某型燃气轮机静叶空气系统分析

熊元建，周洪宇，周娜，由旭

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

某型燃气轮机静叶空气系统分析

熊元建，周洪宇，周娜，由旭

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

文章以某型燃气轮机第二级静叶空气系统为例，说明基于流体网络算法的Flowmaster软件在空气系统分析中的功用。分析结果表明，Flowmaster软件能较为准确地预测燃机在设计工况下的空气系统流量，且设计工况下的防止燃气侵入的空气系统结构设计是安全的。同时通过分析不同气封间隙工况，表明轮盘动静间隙泄漏流量随气封间隙的增加而增大。为保证较高的燃机运行效率，可将篦齿气封结构改为密封性能更好的刷子气封结构。

燃机空气系统，流体网络算法，Flowmaster，气封系统

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

燃气轮机空气系统是燃气轮机给燃气透平叶片、轮盘、缸体等高温部件提供冷却空气的系统。空气系统必须保证给透平冷却叶片提供足够的冷却空气，给动静轮缘间隙提供足够的密封空气，以保证高温部件在设计寿命期内安全运行，同时使燃机具有较高的运行效率。

燃气轮机空气系统通常是从压气机的适当位置抽取空气，通过发动机主流道内侧或外侧的各种流动结构元件 （孔，管路，封严环和特定结构形成的腔道等）按设计流路及要求参数 （压力，温度和流量）流动并完成规定的各项功能，最后从确定的主流道的若干部位排出与主流汇合或直接泄漏到机体外部排入大气[1]。因此，燃机空气系统是由各种不同功能的路径串联和并联的网络系统组成的。其主要功能有冷却、密封、调整燃机轴向推力平衡等。静叶空气系统主要包括静叶叶身冷却供气，轮缘密封供气和气封系统，燃机运行时，主要依靠气封间隙量和供气孔等控制分配给叶身和动静间隙的冷却空气。

1 空气系统特征结构和算法

图1为典型的燃气轮机空气系统示意图。其主要特征结构有：抽气管道、节流孔板、气封、通气孔 （包括预旋喷嘴）、旋转盘腔等，整体结构较为复杂。在设计过程中，通常在大致确定压气机抽气位置后，需要详细计算介质经过各特征结构的流通情况，计算出流量分配、压力和温度分布，以保证供气系统能满足设计要求。

图1 燃机空气系统

在航空发动机的空气系统总体流动与换热设计计算工作中，国内外学者进行了大量的研究，一般采用流体网络算法求解[2-5]，稳态流体网络模拟工作已经发展得十分成熟。尽管如此，但在燃气轮机气封、透平叶片叶身和轮缘间隙冷却空气流量联算，以及流量分配随气封间隙的变化特性等方面的研究还很少。流量联算工作能指导空气系统结构设计优化，流量分配和气封间隙变化的关系将为气封参数设计、燃气轮机启停时间曲线计算奠定基础，因此很有必要开展该领域的计算研究工作。

2 算法原理和计算工具

流体网络算法的特点是将系统的结构分解成由不同元件和节点组成的拓扑网络 （见图2），用这些元件和流动介质模拟各种结构的工作。通过分析特征结构特性列出基本方程，形成非线性方程组，求解出空气系统沿程流量、压力、温度等参数。并采用节点压力修正法，经过多次迭代计算，求得真实元件的流量和节点压力。流体网络算法具有良好的通用性和可操作性，计算稳定性和收敛性也较好。

图2 燃机空气系统流体网络图

Flowmaster软件是一款一维热流体系统仿真计算软件，基于流体网络算法，可以构建燃机空气系统整体模型，并计算出各个元件及节点的流量、压力、速度等参数。该软件具有计算量小、计算收敛迅速的特点，其数据库带有大量试验数据，在燃机早期设计阶段，恰当运用该软件可以节省试验成本，缩短设计周期。

