工业燃机轴流压气机级间非均匀引气的数值仿真.pdf

Chinese Journal of TurbomachineryNumerical Simulation of Inter-stage Non-uniform Bleed inAxial Compressors of Industrial Gas Turbine*Jian-sheng Zheng1Jun Ding1,2Yong-feng Sui1,2,3,*Ji-bing Lan1Han-pan Dan1（1.Hangzhou Turbine Power Group Co.,Ltd.；2.Hangzhou Steam Turbine Holding Co.,Ltd.；3.Zhejiang Rancon Turbine Machinery Co.,Ltd.）Abstract：In order to study the influence of the inter-stage non-uniform bleed on the main flow of the compressor and thesecondary flow in the bleed chamber,a parametric numerical simulation of the inter-stage non-uniform bleed layout commonlyused in industrial gas turbines was carried out.The results show that,even if the circumferential annular chamber has a certainstabilizing influence on the bleeding air,the non-uniform bleed will still affect the main flow under large amount of bleeding flow,and bring out the circumferential distortion of the inter-stage flow field;moreover,the nonuniform bleed will cause the flowdirection in the bleeding chamber to be disordered,and it is difficult to measure the aerodynamic parameters during the test to feedback the numerical simulation.It is recommended to arrange the testing point in the off-take duct,and establish a numericalzooming model of inter-stage non-uniform bleed to accurately predict the effect of inter-stage bleed.Keywords：Industrial Gas Turbine；Axial Compressor；Bleeding；Numerical Simulation；Testing Method；Numerical Zooming摘要：为了研究非均匀级间引气对压气机主流流动和引气腔室内二次流动的影响，本文对工业燃机常用的级间引气布局进行了参数化的数值模拟仿真。结果显示，即便全周的环形引气腔室对引气有一定的稳压作用，在大引气量下，非均匀的引气方式依然会对主流流动造成影响，引发级间流场的周向畸变；而且，非均匀的引气方式还会导致引气腔室内的流动方向紊乱，在试验过程中难以测取精确的气动参数来反馈数值仿真；建议将试验测点布置于引气管路内，并建立级间非均匀引气的降维仿真模型来准确预测级间引气的效果。关键词：工业燃机；轴流压气机；引气；数值仿真；测试方法；缩放仿真中图分类号：TH453；TK474.8+1文章编号：1006-8155-（2023）03-0014-06文献标志码：ADOI：10.16492/j.fjjs.2023.03.0003郑健生1丁骏1,2隋永枫1,2,3,*蓝吉兵1但汉攀1（1.杭州汽轮动力集团股份有限公司；2.杭州汽轮控股有限公司；3.浙江燃创透平机械有限公司）工业燃机轴流压气机级间非均匀引气的数值仿真*基金项目：中国博士后科学基金（2020M671672）；浙江省“领雁”研发攻关计划项目（2022C01118）*通讯作者：隋永枫，0引言级间引气是一种较为常用的压气机防喘手段，被广泛应用于航空、船舶、工业等燃气轮机中1-4。