冷却封严系统设计

孙海龙/哈尔滨东安发动机（集团）有限公司民品发展部

冷却封严系统设计

孙海龙/哈尔滨东安发动机（集团）有限公司民品发展部

文章通过对燃气轮机冷却封严设计的研究，采用旋转修正方法，使封严设计更接近燃气轮机实际工作状态，为燃气轮机封严设计从理论到实际应用提供了解决思路，使理论研究更好的应用与工程实践。

冷却封严；封严设计；旋转修正

前言

燃气轮机冷却封严系统的设计是燃气轮机内部工作环境的设计，它的任务是保证燃气轮机内部合适的工作环境。冷却封严系统的合理设计和正常工作对燃气轮机主要零部件的工作寿命、可靠性以及燃气轮机的性能有着非常重要的影响，是燃气轮机设计研制的重要环节之一。

随着现代高性能燃气轮机的发展，流路结构设计较为复杂。采用流体动力计算模型准确分析计算燃气轮机冷却封严系统的工作情况尤为重要。其计算步骤是：给定系统流路结构尺寸、参数及其它有关气动原始参数,通过计算迭代，确定沿流程各节流单元的流量分配，计算出各腔室或部位的压力和温度。

一、冷却封严系统的功能与组成

1.燃气轮机冷却封严系统的功能。内流冷却封严系统在燃气轮机的工作中起着内部冷却、封严空气及调整转子轴向力等重要作用，是保证燃气轮机达到性能指标并为燃气轮机提供可靠工作环境的重要系统之一。

为保证燃气轮机安全有效工作，冷却封严系统具有以下几项重要功能：

a)对主通道封严，防止主通道热燃气进入盘腔内部；

b)冷却涡轮盘，保持适当低的涡轮盘温度；

c)冷却燃气轮机转子，保证转子合适的工作温度；

d)为空气轴承提供工作气膜；

e)调整燃气轮机转子轴向载荷，保证止推轴承有合适的轴向载荷。

2.燃气轮机冷却封严系统的组成。为实现上述功能,燃气轮机冷却封严系统包括两个组成部分：第一部分为涡轮盘的冷却与封严系统，这部分流路同时起到平衡转子轴向力的作用；第二部分为空气轴承工作引排气系统，这部分流路同时对燃气轮机转子进行冷却。

二、燃气轮机冷却封严系统设计考虑的几个因素

为实现燃气轮机冷却封严系统上述几项功能，在冷却封严系统设计时考虑了如下几个因素：

a)篦齿封严环的封严间隙、封严齿数设计：篦齿封严环的封严间隙直接影响压气机出口盘腔的引气量以及篦齿封严环前后腔的压力分布。引气量影响盘风阻产生的温增量，进而对涡轮盘的冷却产生影响。篦齿封严环前后腔的压力分布直接影响转子轴向力的大小。

b)篦齿封严环的封严半径设计：篦齿封严环封严半径影响篦齿封严环前、后腔压力所产生轴向力的面积。在其他条件不变的情况下，封严半径增大，则冷却封严系统产生向后的轴向力增大。

c)引气流量确定：在保证冷却封严系统正常工作的前提下，冷却封严系统设计应尽量减少引气量。减小引气量的措施包括增加节流装置、减小漏气间隙和减小封严间隙等。

d)压气机盘前排气流路设计：该处为转子件与静子件配合，完全没有间隙是不可能的，故会有一定量的间隙漏气，但应尽量减小转子件与静子件之间的间隙。

三、计算方法

燃气轮机冷却封严系统是由各种不同种类的节流单元串联和并联组成的复杂流动系统，根据一元等熵流，对每个节流单元建立动量方程、能量方程以及连续方程，形成整个流动系统的非线性方程组，采用离散延拓法求解非线性方程得到每个节流单元的流量,每个腔室的压力和温度。计算中适当考虑了气流旋转、粘性、风阻温增及气流掺混等因素的影响。

1.旋转修正。计算中遇到节流孔相对于进口气流是旋转的情况，如轮盘的通气孔、轴上的通气孔等，这样气流进入节流孔的方向与孔的中心线有一定的角度，使气流的流通面积减小、流量减少。在计算中，将这种旋转的影响归结为对流量系数μ的影响，也就是对摩阻系数K的影响。进行修正时，先求出静止孔的摩阻系数K，并根据摩阻系数 K 与流量系数?的关系

式：

求出静止孔的流量系数；再根据试验提供的转动孔的与静子孔的比值随Ro变化的关系曲线确定；最后求出。

其中

式中，ω为旋转角速度；r为旋转半径；P为压力；F为面积；R为气体常数；G为流量；T为温度。

2.风阻功率与温升。气流通过旋转的盘轴系的腔道，由于粘性的存在，形成的风阻阻力对转子产生阻力力矩。

假设转子旋转克服上述力矩所做的功W全部被气流吸收，则空气的温升可由下式求出

3.冷气混合温度。在冷却封严系统网络中，若干腔室由多支流路汇合而成，各支流路空气的温度在汇合前通常是不同的，其汇合后的温度按理想均匀混合计算，即：

四、设计

冷却封严系统设计与转子轴向力调节是一个相互迭代的过程。为进行转子轴向力调节，首先需进行冷却封严系统计算，再用冷却封严系统计算出的腔室压力计算轴向力。然后根据轴向力大小及方向修正冷却封严系统设计，并重新进行冷却封严系统和轴向力的计算。

燃气轮机冷却封严系统进行了多个设计方案的流体动力计算。包括篦齿间隙调整计算、篦齿齿数调整计算、篦齿封严半径调整计算及涡轮盘缘缺口设计计算。

其中篦齿间隙及篦齿齿数调整一方面可以调节篦齿盘前后腔的压力分布，进而调节轴向力，另一方面可以调节引气量。

篦齿封严半径影响篦齿封严环前后腔压力产生轴向力的面积，在其他条件不变的情况下，封严半径增大，则冷却封严系统产生向后的轴向力增大。涡轮盘缘缺口大小影响轴向力受力面积，缺口最低半径影响冷却封严系统感受的反压。计算引入缺口涡轮盘当量半径R的概念，即有缺口涡轮盘的轴向力受力面积相当于半径为R的圆盘面积。

五、结论

本文主要介绍了冷却封严系统设计的正题方案设计，计算中考虑了旋转修正和风阻温升，但没有考虑盘等固体件向气流的传热。在进行零组件温度计算时，会进行气流与零件之间的温度迭代计算。所选用的摩阻损失公式参考了国内、外的相关试验结果。可以认为计算结果基本反映了燃气轮机冷却封严系统的情况，可以作为进行热分析、强度分析及轴向力计算的原始数据。

需要说明的是，燃气轮机实际工作过程中转、静子引排气间隙与设计的间隙值可能会存在一定偏差，而且篦齿的实际工作间隙也很难保证与设计的封严间隙完全相同。这些因素会造成计算情况与燃气轮机实际工作情况存在一定差异，在燃气轮机试车过程中进行腔温腔压测量。而且，由于冷却封严系统计算采用的边界条件也很难保证完全与实际情况相符，计算与燃气轮机实际工作状况存在差异是不可避免的，计算结果必然会存在一定误差。