鞠文瑩， 殷林林， 李 鑫

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015)

渦輪作為燃氣輪機熱端部件，其可靠性和壽命一直是燃氣輪機研制關(guān)鍵問題。近年來，隨著燃氣輪機設(shè)計性能的持續(xù)提升，渦輪進口溫度不斷升高，但是輪盤材料的耐熱性遠低于葉片，而且沒有冷卻結(jié)構(gòu)和涂層等熱防護措施，高溫主流入侵盤腔會給其可靠性和壽命帶來嚴峻挑戰(zhàn)。二次空氣系統(tǒng)可以將壓氣機的冷卻氣流引入到渦輪部件進行冷卻保護，高效的輪緣封嚴可以使用較小流量的冷氣抑制高溫主流入侵盤腔，在減小輪盤熱負荷的同時可避免引起過大的性能損失。研究表明：減少50%的輪緣密封封嚴冷氣量，渦輪發(fā)動機整機效率將提升0.5%，但只要入侵燃氣濃度在盤腔內(nèi)有一定增加，就會使渦輪盤壽命降低50%[1]。因此，關(guān)于盤腔輪緣封嚴與燃氣入侵領(lǐng)域的持續(xù)研究對解決渦輪可靠性問題具有重要意義。

目前，關(guān)于輪緣封嚴和燃氣入侵的研究多針對轉(zhuǎn)子上游盤腔，且集中于單進、出口盤腔模型，而實際燃氣輪機中渦輪二次空氣系統(tǒng)由多個封嚴共同組成，各封嚴效率和泄漏量會相互影響，存在對轉(zhuǎn)子下游盤腔和多個進、出口邊界的盤腔流動研究不足的問題。本文以某燃氣輪機高壓渦輪及其轉(zhuǎn)子下游盤腔為研究對象，采用三維數(shù)值仿真方法，研究多邊界盤腔中燃氣入侵數(shù)值模擬邊界參數(shù)設(shè)置方法，并分析各工況下盤腔內(nèi)輪緣封嚴與主流交互作用和盤腔內(nèi)部流動特性，加強盤腔仿真研究在工程實際中的應(yīng)用價值。

1 研究模型與數(shù)值方法

1.1 研究模型

某燃氣輪機高、低壓渦輪間輪緣封嚴處出現(xiàn)故障，以某單級高壓渦輪及其轉(zhuǎn)子下游盤腔為研究對象，分析盤腔封嚴流動，模型具體結(jié)構(gòu)如圖1標(biāo)紅部分所示。盤腔除與主流存在氣流交互外，還包括1個進口邊界、2個出口邊界。封嚴氣通過下游靜子下腔室(編號①)通氣孔進入該盤腔(編號④)，對3處密封結(jié)構(gòu)形成封嚴效果：① 與主流交界處(編號⑤)采用雙重輪緣密封(簡稱封嚴A)；② 與下游轉(zhuǎn)子前盤腔(編號②)采用雙齒蜂窩密封(簡稱封嚴B)；③ 與下游轉(zhuǎn)子下方腔室(編號③)采用三齒蜂窩密封(簡稱封嚴C)。盤腔進口通氣孔(簡稱盤腔進口)采用等面積環(huán)縫結(jié)構(gòu)簡化。表1為高壓渦輪葉柵參數(shù)。盤腔幾何參數(shù)如表2所示。

圖1 物理模型示意圖

表1 高壓渦輪葉柵參數(shù)

表2 盤腔幾何參數(shù)

1.2 數(shù)值方法與網(wǎng)格

采用商用軟件對研究模型劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，渦輪出口增加延長段以保證計算準確性，盤腔簡化局部導(dǎo)角區(qū)域，忽略螺栓結(jié)構(gòu)。盤腔劃分在轉(zhuǎn)子域內(nèi)，與主流交界面處網(wǎng)格數(shù)目和節(jié)點分布相同，即網(wǎng)格周向、軸向節(jié)點完全匹配，以減小插值帶來的誤差。靠近壁面處進行加密處理，第一層網(wǎng)格高度為0.005 mm，動葉葉頂間隙為1%動葉葉高，單通道網(wǎng)格總節(jié)點數(shù)552萬，其中，靜子網(wǎng)格節(jié)點數(shù)40萬，轉(zhuǎn)子網(wǎng)格節(jié)點數(shù)91萬，盤腔網(wǎng)格節(jié)點數(shù)421。計算域網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格示意圖

