燃氣輪機高速動力渦輪氣動設計及試驗

張 劍，曾 軍，李劍白

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都610500)

1 引言

目前，我國天然氣輸送管線使用的燃氣輪機(以下簡稱燃機)均為國外機組，其中干線增壓所選用的30 MW級燃機主要是英國Rolls-Royce公司的RB211-6562和美國GE公司的PGT25+。這兩種燃機流量接近，且均采用兩級動力渦輪。其動力渦輪轉速較高，首翻期壽命均達到25 000 h。

國內很早便開始了燃機的設計、制造，研制過多種型號、功率等級覆蓋10 kW～114 MW的燃機發電機組，并已大量應用到油田、石化、鋼鐵、通信等行業；也研制過4 MW級QY40燃機增壓機組，但這些燃機動力渦輪設計轉速相對較低，高速動力渦輪—尤其是轉速達6 100 r/min的動力渦輪幾乎沒有涉及，缺乏高速動力渦輪研制經驗。

針對國內管道增壓用燃機需求，中國航發四川燃氣渦輪研究院基于GT25000燃氣發生器，改原四級動力渦輪為兩級動力渦輪，將轉速從3 270 r/min提高到6 100 r/min，配套6 100 r/min壓縮機組，組成30 MW級燃機壓縮機組。主要開展了兩級高速動力渦輪研制及排氣系統設計，包括氣動、結構、空氣系統、強度、軸承和潤滑系統等。本文介紹了兩級動力渦輪及排氣系統氣動設計結果，以及動力渦輪串裝燃氣發生器的燃機增壓機組工廠試車結果。

2 高速動力渦輪氣動設計特點及難點

燃機動力渦輪[1]具有長壽命、低維護等要求。另外，相比于原型四級3 270 r/min的動力渦輪，6 100 r/min的動力渦輪在相同幾何條件下，僅由于轉速提升造成的離心拉伸應力水平即提高了約4倍(離心拉伸應力與轉速的平方呈正比)。因此，高速動力渦輪的氣動設計，必須同時兼顧長壽命和高性能的設計要求。中國航發四川燃氣渦輪研究院設計的兩級高速動力渦輪的性能指標要求見表1。

該燃機動力渦輪氣動設計主要有以下特點及難點：

(1) 流量大，尺寸大。相較于航空發動機，燃機動力渦輪轉速低。為充分利用切線速度做功，滿足渦輪設計指標要求，需要通過增大徑向尺寸提高切線速度，從而導致動力渦輪流道外徑較大，葉片較高。

(2)轉速高。相較于大多數3 000 r/min的動力渦輪，本動力渦輪設計轉速達6 100 r/min。較高的設計轉速造成離心應力成倍增加，給強度壽命設計帶來巨大影響。

(3)壽命長。燃機動力渦輪作為民用產品，具有較長的壽命要求，如PGT25+等，首翻期壽命必須達到25 000 h。

(4)效率高。原型四級動力渦輪效率約為0.920，改為兩級動力渦輪后氣動效率提升為0.922。這對氣動設計有了較高的要求，必須設計氣動性能良好的葉柵，減少二次流損失。同時，需在燃氣發生器和動力渦輪之間設計高效率的過渡段，提高動力渦輪的做功能力。

(5)對排氣參數要求較高。動力渦輪出口排氣方向必須接近于軸向，排氣速度也不能過高，以減小排氣損失，降低排氣段設計難度。同時，動力渦輪排氣溫度也受到嚴格限制，以降低排氣段材料性能要求和生產制造成本。

3 設計思路

30 MW級燃機研制總的思路是在原型燃氣發生器的基礎上，將燃料由柴油改為天然氣，工作環境改為標準大氣，配套全新研制的6 100 r/min動力渦輪及壓縮機組，組成30 MW級燃機壓縮機組。高速動力渦輪氣動設計的總體思路為：

(1)采用三維粘性設計體系，對原型燃機動力渦輪氣動設計進行摸底分析，了解其工作特點和保障高效率、長壽命設計所采取的技術方案，為自主設計長壽命高速動力渦輪奠定技術基礎。

