間冷循環(huán)渦輪氣動(dòng)方案

梁 晨，肖東明，王靖超，劉 晗

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

間冷循環(huán)渦輪氣動(dòng)方案

梁 晨，肖東明，王靖超，劉 晗

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

以間冷循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)總體對動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)要求為目標(biāo)，進(jìn)行了間冷循環(huán)動(dòng)力渦輪氣動(dòng)方案改型設(shè)計(jì)研究。計(jì)算采用成熟的軸流渦輪一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件Concept NREC Axial，在一維氣動(dòng)損失模型的選用方面，通過對某型機(jī)性能復(fù)算進(jìn)行了驗(yàn)證。方案改型計(jì)算在滿足間冷循環(huán)燃機(jī)總體對動(dòng)力渦輪的參數(shù)進(jìn)行大規(guī)模調(diào)整的前提下，以盡量保留原型機(jī)的高可靠性為目標(biāo)，并綜合考慮了性能與改型難度的平衡，完成了多個(gè)方案的計(jì)算。結(jié)果表明，經(jīng)過改型設(shè)計(jì)的渦輪可以基本滿足間冷循環(huán)的要求。

燃?xì)廨啓C(jī);間冷循環(huán);渦輪氣動(dòng)方案

0 引言

間冷循環(huán)是在壓氣機(jī)中間加入冷卻過程的一種復(fù)雜循環(huán)，與簡單循環(huán)相比采用間冷循環(huán)的好處是可以降低壓氣機(jī)出口溫度，大大節(jié)約用于壓氣機(jī)的壓縮功，進(jìn)而提高渦輪中的可用輸出功。針對成熟可靠的簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行間冷循環(huán)改型，可以方便地利用其成熟的壓氣機(jī)、渦輪部件，只進(jìn)行較小規(guī)模的改型設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的出力增加，具有很大的工程實(shí)用價(jià)值。在改型設(shè)計(jì)中，由于動(dòng)力渦輪氣動(dòng)參數(shù)的改變很大，因此為了獲得高效率，動(dòng)力渦輪相對于原型機(jī)必須進(jìn)行大規(guī)模的重新設(shè)計(jì)，但出于保持原型機(jī)高可靠性和易于投入未來主要的使用用途，在結(jié)構(gòu)上、轉(zhuǎn)速上都存在著較多的限制。

根據(jù)間冷循環(huán)總體計(jì)算給出的要求，我們進(jìn)行了動(dòng)力渦輪的改型氣動(dòng)方案計(jì)算研究，利用商用軸流葉輪機(jī)械性能計(jì)算軟件ConceptNREC Axial，進(jìn)行了多個(gè)方案的計(jì)算，最終獲取了改型工作量與性能平衡最優(yōu)的結(jié)果。

1 方案計(jì)算方法

1.1 計(jì)算方法

本計(jì)算采用Concept NREC Axial軟件。Axial是一款成熟的商業(yè)葉輪機(jī)械氣動(dòng)計(jì)算軟件，在使用前我們對該軟件的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)果是正確的。

計(jì)算中所考慮的損失及采用的損失模型基本為標(biāo)準(zhǔn)一維渦輪性能計(jì)算設(shè)置，具體如下:

1)葉型損失

采用了Ainley及Mathieson1951年提出的損失模型，后經(jīng)Dunham及Kacker于1970年和1982年修正(AMDC+MK 模型)［1－3］。

2)二次流損失

采用了Ainley及Mathieson1951年提出的損失模型，后經(jīng)Dunham及Kacker于1970年和1982年修正(AMDC+MK 模型)［1－3］。

3)葉柵尾跡損失

采用了Ainley及Mathieson提出的損失模型。4)沖角損失

采用了Ainley及Mathieson1951年提出的損失模型，后經(jīng) Moustapha及 Kacker于 1990 年修正［1－4］，計(jì)算時(shí)要求葉片進(jìn)氣邊半徑及進(jìn)口楔角。

5)漏氣損失

采用了 Ainley及 Mathieson提出的損失模型(AMDC 模型)［1］。

在損失計(jì)算過程中，考慮了葉柵Renold數(shù)影響，對葉型及2次流損失進(jìn)行了修正［3］。修正如下:

