張玫寶， 余 銳， 楊玉駿

上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司 上海 200240

1 研究背景

對(duì)于發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)而言，面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)環(huán)境，效率與輸出功率需要不斷提高。在整機(jī)壓比和燃料消耗一定的情況下，提高效率首先需要提高燃?xì)廨啓C(jī)中透平部件的進(jìn)口溫度，這便需要針對(duì)透平葉片設(shè)計(jì)高效的冷卻結(jié)構(gòu)，并保證透平葉片的使用壽命，同時(shí)滿足大功率、高壓比、低加工成本的要求。通常情況下，透平的冷卻空氣需要由壓氣機(jī)抽氣，通過二次空氣系統(tǒng)提供，為防止透平主流熱燃?xì)庑孤?，還需要二次空氣來密封。Eisaku Ito等［1］研究了某型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)中透平前三級(jí)共使用約20%的冷卻空氣，對(duì)透平葉片的冷卻使機(jī)組熱力循環(huán)中獲得高的透平部件進(jìn)口溫度，進(jìn)而提高工作效率，并平衡部分推力。當(dāng)然，另一方面，冷卻空氣的注入也會(huì)引起透平氣動(dòng)效率的損失，對(duì)于典型機(jī)組，效率會(huì)下降2%～4%［2-6］。

通常而言，透平葉柵進(jìn)口最大溫度的限制約束條件取決于葉片材料的應(yīng)力水平，有效的冷卻可以使透平進(jìn)口溫度得到進(jìn)一步提升。冷卻機(jī)制一般都是由壓氣機(jī)抽出溫度相對(duì)較低的空氣，直接用于透平葉片的冷卻，然后排入透平的主流中。為了延長(zhǎng)燃?xì)廨啓C(jī)壽命和降低維護(hù)成本，從透平設(shè)計(jì)方面考慮，需要選擇合適的轉(zhuǎn)速和環(huán)形通道尺寸來減小葉片和輪盤的應(yīng)力，而這會(huì)使葉型出口馬赫數(shù)更高，并且使葉型的長(zhǎng)寬比更小。對(duì)于高壓透平而言，較小的長(zhǎng)寬比可能會(huì)帶來更多的冷氣與二次流間的摻混損失，此時(shí)需要設(shè)計(jì)更高效的密封來防止和保護(hù)熱氣入侵?？梢姡訌?qiáng)二次空氣的注入，要注意降低主流中二次流的強(qiáng)度，從而減小二次流，改善級(jí)效率，進(jìn)而提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率。

就透平葉片設(shè)計(jì)而言，考慮到葉片中的冷卻結(jié)構(gòu)，需要在氣動(dòng)性能和葉片造型方面做出讓步。對(duì)機(jī)組的尺寸要求越嚴(yán)格，這種讓步就會(huì)越大。對(duì)于熱力循環(huán)，在保證葉片壽命一定的前提下，如果要獲得較大的收益，那么就需要減小冷卻空氣的用量。透平傳熱方面的研究目標(biāo)就是用最小的冷卻空氣用量達(dá)到最佳的冷卻效果，并通過冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。Marcello Manna等［7］對(duì)現(xiàn)有的透平葉型進(jìn)行了氣動(dòng)傳熱優(yōu)化，研究葉型表面氣動(dòng)載荷和換熱系數(shù)之間的關(guān)系。

葉片冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)涉及制造加工、傳熱效果、機(jī)械性能和氣動(dòng)損失。對(duì)氣動(dòng)而言，通常有以下影響：葉片的內(nèi)部冷卻通道可能使葉型厚度加大，尤其是對(duì)于葉片尾緣厚度影響較大，用以保證內(nèi)部插芯的安裝；同理，設(shè)計(jì)透平時(shí)要更多關(guān)注葉片的氣動(dòng)載荷，對(duì)于給定的輸出功率，盡可能減小級(jí)數(shù)和葉片數(shù)；另一方面，從壓氣機(jī)抽出冷氣到葉片出氣口，通過燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)部通道需要抽吸耗功，尤其是從葉尖出氣的部分冷卻空氣；而對(duì)于幾乎所有的冷卻空氣，均需要流經(jīng)靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)部件，最終摻混到透平的主流，這些損失可分為流動(dòng)沿程中的總壓損失和與主流的摻混損失。冷卻空氣進(jìn)入葉片時(shí)，進(jìn)氣方式不同，影響結(jié)果差異也較大。Sami Gir gis等［8］開展試驗(yàn)，研究了二次空氣注入對(duì)于單級(jí)透平性能的影響，特別是輪盤腔室徑向和切向進(jìn)氣對(duì)級(jí)效率的影響，確認(rèn)每增加1%的注氣量，切向進(jìn)氣相比徑向進(jìn)氣摻混，靜葉效率可提升0.3%，動(dòng)葉效率可提升0.45%。Kam Chana等［9］在等熵輕活塞試驗(yàn)裝置上，通過改變冷卻空氣量，進(jìn)行了單級(jí)透平性能試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對(duì)比，研究冷氣的注入方式對(duì)葉片性能的影響。

