某型燃?xì)廨啓C(jī)靜葉空氣系統(tǒng)分析

熊元建，周洪宇，周娜，由旭

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

某型燃?xì)廨啓C(jī)靜葉空氣系統(tǒng)分析

熊元建，周洪宇，周娜，由旭

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

文章以某型燃?xì)廨啓C(jī)第二級(jí)靜葉空氣系統(tǒng)為例，說(shuō)明基于流體網(wǎng)絡(luò)算法的Flowmaster軟件在空氣系統(tǒng)分析中的功用。分析結(jié)果表明，F(xiàn)lowmaster軟件能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燃機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的空氣系統(tǒng)流量，且設(shè)計(jì)工況下的防止燃?xì)馇秩氲目諝庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。同時(shí)通過(guò)分析不同氣封間隙工況，表明輪盤(pán)動(dòng)靜間隙泄漏流量隨氣封間隙的增加而增大。為保證較高的燃機(jī)運(yùn)行效率，可將篦齒氣封結(jié)構(gòu)改為密封性能更好的刷子氣封結(jié)構(gòu)。

燃機(jī)空氣系統(tǒng)，流體網(wǎng)絡(luò)算法，F(xiàn)lowmaster，氣封系統(tǒng)

Abstract：Taking the stage 2 feed system to the stationary vane of a gas turbine as the analytic model,the paper illustrates the function of the fluid-network-algorithm-based software Flowmaster.The results show that Flowmaster predicts the mass flow of the feed system well,and the structural design which prevents from ingestion is safe,under the design condition.More analytic work of different labyrinth seal clearance is undertaken,the results show that the disk rim leakage flow increases with the increase of the seal clearance,which suggests to take a brush seal rather than a labyrinth one in order to ensure high thermal efficiency.

Key words：gas turbine feed system,fluid-network-algorithm,Flowmaster,seal system

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)空氣系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)給燃?xì)馔钙饺~片、輪盤(pán)、缸體等高溫部件提供冷卻空氣的系統(tǒng)。空氣系統(tǒng)必須保證給透平冷卻葉片提供足夠的冷卻空氣，給動(dòng)靜輪緣間隙提供足夠的密封空氣，以保證高溫部件在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)安全運(yùn)行，同時(shí)使燃機(jī)具有較高的運(yùn)行效率。

燃?xì)廨啓C(jī)空氣系統(tǒng)通常是從壓氣機(jī)的適當(dāng)位置抽取空氣，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)主流道內(nèi)側(cè)或外側(cè)的各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)元件 （孔，管路，封嚴(yán)環(huán)和特定結(jié)構(gòu)形成的腔道等）按設(shè)計(jì)流路及要求參數(shù) （壓力，溫度和流量）流動(dòng)并完成規(guī)定的各項(xiàng)功能，最后從確定的主流道的若干部位排出與主流匯合或直接泄漏到機(jī)體外部排入大氣[1]。因此，燃機(jī)空氣系統(tǒng)是由各種不同功能的路徑串聯(lián)和并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的。其主要功能有冷卻、密封、調(diào)整燃機(jī)軸向推力平衡等。靜葉空氣系統(tǒng)主要包括靜葉葉身冷卻供氣，輪緣密封供氣和氣封系統(tǒng)，燃機(jī)運(yùn)行時(shí)，主要依靠氣封間隙量和供氣孔等控制分配給葉身和動(dòng)靜間隙的冷卻空氣。

1 空氣系統(tǒng)特征結(jié)構(gòu)和算法

圖1為典型的燃?xì)廨啓C(jī)空氣系統(tǒng)示意圖。其主要特征結(jié)構(gòu)有：抽氣管道、節(jié)流孔板、氣封、通氣孔 （包括預(yù)旋噴嘴）、旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔等，整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常在大致確定壓氣機(jī)抽氣位置后，需要詳細(xì)計(jì)算介質(zhì)經(jīng)過(guò)各特征結(jié)構(gòu)的流通情況，計(jì)算出流量分配、壓力和溫度分布，以保證供氣系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 燃機(jī)空氣系統(tǒng)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)總體流動(dòng)與換熱設(shè)計(jì)計(jì)算工作中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，一般采用流體網(wǎng)絡(luò)算法求解[2-5]，穩(wěn)態(tài)流體網(wǎng)絡(luò)模擬工作已經(jīng)發(fā)展得十分成熟。盡管如此，但在燃?xì)廨啓C(jī)氣封、透平葉片葉身和輪緣間隙冷卻空氣流量聯(lián)算，以及流量分配隨氣封間隙的變化特性等方面的研究還很少。流量聯(lián)算工作能指導(dǎo)空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，流量分配和氣封間隙變化的關(guān)系將為氣封參數(shù)設(shè)計(jì)、燃?xì)廨啓C(jī)啟停時(shí)間曲線計(jì)算奠定基礎(chǔ)，因此很有必要開(kāi)展該領(lǐng)域的計(jì)算研究工作。

