燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣量計(jì)算及變工況分析匯總

1、燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣量計(jì)算及變工況分析姜聰（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢，430000）Study on calculation and part load operation of cooling airallocation for gas turbine10JIANG CongHuBei Electric Power Design Institute ， HuBei Wuhan， 430000） 滿足實(shí)際工程和理論分析需要。2冷卻空氣量計(jì)算數(shù)學(xué)模型燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻空氣系統(tǒng)按冷卻 工質(zhì)可以分為開式空氣冷卻系統(tǒng)和閉Abstract：Based on the in formatio ns of hu

2、rge gas turb in e,this paper has researched the ways of calculati on about cooli ng-air proport ion of Sienens V94.3.Accord ing the cooli ng modeL and theorem to the blade of turb ine gas,we can get the model of calculati on about cooli ng-air proporti on. This way is easy to comperhe nd, and the pr

3、ecision is fulfill to realistic requireme nt.Key Words: Gas turbi ne; Cooli ng air; Calculatio n methods摘要：根據(jù)大型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)和性能資 料，本文對(duì)西門子 V94. 3燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空 氣量的計(jì)算方法進(jìn)行了研究。從燃?xì)馔钙饺~片冷卻方式和機(jī)理入手，得到燃機(jī)冷卻空氣 量的計(jì)算模型。該方法簡(jiǎn)單理解容易，計(jì)算精度滿足實(shí)際工程分析需要。關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)，冷卻空氣，計(jì)算方法1刖言隨著燃?xì)廨啓C(jī)在電力工業(yè)中的應(yīng)用， 大容量高參數(shù)的機(jī)組可以得到較高的 效率和經(jīng)濟(jì)收益。然而，透平初溫受 到材料等因素的制約，不

4、能無限制地 提高。所以對(duì)燃機(jī)高溫部件的冷卻就 顯得尤為重要。所以，對(duì)于燃機(jī)技術(shù)， 冷卻空氣量的計(jì)算和分析對(duì)于了解燃 機(jī)實(shí)際性能和制造技術(shù)都有重大的實(shí) 際意義。本文通過對(duì)燃機(jī)葉片幾種冷卻方 式的分析，采用熱力學(xué)、傳熱學(xué)理論， 分別推導(dǎo)出冷卻空氣量的計(jì)算方法， 計(jì)算方法簡(jiǎn)單、易于理解，計(jì)算精度 式空氣冷卻系統(tǒng)；按葉片的冷卻方式 分：對(duì)流冷卻（內(nèi)冷卻）、氣膜冷卻（外 冷卻）、沖擊冷卻和蒸發(fā)冷卻等。本文 首先建立冷卻空氣量計(jì)算模型，然后 以具體燃機(jī)分析計(jì)算，驗(yàn)證計(jì)算模型 方法的準(zhǔn)確性。2.1對(duì)流冷卻當(dāng)冷卻空氣和燃?xì)庠诳招娜~片內(nèi) 外壁面流過時(shí)，通過冷卻空氣進(jìn)行對(duì) 流傳熱降低葉片工作溫度。在空心動(dòng) 葉片出

5、氣邊中間沿半徑方向有一組大 小不同、型式不同的小孔，對(duì)流冷卻后 的冷卻空氣即通過動(dòng)葉上這些小孔排 入主燃?xì)饬骼^續(xù)做功。冷卻空氣的排 出除靠冷卻空氣本身的壓力之外，還可以借助離心力作用被甩出，增加了 冷卻空氣的流動(dòng)速度，改善了冷卻效 果。對(duì)流冷卻是通過冷卻空氣和燃?xì)?間的對(duì)流換熱，達(dá)到冷卻葉片的目的。 對(duì)流換熱的流程見圖1。圖1燃機(jī)葉片對(duì)流換熱流程圖由能量平衡可得對(duì)流換熱的傳熱量 Qnet 2:Qnet - Wc Cpc (Tco - Tci)-Wg C pg (Tgi _Tgo)( 1 )由對(duì)流傳熱計(jì)算公式可得：Qnet 二'g Ag 仃gi -Tbi)(2)假設(shè)Tco %，定義冷卻效

6、率：=Tco -幾(3)Tbl -Td聯(lián)立上面(1)、( 2)式可得：W Cpc(Tbl -Tci)二 Wg Cpg (Tgi _Tgo)%Cpc將式(3)、( 5)代入(4)得:(-0) = ' Wc=扎WgW(G -Tbl)-Cpc 'Cpg，Vg,(TbTci )CpgTgj Tb|£ CP c_Stg-T gT T b lTbT T ci 定義 Stg 數(shù)：Stg =:'g=：g Asg (Tgi _Tbl)( 4)其中：T表示溫度；W 表示質(zhì)量 流量；A表示面積，V表示體積流量； 下腳標(biāo)c和g分別表示冷卻空氣和燃 氣；下腳標(biāo)i和o表示進(jìn)口和出口狀態(tài)