式中:Kp為葉型損失系數(shù);Ks為二次流損失系數(shù)。

1.2 某型機(jī)性能核算

為了檢驗(yàn)計(jì)算方法的正確性和準(zhǔn)確性，選取了一型成熟機(jī)組進(jìn)行了性能核算，在計(jì)算模型的建立時(shí)主要遵循了以下原則:

1)各葉片排的出口角度確定基于一個(gè)原則，保證渦輪動(dòng)導(dǎo)葉喉道面積與圖紙尺寸基本維持一致，由于圖紙尺寸為冷態(tài)尺寸，本計(jì)算中考慮了熱膨脹的影響;

2)各葉片排的入口幾何角度按照葉片圖紙型線測量獲得;

3)物性文件按照燃燒室出口燃?xì)夂透邏簩?dǎo)葉冷氣按比例混合建立;

4)計(jì)算中所用到的和葉片幾何尺寸相關(guān)的數(shù)據(jù)一律按照葉片圖紙進(jìn)行測量獲得。例如葉片最大厚度、弦長、進(jìn)出口楔形角等。

渦輪計(jì)算模型輸入?yún)?shù)為進(jìn)口總溫、總壓、滯止膨脹比及轉(zhuǎn)速。

渦輪性能核算計(jì)算結(jié)果見表1和圖1。

表1 動(dòng)力渦輪平均直徑復(fù)算結(jié)果Tab.1 The results of checking compute of power turbine

圖1 核算動(dòng)力渦輪平均直徑速度三角形Fig.1 Speed triangle of power turbine checking compute

根據(jù)動(dòng)力渦輪計(jì)算結(jié)果可見，利用Axial軟件對某型機(jī)進(jìn)行性能分析，計(jì)算獲得的功率、流量、出口溫度和壓力與某型機(jī)的實(shí)際參數(shù)基本吻合，誤差在可接受范圍內(nèi)。

從速度三角形看，動(dòng)力渦輪的速度三角形吻合較好，可見計(jì)算方法可信。

2 間冷動(dòng)力渦輪方案設(shè)計(jì)

2.1 改型計(jì)算要求及限制條件

動(dòng)力渦輪改型的目標(biāo)是由總體計(jì)算提供，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 間冷循環(huán)動(dòng)力渦輪改型要求Tab.2 The require of intercooling powerturbine reform

改型要求相對于原型機(jī)功率提高30%以上，因此改型的方向主要有提高轉(zhuǎn)速、增加級數(shù)等，簡單的提高轉(zhuǎn)速即可提高各級的做功能力，并維持較高的效率，但由于未來很可能用于發(fā)電，所以動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)該接近3 000 r/min，因此轉(zhuǎn)速維持在原型機(jī)的3 270 r/min是比較合適的，這樣即可以方便地用于現(xiàn)有的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，還可以在將來直接用于發(fā)電，而不至于引起較大的效率衰退。

從降低改型難度、成本和改型渦輪工藝難度上出發(fā)，改型盡量維持原型機(jī)成熟可靠的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，沿用原型機(jī)的等內(nèi)徑形式，并且力求不提高輪盤直徑，便于使用原型機(jī)輪盤毛坯，節(jié)約改型成本。

2.2 改型設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

在改型設(shè)計(jì)中，考慮到改型機(jī)組的功率比原型機(jī)高了大約30%，因此為了不至引起級載荷系數(shù)提高過大，導(dǎo)致效率下降，在原型機(jī)的動(dòng)力渦輪基礎(chǔ)上增加了一級。設(shè)計(jì)中對渦輪的主要參數(shù)如級的載荷系數(shù)、流量系數(shù)、反動(dòng)度等的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的分析和驗(yàn)證，并進(jìn)行了多個(gè)方案的試算，獲得了不同內(nèi)徑和流量系數(shù)下的渦輪初步性能分布，見圖2。

圖2 不同流量系數(shù)及內(nèi)徑下效率分布Fig.2 The distribution of efficiency under different flow coefficient and hub radius

