王穎++鄒月明++宋乃秋

摘 要：渦輪盤的溫度場分布通道內(nèi)的流場特性影響燃機性能。通過建立某增壓驅(qū)動型燃氣輪機的一維穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)絡法空氣系統(tǒng)模型，基于動量方程、連續(xù)方程、能量方程組成的非線性方程組，分析輪盤的溫度場分布通道內(nèi)的流場特性，得到流場的溫度場和壓力場分布，以及各個強勢內(nèi)的平均溫度。這對燃機優(yōu)化設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：空氣系統(tǒng)網(wǎng)絡法 流場分析 溫度分布

中圖分類號：TK262 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0125-03

高溫燃氣在葉片通道中膨脹做功，經(jīng)渦輪盤將力矩傳遞到渦輪轉(zhuǎn)軸，渦輪盤通有冷卻空氣進行冷卻。因此，輪盤通道內(nèi)的流場特性影響了整個燃機的性能，許多研究者都致力于該方面的研究，基于理論分析、模擬仿真等進行了大量的探索性研究，得到了一些有價值的研究成果[1，2]。一般，其空氣系統(tǒng)從壓氣機的適當位置抽取冷卻空氣，通過主流道的內(nèi)、外側(cè)各種通流元件，按設計的流路以及壓力、溫度和流量流動等流動參數(shù)從確定的主流道的若干部位排出，與主流匯合或直接泄漏到機體外部排入大氣。這里考慮空氣系統(tǒng)主要功能有以下幾方面。

（1）供給并控制渦輪冷卻葉片的冷卻空氣，保證葉片冷氣進口具有要求的壓力和溫度。

（2）冷卻渦輪轉(zhuǎn)子主要部件（葉片、輪盤和軸等），保持工作時允許的溫度狀態(tài)。

（3）冷卻渦輪靜子（導向葉片、機匣、外環(huán)等），保持工作時允許的溫度狀態(tài)。

這里著重分析渦輪盤的冷卻計算和熱力計算。通過此部分計算，獲得渦輪盤的最高溫度和盤內(nèi)溫度分布，以便進行強度分析，熱量從渦輪盤的邊緣徑向傳入渦輪盤，盤側(cè)面冷氣的流動與換熱直接決定了渦輪盤的最高溫度與溫度分布。冷氣流經(jīng)渦輪盤后，溫度升高，出口溫度的升高又直接影響通流下一部件的換熱，確定冷卻空氣的進出口溫度，為后續(xù)計算提供初始條件。

然而，目前對于增壓燃機研究的公開文獻比較少，因此，該方面的研究具有一定的積極意義。文章基于網(wǎng)絡法建立增壓燃機一維空氣系統(tǒng)模型，分析得到輪盤通道內(nèi)的流場特性，包括溫度場分布、壓力場分布以及各個強勢內(nèi)的平均溫度。

1 模型簡化和分析計算

1.1 基本理論模型

二次空氣系統(tǒng)的熱力網(wǎng)絡法分析數(shù)學模型為n+m維由動量方程、連續(xù)方程、能量方程組成的非線性方程組。

冷卻空氣流量連續(xù)方程：

mi （1）

動量方程：

（2）

能量方程：

（3）

1.2 模型簡化

文章對增壓型燃機渦輪盤結(jié)構(gòu)（如圖1所示）進行建模分析。建立增壓型燃機渦輪盤二維軸對稱模型，由于在渦輪盤上有一些用于冷卻氣體流通的氣孔，渦輪盤并不是完整意義上的軸對稱模型，需要對這些氣孔結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)化處理，使其成為一個完整的計算域。

燃氣渦輪空氣冷卻系統(tǒng)最常見的輪盤冷卻換熱方式是在盤側(cè)間隙通道內(nèi)，有冷卻空氣供給和無冷卻空氣供給情況下，徑向吹風和噴射吹風的湍流狀態(tài)下的對流換熱情況。實際上輪盤側(cè)表面的對流換熱計算主要還是應用建立在試驗數(shù)據(jù)基礎上的理論解和根據(jù)一定工作條件下獲得的試驗準則關系式。通常用努塞爾準則關系表示：

（4）

式中：R為定性尺寸。

對在空氣中旋轉(zhuǎn)的輪盤，假設側(cè)面邊界層內(nèi)速度和溫度分布規(guī)律相同（按冪指數(shù)分布）。相應冷卻空氣與輪盤表面的溫度之差的沿徑向分布規(guī)律為。在湍流狀態(tài)下自由盤的側(cè)面換熱規(guī)律為：

（5）

旋轉(zhuǎn)輪盤側(cè)表面換熱強度主要取決于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)、外流的旋流系數(shù)和通道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、冷氣進口狀態(tài)參數(shù)等，具體如表1所示。

2 計算結(jié)果

考慮壓氣機排氣和四級抽氣流路分配情況，具體如圖2所示。

根據(jù)總體計算結(jié)果，高壓壓氣機排氣壓力總壓范圍為1.6～2.0 MPa，總溫為745 K，4級級間抽氣壓力總壓范圍為0.9～1.1 MPa，溫度為598 K，和二維渦輪盤溫度場分布，為流場計算提供初始邊界條件進行壓力場和溫度場分析，如圖3所示。

各個腔室溫度分布如表2所示。

3 結(jié)論

文章通過建立某增壓驅(qū)動型燃氣輪機的一維穩(wěn)態(tài)的網(wǎng)絡法空氣系統(tǒng)模型，基于動量方程、連續(xù)方程、能量方程組成的非線性方程組，分析輪盤的溫度場分布通道內(nèi)的流場特性，得到的結(jié)論如下。

（1）壓氣機排氣在腔室1中的冷卻效果較好。腔室5和腔室6中由于有兩部分流量通過，冷卻效果增強。

（2）通過求解能量方程，得到典型結(jié)構(gòu)腔室的換熱系數(shù)和溫度分布，和三維計算相比較，溫度分布基本相同。

該研究所得到流場的溫度場分布、壓力場分布以及各個強勢內(nèi)的平均溫度，對燃機的優(yōu)化設計具有一定的指導意義。

參考文獻

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