3 仿真模型及边界条件

本文以某型燃气轮机第二级静叶空气系统为例，阐述Flowmaster软件在燃机空气系统分析中的重要作用。在Flowmaster软件中，用来模拟常见的空气系统特征结构的元件有：管道（pipe）、孔板元件 （orifice）、通气孔 （passage）、 轮盘腔室（cavity）、 气封（seal）， 以及弯头（bend）、 三通连接件（junction）等[6]。本文分析模型涵盖了所有种类结构特征元件。

3.1 仿真模型

（1）管路系统

该型燃机第二级静叶空气系统抽气，来自于压气机高压抽气。共有4个抽气口，高压抽气经过弯头、三通接头和节流孔板等元件后，到达透平外缸腔室。其管路系统的Flowmaster模型如图3所示。

图3 第二级静叶供气系统模型网络

（2）孔板元件

节流孔板（见图4）用做压力调节元件，调节进入透平缸的气体压力。在Flowmaster网络模型中，还可用来模拟空气从一个大空间经过一处较窄的结构进入另一大空间的情况，如冷却气体经过轮盘动静间隙进入燃气主流道（见图5）。

图4 孔板元件原理图

图5 孔板元件模拟动静间隙

（3）通气孔

通气孔元件常用来模拟具有一定长度的孔通道，如简化的叶片内部冷却通道、预旋喷嘴（见图6）等。特别是空气从一个大腔室经过一定长度的通气孔后进入到另一个大腔室，因为有流动的突变过程，通气孔元件可计算出突变压损，以及旋转通道的离心压损。在这一点上，通气孔元件与孔板元件有所不同。

图6 预旋喷嘴

（4）动静轮盘腔室

动静轮盘之间有相对运动，因摩擦力的存在，会带动冷却空气旋转，并在离心力的作用下，产生 “泵效应”，使冷却空气源源不断地从动静间隙之间 “泵”出，泄漏进入主流燃气通道。研究发现，冷却空气在动静间隙之间的流动，存在保证主流燃气不进入腔室的最小流量系数Cw,min[7]。同时，若通过轮盘腔室泄漏进入主流燃气通道的流量过大，又会降低燃机效率。因此动静轮盘腔室内的空气流动是燃机空气系统最重要的关注对象之一，建立Flowmaster模型时，腔室元件（见图7）也是最重要的部件之一。本文计算模型计算Cw,min的半经验公式见4.2节内容。

图7 腔室元件

（5） 气封

燃机静叶空气系统的气封部件，主要功能是保持燃机内部盘腔压力高于主流道燃气压力，避免高温燃气侵入透平腔室，同时限制冷却空气向主流道泄漏，提高燃机性能（见图8）。常用的气封结构形式为篦齿气封，此外还有刷子气封等。

图8 篦齿气封

将各特征元件和管道系统通过节点连接成完整网络后，第二级静叶供气系统模型网络见图3。由于各特征结构的几何参数已知，在仿真模型各元件中输几何参数，便完成了建模工作。

3.2 边界条件

静叶空气系统的边界条件，主要是指压气机高压抽气口的抽气参数，和空气在透平出口位置的燃气背压和温度。该型燃机通过压气机性能曲线和抽气位置确定抽气压力和温度，并通过气动计算得到冷却空气在透平出口位置处的燃气压力和温度。

4 计算结果及分析

4.1 设计工况

设计工况时的气封间隙均为0.5 mm。计算结果表明，第二级静叶叶身冷却流量为压气机进口流量的2.64%，而相关理论计算值为2.85%，计算结果符合得较好。

静叶上游动静间隙冷却空气泄漏流量为压气机进口流量的0.451%，下游动静间隙泄漏流量为0.266%，其与理论计算值的比较见4.2节。

在设计工况下具有代表性的特征元件的压损结果如表1所示。

表1 特征元件压损

由计算结果可看出，节流孔板、气封对空气流动的压力损失贡献最大，其流通尺寸是决定空气流量最关键的几何因素。对管道设计而言，可比较方便地确定管道尺寸，并通过节流孔板控制最终需要的抽气流量。

