某型燃機(jī)壓氣機(jī)級內(nèi)抽氣數(shù)值研究

邵志偉

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是高技術(shù)的集成，是清潔發(fā)電和動力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是發(fā)展以IGCC為代表的下一代潔凈煤技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，能夠帶動多學(xué)科多領(lǐng)域研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造能力的提升與發(fā)展，代表動力設(shè)備制造業(yè)的最高水平?，F(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功率大、效率高、啟動快、燃料適應(yīng)性好、可靠、易維護(hù)，是精密設(shè)計(jì)制造的高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的大型動力機(jī)械，是能源動力裝備的最高端產(chǎn)品，對發(fā)展高端制造業(yè)起重要的輻射和帶動作用，能夠極大地促進(jìn)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化［1，2］。

隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)馔钙降倪M(jìn)氣溫度已高于材料氧化允許的溫度甚至已接近其熔點(diǎn)，在這種情況下透平能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)而沒有發(fā)生損壞，主要在于冷卻。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確度和可靠性都要求很高，高溫部件的冷卻出了問題，就會使被冷卻的材料超溫或熱疲勞，破壞高溫部件，從而影響燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，準(zhǔn)確計(jì)算冷卻空氣流量對于整個運(yùn)行機(jī)組的熱平衡及空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要［3，4］。

本文所選取的某型燃機(jī)壓氣機(jī)級內(nèi)抽氣段即為高溫部件透平盤提供冷卻空氣，該抽氣段的空氣流量直接影響其對透平盤的冷卻效果，通過CFD 軟件進(jìn)行冷卻空氣流量的計(jì)算，以滿足透平盤熱分析及空氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

圖1 抽氣段三維結(jié)構(gòu)圖

圖1 所示為某型燃機(jī)壓氣機(jī)級內(nèi)抽氣段的三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)示了抽氣段的環(huán)形抽氣槽縫及透平段的進(jìn)口位置。由于結(jié)構(gòu)的軸對稱性，為減少計(jì)算時(shí)間，選取整個抽氣段的1/15 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

采用UG 軟件進(jìn)行實(shí)體建模，使用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于環(huán)形抽氣槽縫尺寸較小，燃機(jī)轉(zhuǎn)速較高，在環(huán)形抽氣槽縫處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。圖2 所示為網(wǎng)格模型，圖中標(biāo)示了周期邊界，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為135 萬。

計(jì)算用三維N-S 方程進(jìn)行求解，抽氣段內(nèi)流動的控制方程為：

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格

式中：φ為通用變量，可以代表u、v、w、T 等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)［5］。

計(jì)算模型進(jìn)口邊界給定總壓、總溫，出口邊界給定靜壓，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型，離散格式為二階高精度格式，計(jì)算域兩側(cè)為旋轉(zhuǎn)的周期性邊界，近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法求解，壁面采用無滑移固壁，計(jì)算域的轉(zhuǎn)速為3000r/min。

2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)前期壓氣機(jī)計(jì)算的結(jié)果，定義計(jì)算模型的邊界溫度；按照壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況設(shè)置抽氣段模型的進(jìn)口總壓范圍為1.5～1.7MPa；按照透平的工作條件，設(shè)定計(jì)算模型的進(jìn)出口壓差范圍為0.18～0.22MPa，依次設(shè)定模型出口靜壓值。針對不同的進(jìn)出口壓力設(shè)定，計(jì)算該壓氣機(jī)級內(nèi)抽氣段的抽氣流量及相應(yīng)的流場特性情況。

2.1 抽氣流量特性

圖3 所示為不同進(jìn)口總壓條件下抽氣流量占壓氣機(jī)總流量的百分比隨抽氣段進(jìn)出口壓差的變化情況?？梢钥吹剑贿M(jìn)口總壓工況下，隨著壓差的增大，抽氣流量近似線性地增加；在相同壓差條件下，進(jìn)口總壓越大，抽氣流量越小，且隨著壓差的增大，流量的減小趨勢減緩。

2.2 抽氣段流場特性分析

圖4 所示為計(jì)算模型外表面的壓力分布以及內(nèi)部流場的流線情況。根據(jù)壓力分布可以看到，由抽氣口至透平進(jìn)口壓力逐漸降低，這是由于模型各流阻結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)造成的，但降低幅度不大，所造成的壓力損失不大；根據(jù)流線分布可以看到，由于模型的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，冷卻空氣在抽氣段內(nèi)有旋轉(zhuǎn)，這為其進(jìn)入透平部分冷卻透平盤提供了一定的切向速度，使得與透平盤的對流換熱效果更明顯。

圖4 抽氣段模型流場特性

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，為了增強(qiáng)冷卻空氣與透平盤的換熱，可考慮在透平盤入口處增加一個預(yù)旋冷卻空氣的裝置，以增加冷卻空氣進(jìn)入透平盤內(nèi)的切向速度，從而增強(qiáng)換熱效果。

3 結(jié)論

本文采用CFD 軟件對某型燃機(jī)壓氣機(jī)的級內(nèi)抽氣段進(jìn)行了數(shù)值研究，計(jì)算其在不同進(jìn)出口壓差工況下的抽氣流量特性變化，分析其內(nèi)部流場特性。結(jié)論如下：

1）當(dāng)抽氣段模型進(jìn)口總壓一定時(shí)，隨著進(jìn)出口壓差的增大，抽氣流量近似線性地增加；在相同的進(jìn)出口壓差條件下，隨著進(jìn)口總壓的增大，抽氣流量逐漸減少，且隨著壓差的增大，這種流量的減少趨勢逐漸減緩。

2）從抽氣口至透平入口，壓力分布逐漸降低，由于抽氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，由此造成的壓力損失不大；由于模型的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得冷卻空氣在進(jìn)入透平部分時(shí)帶有一定的切向速度，能夠加強(qiáng)與透平盤的對流換熱效果。

3）為進(jìn)一步加強(qiáng)透平盤的換熱效果，可考慮在抽氣段尾部增加一預(yù)旋裝置，增大冷卻空氣進(jìn)入透平的切向速度，提高冷卻效果。

［1］林公舒，楊道剛.現(xiàn)代大功率發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］李孝堂，侯凌云，楊敏，等.現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2006.

［3］曹玉璋，陶智，徐國強(qiáng)，等.航空發(fā)動機(jī)傳熱學(xué)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1980.

［5］王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.