燃氣輪機葉片冷卻技術(shù)

1、燃氣輪機葉片冷卻技術(shù)專 業(yè)：化機學 生：陳連軍指導老師：魏進家教授2009.4.10v燃氣輪機簡介v燃氣輪機熱力循環(huán)v當前燃氣輪機存在的主要問題v燃氣輪機葉片冷卻技術(shù)目 錄一、燃氣輪機簡介燃氣輪機是將氣體壓縮、加熱后在透平中膨脹，把其部分熱能轉(zhuǎn)換為機械能的高速回轉(zhuǎn)式動力機械。它一般由壓氣機、燃燒室、透平、控制系統(tǒng)及基本的輔助設(shè)備組成，它輸出的功率用來驅(qū)動發(fā)電機、泵、鼓風機、螺旋槳或車輪等負荷。圖2 6FA燃氣輪機示意圖二、燃氣輪機熱力循環(huán)2134CBT1234圖3 理想燃氣輪機循環(huán)布置圖12 絕熱壓縮23 等壓加熱34 絕熱膨脹41 等壓放熱Tpvs12341234圖4 理想燃氣輪機布雷頓循環(huán)

2、p-v、T-s圖*342111*31()()11 ()1TCppkkkkppwwwc TTc TTc Tc T理想循環(huán)比功 ：w三、當前燃氣輪機存在的主要問題1、提高效率問題u提高燃氣溫度是提高燃氣輪機效率的主要手段u提高壓比研制高溫材料：陶瓷葉片改進冷卻技術(shù)提高單級壓比：采用跨聲速級，壓比可達1.52.0提高整機壓比u余熱利用u蒸汽回注技術(shù)回熱燃氣蒸汽聯(lián)合裝置總能量綜合利用2、燃用便宜材料同時限制污染及腐蝕問題 重燃料、核燃料； 降低NOX的排放。3、增加單機功率問題 單機功率受燃氣溫度和流量等的限制4、簡省維護問題5、高效變工況問題6、降低材料工藝成本問題 葉片型線要求高，高溫合金硬度高，

3、加工困難。四、燃氣輪機葉片冷卻技術(shù)燃氣輪機的效率隨著渦輪入口溫度的提高而增加。目前的燃氣溫度已經(jīng)遠高于葉片材料的溫度極限，所以必須對渦輪葉片進行有效的冷卻才能保證渦輪的正常工作。u沖擊冷卻u內(nèi)部強化對流換熱u氣膜冷卻u層板冷卻u壁面通道冷卻u熱管冷卻葉片冷卻方法1、高溫部件的抽氣冷卻方法圖5 各種冷卻形式及效率圖(b) 典型靜葉片冷卻(a) 典型的動葉片冷卻圖6 典型的葉片冷卻（1）沖擊冷卻沖擊冷卻屬于對流換熱，是強化換熱的一種手段。沖擊冷卻主要是利用高速氣流沖刷被冷卻表面，以達到冷卻目的。多用于高溫部件的內(nèi)部，特別是渦輪葉片的前緣部位。主要缺點是壓力損失大、容易造成被冷卻區(qū)域較大的溫度梯度、

4、引起熱應(yīng)力。在冷氣流沖擊的駐點區(qū)壁面上有很高的換熱系數(shù)，因此可以利用這種方式進行重點冷卻。圖7 沖擊冷卻結(jié)構(gòu)（2）內(nèi)部強化對流換熱圖8 擾流柱冷卻結(jié)構(gòu)圖9 肋通道冷卻結(jié)構(gòu)燃氣溫度較低時只需在通道內(nèi)部有適量的冷氣流流動將熱量帶走就可使葉片正常工作，隨著燃氣溫度的提高，通道內(nèi)壁面開始布置擾流肋來帶走更多的熱量，擾流肋的增加可使換熱增強23倍。肋可使主流發(fā)生再附著，在肋后可形成漩渦流動。在附著流動可以顯著提高換熱系數(shù)，漩渦流動雖然可以使換熱得到增強，但是在肋根處由于速度接近0反而使換熱減弱。傾斜布置肋時，擾流肋會起到導流作用，在帶肋壁面附近會形成平行于肋方向的二次流動，從而使斜肋的換熱效果比直肋的換

