162018年4月燃气涡轮试验与研究
GasTurbineExperimentandResearchVol.31,No.2Apr.,2018严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严李剑白严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严张剑，曾军，严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严
(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都610500)严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严
严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严严
燃气轮机高速动力涡轮气动设计及试验摘要：基于30MW级燃气轮机增压机组动力涡轮设计要求及其研制特点、难点，在注重强度寿命的前提下开展了高
速动力涡轮及排气系统的气动设计。完成了两级高速动力涡轮的一维方案设计、叶片造型设计和排气系统设计，并进行了准三维分析和全三维流动评估。动力涡轮直接串装燃气发生器，开展了燃气轮机整机工厂性能试验。试验结果表明：该动力涡轮气动效率和排气段总压恢复系数均超过指标要求，燃气轮机整机热效率超过设计要求0.6个百分点。关键词：燃气轮机；高速动力涡轮；排气系统；气动设计；试验验证中图分类号：TK47
文献标识码：A
文章编号：1672-2620(2018)02-0016-06
High-speedpowerturbineaerodynamicdesignandtestverification
Abstract：Underthefullconsiderationofthestrengthandlife,theaerodynamicdesignofahigh-speed
(AECCSichuanGasTurbineEstablishment，Chengdu610500，China)
ZHANGJian，ZENGJun，LIJian-bai
powerturbineandexhaustcasingwerecompletedaccordingtodesignrequirementsandcharacteristicsofpowerturbinefora30MWgasturbinebooster.Onedimensionalschemedesignoftwostagehigh-speedpowerturbine,3Dbladedesignandexhaustsystemdesignwerecompleted.Andtheanalysisofquasithree-dimensionalflowfieldandfullthree-dimensionalflowperformancewerealsocarriedout.Thepowerturbinewasfitonthegasgeneratortocarryoutperformancetest.Theresultsindicatedthattheaerodynamicquirements.Thethermalefficiencyofgasturbinewas0.6%higherthandesignpoint.
experimentalverification
Keywords：gasturbine；high-speedpowerturbine；exhaustsystem；aerodynamicdesign；
efficiencyofthepowerturbineandtotalpressurerecoverycoefficientofexhaustsystemexceededdesignre⁃
1引言
目前，我国天然气输送管线使用的燃气轮机(以下简称燃机)均为国外机组，其中干线增压所选用的30MW级燃机主要是英国Rolls-Royce公司的RB211-6562和美国GE公司的PGT25+。这两种燃机流量接近，且均采用两级动力涡轮。其动力涡轮转速较高，首翻期寿命均达到25000h。
国内很早便开始了燃机的设计、制造，研制过多种型号、功率等级覆盖10kW～114MW的燃机发电机组，并已大量应用到油田、石化、钢铁、通信等行业；也研制过4MW级QY40燃机增压机组，但这些
收稿日期：2017-04-06；修回日期：2018-03-30作者简介：张
