某重型燃机一级动叶空气流量特性研究

第54卷第4期2012年8月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO154NO4AUG2012某重型燃机一级动叶空气流量特性研究慕粉娟，冯永志，张宏涛哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要对某重型燃机透平第一级动叶进行了冷态三维数值模拟及试验研究，分析了不同的压差下该叶片的内部空气流量特性，得到了叶片内部空气流量的分配比例。研究工作为工程化叶片冷却结构流量特性检测提供了依据。关键词燃气轮机；气冷叶片；流量特I生试验；数值模拟分类号TK47471文献标识码A文章编号100158842012044327302RESEARCHONAIRFLOWCHARACTERISTICSOFAHEAVYGASTURBINE1BLADEMUFENJUANFENGYONGZHIZHANGHONGTAOHARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTTHISPAPERIMPLEMENTEDCOOLINGSTATE3DNUMERICALSIMULATIONANALYSISANDAIRFLOWCHARACTERISTICTESTRESEARCHOILAHEAVYGASTURBINE1BLADEANALYZEDTHEINTERNALAIRFLOWCHARACTERISTICOFTHISBLADEUNDERDIFFERENTPRESSUREDIFFERENTIALSANDGOTTHEBLADEINTERNALAIRFLOWRATEDISTRIBUTIONPROPORTIONTHERESEARCHWORKSPROVIDETHEBASISFORENGINEERINGTESTOFTHEBLADECOOLINGCONFIGURATIONAIRFLOWCHARACTERISTICKEYWORDSGASTURBINE；COOLINGBLADE；FLOWCHARACTERISTICSTEST；NUMERICALSIMULATION的冷却气体流动路径及进气方式。0前言重型燃气轮机是一种广泛应用于发电、独立能源系统和机械驱动领域的高效清洁动力装置。随着透平前燃气温度的不断提高，燃气轮机功率迅速增加。但是透平叶片在高温、大负荷环境中工作，其运行温度远远高于金属材料所能允许的温度，为了保证机组运行的可靠性，透平叶片的冷却问题越来越受到国内外生产研发者的重视J。燃机透平气冷叶片内流冷却通道中的冷气流量是影响透平气冷叶片冷却效果的重要参数，它随着冷气进口总压与叶栅出口燃气静压比的变化而变化。为了确定透平气冷叶片内流冷却通道中的冷气流量能否满足设计要求，应该对透平气冷叶片进行冷气流动特性研究J。本文对某重型燃气轮机透平第一级动叶进行了三维数值模拟及试验研究，分析了不同的压差下该叶片的内部空气流量特性，得到了该叶片内部空气流量的分配。研究工作为工程化叶片冷却结构流量特性检测提供了依据。1研究模型本文基于UG软件，对所研究的某重型燃机透平一级动叶进行了冷却结构建模。图1给出了所研究叶片的几何模型，可以看到，蛇行通道是该动叶片的主要结构特征，叶片内冷结构有7个冷却腔组成两组蛇行通道，以实现对冷气压力图1叶片结构由于该燃机一级动叶片工作温度高，因此根据冷却需要在内部蛇行通道设有斜置的肋片以增强换热，在叶片尾缘通道设计了扰流结构，同时在叶片的外部也施加冷却保护措施，即在叶片前缘设置三排气膜冷却孔，在叶片尾缘也设有一排冷气喷射孔冷却叶片尾缘。2数值研究独流动的控制。图虫以”、“3”、“4”来区分不同回路采用CFX商业软件对该叶片的内部空气流量进行了三收稿日期20114105基金项目国家863计划重型燃气轮机重大项目资助项目编号2008AA05A302。作者简介慕粉娟1983一，女，工程师，主要从事燃气轮机透平设计。274汽轮机技术第54卷维数值模拟分析，由于叶片结构的复杂性，计算只针对叶片的内部流体部分进行。空气由根部进入，其中前部蛇行通道由1和2进气，尾部蛇行通道由3和4进气，一部分空气由顶部的出气孔及气膜孔排出，另一部分空气由叶片前缘三排气膜孔和尾缝气膜孔排出。采用ICEM进行网格划分，由于内部冷却通道结构非常复杂，蛇行通道、气膜孔、肋片及扰流结构叠加在一起使得整个构造网格的难度非常大，而且即使能够解决拓扑关系，也会因为庞大的网格数而使得小型的PC机难以承受，因此采用非结构化的多块分区网格。网格构造完后，在ANSYSCFX中组合成为整体计算域，最后的网格总数约1000万左右。部分网格图见图2。图2部分网格图计算湍流模型选用标准KS模型，壁面函数采用ANSYSCFX专有的可缩放壁面函数。