在工业燃气轮机中，常见的级间引气方式是在气缸外布置一个全周的引气腔室，通过全周或周期性分布的引气槽或引气孔与主流相连，将主流的高压流体导入引气腔室内，再通过一根或数根引气管路将所引出的高压流体导向燃机的其他部件。对于级间引气这一技术的应用，研究的热点主要集中在如何以较小的引气压比来引出一定的高压流体，同时还能降低引气对主流的影响5-8，甚至利用引气改善主流流动，起到提高压气机效率和扩稳的作用9。若可以降低引工业燃机轴流压气机级间非均匀引气的数值仿真 14Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.3气的压力损失，引气口便可以设置在压气机更偏向于上游的位置，减少压气机的效率损耗，并提高涡轮的冷却效率。此外，也有学者着眼于级间引气的稳压腔室和管路，研究引气系统各部分的损失占比10、引气对主流端区流动11-12和流场畸变13-15的影响。但是，基于目前的研究发现，引气口、引气腔室内复杂的涡系结构对试验的测试造成了很大的困扰。作为压气机主流的一个重要的边界条件，如何准确获取引气口的压力和温度参数来与管路设计形成数据传递，并且为数值仿真提供可靠的边界条件是本文所研究的重点。1数值方法研究对象采用周向引气槽+引气腔室+引气管的布置方式，引气管路采用周向四路均匀布置的方式，各引气支管之间的周向夹角为90。本文所述的非均匀引气即由周向局部布置的引气管路引起的主流流场非均匀性分布。为了对非均匀的级间引气进行仿真，同时权衡计算资源，计算域的选择包含：引气口上游的静叶主流流道、引气槽、引气腔室和引气管路，共三个部分，如图1所示，引气管路的平直段长度为管径的十倍。为了模拟非均匀引气对主流流动的作用效果，静叶主流流道和“引气槽+引气腔室”的计算域划分了四分之一周的流域，对应一个引气支管，引气支管的周向位置位于计算域的中部，见图1。图2给出了仿真所采用的计算网格。主流道的网格划分采用NUMECA的AG5，并采用FINE对三套主流道的计算网格（700万，2700万和9000万）进行了无关性验证，证实了本文所采用的网格划分方法对结果无影响。引气槽和引气腔室采用AG5的ZR_EFFECT进行自动分块和网格划分，引气口与叶栅主流道的网格节点一一对应。引气管道采用ANSYS的ICEM进行网格划分。并在CFX的前处理Pre中对多块计算域通过Interface进行连接，引气管路与引气腔室之间的网格完全非匹配。引气管网格数为52万，总的网格数超过2700万。求解器选用 CFX 的 Solver16，湍流模型选用 SST 模型17-18，并辅以-Re转捩模型，差分格式选用 HighResolution。计算域共设置一个进口边界和两个出口边界。静叶栅的进口给定总温、总压和气流角方向作为边界条件，静叶栅的出口给定背压，并通过调节该背压来保持静叶进口的马赫数不变。引气管的出口给定静压作为边界条件，并通过调节静压来获取一定的引气流量。圆周方向给定周期性交接面，壁面绝热无滑移。计算过程中，当残差曲线和流场内的特征气动参数呈现周期性的稳定波动后，判定为计算收敛，并通过CFX的Post对计算结果进行后处理。2结果分析2.1非均匀引气对主流流场的影响压气机的级间引气可改变引气口上游的静压、引气口下游的流量系数15，19-20及气流角21沿径向的分布，影响级间匹配22-23。本文的研究人员通过仿真得出了相同的结果，但这不是本文研究的重点，故不展示具体的计算结果。为了分析非均匀引气对主流流场的影响，此处取流场中的特征截面做气动参数对比，如图3所示，分别为引气口上游（截面1）、下游（截面2）和引气口喉部位置。图4为引气口喉部（图4a）、引气口上游（图4b）和下游（图4c）的相对静压沿周向的分布。静压取该截面的质量平均值作无量纲处理。引气口喉部截面与压气机的轴向平行，因此将气动参数在轴向作质量平均；引气口上游和下游的截面与压气机的轴向垂直，因此取径向的质量平均进行展示。引气支管的圆心在图中的周向 0位置，覆盖-6.1+6.1的范围。图4为三个不同引气量下的静压分布，分别为BP0.02、BP0.09和BP0.15，对应的引气流量约为上游静叶进口流量的2%、9%和15%。2%的引气量为工业燃机在设计工况下的常用冷气量比例，15%的引气量为工业燃机在启动过程图1计算域示例Fig.1Example of numerical domain图2数值模拟的网格划分Fig.2Meshing of numerical simulation图3特征截面示意图Fig.3Diagram of typical section 15Chinese Journal of Turbomachinery（a）引气口上游（b）引气口下游图5周向气流角的周向分布（径向质量平均）Fig.5Circumferential distribution of circumferential airflowangle(Radial mass average)（a）引气口上游（b）引气口下游图6径向气流角的周向分布（径向质量平均）Fig.6Circumferential distribution of radial airflow angle(Radial mass average)中常用的防喘放气量比例。