張 劍，曾 軍，李劍白

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

目前，我國(guó)天然氣輸送管線使用的燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱燃機(jī))均為國(guó)外機(jī)組，其中干線增壓所選用的30 MW級(jí)燃機(jī)主要是英國(guó)Rolls-Royce公司的RB211-6562和美國(guó)GE公司的PGT25+。這兩種燃機(jī)流量接近，且均采用兩級(jí)動(dòng)力渦輪。其動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速較高，首翻期壽命均達(dá)到25 000 h。

國(guó)內(nèi)很早便開(kāi)始了燃機(jī)的設(shè)計(jì)、制造，研制過(guò)多種型號(hào)、功率等級(jí)覆蓋10 kW～114 MW的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，并已大量應(yīng)用到油田、石化、鋼鐵、通信等行業(yè)；也研制過(guò)4 MW級(jí)QY40燃機(jī)增壓機(jī)組，但這些燃機(jī)動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，高速動(dòng)力渦輪—尤其是轉(zhuǎn)速達(dá)6 100 r/min的動(dòng)力渦輪幾乎沒(méi)有涉及，缺乏高速動(dòng)力渦輪研制經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)國(guó)內(nèi)管道增壓用燃機(jī)需求，中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院基于GT25000燃?xì)獍l(fā)生器，改原四級(jí)動(dòng)力渦輪為兩級(jí)動(dòng)力渦輪，將轉(zhuǎn)速?gòu)? 270 r/min提高到6 100 r/min，配套6 100 r/min壓縮機(jī)組，組成30 MW級(jí)燃機(jī)壓縮機(jī)組。主要開(kāi)展了兩級(jí)高速動(dòng)力渦輪研制及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、空氣系統(tǒng)、強(qiáng)度、軸承和潤(rùn)滑系統(tǒng)等。本文介紹了兩級(jí)動(dòng)力渦輪及排氣系統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果，以及動(dòng)力渦輪串裝燃?xì)獍l(fā)生器的燃機(jī)增壓機(jī)組工廠試車結(jié)果。

2 高速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn)

燃機(jī)動(dòng)力渦輪[1]具有長(zhǎng)壽命、低維護(hù)等要求。另外，相比于原型四級(jí)3 270 r/min的動(dòng)力渦輪，6 100 r/min的動(dòng)力渦輪在相同幾何條件下，僅由于轉(zhuǎn)速提升造成的離心拉伸應(yīng)力水平即提高了約4倍(離心拉伸應(yīng)力與轉(zhuǎn)速的平方呈正比)。因此，高速動(dòng)力渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，必須同時(shí)兼顧長(zhǎng)壽命和高性能的設(shè)計(jì)要求。中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院設(shè)計(jì)的兩級(jí)高速動(dòng)力渦輪的性能指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

該燃機(jī)動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)及難點(diǎn)：

(1) 流量大，尺寸大。相較于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，燃機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速低。為充分利用切線速度做功，滿足渦輪設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需要通過(guò)增大徑向尺寸提高切線速度，從而導(dǎo)致動(dòng)力渦輪流道外徑較大，葉片較高。

(2)轉(zhuǎn)速高。相較于大多數(shù)3 000 r/min的動(dòng)力渦輪，本動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速達(dá)6 100 r/min。較高的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速造成離心應(yīng)力成倍增加，給強(qiáng)度壽命設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大影響。

(3)壽命長(zhǎng)。燃機(jī)動(dòng)力渦輪作為民用產(chǎn)品，具有較長(zhǎng)的壽命要求，如PGT25+等，首翻期壽命必須達(dá)到25 000 h。

(4)效率高。原型四級(jí)動(dòng)力渦輪效率約為0.920，改為兩級(jí)動(dòng)力渦輪后氣動(dòng)效率提升為0.922。這對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)有了較高的要求，必須設(shè)計(jì)氣動(dòng)性能良好的葉柵，減少二次流損失。同時(shí)，需在燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪之間設(shè)計(jì)高效率的過(guò)渡段，提高動(dòng)力渦輪的做功能力。

(5)對(duì)排氣參數(shù)要求較高。動(dòng)力渦輪出口排氣方向必須接近于軸向，排氣速度也不能過(guò)高，以減小排氣損失，降低排氣段設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，動(dòng)力渦輪排氣溫度也受到嚴(yán)格限制，以降低排氣段材料性能要求和生產(chǎn)制造成本。