筆者使用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的透平通流進(jìn)行氣動(dòng)分析，考慮有無冷卻空氣及冷卻空氣的沿程溫升，研究冷卻空氣對(duì)透平氣動(dòng)性能的影響。

2 燃?xì)廨啓C(jī)模型

由于透平部件中含有二次空氣系統(tǒng)提供的用于密封和用于冷卻的空氣，因此在衡量透平性能時(shí)考慮注入透平主流的冷卻空氣，引入ISO溫度這一定義。透平ISO溫度指在相同排氣質(zhì)量流量、排氣溫度和排氣壓力下，絕熱過程中透平的進(jìn)口溫度。筆者所研究的F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平，其ISO溫度在1 200～1 300℃范圍內(nèi)，冷卻空氣量約占主流的20%。這一透平的子午面通流圖如圖1所示。

圖1 F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平子午面通流圖

所應(yīng)用的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件采用三維穩(wěn)態(tài)黏性求解雷諾平均納維 斯托克斯方程，使用H型網(wǎng)格，采用混合面方法，進(jìn)行單流道計(jì)算。貼壁第一層網(wǎng)格與壁面距離為0.01 mm，無量綱壁面尺寸在1～10之間。整個(gè)透平的網(wǎng)格總數(shù)約為510萬個(gè)，各排葉片I、J、K方向的節(jié)點(diǎn)數(shù)見表1。所有計(jì)算均在64位Linux 系統(tǒng)中進(jìn)行。

表1 透平葉片網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)

所有冷卻空氣和密封用氣通過源項(xiàng)的方法，在葉片表面和端壁進(jìn)行添加，并進(jìn)行冷卻空氣質(zhì)量流量、總溫和氣流角設(shè)置。使用與氣膜孔面積相同的條狀進(jìn)行添加，對(duì)于尾緣劈縫部分，則使用一個(gè)條狀進(jìn)行添加。以上方法與文獻(xiàn)［1］中所使用的方法類似。冷卻空氣添加示意圖如圖2所示。

由于所使用的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件其物性設(shè)置只能使用一種工質(zhì)，因此對(duì)冷卻空氣物性進(jìn)行處理時(shí)，需要進(jìn)行工質(zhì)轉(zhuǎn)換，即基于能量守恒原則對(duì)冷卻空氣的溫度進(jìn)行修正［10-11］。筆者使用多項(xiàng)式擬合方法，冷卻空氣溫度的修正方程為：

式中：T為溫度，K；B1～B4為折算因數(shù)。

圖2 冷卻空氣添加示意圖

根據(jù)表2所示折算因數(shù)的不同取值，f（T）既可以指焓H（T），也可以指定壓比熱容Cp（T）。

表2 折算因數(shù)

3 有無冷卻空氣的影響

筆者研究有無冷卻空氣對(duì)透平氣動(dòng)性能的影響，使用相同的F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平模型、相同的進(jìn)出口壓比及溫度邊界設(shè)置，進(jìn)行三個(gè)算例的計(jì)算：

（1）F＿no C，指沒有添加冷卻空氣的算例；

（2）F＿C，添加冷卻空氣的物性，是筆者所有相關(guān)計(jì)算的對(duì)比參考算例；

（3）F＿Ctem：添加的物性與F＿C相同，但是冷卻空氣溫度沒有做任何修正，與原二次空氣系統(tǒng)的溫度一致。

3.1 總體性能對(duì)比

透平ISO溫度相關(guān)計(jì)算式為：

式中：HISO為ISO 焓，kJ／kg；otgas為透平入口熱燃?xì)獾馁|(zhì)量流量，kg／s；Hhotgas為透平入口熱燃?xì)獾撵?，kJ／kg；i代表不同位置二次空氣系統(tǒng)；ASi為不同位置二次空氣系統(tǒng)用氣的質(zhì)量流量，kg／s；HSASi為不同位置二次空氣系統(tǒng)用氣的焓，kJ／kg透平部件中所有二次空氣系統(tǒng)用氣的總能量；m·out為透平排氣流量之和，kg／s。

