幾十年來，提高燃氣輪機循環效率的一個有效方法就是提高燃氣渦輪前燃氣進口溫度。目前，渦輪進口溫度平均每年提高20~30℃的速度增加，地面發電用燃氣輪機的渦輪前燃氣進口溫度可達到1400~1600℃，而航空發動機渦輪前燃氣溫度已高達2000℃，已經遠遠超過了燃氣輪機金屬材料所能承受的溫度范圍。研究者主要從兩個方面克服由此帶來的困難，一方面是不斷創造耐溫更高的材料，另一方面則采取有效熱防護措施來保證這些部件可靠工作。事實上，渦輪前溫度增加速度遠遠超過耐熱金屬材料的發展速度。據統計，渦輪前溫度每年平均提高22K，材料耐溫每年平均僅能提高8K，剩下的14K都要由熱端防護措施來解決。

用于渦輪部件冷卻和保護、密封以及腔室增壓的燃氣輪機內部二次空氣系統的合理設計對燃氣輪機的熱效率和運行安全性具有重要影響。二次空氣系統的設計包括冷卻空氣流體動力特性的準確計算、冷卻空氣流路的合理布置、葉片冷卻結構的設計等一系列內容。而二次空氣系統的冷卻空氣流量分配和壓力分布的準確性直接影響到燃氣輪機高溫部件的冷卻空氣消耗量和冷卻效果、以及密封與腔室增壓效果，進而影響到燃氣輪機的效率和運行安全性。

Flownex能夠快速搭建二次空氣系統，包括漩渦、封嚴篦齒、環形間隙、旋轉通道、轉子-轉子盤腔、轉子-靜子盤腔等，計算得到冷卻空氣流量的分配和壓力分布、盤腔的溫度分布等，進而對燃機二次空氣系統流路的布置進行優化。

專業元件庫

Flownex提供的二次空氣系統專業元件庫包括強制漩渦、自由漩渦、封嚴篦齒、旋轉環形間隙、旋轉通道、旋轉孔口、轉子-轉子盤腔、轉子-靜子盤腔等；換熱元件包括導熱(徑向和軸向)、對流、氣膜冷卻、流體輻射換熱、沖擊對流換熱以及表面輻射換熱等。利用這些元件可以快速搭建從壓氣機引氣到冷卻渦輪的二次空氣系統，并對系統進行優化設計。

換熱元件庫               

                  

旋轉元件庫

• 漩渦：強制漩渦用于模擬像剛體一樣旋轉的流體域，流體具有相同的角速度ωFlownex能夠計算能量的傳遞過程以及與外界能量的交換。自由漩渦用于模擬氣流進入一個漩渦的流動，流體過程中不同半徑位置上環量守恒。計算時需要給定上下游的旋轉半徑和速度，上下游氣流的數量沒有任何限制。
  

• 封嚴篦齒：用于模擬各類封嚴篦齒，可以是液壓的或者可壓縮氣體。Flownex可以模擬軸向布置或者徑向布置的封嚴篦齒；可以模擬直通型篦齒以及交錯型篦齒；流動可以是雙向的，同時可以模擬阻塞問題。
  

• 旋轉環形間隙：該元件用于模擬流體通過環形通道的流動，環形通道的內側或者外側是旋轉的，其中計算模型應滿足通道縫隙/平均半徑<0.1，該模型的典型應用為軸承中的間隙流動過程。

• 旋轉通道：該元件可用于模擬氣流通過一個旋轉的管件的流動過程該元件。主要可以應用在旋轉盤或者渦輪葉片中冷卻通道內的流動，其中管路可以為任意的截面形狀管路，也可以放置在三維空間中，計算過程中考慮了體積力，摩擦力以及換熱過程。
  

• 旋轉孔口：該元件用于模擬連接盤腔的孔口或者噴嘴，可以設置進口和出口的角度、進口和出口的半徑以及渦流比等參數；可以考慮三種不同的進口：矩形進口、圓形進口或者倒角進口；能夠考慮進口半徑、倒角、長度、可壓縮性以及進口角度等。
  

• 盤腔：轉子-轉子盤腔元件可用于模擬兩個旋轉的盤或者葉片之間形成的盤腔的氣流流動；轉子-靜子盤腔用于模擬一個旋轉的盤或者葉片與一個靜止的盤或葉片之間形成的盤腔的氣流流動，例如渦輪的冷卻氣流。元件計算得到盤腔間氣流的壓力分布；核心區的渦流比通過進出口氣流動量平衡方程計算得到；可以計算壓力和溫度的變化；并且允許連接任意數量的氣流。