3 設(shè)計(jì)思路

30 MW級(jí)燃機(jī)研制總的思路是在原型燃?xì)獍l(fā)生器的基礎(chǔ)上，將燃料由柴油改為天然氣，工作環(huán)境改為標(biāo)準(zhǔn)大氣，配套全新研制的6 100 r/min動(dòng)力渦輪及壓縮機(jī)組，組成30 MW級(jí)燃機(jī)壓縮機(jī)組。高速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的總體思路為：

(1)采用三維粘性設(shè)計(jì)體系，對(duì)原型燃機(jī)動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行摸底分析，了解其工作特點(diǎn)和保障高效率、長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)所采取的技術(shù)方案，為自主設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命高速動(dòng)力渦輪奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

(2)分析國(guó)外其他在役30 MW級(jí)燃機(jī)動(dòng)力渦輪性能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、強(qiáng)度、壽命等方面設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為開(kāi)展自主設(shè)計(jì)燃機(jī)高速動(dòng)力渦輪提供技術(shù)參考。

(3)保持燃?xì)獍l(fā)生器出口接口尺寸和換算流量不變，基于三維設(shè)計(jì)方法，開(kāi)展高速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并優(yōu)化燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪之間過(guò)渡段流道。

(4)分析原型燃機(jī)及國(guó)外其他動(dòng)力渦輪的排氣系統(tǒng)，匹配設(shè)計(jì)的動(dòng)力渦輪，開(kāi)展綜合評(píng)估。

(5)開(kāi)展動(dòng)力渦輪在燃機(jī)中的串裝試驗(yàn)，并在整機(jī)條件下開(kāi)展動(dòng)力渦輪特性試驗(yàn)，驗(yàn)證動(dòng)力渦輪、排氣系統(tǒng)性能，同時(shí)了解燃機(jī)整機(jī)性能。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

4.1 一維設(shè)計(jì)

渦輪級(jí)間匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)是多級(jí)動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，合理選取各級(jí)渦輪載荷對(duì)提高動(dòng)力渦輪氣動(dòng)效率具有重要意義。圖1為高速動(dòng)力渦輪Smith圖[2]。為提高氣動(dòng)效率，動(dòng)力渦輪均選取了較小的載荷系數(shù)和流量系數(shù)。由于動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較高，一維設(shè)計(jì)中著重控制了動(dòng)力渦輪的強(qiáng)度應(yīng)力水平。兩級(jí)動(dòng)力渦輪均采用等中徑設(shè)計(jì)，氣流通過(guò)兩級(jí)動(dòng)力渦輪后軸向出氣。一維設(shè)計(jì)方案表明，采用兩級(jí)動(dòng)力渦輪能夠獲得較高的氣動(dòng)性能。

4.2 流道設(shè)計(jì)和葉片造型

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器之間的均勻過(guò)渡，設(shè)計(jì)了一段較長(zhǎng)的過(guò)渡段，見(jiàn)圖2。動(dòng)力渦輪流道采用了逐漸擴(kuò)張的方式。設(shè)計(jì)中，為進(jìn)一步降低動(dòng)力渦輪出口氣流速度和提升出口排氣壓力以及方便動(dòng)力渦輪后支撐設(shè)計(jì)，動(dòng)力渦輪出口仍保持了較大的擴(kuò)張。

根據(jù)一維設(shè)計(jì)結(jié)果，完成了動(dòng)力渦輪四排葉片的造型設(shè)計(jì)。葉型設(shè)計(jì)采用三個(gè)基準(zhǔn)造型平面截面，并采用S1IC[3]對(duì)平面葉柵進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和性能評(píng)判。采用渦輪葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件BladeDesign[4]完成葉片的三維積疊成型，見(jiàn)圖3。

30 MW級(jí)燃機(jī)排氣系統(tǒng)包括排氣支板、排氣缸、排氣煙道三部分，以保證燃?xì)庠趧?dòng)力渦輪中有效膨脹，使動(dòng)力渦輪乃至整機(jī)正常匹配工作。排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)借鑒了原型排氣缸結(jié)構(gòu)，同時(shí)參考了FT8和PGT25+的排氣缸結(jié)構(gòu)，通過(guò)排氣系統(tǒng)和動(dòng)力渦輪匹配優(yōu)化，在降低排氣損失的基礎(chǔ)上盡量縮小排氣裝置的軸向長(zhǎng)度和高度。排氣系統(tǒng)模型見(jiàn)圖4。

