Flownex燃机二次空气系统优化设计

几十年来，提高燃气轮机循环效率的一个有效方法就是提高燃气涡轮前燃气进口温度。目前，涡轮进口温度平均每年提高20~30℃的速度增加，地面发电用燃气轮机的涡轮前燃气进口温度可达到1400~1600℃，而航空发动机涡轮前燃气温度已高达2000℃，已经远远超过了燃气轮机金属材料所能承受的温度范围。研究者主要从两个方面克服由此带来的困难，一方面是不断创造耐温更高的材料，另一方面则采取有效热防护措施来保证这些部件可靠工作。事实上，涡轮前温度增加速度远远超过耐热金属材料的发展速度。据统计，涡轮前温度每年平均提高22K，材料耐温每年平均仅能提高8K，剩下的14K都要由热端防护措施来解决。

用于涡轮部件冷却和保护、密封以及腔室增压的燃气轮机内部二次空气系统的合理设计对燃气轮机的热效率和运行安全性具有重要影响。二次空气系统的设计包括冷却空气流体动力特性的准确计算、冷却空气流路的合理布置、叶片冷却结构的设计等一系列内容。而二次空气系统的冷却空气流量分配和压力分布的准确性直接影响到燃气轮机高温部件的冷却空气消耗量和冷却效果、以及密封与腔室增压效果，进而影响到燃气轮机的效率和运行安全性。

Flownex能够快速搭建二次空气系统，包括漩涡、封严篦齿、环形间隙、旋转通道、转子-转子盘腔、转子-静子盘腔等，计算得到冷却空气流量的分配和压力分布、盘腔的温度分布等，进而对燃机二次空气系统流路的布置进行优化。

专业元件库

Flownex提供的二次空气系统专业元件库包括强制漩涡、自由漩涡、封严篦齿、旋转环形间隙、旋转通道、旋转孔口、转子-转子盘腔、转子-静子盘腔等；换热元件包括导热(径向和轴向)、对流、气膜冷却、流体辐射换热、冲击对流换热以及表面辐射换热等。利用这些元件可以快速搭建从压气机引气到冷却涡轮的二次空气系统，并对系统进行优化设计。

换热元件库               

                  

旋转元件库

• 漩涡：强制漩涡用于模拟像刚体一样旋转的流体域，流体具有相同的角速度ωFlownex能够计算能量的传递过程以及与外界能量的交换。自由漩涡用于模拟气流进入一个漩涡的流动，流体过程中不同半径位置上环量守恒。计算时需要给定上下游的旋转半径和速度，上下游气流的数量没有任何限制。
  

• 封严篦齿：用于模拟各类封严篦齿，可以是液压的或者可压缩气体。Flownex可以模拟轴向布置或者径向布置的封严篦齿；可以模拟直通型篦齿以及交错型篦齿；流动可以是双向的，同时可以模拟阻塞问题。
  

• 旋转环形间隙：该元件用于模拟流体通过环形通道的流动，环形通道的内侧或者外侧是旋转的，其中计算模型应满足通道缝隙/平均半径<0.1，该模型的典型应用为轴承中的间隙流动过程。

• 旋转通道：该元件可用于模拟气流通过一个旋转的管件的流动过程该元件。主要可以应用在旋转盘或者涡轮叶片中冷却通道内的流动，其中管路可以为任意的截面形状管路，也可以放置在三维空间中，计算过程中考虑了体积力，摩擦力以及换热过程。
  

• 旋转孔口：该元件用于模拟连接盘腔的孔口或者喷嘴，可以设置进口和出口的角度、进口和出口的半径以及涡流比等参数；可以考虑三种不同的进口：矩形进口、圆形进口或者倒角进口；能够考虑进口半径、倒角、长度、可压缩性以及进口角度等。
  

• 盘腔：转子-转子盘腔元件可用于模拟两个旋转的盘或者叶片之间形成的盘腔的气流流动；转子-静子盘腔用于模拟一个旋转的盘或者叶片与一个静止的盘或叶片之间形成的盘腔的气流流动，例如涡轮的冷却气流。元件计算得到盘腔间气流的压力分布；核心区的涡流比通过进出口气流动量平衡方程计算得到；可以计算压力和温度的变化；并且允许连接任意数量的气流。