7、點(diǎn)；Tbl表示對(duì)流換熱壁溫；:-g表示對(duì)流換熱系數(shù)；Asg表示對(duì)流換熱面積；冷卻效力；。二Tgi Tbl，WTgi - Tci令CP A Stg可得:喘=CW(7)即得到對(duì)流冷卻空氣量計(jì)算模型:Cpc和Cpg分別表示冷卻空氣、燃?xì)獾?定壓比熱容。圖2燃機(jī)葉片示意圖及相關(guān)參數(shù)(8)又定義'面積比，葉片參數(shù)Ag如圖2所示，其中H為葉高；s為柵距；c為弦長(zhǎng)。2H c_，Ag H s sin。2.2氣膜冷卻在空心葉片的表面上開有許多排 小孔或縫隙，冷卻空氣從這些小孔或 縫隙順著燃?xì)饬鲃?dòng)的方向流出，在葉 片表面形成一層氣膜，把葉片表面與 燃?xì)飧糸_而對(duì)葉片起到保護(hù)作用，減少燃?xì)鈱?duì)葉片表面的熱交換，

8、同時(shí)又 冷卻葉片，如圖3所示，冷卻氣膜和 燃?xì)忾g進(jìn)行換熱，從而達(dá)到冷卻葉片 的目的。流程與對(duì)流換熱相似，見圖4。所以，Asg(5)圖3燃機(jī)氣膜冷卻示意圖氣膜冷卻換熱平衡：=WcCpc Tco -Tci 1圖5燃機(jī)蒸發(fā)冷卻示意圖參考文獻(xiàn)3中得到蒸氣冷卻時(shí) 換熱系數(shù)與沒有蒸發(fā)冷卻時(shí)換熱系數(shù)關(guān)系為3:(9)其中，fg為氣膜冷卻情況下的傳熱系數(shù)；Taw為冷卻氣膜溫度，即燃?xì)馀c冷B-=Sta Stg = （ 12）:gexp B -1其中WjAsg表示單位面積冷卻空氣量,B =Wc Ag-PpgVgStg冷卻換熱系數(shù)。卻空氣局部冷卻后的絕熱溫度；f為 氣膜冷卻效力，；f =5 _TaW。Tgi -Tgo

9、Ie If Tp Igw 圖6燃機(jī)蒸發(fā)冷卻流程圖圖4燃機(jī)氣膜冷卻流程圖 結(jié)合上文對(duì)流冷卻關(guān)系式可得：+ 気一（1 一“卜Ef 気呵nWf_0 f（ 10）n1 名0 ）冷卻空氣比例：請(qǐng)CW （11）g2.3蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)冷卻相當(dāng)于閉式蒸發(fā)冷卻， 是通過水的蒸發(fā)吸熱來達(dá)到冷卻葉片 的目的，見圖5、6。蒸發(fā)冷卻相比空 氣冷卻有以下優(yōu)點(diǎn)：冷卻效果好，節(jié) 省壓縮空氣，提高燃機(jī)效率。當(dāng)Cpg與Cpc相差不大時(shí)，則W = B ；即 Whg ：ha =exp W -1。又；0 = 1 - exp W所以由W丄In1二C W =C ln()(13)1-£o3燃機(jī)冷卻空氣變工況3.1變工況計(jì)算單軸燃?xì)廨?/p>

10、機(jī)透平的級(jí)數(shù)較少， 一般為35級(jí)，而膨脹比又較大。這樣，在透平第一級(jí)噴嘴中將發(fā)生阻塞 流動(dòng)。根據(jù)弗留格爾公式有：mi p0（ 14）Jro（ 14）mid pid Ti冷卻空氣量變工況：WC 二 Wed Pc Tcd（ 15）Ped Y Tc其中，m為透平進(jìn)口燃?xì)饬髁?；p0和分別表示透平進(jìn)口燃?xì)獾臏箟毫蜏囟?；Pc和Tc表示冷卻空氣的壓力和溫度。下表i表示級(jí)數(shù)，d表示設(shè)計(jì) 工況數(shù)值。3.2冷卻空氣量對(duì)燃機(jī)效率的影響 當(dāng)考慮抽氣用于冷卻透平時(shí)，冷卻 空氣必然會(huì)對(duì)燃?xì)馔钙街械娜細(xì)馀蛎?過程產(chǎn)生影響。由于冷卻空氣的溫度 和焓值較燃?xì)庑?，所以等量的燃?xì)庠?透平中的作功必然減少，進(jìn)而，等熵 效率將會(huì)發(fā)

