冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計

孫海龍/哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司民品發(fā)展部

冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計

孫海龍/哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司民品發(fā)展部

文章通過對燃氣輪機冷卻封嚴(yán)設(shè)計的研究，采用旋轉(zhuǎn)修正方法，使封嚴(yán)設(shè)計更接近燃氣輪機實際工作狀態(tài)，為燃氣輪機封嚴(yán)設(shè)計從理論到實際應(yīng)用提供了解決思路，使理論研究更好的應(yīng)用與工程實踐。

冷卻封嚴(yán)；封嚴(yán)設(shè)計；旋轉(zhuǎn)修正

前言

燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的設(shè)計是燃氣輪機內(nèi)部工作環(huán)境的設(shè)計，它的任務(wù)是保證燃氣輪機內(nèi)部合適的工作環(huán)境。冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的合理設(shè)計和正常工作對燃氣輪機主要零部件的工作壽命、可靠性以及燃氣輪機的性能有著非常重要的影響，是燃氣輪機設(shè)計研制的重要環(huán)節(jié)之一。

隨著現(xiàn)代高性能燃氣輪機的發(fā)展，流路結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜。采用流體動力計算模型準(zhǔn)確分析計算燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的工作情況尤為重要。其計算步驟是：給定系統(tǒng)流路結(jié)構(gòu)尺寸、參數(shù)及其它有關(guān)氣動原始參數(shù),通過計算迭代，確定沿流程各節(jié)流單元的流量分配，計算出各腔室或部位的壓力和溫度。

一、冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的功能與組成

1.燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的功能。內(nèi)流冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)在燃氣輪機的工作中起著內(nèi)部冷卻、封嚴(yán)空氣及調(diào)整轉(zhuǎn)子軸向力等重要作用，是保證燃氣輪機達到性能指標(biāo)并為燃氣輪機提供可靠工作環(huán)境的重要系統(tǒng)之一。

為保證燃氣輪機安全有效工作，冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)具有以下幾項重要功能：

a)對主通道封嚴(yán)，防止主通道熱燃氣進入盤腔內(nèi)部；

b)冷卻渦輪盤，保持適當(dāng)?shù)偷臏u輪盤溫度；

c)冷卻燃氣輪機轉(zhuǎn)子，保證轉(zhuǎn)子合適的工作溫度；

d)為空氣軸承提供工作氣膜；

e)調(diào)整燃氣輪機轉(zhuǎn)子軸向載荷，保證止推軸承有合適的軸向載荷。

2.燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的組成。為實現(xiàn)上述功能,燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)包括兩個組成部分：第一部分為渦輪盤的冷卻與封嚴(yán)系統(tǒng)，這部分流路同時起到平衡轉(zhuǎn)子軸向力的作用；第二部分為空氣軸承工作引排氣系統(tǒng)，這部分流路同時對燃氣輪機轉(zhuǎn)子進行冷卻。

二、燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計考慮的幾個因素

為實現(xiàn)燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)上述幾項功能，在冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計時考慮了如下幾個因素：

a)篦齒封嚴(yán)環(huán)的封嚴(yán)間隙、封嚴(yán)齒數(shù)設(shè)計：篦齒封嚴(yán)環(huán)的封嚴(yán)間隙直接影響壓氣機出口盤腔的引氣量以及篦齒封嚴(yán)環(huán)前后腔的壓力分布。引氣量影響盤風(fēng)阻產(chǎn)生的溫增量，進而對渦輪盤的冷卻產(chǎn)生影響。篦齒封嚴(yán)環(huán)前后腔的壓力分布直接影響轉(zhuǎn)子軸向力的大小。

b)篦齒封嚴(yán)環(huán)的封嚴(yán)半徑設(shè)計：篦齒封嚴(yán)環(huán)封嚴(yán)半徑影響篦齒封嚴(yán)環(huán)前、后腔壓力所產(chǎn)生軸向力的面積。在其他條件不變的情況下，封嚴(yán)半徑增大，則冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)產(chǎn)生向后的軸向力增大。

c)引氣流量確定：在保證冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)正常工作的前提下，冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)盡量減少引氣量。減小引氣量的措施包括增加節(jié)流裝置、減小漏氣間隙和減小封嚴(yán)間隙等。

d)壓氣機盤前排氣流路設(shè)計：該處為轉(zhuǎn)子件與靜子件配合，完全沒有間隙是不可能的，故會有一定量的間隙漏氣，但應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)子件與靜子件之間的間隙。

