燃气轮机叶片冷却技术.ppt

燃气轮机叶片冷却技术 专业 化机学生 陈连军指导老师 魏进家教授 2009 4 10 燃气轮机简介燃气轮机热力循环当前燃气轮机存在的主要问题燃气轮机叶片冷却技术 目录 一 燃气轮机简介 燃气轮机是将气体压缩 加热后在透平中膨胀 把其部分热能转换为机械能的高速回转式动力机械 它一般由压气机 燃烧室 透平 控制系统及基本的辅助设备组成 它输出的功率用来驱动发电机 泵 鼓风机 螺旋桨或车轮等负荷 图26FA燃气轮机示意图 二 燃气轮机热力循环 图3理想燃气轮机循环布置图 1 2绝热压缩2 3等压加热3 4绝热膨胀4 1等压放热 图4理想燃气轮机布雷顿循环p v T s图 理想循环比功 三 当前燃气轮机存在的主要问题 1 提高效率问题 提高燃气温度是提高燃气轮机效率的主要手段 提高压比 研制高温材料 陶瓷叶片改进冷却技术 提高单级压比 采用跨声速级 压比可达1 5 2 0提高整机压比 余热利用 蒸汽回注技术 回热燃气蒸汽联合装置总能量综合利用 2 燃用便宜材料同时限制污染及腐蚀问题重燃料 核燃料 降低NOX的排放 3 增加单机功率问题单机功率受燃气温度和流量等的限制4 简省维护问题5 高效变工况问题6 降低材料工艺成本问题叶片型线要求高 高温合金硬度高 加工困难 四 燃气轮机叶片冷却技术 燃气轮机的效率随着涡轮入口温度的提高而增加 目前的燃气温度已经远高于叶片材料的温度极限 所以必须对涡轮叶片进行有效的冷却才能保证涡轮的正常工作 冲击冷却内部强化对流换热气膜冷却层板冷却壁面通道冷却热管冷却 叶片冷却方法 1 高温部件的抽气冷却方法 图5各种冷却形式及效率图 b 典型静叶片冷却 a 典型的动叶片冷却 图6典型的叶片冷却 1 冲击冷却 冲击冷却属于对流换热 是强化换热的一种手段 冲击冷却主要是利用高速气流冲刷被冷却表面 以达到冷却目的 多用于高温部件的内部 特别是涡轮叶片的前缘部位 主要缺点是压力损失大 容易造成被冷却区域较大的温度梯度 引起热应力 在冷气流冲击的驻点区壁面上有很高的换热系数 因此可以利用这种方式进行重点冷却 图7冲击冷却结构 2 内部强化对流换热 图8扰流柱冷却结构 图9肋通道冷却结构 燃气温度较低时只需在通道内部有适量的冷气流流动将热量带走就可使叶片正常工作 随着燃气温度的提高 通道内壁面开始布置扰流肋来带走更多的热量 扰流肋的增加可使换热增强2 3倍 肋可使主流发生再附着 在肋后可形成漩涡流动 在附着流动可以显著提高换热系数 漩涡流动虽然可以使换热得到增强 但是在肋根处由于速度接近0反而使换热减弱 倾斜布置肋时 扰流肋会起到导流作用 在带肋壁面附近会形成平行于肋方向的二次流动 从而使斜肋的换热效果比直肋的换热效果更佳 3 气膜冷却 图10典型的气膜冷却叶片 图11气膜冷却简图 气膜冷却是一种广泛采用的有效冷却技术 它通过在高温部件表面开设槽缝或者小孔 将冷却介质以横向射流的形式注入到主流中 在主流的压力和摩擦作用下 射流弯曲并覆盖于高温部件表面 形成温度较低的冷气膜 从而对高温部件起到隔热和冷却作用 透平叶片采用气膜冷却后 可以提高透平进口温度 增加热效率 提高推重比及降低油耗 例 M701F叶片冷却技术 a M701F第一级静叶冷却结构图 b M701F第一级静叶冷却结构图 图12M701F第一级叶片冷却结构图 4 层板冷却 a 层板结构示意图 b 多孔层板全气膜传热 在高温部件冷却中 为了有效利用空气 在形成气膜之前 一定要增强内部对流换热 可以通过内部对流冷却 冲击冷却 扰流柱 肋壁等强化换热方式对叶片进行冷却 基于这种理论及全气膜冷却形成了多层壁气膜冷却结构 图13层板冷却结构及传热图 5 壁面通道冷却 图14壁面通道冷却结构 壁面通道冷却是在气膜冷却和通道内强化换热的基础上增加了冲击冷却 也可以说是在层板冷却的基础上去掉了扰流柱强化换热 在工艺上比层板冷却简单 比较容易实现 冲击孔和气膜孔的位置对壁面通道内流动结构影响显著 当有内部横流存在时 壁面通道过长 会导致通道内部压力分布的不均匀从而使不同气膜孔的出流量差别较大 甚至会发生燃气倒灌入通道内部 6 热管冷却 热管冷却属于新型冷却技术 由于热管具有极高的热效率 可以有效的减少冷气的用量 同时热管靠液体气化来吸收热量 当热端部件的传热量增加 热管的冷却能力也随之增强 但是目前叶片的热管冷却应用是全新的概念 用什么冷却工质 如何带走传递的热量以及如何保证动叶片高转速工况下热管的正常工作都需要进行理论和实验确证 2 抽气冷却对燃气轮机性能的影响 图15燃气轮机冷却空气系统 抽出燃气轮机压气机中的空气来冷却高温零件 就可以提高燃气轮机温度 因而可以提高装置的热效率并增加装置的比功 或者不变 材料不变 因冷却降低了叶片冷却温度 对镍基合金来说 工作温度降低450 使用寿命延长10倍 然而 另一方面 抽气冷却也有不利的影响 增加透平的鼓风损失当用空气冷却透平转子时 尤其是采用单流程的空心叶片时 透平转子就像鼓风机那样带动冷却空气高速旋转 由于鼓风机的功率约和转速的三次方成正比 而且冷却空气的流量也不小 因此 这种冷却方式消耗功率很大 压气机压缩功的损失抽出的冷却空气曾经压气机压缩而具有一定的压力 但由于冷却系统通道中的流动阻力而损失掉一部分 不能再透平中全部恢复作功 这实际上相当于漏气损失的增加 掺入主流时引起紊流损失冷却空气完成冷却任务后 还有剩余压力以便就地并入主流 这样虽然在某种程度上利用了冷却空气中的压力和热量 但是当冷却空气掺入主流时就会扰乱燃气主流线和参数 影响到透平的内效率 可用热量损失高温零件传出的热量 实际上来自工质 在工作膨胀过程中 传出热量是很不利的 起了和再热相反的作用 如果这部分能量不加以利用 则会转变为损失 如果冷却空气仍旧掺回燃气主流 则由于高势位热量变成了低势位热量 可利用的热量仍要减少 由于抽气冷却具有上述不利因素 因此在设计时应仔细考虑得失 尽量少抽气 少抽压力较高的气 而且抽出