如图4所示，在较小的引气量下（BP0.02），无论是主流流场还是引气槽进口，压力场沿周向都均匀分布，引气腔室起到了一定的稳压作用。但随着引气量的增大，引气腔室的稳压作用减弱，引气槽的进口压力呈现非均匀的分布形态。而且，这一非均匀的引气效果，对上游的压力场影响明显大于下游，如图4所示，在BP0.15的引气量下，引气口上游的周向峰值压力与均值的偏差约为2%，而在引气口下游这一偏差仅为0.4%。取相同截面的总压周向分布，并未呈现出明显的周向不均匀性。由于上游静叶的尾迹，总压在周向呈现出较为稳定的周期性波动。因此，对该结果不作过多展示。图5和图6所示为周向和径向气流角沿周向的分布，分别展示了引气口的上游截面和下游截面，同样是径向质量平均的结果。由图中不难发现，引气对引气口上游的周向气流角影响不明显，对引气口下游的周向气流角有一定影响。随着引气量增大到BP0.15，引气口下游的周向气流角在周向的最大值和最小值之差约增大到2。引气对引气口上游和下游的径向气流角均有一定的作用。如图6所示，当引气量较小时（BP0.02），引气口的上下游流场均未呈现出周向的不均匀性，体现了引气腔的稳压作用。当引气量增大到BP0.15，引气口上下游的径向气流角沿周向均呈现出一定的不均匀分布趋势，最大值和最小值之差约为23。综上所述，非均匀的级间引气可能导致引气口上游压气机区段的出口静压畸变，以及引气口下游压气机区段的进口气流角畸变。且两种畸变均为叶尖的周向畸变，与压气机进口的畸变一样，会对压气机性能产生负面影响15。2.2非均匀引气对腔内流动的影响为了便于分析引气腔室内的流动，首先对腔室内的气流角和周向截面进行定义，如图7所示。因为腔室内的主要流动方向为圆周方向，所以定义了轴向速度和径向速度与周向速度的夹角为轴向气流角和径向气流角。图4相对静压的周向分布Fig.4Circumferential distribution of normalized pressure（a）轴向质量平均，引气口喉部（b）径向质量平均，引气口上游（c）径向质量平均，引气口下游工业燃机轴流压气机级间非均匀引气的数值仿真 16Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.3沿周向不同位置截取了若干截面进行对比分析，如图 8 所示，引气支管的圆心在图中的周向=0位置，覆盖-6.1+6.1的范围。引气腔室内的旋涡结构复杂。如图9所示，为=0周向截面（即通过引气支管圆心的截面）的马赫数云图和流线。被引出的高压流体紧贴着引气槽的下游壁面进入引气腔室，在引气槽内实现流动方向由轴向向径向的折转，与引气槽的上游壁面形成一个驻涡。在引气腔室内，由于引气流体的径向流动，腔室内形成了旋向相反的一对周向涡。在正对引气管的周向位置，被引出流体直接进入引气支管，如图9所示；在其余周向位置，被引出的流体在引气槽对面的壁面滞止后周向折转进入引气支管（此处并未展示）。当引气量较小时（BP0.02），仅叶顶附面层内的流体被吸入引气系统，引气几乎不会改变主流流动。当引气量上升到BP0.15时，叶顶约20%叶高范围内的流体被引入引气系统，对主流流动的影响明显。同时，当引气量增大时，引气系统内的主要旋涡结构形态并未发生变化。如对引气系统进行试验测量，测点位置选取至关重要。若采用插入式探针测量腔室内的腔压，需要确定两点：首先，测点位置的气流角方向相对确定，以满足插入式探针的不敏感角要求；其次，测点位置能够代表腔压。随着引气量的变化，引气腔室内的主要旋涡结构形态不会发生大的改变。图10和图11给出了引气腔室内的轴向气流角和径向气流角的云图作为代表，仅展示=-20周向截面。随着引气量的变化，前后腔室中央的气流角方向相对稳定，且几乎平行于圆周方向。靠近上下壁面处的轴向气流角方向相对受引气量变化的影响明显。同时，只要避开被引入腔室内的高压流体和腔室的轴向两端壁面，前后腔室内的径向气流角都非常小。取BP0.02工况和BP0.15工况的引气腔室内流场气流角进行对比，如图12所示，分别为不同周向截面处两个工况的气流角差值。可见，在前后腔室中央的区域（图12中红点位置），轴向和径向的气流角方向相对稳定，且几乎平均于圆周方向。从气流方向相对确定的角度出发，该区域为推荐的腔压测量位置。受引气支管的结构和气流径向折转的影响，测点位置在圆周方向上应与支管保持20以上的偏差。