數(shù)值模擬采用商用軟件求解三維定常雷諾平均N-S方程，由于盤腔在轉(zhuǎn)子下游，定常仿真交界面數(shù)據(jù)處理不影響轉(zhuǎn)子內(nèi)流場對盤腔作用的捕捉。湍流模型采用SST模型，第一層網(wǎng)格高度設(shè)置0.005 mm。對流項選用高階模式，湍流項選用一階模式，主流道和盤腔內(nèi)工質(zhì)均以變比熱模擬燃氣。壁面設(shè)置無滑移絕熱邊界，周向設(shè)置周期性邊界條件。動葉葉頂設(shè)置反向旋轉(zhuǎn)，以保持上端壁在絕對坐標(biāo)系保持靜止?fàn)顟B(tài)。盤腔壁面分為3個部分：壁面1由高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件形成，在轉(zhuǎn)子域內(nèi)相對靜止以保持其在絕對坐標(biāo)系下與高壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同；壁面2由低壓渦輪靜子部件形成，設(shè)置反向旋轉(zhuǎn)以保持其在絕對坐標(biāo)系下處于靜止?fàn)顟B(tài)；壁面3由低壓渦輪轉(zhuǎn)子部件形成，設(shè)置轉(zhuǎn)速以保持其在絕對坐標(biāo)系下與低壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同。數(shù)值模擬以速度和壓力、流量方程均方根(Root Mean Square,RMS)小于10-5或小于10-4并呈現(xiàn)周期性波動作為收斂判據(jù)。

1.3 邊界條件

主流進口邊界條件設(shè)置為總溫、總壓，并且軸向進氣，出口邊界條件設(shè)置靜壓。盤腔進口設(shè)置總溫邊界條件和總壓或流量邊界條件，出口邊界設(shè)置靜壓或流量參數(shù)控制，以對比分析邊界條件的影響，設(shè)計工況詳細邊界條件如表3所示。文中壓力、溫度、質(zhì)量流量數(shù)值均相對盤腔進口截面參數(shù)無量綱，即

(1)

(2)

(3)

式中:P、T、m分別為壓力、溫度和質(zhì)量流量；變量上方的“-”表示經(jīng)過無量綱化的參數(shù)；上角標(biāo)“*”表示滯止參數(shù)；下角標(biāo)“0”表示盤腔進口截面。

表3 仿真邊界條件

2 結(jié)果分析和討論

2.1 盤腔仿真邊界條件影響分析

燃氣輪機常規(guī)設(shè)計方法中二次空氣系統(tǒng)由于體系龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多采用一維網(wǎng)格計算求解出各腔室的壓力、流量等參數(shù)，然而一維計算得到的腔室壓力和流量參數(shù)關(guān)系通常與三維仿真結(jié)果存在偏差，在盤腔與主流的三維仿真分析中盤腔邊界條件的選取對封嚴效果的工程分析影響重大，對多邊界盤腔中各封嚴結(jié)構(gòu)的封嚴氣分配影響尤其顯著。

下面按照空氣系統(tǒng)一維計算參數(shù)，在盤腔進、出口分別設(shè)置以下邊界條件，對比盤腔邊界條件對仿真結(jié)果的影響。

① CASE1：盤腔進、出口邊界條件均設(shè)置總壓。

② CASE2：盤腔進、出口邊界條件均設(shè)置流量。

③ CASE3：盤腔進口邊界條件設(shè)置總壓，出口邊界條件設(shè)置流量。

經(jīng)數(shù)值模擬，CASE1收斂速度最快，RMS小于2E-5，CASE2收斂速度最慢，CASE2和CASE3數(shù)值模擬RMS均小于1E-5，CASE1、CASE2、CASE3流量方程守恒誤差分別為0.6%、0.3%、0.7%。