燃机动力涡轮设计转速相对较低，高速动力涡轮—尤其是转速达6100r/min的动力涡轮几乎没有涉及，缺乏高速动力涡轮研制经验。
针对国内管道增压用燃机需求，中国航发四川燃气涡轮研究院基于GT25000燃气发生器，改原四级动力涡轮为两级动力涡轮，将转速从3270r/min提高到6100r/min，配套6100r/min压缩机组，组成30MW级燃机压缩机组。主要开展了两级高速动力涡轮研制及排气系统设计，包括气动、结构、空气系统、强度、轴承和润滑系统等。本文介绍了两级动力涡轮及排气系统气动设计结果，以及动力涡轮串装燃气发生器的燃机增压机组工厂试车结果。
剑(1978-)，男，四川资中人，研究员，硕士，从事涡轮气动设计及分析工作。
第31卷燃气涡轮试验与研究
172高速动力涡轮气动设计特点及难点
燃机动力涡轮[1]具有长寿命、低维护等要求。另外，相比于原型四级3270r/min的动力涡轮，6转速提升造成的离心拉伸应力水平即提高了约100r/min的动力涡轮在相同几何条件下，仅由于4倍(动力涡轮的气动设计，离心拉伸应力与转速的平方呈正比必须同时兼顾长寿命和高性
)。因此，高速能的设计要求。中国航发四川燃气涡轮研究院设计的两级高速动力涡轮的性能指标要求见表1。
表1动力涡轮性能设计要求
Table1Performancedesignrequirementsofpowerturbine
参数设计点转速/(r/min)
效率≮61000.922膨胀比排气温度/℃3.68排气总压恢复系数
≮≯0.95500该燃机动力涡轮气动设计主要有以下特点及难点：
动力涡轮转速低。为充分利用切线速度做功，(1)流量大，尺寸大。相较于航空发动机，满足涡燃机
轮设计指标要求，需要通过增大径向尺寸提高切线速
度，从而导致动力涡轮流道外径较大，叶片较高。涡轮，(2)本动力涡轮设计转速达转速高。相较于大多数61003000r/minr/min。较高的的动力设计转速造成离心应力成倍增加，给强度寿命设计
带来巨大影响。
有较长的寿命要求，(3)寿命长。燃机动力涡轮作为民用产品，如PGT25+等，首翻期寿命必须具达到25000h。
0.920(4)，改效为率两高级。动原力型涡四轮级后动气力动涡效轮率效提率升约为
为动性能良好的叶栅，0.922。这对气动设计有了较高的要求，减少二次流损失。同时，必须设计气
需在燃气发生器和动力涡轮之间设计高效率的过渡段，提高动力涡轮的做功能力。
方向必须接近于轴向，(5)对排气参数要求较高。动力涡轮出口排气
排气速度也不能过高，以减小
排气损失，降低排气段设计难度。同时，动力涡轮排气温度也受到严格限制，以降低排气段材料性能要求和生产制造成本。
3设计思路
生器的基础上，30MW级燃机研制总的思路是在原型燃气发
将燃料由柴油改为天然气，工作环境
改为标准大气，配套全新研制的6100r/min动力涡轮及压缩机组，组成30MW级燃机压缩机组。高速动力涡轮气动设计的总体思路为：
涡轮气动设计进行摸底分析，(1)采用三维粘性设计体系，了解其工作特点和保对原型燃机动力
障高效率、长寿命设计所采取的技术方案，为自主设计长寿命高速动力涡轮奠定技术基础。
轮性能、(2)结构、分析国外其他在役材料、工艺、强度、30寿命等方面设计要MW级燃机动力涡
求和设计准则，为开展自主设计燃机高速动力涡轮提供技术参考。
不变，(3)基于三维设计方法，保持燃气发生器出口接口尺寸和换算流量开展高速动力涡轮气动设
计，并优化燃气发生器和动力涡轮之间过渡段流道。系统，(4)匹配设计的动力涡轮，分析原型燃机及国外其他动力涡轮的排气开展综合评估。
整机条件下开展动力涡轮特性试验，(5)开展动力涡轮在燃机中的串装试验，验证动力涡轮、并在
排气系统性能，同时了解燃机整机性能。
4设计结果
4.1一维设计
涡轮级间匹配优化设计是多级动力涡轮气动设计的关键技术之一，合理选取各级涡轮载荷对提高动力涡轮气动效率具有重要意义。图1为高速动力涡轮Smith图[2]。为提高气动效率，动力涡轮均选取了较小的载荷系数和流量系数。由于动力涡轮设计3.03.01st2.82nd1st2.6PGT252ndstagestagePGT25+stagestage2.6PGT25+1stPGT252nd1st2ndstagestagestagestagerr2.4oottcaf2.2ca2.2Fgnidao1.8g2.0nida1.8olL1.6egatS1.4ega1.4tS1.21.01.0939291908988870.895940.60.60.40.40.60.6Stage0.80.8FlowFactorStageflowfactor1.01.01.21.21.41.4图1动力涡轮Smith图
