间冷循环涡轮气动方案

梁 晨，肖东明，王靖超，刘 晗

(中国船舶重工集团公司第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

间冷循环涡轮气动方案

梁 晨，肖东明，王靖超，刘 晗

(中国船舶重工集团公司第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

以间冷循环燃气轮机总体对动力涡轮的设计要求为目标，进行了间冷循环动力涡轮气动方案改型设计研究。计算采用成熟的轴流涡轮一维气动设计软件Concept NREC Axial，在一维气动损失模型的选用方面，通过对某型机性能复算进行了验证。方案改型计算在满足间冷循环燃机总体对动力涡轮的参数进行大规模调整的前提下，以尽量保留原型机的高可靠性为目标，并综合考虑了性能与改型难度的平衡，完成了多个方案的计算。结果表明，经过改型设计的涡轮可以基本满足间冷循环的要求。

燃气轮机;间冷循环;涡轮气动方案

0 引言

间冷循环是在压气机中间加入冷却过程的一种复杂循环，与简单循环相比采用间冷循环的好处是可以降低压气机出口温度，大大节约用于压气机的压缩功，进而提高涡轮中的可用输出功。针对成熟可靠的简单循环燃气轮机进行间冷循环改型，可以方便地利用其成熟的压气机、涡轮部件，只进行较小规模的改型设计即可实现较大规模的出力增加，具有很大的工程实用价值。在改型设计中，由于动力涡轮气动参数的改变很大，因此为了获得高效率，动力涡轮相对于原型机必须进行大规模的重新设计，但出于保持原型机高可靠性和易于投入未来主要的使用用途，在结构上、转速上都存在着较多的限制。

根据间冷循环总体计算给出的要求，我们进行了动力涡轮的改型气动方案计算研究，利用商用轴流叶轮机械性能计算软件ConceptNREC Axial，进行了多个方案的计算，最终获取了改型工作量与性能平衡最优的结果。

1 方案计算方法

1.1 计算方法

本计算采用Concept NREC Axial软件。Axial是一款成熟的商业叶轮机械气动计算软件，在使用前我们对该软件的可靠性进行验证，得到的结果是正确的。

计算中所考虑的损失及采用的损失模型基本为标准一维涡轮性能计算设置，具体如下:

1)叶型损失

采用了Ainley及Mathieson1951年提出的损失模型，后经Dunham及Kacker于1970年和1982年修正(AMDC+MK 模型)［1－3］。

2)二次流损失

采用了Ainley及Mathieson1951年提出的损失模型，后经Dunham及Kacker于1970年和1982年修正(AMDC+MK 模型)［1－3］。

3)叶栅尾迹损失

采用了Ainley及Mathieson提出的损失模型。4)冲角损失

采用了Ainley及Mathieson1951年提出的损失模型，后经 Moustapha及 Kacker于 1990 年修正［1－4］，计算时要求叶片进气边半径及进口楔角。

5)漏气损失

采用了 Ainley及 Mathieson提出的损失模型(AMDC 模型)［1］。

在损失计算过程中，考虑了叶栅Renold数影响，对叶型及2次流损失进行了修正［3］。修正如下:

式中:Kp为叶型损失系数;Ks为二次流损失系数。

1.2 某型机性能核算

为了检验计算方法的正确性和准确性，选取了一型成熟机组进行了性能核算，在计算模型的建立时主要遵循了以下原则:

1)各叶片排的出口角度确定基于一个原则，保证涡轮动导叶喉道面积与图纸尺寸基本维持一致，由于图纸尺寸为冷态尺寸，本计算中考虑了热膨胀的影响;

2)各叶片排的入口几何角度按照叶片图纸型线测量获得;

3)物性文件按照燃烧室出口燃气和高压导叶冷气按比例混合建立;

4)计算中所用到的和叶片几何尺寸相关的数据一律按照叶片图纸进行测量获得。例如叶片最大厚度、弦长、进出口楔形角等。

涡轮计算模型输入参数为进口总温、总压、滞止膨胀比及转速。

涡轮性能核算计算结果见表1和图1。

表1 动力涡轮平均直径复算结果Tab.1 The results of checking compute of power turbine

图1 核算动力涡轮平均直径速度三角形Fig.1 Speed triangle of power turbine checking compute

根据动力涡轮计算结果可见，利用Axial软件对某型机进行性能分析，计算获得的功率、流量、出口温度和压力与某型机的实际参数基本吻合，误差在可接受范围内。

从速度三角形看，动力涡轮的速度三角形吻合较好，可见计算方法可信。

2 间冷动力涡轮方案设计

2.1 改型计算要求及限制条件

动力涡轮改型的目标是由总体计算提供，具体数据见表2。

表2 间冷循环动力涡轮改型要求Tab.2 The require of intercooling powerturbine reform

改型要求相对于原型机功率提高30%以上，因此改型的方向主要有提高转速、增加级数等，简单的提高转速即可提高各级的做功能力，并维持较高的效率，但由于未来很可能用于发电，所以动力涡轮的转速应该接近3 000 r/min，因此转速维持在原型机的3 270 r/min是比较合适的，这样即可以方便地用于现有的机械传动系统，还可以在将来直接用于发电，而不至于引起较大的效率衰退。

