燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣量分析計(jì)算方法的研究

1、燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣量計(jì)算及變工況分析姜聰(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢，430000)Study on calculation and part load operation of cooling air allocation for gas turbineJIANG Cong（HuBei Electric Power Design Institute，HuBei Wuhan，430000）6Abstract:Based on the informations of hurge gas turbine,this paper has researched the ways of calculat

2、ion about cooling-air proportion of Sienens V94.3.According the cooling modeL and theorem to the blade of turbine gas,we can get the model of calculation about cooling-air proportion.This way is easy to comperhend,and the precision is fulfill to realistic requirement.Key Words: Gas turbine; Cooling

3、air;Calculation methods摘 要：根據(jù)大型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)和性能資料，本文對(duì)西門子V943燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣量的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。從燃?xì)馔钙饺~片冷卻方式和機(jī)理入手，得到燃機(jī)冷卻空氣量的計(jì)算模型。該方法簡(jiǎn)單理解容易，計(jì)算精度滿足實(shí)際工程分析需要。關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī),冷卻空氣,計(jì)算方法1 前言隨著燃?xì)廨啓C(jī)在電力工業(yè)中的應(yīng)用，大容量高參數(shù)的機(jī)組可以得到較高的效率和經(jīng)濟(jì)收益。然而，透平初溫受到材料等因素的制約，不能無(wú)限制地提高。所以對(duì)燃機(jī)高溫部件的冷卻就顯得尤為重要。所以，對(duì)于燃機(jī)技術(shù)，冷卻空氣量的計(jì)算和分析對(duì)于了解燃機(jī)實(shí)際性能和制造技術(shù)都有重大的實(shí)際意義。本文通過(guò)對(duì)燃機(jī)葉片幾種冷卻方

4、式的分析，采用熱力學(xué)、傳熱學(xué)理論，分別推導(dǎo)出冷卻空氣量的計(jì)算方法，計(jì)算方法簡(jiǎn)單、易于理解，計(jì)算精度滿足實(shí)際工程和理論分析需要。2冷卻空氣量計(jì)算數(shù)學(xué)模型燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻空氣系統(tǒng)按冷卻工質(zhì)可以分為開式空氣冷卻系統(tǒng)和閉式空氣冷卻系統(tǒng)；按葉片的冷卻方式分：對(duì)流冷卻（內(nèi)冷卻）、氣膜冷卻（外冷卻）、沖擊冷卻和蒸發(fā)冷卻等。本文首先建立冷卻空氣量計(jì)算模型，然后以具體燃機(jī)分析計(jì)算，驗(yàn)證計(jì)算模型方法的準(zhǔn)確性。2.1 對(duì)流冷卻當(dāng)冷卻空氣和燃?xì)庠诳招娜~片內(nèi)外壁面流過(guò)時(shí)，通過(guò)冷卻空氣進(jìn)行對(duì)流傳熱降低葉片工作溫度。在空心動(dòng)葉片出氣邊中間沿半徑方向有一組大小不同、型式不同的小孔,對(duì)流冷卻后的冷卻空氣即通過(guò)動(dòng)葉上這些小孔排入主

5、燃?xì)饬骼^續(xù)做功。冷卻空氣的排出除靠冷卻空氣本身的壓力之外 ,還可以借助離心力作用被甩出 ,增加了冷卻空氣的流動(dòng)速度 ,改善了冷卻效果。對(duì)流冷卻是通過(guò)冷卻空氣和燃?xì)忾g的對(duì)流換熱，達(dá)到冷卻葉片的目的。對(duì)流換熱的流程見圖1。圖1 燃機(jī)葉片對(duì)流換熱流程圖由能量平衡可得對(duì)流換熱的傳熱量： （1）由對(duì)流傳熱計(jì)算公式可得： （2）假設(shè)，定義冷卻效率： （3）聯(lián)立上面（1）、（2）式可得： （4）其中：T表示溫度；W表示質(zhì)量流量；A表示面積，V表示體積流量；下腳標(biāo)c和g分別表示冷卻空氣和燃?xì)?；下腳標(biāo)i和o表示進(jìn)口和出口狀態(tài)點(diǎn)；T表示對(duì)流換熱壁溫；表示對(duì)流換熱系數(shù)；表示對(duì)流換熱面積；和分別表示冷卻空氣、燃?xì)獾亩?/p>

