带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究-.pdf

第 5 4卷 第 1期 2 0 1 2年 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY Vo 1 ． 5 4 No ． 1 F e b ． 2 01 2 带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究 吴延龙， 李 涛， 王祥锋， 黄洪雁， 颜培刚， 韩万金 哈 尔滨工业大学能源科学与工程学院， 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 借助 N U M E C A数值仿真软件， 以某型燃气轮机的三级透平作为计算模型 ， 对其在冷却气体掺混前后的流场 进行了数值模拟。考虑到工质物性的影响， 采用了变比热高温燃气作为计算工质。同时， 针对燃气轮机透平进 口 的变工况问题 ， 选取不同的透平进口总压值进行数值计算。结果表明， 冷却气体的加入使得级损失增大， 每列叶片 流道出口速度或相对速度减小， 下游叶片进 口气流角减小 ； 在三级透平冷气掺混时改变进口总压值， 每列叶片流道 的进口气流角几乎不变 ， 除第三级动叶的激波损失与尾迹损失增大外， 其余叶片流道的能量损失变化不明显。 关键词 三级透平 ； 冷气 掺混 ； 气动性能 ； 进 口气流角 ； 能量损失 分类号 T K 4 7 4 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 2 0 1 2 0 1 - 0 0 0 1 - 0 4 Nu me r i c a l S t u d y o n t h e Ae r o d y n a mi c Pe r f o r ma n c e o f T h r e e s t a g e Tu r b i n e I n n e r F l o w F i e l d wi t h Co o l i n g Ai r Mi x i n g WU Y a n - l o n g ， L I T a o ， WA N G X ia n g f e n g ， H U A N G H o n g - y a n ， Y A N P e i g a n g ， H A N Wa n - j i n C o l l e g e o f E n e r g y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s t e a d y n u me r i c a l s i mu l a t i o n wa s c a r r i e d o u t o n a t h r e e s t a g e t u r b i n e i n n e r fl o w fie l d i n t h e c o n d i t i o n s o f c o o l i n g a i r mi x i n g a n d n o c o o l i n g a i r mi x i n g ．T h e p h y s i c al p r o p e r t i e s o f wo r k i n g fl u i d a r e S O i mp o r t a n t f o r t h e n u me r i c al s i mu l a t i o n t h a t t h e h i g h t e mp e r a t u r e g a s w a s t a k e n a s t h e w o r k i n g fl u i d i n t h e n u me ric al c a l c u l a t i o n， w h o s e s p e c i fi c h e a t a t c o n s t a n t p r e s s u r e v a r i e s w i t h i t s t e mp e r a t u r e ． T h e n ， t h e t h r e e s t a g e t u r b i n e i n n e r fl o w fie l d wi t h c o o l i n g a i r mi x i n g w a s s i mu l a t e d wh e n t h e i n l e t t o t a l p r e s s u r e c h a n g e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o o l i n g a i r mi x i n g ma k e s t h e e n e r g y l o s s a n d t h e v e l o c i t y o r r e l a t i v e v e l o c i t y a t t h e o u t l e t o f e a c h fl o w fi e l d d e c r e a s e S O t h a t t h e a i r i nle t an g l e o f e a c h b l a d e d o wn s t r e a m d e c r e a s e s ．