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工業燃氣輪機軸流壓氣機設計研究進展
发稿时间:2019-10-18         作者:文/孙琦 余荣国          来源:先進燃氣輪機實驗室     【字号:

  軸流式壓氣機因總壓比高、效率高及單位迎風面積大等優點被普遍應用于燃氣渦輪發動機上。尤其是在大功率燃氣輪機領域,軸流式壓氣機占據了統治地位,因爲大功率的燃氣輪機流量大,采用軸流式壓氣機更爲適合。隨著空氣動力學持續發展,單級壓比不斷增加,使得達到給定總壓比所需的級數越來越少。因此,同等性能的發動機的重量也就減小了,這一點對于飛機發動機尤其重要。但是,高的級壓比意味著高馬赫數和大氣流轉折角,這對于重量指標要求不苛刻的工業燃機來說不太合理,且工業燃機的預算成本比航空發動機更受限制。因此,工業燃機一般采用更保守的設計方案,級數會較多。 

  工程热物理研究所先進燃氣輪機實驗室的中小型燃机团队致力于中小型工业燃气轮机的研制,目前正以某型20MW地面燃氣輪機爲應用對象,爲滿足其總體性能的要求,采用自行研發的壓氣機設計體系開展了總壓比12的多級軸流式壓氣機的設計研究,並對其內部複雜流動機理進行分析。在壓氣機的設計過程中完全采用自行編制的計算機程序,以葉片的幾何角和厚度沿展向分布規律對葉片進行三維造型。在一維設計的基礎上,反複對壓氣機轉子和靜子葉片的進出口氣流角和葉片型面進行調整,直到滿足設計要求。 

  在壓氣機中,氣流總是處于逆壓力梯度狀態,壓比越高,壓氣機的設計就越困難。在轉子和靜子葉片通道內,氣流流動由一系列的擴散過程組成。雖然在轉子葉片通道內,氣流的絕對速度有所增加,但是氣體相對于轉子的流速卻減小了,在轉子通道內也爲擴散流動。因此,在壓氣機設計過程中,葉片通道截面的變化要適應氣流的擴散過程。每一級中氣流擴散程度有限,也就意味著壓氣機每一級的壓比有限。在匹配機組運行的性能的前提下,爲降低設計預算成本,該機組采用14級壓氣機。在軸流壓氣機中,失速現象普遍存在,且壓比越高失速就越明顯。對于葉型來說,當氣流的來流方向和葉片角度相差較大時,就會發生失速現象。爲了減少流動損失同時爲了避免失速現象的發生,在設計過程中要注意對壓氣機的葉片型面進行選擇,同時對葉片攻角要進行調整。另外,在壓氣機中壓力梯度與氣流的流動方向是相反的,不利于氣體的穩定流動,當流量與轉速偏離設計值時,就很容易發生逆流現象。因此,除設計點滿足要求外,也要考慮在非設計點時壓氣機的性能。爲保證該機組在非設計點運行時的性能,在壓氣機進口安裝進口導流葉片(IGV),且將壓氣機的前4級靜葉設置爲可調的形式,實現對進入壓氣機的氣流最大限度的引導作用。在機組運行過程中可調導葉隨著轉速的變化而調節相應角度,改變氣體進入其後動葉的氣流角,以改善非設計狀態的性能。 

  目前,該多級軸流壓氣機正在設計研制過程中,通過逐級的設計和調整,現已具備了前13級的初始葉型,通過性能計算,在設計點下已基本滿足燃氣輪機組對壓氣機的設計要求,且取得了較好的流場分布(如圖1和圖2所示),但仍需繼續完善整機的設計,並進行調整和優化,以提高壓氣機的總體性能。最終設計出的多級軸流壓氣機不僅要具備較高的性能,而且要滿足燃氣輪機共同工作線下的總體運行要求,尤其是國內還沒有10級以上的壓氣機設計經驗,這將是一件繁瑣而艱巨的任務。 

图1 压气机总压分布图 

图2 压气机其中两级速度矢量分布图

 
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