叶片冷却技术在燃气轮机进口初温中的应用

叶片冷却技术在燃气轮机进口初温中的应用

0超温氧化叶片冷却是其冷却空气系统的重要组成部分。冷却对象是高温气通道的高温热件。防止燃气通道中的高温部件因超温受到损坏,在燃气轮机中是通过两条措施来实现的,第一条措施是对高温燃气通道中的热部件进行冷却,第二条措施是设置温度控制系统和超温报警以及超温遮断跳闸保护系统。其中,冷却空气系统的采用,除了保护高温部件不受到超温损害外,还可以提高燃气轮机进口初温,从而提高机组的出力和热效率。1透平冷却空气冷却器的原理M701F型燃气轮机冷却空气流程如图1所示,压气机出口气体经透平冷却空气冷却器冷却后对透平转子、轮间部分、静叶护环和1、2、3级动叶进行冷却;压气机14、11、6级抽气分别对2、3、4级静叶进行冷却,而由压气机出口空气直接冷却1级静叶;来自6级抽气和压气机出口经透平冷却空气(TCA)冷却器冷却后的气体去冷却透平框架。如图2所示,透平冷却空气用冷却风扇来冷却从压气机出口的空气,再将这些冷却的空气导回透平的高温部件。在调试阶段,需要对冷却器进行旋转排放冲洗和鼓风冲洗,之后通过手动部分开启旁路阀,调节冷却器出口温度,正常运行后,1条抽出空气管道分为6条支线管道以平衡TCA冷却器的进口空气供给,在TCA冷却器的进口和出口没有设置隔离阀。TCA的冷却风扇能达到在燃机最大运行条件下的冷却容量,当热空气穿过管道时,它的温度会从大约450℃降到200℃左右,然后回到燃气轮机的高温部件进行冷却。通过监视冷端冷却空气温度(对应转子冷却空气温度),来确定冷却风扇运行台数,使转子冷却空气温度被控制在许可范围内,如果转子冷却空气温度上升到260℃以上则报警。透平冷却空气冷却器出口是一个叶片型、免维护的冷却空气过滤器(见图2)。叶片型滤网使用惯性力,当空气流动方向改变时,清洁空气转到另一个方向,通过叶片部分,尘土以直线通道跑出并在头部被捕捉,而有尘土的空气被导至排气管道,与燃气轮机排气一起排出。由于有灰尘的空气被排出了,不存在滤网的堵塞,因此滤网进出口之间没有压差装置来监视滤网的堵塞。冷却空气流向如图3所示,第1级静叶的冷却空气从压气机出口,经燃烧室的火焰筒周围空腔引出,流过第1级静叶环套,再流入第1级空心静叶内部冷却通道,冷却静叶后从静叶出气边小孔排至主燃气流中;第2、3、4级静叶的冷却空气分别来自压气机的第14、11、6级抽气,首先进入内外缸之间的夹层,然后引入空心静叶内部冷却通道,冷却静叶后从静叶出气边小孔排至主燃气流中。经过TCA冷却器的冷却空气分成二股,一股经第1级轮盘上的径向孔引至第1级动叶根部,再流入第1级空心动叶内部冷却通道进行冷却后,从叶顶和叶片出气边小孔排至主燃气流中;另一股空气经第1级轮盘上的轴向孔流至第2、3、4级轮盘之间的空腔,经叶根槽底部的径向孔去冷却第2、3、4级轮缘及叶根。这样,使每级叶轮的进气侧和出气侧都有冷却空气流过,燃气透平各级叶轮的表面全部被冷却空气所包围,与燃气完全隔开,冷却效果很好,燃气轮机进口初温在1400℃的情况下,保证了透平能够长期安全运行。2空气冷却和叶根冷却,是在充冷却空气对叶片的冷却主要有两种方式:(1)以冷却空气吹向叶片外表面进行冷却;(2)把冷却空气通入空心叶片内部的专门通道进行冷却。前者是使空气经过喷孔喷向轮缘,同时经过叶根上的槽孔、装配间隙来冷却叶根,使叶片及轮缘的温度降低,这种冷却方式可使叶根的截面温度比该处的燃气温度约低50～100℃;后者把空气引入空心叶片内部,可使整个片都得到冷却,且比该处的燃气温度降低100℃及以上。