确建模，利用动态模式识别方法提出一个对旋转失速初始扰动的快速检测方法即：基于MIT 的Mansoux-C2 模型仿真研究，并验证了所提方法的有效性。刘小华等在17中基于特征值理论发展了一个轴流式压气机流动失稳开始点预测模型，应用普方法和奇异值分解（SVD）算法求解所建立的特征方程的特征根，通过特征频率的虚部判断压缩系统的流动稳定性，并通过算例证明其可行性。而陈策等人在18中在三阶MG模型的基础上分析了轴流式压缩机系统方

15、程中的静态分叉行为并划分了系统流动行为区域图，根据分叉参数对流动行为进行简单的预测，从而达到控制作用等。三、课题内容及目标通过基本教材和国内外文献阅读，了解电厂风机的结构特征，掌握风机失速和喘振的机理。通过对给定某风机结构进行简化，建立一种风机失速和喘振特性的通用模型，通过对模型的求解得到理论上喘振和失速工作线。再根据具体风机结构和参数如转速、流量等计算其不稳定响应，获得压升-时间、流量-时间、流量-压升等响应曲线。改变模型变量参数，并分析结果变化得到失速和喘振的主要影响变量，为运行和控制提出一种新的指导方案和参考手段。能按计划开展课题并保质保量完成各阶段任务，顺利完成毕设。四、方案论述风机最

16、常见的异常工况就是失速和喘振。下图是无导叶的风机入口速度三角形示意图和冲角与脱流示意图。10 图（2）入口速度三角形 图（3）冲角示意图 当风机处于设计工况的时候，此时安装角等于入口气流角，此时无冲击损失，为最佳状态；当流量减少或者增大时，相对速度依次对应于点划线和虚线所示。此时的入口角不等于安装角，冲角（有的书也叫做攻角）的定义19为： (1)当冲角不为0时为有冲击进口，存在冲击损失。示意图为图（3）。当质量流量减少时，为正值，气流冲向叶片的凹面，在叶片的凸面产生涡流，此时气流分离，由于气流惯性而紧贴在叶片凹面，在叶片的凸面产生强烈的涡流并迅速发展，从而在叶栅前后产生压力差。在叶栅前后压差和

17、通道的前后压差综合作用下，气流发生流动，分离，中断，而后再流动，再分离，再中断，周而复始的脉动，引起喘振；从系统分析的角度看，当流量减少时，由于管网系统容量大，风机失速压力降低时，管网中气流倒流入风机，随后，风机自动调节系统又向管网输送气体，管网压力回升，如此循环，形成喘振。风机喘振时，风机的风量、压力、电动机电流波动剧烈，振动明显增强，噪声巨大。另一方面，当流量系数大时，为负值，在叶片的凹面将产生涡流，出现气流分离现象；但由于空气惯性，在流过弯曲的叶片通道时，会有紧贴叶片凹面的趋势，减弱和消除气流分离现象，所以即使发生分离，其涡流区也不会容易扩大，故气体不易分离。因冲角为负，气体在叶栅中流动

18、方向改变不大，速度变化也不明显，压升也不多。所以当流量大时即使出现分离也不会引起逆流导致喘振20。通过查阅国内外文献总结出不少建模分析方式，但是大多数是针对于压缩机或者航空发动机，对于电站式轴流风机失速分析更多的是基于电厂事故实例进行操作或通过CFD分析进行指导，或者是利用软件对具体风机作流体动力分析，很少通过从原理上建立通用模型得出风机的失速和喘振特性。所以此次探究借鉴压气机研究经验，通过综合比较，选择采用MG模型来对典型火电厂风机进行建模分析，原因和优势如下：MG模型是一种二维非线性可压缩模型，该模型将经典的非线性动力系统理论应用于旋转失速和喘振的动力学特征分析。在压气机研究领域应用得非常

19、多，通用性好。虽然MG模型是针对于压缩机提出的，但是从失速原理和喘振特性上分析，压缩机和风机的原理是一致的，同时管网系统也类似。工作特性曲线也一致。MG模型为典型的压缩机失速喘振分析模型，相对于其他的建模方式或者PIV测试技术便于实现，无需投资实验。为毕设顺利进行提供了资源上的保障。根据文献的搜集和阅读发现目前对于火电厂风机的分析尚无人采用此模型，借此机会来证明此模型用于风机是否可行，有别于现行研究。方案实施具体步骤如下：首先查找有关资料自行选择现在火电厂常用的风机型号并得到其相关尺寸参数和特性参数并简化模型。一般风机的简化建模图示如下：其次通过分析MG模型的建模过程并加以简化得到适用于风机的

20、失速和喘振模型。最基本的MG模型控制方程如下：注：为压力系数，为流量系数。R为旋转失速扰动一次谐振波振幅的平方。其它特征参数根据所选风机加以确定。中期通过对具体风机结构确定参数并加以化简，得到该风机的具体MG模型，由于涉及到非线性偏微分方程迭代求解，所以采用Matlab软件进行计算得到喘振和失速的特性曲线和各种不稳定响应，再改变B（与转速相关）参数和其它有关参数观察变化；后期是根据所求数据和曲线分析失速和喘振特性，并加以延伸提出建设性的结论。（公式应该编号，段落间的空格等要注意）五、工作计划2014年12月-2015年2月 文献阅读，英文翻译，开题报告书写和答辩2015年3月-2015年5月

21、建模和Matlab软件学习与求解2015年5月-2015年6月 计算结果分析2015年5月-2015年6月 论文撰写及答辩 六.参考文献（参考文献的格式请按照出版文献的要求进行修改）1葛荣良. 火电厂脱硝技术与应用以及脱硫脱硝一体化发展趋势J. 上海电力,2007,05:458-467.2 McDougall N M，Cumpsty N A，Hynes T P. Stall inception in axial compressors J. Journal of Turbomachinery,1990,112(1):116-125. 3Day I J. Stall inception in a

22、xial flow compressors J.Journal of Turbomachinery1993,115(1); 1-9.4 Camp T R，Day I JA study of spike and modal stall phenomena in a low-speed axial compressorJ.Journal of Turbomachinery,1998,120(3); 393-401.5 Day I J，Breuer T,Escuret J,etal. Stall inception and the prospects for active control in fo

23、ur high-speed compressorsJ.Journal of Turbomachinery,1999,121(1); 18-27.6Tryfonidis, M., Etchever, O., Paduano, J. D., Epstein, A.H., Hendrics, G. J., “ Prestall Behavior of Several High Speed Compressors”, Trans. ASME, J. 117(1995), p.62.7 Garnier, V. H., Epstein, A. H., Greitzer, E. M., “Rotating

24、Waves as a Stall Inception Indication in Axial Compressors“,Trans. ASME, J. of Turbomachinery, 113(1991),p.290.8Matej Fike；Visualisation of rotating stall in an axial flow fan； Experimental Thermal and Fluid Science 53 (2014) 2692769 Takuya ABE1, Hiroaki MITSUI1 and Yutaka OHTA2 ; Coexisting Phenomena of Surge and Rotating Stall in an Axial Flow Compressor ;Journal of Thermal Science Vol.22, No.6 (2013) 547-55410Yutaka OHTA1, Yutaka FUJITA2 and Daisuke MOR