图7腔室内轴向和径向气流角的定义Fig.7Definition of axial and radial airflow angle in cavity图8腔室内周向截面的定义Fig.8Definition of circumferential section in cavity（a）BP0.02（b）BP0.15图9引气腔内的典型流动Fig.9Typical flow in bleeding cavity（a）BP0.02（b）BP0.15（a）BP0.02（b）BP0.15图10轴向气流角云图（=-20）Fig.10Contour of axial airflow angle(=-20)图11径向气流角云图（=-20）Fig.11Contour of radial airflow angle(=-20)17Chinese Journal of Turbomachinery（a）=-20，轴向气流角的偏差（c）=0，轴向气流角的偏差（b）=-20，径向气流角的偏差（d）=0，径向气流角的偏差图12气流角变化云图Fig.12Contour of the change of flow angles基于以上的流场描述，取若干截面分析腔室内的压力场分布。如图13所示为周向0和-20截面的相对静压云图，以引气腔室内的体平均静压作无量纲处理。可见，在引气槽道和前后腔室中央的静压低于引气腔室的平均值，且随着引气量的增大，前后腔室中央的静压与平均值的偏差增大。被引入腔室内的高压流体确实在引气槽对面的壁面上发生了滞止，形成了局部高压区，如图13所示。（b）=-20，BP0.15（d）=0，BP0.15图13相对静压云图Fig.13Contour of relative static pressure同时，随着引气量的增大，前后腔室中央的总压与平均值的偏差也在增大。如图14所示，被引出的高压流体并没有发生明显的扩散，前后腔室中央的低总压区域几乎与前文所述的一对旋向相反的周向涡重合。可见，前后腔室中央的区域虽然气流方向相对确定，但是所测值与总压和静压的偏差均非常明显，尤其是在大引气量的工况（BP0.15）下，所测值偏小5%10%。因此，为了相对准确地测取主流道引气口的边界参数，不宜在引气腔室内布置测点。而且，在多级轴流压气机试验或者燃机整机试验的压气机区段中，引气腔室内往往会布置其他测点的引线管，对局部流场造成扰动，不利于压力的测量。（b）=-20，BP0.15（d）=0，BP0.15图14相对总压云图Fig.14Contour of relative total pressure（a）=20，BP0.02（c）=0，BP0.02（a）=-20，BP0.02（c）=-0，BP0.02工业燃机轴流压气机级间非均匀引气的数值仿真 18Chinese Journal of Turbomachinery第65卷，2023年第3期Http:/turbo- Vol.65，2023,No.32.3引气参数的测量及试验数据的处理建议1）由于非均匀引气形式导致的腔室内流动方向紊乱，压力场不均。建议在引气支管上布置引气参数测点，通过足够长度的平直段或整流器保证测点来流的均匀性。2）在引气口上下游的静叶上布置叶型受感部，在气缸内壁面布置静压测点，周向布置多组，来测取引气口上下游的压力情况。3）以上测点的试验结果为三维仿真提供准确的边界条件，通过局部流场的三维仿真将引气口到引气支管这一区段的流域，降维成零维的节流元件模型。4）将该模型嵌套入低维度的多级轴流压气机性能仿真软件，实现对级间引气作用效果的准确预测。5）模型中建议考虑级间引气对上游压气机区段出口所造成的静压畸变和对下游压气机区段进口所造成的气流角畸变。3结论本文采用数值模拟的方法，对工业燃机常用的非均匀引气方式进行了影响分析，得出结论如下：1）在小引气量下，引气腔室可以起到一定的稳压作用，但是在工业燃机启动过程的防喘放气阶段，较大的引气流量会导致多级轴流压气机的级间流场畸变。2）非均匀的级间引气可能导致引气口上游压气机区段的出口静压畸变，以及引气口下游压气机区段的进口气流角畸变。而且以上的两种畸变均为叶尖的周向畸变。3）非均匀的引气方式会导致引气腔室内的流动方向紊乱，在试验过程中难以测取明确的气动参数来反馈数值仿真。在引气腔室中，前后腔室中央的气流角方向相对稳定，且几乎平行于圆周方向，但是该区域的静压和总压较平均值偏低约5%10%。4）建议将试验测点布置于引气管路内，结合试验结果，通过局部流域的三维仿真将引气腔室的流阻特性降维成零维的节流元件模型。并结合级间引气对级间流场的畸变影响，将该模型嵌套入低维度的多级轴流压气机性能仿真软件来实现对级间引气作用效果的准确预测。参考文献1C.Young，G.D.Snowsill.CFD optimisation of cooling air offtakepassages within rotor cavities.Journal of 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