4.3 準(zhǔn)三維評(píng)估

S2流面分析除了檢查兩級(jí)動(dòng)力渦輪的流量、功率和效率等總參數(shù)外，還著重關(guān)注了兩級(jí)動(dòng)力渦輪之間的匹配、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)/靜匹配，以及各葉片排出口參數(shù)沿徑向的分布。

圖5為兩級(jí)動(dòng)力渦輪準(zhǔn)三維子午面馬赫數(shù)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(shù)變化均勻，沒(méi)有出現(xiàn)分離流動(dòng)。

表2為設(shè)計(jì)狀態(tài)下動(dòng)力渦輪準(zhǔn)三維計(jì)算結(jié)果，計(jì)算中考慮了各葉片排盤(pán)前封嚴(yán)冷卻影響和動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙影響。設(shè)計(jì)狀態(tài)準(zhǔn)三維計(jì)算的動(dòng)力渦輪效率為0.936。兩級(jí)動(dòng)力渦輪反力度均較高。二級(jí)動(dòng)力渦輪出口絕對(duì)氣流角與軸向的夾角為0.4°。

表2 動(dòng)力渦輪準(zhǔn)三維計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of quasi-3D computation

4.4 全三維驗(yàn)算

采用全三維流場(chǎng)分析軟件CFX[5-7]，對(duì)兩級(jí)動(dòng)力渦輪及排氣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真，著重評(píng)估兩級(jí)動(dòng)力渦輪及排氣系統(tǒng)的匹配關(guān)系，分析三維通道流場(chǎng)細(xì)節(jié)。計(jì)算采用CFXTG 12.0[8]進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約143萬(wàn)。轉(zhuǎn)子葉尖間隙選取為1 mm，忽略冷氣的影響。

表3為設(shè)計(jì)狀態(tài)下動(dòng)力渦輪全三維計(jì)算結(jié)果?？梢?jiàn)，全三維計(jì)算的動(dòng)力渦輪效率為0.935。動(dòng)力渦輪出口排氣段位置處的絕對(duì)馬赫數(shù)為0.313，出口絕對(duì)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(shè)計(jì)。排氣溫度484.6℃，滿足動(dòng)力渦輪出口溫度低于500℃的要求。

表3 動(dòng)力渦輪三維計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of 3D computation

圖6、圖7分別為動(dòng)力渦輪中截面的馬赫數(shù)云圖及子午面馬赫數(shù)云圖?？梢?jiàn)，氣流在通道中流動(dòng)較好，未見(jiàn)明顯分離流動(dòng)現(xiàn)象。

圖8為動(dòng)力渦輪和排氣系統(tǒng)的三維流線。排氣缸總壓恢復(fù)系數(shù)達(dá)0.953，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 一維特性分析

對(duì)動(dòng)力渦輪進(jìn)行了一維特性評(píng)估。動(dòng)力渦輪不同換算轉(zhuǎn)速(nˉ)下氣動(dòng)效率隨膨脹比的變化曲線如圖9所示。在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，高速動(dòng)力渦輪效率曲線變化較平滑，具有良好的非設(shè)計(jì)工況性能。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于動(dòng)力渦輪尺寸大，國(guó)內(nèi)無(wú)相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展部件性能試驗(yàn)，無(wú)法對(duì)動(dòng)力渦輪性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)判。為此，動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)、加工完成后，在開(kāi)展動(dòng)力渦輪托轉(zhuǎn)試驗(yàn)及動(dòng)力渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器、測(cè)功器耦合振動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，直接串裝燃?xì)獍l(fā)生器開(kāi)展整機(jī)試驗(yàn)(圖10)，并開(kāi)展了動(dòng)力渦輪特性試驗(yàn)，錄取了部分動(dòng)力渦輪特性參數(shù)。為減少測(cè)量探針對(duì)整機(jī)的影響，僅安排了少量測(cè)量探針。在動(dòng)力渦輪進(jìn)口安排了2×5探針測(cè)量燃?xì)獾目倻亍⒖倝?，在?dòng)力渦輪出口安排了3×1探針測(cè)量燃?xì)獾目倻?、總壓，燃?xì)獍l(fā)生器出口安排16支總溫探針作為動(dòng)力渦輪進(jìn)口總溫的輔助修正。燃機(jī)最大工作狀態(tài)達(dá)到1.0工況。