6、壓比熱容。圖2 燃機(jī)葉片示意圖及相關(guān)參數(shù)又定義面積比，葉片參數(shù)如圖2所示，其中H為葉高；為柵距；為弦長(zhǎng)。，所以， （5）將式（3）、（5）代入（4）得： 即 （6）定義數(shù)：=， 冷卻效力， 令可得： （7）即得到對(duì)流冷卻空氣量計(jì)算模型： （8）2.2 氣膜冷卻在空心葉片的表面上開有許多排小孔或縫隙 ,冷卻空氣從這些小孔或縫隙順著燃?xì)饬鲃?dòng)的方向流出 ,在葉片表面形成一層氣膜 ,把葉片表面與燃?xì)飧糸_而對(duì)葉片起到保護(hù)作用 ,減少燃?xì)鈱?duì)葉片表面的熱交換 ,同時(shí)又冷卻葉片，如圖3所示，冷卻氣膜和燃?xì)忾g進(jìn)行換熱，從而達(dá)到冷卻葉片的目的。流程與對(duì)流換熱相似，見圖4。 圖3 燃機(jī)氣膜冷卻示意圖氣膜冷卻換熱平衡

7、： （9）其中，為氣膜冷卻情況下的傳熱系數(shù)；為冷卻氣膜溫度，即燃?xì)馀c冷卻空氣局部冷卻后的絕熱溫度；為氣膜冷卻效力，。圖4 燃機(jī)氣膜冷卻流程圖結(jié)合上文對(duì)流冷卻關(guān)系式可得： （10）冷卻空氣比例： （11）2.3 蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)冷卻相當(dāng)于閉式蒸發(fā)冷卻，是通過(guò)水的蒸發(fā)吸熱來(lái)達(dá)到冷卻葉片的目的，見圖5、6。蒸發(fā)冷卻相比空氣冷卻有以下優(yōu)點(diǎn)：冷卻效果好，節(jié)省壓縮空氣，提高燃機(jī)效率。圖5 燃機(jī)蒸發(fā)冷卻示意圖參考文獻(xiàn)3中得到蒸氣冷卻時(shí)換熱系數(shù)與沒有蒸發(fā)冷卻時(shí)換熱系數(shù)關(guān)系為： （12）其中表示單位面積冷卻空氣量，為蒸發(fā)冷卻換熱系數(shù)。圖6 燃機(jī)蒸發(fā)冷卻流程圖當(dāng)與相差不大時(shí)，則；即。又 所以由得到： （13）3 燃機(jī)

8、冷卻空氣變工況3.1變工況計(jì)算單軸燃?xì)廨啓C(jī)透平的級(jí)數(shù)較少，一般為 35級(jí)，而膨脹比又較大。這樣，在透平第一級(jí)噴嘴中將發(fā)生阻塞流動(dòng)。根據(jù)弗留格爾公式有： （14）冷卻空氣量變工況： （15）其中，為透平進(jìn)口燃?xì)饬髁?；和分別表示透平進(jìn)口燃?xì)獾臏箟毫蜏囟?；和表示冷卻空氣的壓力和溫度。下表i表示級(jí)數(shù)，d表示設(shè)計(jì)工況數(shù)值。3.2冷卻空氣量對(duì)燃機(jī)效率的影響當(dāng)考慮抽氣用于冷卻透平時(shí)，冷卻空氣必然會(huì)對(duì)燃?xì)馔钙街械娜細(xì)馀蛎涍^(guò)程產(chǎn)生影響。由于冷卻空氣的溫度和焓值較燃?xì)庑?，所以等量的燃?xì)庠谕钙街械淖鞴Ρ厝粶p少，進(jìn)而，等熵效率將會(huì)發(fā)生變化，見圖7。圖7 考慮冷卻空氣時(shí)燃?xì)馔钙搅鞒淌疽鈭D 或（16） 其中：、為燃?xì)?/p>