表4為3種盤腔邊界條件下的三維仿真結(jié)果。盤腔進、出口采用壓力邊界條件時(CASE1)，盤腔進口截面流量參數(shù)僅為設(shè)計值的0.663倍，表明盤腔進口通氣孔三維仿真流阻較一維計算偏大。封嚴A封嚴流量為-0.232，負值表示盤腔與主流交界面的凈流量為主流進入盤腔方向，而在CASE2和CASE3中該流量數(shù)值為正，表示盤腔與主流交界面的凈流量為封嚴冷氣進入主流道方向。CASE1主流入侵盤腔會增大渦輪盤熱負荷，對渦輪可靠性和壽命造成威脅，由此可見在工程應(yīng)用中選擇合適的封嚴效果評估方法的重要性。一維設(shè)計封嚴A、封嚴B、封嚴C封嚴氣流量分配比例為0.013∶0.760∶0.227，CASE1三維仿真結(jié)果封嚴流量分配比例為-0.367∶0.959∶0.412，可見與一維計算相比，三維仿真封嚴A流阻偏大，封嚴B、封嚴C流阻偏小。CASE2和CASE3進口采用流量邊界，盤腔進口無量綱壓力分別為1.110和1.112，高于一維設(shè)計參數(shù)。燃機中該封嚴冷氣引自壓氣機，對應(yīng)腔壓無量綱值為1.106，小于CASE2、CASE3盤腔進口壓力，不符合氣體會自動從高壓區(qū)流向低壓區(qū)的物理規(guī)律。

表4 3種盤腔邊界條件三維仿真結(jié)果

圖3為CASE1中盤腔與主流交界面處的總溫、徑向速度云圖，其中徑向速度為正表示氣流從盤腔流入主流道，負值表示從主流道流入盤腔?？梢娊唤缑鏌o量綱總溫在1.63～1.74范圍內(nèi)，明顯高于冷氣總溫。沿周向取3個截面顯示盤腔內(nèi)部速度矢量，如圖4所示，其中圖例表示氣體無量綱總溫，3個截面氣體溫度和速度分布接近，燃氣在靜盤側(cè)從主流道進入盤腔，一部分燃氣在動盤側(cè)流回主流道，另一部分經(jīng)過封嚴A進入盤腔深處，與上文通過交界面氣體流量為負值相對應(yīng)。主流深入盤腔內(nèi)部造成封嚴A兩齒中間區(qū)域低壓渦輪靜子部分壁面流體溫度較高，仿真現(xiàn)象與該燃氣輪機渦輪故障表現(xiàn)位置吻合，證明該方法的可靠性。

圖3 CASE1盤腔與主流交界面云圖

CASE2和CASE3算例中Plan2截面盤腔內(nèi)部速度矢量如圖5所示，此時盤腔流入主流的封嚴氣流量為正，但數(shù)值較小，輪緣封嚴回流渦仍以主流占據(jù)主導(dǎo)地位，封嚴冷氣僅能在封嚴A外側(cè)齒處阻止主流深入盤腔內(nèi)部，所以封嚴A低壓渦輪靜子部分壁面流體溫度較低，與該燃機渦輪故障表現(xiàn)不一致，進一步驗證采用CASE2、CASE3仿真結(jié)果不能準確表現(xiàn)實際流場。所以對于該燃機的仿真分析，盤腔采用壓力邊界條件計算更合理。

圖5 Plan2盤腔內(nèi)速度矢量(圖例表示溫度)

2.2 變壓比下的盤腔流動分析

表4中CASE1、CASE2、CASE3盤腔進口總壓不同，但盤腔與主流交界面處總壓基本一致，主流交界面處總壓主要由渦輪膨脹比決定，盤腔進口總壓變化導(dǎo)致盤腔進口與交界面的壓比變化，進而影響封嚴效果。改變盤腔進口總壓，保持封嚴B、封嚴C出口靜壓不變，分析盤腔流動特性和封嚴效果。