11、生變化，見圖7。葉冷卻空氣入口，s表示等熵工況。4算例分析本文以西門子V94. 3燃?xì)廨啓C(jī)為 例，采用上述計(jì)算模型簡(jiǎn)要計(jì)算冷卻 空氣量。4.1西門子V94.3燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù) 西門子V94.3燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣 量分配（見圖8）: （a）壓氣機(jī)級(jí)數(shù)17,進(jìn) 口導(dǎo)葉可調(diào)，前三級(jí)靜葉亦可調(diào)；冷 卻空氣分別取自第4級(jí)靜葉后、第9 級(jí)靜葉后、第13級(jí)靜葉后以及第17 級(jí)靜葉后的排氣腔；（b）透平級(jí)數(shù)4, 壓氣機(jī)第17級(jí)后抽氣在外部冷卻后用 于冷卻第1級(jí)靜葉、葉輪和動(dòng)葉，第2、 3、4級(jí)葉輪及第2、3級(jí)動(dòng)葉用壓氣機(jī) 第13級(jí)靜葉后抽氣冷卻，第4級(jí)動(dòng)葉 不冷卻，第2、3、4級(jí)靜葉分別用第 13級(jí)、第9級(jí)以及

12、第4級(jí)靜葉后抽氣 冷卻；（c）設(shè)置兩個(gè)水平臥式圓筒型燃 燒器，裝設(shè)8個(gè)混合型燃燒器，采用 雙層殼體設(shè)計(jì)?；鹧嫱矁?nèi)襯陶瓷掛片， 熱煙氣流道（或稱過渡段）裝有空氣冷 卻的金屬防熱片4,5。圖8西門子V94.3燃機(jī)冷卻空氣量分配圖 西門子V94.3型燃?xì)廨啓C(jī)性能參61數(shù)如下表1:圖7考慮冷卻空氣時(shí)燃?xì)馔钙搅鞒淌疽鈭DW(mh)c (mg (ml% -仲施性能參數(shù)單位數(shù)值轉(zhuǎn)速r/min3000空氣流量kg/s612排氣流量kg/s624壓比-16.3ISO溫度c1160轉(zhuǎn)子入口溫度c1290透平進(jìn)口溫度c1340表1:西門子V94.3燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)(16)W(mh)o (mh)2 (mh)4 -(mh

13、)s 其中：W,、W2為燃?xì)廨啓C(jī)的透平凈功率、毛功率（即沒有考慮軸損失和散 熱損失），m、h分別表示質(zhì)量和焓值， 下表數(shù)字0、1、2和4分別表示透平 進(jìn)口、出口、噴嘴冷卻空氣入口、動(dòng)2H cH s sin 二sc 0.8 ；排氣溫度C550Nox排放ppm35功率MW222效率%36.24.2計(jì)算參數(shù)的選取(1) Te有幾種不同的定義，a燃燒 室的出口溫度；b)燃?xì)馔钙降谝患?jí)噴 嘴后的燃?xì)鉁囟龋籆)以所有進(jìn)入透平 的空氣流量計(jì)算的平均溫度。本文這 里采用的第一種；(2) Tbi取值范圍：850900 C,本文取為850C；(3 )葉型參數(shù):：15 , =10 ,Cpg jCpc ： 1 即Cp

14、g'Cpc ：T0(4)取值范圍：0.60.8,本文取為 0.7，貝U K 二 C =0.054.3計(jì)算結(jié)果及分析綜合各參數(shù)的取值和計(jì)算方法, 計(jì)算結(jié)果如下表2所示。表2:西門子V94.3冷卻空氣量計(jì)算結(jié)果第4級(jí)第9級(jí)第13級(jí)第17級(jí)合計(jì)冷卻 效力0.4370.4750.4520.5235冷卻 空氣 量%0.03880.04520.04120.05480.180其中冷卻空氣的百分比是指冷卻 空氣占各級(jí)進(jìn)口燃?xì)獾谋壤C(jī)特性分析可起到一定的作用。(2) 本文實(shí)例計(jì)算中采取了一些近似 計(jì)算，特別是燃?xì)獬鯗?、壁溫的取?對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響。實(shí)際計(jì)算 中還應(yīng)考慮在冷卻過程中燃?xì)夂屠鋮s 空氣

15、的溫度不斷的變化以及冷卻葉片 具體型式的變化對(duì)冷卻空氣流場(chǎng)變化 的影響。(3) 燃機(jī)冷卻是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程， 本文只能是作為燃機(jī)冷卻空氣量的估 算，可運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)復(fù)雜過 程進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際。參考文獻(xiàn)1 翁史烈.燃?xì)廨啓C(jī)M.北京：機(jī)械工業(yè) 出版社，1987 .2 Horlock,J.H,a nd Wats on ,D.T. Limitatio ns on Gas Turb ine Performa nee Imposed by Large Turbine Cooli ngFlowsJ.Jour nal of Engineering for Gas Turbine and Power. JULY 2001,Vol.123,487494.3 Kays,W.M,Crawford,M.E. Con vectiveHeat and MassTra nsferM.3rEd,McGraw- Hill, 1993,New York.4 鄧世敏，危師讓，林萬超.IGCC系統(tǒng) 專用單元模型研究J.中國電機(jī)工程學(xué)