帶冷卻的透平效率ηt定義為：

式中：Pactual為透平的實(shí)際輸出功率，k W；ΔHmain＿ideal為透平進(jìn)口的主流燃?xì)庠谕钙竭M(jìn)口壓力等熵膨脹到透平排氣壓力下的理想焓降，kJ／kg；∑nΔHSAS＿ideali為透平i＝1中所有二次空氣系統(tǒng)氣體從各個(gè)注入點(diǎn)的壓力等熵膨脹到透平排氣壓力下的理想焓降，kJ／kg。

另一方面，透平通流能力是透平性能的重要指標(biāo)之一，受兩方面影響：① 葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)，包括端壁形狀、葉片彎扭傾，以及不同葉型的積疊；② 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，包括三維效應(yīng)、葉柵通道的超聲速區(qū)域、尾緣內(nèi)外激波、葉柵通道的流動(dòng)分離，以及冷氣的注入和泄漏流等。兩方面影響導(dǎo)致了葉柵性能的不可預(yù)測(cè)性。根據(jù)文獻(xiàn)［12］，相同的喉口面積，流道不同，在亞聲速流動(dòng)和超聲速流動(dòng)中會(huì)有不同的通流能力。透平通流能力K0定義為：

K0的定義考慮了透平排氣流量m·out、進(jìn)口總壓Pin、ISO溫度TISO和物性中的氣體常數(shù)R。通過表3可以看出，在透平堵塞流動(dòng)下，有無冷卻空氣的透平排氣流量差異較大，無冷卻空氣的排氣流量明顯減小，同時(shí)透平的通流能力降低。

表3 總體性能參數(shù)變化對(duì)比

由表3可以看出，物性的修正F＿Ctem對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響較小，可以忽略不計(jì)，而F＿no C相比添加冷氣的F＿C而言，透平總效率升高。以下主要對(duì)F＿no C、F＿C這兩個(gè)算例進(jìn)行分析。

對(duì)透平各級(jí)效率ηtt進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示?？梢钥闯觯谝患?jí)（STG＿1）無冷卻空氣時(shí)效率相比添加冷卻空氣時(shí)效率增大，第一級(jí)的冷卻空氣量比重較大，帶來了較大的冷氣摻混損失，而后三級(jí)無冷卻空氣時(shí)效率均有所降低。隨著后三級(jí)主流溫度的降低，雖然添加一小部分冷卻空氣帶來一定的摻混損失，但是從排氣流量來看，兩個(gè)算例中各級(jí)主流量的差異，使無冷卻空氣透平的運(yùn)行點(diǎn)可能已經(jīng)偏離了設(shè)計(jì)點(diǎn)，尤其是第三級(jí)（STG＿3），無冷卻空氣透平的效率降低明顯，而第二級(jí)（STG＿2）和第四級(jí)（STG＿4）效率降低尚不明顯，這在一定程度上也反映出第三級(jí)透平的變工況性能較差，對(duì)于流量的變化較為敏感。

圖3 透平各級(jí)效率對(duì)比

二次空氣系統(tǒng)提供的密封和冷卻空氣同時(shí)影響了透平的各級(jí)反動(dòng)度，也即影響了級(jí)功率的分配。透平各級(jí)反動(dòng)度Ω對(duì)比如圖4所示，可見小流量下，第一級(jí)反動(dòng)度降低，后三級(jí)反動(dòng)度提高，尤其是第三級(jí)反動(dòng)度提高較大。

本節(jié)課在“攻克技術(shù)難關(guān)”議程中，分組的學(xué)生自學(xué)討論完善學(xué)案上的內(nèi)容，其中參與“種子繁殖”的小組通過復(fù)習(xí)一朵花的生活史，回顧了種子繁殖的要點(diǎn)，充分調(diào)動(dòng)了合作探究能力，完成了種子繁殖過程拼圖。這是對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。參與“嫁接繁殖”的小組首次接觸嫁接，但能通過已知事實(shí)進(jìn)行推理和論證，進(jìn)而掌握嫁接的要點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)手實(shí)操。這種關(guān)注學(xué)生的自主發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決與創(chuàng)新意識(shí)，是對(duì)理性思維能力培養(yǎng)的應(yīng)用體現(xiàn)。