2 算法原理和計(jì)算工具

流體網(wǎng)絡(luò)算法的特點(diǎn)是將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分解成由不同元件和節(jié)點(diǎn)組成的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò) （見(jiàn)圖2），用這些元件和流動(dòng)介質(zhì)模擬各種結(jié)構(gòu)的工作。通過(guò)分析特征結(jié)構(gòu)特性列出基本方程，形成非線性方程組，求解出空氣系統(tǒng)沿程流量、壓力、溫度等參數(shù)。并采用節(jié)點(diǎn)壓力修正法，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，求得真實(shí)元件的流量和節(jié)點(diǎn)壓力。流體網(wǎng)絡(luò)算法具有良好的通用性和可操作性，計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性也較好。

圖2 燃機(jī)空氣系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)圖

Flowmaster軟件是一款一維熱流體系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件，基于流體網(wǎng)絡(luò)算法，可以構(gòu)建燃機(jī)空氣系統(tǒng)整體模型，并計(jì)算出各個(gè)元件及節(jié)點(diǎn)的流量、壓力、速度等參數(shù)。該軟件具有計(jì)算量小、計(jì)算收斂迅速的特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)庫(kù)帶有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在燃機(jī)早期設(shè)計(jì)階段，恰當(dāng)運(yùn)用該軟件可以節(jié)省試驗(yàn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

3 仿真模型及邊界條件

本文以某型燃?xì)廨啓C(jī)第二級(jí)靜葉空氣系統(tǒng)為例，闡述Flowmaster軟件在燃機(jī)空氣系統(tǒng)分析中的重要作用。在Flowmaster軟件中，用來(lái)模擬常見(jiàn)的空氣系統(tǒng)特征結(jié)構(gòu)的元件有：管道（pipe）、孔板元件 （orifice）、通氣孔 （passage）、 輪盤(pán)腔室（cavity）、 氣封（seal）， 以及彎頭（bend）、 三通連接件（junction）等[6]。本文分析模型涵蓋了所有種類結(jié)構(gòu)特征元件。

3.1 仿真模型

（1）管路系統(tǒng)

該型燃機(jī)第二級(jí)靜葉空氣系統(tǒng)抽氣，來(lái)自于壓氣機(jī)高壓抽氣。共有4個(gè)抽氣口，高壓抽氣經(jīng)過(guò)彎頭、三通接頭和節(jié)流孔板等元件后，到達(dá)透平外缸腔室。其管路系統(tǒng)的Flowmaster模型如圖3所示。

圖3 第二級(jí)靜葉供氣系統(tǒng)模型網(wǎng)絡(luò)

（2）孔板元件

節(jié)流孔板（見(jiàn)圖4）用做壓力調(diào)節(jié)元件，調(diào)節(jié)進(jìn)入透平缸的氣體壓力。在Flowmaster網(wǎng)絡(luò)模型中，還可用來(lái)模擬空氣從一個(gè)大空間經(jīng)過(guò)一處較窄的結(jié)構(gòu)進(jìn)入另一大空間的情況，如冷卻氣體經(jīng)過(guò)輪盤(pán)動(dòng)靜間隙進(jìn)入燃?xì)庵髁鞯溃ㄒ?jiàn)圖5）。

圖4 孔板元件原理圖

圖5 孔板元件模擬動(dòng)靜間隙

（3）通氣孔

通氣孔元件常用來(lái)模擬具有一定長(zhǎng)度的孔通道，如簡(jiǎn)化的葉片內(nèi)部冷卻通道、預(yù)旋噴嘴（見(jiàn)圖6）等。特別是空氣從一個(gè)大腔室經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的通氣孔后進(jìn)入到另一個(gè)大腔室，因?yàn)橛辛鲃?dòng)的突變過(guò)程，通氣孔元件可計(jì)算出突變壓損，以及旋轉(zhuǎn)通道的離心壓損。在這一點(diǎn)上，通氣孔元件與孔板元件有所不同。

