重型燃氣輪機進氣系統流場分析

劉海旭，張春梅，王輝，姜斌

（1.哈電發電設備工程研究中心有限公司，哈爾濱150046；2.哈爾濱工程大學 能源與動力學院，哈爾濱150000）

0 引言

重型燃氣輪機的進氣系統主要包括防冰裝置、空氣過濾器、消音器、進氣蝸殼等部件[1]。通常除濕防冰裝置布置在進氣系統的最前側，可以有效預防下游的過濾器結霜、結冰堵塞通道；為了保證機組安全可靠運行，需要保持進入機組的空氣清潔，在除冰裝置下游安裝三級過濾器；同時為了降低機組運行產生的噪聲，過濾系統后方收縮段處還需要安裝消聲器。進氣系統總壓損失除了來源于過濾器、消聲器外，主要是進氣系統流道帶來的損失[2-4]。因此流道的設計也非常關鍵。

本文以某重型燃氣輪機進氣系統流道為研究對象，數值研究重型燃氣輪機進氣道內部復雜的三維流場，分別針對進氣系統彎頭前側、真實環境下罩殼對流場的影響及進氣蝸殼內部的損失分布進行模擬，給出了進氣道內部流場的數值結果，為進氣系統流道的結構設計提供了參考依據。

1 研究對象與數值方法

某型燃氣輪機的進氣系統分為兩部分：一部分為進氣道，由防雨棚、過濾室、收縮段和彎頭組成，如圖1所示，其內部的防冰裝置、空氣過濾器和消音器未包含在內；另一部分為進氣蝸殼，將來流空氣由徑向轉為軸向，內部中心面上下分別有1個擋板對來流空氣進行分流，如圖2所示。

圖1 進氣道

圖2 進氣蝸殼

2個模型進口邊界均給定總溫（288 K）、總壓（標準大氣壓），出口邊界設為流量出口，壁面選用絕熱無滑移邊界條件，湍流模型選用標準k-epsilon模型。控制方程應用有限體積法進行離散，二階迎風格式，近壁面采用標準壁面函數。隱式求解器選用壓力修正法中的SIMPLE算法，空間離散選用二階精度迎風差分格式。

采用混合網格，附面層局部加密，確保固壁的無量綱網格y+小于10。為了確認模型的網格無關性，對進氣道和進氣蝸殼進行網格獨立性測試，最終選定模型網格為150 W。

2 結果與分析

2.1 進氣道內部流場分析

圖3為整個計算域流場速度流線分布示意圖，其中5個截面速度云圖依次對應進口、收縮段前、收縮段后、彎頭前、出口。可以看出，整個流場的速度分布可以分為3個部分：第一部分為低速區，即進口到收縮段前，這部分氣流速度約為3～5 m/s（截面平均速度）；第二部分為加速區，即收縮段，由于截面積突然減小，相當于突縮噴管，伴隨著速度突然增大，氣流速度迅速增加到15 m/s；第三部分為導流段，氣流在彎頭處速度也略有增加，出口處達到22 m/s。

圖4為中間截面總壓、速度云圖。從速度云圖中也可以看到氣流整個加速過程，但是在收縮段后靠近上壁面處有較大范圍的低速區，對應總壓云圖，相同的位置總壓損失也較大，在彎頭內壁處由于氣流強行轉折90°，總壓損失也較大。

圖3 進氣道速度流線

圖4 中間截面流場

2.2 罩殼對進氣道影響分析

燃氣輪機空氣的進氣口為進氣系統防雨罩處，運行過程中為了避免進入燃機的空氣受到影響，在進氣口附近必須預留出一定的空間，保證進口參數不受到干擾。為了模擬真實的運行環境，本文在進氣系統前側增加了一個虛擬的進氣罩。計算結果如表1所示，設置進氣罩后總壓損失由原來的45 Pa增至88 Pa，損失主要增加部位并不局限于進氣道前端，彎頭后也有一定程度的增加。

圖5、圖6分別為進氣道的速度流線和中間截面總壓云圖，實際運行中，空氣從各個方向通過防雨罩進入進氣系統，與未加進氣罩模型相比流動是無規則、混亂的。從總壓云圖看，由于進氣罩附近速度非常小，其本身增加的損失很小，增大的損失主要來源于收縮段和彎頭部位。

表1 總壓損失對比 Pa

圖5 速度流線

圖6 中間截面總壓云圖

2.3 進氣蝸殼流場分析

進氣蝸殼與收縮噴管共同構成燃氣輪機壓氣機的流道，具有徑向進氣、軸向排氣的非軸對稱結構特點，使氣流在進入壓氣機之前由徑向過渡到軸向產生90°轉折，會產生一定的流動損失，本文進氣蝸殼的總壓損失為238 Pa。