(2)分析國外其他在役30 MW級燃機動力渦輪性能、結構、材料、工藝、強度、壽命等方面設計要求和設計準則，為開展自主設計燃機高速動力渦輪提供技術參考。

(3)保持燃氣發生器出口接口尺寸和換算流量不變，基于三維設計方法，開展高速動力渦輪氣動設計，并優化燃氣發生器和動力渦輪之間過渡段流道。

(4)分析原型燃機及國外其他動力渦輪的排氣系統，匹配設計的動力渦輪，開展綜合評估。

(5)開展動力渦輪在燃機中的串裝試驗，并在整機條件下開展動力渦輪特性試驗，驗證動力渦輪、排氣系統性能，同時了解燃機整機性能。

4 設計結果

4.1 一維設計

渦輪級間匹配優化設計是多級動力渦輪氣動設計的關鍵技術之一，合理選取各級渦輪載荷對提高動力渦輪氣動效率具有重要意義。圖1為高速動力渦輪Smith圖[2]。為提高氣動效率，動力渦輪均選取了較小的載荷系數和流量系數。由于動力渦輪設計轉速較高，一維設計中著重控制了動力渦輪的強度應力水平。兩級動力渦輪均采用等中徑設計，氣流通過兩級動力渦輪后軸向出氣。一維設計方案表明，采用兩級動力渦輪能夠獲得較高的氣動性能。

4.2 流道設計和葉片造型

為實現動力渦輪與燃氣發生器之間的均勻過渡，設計了一段較長的過渡段，見圖2。動力渦輪流道采用了逐漸擴張的方式。設計中，為進一步降低動力渦輪出口氣流速度和提升出口排氣壓力以及方便動力渦輪后支撐設計，動力渦輪出口仍保持了較大的擴張。

根據一維設計結果，完成了動力渦輪四排葉片的造型設計。葉型設計采用三個基準造型平面截面，并采用S1IC[3]對平面葉柵進行設計、分析和性能評判。采用渦輪葉片氣動設計軟件BladeDesign[4]完成葉片的三維積疊成型，見圖3。

30 MW級燃機排氣系統包括排氣支板、排氣缸、排氣煙道三部分，以保證燃氣在動力渦輪中有效膨脹，使動力渦輪乃至整機正常匹配工作。排氣系統設計借鑒了原型排氣缸結構，同時參考了FT8和PGT25+的排氣缸結構，通過排氣系統和動力渦輪匹配優化，在降低排氣損失的基礎上盡量縮小排氣裝置的軸向長度和高度。排氣系統模型見圖4。

4.3 準三維評估

S2流面分析除了檢查兩級動力渦輪的流量、功率和效率等總參數外，還著重關注了兩級動力渦輪之間的匹配、動力渦輪轉/靜匹配，以及各葉片排出口參數沿徑向的分布。

圖5為兩級動力渦輪準三維子午面馬赫數分布。從圖中可看出，子午面氣流在各葉片排分布較好，馬赫數變化均勻，沒有出現分離流動。

表2為設計狀態下動力渦輪準三維計算結果，計算中考慮了各葉片排盤前封嚴冷卻影響和動力渦輪轉子葉尖間隙影響。設計狀態準三維計算的動力渦輪效率為0.936。兩級動力渦輪反力度均較高。二級動力渦輪出口絕對氣流角與軸向的夾角為0.4°。

表2 動力渦輪準三維計算結果Table 2 Results of quasi-3D computation

4.4 全三維驗算

采用全三維流場分析軟件CFX[5-7]，對兩級動力渦輪及排氣系統進行數值仿真，著重評估兩級動力渦輪及排氣系統的匹配關系，分析三維通道流場細節。計算采用CFXTG 12.0[8]進行六面體網格劃分，網格節點總數約143萬。轉子葉尖間隙選取為1 mm，忽略冷氣的影響。

表3為設計狀態下動力渦輪全三維計算結果。可見，全三維計算的動力渦輪效率為0.935。動力渦輪出口排氣段位置處的絕對馬赫數為0.313，出口絕對氣流角(與軸向的夾角)為2.7°，有利于排氣段及排氣蝸殼的設計。排氣溫度484.6℃，滿足動力渦輪出口溫度低于500℃的要求。

表3 動力渦輪三維計算結果Table 3 Results of 3D computation

圖6、圖7分別為動力渦輪中截面的馬赫數云圖及子午面馬赫數云圖。可見，氣流在通道中流動較好，未見明顯分離流動現象。

圖8為動力渦輪和排氣系統的三維流線。排氣缸總壓恢復系數達0.953，滿足設計要求。

4.5 一維特性分析

對動力渦輪進行了一維特性評估。動力渦輪不同換算轉速(nˉ)下氣動效率隨膨脹比的變化曲線如圖9所示。在設計點附近，高速動力渦輪效率曲線變化較平滑，具有良好的非設計工況性能。

