燃氣輪機進氣系統性能仿真分析

閆 欣，季振林，李海龍

（哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

燃氣輪機進氣系統性能仿真分析

閆 欣，季振林，李海龍

（哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

進氣系統噪聲是燃氣輪機主要噪聲源之一。應用計算流體動力學和聲學有限元法分別對燃氣輪機進氣空氣濾清器和進氣消聲器的流動阻力和消聲特性進行計算和分析。研究不同結構參數對進氣系統空氣動力性能和消聲性能的影響，用于指導燃氣輪機進氣系統的優化設計。

聲學；進氣系統；濾清器；消聲器；阻力損失；聲學特性

進氣系統的主要作用是給燃氣輪機提供充足而且清潔的空氣，以保證燃料在氣缸中充分燃燒；同時要求具有較低的流動阻力[1,2]。進氣噪聲是燃氣輪機的主要噪聲源之一，噪聲沿進氣系統向外傳播，從進氣口向外輻射?？諝鉃V清器作為進氣系統的重要組成部分，除了具有過濾空氣的作用，還能有效地降低進氣噪聲[3]。從進氣消聲的角度來考慮，空氣動力學性能和聲學性能也是空氣濾清消聲器最重要的兩項技術指標?？諝鈩恿π阅苁欠磻諝鉃V清消聲器對氣體流動阻力的影響，阻力過大會造成進氣量不足，從而使燃料燃燒不充分。聲學性能是指在給定的頻率范圍內空氣濾清消聲器對噪聲的衰減程度，要求在較寬的頻率范圍內具有足夠高的消聲量。由于進氣系統的尺寸較大，形狀不規則，應使用三維數值方法計算其聲學性能[4-6]。

本文分別采用計算流體動力學法和聲學有限元法分析，對含有空氣濾清消聲器和進氣消聲器的進氣系統的流動阻力和聲學性能進行計算，分析各結構設計因素對流場和聲場的影響，為優化空氣濾清消聲器的結構設計提供參考依據。

1 流場計算與分析

空氣動力性能是評價進氣系統好壞的重要指標，它反映了空氣濾清器和進氣系統對氣流阻力的大小。流經空氣濾清器和進氣系統的氣流損失大，則整個動力裝置的功率損失就大。因此，從保證系統效率出發，進氣系統輸氣應盡可能地通暢，流經進氣系統的氣流阻力損失要盡可能地小。進氣系統的空氣動力性能主要用總壓損失來表示，總壓損失是指氣體通過進氣系統時，在進氣系統出口端的流體總壓與進口總壓相比降低的數值。

首先，使用Gambit建立進氣系統三維模型，并對模型進行網格劃分，再使用FLUENT對進氣系統的空氣動力性能進行研究。本文的進氣系統結構如圖1所示，濾芯位于集氣室正中間，假定氣流為定常流動，計算工質為理想氣體，壁面采用標準壁面函數。計算方法為顯式方法，采用標準k-ε模型模擬湍流流動。動量方程、湍動能及耗散項均采用2階迎風差分格式進行離散，壓力—速度的耦合采用SIMPLE算法。

圖1 進氣系統結構模型

1.1 空氣濾清器模型

為了考慮空氣濾清消聲器對進氣系統流場的影響，在模擬中把空氣濾清消聲器考慮進來。而且在計算中考慮空氣濾清消聲器的影響還可以省去對出口流場條件的估計，因為出口的氣流速度分布是未知的。氣流進入空氣濾清消聲器時的流場是復雜的三維流動，在空氣濾清消聲器的出口處不能夠假定氣流速度或者壓力分布是均勻的，這對于空氣濾清消聲器出口處氣流速度的預測是非常重要的。發電用燃氣輪機空濾器系統內部結構比較復雜，通常包括多個子系統，比如濾水管路，防鳥撞設施，復雜的濾網結構等等。在本文模擬中，把濾芯簡化為均勻分布的多孔介質，阻力分布為各向同性，并且不考慮多孔介質本身的體積影響，而是只考慮阻力影響。