Fig.1Powerturbinestagesloadingcoefficients
18张剑等：燃气轮机高速动力涡轮气动设计及试验第2期
转速较高，一维设计中着重控制了动力涡轮的强度应力水平。两级动力涡轮均采用等中径设计，气流通过两级动力涡轮后轴向出气。一维设计方案表明，采用两级动力涡轮能够获得较高的气动性能。4.2流道设计和叶片造型
为实现动力涡轮与燃气发生器之间的均匀过渡，设计了一段较长的过渡段，见图2。动力涡轮流道采用了逐渐扩张的方式。设计中，为进一步降低动力涡轮出口气流速度和提升出口排气压力以及方便动力涡轮后支撑设计，动力涡轮出口仍保持了较大的扩张。
图2动力涡轮子午流道
Fig.2Meridianflowpathofpowerturbine
根据一维设计结果，完成了动力涡轮四排叶片的造型设计。叶型设计采用三个基准造型平面截面，并采用S1IC[3]对平面叶栅进行设计、分析和性能评判。采用涡轮叶片气动设计软件BladeDesign[4]完成叶片的三维积叠成型，见图3。
图3动力涡轮叶片三维外型Fig.33Dmodelofpowerturbineblade
缸、排气烟道三部分，30MW级燃机排以保证燃气在动力涡轮中有效气系统包括排气支板、排气
膨胀，使动力涡轮乃至整机正常匹配工作。排气系统设计借鉴了原型排气缸结构，同时参考了FT8和PGT25+配优化，的排气缸结构，在降低排气损失的基础上尽量缩小排气装
通过排气系统和动力涡轮匹置的轴向长度和高度。排气系统模型见图4。4.3准三维评估
率和效率等总参数外，S2流面分析除了检查两级动力涡轮的流量、还着重关注了两级动力涡轮
功
图4排气系统模型Fig.4Modelofexhaustsystem
之间的匹配、动力涡轮转/静匹配，以及各叶片排出口参数沿径向的分布。
图5为两级动力涡轮准三维子午面马赫数分布。从图中可看出，子午面气流在各叶片排分布较好，马赫数变化均匀，没有出现分离流动。
0.8808.0753777.0.0.00.850.5202.8.025008.00.82.220.800.77图5S2流面子午面马赫数分布Fig.5MeridianMachnumberdistributionofS2
表2为设计状态下动力涡轮准三维计算结果，计算中考虑了各叶片排盘前封严冷却影响和动力涡轮转子叶尖间隙影响。设计状态准三维计算的动力涡轮效率为0.936。两级动力涡轮反力度均较高。二级动力涡轮出口绝对气流角与轴向的夹角为0.4°。
表2动力涡轮准三维计算结果Table2Resultsofquasi-3Dcomputation
参数第一级第二级各级效率总效率0.9160.941各级膨胀比各级反力度1.880.9361.95涡轮出口绝对气流角/(°)
0.4000.40.4664.4全三维验算
采用全三维流场分析软件CFX[5-7]，对两级动力涡轮及排气系统进行数值仿真，着重评估两级动力涡轮及排气系统的匹配关系，分析三维通道流场细节。计算采用CFXTG12.0[8]进行六面体网格划分，网格节点总数约143万。转子叶尖间隙选取为1mm，忽略冷气的影响。
第31卷燃气涡轮试验与研究
19表3为设计状态下动力涡轮全三维计算结果。可见，全三维计算的动力涡轮效率为0.935。动力涡轮出口排气段位置处的绝对马赫数为0.313，出口绝对气流角(与轴向的夹角)为2.7°，有利于排气段及排气蜗壳的设计。排气温度484.6℃，满足动力涡轮出口温度低于500℃的要求。
表3动力涡轮三维计算结果Table3Resultsof3Dcomputation
参数一级
二级
总膨胀比总效率3.637各级膨胀比各级效率1.8930.9351.916各级反力度0.9340.929涡轮出口绝对气流角/(°)0.3660.455涡轮出口绝对马赫数0.3132.7涡轮出口总温/℃
484.6图6、图7分别为动力涡轮中截面的马赫数云图及子午面马赫数云图。可见，气流在通道中流动较好，未见明显分离流动现象。
Mathnumber
图6动力涡轮中截面相对马赫数云图
Fig.6RelativeMachnumberturbine
contourat50%spanofpower
Mathnumber
图7动力涡轮子午面绝对马赫数云图
Fig.7MeridianabsoluteMachnumbercontourofpowerturbine