管路系统通常在燃机外部，安装、替换节流孔板元件比较容易。但对在燃机内部的气封元件，安装、替换工作比较困难。由于在实际工作环境中，气封齿与气封体之间因启停工况的变化，会导致磨损，同时还有转子振动等其他综合因素的影响，导致实际的气封间隙比设计间隙值大。前文提到，空气系统需要采用气封结构来控制进入轮盘腔室的空气流量，该流量应大于最小流量值，才能防止燃气侵入 （包括局部侵入）。

4.2 气封变化工况

根据文献 [4]，对于本文分析的该型燃机，轮盘动静间隙结构如图9所示。该结构的最小冷却空气流量系数Cw,min实验关系式为式（1）：

其与冷却流量的关系为式（2）：

式中：

m0—冷却空气流量，kg/s；

r0—轮缘动静间隙所在半径，m；

μ0—冷却空气粘度， N·s/m2。

图9 某型燃机透平轮盘动静间隙结构示意图

动静腔室轮盘间隙比为式（3）：

Sc—轮缘动静间隙，mm。

雷诺数为式（4）：

ρ0—冷却气体密度， kg/m3；

ω—燃机转速，rad/s。

根据仿真计算结果，可得到轮盘动静间隙处的冷却空气参数。第二级静叶上游和下游两处轮盘动静间隙的几何参数、冷却空气参数以及理论最小流量值见表2。

表2 几何参数及冷却空气参数

由计算结果可见，第二级静叶上下游两处轮盘动静间隙泄漏流量均大于理论最小流量，表明空气系统用于防止燃气倒灌的结构设计是安全的。

但这是气封间隙均为0.5 mm时的设计工况计算分析结果。在某些非设计工况下，或者因机组振动、气封磨损造成气封间隙增大时，轮缘空气泄漏量可能变化。本文模拟了气封间隙从0.3 mm到2.0 mm时多种情况下的轮缘泄漏量，计算结果见图10。

图10 轮盘动静间隙流量随气封间隙的变化

计算结果表明，当气封间隙大于0.5 mm时，轮盘动静间隙泄漏流量随气封间隙的增加而增大。在燃机实际工作中，气封间隙最高可达2 mm，由计算可见此时的空气泄漏量是设计工况泄漏量的2倍以上。

实际上，为保证较高的燃机运行效率，可将篦齿气封结构改为密封性能更好的刷子气封结构。

5 结论

（1）流体网络算法可解决复杂空气系统的计算问题。Flowmaster软件基于流体网络算法，可构建燃机空气系统整机模型，计算重要特征部位的流量、温度、压力等参数。

（2）以某型燃气轮机第二级静叶空气系统为例，Flowmaster软件仿真计算结果表明，该软件能较为准确地预测燃机在设计工况下的空气系统流量，且设计工况下的防燃气侵入的空气系统结构设计安全。

（3）机组运行工况变化或机组振动导致气封间隙变化，会使空气系统的流量分配偏离设计工况，用Flowmaster分析若干组算例的计算结果表明，轮盘动静间隙泄漏流量随气封间隙的增加而增大。为保证较高的燃机运行效率，可将篦齿气封结构改为密封性能更好的刷子气封结构。

[1]《航空发动机设计手册》总编委会.航空发动机设计手册:第16册 空气系统及传热分析 [M].北京:航空工业出版社,2001.

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

[3]Holt K,Majumdar A K.Numerical modeling and test data comparison of propulsion test article helium pressurization system[R].AIAA 2000-3719,2000.

[4]曹玉璋,主编.航空发动机传热学[M].北京:航空航天大学出版社,2004.

[5]陶智,侯升平,韩树军,等.流体网络法在发动机空气冷却系统设计中的应用[J].航空动力学报,2009,24(1):1-6

[6]Miller.D S.Internal Flow System[M].BHR Group Limited Technology Transfer Department,1990.

[7]Bayley.F J,Owen.J M The Fluid Dynamics of a Shrouded Disc System with a Radial Outflow of Coolant[R].ASME Journal of Engineering for Power,1970,92:335-341.

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，工学硕士，工程师，2011年毕业于清华大学动力工程及工程热物理专业。现主要从事燃气轮机透平冷却及二次空气系统研究工作。