表5為變壓比下的盤腔仿真結(jié)果參數(shù)。隨著盤腔進口總壓增大，盤腔與主流交界面處總壓基本不變，但靜壓略有增大，CASE11比CASE4盤腔進口總壓增加了38%，但交界面靜壓僅增大0.5%，同時主流入侵盤腔的流量逐漸減少，輪緣封嚴冷氣量流量逐漸增加。封嚴B、封嚴C的封嚴流量逐漸增大，由于出口靜壓不變，流速增加，所以封嚴B、封嚴C的出口總壓略有增大。定義封嚴壓比為

(4)

式中：π為封嚴壓比。下角標(biāo)“0”表示盤腔進口截面，下角標(biāo)“1”表示封嚴氣出口截面，對于封嚴A為盤腔與主流交界面，對于封嚴B、封嚴C分別為出口截面。

表5 變壓比下的盤腔仿真結(jié)果參數(shù)

圖6為封嚴A、封嚴B、封嚴C壓比隨著盤腔進口總壓變化曲線。隨著盤腔進口總壓增大，封嚴A、封嚴B、封嚴C的壓比基本呈線性增大。

圖6 封嚴壓比隨盤腔進口總壓變化曲線

CASE4盤腔進口無量綱總壓為0.909，盤腔進口流量為0，此時封嚴A主流侵入盤腔內(nèi)部，無量綱流量為0.695，經(jīng)過封嚴B、封嚴C流出。隨著盤腔進口總壓增大，封嚴A壓比逐漸增大，主流侵入盤腔流量降低；同時封嚴B、封嚴C壓比增加，封嚴流量增加，所以盤腔進口流量增加，進入盤腔的封嚴氣和入侵的主流均經(jīng)封嚴B、封嚴C流出。CASE1和CASE7盤腔進口總壓高于主流交界面處總壓，但交界面凈流量仍為負值，即輪緣封嚴仍是主流入侵盤腔狀態(tài)，這是因為盤腔內(nèi)部壓力由盤腔進口總壓和封嚴A、封嚴B、封嚴C出口總壓綜合作用，此時封嚴B、封嚴C壓比泄漏流量高于盤腔進口流量。當(dāng)腔進口無量綱總壓為1.091時(CASE8)，進入主流的封嚴氣流量變成正值，封嚴冷氣開始表現(xiàn)出封嚴效果。繼續(xù)增大盤腔進口總壓，盤腔進口流量增大，經(jīng)過封嚴A進入主流的封嚴氣流量逐漸增大。

隨著盤腔進口總壓增大，封嚴A、封嚴B、封嚴C壓比增大，封嚴流量增加，但封嚴A、封嚴B、封嚴C封嚴流量變化梯度不同。圖7為封嚴流量隨封嚴壓比變化曲線。由圖7可知，封嚴A流量變化梯度最大，封嚴B次之，封嚴C變化梯度最小。當(dāng)封嚴A流量為負值，即主流入侵盤腔時，隨著壓比增大，封嚴A、封嚴B、封嚴C流量增加逐漸減緩；當(dāng)封嚴A流量達到正值，即封嚴冷氣進入主流道后，封嚴A流量隨壓比增大基本保持線性增加，封嚴B、封嚴C流量變化很小。