从降低改型难度、成本和改型涡轮工艺难度上出发，改型尽量维持原型机成熟可靠的转子结构，沿用原型机的等内径形式，并且力求不提高轮盘直径，便于使用原型机轮盘毛坯，节约改型成本。

2.2 改型设计参数选择

在改型设计中，考虑到改型机组的功率比原型机高了大约30%，因此为了不至引起级载荷系数提高过大，导致效率下降，在原型机的动力涡轮基础上增加了一级。设计中对涡轮的主要参数如级的载荷系数、流量系数、反动度等的选择进行了详细的分析和验证，并进行了多个方案的试算，获得了不同内径和流量系数下的涡轮初步性能分布，见图2。

图2 不同流量系数及内径下效率分布Fig.2 The distribution of efficiency under different flow coefficient and hub radius

从图2可见，最大效率出现在相对内径1.16～1.24之间，随着流量系数的增加最大效率处的内径值有所提高。考虑到出口马赫数不应过高，以避免排气损失超出预期，根据计算，流量系数在0.4以内可以保证出口马赫数小于0.22，而且通过上图可见高流量系数下效率虽然会有所提高，但幅度很小，只有不到0.25%，因此本设计的流量系数限定在0.4以下。

考虑到维持原型机的轮盘直径对加工和成本的贡献，对照在原型机半径处效率与最高效率的区别，可见不提高轮盘直径导致效率低了大约0.7%，这一数值还在可以接受的范围内，因此改型的通流方式维持等内径形式，内径不变。

2.3 改型设计结果

根据确定的参数，进行了改型5级动力涡轮的方案设计，通流图见图3，速度三角形见图4，总的性能数据见表3。另外还进行了变工况性能的计算见图5。

表3 改型涡轮性能Tab.3 Performance of reformed turbine

图5 改型动力涡轮变工况特性曲线图Fig.5 Performance map of reformed power turbine

从结果可见，改型设计基本达到了预计目标，效率比原型提高了0.56%，不足1%，但是功率基本达到了要求，出口气流角接近轴向，速度控制在要求范围内，避免了过大的排气损失。

3 结语

通过上述改型设计，得到如下结论:

1)在维持众多约束的条件下仅靠一维计算无法达到提高效率1%的要求，只能提高0.5%左右。

2)在原型机基础上增加一级的改型设计可以最大限度的利用原型机的资源，包括现有设计、大型锻件的订货，可以大大的降低改型的难度和成本，但由此产生了0.5%效率衰减。

3)在三维设计中，希望通过优化提高改型涡轮的效率，达到总体1%效率提高的目标。

［1］AINLEY D G，MATHIESON G CR.A methodof performance estimation for axial flow turbines［A］.British ARC，R ＆ M 2974，1951.

［2］DUNHAM J，CAME P M，Improvement to the Ainley-Mathieson method of turbine performance prediction［J］.ASME，Journal of Engineer for Power，1970，92(7):252 －256.

［3］KACKER S C，OKAPUU V.A mean line prediction method for axial flow turbine efficiency［J］.ASME，Journal of Engineer for Power，1982，104:111 － 119.

［4］MOUSTAPHA S H，KACKER S C.An improved incidence losses prediction method for turbine airfoils［J］.ASME，Journal of Turbomachine，1990，112:267 －276.

Research on aerodynamic case of intercooling cycle turbine

LIANG Chen，XIAO Dong-ming，WANG Jing-chao，LIU Han
(The 703 Research Institute of CSIC，Harbin 150078，China)

In this paper revised aerodynamic design of intercooling cycle power turbine was performed，aimed the demand of intercooling cycle gas turbine general design.All computing work performed by a reliable turbine performance computing software Concept NREC Axial，the chosen of the loss model was verified by check computation of a certain gas turbine.Several revised cases were researched，aimed to keep a balance of performace and difficult of the revise and to keep the high reliability of original machine as more as possible，and base the fact that the performance parameter of power turbine has been changed greatly compared with original machine by intercooling cycle gas turbine general design.The results show that the requests to turbine of intercooling cycle can be basically fulfilled by the revised design of turbine.

gas turbine;intercooling cycle;aerodynamic case of turbine

TK474.7

A

1672－7649(2012)03－0068－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.014

2011－03－28;

2011－04－25

梁晨(1974－)，男，高级工程师，从事燃气轮机设计及科研工作。