同时，Flownex提供的所有换热元件，包括导热、对流、辐射以及气膜冷却等均可以和任意的旋转元件相连接，计算其换热过程。

• 导热：包含径向导热和轴向导热元件。需要给定几何参数及材料特性，其中径向导热元件通常和对流换热或者辐射换热元件相连接。

• 对流换热：可用于计算火焰筒外壁面与冷气流的对流换热过程，可以指定对流换热系数，也可以根据流场中的Re和Pr数计算得到换热系数。

• 辐射换热：包括体辐射与面辐射，可以用于计算燃烧高温流体与火焰筒之间、壁面与壁面之间的辐射换热过程。

• 气膜冷却：该元件通常为发动机燃烧室或者涡轮叶片冷却计算时经常采用的元件。可以用于计算火焰筒内壁面的气膜冷却换热过程。

应用案例

二次空气系统气流示意图

采用Flownex快速建立二次空气系统流动计算图，各元件的参数如下：

1) 压气机流动边界条件：总压200PSI，总温260℃，旋流系数0.5965；

2) 压气机流动边界条件：总压210PSI，总温263℃，旋流系数0.5965；

3) 径向封严篦齿：直径29.8″，齿数2，齿宽0.5mm，节距1.6mm，齿顶间隙0.055mm；

4) 轴向封严篦齿：直径29.7″，齿数2，齿宽1.5mm，节距2mm，齿顶间隙0.05mm；

5) 转子—转子盘腔：内径12″，外径14″；

6) 转子—静子子盘腔：内径2″，外径14.85″，转子上半径为9″位置处有11个头部直径为1″的六角螺栓，静子上半径为8″位置处有9个头部直径为1″的六角螺栓；

7) 转子—转子盘腔：内径5.5″，外径12″，两个转子上半径为9″位置处各有11个头部直径为1″的六角螺栓；

8) 轴向小孔：数量23，孔直径0.3″，长度3.5″，壁面粗糙度5μm；

9) 轴向封严篦齿：直径4″，齿数3，齿宽1.5mm，节距3mm，齿顶间隙0.1mm；

10) 转子—静子子盘腔：内径2″，外径14.5″，转子上半径为8″位置处有7个头部直径为1″的六角螺栓，静子上半径为8″位置处有9个头部直径为1″的六角螺栓；

11) 环形间隙：内径13.5″，外径14.5″，长度13.9″；

12) 转子—静子子盘腔：内径13.5″，外径15.5″，盘腔的型面根据示意图中给定，静子上半径为14.1″位置处有9个头部直径为1″的六角螺栓；

13) 旋转孔口：数量60，小孔直径0.25″，孔口长度0.25″，进出口半径17″，与轴向平行，小孔没有倒角；

14) 径向封严篦齿：直径36.6″，齿数1，齿宽2mm，节距4mm，齿顶间隙0.04mm；

15) 强制旋涡：内径17″，外径20″，在半径为19.49″和20″位置分别有气流出口；

16) 转子—静子子盘腔：内径18.3″，外径19.3″；

17) 小孔出流：半径19.49″，小孔面积0.32inch2；

18) 径向封严篦齿：直径38.6″，齿数1，齿宽2mm，节距4mm，齿顶间隙0.04mm；

19) 转子—转子盘腔：内径19.3″，外径20″；

20) 小孔出流：半径20″，小孔面积1.62inch2；

21) 流动边界条件：压力100PSI。

 

当转速为5000rpm时，计算得到两级压气机引气量分别为0.335kg/s和0.104kg/s，经过盘腔5径向内流的气流温升为7.7℃，经过盘腔6的气流温升为29.7℃，经过盘腔7的气流温升为9.1℃，经过封严篦齿和盘腔后，篦齿9进口位置两股引气气流混合后的压力为154PSI，温度上升为286.5℃。转静盘腔11后，环形间隙12进口处压力为92.6PSI，温度为293.2℃，经过盘腔径向外流后气流的温升约为6.7℃，环形间隙轴向流动雷诺数为22000。经过转静盘腔12后，通过旋转孔口13进入叶片冷却通道的冷却气流流量为0.352kg/s，通过间隙14的流量为0.086kg/s，经过盘腔12的温升约为18.5℃。气流经过叶片内部空腔后分成两股气流流出，流量分别为0.043 kg/s和0.309 kg/s。经过盘腔16和盘腔19 的温升分别为26.2℃和10.8℃。通过计算可以得到各位置气流的密度、粘性、以及焓值等参数，同时还可以得到每个位置的绝对总压和总温以及相对总压和总温；可以得到气流在每个元件内的角动量和能量的传递，气流的旋流系数等。

价值

通常情况下，冷却气流量需要根据计算或者试验确定，现代中小型发动机带冷却叶片的双级涡轮及带后轴承的单级涡轮，冷却气流量约占发动机总空气流量的2%~4%。随着涡轮前温度的增加，冷却气流量也在不断增加，例如CF6高涵道比发动机，涡轮冷却空气总量占内涵空气流量的14.49%，显然，这样的冷却空气消耗量会影响发动机的整体性能。因此，快速准确计算冷却空气流体动力特性、合理布置冷却空气流路以及叶片冷却结构显得越来越重要，设计优化涡轮冷却叶片内部通道以及涡轮 盘腔结构是十分必要的。Flownex的价值体现在能够使设计者快速建立二次空气系统仿真模型，准确计算冷却空气流体动力特性和温度特性，并进行优化设计，使设计者节省大量的时间，将主要精力集中在研究合理布置冷却空气流路以及叶片冷却结构等核心问题中。

来源：安世亚太