5 試驗結果及分析

由于動力渦輪尺寸大，國內無相關試驗設備開展部件性能試驗，無法對動力渦輪性能進行準確評判。為此，動力渦輪設計、加工完成后，在開展動力渦輪托轉試驗及動力渦輪與燃氣發生器、測功器耦合振動分析的基礎上，直接串裝燃氣發生器開展整機試驗(圖10)，并開展了動力渦輪特性試驗，錄取了部分動力渦輪特性參數。為減少測量探針對整機的影響，僅安排了少量測量探針。在動力渦輪進口安排了2×5探針測量燃氣的總溫、總壓，在動力渦輪出口安排了3×1探針測量燃氣的總溫、總壓，燃氣發生器出口安排16支總溫探針作為動力渦輪進口總溫的輔助修正。燃機最大工作狀態達到1.0工況。

圖11為燃機整機輸出功率與熱效率曲線。隨著功率輸出的增加，燃機熱效率逐漸增加。燃機設計點試驗熱效率為37.14%，比設計值高0.64個百分點。

圖12為排氣系統總壓恢復系數隨燃機功率變化曲線。動力渦輪排氣系統總壓恢復系數隨著燃機狀態的降低而逐漸增加。燃機1.0工況動力渦輪排氣系統總壓恢復系數0.954，滿足設計要求(≮0.950)。

圖13示出了動力渦輪試驗效率特性。當燃壓機組達到1.0工作狀態時，動力渦輪折合轉速0.97，膨脹比3.46，氣動效率0.95。

采用全三維粘性流場計算方法對燃機1.0工況動力渦輪試驗性能進行分析。圖14為燃機試驗分析模型。根據加工喉道面積檢測結果，通過調整安裝角的方式，分別調整了一級、二級導向器喉道面積；采用熱態流道；無轉子葉尖間隙；排氣缸由設計的直排改為試驗的側排。

圖15、圖16分別為動力渦輪進口總壓、總溫測量結果及其擬合端壁修正曲線。調節動力渦輪出口靜壓，確保動力渦輪出口總壓計算值與試驗測量值一致。圖17、圖18分別為三維計算的動力渦輪出口總壓、總溫及其分布。動力渦輪出口總壓計算值沿徑向基本呈線性分布，同時三點試驗測量值基本一致，且位于計算擬合曲線上，這說明動力渦輪的膨脹比較為可靠；動力渦輪出口三點總溫測量值差異較大。

表4為燃機1.0工況動力渦輪性能評估結果。試驗狀態三維評估效率0.941，比試驗結果低0.9個百分點；三維計算功率為26.01 MW，比試驗結果低1.84%。

6 結論

采用渦輪三維粘性設計體系，在充分考慮民用動力渦輪設計特點和難點的基礎上，結合強度、壽命要求，開展了動力渦輪及排氣系統的全新氣動設計，并完成了高速動力渦輪在燃機中的特性試驗驗證。主要研究結論為：

表4 燃機1.0工況動力渦輪性能評估結果Table 4 Performance results of power turbine in test

(1)動力渦輪氣動效率達到并超過了0.920的設計指標要求，一維、準三維和全三維設計精度均較高。

(2)動力渦輪排氣速度低、排氣氣流角基本接近軸向，有利于排氣裝置設計；動力渦輪排氣段總壓恢復系數達0.954，超過設計指標要求。

(3)高速動力渦輪具有良好的非設計工況性能。

參考文獻：

[1]API Standard 616-1998，Gas turbines for the petroleum,chemical,and gas industry services[S].

[2]Bianchi D，Noccioni P，Silvestri C J.The new PGT5B/2,a state-of-the-art 6MW two-shaft gas turbine[R].ASME 2000GT-0561，2000.

[3]曾 軍，卿雄杰.渦輪葉柵外換熱系數計算[J].航空動力學報，2008，23(7)：1198—1204

[4]李劍白.渦輪葉片氣動設計軟件BladeDesign[J].燃氣渦輪試驗與研究，2011，24(3)：11—15.

[5]ANSYS CFX introduction release 12.0[Z].ANSYS Inc.，2009.

[6]曾 軍，張 劍.帶冷氣影響的某高壓渦輪級流場分析[J].燃氣渦輪試驗與研究，2005，18(3)：19—22.

[7]曾 軍，王 彬.某雙級高壓渦輪全三維計算[J].航空動力學報，2012，27(11)：2553—2561.

[8]ANSYS TurboGrid release notes for 12.0[Z].ANSYS Inc.，2009.