西门子运用LMS声学仿真软件优化燃气轮机的性能

作者：LMS国际公司

欢迎访问e展厅 展厅 1 发电站设备展厅 电力锅炉, 汽轮机, 水轮机, 燃气轮机, 核电设备... 燃烧室声学仿真软件改进了西门子发电系统的可靠性 为了进一步提高发电性能，现代燃气轮机的开发主要关注的是提高涡轮进口温度，并减少氮气衍生物的排放。但是，由于先进的燃气轮机燃烧室系统具有较高的密度，因此容易造成系统在热力声学方面的不稳定，而且还容易在可靠性方面产生问题并使发动机严重失效。详细的声学仿真已经在燃烧室设计阶段完成，这对设计燃气轮机、降低不稳定性，以及扩展其工况范围方面已经变得越来越重要了。西门子工程师使用LMS SYSNOISE软件，在早期了解到其设计的声学性能，因此模拟出的工况条件与进行实物试验相比要灵活得多。 降低每千瓦电力的成本 由于市场的反调节和公司私有化的因素，市场竞争变得越来越激烈，这样就要求电力的成本越来越低。而成本的降低可以通过建立低投入、生命周期成本较低的经济型工厂的运作方式来实现。最节约成本的方法就是在设备运行过程中达到最佳的压缩效果和最佳的燃烧效果，使其满足新的热动力要求和更高的燃烧温度。在此过程中面临的主要挑战就是如何让发动机的竞争特性满足严格的环境标准，如保持碳和氮的衍生物的低排放量。此外，用户还要对大型维修之间的间隔过程中提供的简单易用的设计和间隔时间段的长短满意。 影响发电系统可靠性的一个现象是燃烧室内存在的热声振动。例如环形罐状燃烧系统通常包括16个或者更多个单独的罐状燃烧室，呈环形分布，与发动机的对称轴垂直。在每个罐中，燃烧器都不断注入燃料和压缩空气的混合气体，以推动涡轮并产生所需的电力。上面提到的燃烧室振动是由反馈回路决定的，这包括液体流量、热传导、热膨胀和容易造成发动机严重失灵的声学振动等因素的影响。因此制造几个试验台和样机进行试验，同时还评价了很多特征条件。样机试验的缺点是它需要更多的资源，而且无法对所有条件进行灵活的研究。所以具有预测热声不稳定性的功能对于提升产品性能，增强燃气轮机电厂的可靠性来说是至关重要的。 优化燃烧室的特殊方法 为了开发特殊的方法防止热声不稳定性，西门子工程师对声学性能和热力排放之间的复杂相互关系进行了分析。西门子燃烧技术工程师Sven Bethke解释说：“因为声压的特征频率和模态振型与稳定分析非常耦合，因此有限元模态分析和随后的稳定性分析是热声预测和评价流程中的主要工作。西门子电力部门之所以选择LMS SYSNOISE作为其声学建模和仿真的主要应用工具，是因为其广泛的应用领域和强大的声学仿真功能。在西门子遵循的燃烧室优化流程中，工程师从计算流体力学（CFD）仿真中得出结果，包括稳态流速、温度和流体特性等等。这些结果将作为声学仿真的输入数据输送到LMS SYSNOISE软件中。进行这些仿真将使用不同的声学模型，如一个独立燃烧室配置的有限元模型、一个扩展有限元模型，包括流向燃烧室的进入气流通道、涡轮叶片、排气通道、和完整的多罐环形燃烧室设置。声学有限元建模的重要部分就是定义特殊的边界条件，这是由数学方法或试验方法得出的。西门子工程师利用在特殊设计的单罐试验台上进行的试验，来验证声学仿真的结果。” 燃烧室声学有限元建模的新进展 使用LMS SYSNOISE来研究如何定义对单罐配置进行有限元分析的边界条件。有限元模型包括整个燃烧室，从头端的叶片开始到涡轮入口的转换出口末端为止。通过燃烧器和燃烧室出口末端的关键区域被设定为吸收的边界条件。在燃烧器出口（如在燃烧室的入口处）的声学边界条件是由一个特殊的阻抗来代表，这个阻抗是使用大气试验台进行试验来量化的，而无需燃烧作用。在燃烧室的出口，用涡轮的导向叶轮或者试验台的叶轮模拟部分（VSS）定义出声学边界条件。复杂的数学方法可以描述出流场经过这些障碍的情况。与叶轮后的液体流动相比，汽缸可以产生更多的涡流，影响出口边界条件的反射。