圖4 透平各級(jí)反動(dòng)度對(duì)比

以F＿C的透平出口流量Mout為基準(zhǔn)，各排葉片進(jìn)口質(zhì)量流量Min與透平出口流量Mout比值的對(duì)比如圖7所示。由圖7可以看出，有冷卻空氣的F＿C算例中的第一級(jí)主流流量小于無冷卻空氣的F＿no C算例中的主流流量，但從第二級(jí)靜葉開始，有冷卻空氣的F＿C算例中的主流流量相比無冷卻空氣的F＿no C算例中的主流流量，增大幅度越來越大。

3.2 葉型表面馬赫數(shù)分析

筆者對(duì)有無冷卻空氣的F＿no C、F＿C算例計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比了第一級(jí)和第四級(jí)葉片50%徑向葉型表面相對(duì)軸向位置的等熵馬赫數(shù)分布，如圖8～圖11所示。

各排葉片進(jìn)口相對(duì)靜壓P＿in與透平進(jìn)口總壓Pt＿in比值的對(duì)比如圖5所示。圖5中S指每一級(jí)的靜葉，R指每一級(jí)的動(dòng)葉，OUT指透平出口。可見中間各排葉片的壓力有所變化，前幾排葉片的壓比變化較大，第三級(jí)動(dòng)葉以后基本一致。

圖5 各排葉片進(jìn)口靜壓與透平進(jìn)口總壓比值對(duì)比

各排葉片進(jìn)口相對(duì)總溫Ttr＿in＿blade與透平進(jìn)口相對(duì)總溫Ttr＿in＿turbine比值的對(duì)比如圖6所示，可見各排葉片的總溫變化比較明顯。由于第一級(jí)靜葉的冷氣量較多，因此第一級(jí)動(dòng)葉進(jìn)口的相對(duì)總溫差異較為明顯，并且沿葉片排方向差異越來越大，尤其是到透平出口，差異最大。

圖6 各排葉片進(jìn)口相對(duì)總溫與透平進(jìn)口相對(duì)總溫比值對(duì)比

圖7 各排葉片進(jìn)口質(zhì)量流量與透平出口流量比值對(duì)比

圖8 第一級(jí)靜葉50%徑向葉型表面等熵馬赫數(shù)分布

圖9 第一級(jí)動(dòng)葉50%徑向葉型表面等熵馬赫數(shù)分布

由圖8、圖9可見，由于第一級(jí)冷卻空氣較多，并且冷卻空氣的添加位置不同，兩個(gè)算例中第一級(jí)靜葉和第一級(jí)動(dòng)葉葉型表面的等熵馬赫數(shù)分布差異較大。

圖11 第四級(jí)動(dòng)葉50%徑向葉型表面等熵馬赫數(shù)分布

由圖10、圖11可見，由于末級(jí)不需要冷卻，只有端壁存在少量的密封氣，末級(jí)的進(jìn)出口壓比幾乎相同，因此等熵馬赫數(shù)分布也基本一致。由于F＿C算例相比F＿no C算例第四級(jí)動(dòng)葉的主流流量大，因此F＿C算例中的第四級(jí)動(dòng)葉葉中載荷較大。

3.3 徑向氣流角分析

筆者對(duì)有無冷卻空氣的算例進(jìn)行了氣流角沿徑向參數(shù)分布對(duì)比，結(jié)果顯示前兩級(jí)出口氣流角沿徑向差異較大，兩個(gè)算例同一徑向位置的差異在1～4°范圍內(nèi)。后兩級(jí)的出口氣流角差異較小，80%的主流區(qū)域中，同一徑向位置差異在1°以內(nèi)，第一級(jí)靜葉和第四級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)氣流角沿徑向的變化對(duì)比分別如圖12、圖13所示。

圖12 第一級(jí)靜葉出口絕對(duì)氣流角沿徑向變化對(duì)比

由圖12可見，由于主流流量變化和冷卻空氣的復(fù)合作用，使第一級(jí)靜葉出口的絕對(duì)氣流角相差1°左右。

由圖13可見，由于透平進(jìn)出口壓比相同，兩個(gè)算例的末級(jí)透平處于堵塞狀態(tài)，雖然主流流量差異較大，但由于比熱容的差異，大部分區(qū)域的氣流角幾乎相等。

圖13 第四級(jí)動(dòng)葉出口絕對(duì)氣流角沿徑向變化對(duì)比

4 冷卻空氣沿程溫升的影響

上述算例并沒有考慮從壓氣機(jī)抽氣到透平主流的冷卻空氣沿程溫升，而在葉片冷卻結(jié)構(gòu)中，不同出氣點(diǎn)的溫升差異較大。根據(jù)透平葉片傳熱的研究結(jié)果，噴入主流的冷卻空氣可能比壓氣機(jī)抽氣點(diǎn)的溫度提升50～200℃，因此使冷卻空氣分別提升50℃、100℃、150℃、200℃，研究其對(duì)透平總體性能的影響。

