燃气轮机叶片冷却技术的发展

1、.：.；动力与能源工程学院动力机械及工程学科专题研讨课程设计学 号：专 业：动力机械及工程学生姓名： 任课教师： 2021年12月燃气轮机叶片冷却技术的开展1 概述燃气轮机作为大型动力安装，广泛运用于发电，船舶，航空航天等工业领域。其主要性能目的为系统循环热效率和输出功率，它们均随涡轮转子燃气进口温度RIT的添加而添加。据计算，RIT 在10731273 K范围内每提高100，燃气轮机的输出功率将添加20%25%，节省燃料6%7%。所以，要使燃气轮机性能的不断提高，关键在于提高RIT，但伴随而RIT的提高，燃气轮机热端部件资料的耐热问题也随之而来。目前，燃气轮机的RIT远高于涡轮叶片金属资料的

2、熔点；下一代燃气轮机假设以氢气和人造气为燃料，RIT将会更高，假设不能胜利的处理这一问题，用提高RIT来提高燃气轮机性能只能是个愉快的愿望。先进的冷却技术可使热端部件能接受更高的任务温度，提高燃气轮机的循环热效率，延伸燃气轮机运用寿命，提高系统任务的平安性和可靠性。据推算，假设无冷却导向叶片资料的运用温度能到达1470 K，那么该导向叶片采用内部对流冷却时，可使涡轮进口温度提高到2200 K。由此可见，开展叶片冷却技术的研讨具有非常重要的意义。2 燃气轮机气冷技术的开展进程早期的涡轮叶片没有采用冷却技术，RIT受叶片资料的限制，很难超越1 323 K。为了突破这一瓶颈，气体冷却技术被运用到实际

3、中，这一技术是用不同紧缩级的紧缩空气作为冷剂对燃气涡轮的热端部件进展冷却，可大幅提高燃气初温。由于空气容易获取，实际本钱较低，空气冷却得以快速开展，运用颇广。但随着人们对燃气轮机性能的要求不断提高，继续运用空气冷却将耗费掉大量的紧缩气，这对燃气轮机的整体性能的提高不利。据估计，按现有传统复合冷却技术，当高性能涡轮系统RIT 1763 K时约有35 %的紧缩空气用于热通道组件的冷却，用于熄灭的空气更少，这将大大减少了涡轮系统的循环热效率和输出功率。另外，冷却空气的流道由于提高燃气轮机的初温暖高压冷却空气的流动以及冷却空气与主流燃气的掺混带来较大的热力和气动损失。这些要素将降低燃气轮机的热效率，且

4、各种损失还随冷却介质流量的添加而添加，将与提高RIT的收益相抵消。为理处理这一问题，一方面需求改良气冷构造和开展新型构造，另一方面那么可以采用其它介质来替代空气作冷却介质。新介质被要求既易得可用，冷却效果好，损失较小，又能坚持已有冷却技术的构造简单性和可靠性。对大型陆用燃气轮机来讲，水蒸气是叶片冷却介质的首选。运用蒸汽作为冷却介质的优点有蒸汽来源丰富，且可再次利用，在任何采用空气冷却的系统中运用，不会使冷却叶片转子的构造和制造工艺变得复杂。与空气相比，水蒸气冷却运转能耗低、损失小，抑制了空气冷却的一切缺乏，可经过添加冷却蒸汽流量来更多地提高RIT。由于蒸汽压力不受压气机出口压力的限制，所以冷却

5、蒸汽流量的添加，冷却通道的流阻不会遇到什么困难。此外，许多专家和科研人员另辟蹊径，从已开展成熟的空气冷却技术着手对进一步提高燃气初温做了大量研讨，并获得了一些进展。结果阐明向空气中参与水雾时冷却效果较纯空气的冷却效果好，但由于水滴吸热蒸发后变成水蒸气，引入一个新组分，其换热强化机理和液滴动力学方面极为复杂，直至目前几乎一切的实验研讨，尚不适用于实践燃气轮机涡轮叶片冷却。由此向高性能大型燃气轮机的冷却蒸汽中添加水雾以强化换热的想法就产生了，这种新的想法被称为汽雾冷却技术。研讨阐明，汽雾冷却与传统空气冷却相比，换热系数较高、强化冷却效果好并且构造简单，对原有构造改动小，可以采用现有的蒸汽冷却构造，

6、具有蒸汽冷却的一切优点，换热系数较纯蒸汽流的高，蒸汽的耗费量大大减少，添加蒸汽轮机的输出功率，提高了总效率；易于管理和控制，能确保冷却通道不被水滴堵塞以及内部冷剂流中水雾的严重蒸发，既抑制了过多水冷却时产生的过冷景象，又消除了沸腾所产生的流动不稳定振颤的存在性。2.1 空气冷却技术空气冷却技术为传统的叶片冷却技术， 即从压气机出口抽取空气来冷却透平叶片的高温热部件。作为最早开展的冷却技术，空气冷却技术曾经日臻完善，迄今为止，空气冷却的技术手段有对流冷却、冲击冷却、发散冷却和气膜冷却等。为了到达更加理想的冷却效果，如今多采用以上几种冷却方式的组合，其透平初温可以到达1430。对流冷却多用于高温部