分别模拟了常温下不同进口压力下前腔和后腔的空气流量，出口给定常温常压。3试验研究对该动叶片进行了空气流量特性试验，试验在常温环境下进行，试验装置示意图见图3。由于该叶片内部结构的特殊性，在叶根进气部分采用垫片密封，试验分两部分，分别对前腔空气由图1中的1和2进入和后腔空气由图1中的3和4进入蛇行通道做了空气流量试验。试验的压力变化通过阀门用手动来控制，试验数据通过计算机采集压力表、温度计和流量计的数据，数据采集以秒为单位。压力表温度计流量计4结果分析图3试验装置示意图为了说明该动叶片的内部空气流量特性，将数值计算及试验得到的空气流量转化成关于进F1压力、温度、通流面积的系数，即流量系数，定义如下簪式中，Q为流量；T为进口温度；P为进口压力；A为出口横截面积。分别对数值计算结果和试验结果进行了分析对比。图4和图5分别给出了前腔和后腔空气流量的计算值与试验值对比结果，可以看出，空气流量是随着进出口压差的增大而增大，后腔计算值与试验值吻合的较好，相同的压差时前腔计算值比试验值偏大些。说明采用分块化的网格生成方法可以有效地解决复杂冷却结构叶片的网格离散，对于前腔气膜孔的网格还需优化。图4前腔流量系数图5后腔流量系数图6给出了前后腔的试验结果对比，可以看出在相同的压差下后腔的空气流量大于前腔。这是由于后腔空气流经蛇行通道后，还要流经尾部的扰流结构，尾缘出气孔的面积大，而且顶部亦有出气孔，因此空气流量也比较大。而前腔气体流经的蛇行通道面积相对较小，前缘虽有三排气膜孔，但尺寸较小，因此通过的气体流量相对较小。图7给出了前后腔空气流量在不同压差下的比值，可以看出，随着压差的增大，前后腔流量的比值先增大后基本趋于稳定，平均值为0646。该数据为今后要进行的工程化叶片冷却结构流量特性检测提供了依据。5总结本文对某重型燃机透平第一级动叶进行了三维数值计算和试验研究，结论如下下转第320页320汽轮机技术第54卷动相混淆，因此，必须首先对主跨转子进行振型分离，然后对产生同向振动分量及反向振动分量的激振源通过转子动力学知识进行分析，就可正确判断转子不平衡位置。外伸端质量不平衡对主跨转子振动的影响，很大程度上取决于转子动力学特性。对不同类型的转子，当存在外伸端不平衡时，两个支持轴承所呈现的振动相位关系有所差异，所以，外伸端不平衡的识别应根据转子两个支持轴承振动的振型分离、相应的转子动力学知识和平衡经验进行综合判断。在低压II转子的平衡中，在平衡三阶临界振动峰值的时候，前后总共经过了15次重量调整后才成功完成超速和平衡试验，最终试验振动数据如表1所示。4总结1000MW汽轮发电机组低压转子的高速动平衡是迄今为止在试验台上平衡最为困难的转子，在平衡过程中不能仅仅依赖于某一种平衡方法，更不能依赖平衡软件的计算，而应该综合运用各种平衡方法进行分析、计算，明确转子的各阶临界转速和不平衡的存在形式，合理的选择配重方案。在没有辅助第三支撑的条件下这可能也是最佳的一种平衡方案。参考文献1李立波60HZ汽轮机转子高速动平衡探讨J东方汽轮机2011，1211820表1转子合格振动值2张游祖，施维新汽轮发电机组振动及转子找平衡M北京北京水利电力出版社，19863祁乃斌长外伸段转子高速动平衡时支撑方式的研究J热能动力工程，2008，2343743774张学延汽轮发电机组振动诊断M北京中国电力出版社，2008上接第274页咖煺趟J盂图6前后腔流量系数对比图7前后腔流量比值1通过叶片内部的空气流量随着压差的增大而增大，计算值与实验值基本吻合，说明采用分块化的网格生成方法可以有效地解决复杂冷却结构叶片的网格离散。2叶片前腔的冷却空气量小于后腔，二者比值约为0646。试验结果为今后要进行的工程化叶片冷却结构流量特性检测提供了依据。参考文献1JECHINHAN，SANDIPDUFFA，SRINATHVEKKADGASTURBINEHEATTRANSFERANDCOOLINGTECHNOLOGYMTAYLORFRANCIS，2000，NEWYORK2倪萌，朱惠人，裘云，等带肋的内流通道中气膜孔流量系数的研究J燃气涡轮试验与研究，2004，17124283DCHANTELOUP，ABFLOWCHARACTERISTICSINTWOLEGINTERNALCOOLANTPASSAGESOFGASTURBINEAIRFOILSWITHFILMCOOLINGHOLEEJECFION】ASME，JOURNALOFTURBOMACHINERY，2002，1244995074DAMEROWWP，PETERL，STEVENAEXPERIMENTALANDANALYTICALINVESTIGATIONOFTHECOOLANTFLOWCHARACTERISTICSINCOOLEDTURBINEAIRFOILSRNASATP一1036，19775邓化愚，刘玉芳