1.2 多孔介質模型

在FLUENT中，在多孔介質區域的動量控制方程中增加一個動量消耗源項，該源項分為黏性阻力損失項和慣性阻力損失項兩部分，分別為下式中等號右邊的第一項和第二項。

其中Si是第i（x，y或z方向上）個動量源項，|v|是速度大小，Dij和Cij是給定矩陣中對應的元素，該動量源項會在多孔介質區域產生特定大小的壓力梯度，從而在單元上產生正比于速度（或者速度平方）的壓降。對于各向均勻的多孔介質，可采用如下簡化后的數學公式

式中Δp為濾芯兩端壓降，Δd為濾芯的厚度。

根據式（3）可測量多組Δp和v值，通過擬合曲線的方式可得到描述濾芯流動阻力性能的黏性阻力因子C1和慣性阻力因子C2。本文兩個系數的設定對結論沒有影響，因此采用文獻[2]中所得的數據擬合之后進行仿真。

1.3 邊界條件

本文進行數值計算中將進氣系統內部氣流視為定常流動，考慮到進氣系統氣流從進氣口進入到離開進氣系統溫度的變化不到10°C，因此溫度變化忽略不計，具體邊界條件如下：

進口：計算工質為理想空氣，溫度為298.15 K，密度為1.225 kg/m3；速度進口（velocity inlet）；

出口：出口邊界條件為壓力出口（pressure outlet）；

壁面：進氣系統內部流動的邊界是固體壁面，所以采用剛性壁面、絕熱、無摩擦、無滑移。

1.4 網格無關性驗證

對于瞬態數值模擬，需要確定計算所用網格的網格數量與計算獲得的結果之間無關聯性，也就是要進行網格無關性驗證。本次模擬中比較關注的是總壓損失現象，而總壓損失現象與流體的速度密切相關，因此取相同速度下的總壓損失來進行網格無關性驗證。

表1的模擬結果以網格數為自變量，總壓損失值為變量。

表1 不同網格數的總壓損失

從表1可以看出，當網格數從83萬變至307萬時，隨著網格數的增加，總壓損失的變化很小，說明表1所設置的三種網格數量對計算結果的影響很小，可認為83萬的網格已達到網格無關，因此取83萬的網格作為計算網格。

1.5 濾芯對流場的影響

濾芯在清潔空氣的同時，也產生很大的流動阻力，為了全面的研究濾芯對于進氣系統流場的影響，當進口速度為10 m/s時，分別對沒有濾芯的進氣系統流場和有濾芯的進氣系統流場進行數值模擬分析，氣流從進氣口高速進入進氣系統，此時進氣口的總壓最高，在無濾芯的進氣系統中，壓力分布比較均勻，而在有濾芯的進氣系統中，氣流通過濾芯和消聲器之后壓力逐漸減小，這是因為多孔介質對氣流產生的阻力作用，同時流入消聲器的氣流由于流道突然收縮造成壓力損失。

表2為有無濾芯的總壓損失比較，可以看出：空氣濾清器段和消聲器段的總壓損失占很大比例。在流速相同的情況下，有濾芯進氣系統的總壓損失比無濾芯的總壓損失要大，因此可以推斷出空氣濾清器是影響進氣系統空氣動力性能的重要結構之一，在對進氣系統進行設計時，要對空氣濾清器進行優化。

表2 有無濾芯的總壓損失

1.6 濾芯厚度對流場的影響

濾芯的主要作用是對空氣進行過濾，濾芯的厚度越大，空氣通過的過濾面就越大，過濾的效果越好，但也產生很大的流動阻力，為了全面的研究濾芯的厚度對于進氣系統流場的影響，對進口速度為10 m/s，濾芯厚度分別為0.25 m和0.5 m的進氣系統流場進行數值模擬分析，含有不同厚度濾芯的進氣系統其壓力分布大致相同。

表3為不同厚度的濾芯的總壓損失，通過對比可以看出，厚度越大產生的壓力損失越大。

表3 不同厚度濾芯的總壓損失

1.7 導流體形狀對流場的影響

針對燃氣輪機流場分布的特點設計了兩種導流體，導流體的形狀分別為半球形和尖角形，進口速度為10 m/s，半球形的導流體由于沒有大的尖角，流體沿著半球形的流道進入消聲器，起到了導流的作用，在與吸聲體的結合處，總壓變化不大，流場過渡較為平穩，引起的阻力損失較??；而尖角形導流體的尖角處氣流會發生分離，壓力梯度變化較大，該處是產生壓力變化的主要部位，也是壓力損失的主要部位。