7、件的内部，将涡轮叶片做成空心叶片，在内部构成冷却通道，当冷气从冷却通道经过时，就可以将高温燃气传给叶片的热量带走，到达对叶片冷却的目的。但对流冷却效果不明显，而且会在叶片外表构成很强的压温度梯度，缩短叶片的运用寿命。冲击冷却主要是利用高速气流冲刷被冷却外表，以实现冷却，其多用于高温部件的内部冷却，特别是涡轮叶片的前缘部位。任务时，高速气流从内部冲刷被冷却部位，带走另一侧燃气所吸收的热量。它的主要缺陷是压力损失大，容易呵斥被冷却部件产生较大的温度梯度，引起热应力。发散冷却是在被冷却外表上开有许多小孔，让冷气从小孔溢出并附着在外表上，构成一层维护层，阻隔燃气向外表传热。这种冷却方式比上述两种冷却方

8、式冷却效果都好，但它的缺陷是：气膜孔堵塞会导致冷却效果急剧下降，外表的氧化会使叶片降低其机械强度，并增大边境层的流动损失，气膜冷却技术的根本原理是：在壁面附近沿一定方向向主流喷入冷气，这股冷气在主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，粘附在壁面附近，构成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或亮堂火焰对壁面的辐射热量，从而对壁面起到良好的维护作用。图1 导向叶片气膜冷却的气流流动方式表示图图1导向叶片气膜冷却的气流流动方式气膜冷却与发散冷却相比，气膜冷却技术采用较少的射流孔，且射流孔较为集中，放射的冷气也较为集中，并可以在外表构成继续的冷气气膜，射流孔的射流方向和位置分布都可以

9、调整，用最少的冷气量到达最好的冷却效果。从而气膜冷却不仅可以到达有效冷却的目的，而且还可以控制放射呵斥的气动损失、湍流流动和壁面热应力集中等来到达最正确冷却的目的。有关空气冷却技术的开展历程的内容，中文文献中很少有记载，这既有能够是这项技术曾经非常普及，谁对这项技术有过关键的奉献曾经没有人能弄得清了。2.2 蒸汽冷却蒸汽冷却的提出有两个前提，一是蒸汽本身的性能优越，相比空气，其导热性好，冷却效率高；二是蒸汽冷却能处理空气冷却耗费冷却介质耗费过多这一难题，增大了燃气涡轮工质流量，提高压气机和涡轮的效率。蒸汽的获得非常方便，普通不用外加热源：在燃气轮机单机循环中，可以利用燃气轮机的排气经过余热锅炉

10、获得冷却所需蒸汽；而在结合循环中，可以从蒸汽循环中获得冷却用蒸汽。目前，运用蒸汽冷却技术的结合循环机组热效率曾经突破60%。蒸汽冷却的开展最早要追溯到Rice，上世纪七十年代末，他提出了用蒸汽轮机循环获取的过热蒸汽去冷却燃气轮机叶片的想法。这个想法被Han 和Jenkins用实际分析的方法加以证明，他们以为由于蒸汽相比空气具有良好的热力学性质，在一样的形状下，以蒸汽为工质的气膜冷却效率比以空气为工质的气膜冷却效率高出一倍。在实验研讨上，Conkin先行了一步，他们设计了一个用于气膜冷却的直叶型，在此根底上分别研讨了空气和蒸汽的气膜冷却效果；得出了以下结论：1在一样的吹风比情况下，不同丈量位置的

11、蒸汽的气膜冷却效率大致是空气气膜冷却效率的两倍，而且随着丈量位置由叶片前端向后端的挪动，蒸汽的气膜冷却效率比空气的气膜冷却效率下降快；2在一样的丈量位置，蒸汽和空气的气膜冷却效率都随吹风比的增大而增大，但蒸汽的气膜冷却效率的增长率小于空气的气膜冷却效率增长率，且两者在吹风比为1附近时增长的幅度都明显下降。目前，GE公司曾经在其最新的H型燃气轮机上采用闭式蒸汽冷却技术，H型燃气轮机的开发第一次明确蒸汽冷却这一概念，并明确了蒸汽冷却下燃气轮机的一些设计要求：1对冷却蒸汽的要求。在蒸汽冷却系统的设计中，蒸汽的纯度是至关重要的，应防止杂质堆积在叶片喷嘴的内外表上。全部蒸汽应取自在汽包蒸发出的蒸汽以适于

12、蒸汽纯度的要求，并应对高压蒸汽进展温度调理，按规定蒸汽需进展全部过滤并运用除盐水。另外，在备用形状下，全部高压管线及冷却蒸汽管线中需求充溢氮气以防腐蚀。氮气系统可以是供余热锅炉的运用常规充氮系统的扩展。2对压气机设计的要求H型燃气轮机的压气机Fr7H和Fr9H由CF680C2航空发动机及LM6000燃气轮机衍生而来。Fr7H是由CF680C2航空发动机以2.6:1的比例放大而来的，而Fr9H是CF680C2以3.1:1的比例放大而来的，他们都添加了4级压气机叶片，但在叶片的安排上略有不同。性能方面，Fr7H具有231的压比及558kgs的空气流量，而Fr9H那么有685kgs的空气流量。此外，

