間冷循環渦輪氣動方案

梁 晨，肖東明，王靖超，劉 晗

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

間冷循環渦輪氣動方案

梁 晨，肖東明，王靖超，劉 晗

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

以間冷循環燃氣輪機總體對動力渦輪的設計要求為目標，進行了間冷循環動力渦輪氣動方案改型設計研究。計算采用成熟的軸流渦輪一維氣動設計軟件Concept NREC Axial，在一維氣動損失模型的選用方面，通過對某型機性能復算進行了驗證。方案改型計算在滿足間冷循環燃機總體對動力渦輪的參數進行大規模調整的前提下，以盡量保留原型機的高可靠性為目標，并綜合考慮了性能與改型難度的平衡，完成了多個方案的計算。結果表明，經過改型設計的渦輪可以基本滿足間冷循環的要求。

燃氣輪機;間冷循環;渦輪氣動方案

0 引言

間冷循環是在壓氣機中間加入冷卻過程的一種復雜循環，與簡單循環相比采用間冷循環的好處是可以降低壓氣機出口溫度，大大節約用于壓氣機的壓縮功，進而提高渦輪中的可用輸出功。針對成熟可靠的簡單循環燃氣輪機進行間冷循環改型，可以方便地利用其成熟的壓氣機、渦輪部件，只進行較小規模的改型設計即可實現較大規模的出力增加，具有很大的工程實用價值。在改型設計中，由于動力渦輪氣動參數的改變很大，因此為了獲得高效率，動力渦輪相對于原型機必須進行大規模的重新設計，但出于保持原型機高可靠性和易于投入未來主要的使用用途，在結構上、轉速上都存在著較多的限制。

根據間冷循環總體計算給出的要求，我們進行了動力渦輪的改型氣動方案計算研究，利用商用軸流葉輪機械性能計算軟件ConceptNREC Axial，進行了多個方案的計算，最終獲取了改型工作量與性能平衡最優的結果。

1 方案計算方法

1.1 計算方法

本計算采用Concept NREC Axial軟件。Axial是一款成熟的商業葉輪機械氣動計算軟件，在使用前我們對該軟件的可靠性進行驗證，得到的結果是正確的。

計算中所考慮的損失及采用的損失模型基本為標準一維渦輪性能計算設置，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 Moustapha及 Kacker于 1990 年修正［1－4］，計算時要求葉片進氣邊半徑及進口楔角。

5)漏氣損失

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

在損失計算過程中，考慮了葉柵Renold數影響，對葉型及2次流損失進行了修正［3］。修正如下:

式中:Kp為葉型損失系數;Ks為二次流損失系數。

1.2 某型機性能核算

為了檢驗計算方法的正確性和準確性，選取了一型成熟機組進行了性能核算，在計算模型的建立時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原則，保證渦輪動導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尺寸，本計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氣和高壓導葉冷氣按比例混合建立;

4)計算中所用到的和葉片幾何尺寸相關的數據一律按照葉片圖紙進行測量獲得。例如葉片最大厚度、弦長、進出口楔形角等。

渦輪計算模型輸入參數為進口總溫、總壓、滯止膨脹比及轉速。

渦輪性能核算計算結果見表1和圖1。

表1 動力渦輪平均直徑復算結果Tab.1 The results of checking compute of power turbine

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

根據動力渦輪計算結果可見，利用Axial軟件對某型機進行性能分析，計算獲得的功率、流量、出口溫度和壓力與某型機的實際參數基本吻合，誤差在可接受范圍內。

從速度三角形看，動力渦輪的速度三角形吻合較好，可見計算方法可信。

2 間冷動力渦輪方案設計

2.1 改型計算要求及限制條件

動力渦輪改型的目標是由總體計算提供，具體數據見表2。

表2 間冷循環動力渦輪改型要求Tab.2 The require of intercooling powerturbine reform

改型要求相對于原型機功率提高30%以上，因此改型的方向主要有提高轉速、增加級數等，簡單的提高轉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電，所以動力渦輪的轉速應該接近3 000 r/min，因此轉速維持在原型機的3 270 r/min是比較合適的，這樣即可以方便地用于現有的機械傳動系統，還可以在將來直接用于發電，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，改型盡量維持原型機成熟可靠的轉子結構，沿用原型機的等內徑形式，并且力求不提高輪盤直徑，便于使用原型機輪盤毛坯，節約改型成本。

2.2 改型設計參數選擇

在改型設計中，考慮到改型機組的功率比原型機高了大約30%，因此為了不至引起級載荷系數提高過大，導致效率下降，在原型機的動力渦輪基礎上增加了一級。設計中對渦輪的主要參數如級的載荷系數、流量系數、反動度等的選擇進行了詳細的分析和驗證，并進行了多個方案的試算，獲得了不同內徑和流量系數下的渦輪初步性能分布，見圖2。

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

從圖2可見，最大效率出現在相對內徑1.16～1.24之間，隨著流量系數的增加最大效率處的內徑值有所提高。考慮到出口馬赫數不應過高，以避免排氣損失超出預期，根據計算，流量系數在0.4以內可以保證出口馬赫數小于0.22，而且通過上圖可見高流量系數下效率雖然會有所提高，但幅度很小，只有不到0.25%，因此本設計的流量系數限定在0.4以下。

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

2.3 改型設計結果

根據確定的參數，進行了改型5級動力渦輪的方案設計，通流圖見圖3，速度三角形見圖4，總的性能數據見表3。另外還進行了變工況性能的計算見圖5。

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

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

從結果可見，改型設計基本達到了預計目標，效率比原型提高了0.56%，不足1%，但是功率基本達到了要求，出口氣流角接近軸向，速度控制在要求范圍內，避免了過大的排氣損失。

3 結語

通過上述改型設計，得到如下結論:

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

2)在原型機基礎上增加一級的改型設計可以最大限度的利用原型機的資源，包括現有設計、大型鍛件的訂貨，可以大大的降低改型的難度和成本，但由此產生了0.5%效率衰減。

3)在三維設計中，希望通過優化提高改型渦輪的效率，達到總體1%效率提高的目標。

［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，從事燃氣輪機設計及科研工作。