圖7為進氣蝸殼內部速度流線分布，從總體上看進口流場分布較均勻，在上半部擋板處氣流分為2個對稱部分，流體直接由徑向轉為軸向并順利進入收縮噴管，或繼續向下進入蝸殼底部，在遭遇底部擋板后，氣流先由底部向上翻轉，然后亦轉為軸向并進入收縮噴管。由于噴管截面積逐漸減小，它們在噴管內部速度逐漸增大。

為了更直觀地反映氣流的走向，圖8給出了中分面偏移一定距離截面上的速度流線。氣流在進入環形收縮噴管前分布比較均勻，進入噴管后加速，但上半部與下半部的加速情況有所不同。在進氣道的上半部，氣流順利進入收縮噴管，由徑向轉為軸向；而在進氣道的下半部，氣流先沿著蝸殼進入底部，氣流撞上底部擋板后向上翻滾，隨后轉為軸向并進入收縮噴管。對比上下兩部分氣流，很明顯上半部氣流加速過程更順暢，速度稍大于下半部。

圖9為進氣蝸殼底部表面流線，氣流在進氣道的下半部靠近噴管一側壁面附近有一對旋渦生成，由于蝸殼底部有2°的傾角，這對渦并不是完全的對稱結構，且這對渦僅存在于進氣蝸殼底部與噴管相鄰的壁面處，覆蓋范圍較小。

圖7 進氣蝸殼內部速度流線

圖8 中分面附近截面速度流線

圖9 蝸殼底部截面流線

為了進一步了解進氣蝸殼內部流動情況，選取4個截面，如圖10所示，沿著氣流走向依次為截面A、B、C、D。截面A位于進氣蝸殼入口處，截面B位于收縮噴管入口，截面C近收縮噴管出口處，截面D距離收縮噴管出口1 m處。

圖10 進氣蝸殼內部截面

圖11分別為截面A、B、C、D馬赫數云圖和表面極限流線圖。截面A中表面流線分布較均勻，未出現大的分離。從馬赫數云圖中可以看出，進氣蝸殼大部分區域馬赫數都在0.07附近，在靠近收縮噴管處，氣流逐漸加速，馬赫數達到0.15。在進氣聯箱底部對稱存在2個低馬赫數區域，說明在底部端壁區域有一對旋渦生成。

圖11 馬赫數云圖和表面極限流線

截面B、C分別位于收縮噴管入口和出口處，速度流線分布較均勻，僅在收縮噴管內環壁處有一些轉向。從馬赫數分布來看，截面B是上部大于下部，且由上到下是逐漸減小的。截面C整體上是上部大于下部，且在靠近內環壁處的馬赫數小于外環壁附近的值，對比截面D噴管內環壁處有一對旋渦，在形式上與圓柱繞流中產生的旋渦類似[5]。從截面B到截面C再到截面D，可以觀察到內環壁旋渦的演化過程。本文研究的進氣蝸殼幾何模型較實際尺寸長，實際上截面C處是原始進氣蝸殼出口，因此原進氣蝸殼收縮噴管處不存在分離旋渦。但可以確定的是，收縮噴管軸向長度越長，越容易形成二次流旋渦。

3 結論

本文以某重型燃氣輪機進氣系統為研究對象，依次分析了進氣道及其設置進氣罩后的總壓損失分布和進氣蝸殼內部流場特性，結論如下：

1）進氣系統總壓損失較大的區域集中在收縮段后靠近上壁面、彎頭靠近內壁面處和收縮噴管處。前兩種主要是氣流折轉過渡造成一定的總壓損失，進氣蝸殼內部除了折轉90°外，還有截面收縮氣流加速過程，是最大的損失源。

2）進氣系統增加罩殼后，進口處的流線是無規則、混亂的，罩殼本身增加的損失很小，增大的損失主要來源于收縮段和彎頭部位。

3）在進氣蝸殼底部靠近壁面處會形成一對分離渦，由此產生的損失是不可避免的。整個進氣蝸殼凡是有轉折角的位置都會形成低馬赫數區域，這些位置都是分離渦潛在的發生區域。

4）進氣蝸殼主要加速區域位于收縮噴管內部，且上半部馬赫數大于下半部。若收縮噴管軸向長度足夠長，會在內環壁處形成一對旋渦，使壓氣機進口周向不均勻性增加。因此，進氣蝸殼出口處的軸流段不宜設計過長。