C h a n g i n g t h e i n l e t t o t al p r e s s u r e h a s b a r e l y a n i n fl u e n c e o n t h e a i r i n l e t a n gl e ．Th e e n e r g y l o s s i n c l u d i n g s h o c k l o s s a n d t r ai l i n g e d g e l o s s g o e s u p j u s t a t t h e t h i r d r o t a t i n g b l a d e w i t h t h e i n l e t t o t al p r e s s u r e i n c r e a s i n g ． Ke y wo r d s t h r e e - s t a g e t u r b i n e；c o o l i n g a i r mi x i n g；a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e ；a i r i n l e t a n g l e ；e n e r g y l o s s 0 前言 提高转子的进 口温度是改善燃气轮机发动机特性的关 键技术之一， 先进燃气轮机的转子进 口温度远比叶片材料的 熔点高， 因而燃气轮机的叶片冷却技术已经成为了众多学者 研究的焦点⋯。近年来， 国内外许多学者在透平冷却技术方 面做出了大量的研究工作， 取得 了很多成果 I 4 。然而， 目 前的此类研究多是针对单列叶片、 单级叶片的冷却结构或某 一 冷却结构模型本身而进行的， 而在多级透平引入冷却气体 对整体气动性能影响方面， 目前还需要大量的研究工作。同 时， 在计算工质的选取方面， 选用多组分流的实际燃气工质 进行数值模拟 ， 可以更加准确的模拟出冷却透平实际运行情 况 。 本文采用了定压比热随温度变化的高温燃气作为计算 工质， 针对某型燃汽轮机多级透平冷气掺混前后的模型进行 了三维数值模拟。分析了冷气的加入对多级透平整体气动 冷气掺混后各列叶片流道的 进 口气流角的变化进行了详细的研究。 1 计算模型 本文应用 N U ME C A的 A U T O G R I D网格生成器 ， 对每列 叶片采用“ HOH” 的拓扑结构进行三维叶片流道网格划 分。为与所使用的 S p aa r t A l l m a r a s 湍流模型相适应， 第一 层网格距离壁面的距离由公式 1 确定。 一． 工 一 上 Y 6 f 1 。 f 1 。 ， ， 1 ＼ 1 ＼2， 其中， Y 11 0 ， Y为第一层网格到壁面的距离； ， 为参考 速度； 为流体的运动黏度； ， 为体征长度 。 在数值计算中， 网格数量在一定程度上会对计算结果产 生影响 ， 为了防止网格数量带来的计算准确性问题， 本文首 先采用多套网格对第一级透平进行计算以验证网格无关性， 如表 1 。在表 1中列出了效率、 功率、 膨胀比和流量 4个监测 值， 通过不同网格数的计算结果 比较可以看 出， 当单级网格 数达到 1 3 4时， 计算结果对网格数量不再敏感。最终确定三 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 5 - 3 0 作者简 介 吴延龙 1 9 8 7 一 ， 男 ， 黑龙江省牡丹江人 ， 硕士研究 生 ， 主要从 事燃气 轮机涡轮叶片冷却结构 的设计 与研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 汽轮机技术 第 5 4卷 级透平的网格总数约为 4 4 0万， 其正交性、 长宽比、 展弦比皆 满足要求。图1 为计算模型的网格生成图。 表 1 网格 无关性分析 L 图 1 三级透平的网格生成 图 本文所使用的数值计算软件为 F I N E ／ T U R B O， 采用时间 相关法求解三维雷诺平均 N S方程， 湍流模型采用一方程 S p a l a r t A l l ma r a s模 型。时间项 的离散使用四阶 R u n g e K u t t a 方法， 空间离散格式为二阶迎风格式， 采用多重网格技 术加速求解收敛。 边界条件的设定方法为， 三级透平进 口给定总温值 、 总 压值， 透平出口处给定叶展中部的静压值， 根据简化径向平 衡方程计算静压沿叶高的分布， 动叶转速为定值。当计算残 差达到 一6阶量并保持稳定不变时 ， 认为计算得到收敛解。 本文所研究的三级透平真实的冷却结构中包含大量的叶片 气膜孔、 端壁气膜孔， 且重点研究 内容为透平冷却气体进入 主流流道后对其气动性能的影响而非冷却结构本身， 因而在 冷却 气体 的掺混模 型方面， 使用 了 F I N E中 的可选模 型 C o o l i n g ／ B l e e d 模型， 在网格上以边界条件的形式给定了喷射 冷气的位置、 方向及冷气的气动参数。 为了使数值仿真结果更加接近实际情况， 考虑到工质物 性对数值计算结果的影响， 本文采以空气和天然气燃烧后的 高温燃气作为计算工质， 图2给出了所选工质的定压 比热容 随着温度的变化关系曲线 j 。 ● 、 ； 温度 ， K 图 2 定压 比热容随温度的变化关系 2 计算结果分析 在透平主流流道中， 叶片气膜孔的冷气射入、 叶片尾缘 劈缝的冷气射入以及流道端壁气膜孔的冷气注入等原因使 得流道内的边界层流动、 涡系结构、 能量损失等多方面参数 发生了改变 。