圖7 封嚴流量隨封嚴壓比變化曲線

CASE4、CASE5分別是盤腔進氣為0和最小進氣量下的燃氣入侵情況，CASE7、CASE8分別是主流入侵盤腔和封嚴氣進入主流的臨界情況，CASE11是最大封嚴氣流量進入主流道情況，以該5個典型情況分析盤腔流動特性。圖8為典型算例中盤腔與主流交界面徑向速度分布云圖。各算例中盤腔與主流交界面徑向速度分布方式不改變，流體方向在動盤側(cè)呈現(xiàn)周向交替分布，主流在壓力面?zhèn)攘魅氡P腔，盤腔內(nèi)流體由槽道中間流入主流。隨著盤腔進口封嚴氣流量增加，從盤腔流入主流道(徑向速度為正值)區(qū)域面積增加。CASE4靜盤側(cè)徑向速度均為負值，CASE11中從盤腔流入主流道的區(qū)域已經(jīng)擴展到靜盤側(cè)。交界面流體徑向流向由盤腔內(nèi)和主流壓差決定，主流壓力高于盤腔內(nèi)壓力時燃氣由主通道流入盤腔，主流壓力低于盤腔內(nèi)壓力時流體由盤腔內(nèi)流入主流。圖9為CASE4轉(zhuǎn)子域主流道內(nèi)不同葉高截面總壓云圖。黑線標(biāo)示盤腔交界面軸向位置，徑向靠近輪轂過程中，葉背側(cè)低壓區(qū)和尾跡低壓區(qū)逐漸擴大，葉盆側(cè)流體形成高壓區(qū)域并在靜盤側(cè)流入盤腔內(nèi)，盤腔內(nèi)回流通過通道中間低壓區(qū)在動盤側(cè)流回主流道。

圖8 盤腔與主流交界面徑向速度分布云圖

圖9 CASE4轉(zhuǎn)子域主流道不同葉高截面總壓云圖

圖10為盤腔內(nèi)Plan2截面靜壓云圖。受到主流交界面壓力分布周向不均勻影響，Plan1、Paln2、Plan3壓力數(shù)值略有差異，但分布方式一致。由于主流交界面壓力高于封嚴B、封嚴C出口壓力，盤腔內(nèi)靜壓徑向方向梯度明顯，整體上隨半徑減小壓力逐漸降低，經(jīng)過封嚴B、封嚴C后明顯降低，但盤腔內(nèi)軸向方向壓力分布均勻，隨著盤腔進口壓力增大，盤腔內(nèi)部壓力逐漸升高。輪緣封嚴附近壓力場分布更復(fù)雜，主流回流渦核心壓力較低而輪緣封嚴附近壓力較高，CASE5輪緣封嚴徑向外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)，主流入侵盤腔內(nèi)部，CASE11輪緣封嚴徑向外側(cè)壓力低于內(nèi)側(cè)，封嚴氣進入主流，CASE7、CASE8是主流入侵盤腔和封嚴氣進入主流的臨界情況，但兩算例中輪緣封嚴壓力場分布十分接近，且輪緣封嚴徑向外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)，說明在封嚴效果臨界狀態(tài)附近，輪緣封嚴壓力分布難以用于判斷主流是否入侵盤腔內(nèi)部。盡管二者壓力分布接近，但內(nèi)部流場和溫度場差異巨大。

圖10 盤腔內(nèi)Plan2截面靜壓云圖

圖11為盤腔內(nèi)Plan2截面流線示意圖，圖例表示流體溫度。CASE5主流經(jīng)過輪緣封嚴入侵盤腔內(nèi)部，形成一個大尺寸渦結(jié)構(gòu)，幾乎占據(jù)整個盤腔內(nèi)部，動盤側(cè)流體受離心力作用徑向向上流動，靜盤側(cè)流體則向下流動并持續(xù)補充到動盤側(cè)，渦流外層流速較大而核心流體速度極小。進口封嚴氣對該大尺寸渦結(jié)構(gòu)流動造成阻礙，在進口附近形成一個小尺寸反向渦，隨著封嚴氣流量增加，進口附近小尺寸渦加強進一步阻塞大渦流動，CASE7、CASE8中大尺寸渦結(jié)構(gòu)在進口上下分裂成兩個方向相同的渦流，進口封嚴氣隨渦流沿靜盤側(cè)向下流動。封嚴氣流量繼續(xù)增加，進入盤腔的封嚴氣馬赫數(shù)增大，進口附近的小尺寸反向渦尺寸增大到動盤側(cè)，使動盤側(cè)局部流體徑向向下流動，如圖12所示。