9、輪機(jī)的透平凈功率、毛功率（即沒有考慮軸損失和散熱損失），m、h分別表示質(zhì)量和焓值，下表數(shù)字0、1、2和4分別表示透平進(jìn)口、出口、噴嘴冷卻空氣入口、動(dòng)葉冷卻空氣入口，s表示等熵工況。4 算例分析本文以西門子V943燃?xì)廨啓C(jī)為例，采用上述計(jì)算模型簡(jiǎn)要計(jì)算冷卻空氣量。4.1 西門子V94.3燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)西門子V94.3燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣量分配(見圖8)：(a)壓氣機(jī)級(jí)數(shù)17，進(jìn)口導(dǎo)葉可調(diào)，前三級(jí)靜葉亦可調(diào)；冷卻空氣分別取自第4級(jí)靜葉后、第9級(jí)靜葉后、第13級(jí)靜葉后以及第17級(jí)靜葉后的排氣腔； (b)透平級(jí)數(shù)4，壓氣機(jī)第17級(jí)后抽氣在外部冷卻后用于冷卻第1級(jí)靜葉、葉輪和動(dòng)葉，第2、3、4級(jí)葉輪及第2

10、、3級(jí)動(dòng)葉用壓氣機(jī)第 13級(jí)靜葉后抽氣冷卻，第4級(jí)動(dòng)葉不冷卻，第 2、3、4級(jí)靜葉分別用第13級(jí)、第9級(jí)以及第4級(jí)靜葉后抽氣冷卻； (c)設(shè)置兩個(gè)水平臥式圓筒型燃燒器，裝設(shè)8個(gè)混合型燃燒器，采用雙層殼體設(shè)計(jì)。火焰筒內(nèi)襯陶瓷掛片，熱煙氣流道(或稱過(guò)渡段)裝有空氣冷卻的金屬防熱片。圖8 西門子V94.3燃機(jī)冷卻空氣量分配圖西門子V94.3型燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)如下表1:表1：西門子V94.3燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù) 性能參數(shù)單位數(shù)值轉(zhuǎn)速r/min3000空氣流量kg/s612排氣流量kg/s624壓比-16.3ISO溫度1160轉(zhuǎn)子入口溫度1290透平進(jìn)口溫度1340排氣溫度550Nox 排放ppm35功率M

11、W222效率%36.24.2 計(jì)算參數(shù)的選取（1）有幾種不同的定義， a）燃燒室的出口溫度；b）燃?xì)馔钙降谝患?jí)噴嘴后的燃?xì)鉁囟?；c）以所有進(jìn)入透平的空氣流量計(jì)算的平均溫度。本文這里采用的第一種； （2）取值范圍：850900，本文取為850；（3）葉型參數(shù)，即，； （4）取值范圍：0.60.8，本文取為0.7，則。4.3 計(jì)算結(jié)果及分析綜合各參數(shù)的取值和計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果如下表2所示。表2：西門子V94.3冷卻空氣量計(jì)算結(jié)果第4級(jí)第9級(jí)第13級(jí)第17級(jí)合計(jì)冷卻效力0.4370.4750.4520.5235-冷卻空氣量%0.03880.04520.0412 0.05480.180其中冷卻空氣的百

12、分比是指冷卻空氣占各級(jí)進(jìn)口燃?xì)獾谋壤? 結(jié)論（1）由上述計(jì)算理論和實(shí)例計(jì)算所得計(jì)算結(jié)果分析，參照相關(guān)的資料此類型的燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣量在18.5左右，本文計(jì)算為18.0。可以據(jù)此對(duì)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行粗略的計(jì)算，對(duì)燃機(jī)特性分析可起到一定的作用。（2）本文實(shí)例計(jì)算中采取了一些近似計(jì)算，特別是燃?xì)獬鯗亍⒈跍氐娜≈祵?duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響。實(shí)際計(jì)算中還應(yīng)考慮在冷卻過(guò)程中燃?xì)夂屠鋮s空氣的溫度不斷的變化以及冷卻葉片具體型式的變化對(duì)冷卻空氣流場(chǎng)變化的影響。（3）燃機(jī)冷卻是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，本文只能是作為燃機(jī)冷卻空氣量的估算，可運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)復(fù)雜過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。參考文獻(xiàn)1翁史烈燃?xì)廨啓C(jī)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，l9872Horlock,J.H,and Watson,D.T. Limitations on Gas Turbine Performance Imposed by Large Turbine CoolingFlowsJ.Journal of Engineering for Gas Turbine and Power. JULY 2001,Vol.123,487494.3Kays,W.M,Crawford,M.E. ConvectiveHeat and MassTransferM.3rEd,