某型燃气轮机透平转子空气系统数值计算

第53卷第6期2011年12月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYV0153NO6DEC2011某型燃气轮机透平转子空气系统数值计算杨其国，吕智强，张成义，于宁哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046摘要根据流体动力学理论，针对某型燃气轮机透平转子空气系统进行了流体动力学计算，获得不同工况下透平转子冷却空气流量和各漏气孔的流量分配情况，满足实际工程分析的需要。关键词空气系统；流量分配；流场特性分类号V2324文献标识码A文章编号10015884201106040602NUMERICALCALCULATIONONSECONDARYAIRSYSTEMOFGASTURBINEROTORYANGQIGUO，LVZHIQIANG，ZHANGCHENGYI，YUNINGHARBINTURBINECOMPANYLIMITED，HARBIN150046，CHINAABSTRACTBASEDONTHETHEORYOFFLUIDDYNAMICS，THISPAPERFOCUSEDONCALCULATIONOFFLUIDDYNAMICSOFGASTURBINEROTORSECONDARYAIRSYSTEM，FLUXOFCOOLINGAIRFORTURBINEROTORANDEACHOUTLETHAVEBEENOBTAINEDONDIFFERENTCASES，MEETTHEREQUIREMENTOFACTUALENGINEERINGANALYSISKEYWORDSSECONDARYAIRSYSTEM；FLUXDISTR噎BUTIONFLUIDCHARACTERISTIC0前言随着燃气透平进口温度的进一步提高，透平的冷却空气量进一步加大，比例越来越大的冷却空气没有通过燃烧室加热而直接从压气机的不同位置直接引向透平的不同位置，而这部分空气在压气机压缩和透平膨胀过程中都要扣除效率损失，降低了机组的功率和效率，因此冷却空气量的计算对整个机组热平衡以及透平冷却系统的设计非常重要I2J。本文选取某型燃气轮机的透平转子空气系统进行研究，由于透平转子空气系统结构复杂，使用分块方法进行整体数值计算，确定整体透平转子冷却的空气流量、各个透平叶片的冷却空气流量分配情况以及透平冷却通流部分的流场特性。1物理模型由于透平转子空气系统结构复杂，并涉及旋转问题，为了方便计算，将其流场区域进行结构划分，如图1所示，分为3个单元压气机抽气部分，透平盘进口部分以及透平盘部分。由于结构的轴对称性，对第一和第三单元选取部分结构进行计算即可，由于透平风扇结构复杂，因此第二单元进行全周模型计算。图2所示为透平转子空气系统通流部分的网格结构模型。哥队2空气系统计算6C图2网格模型根据流体动力学理论对上述各模型块进行流体动力学计算，湍流模型采用S模型，边界条件给定压力进口和压力出口边界条件，进口给定总压，出口给定静压。21第一单元计算第一单元进口为压气机某级后抽气口，给定进口总压范围，出口为透平盘前端轴处，给定出口静压范围。模型的壁监詈一一图4所示为第一单元模型流场的马赫数、温度变化云收稿日期20110507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。作者简介杨其国1962一，男，天津人，研究员级高级工程师，主要从事汽轮机研制及管理工作。第6期杨其国等某型燃气轮机透平转子空气系统数值计算407G趱咖1佥018001850190019502000205021002150220压差MPA图3第一单元冷气流量占总流量的百分比芝图4第一单元模型马赫数、温度变化云图域内流体都是亚音速流动，在节流部位流体速度增大，马赫数增大明显；温度在流动区域内变化不大，由于壁面温度的影响，流体温度略有增加。22第二单元计算第二单元进口为透平盘冷气人口，根据第一单元计算结果确定进口总压范围，出口为一级叶轮中心通道，给定出口静压范围。模型的壁面温度由透平转子热分析结果给定，针对不同进口总压情况，通过第二单元计算确定进入透平盘的冷气流量。