得到的有限元模型适合分析诸如来自不同类型的燃烧器和不同稳态流速（马赫数Mach-numbers)下的不同阻抗的影响。声学仿真显示燃烧器类型具有重要的影响，而燃烧室的流速则对声压的模态振型具有较小的影响。 当使用VSS来替代涡轮叶片来扩展燃烧室试验台架的有限元模型，以及扩展排气管时，很明显马赫数是不能忽视的。窄通道的存在形成了几何声学特性，而此特性将受到流速的影响。西门子工程师在声压分布的基础上确定了VSS的反射系数，声压分布是通过在LMS SYSNOISE中进行有限元仿真而得到的。扩展有限元模型尤其适用于确定通向VSS的边界阻抗及其通过此部分对马赫数的依赖性。结果显示与VSS过程中的马赫数具有紧密的联系。 单罐环形燃烧室设备的声学模态 为研究罐与罐之间的连接，将进行整个多罐环形燃烧室配置的有限元分析。涡轮入口的多个环状物将燃烧室和邻近单元连接起来。吸收的声学边界条件可以描述燃烧器和燃烧室出口区域，这些都是用同样的方式定义成为一个单罐的模型。LMS SYSNOISE中的仿真显示：除了每个单罐燃烧室的轴向模态以外，完整的环形罐燃烧室配置将激发一些额外的声学模态。仿真关注的主要是纯方位角和混合轴/方位角模态。因为没有试验台可以对整个环形罐燃烧室配置进行测量，所以这些模态都是通过在LMS SYSNOISE中进行声学仿真预测出来的。西门子工程师进行这些声学评价的主要原因是要确保所有潜在的干扰特征频率和声学速度都将在设计和开发流程的早期得到认识。这样就可以让西门子工程师找出相应的对策来干预那些干扰的特征函数，这些对策是开发并安装特殊的燃烧器出口扩展部分和声学共鸣器。安装在燃烧器出口的扩展部分的长度决定了激励反馈循环的频率，因此减少了燃烧室不稳定性的风险。安装这些扩展单元是可行的解决方案，这个方案对抑止50-500Hz的中间频率的振动尤其有效。这些扩展部分的灵敏度让这种对策更难调整。声学共鸣器是标准发动机设计的一部分，其使用是影响声学特征频率的另一种方式。这种方法对消除声学信号中较短波长的信号（如1000-3000Hz的高频信号）非常有效。这些共鸣器的几何结构可以在LMS SYSNOISE中进行设计，但是避免有限元反复建模的实际方法是用分析的方法评价几何结构，最后再用LMS SYSNOISE来验证设计。对这些共鸣器进行冷却可以避免热气进入共鸣器。使用共鸣器是非常有效的方式，但是共鸣器也存在不利的地方，就是过于复杂、费用较高，还会由于加入了额外的冷却空气而降低燃气轮机的效率。尽管优化液体流量、燃烧效果和热传递仍是燃气轮机开发的主要目标，但是现在更多关注的是声学性能与工作可靠性和效率之间的相互关系。Sven Bethke总结说：“西门子将虚拟样机仿真、LMS SYSNOISE和适当的实物试验方法相结合，可以有效地模拟特定设计修改方案的影响和燃气轮机声学性能的工况条件。对于西门子来说，如果要优化燃烧器设计并提升其发电系统在市场中的竞争地位，预测声学特征频率以及预测单罐燃烧室和环形燃烧系统的模态振型是至关重要的。” 关于LMS国际公司 比利时LMS国际公司，总部设在比利时鲁文，专门为机械产品开发的功能品质工程提供解决方案。公司开发的软件，生产的硬件及其它相关产品可以帮助工程人员根据运动学与动力学、平顺性、操纵的稳定性、结构的整合、振动、声学、NVH和疲劳历程等特征对设计进行改进，这样用户就可以了解并解决出现的问题。与此同时LMS先进的属性优化技术也就转化成为LMS在市场上的战略性竞争优势。LMS提供的解决方案是以数字开发为基础，以过程开发为中心，最终提高生产厂家的劳动生产率。LMS公司的工程服务部门可以为整车的开发提供很多技术性支持，从项目承包到问题诊断，技术转让，合作开发等等。LMS公司的产品符合ISO9001质量体系标准，全球共有20个分支机构，员工700多人。(end)

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