某型燃机压气机级内抽气数值研究

邵志伟

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

0 引言

燃气轮机是高技术的集成，是清洁发电和动力系统的关键设备，是发展以IGCC为代表的下一代洁净煤技术和产业的战略制高点，能够带动多学科多领域研发、设计和制造能力的提升与发展，代表动力设备制造业的最高水平。现代燃气轮机结构紧凑、功率大、效率高、启动快、燃料适应性好、可靠、易维护，是精密设计制造的高温、高压、高速旋转的大型动力机械，是能源动力装备的最高端产品，对发展高端制造业起重要的辐射和带动作用，能够极大地促进科技进步和经济结构的优化［1，2］。

随着燃气轮机技术的发展，燃气透平的进气温度已高于材料氧化允许的温度甚至已接近其熔点，在这种情况下透平能够正常运转而没有发生损坏，主要在于冷却。冷却系统设计的精确度和可靠性都要求很高，高温部件的冷却出了问题，就会使被冷却的材料超温或热疲劳，破坏高温部件，从而影响燃气轮机的正常运转。因此，准确计算冷却空气流量对于整个运行机组的热平衡及空气系统的设计至关重要［3，4］。

本文所选取的某型燃机压气机级内抽气段即为高温部件透平盘提供冷却空气，该抽气段的空气流量直接影响其对透平盘的冷却效果，通过CFD 软件进行冷却空气流量的计算，以满足透平盘热分析及空气系统优化设计的需要。

1 计算模型和计算方法

图1 抽气段三维结构图

图1 所示为某型燃机压气机级内抽气段的三维结构示意图，图中标示了抽气段的环形抽气槽缝及透平段的进口位置。由于结构的轴对称性，为减少计算时间，选取整个抽气段的1/15 进行数值计算。

采用UG 软件进行实体建模，使用GAMBIT软件进行网格划分，由于环形抽气槽缝尺寸较小，燃机转速较高，在环形抽气槽缝处进行局部网格加密。图2 所示为网格模型，图中标示了周期边界，网格节点数为135 万。

计算用三维N-S 方程进行求解，抽气段内流动的控制方程为：

图2 计算模型网格

式中：φ为通用变量，可以代表u、v、w、T 等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项［5］。

计算模型进口边界给定总压、总温，出口边界给定静压，湍流模型采用标准的k-ε 模型，离散格式为二阶高精度格式，计算域两侧为旋转的周期性边界，近壁面区域采用壁面函数法求解，壁面采用无滑移固壁，计算域的转速为3000r/min。

2 计算结果分析

根据前期压气机计算的结果，定义计算模型的边界温度；按照压气机运转的工况设置抽气段模型的进口总压范围为1.5～1.7MPa；按照透平的工作条件，设定计算模型的进出口压差范围为0.18～0.22MPa，依次设定模型出口静压值。针对不同的进出口压力设定，计算该压气机级内抽气段的抽气流量及相应的流场特性情况。

2.1 抽气流量特性

图3 所示为不同进口总压条件下抽气流量占压气机总流量的百分比随抽气段进出口压差的变化情况。可以看到，同一进口总压工况下，随着压差的增大，抽气流量近似线性地增加；在相同压差条件下，进口总压越大，抽气流量越小，且随着压差的增大，流量的减小趋势减缓。

2.2 抽气段流场特性分析

图4 所示为计算模型外表面的压力分布以及内部流场的流线情况。根据压力分布可以看到，由抽气口至透平进口压力逐渐降低，这是由于模型各流阻结构及旋转造成的，但降低幅度不大，所造成的压力损失不大；根据流线分布可以看到，由于模型的旋转效应，冷却空气在抽气段内有旋转，这为其进入透平部分冷却透平盘提供了一定的切向速度，使得与透平盘的对流换热效果更明显。

图4 抽气段模型流场特性

根据上述计算结果，为了增强冷却空气与透平盘的换热，可考虑在透平盘入口处增加一个预旋冷却空气的装置，以增加冷却空气进入透平盘内的切向速度，从而增强换热效果。

3 结论

本文采用CFD 软件对某型燃机压气机的级内抽气段进行了数值研究，计算其在不同进出口压差工况下的抽气流量特性变化，分析其内部流场特性。结论如下：

1）当抽气段模型进口总压一定时，随着进出口压差的增大，抽气流量近似线性地增加；在相同的进出口压差条件下，随着进口总压的增大，抽气流量逐渐减少，且随着压差的增大，这种流量的减少趋势逐渐减缓。

2）从抽气口至透平入口，压力分布逐渐降低，由于抽气结构的设计，由此造成的压力损失不大；由于模型的旋转效应，使得冷却空气在进入透平部分时带有一定的切向速度，能够加强与透平盘的对流换热效果。

3）为进一步加强透平盘的换热效果，可考虑在抽气段尾部增加一预旋装置，增大冷却空气进入透平的切向速度，提高冷却效果。

［1］林公舒，杨道刚.现代大功率发电用燃气轮机［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］李孝堂，侯凌云，杨敏，等.现代燃气轮机技术［M］.北京：航空工业出版社，2006.

［3］曹玉璋，陶智，徐国强，等.航空发动机传热学［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［4］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1980.

［5］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.