图5给出了不同压差下第二单元冷气流量占总流量的百分比情况。可以看到，压差越大，冷气流量越大。丑G删斌锄上删臻惫压差MPA图5第二单元冷气流量占总流量的百分比图6所示为第二单元模型流场的马赫数、温度变化云图。在整个流动区域内流体都是亚音速流动；温度在流动区域内变化不大。23第三单元计算第三单元进口为一级叶轮中心通道，根据第二单元计算蓬1图6第二单元模型马赫数、温度变化云图结果确定进口总压范围为，有五个出口。根据各个出口的位置及主燃气通道压力确定各个出口的静压。模型的壁面温度由透平转子热分析结果给定，针对不同进II总压情况，通过第三单元计算确定各个出口的冷气分配，特别是用于冷却第一级动叶的出口1的冷气流量情况。因此，在确定出口2、3、4、5静压的情况下计算出口1的冷气流量情况。图7给出了进EL与出口1不同压差下进入透平盘的冷气流量占总流量的百分比情况。图8给出了进口与出口1不同压差下出口1的冷气流量占总流量的百分比情况。岫G删趱上删佥丑恤G删锺上删佥图7进口流量占总流量的百分比图8出口1流量占总流量的百分比图9给出了第三单元模型流场的各个进出口的冷气流量情况。由于出EL3、4、5的流量非常小，统计在一起。可以下转第411页第6期范伟等水和蒸汽热力性质IAPWSIF97计算模型的边界条件及方程411它参数如P、T，并通过查表对计算结果进行比较，如表1。表1计算结果比较由表1的计算结果可知，各状态点的计算结果与查表结果之间的相对误差最大为0029，验证了IAPWSIF97计算模型的边界条件及边界方程是正确的。5结论本文对已知P、参数计算其它参数时，确定各区域边界条件进行了介绍。由已知参数H,S计算其它参数时，确定了14区的边界条件，根据模型的具体区域划分，给出了2、3区内各子区域的边界条件及方程。经编制计算水和水蒸汽热力性质程序计算，给出了结果与查表所得值，验证了各区域及子区域的边界条件及方程是正确的，为开发各区域水蒸汽热力性质计算程序提供了保障。参考文献1德W瓦格纳，A克鲁泽水和蒸汽的性质M北京科学出版社，20032BERTRUKES，RBDOOLEYSUPPLEMENTARYRELEASEONBACKWARDEQUATIONSFORPRESSUREASAFUNCTIONOFENTHALPYANDENTROPYPH，TOTHEIAPWSINDUSTRIALFORMULATION1997FORTHETHERMODYNAMICPROPERTIESOFWATERANDSTEAMATHEINTERNATIONALASSOCIATIONFORTHEPROPERTIESOFWATERANDSTEAMC，GAITHERSBURG，MARYLAND，USA，20011一L33KOICHIWATANABE，RBDOOLEYSUPPLEMENTARYRELEASEONBACKWARDEQUATIONSPH，SFORREGION3，EQUATIONSASAFUNCTIONOFHANDSFORTHEREGIONBOUNDARIES，ANDALLEQUATIONTSARH，SFORREGION4OFTHEIAPWSINDUSTRIALFORMULATION1997FORTHETHERMODYNAMICPROPERTIESOFWATERANDSTEAMATHEINTERNATIONALASSOCIATIONFORTHEPROPEIESOFWATERANDSTEAMC，KYOTO，JAPAN，2O041344祁海涛，胡念苏，陈波水和水蒸汽热力性质IAPWSIF97公式及通用计算模型J热力透平，2003，32122402465于翔，冷伟对临界区水和水蒸汽性质两种计算方法的分析J锅炉技术，2006，37134376王培红，贾俊颖，程懋华水和水蒸汽性质的IAPWSIF97计算模型J动力工程，2000，206988991上接第407页丑岛咖1薅躜上删斌女压差MPA图9各进出口冷气流量占总流量的百分比看到，随着压差的增大，进口和出口1的冷气流量增I口，其它各出口基本无变化。图10所示为模型流场的马赫数、温度变化云图。在整个流动区域内流体都是亚音速流动；温度在流动区域内沿径向变化较大。盐监图10第三单元模型马赫