表4為兩種導流體的進氣系統的總壓損失，通過對比可以看出，半球形導流體對流場的導流效果更明顯，引起的阻力損失更小。

表4 不同形狀導流體的總壓損失

2 聲場計算與分析

從聲學角度來講，空氣濾清器本身就是一個進氣消聲器。燃氣輪機進氣系統在整個頻域內都有很高的噪聲，尤其是高頻噪聲，所以需要在進氣系統中安裝進氣消聲器和空氣濾清器來控制其噪聲。評價消聲器的一個重要指標是傳遞損失。傳遞損失只與消聲器的結構屬性有關，而不受聲源及尾管輻射的影響，是消聲器研究中最常用的性能指標，定義為消聲器入口聲功率級與出口為無反射端時的透射聲功率之差，即

當消聲器進出口滿足平面波條件，且進出口面積相同時，消聲器的傳遞損失可表示為

式中ρ0為空氣密度，c0為空氣中的聲速，p1和v1分別為消聲器入口的聲壓和質點振速，p2為消聲器的出口聲壓。當給定消聲器出口壓力p1或質點振速v1時，利用Virtual lab軟件計算進、出口壓力和進口質點振速，便可求出消聲器的傳遞損失。

2.1 吸聲材料聲學特性

在Virtual lab的聲學有限元模塊中，可將濾芯當作一種吸聲材料。在吸聲材料內部存在著大量微細的通道和孔隙，聲波沿著這些孔隙可以進入材料內部，并與材料發生摩擦作用。由于空氣的黏滯性及通道壁面的熱傳導，聲波傳播過程所具有的能量將轉化為熱能而不斷的損耗。為了預測空氣濾清器的聲學性能，必須知道濾芯材料的聲學特性。濾芯材料的表面聲學特性如吸聲系數、表面聲阻抗常作為局部反應模型的邊界條件；對于整體反應模型，聲波在吸聲材料中的傳播常用復波數和復阻抗描述。根據吸聲材料的聲學理論，若多孔介質的骨架靜止時，在宏觀尺度上，吸聲材料可用等效的流體代替。用Ansys軟件建立空氣濾清器消聲裝置三維有限元模型，采用四面體網格，為確保計算精度，最大單元的邊長小于計算頻率最短波長的1/6。由于表征吸聲材料特性的這些量非常復雜，通常是由實驗測量得到。本文采用的吸聲材料為66 g/L的硅酸鋁巖棉，復阻抗比和復波數比表達式如下

2.2 吸聲材料填充密度對傳遞損失的影響

由圖2可知，在400 Hz～600 Hz的頻率范圍內，32 g/L的吸聲材料具有更好的吸聲效果，在600 Hz～900 Hz的頻率范圍內，66 g/L的吸聲材料的消聲量大于32 g/L吸聲材料的消聲量。結果表明：吸聲材料的填充可以提供良好的寬頻特性，應該針對不同消聲頻率的要求，選擇具有適當填充密度的吸聲材料。

圖2 不同密度吸聲材料時的傳遞損失比較

2.3 穿孔率對傳遞損失的影響

穿孔結構的特點是在金屬板上分布很多小孔，小孔的直徑通常在0.5至1.0 mm之間，穿孔結構具有固定吸聲材料的作用，同時也有很好的吸聲效果。圖3為采用聲學有限元法計算得到的不同穿孔率下進氣消聲器傳遞損失的比較。

由圖3可以看出，在0～350 Hz的低頻范圍里，兩種不同穿孔率的消聲器的消聲量基本相同。在400 Hz～550 Hz的頻段上，穿孔率為16%的消聲器有兩個峰值，有很好的消聲效果，穿孔率為32%的消聲器的消聲量在這個頻段內較低，而在550 Hz～950 Hz的頻段上，穿孔率為32%的消聲器的消聲性能優于穿孔率為16%的消聲器，在950 Hz～1 100 Hz的高頻頻段上，穿孔率為16%的消聲器消聲量更高，在1 200 Hz以上的高頻范圍內，出現了很多的峰值。從整個頻域來看，穿孔板的穿孔率對消聲器的聲學特性有影響，因此應該針對不同的消聲頻率要求，選擇具有適當穿孔率的穿孔板。