应用于燃气轮机叶片的各种冷却技术和冷却效果如图4所示:(1)防止边界气封当冷却空气和燃气在空心叶片内外壁面流过时,空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却叶片,在空心动叶片出气边中间沿半径方向有一组大小不同、型式不同的小孔,对流冷却后的冷却空气即通过动叶上这些小孔排入主燃气流继续做功,冷却空气的排出除靠自身的压力之外,还可以借助离心力作用被甩出,增加了冷却空气的流动速度,改善了冷却效果,被甩出的冷却空气以较大的速度垂直地冲向气缸内壁,形成一层防止沿径向间隙漏气的气封层,起到阻止主气流的漏气和潜流的作用。(2)关闭流冷却叶片内部的冷却空气通道被设计为多通道、曲线型,并在通道内设有绕流槽,通过增强扰动换热来改善冷却效果。(3)冲击冷却、冷却空气去空气的输出在空心叶片的内部嵌入导管,导管上开有许多小孔,冷却空气先流入导管,再从导管上的小孔流出,直接向被冷却的叶片内表面喷射进行冷却,由于冲击作用使放热系数增大而提高冷却效果,故称冲击冷却。之后,冷却空气沿导管与空心叶片内表面之间作横向流动进行对流冷却,最后从叶片出气边小孔排出。在采用冲击冷却时,还伴有对流冷却,是一种综合的冷却技术。(4)解决气膜在空心叶片的表面上开有许多排小孔或缝隙,冷却空气从这些小孔或缝隙顺着燃气流动的方向流出,在叶片表面形成一层气膜,把叶片表面与燃气隔开而对叶片起到保护作用,减少燃气对叶片表面的热交换,同时又冷却叶片。(5)多孔材料的冷却效果当空心叶片用多孔的透气材料制作时,叶片内部的冷却空气就像“出汗”那样从叶片表面渗出,由于空气流动时与多孔壁的接触十分良好,可带走大量热量,而流出多孔壁后,又在叶片表面各处都形成保护薄膜,故它能达到极其良好的冷却效果。(6)空心静叶常用冷却技术通过在叶片的出气边布置多排针状筋、鳍片,以增大热交换面积。由于M701F型燃气轮机第1级静叶和动叶的工作条件恶劣,所以静叶和动叶所采取的冷却技术也最为复杂,如图5所示,第1级空心静叶采用头部喷流冷却、冲击冷却、气膜冷却和针鳍冷却,静叶内部用3个带孔的导管将冷却空气隔开,冷却空气通过内外缸之间的夹层引入静叶,从静叶的一端流入空心静叶内部的3个导管,进入导管中心的冷却空气通过导管壁的小孔垂直射向空心静叶内表面,利用冲击冷却形成湍流换热,静叶出气边横向布置的针鳍片增强了冷却空气与静叶表面的换热效果,在叶片出气边形成气膜冷却和针鳍冷却,沿静叶进气边及叶片表面小孔喷出的冷却空气同时又环绕叶身形成气膜冷却,同时在各部分还伴有对流冷却,这样的冷却效果是很明显的,但冷却空气流量并没有明显的增加。如图5所示,第1级动叶采用头部喷流冷却、绕流冷却、气膜冷却和针鳍冷却,动叶内部是多通道曲线型通道,其内有绕流槽,以增强扰动换热,即绕流冷却。在动叶进气边同样采用头部喷流冷却和气膜冷却,动叶尾部采用针鳍冷却。这些冷却技术的综合效应可以使叶片的金属温度低于主燃气流温度300～600℃,确保金属温度始终保持在材料允许的强度极限温度(约800℃)以下。如图6、7所示,透平第2级静叶主要采用了气膜冷却、冲击冷却和针鳍冷却;第3级静叶主要采用了气膜冷却和绕流冷却;第4级静叶则主要采用对流冷却。第2级动叶主要采用了绕流冷却和针鳍冷却;第3级动叶主要采用了针鳍冷却、气膜冷却和多孔冷却;第4级动叶则没有进行冷却。3静叶片损伤的防治叶片冷却最担心出现的问题:1)转子、动叶的冷却空气温度高(TCA故障引起);2)转子、动叶的冷却空气流量低(TCA出口滤网故障引起);3)冷却孔堵塞(主气流被污染程度高)等。通常,静叶片损坏的主要原因为表面冷却孔被异物堵塞,这些异物为:1)低合金钢(铁、铬、镍):分布在压气机转子轮盘上的金属物质,由主气流带入;2)铁:燃气轮机转子冷却空气管和燃气轮机空气冷却器,由冷却空气过滤器的排污管进入主气流;针对以上分析,可采取补救与预防措施:(1)在排污管上安装临时过滤嘴;(2)在透平检查时,对压气机进行拆卸检查