原型是F＿C算例，保持進(jìn)出口壓比不變，改變冷卻空氣溫度，并在保持ISO溫度（TISO）和透平進(jìn)口溫度（TIT）不變的情況下，形成另外八種算例進(jìn)行對(duì)比分析，分別命名為TISO＋50、TISO＋100、TISO＋150、TISO＋200、TIT＋50、TIT＋100、TIT＋150和TIT＋200。

4.1 總體性能分析

根據(jù)式（3），提高冷卻空氣溫度，在保持ISO溫度不變的前提下，會(huì)降低透平進(jìn)口溫度，因此透平排氣流量會(huì)有所上升，如圖14所示。在保持透平進(jìn)口溫度不變的情況下，由于提高了冷卻空氣溫度，透平出口氣流比熱容增大，但透平處于堵塞狀態(tài)，受透平通流能力的限制，透平排氣流量會(huì)降低，如圖15所示。

如圖16所示，提高冷卻空氣溫度，使透平排氣溫度提高，這樣會(huì)提高余熱鍋爐進(jìn)口的溫度。

圖14 透平排氣流量變化對(duì)比

圖15 透平通流能力變化對(duì)比

圖16 透平排氣溫度變化對(duì)比

在保持ISO溫度和透平進(jìn)口溫度不變的情況下，提高冷卻空氣溫度，均會(huì)使透平效率降低，但透平的輸出功率會(huì)有所提高，分別如圖17、圖18所示?？梢?，如果考慮冷卻空氣在燃?xì)廨啓C(jī)的沿程溫升，可使透平效率有所降低。

圖17 透平效率變化對(duì)比

4.2 局部細(xì)節(jié)分析

筆者研究了F＿C、TISO＋200、TIT＋200三個(gè)算例下第一級(jí)靜葉的葉型表面等熵馬赫數(shù)與出口氣流角沿徑向分布情況，分別如圖19、圖20所示。

圖18 透平輸出功率變化對(duì)比

圖19 第一級(jí)靜葉50%徑向表面等熵馬赫數(shù)分布對(duì)比

圖20 第一級(jí)靜葉出口絕對(duì)氣流角沿徑向分布對(duì)比

冷卻空氣溫度提升200℃，對(duì)于透平第一級(jí)靜葉的葉型表面等熵馬赫數(shù)和出口氣流角分布影響較小，如果不考慮第一級(jí)靜葉主流流量的微小變化影響，冷卻空氣溫度的影響幾乎可以忽略，具體見表4。

表4 第一級(jí)靜葉進(jìn)出口質(zhì)量流量對(duì)比

5 結(jié)論

對(duì)于F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平，筆者通過有無冷卻空氣的對(duì)比分析和冷氣溫度變化對(duì)氣動(dòng)影響的對(duì)比分析，得出結(jié)論。

對(duì)于冷卻空氣量在20%左右的F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)透平而言，在透平堵塞流動(dòng)下，無冷卻空氣時(shí)的排氣流量減小10個(gè)百分點(diǎn)左右，通流能力降低4.7個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于添加冷卻空氣的情況，透平總效率降低約2個(gè)百分點(diǎn)，其中透平第一級(jí)效率降低約1.5個(gè)百分點(diǎn)。

冷卻空氣量分布較多的前兩級(jí)葉片，其壓比變化較大，后兩級(jí)則基本趨于一致。各排葉片沿葉片排方向出口總溫差異越來越大，末級(jí)出口兩者相差將近17個(gè)百分點(diǎn)。

添加冷卻空氣對(duì)于前級(jí)葉型表面等熵馬赫數(shù)影響較大，但是對(duì)處于堵塞狀態(tài)的末級(jí)影響較小。前兩級(jí)出口氣流角沿徑向分布差異較大，同一徑向位置的差異在1～4°范圍內(nèi)，后兩級(jí)的差異則較小。

考慮冷卻空氣在燃?xì)廨啓C(jī)的沿程溫升，可使透平效率降低0.1個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)透平葉型表面等熵馬赫數(shù)和出口氣流角分布影響較小，幾乎可以忽略，因此，冷卻空氣在燃?xì)廨啓C(jī)的沿程溫升對(duì)于透平總體性能的影響較小。