因此多级透平中， 冷却气体的引人同样会导 致下游叶片流道进口气动特性发生变化。 本文对上述三级透平， 对有无冷气作用的流场进行了数 值模拟。图 3给出了每列叶片进出口相对质量流量分布情 况。引入冷却气体后 ， 透平进 口质量流量减小， 总流量随冷 气的注入量的增大而增大， 至透平出口处的流量比引入冷气 前高 出约9 ％。 四 煺 靛 姹 蝌 图 3 冷气掺混前后三级透平主流流量沿轴向分 布 图4 、 图5分别给出了加入冷却气体和不加入冷却气体 时透平各级静叶与各级动叶进 口气流角沿叶高的变化。冷 气掺混后的主流流体在每个叶片流道进 口处的进口气流角 都有所降低 ， 从图中可以发现， 除第一级静叶之外， 进 口气流 角的降低现象都较为明显， 最大值可以达到1 0 。 左右。每列 动叶进口处的平均下降值均在5 。～1 0 。 之间； 第一级静叶由 于上游主流区域没有冷气射入， 所以进 口气流角仅在端壁上 有所变化， 第二级静叶的变化随叶高增加而不同， 而第三级 静叶的进口气流角下降平均值也在5 。一1 0 。 范围内。 孵 媸 口 图4 冷气掺混前后各级静叶进 口气流角沿叶高分布 图6 o ～图 6 d 给出了加入冷却气体前后第二级静 叶叶中部位流道内流体的马赫数与动叶叶中部位流道 内流 体的相对马赫数的分布情况。加入冷却气体后， 第二级静叶 道出口处马赫数与动叶流道 出口处相对马赫数降低。叶片 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 吴延龙等 带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究 3 0 口 50 0 0 ． 2 0 ．4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 相对叶高 图 5 冷气掺混前后各级动叶进 口气流角沿叶高分布 第二级静叶加冷气前 6 第二级静叶加冷气后 三墨 善 蕃 c 第二级动叶加冷气前 西 第二级动叶加冷气后 图 6 冷气掺混前后第二级静马赫数与动 叶相对 马赫数 的分布情况 流道的出口速度计算公式为 c l ／ 2 I一 力 c 2 埘 2 , ／ 2 a 3 低能冷却气体掺混过程使每列叶栅流道内的有效焓降 降低， 增大了级的能量损失 ， 导致了每列叶片流道出口处的 流速减小， 相对马赫数降低。如图 7所示， 通过级速度三角 形分析可知 ， 前列叶片流道的出E l 速度减小， 在周向速度不 变时使得下游叶片进 口气流角发生变化， 图 7即给出了下游 叶片的进口气流角减小的示意图。 图 7 冷气掺混前后 的级速度三角形示意 图 在实际的运行过程中， 由于燃气轮机快速启动的特点， 常常作为凋峰机组 ， 这时候燃烧室出口的温度变化较小， 而 涡轮入口的压力可能发生较大变化 ， 使涡轮处于变工况运 行。因此， 本文对入 口来流总温不变， 总压发生变化的情况 进行了分析计算。透平进 口的总压相对值 p ／ p 依次给定 为0 ． 9 1 、 0 ． 9 7 、 1 ． 0 3 和1 ． 0 9 。 透平进口总压的改变使透平流量发生了变化。透平进 口总压相对值每提高6 ． 7 ％， 流量平均增加约7 ％ ， 如 图 8所 示。 由流量公式 G F p c 4 可以看出， 相同截面下流量的改变会引起局部密流 的变 化。图9 。 ～图9 给出了不同透平进口总压下每列叶片 前缘进口气流角沿叶高的变化情况。从图中可以看出， 三级 透平引入冷气掺混后 ， 透平进口总压的变化对每列叶片的进 口气流角的影响并不明显。通过对计算结果作进一步分析 知， 相同位置的局部密流p c 变化与流量变化比例吻合较好， 而马赫数或相对马赫数除在第三级后部有所增大外， 其它位 置几乎不变 。 四 煺 靛 H 1} 蛔 图 8 不 同进 口总压下冷气掺混透平流量沿轴向分布 图 1 0反映了在不同的透平进 口总压条件下， 每列叶片 通道出口处能量损失系数相对值的变化。随着透平进口总 压升高， 整个静叶叶栅与前两级动叶叶栅的能量损失略减 少， 总体变化幅度不大。而在第三级动叶叶栅中， 能量损失 随着透平进口总压的增高而增大。叶片的进 口气流角随透 平进口总压的变化并不明显 ， 因而由攻角变化引起的能量损 失变化非常小。取第三级动叶叶中部位截面的相对马赫数 分布情况分析 ， 如图 1 1 所示 ， 从叶栅的斜切部位起到整个流 场出口处相对马赫数都大于 1 ， 流场存在激波损失。叶片吸 力面附面层在与激波的相互作用下产生了分离现象 ， 尾迹损 失随之提高。随着透平进 口总压的增大， 叶片流道的中后部 相对马赫数提高 ， 使得原有的激波强度增强， 超声速区域变 大， 整个叶栅的能量损失也相应提高， 从而带来了图 1 0中所 描述的能量损失系数的变化。 3 结论 采用定压比热随温度变化的高温燃气作为计算工质， 以 某型燃气轮机的三级透平为研究对象， 分析了加入冷却气体 和不加入冷却气体情况下的流场变化， 同时针对透平的变工 况性能， 对透平进口总温不变， 不同总压值下的透平流场进 行了数值分析。计算结果表明 1 冷却气体的引入对三级透平的气动性能有较明显的 影响。冷气的掺混所带来的级损失增大， 使得叶片的出口速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m