三、計算方法

燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)是由各種不同種類的節(jié)流單元串聯(lián)和并聯(lián)組成的復(fù)雜流動系統(tǒng)，根據(jù)一元等熵流，對每個節(jié)流單元建立動量方程、能量方程以及連續(xù)方程，形成整個流動系統(tǒng)的非線性方程組，采用離散延拓法求解非線性方程得到每個節(jié)流單元的流量,每個腔室的壓力和溫度。計算中適當(dāng)考慮了氣流旋轉(zhuǎn)、粘性、風(fēng)阻溫增及氣流摻混等因素的影響。

1.旋轉(zhuǎn)修正。計算中遇到節(jié)流孔相對于進口氣流是旋轉(zhuǎn)的情況，如輪盤的通氣孔、軸上的通氣孔等，這樣氣流進入節(jié)流孔的方向與孔的中心線有一定的角度，使氣流的流通面積減小、流量減少。在計算中，將這種旋轉(zhuǎn)的影響歸結(jié)為對流量系數(shù)μ的影響，也就是對摩阻系數(shù)K的影響。進行修正時，先求出靜止孔的摩阻系數(shù)K，并根據(jù)摩阻系數(shù) K 與流量系數(shù)?的關(guān)系

式：

求出靜止孔的流量系數(shù)；再根據(jù)試驗提供的轉(zhuǎn)動孔的與靜子孔的比值隨Ro變化的關(guān)系曲線確定；最后求出。

其中

式中，ω為旋轉(zhuǎn)角速度；r為旋轉(zhuǎn)半徑；P為壓力；F為面積；R為氣體常數(shù)；G為流量；T為溫度。

2.風(fēng)阻功率與溫升。氣流通過旋轉(zhuǎn)的盤軸系的腔道，由于粘性的存在，形成的風(fēng)阻阻力對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻力力矩。

假設(shè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)克服上述力矩所做的功W全部被氣流吸收，則空氣的溫升可由下式求出

3.冷氣混合溫度。在冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，若干腔室由多支流路匯合而成，各支流路空氣的溫度在匯合前通常是不同的，其匯合后的溫度按理想均勻混合計算，即：

四、設(shè)計

冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計與轉(zhuǎn)子軸向力調(diào)節(jié)是一個相互迭代的過程。為進行轉(zhuǎn)子軸向力調(diào)節(jié)，首先需進行冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)計算，再用冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)計算出的腔室壓力計算軸向力。然后根據(jù)軸向力大小及方向修正冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計，并重新進行冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)和軸向力的計算。

燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)進行了多個設(shè)計方案的流體動力計算。包括篦齒間隙調(diào)整計算、篦齒齒數(shù)調(diào)整計算、篦齒封嚴(yán)半徑調(diào)整計算及渦輪盤緣缺口設(shè)計計算。

其中篦齒間隙及篦齒齒數(shù)調(diào)整一方面可以調(diào)節(jié)篦齒盤前后腔的壓力分布，進而調(diào)節(jié)軸向力，另一方面可以調(diào)節(jié)引氣量。

篦齒封嚴(yán)半徑影響篦齒封嚴(yán)環(huán)前后腔壓力產(chǎn)生軸向力的面積，在其他條件不變的情況下，封嚴(yán)半徑增大，則冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)產(chǎn)生向后的軸向力增大。渦輪盤緣缺口大小影響軸向力受力面積，缺口最低半徑影響冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)感受的反壓。計算引入缺口渦輪盤當(dāng)量半徑R的概念，即有缺口渦輪盤的軸向力受力面積相當(dāng)于半徑為R的圓盤面積。

五、結(jié)論

本文主要介紹了冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)設(shè)計的正題方案設(shè)計，計算中考慮了旋轉(zhuǎn)修正和風(fēng)阻溫升，但沒有考慮盤等固體件向氣流的傳熱。在進行零組件溫度計算時，會進行氣流與零件之間的溫度迭代計算。所選用的摩阻損失公式參考了國內(nèi)、外的相關(guān)試驗結(jié)果。可以認為計算結(jié)果基本反映了燃氣輪機冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)的情況，可以作為進行熱分析、強度分析及軸向力計算的原始數(shù)據(jù)。

需要說明的是，燃氣輪機實際工作過程中轉(zhuǎn)、靜子引排氣間隙與設(shè)計的間隙值可能會存在一定偏差，而且篦齒的實際工作間隙也很難保證與設(shè)計的封嚴(yán)間隙完全相同。這些因素會造成計算情況與燃氣輪機實際工作情況存在一定差異，在燃氣輪機試車過程中進行腔溫腔壓測量。而且，由于冷卻封嚴(yán)系統(tǒng)計算采用的邊界條件也很難保證完全與實際情況相符，計算與燃氣輪機實際工作狀況存在差異是不可避免的，計算結(jié)果必然會存在一定誤差。