圖11為燃機(jī)整機(jī)輸出功率與熱效率曲線。隨著功率輸出的增加，燃機(jī)熱效率逐漸增加。燃機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)試驗(yàn)熱效率為37.14%，比設(shè)計(jì)值高0.64個(gè)百分點(diǎn)。

圖12為排氣系統(tǒng)總壓恢復(fù)系數(shù)隨燃機(jī)功率變化曲線。動(dòng)力渦輪排氣系統(tǒng)總壓恢復(fù)系數(shù)隨著燃機(jī)狀態(tài)的降低而逐漸增加。燃機(jī)1.0工況動(dòng)力渦輪排氣系統(tǒng)總壓恢復(fù)系數(shù)0.954，滿足設(shè)計(jì)要求(≮0.950)。

圖13示出了動(dòng)力渦輪試驗(yàn)效率特性。當(dāng)燃?jí)簷C(jī)組達(dá)到1.0工作狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力渦輪折合轉(zhuǎn)速0.97，膨脹比3.46，氣動(dòng)效率0.95。

采用全三維粘性流場(chǎng)計(jì)算方法對(duì)燃機(jī)1.0工況動(dòng)力渦輪試驗(yàn)性能進(jìn)行分析。圖14為燃機(jī)試驗(yàn)分析模型。根據(jù)加工喉道面積檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)調(diào)整安裝角的方式，分別調(diào)整了一級(jí)、二級(jí)導(dǎo)向器喉道面積；采用熱態(tài)流道；無(wú)轉(zhuǎn)子葉尖間隙；排氣缸由設(shè)計(jì)的直排改為試驗(yàn)的側(cè)排。

圖15、圖16分別為動(dòng)力渦輪進(jìn)口總壓、總溫測(cè)量結(jié)果及其擬合端壁修正曲線。調(diào)節(jié)動(dòng)力渦輪出口靜壓，確保動(dòng)力渦輪出口總壓計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值一致。圖17、圖18分別為三維計(jì)算的動(dòng)力渦輪出口總壓、總溫及其分布。動(dòng)力渦輪出口總壓計(jì)算值沿徑向基本呈線性分布，同時(shí)三點(diǎn)試驗(yàn)測(cè)量值基本一致，且位于計(jì)算擬合曲線上，這說(shuō)明動(dòng)力渦輪的膨脹比較為可靠；動(dòng)力渦輪出口三點(diǎn)總溫測(cè)量值差異較大。

表4為燃機(jī)1.0工況動(dòng)力渦輪性能評(píng)估結(jié)果。試驗(yàn)狀態(tài)三維評(píng)估效率0.941，比試驗(yàn)結(jié)果低0.9個(gè)百分點(diǎn)；三維計(jì)算功率為26.01 MW，比試驗(yàn)結(jié)果低1.84%。

6 結(jié)論

采用渦輪三維粘性設(shè)計(jì)體系，在充分考慮民用動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合強(qiáng)度、壽命要求，開(kāi)展了動(dòng)力渦輪及排氣系統(tǒng)的全新氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并完成了高速動(dòng)力渦輪在燃機(jī)中的特性試驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究結(jié)論為：

表4 燃機(jī)1.0工況動(dòng)力渦輪性能評(píng)估結(jié)果Table 4 Performance results of power turbine in test

(1)動(dòng)力渦輪氣動(dòng)效率達(dá)到并超過(guò)了0.920的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，一維、準(zhǔn)三維和全三維設(shè)計(jì)精度均較高。

(2)動(dòng)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(shè)計(jì)；動(dòng)力渦輪排氣段總壓恢復(fù)系數(shù)達(dá)0.954，超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

(3)高速動(dòng)力渦輪具有良好的非設(shè)計(jì)工況性能。

參考文獻(xiàn)：

[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(shù)計(jì)算[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，23(7)：1198—1204

[4]李劍白.渦輪葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)軟件BladeDesign[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)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(jí)流場(chǎng)分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2005，18(3)：19—22.

[7]曾 軍，王 彬.某雙級(jí)高壓渦輪全三維計(jì)算[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2012，27(11)：2553—2561.

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