图8为动力涡轮和排气系统的三维流线。排气缸总压恢复系数达0.953，满足设计要求。4.5一维特性分析
对动力涡轮进行了一维特性评估。动力涡轮不
/Pa
Y
Z
X
图8动力涡轮和排气系统的三维流线
Fig.8Three-dimensionalexhauststreamsystem
lineofpowerturbineand
同换算转速(nˉ)下气动效率随膨胀比的变化曲线如图9所示。在设计点附近，高速动力涡轮效率曲线变化较平滑，具有良好的非设计工况性能。0.950.950.900.90ycneici0.850.85ffecimanyd0.750.80*0.80PDK0.75SPD=0.6nˉSPD=0.7nˉ=0.6SPD=0.8nˉ=0.7ornˉedesignA0.70SPD=0.9nˉ=0.8SPD=1.00.70nˉ=0.9SPD=1.1=1.0Design=1.1pointpoint0.650.650.600.600.800.801.201.601.602.003.60Expansion2.402.40PT*2.80ratio3.203.204.004.00图9不同换算转速下动力涡轮气动效率随膨胀比的变化Fig.9Thewithchangeexpansionofaerodynamicratioatdifferentefficiencycorrectedofpowerspeed
turbine
5试验结果及分析
由于动力涡轮尺寸大，国内无相关试验设备开展部件性能试验，无法对动力涡轮性能进行准确评判。为此，动力涡轮设计、加工完成后，在开展动力涡轮托转试验及动力涡轮与燃气发生器、测功器耦合振动分析的基础上，直接串装燃气发生器开展整机试验(图10)，并开展了动力涡轮特性试验，录取了部分动力涡轮特性参数。为减少测量探针对整机的
影响，仅安排了少量测量探针。在动力涡轮进口安排了2×5探针测量燃气的总温、总压，在动力涡轮出口安排了3×1探针测量燃气的总温、总压，燃气发生器出口安排16支总温探针作为动力涡轮进口总温的辅助修正。燃机最大工作状态达到1.0工况。
图11为燃机整机输出功率与热效率曲线。随着
20张剑等：燃气轮机高速动力涡轮气动设计及试验第2期图10燃机性能试验现场照片Fig.10Gasturbineintest功率输出的增加，燃机热效率逐渐增加。燃机设计点试验热效率为37.14%，比设计值高0.64个百分点。35404035%30/yc30nei)c2525i%TestTestDesignPointf(feEDesignpointla2020mreh15T15T1010550000500051000010Power1500025000Power/MW15(kW)2000020253000030图11燃机输出功率与热效率曲线
Fig.11Thepowerchangeofgasturbinewiththermalefficiency
图12为排气系统总压恢复系数随燃机功率变化曲线。动力涡轮排气系统总压恢复系数随着燃机状态的降低而逐渐增加。燃机1.0工况动力涡轮排气系统总压恢复系数0.954，满足设计要求(≮0.950)。
1.0010.980.980.960.960.940.94σ0.920.920.90s0.9TestTest0.88DesignDesignPointpoint0.880.860.860.840.840.820.820.800.800500051000010Power15000(kW)30000Power/MW152000020250002530图12排气系统总压恢复系数曲线
Fig.12Totalpressurerecoverycoefficientsofexhaustsystem
图13示出了动力涡轮试验效率特性。当燃压机组达到1.0工作状态时，动力涡轮折合转速0.97，
1.010.90.9CyCalccalc0.2cy0.80.8Calccalcalc0.2ngCalc0.3eneiiCalcccCalciif0.7calc0.40.3calc0.40.7calc0.5Calccalc0.60.50.6fffEE0.60.6Calc0.70.7calcCalccalc0.8Calccalc0.90.80.5Test1.00.90.5Testtest1.11.0calc0.231.10.23TesttestTesttest0.400.40Testtest0.580.58Testtest0.73-0.770.73-0.770.40.4Testtest0.78-0.820.78-0.82Test0.84-0.860.84-0.86testtest0.89-0.930.89-0.930.96-0.970.96-0.971.011.51.52.022.52.5P3.03π3.53.54.044.54.5图13动力涡轮试验效率特性