從圖2可見，最大效率出現(xiàn)在相對內(nèi)徑1.16～1.24之間，隨著流量系數(shù)的增加最大效率處的內(nèi)徑值有所提高?？紤]到出口馬赫數(shù)不應(yīng)過高，以避免排氣損失超出預(yù)期，根據(jù)計(jì)算，流量系數(shù)在0.4以內(nèi)可以保證出口馬赫數(shù)小于0.22，而且通過上圖可見高流量系數(shù)下效率雖然會(huì)有所提高，但幅度很小，只有不到0.25%，因此本設(shè)計(jì)的流量系數(shù)限定在0.4以下。

考慮到維持原型機(jī)的輪盤直徑對加工和成本的貢獻(xiàn)，對照在原型機(jī)半徑處效率與最高效率的區(qū)別，可見不提高輪盤直徑導(dǎo)致效率低了大約0.7%，這一數(shù)值還在可以接受的范圍內(nèi)，因此改型的通流方式維持等內(nèi)徑形式，內(nèi)徑不變。

2.3 改型設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)確定的參數(shù)，進(jìn)行了改型5級動(dòng)力渦輪的方案設(shè)計(jì)，通流圖見圖3，速度三角形見圖4，總的性能數(shù)據(jù)見表3。另外還進(jìn)行了變工況性能的計(jì)算見圖5。

表3 改型渦輪性能Tab.3 Performance of reformed turbine

圖5 改型動(dòng)力渦輪變工況特性曲線圖Fig.5 Performance map of reformed power turbine

從結(jié)果可見，改型設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)，效率比原型提高了0.56%，不足1%，但是功率基本達(dá)到了要求，出口氣流角接近軸向，速度控制在要求范圍內(nèi)，避免了過大的排氣損失。

3 結(jié)語

通過上述改型設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論:

1)在維持眾多約束的條件下僅靠一維計(jì)算無法達(dá)到提高效率1%的要求，只能提高0.5%左右。

2)在原型機(jī)基礎(chǔ)上增加一級的改型設(shè)計(jì)可以最大限度的利用原型機(jī)的資源，包括現(xiàn)有設(shè)計(jì)、大型鍛件的訂貨，可以大大的降低改型的難度和成本，但由此產(chǎn)生了0.5%效率衰減。

3)在三維設(shè)計(jì)中，希望通過優(yōu)化提高改型渦輪的效率，達(dá)到總體1%效率提高的目標(biāo)。

［1］AINLEY D G，MATHIESON G CR.A methodof performance estimation for axial flow turbines［A］.British ARC，R ＆ M 2974，1951.

［2］DUNHAM J，CAME P M，Improvement to the Ainley-Mathieson method of turbine performance prediction［J］.ASME，Journal of Engineer for Power，1970，92(7):252 －256.

［3］KACKER S C，OKAPUU V.A mean line prediction method for axial flow turbine efficiency［J］.ASME，Journal of Engineer for Power，1982，104:111 － 119.

［4］MOUSTAPHA S H，KACKER S C.An improved incidence losses prediction method for turbine airfoils［J］.ASME，Journal of Turbomachine，1990，112:267 －276.

Research on aerodynamic case of intercooling cycle turbine

LIANG Chen，XIAO Dong-ming，WANG Jing-chao，LIU Han
(The 703 Research Institute of CSIC，Harbin 150078，China)

In this paper revised aerodynamic design of intercooling cycle power turbine was performed，aimed the demand of intercooling cycle gas turbine general design.All computing work performed by a reliable turbine performance computing software Concept NREC Axial，the chosen of the loss model was verified by check computation of a certain gas turbine.Several revised cases were researched，aimed to keep a balance of performace and difficult of the revise and to keep the high reliability of original machine as more as possible，and base the fact that the performance parameter of power turbine has been changed greatly compared with original machine by intercooling cycle gas turbine general design.The results show that the requests to turbine of intercooling cycle can be basically fulfilled by the revised design of turbine.

gas turbine;intercooling cycle;aerodynamic case of turbine

TK474.7

A

1672－7649(2012)03－0068－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.014

2011－03－28;

2011－04－25

梁晨(1974－)，男，高級工程師，從事燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)及科研工作。