圖11 盤腔內(nèi)Plan2截面流線示意圖

CASE5主流入侵盤腔內(nèi)部，主流回流渦動盤側(cè)流體和輪緣封嚴齒間流體受到動盤旋轉(zhuǎn)做功，溫度較主流進一步升高，經(jīng)過輪緣封嚴進入盤腔內(nèi)部后流體溫度降低，如圖11(a)所示。增大盤腔進口總壓，封嚴氣流量增加，CASE7進入盤腔的封嚴冷氣與入侵盤腔內(nèi)部的主流摻混，盤腔內(nèi)流體溫度明顯低于CASE5，但主流回流渦和輪緣封嚴齒間仍被主流占據(jù)且保持較高溫度。CASE8輪緣封嚴流量為正值，即封嚴氣可以流入主流道，如圖11(c)所示。此時封嚴氣占據(jù)盤腔內(nèi)部和輪緣封嚴齒間區(qū)域，將入侵的主流阻塞在輪緣封嚴外齒徑向以上，輪緣封嚴開始起到溫度保護效果，盤腔內(nèi)部和輪緣封嚴齒間區(qū)域較CASE7明顯降低，所以輪緣封嚴齒間流體溫度是判斷主流燃氣是否入侵盤腔內(nèi)部的重要參數(shù)，在燃氣輪機試驗中，在該區(qū)域布置溫度測點有利于準確判斷燃氣入侵情況。繼續(xù)增大封嚴流量，封嚴氣經(jīng)過輪緣封嚴外齒沿動盤側(cè)流動，可以對輪緣封嚴外齒形成溫度保護，并與主流回流渦摻混降低該區(qū)域溫度。

圖12 Plan2截面盤腔進口附近馬赫數(shù)分布和速度矢量

3 結(jié)論

以某單級高壓渦輪及其轉(zhuǎn)子下游多邊界盤腔為研究對象，采用三維數(shù)值仿真方法，研究多邊界盤腔中燃氣入侵數(shù)值模擬邊界參數(shù)設(shè)置方法，并分析各工況下盤腔內(nèi)輪緣封嚴與主流交互作用以及盤腔內(nèi)部流動特性，得出以下結(jié)論：

① 多邊界盤腔的仿真邊界條件需要使用一維網(wǎng)格計算求解出的二次空氣系統(tǒng)各腔室壓力、流量等參數(shù)時，邊界條件選擇會影響燃氣入侵仿真結(jié)果，盤腔邊界采用壓力邊界條件的仿真結(jié)果更符合流動情況。

② 對于轉(zhuǎn)子下游盤腔，葉盆側(cè)流體形成高壓區(qū)域并在靜盤側(cè)流入盤腔內(nèi)，盤腔內(nèi)回流通過槽道中間低壓區(qū)在動盤側(cè)流回主流道。盤腔進口壓力變化會改變盤腔進口附近的渦系結(jié)構(gòu)，進而影響封嚴效果。

③ 多邊界盤腔仿真中，輪緣封嚴流量受盤腔進口壓力變化影響顯著而盤腔內(nèi)部封嚴結(jié)構(gòu)的封嚴流量隨盤腔進口壓力變化較小。主流燃氣入侵盤腔時，各封嚴流量隨盤腔進口壓力增加而增大，但梯度逐漸減小。當(dāng)封嚴氣進入主流后，輪緣封嚴流量隨盤腔進口壓力增大基本呈線性增加，而盤腔內(nèi)部封嚴流量趨于穩(wěn)定。

④ 在封嚴效果處于臨界狀態(tài)(最小封嚴流量)附近時，盤腔內(nèi)壓力分布相近但流場和溫度場差異巨大，此時輪緣封嚴壓力分布難以用于判斷主流是否入侵盤腔內(nèi)部，輪緣封嚴齒間流體溫度是判斷主流燃氣是否入侵盤腔內(nèi)部的重要參數(shù)。