燃氣輪機葉片冷卻技術.ppt

燃氣輪機葉片冷卻技術 專業(yè) 化機學生 陳連軍指導老師 魏進家教授 2009 4 10 燃氣輪機簡介燃氣輪機熱力循環(huán)當前燃氣輪機存在的主要問題燃氣輪機葉片冷卻技術 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 把其部分熱能轉換為機械能的高速回轉式動力機械 它一般由壓氣機 燃燒室 透平 控制系統及基本的輔助設備組成 它輸出的功率用來驅動發(fā)電機 泵 鼓風機 螺旋槳或車輪等負荷 圖26FA燃氣輪機示意圖 二 燃氣輪機熱力循環(huán) 圖3理想燃氣輪機循環(huán)布置圖 1 2絕熱壓縮2 3等壓加熱3 4絕熱膨脹4 1等壓放熱 圖4理想燃氣輪機布雷頓循環(huán)p v T s圖 理想循環(huán)比功 三 當前燃氣輪機存在的主要問題 1 提高效率問題 提高燃氣溫度是提高燃氣輪機效率的主要手段 提高壓比 研制高溫材料 陶瓷葉片改進冷卻技術 提高單級壓比 采用跨聲速級 壓比可達1 5 2 0提高整機壓比 余熱利用 蒸汽回注技術 回熱燃氣蒸汽聯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 加工困難 四 燃氣輪機葉片冷卻技術 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 沖擊冷卻內部強化對流換熱氣膜冷卻層板冷卻壁面通道冷卻熱管冷卻 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 引起熱應力 在冷氣流沖擊的駐點區(qū)壁面上有很高的換熱系數 因此可以利用這種方式進行重點冷卻 圖7沖擊冷卻結構 2 內部強化對流換熱 圖8擾流柱冷卻結構 圖9肋通道冷卻結構 燃氣溫度較低時只需在通道內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2 3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 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 它通過在高溫部件表面開設槽縫或者小孔 將冷卻介質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 a M701F第一級靜葉冷卻結構圖 b M701F第一級靜葉冷卻結構圖 圖12M701F第一級葉片冷卻結構圖 4 層板冷卻 a 層板結構示意圖 b 多孔層板全氣膜傳熱 在高溫部件冷卻中 為了有效利用空氣 在形成氣膜之前 一定要增強內部對流換熱 可以通過內部對流冷卻 沖擊冷卻 擾流柱 肋壁等強化換熱方式對葉片進行冷卻 基于這種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結構 圖13層板冷卻結構及傳熱圖 5 壁面通道冷卻 圖14壁面通道冷卻結構 壁面通道冷卻是在氣膜冷卻和通道內強化換熱的基礎上增加了沖擊冷卻 也可以說是在層板冷卻的基礎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 沖擊孔和氣膜孔的位置對壁面通道內流動結構影響顯著 當有內部橫流存在時 壁面通道過長 會導致通道內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部 6 熱管冷卻 熱管冷卻屬于新型冷卻技術 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用是全新的概念 用什么冷卻工質 如何帶走傳遞的熱量以及如何保證動葉片高轉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 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 或者不變 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 抽氣冷卻也有不利的影響 增加透平的鼓風損失當用空氣冷卻透平轉子時 尤其是采用單流程的空心葉片時 透平轉子就像鼓風機那樣帶動冷卻空氣高速旋轉 由于鼓風機的功率約和轉速的三次方成正比 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壓氣機壓縮而具有一定的壓力 但由于冷卻系統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作功 這實際上相當于漏氣損失的增加 摻入主流時引起紊流損失冷卻空氣完成冷卻任務后 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 影響到透平的內效率 可用熱量損失高溫零件傳出的熱量 實際上來自工質 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 因此在設計時應仔細考慮得失 盡量少抽氣 少抽壓力較高的氣 而且抽出