Fig.13Testefficiencycharacteristicsofpowerturbine
膨胀比3.46，气动效率0.95。
采用全三维粘性流场计算方法对燃机1.0工况动力涡轮试验性能进行分析。图14为燃机试验分析模型。根据加工喉道面积检测结果，通过调整安装角的方式，分别调整了一级、二级导向器喉道面积；采用热态流道；无转子叶尖间隙；排气缸由设计的直排改为试验的侧排。
图14燃机试验分析模型Fig.14Computationmodeloftest
图15、图16分别为动力涡轮进口总压、总温测
量结果及其拟合端壁修正曲线。调节动力涡轮出口静压，确保动力涡轮出口总压计算值与试验测量值一致。图17、图18分别为三维计算的动力涡轮出口总压、总温及其分布。动力涡轮出口总压计算值沿径向基本呈线性分布，同时三点试验测量值基本一致，且位于计算拟合曲线上，这说明动力涡轮的膨胀比较为可靠；动力涡轮出口三点总温测量值差异较大。
表4为燃机1.0工况动力涡轮性能评估结果。试验状态三维评估效率0.941，比试验结果低0.9个百分点；三维计算功率为26.01MW，比试验结果低1.84%。
第31卷燃气涡轮试验与研究211.010.80.8thtgiehe0.6hgie0.6Hveiv0.4ittaall0.4eeRR0.20.20.002.52.53.03Total3.53.5Pressure(bar)Totalpressure/104.045Pa4.54.55.05图15动力涡轮进口总压及拟合修正曲线Fig.15Inlettotalpressureofpowerturbine1.010.80.8thtghiehe0.6gie0.6HevvitaleR0.4itale0.4R0.20.20.00900900950950Total1000Temperature10501100(K)11501200Total1000temperature/K1050110011501200图16动力涡轮进口总温及拟合修正曲线Fig.16Inlettotaltemperatureofpowerturbine1.010.80.8thtghigie0.6ComputationhTestcomputationteste0.6eHevvi0.4ittaalle0.4eRR0.20.20.000.440600.880Total100Pressure120140160180Totalpressure/101.2(kPa)5Pa1.62.0200图17动力涡轮出口总压
Fig.17Outlettotalpressureofpowerturbine
6结论
采用涡轮三维粘性设计体系，在充分考虑民用动力涡轮设计特点和难点的基础上，结合强度、寿命要求，开展了动力涡轮及排气系统的全新气动设计，并完成了高速动力涡轮在燃机中的特性试验验证。
1.010.80.8thtghigiComputationeehHTestcomputationteste0.60.6evvitaleR0.4itale0.4R0.20.20.00700700750750TotalTemperature800800(K)850850900Totaltemperature/K900图18动力涡轮出口总温及其分布
Fig.18Outlettotaltemperaturedistributionofpowerturbine
表4燃机1.0工况动力涡轮性能评估结果Table4Performanceresultsofpowerturbineintest
参数设计要求设计结果试验评估结果
试验结果转速/(r/min)膨胀比66效率3.6871003.63710063.4750916功率/MW
0.9220.93526.880.9413.46909126.7026.010.95026.50主要研究结论为：
计指标要求，(1)动力涡轮气动效率达到并超过了一维、准三维和全三维设计精度均较高。0.920的设
近轴向，(2)有利于排气装置设计；动力涡轮排气速度低、动力涡轮排气段总排气气流角基本接
压恢复系数达0.954，超过设计指标要求。
(3)高速动力涡轮具有良好的非设计工况性能。
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