圖6 預(yù)旋噴嘴

（4）動(dòng)靜輪盤(pán)腔室

動(dòng)靜輪盤(pán)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因摩擦力的存在，會(huì)帶動(dòng)冷卻空氣旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下，產(chǎn)生 “泵效應(yīng)”，使冷卻空氣源源不斷地從動(dòng)靜間隙之間 “泵”出，泄漏進(jìn)入主流燃?xì)馔ǖ?。研究發(fā)現(xiàn)，冷卻空氣在動(dòng)靜間隙之間的流動(dòng)，存在保證主流燃?xì)獠贿M(jìn)入腔室的最小流量系數(shù)Cw,min[7]。同時(shí)，若通過(guò)輪盤(pán)腔室泄漏進(jìn)入主流燃?xì)馔ǖ赖牧髁窟^(guò)大，又會(huì)降低燃機(jī)效率。因此動(dòng)靜輪盤(pán)腔室內(nèi)的空氣流動(dòng)是燃機(jī)空氣系統(tǒng)最重要的關(guān)注對(duì)象之一，建立Flowmaster模型時(shí)，腔室元件（見(jiàn)圖7）也是最重要的部件之一。本文計(jì)算模型計(jì)算Cw,min的半經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)4.2節(jié)內(nèi)容。

圖7 腔室元件

（5） 氣封

燃機(jī)靜葉空氣系統(tǒng)的氣封部件，主要功能是保持燃機(jī)內(nèi)部盤(pán)腔壓力高于主流道燃?xì)鈮毫?，避免高溫燃?xì)馇秩胪钙角皇?，同時(shí)限制冷卻空氣向主流道泄漏，提高燃機(jī)性能（見(jiàn)圖8）。常用的氣封結(jié)構(gòu)形式為篦齒氣封，此外還有刷子氣封等。

圖8 篦齒氣封

將各特征元件和管道系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接成完整網(wǎng)絡(luò)后，第二級(jí)靜葉供氣系統(tǒng)模型網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖3。由于各特征結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)已知，在仿真模型各元件中輸幾何參數(shù)，便完成了建模工作。

3.2 邊界條件

靜葉空氣系統(tǒng)的邊界條件，主要是指壓氣機(jī)高壓抽氣口的抽氣參數(shù)，和空氣在透平出口位置的燃?xì)獗硥汉蜏囟?。該型燃機(jī)通過(guò)壓氣機(jī)性能曲線和抽氣位置確定抽氣壓力和溫度，并通過(guò)氣動(dòng)計(jì)算得到冷卻空氣在透平出口位置處的燃?xì)鈮毫蜏囟取?/p>

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣封間隙均為0.5 mm。計(jì)算結(jié)果表明，第二級(jí)靜葉葉身冷卻流量為壓氣機(jī)進(jìn)口流量的2.64%，而相關(guān)理論計(jì)算值為2.85%，計(jì)算結(jié)果符合得較好。

靜葉上游動(dòng)靜間隙冷卻空氣泄漏流量為壓氣機(jī)進(jìn)口流量的0.451%，下游動(dòng)靜間隙泄漏流量為0.266%，其與理論計(jì)算值的比較見(jiàn)4.2節(jié)。

在設(shè)計(jì)工況下具有代表性的特征元件的壓損結(jié)果如表1所示。

表1 特征元件壓損

由計(jì)算結(jié)果可看出，節(jié)流孔板、氣封對(duì)空氣流動(dòng)的壓力損失貢獻(xiàn)最大，其流通尺寸是決定空氣流量最關(guān)鍵的幾何因素。對(duì)管道設(shè)計(jì)而言，可比較方便地確定管道尺寸，并通過(guò)節(jié)流孔板控制最終需要的抽氣流量。

管路系統(tǒng)通常在燃機(jī)外部，安裝、替換節(jié)流孔板元件比較容易。但對(duì)在燃機(jī)內(nèi)部的氣封元件，安裝、替換工作比較困難。由于在實(shí)際工作環(huán)境中，氣封齒與氣封體之間因啟停工況的變化，會(huì)導(dǎo)致磨損，同時(shí)還有轉(zhuǎn)子振動(dòng)等其他綜合因素的影響，導(dǎo)致實(shí)際的氣封間隙比設(shè)計(jì)間隙值大。前文提到，空氣系統(tǒng)需要采用氣封結(jié)構(gòu)來(lái)控制進(jìn)入輪盤(pán)腔室的空氣流量，該流量應(yīng)大于最小流量值，才能防止燃?xì)馇秩?（包括局部侵入）。

4.2 氣封變化工況

根據(jù)文獻(xiàn) [4]，對(duì)于本文分析的該型燃機(jī)，輪盤(pán)動(dòng)靜間隙結(jié)構(gòu)如圖9所示。該結(jié)構(gòu)的最小冷卻空氣流量系數(shù)Cw,min實(shí)驗(yàn)關(guān)系式為式（1）：