圖3 不同穿孔率傳遞損失比較

3 消聲裝置的優化

由于進氣系統的高頻噪聲比較明顯，對于進氣消聲器來說，可以在阻性消聲器的基礎上對結構進行優化，隔板結構不但可以起到固定消聲器的作用還有消聲作用。圖4為有無隔板兩種結構的進氣消聲器傳遞損失的數值模擬結果比較，吸聲材料的填充密度為89 g/L，穿孔板的穿孔率為16%?？梢钥闯?，隔板結構使得進氣消聲器在整個頻域范圍內的消聲量都有明顯提高。但是，加入隔板同時會增加進氣系統的進氣阻力，影響進氣消聲器的空氣動力性能。

圖4 有無隔板傳遞損失比較

針對進口速度為10 m/s，沒有隔板的進氣消聲器流場和有隔板的進氣消聲器流場進行數值模擬，結果如圖5所示?？梢钥闯?，氣流從入口高速進入進氣消聲器，此時由于隔板的存在，隔板兩端的進氣道產生壓力差，在無隔板的進氣消聲器中，壓力分布比較均勻，而在有隔板的進氣消聲器中，隔板阻礙了氣體的流動，同時流入消聲器的氣流由于流道突然收縮造成壓力損失。

圖5 有無隔板總壓速度云圖

表5為有、無隔板時的總壓損失比較，在流速相同的情況下，無隔板時進氣消聲器的總壓損失比有隔板時進氣消聲器的總壓損失小，因此隔板雖然對高頻噪聲有很好的消聲作用，但是會影響整個進氣系統的空氣動力性能。在設計進氣消聲器時，要綜合考慮隔板產生的影響。

表5 有無隔板的總壓損失

4 結語

將燃氣輪機進氣系統作為一個整體結構，建立了進氣系統有限元數值模型，分析了不同結構參數對進氣系統聲場和流場的影響，得到如下結論：

（1）內部結構對進氣消聲器聲學性能有較大的影響，可以通過調整穿孔板的穿孔率、吸聲材料的填充密度等來滿足進氣消聲器聲學性能的要求；

（2）在進氣流速相同的情況下，半球形導流體對流場的導流效果比尖角形的導流效果更明顯，引起的阻力損失也更??；

（3）對進氣系統消聲裝置結構優化的結果表明，隔板對高頻噪聲具有良好的消聲作用，但是會影響整個進氣消聲器的空氣動力性能。

[1]方丹群.空氣動力性噪聲與消聲器[M].北京：科學出版社，1978.

[2]劉聯鋆，郝志勇，劉遲.空氣濾清器流動阻力與噪聲特性的仿真和優化[J].汽車工程，2011.

[3]胡崢.燃機進氣系統氣動聲學性能的研究與復雜聲場的辨析[D].上海：上海交通大學，2009.

[4]朱廉潔，季振林.汽車空氣濾清器聲學性能數值計算及分析[J].噪聲與振動控制，2007，4.

[5]尹和儉，季振林.緊湊式SCR凈化消聲裝置設計與性能分析[J].噪聲與振動控制，2010，5.

[6]Shao L,Riffat S B.Accuracy of CFD for predicting pressure loss in HVAC duct fittings[J].Applied Energy,1995, 51(3):233-248.

[7]蘇曉鵬.轎車空濾器聲學性能數值模擬研究[D].長春：吉林大學，2011.

[8]譚永南.空氣濾清器的仿真分析與實驗研究[D].杭州：浙江大學，2010.

SimulativeAnalysis of Performance of Gas-turbineAir-intake Systems

YAN Xin,JI Zhen-lin,LI Hai-long
(College of Power and Energy Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The induction noise is a major noise source of gas turbines.The resistance loss and noise attenuation of the intake air filter and the intake silencer of a gas turbine were analyzed by using the Computational Fluid Dynamics(CFD) method and the Acoustical Finite Element Method(Acoustical FEM).Influence of different parameters of the filter structure on the performance of the air intake system and the silencer was studied.This work may provide a guidance for optimal design for the air intake systems of gas turbines.

acoustics;air intake system;air filter;silencer;resistance loss;acoustic performance

TB132；TK472

：A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.002

1006-1355(2015)02-0007-05

2014－04－04

閆欣（1988－），男，黑龍江哈爾濱市人，碩士生，主要研究方向：振動和噪聲控制。

季振林，男，博士生導師。E-mail:zhenlinji@yahoo.com