13、为了防止蒸汽到达动叶片，GE采用通常用于航空发动机的密封技术管状密封。3火焰筒设计最初的H型熄灭系统是一个规范的铅合金火焰筒环型分布干式低氮氧化物设计。为顺应流量的添加，Fr9H及Fr7H机组的火焰筒直径与FA系列相比添加20%。Fr9H运用14只火焰筒，Fr7H运用12只火焰筒。日本的三菱重工在其M501G燃气轮机上也实现了蒸汽冷却技术的运用，热风洞丈量的结果显示，蒸汽冷却的冷却效果比空气冷却的冷却效果约高出5%，与常规的501F的熄灭室比较，蒸汽冷却的M501G节省通常用于熄灭室和过渡段冷却的冷却空气流量的10%20%。Corman J.C.以为：运用蒸汽冷却以后，随着涡轮进口燃气质量流量

14、的增大，涡轮的输出功率增大，同时也便于运用先进的预混熄灭室来降低污染；另外在注蒸汽燃气轮机循环中运用开式蒸汽冷却要优于闭式或半闭式蒸汽冷却；而在燃气-蒸汽结合循环中，在燃气轮机中运用闭式或半闭式蒸汽冷却更有效。在前人研讨的根底上，Yousef S.H. Najjar2003等人比较了空气冷却、开式蒸汽冷却和闭路蒸汽冷却三种冷却方案的性能。得出三种冷却方案下燃气轮机的循环效率和功率系数有明显的差别，其中闭路蒸汽冷却方案在总体性能上优于空气冷却和开式蒸汽冷却；即在一样的工况下，采用闭路蒸汽冷却方案的结合循环的功率系数、总效率分别比采用空气冷却的方案高出11%和3.2%。在中国，燃气轮机虽然历经了5

15、0年的开展，但与国外的先进技术相比，国内无论在整机设计还是制造方面与国外还有很大的差距。国内对蒸汽冷却的研讨还处在探求阶段，经过大量的实际分析，研讨人员对蒸汽冷却的效果达成共识，即以为与空气冷却方式相比，蒸汽冷却不仅可以提高系统效率，而且使系统具有良好的环保性能。2.3 汽雾冷却技术汽雾冷却是向蒸汽中添加水雾构成汽雾两相流来改善蒸汽换热才干的一项冷却技术，经过改善蒸汽的质量减少其耗费量，既保证了有效的冷却，又提高了涡轮系统的整体性能。美国克鲁森大学的科研小组对汽雾冷却进展了一系列根底性研讨，并获得一些进展。T.Guo等人对程度加热直管的汽雾冷却进展研讨，分析了壁面加热与不加热情况下汽雾的冷却效

16、果。此外，他们还研讨了水雾浓度和液滴的大小及其分布对冷却效果的影响：水雾浓度过低，液滴热沉作用不明显，反过来，雾浓度过高，易产生液膜，呵斥部分过冷；液滴过小，不易穿过热边境层，强化不明显，液滴过大，其随动性较差。由于汽雾冷却仍处于探求阶段，相关文献不是很多，但作为一项新的叶片冷却技术，其前景是诱人的。3 终了语课上，教师对燃气轮机现状的分析让我的心境有些繁重，国内的技术虽然落后，但为什么我们砸了钱，出了人，研讨了几十年，依然没有起色，在写这篇作业的过程中，我仔细对比了国内外所获得的成果，发现国内的成果主要集中在可行性分析，实际初探，真正到了要花钱的地方，我们还是捉襟见肘，而国外的研讨机构和企业

17、，如GE和三菱，他们舍得花钱去实验。当然，科研经费的差距不容忽视，我们如今能做的就是在现有的条件下，尽能够的把实际研讨透了，以减少实验的本钱。就燃气轮机叶片冷却而言，我们似乎任重而道远。参考文献1 程代京,谢永慧. HYPERLINK d.wanfangdata/ExternalResource-rndlgc202101001%5e1.aspx 燃气轮机传热和冷却技术M.2005.2 张效伟,朱惠人. HYPERLINK d.wanfangdata/Periodical_rndlgc202101001.aspx t _blank 大型燃气涡轮叶片冷却技术J.热能动力工程.2021年1期.3 史

18、珂. HYPERLINK 蒸汽冷却涡轮导向叶片流动与传热的数值模拟和分析D. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,(01) 4 糜洪元.国内外燃气轮机发电技术的开展现状与展望J.电力设备,2006(10):810.5 胡宗军,吴铭岚采用蒸汽冷却的各种燃气轮机循环性能分析J.上海交通大学学报,1999(3):335338.6 段立强,林汝谋,杨勇平. 燃气轮机采用不同冷却技术对IGCC系统性能影响J.工程热物理学报,2005(6):17207 Yousef S. H. Najjar, Abdullah S. Alghamdi and Mohammad H. Al-Beirutty. Comparative performance of combined gas turbine systems under three different blade cooling schemes. Applied Thermal Engineering, Volume 24, Issue