同時，Flownex提供的所有換熱元件，包括導熱、對流、輻射以及氣膜冷卻等均可以和任意的旋轉元件相連接，計算其換熱過程。

• 導熱：包含徑向導熱和軸向導熱元件。需要給定幾何參數及材料特性，其中徑向導熱元件通常和對流換熱或者輻射換熱元件相連接。

• 對流換熱：可用于計算火焰筒外壁面與冷氣流的對流換熱過程，可以指定對流換熱系數，也可以根據流場中的Re和Pr數計算得到換熱系數。

• 輻射換熱：包括體輻射與面輻射，可以用于計算燃燒高溫流體與火焰筒之間、壁面與壁面之間的輻射換熱過程。

• 氣膜冷卻：該元件通常為發動機燃燒室或者渦輪葉片冷卻計算時經常采用的元件。可以用于計算火焰筒內壁面的氣膜冷卻換熱過程。

應用案例

二次空氣系統氣流示意圖

采用Flownex快速建立二次空氣系統流動計算圖，各元件的參數如下：

1) 壓氣機流動邊界條件：總壓200PSI，總溫260℃，旋流系數0.5965；

2) 壓氣機流動邊界條件：總壓210PSI，總溫263℃，旋流系數0.5965；

3) 徑向封嚴篦齒：直徑29.8″，齒數2，齒寬0.5mm，節距1.6mm，齒頂間隙0.055mm；

4) 軸向封嚴篦齒：直徑29.7″，齒數2，齒寬1.5mm，節距2mm，齒頂間隙0.05mm；

5) 轉子—轉子盤腔：內徑12″，外徑14″；

6) 轉子—靜子子盤腔：內徑2″，外徑14.85″，轉子上半徑為9″位置處有11個頭部直徑為1″的六角螺栓，靜子上半徑為8″位置處有9個頭部直徑為1″的六角螺栓；

7) 轉子—轉子盤腔：內徑5.5″，外徑12″，兩個轉子上半徑為9″位置處各有11個頭部直徑為1″的六角螺栓；

8) 軸向小孔：數量23，孔直徑0.3″，長度3.5″，壁面粗糙度5μm；

9) 軸向封嚴篦齒：直徑4″，齒數3，齒寬1.5mm，節距3mm，齒頂間隙0.1mm；

10) 轉子—靜子子盤腔：內徑2″，外徑14.5″，轉子上半徑為8″位置處有7個頭部直徑為1″的六角螺栓，靜子上半徑為8″位置處有9個頭部直徑為1″的六角螺栓；

11) 環形間隙：內徑13.5″，外徑14.5″，長度13.9″；

12) 轉子—靜子子盤腔：內徑13.5″，外徑15.5″，盤腔的型面根據示意圖中給定，靜子上半徑為14.1″位置處有9個頭部直徑為1″的六角螺栓；

13) 旋轉孔口：數量60，小孔直徑0.25″，孔口長度0.25″，進出口半徑17″，與軸向平行，小孔沒有倒角；

14) 徑向封嚴篦齒：直徑36.6″，齒數1，齒寬2mm，節距4mm，齒頂間隙0.04mm；

15) 強制旋渦：內徑17″，外徑20″，在半徑為19.49″和20″位置分別有氣流出口；

16) 轉子—靜子子盤腔：內徑18.3″，外徑19.3″；

17) 小孔出流：半徑19.49″，小孔面積0.32inch2；

18) 徑向封嚴篦齒：直徑38.6″，齒數1，齒寬2mm，節距4mm，齒頂間隙0.04mm；

19) 轉子—轉子盤腔：內徑19.3″，外徑20″；

20) 小孔出流：半徑20″，小孔面積1.62inch2；

21) 流動邊界條件：壓力100PSI。

 

當轉速為5000rpm時，計算得到兩級壓氣機引氣量分別為0.335kg/s和0.104kg/s，經過盤腔5徑向內流的氣流溫升為7.7℃，經過盤腔6的氣流溫升為29.7℃，經過盤腔7的氣流溫升為9.1℃，經過封嚴篦齒和盤腔后，篦齒9進口位置兩股引氣氣流混合后的壓力為154PSI，溫度上升為286.5℃。轉靜盤腔11后，環形間隙12進口處壓力為92.6PSI，溫度為293.2℃，經過盤腔徑向外流后氣流的溫升約為6.7℃，環形間隙軸向流動雷諾數為22000。經過轉靜盤腔12后，通過旋轉孔口13進入葉片冷卻通道的冷卻氣流流量為0.352kg/s，通過間隙14的流量為0.086kg/s，經過盤腔12的溫升約為18.5℃。氣流經過葉片內部空腔后分成兩股氣流流出，流量分別為0.043 kg/s和0.309 kg/s。經過盤腔16和盤腔19 的溫升分別為26.2℃和10.8℃。通過計算可以得到各位置氣流的密度、粘性、以及焓值等參數，同時還可以得到每個位置的絕對總壓和總溫以及相對總壓和總溫；可以得到氣流在每個元件內的角動量和能量的傳遞，氣流的旋流系數等。

價值

通常情況下，冷卻氣流量需要根據計算或者試驗確定，現代中小型發動機帶冷卻葉片的雙級渦輪及帶后軸承的單級渦輪，冷卻氣流量約占發動機總空氣流量的2%~4%。隨著渦輪前溫度的增加，冷卻氣流量也在不斷增加，例如CF6高涵道比發動機，渦輪冷卻空氣總量占內涵空氣流量的14.49%，顯然，這樣的冷卻空氣消耗量會影響發動機的整體性能。因此，快速準確計算冷卻空氣流體動力特性、合理布置冷卻空氣流路以及葉片冷卻結構顯得越來越重要，設計優化渦輪冷卻葉片內部通道以及渦輪 盤腔結構是十分必要的。Flownex的價值體現在能夠使設計者快速建立二次空氣系統仿真模型，準確計算冷卻空氣流體動力特性和溫度特性，并進行優化設計，使設計者節省大量的時間，將主要精力集中在研究合理布置冷卻空氣流路以及葉片冷卻結構等核心問題中。

來源：安世亞太