其與冷卻流量的關(guān)系為式（2）：

式中：

m0—冷卻空氣流量，kg/s；

r0—輪緣動(dòng)靜間隙所在半徑，m；

μ0—冷卻空氣粘度， N·s/m2。

圖9 某型燃機(jī)透平輪盤(pán)動(dòng)靜間隙結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)靜腔室輪盤(pán)間隙比為式（3）：

Sc—輪緣動(dòng)靜間隙，mm。

雷諾數(shù)為式（4）：

ρ0—冷卻氣體密度， kg/m3；

ω—燃機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/s。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，可得到輪盤(pán)動(dòng)靜間隙處的冷卻空氣參數(shù)。第二級(jí)靜葉上游和下游兩處輪盤(pán)動(dòng)靜間隙的幾何參數(shù)、冷卻空氣參數(shù)以及理論最小流量值見(jiàn)表2。

表2 幾何參數(shù)及冷卻空氣參數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，第二級(jí)靜葉上下游兩處輪盤(pán)動(dòng)靜間隙泄漏流量均大于理論最小流量，表明空氣系統(tǒng)用于防止燃?xì)獾构嗟慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

但這是氣封間隙均為0.5 mm時(shí)的設(shè)計(jì)工況計(jì)算分析結(jié)果。在某些非設(shè)計(jì)工況下，或者因機(jī)組振動(dòng)、氣封磨損造成氣封間隙增大時(shí)，輪緣空氣泄漏量可能變化。本文模擬了氣封間隙從0.3 mm到2.0 mm時(shí)多種情況下的輪緣泄漏量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 輪盤(pán)動(dòng)靜間隙流量隨氣封間隙的變化

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)氣封間隙大于0.5 mm時(shí)，輪盤(pán)動(dòng)靜間隙泄漏流量隨氣封間隙的增加而增大。在燃機(jī)實(shí)際工作中，氣封間隙最高可達(dá)2 mm，由計(jì)算可見(jiàn)此時(shí)的空氣泄漏量是設(shè)計(jì)工況泄漏量的2倍以上。

實(shí)際上，為保證較高的燃機(jī)運(yùn)行效率，可將篦齒氣封結(jié)構(gòu)改為密封性能更好的刷子氣封結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）流體網(wǎng)絡(luò)算法可解決復(fù)雜空氣系統(tǒng)的計(jì)算問(wèn)題。Flowmaster軟件基于流體網(wǎng)絡(luò)算法，可構(gòu)建燃機(jī)空氣系統(tǒng)整機(jī)模型，計(jì)算重要特征部位的流量、溫度、壓力等參數(shù)。

（2）以某型燃?xì)廨啓C(jī)第二級(jí)靜葉空氣系統(tǒng)為例，F(xiàn)lowmaster軟件仿真計(jì)算結(jié)果表明，該軟件能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)燃機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的空氣系統(tǒng)流量，且設(shè)計(jì)工況下的防燃?xì)馇秩氲目諝庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

（3）機(jī)組運(yùn)行工況變化或機(jī)組振動(dòng)導(dǎo)致氣封間隙變化，會(huì)使空氣系統(tǒng)的流量分配偏離設(shè)計(jì)工況，用Flowmaster分析若干組算例的計(jì)算結(jié)果表明，輪盤(pán)動(dòng)靜間隙泄漏流量隨氣封間隙的增加而增大。為保證較高的燃機(jī)運(yùn)行效率，可將篦齒氣封結(jié)構(gòu)改為密封性能更好的刷子氣封結(jié)構(gòu)。

[1]《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè):第16冊(cè) 空氣系統(tǒng)及傳熱分析 [M].北京:航空工業(yè)出版社,2001.

[2]Majumdar A K,Steadman T.Numerical modeling of pressurization of a propellant tank[R],AIAA-99-0879,1999.

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[4]曹玉璋,主編.航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱學(xué)[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2004.

[5]陶智,侯升平,韓樹(shù)軍,等.流體網(wǎng)絡(luò)法在發(fā)動(dòng)機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2009,24(1):1-6

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Vane Feed Air System Analysis of a Gas Turbine

Xiong Yuanjian， Zhou Hongyu， Zhou Na， You Xu
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TK472

A

1674-9987（2017）03-0001-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.001

熊元建 （1985-），男，工學(xué)碩士，工程師，2011年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)。現(xiàn)主要從事燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻及二次空氣系統(tǒng)研究工作。