5、熱效果更佳。 （3）氣膜冷卻圖10 典型的氣膜冷卻葉片圖11 氣膜冷卻簡圖氣膜冷卻是一種廣泛采用的有效冷卻技術(shù)，它通過在高溫部件表面開設(shè)槽縫或者小孔，將冷卻介質(zhì)以橫向射流的形式注入到主流中。在主流的壓力和摩擦作用下，射流彎曲并覆蓋于高溫部件表面，形成溫度較低的冷氣膜，從而對高溫部件起到隔熱和冷卻作用。透平葉片采用氣膜冷卻后，可以提高透平進口溫度，增加熱效率，提高推重比及降低油耗。 例：M701F葉片冷卻技術(shù)。（a）M701F第一級靜葉冷卻結(jié)構(gòu)圖（b）M701F第一級靜葉冷卻結(jié)構(gòu)圖圖12 M701F第一級葉片冷卻結(jié)構(gòu)圖（4）層板冷卻（a） 層板結(jié)構(gòu)示意圖（b） 多孔層板全氣膜傳熱在高溫部件冷卻中

6、，為了有效利用空氣，在形成氣膜之前，一定要增強內(nèi)部對流換熱，可以通過內(nèi)部對流冷卻、沖擊冷卻、擾流柱、肋壁等強化換熱方式對葉片進行冷卻?；谶@種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。圖13 層板冷卻結(jié)構(gòu)及傳熱圖（5）壁面通道冷卻圖14 壁面通道冷卻結(jié)構(gòu)壁面通道冷卻是在氣膜冷卻和通道內(nèi)強化換熱的基礎(chǔ)上增加了沖擊冷卻，也可以說是在層板冷卻的基礎(chǔ)上去掉了擾流柱 強化換熱，在工藝上比層板冷卻簡單，比較容易實現(xiàn)。沖擊孔和氣膜孔的位置對壁面通道內(nèi)流動結(jié)構(gòu)影響顯著，當有內(nèi)部橫流存在時，壁面通道過長，會導致通道內(nèi)部壓力分布的不均勻從而使不同氣膜孔的出流量差別較大。甚至會發(fā)生燃氣倒灌入通道內(nèi)部。（6）熱管冷卻

7、熱管冷卻屬于新型冷卻技術(shù)。由于熱管具有極高的熱效率，可以有效的減少冷氣的用量，同時熱管靠液體氣化來吸收熱量，當熱端部件的傳熱量增加，熱管的冷卻能力也隨之增強。但是目前葉片的熱管冷卻應(yīng)用是全新的概念，用什么冷卻工質(zhì)，如何帶走傳遞的熱量以及如何保證動葉片高轉(zhuǎn)速工況下熱管的正常工作都需要進行理論和實驗確證。2、抽氣冷卻對燃氣輪機性能的影響圖15 燃氣輪機冷卻空氣系統(tǒng)抽出燃氣輪機壓氣機中的空氣來冷卻高溫零件，就可以提高燃氣輪機溫度，因而可以提高裝置的熱效率并增加裝置的比功?；蛘?不變，材料不變，因冷卻降低了葉片冷卻溫度，對鎳基合金來說，工作溫度降低450，使用壽命延長10倍。然而，另一方面，抽氣冷卻也

8、有不利的影響。 增加透平的鼓風損失 當用空氣冷卻透平轉(zhuǎn)子時，尤其是采用單流程的空心葉片時，透平轉(zhuǎn)子就像鼓風機那樣帶動冷卻空氣高速旋轉(zhuǎn)，由于鼓風機的功率約和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，而且冷卻空氣的流量也不小，因此，這種冷卻方式消耗功率很大。 壓氣機壓縮功的損失 抽出的冷卻空氣曾經(jīng)壓氣機壓縮而具有一定的壓力，但由于冷卻系統(tǒng)通道中的流動阻力而損失掉一部分，不能再透平中全部恢復(fù)作功。這實際上相當于漏氣損失的增加。*3t 摻入主流時引起紊流損失 冷卻空氣完成冷卻任務(wù)后，還有剩余壓力以便就地并入主流，這樣雖然在某種程度上利用了冷卻空氣中的壓力和熱量，但是當冷卻空氣摻入主流時就會擾亂燃氣主流線和參數(shù)，影響到透平的內(nèi)效率。 可用熱量損失 高溫零件傳出的熱量，實際上來自工質(zhì)，在工作膨脹過程中，傳出熱量是很不利的，起了和再熱相反的作用。如果這部分能量不加以利用，則會轉(zhuǎn)變?yōu)閾p失。如果冷卻空氣仍舊摻回燃氣主流，則由于高勢位熱量變成了低勢位熱量，可利用的熱量仍要減少。由于抽氣冷卻具有上述不利因素，因此在設(shè)計時應(yīng)仔細考慮得失，盡量少抽氣，少抽壓力較高的氣