燃氣輪機冷卻空氣量計算及變工況分析匯總

1、燃氣輪機冷卻空氣量計算及變工況分析姜聰（湖北省電力勘測設計院，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） 滿足實際工程和理論分析需要。2冷卻空氣量計算數(shù)學模型燃氣輪機的冷卻空氣系統(tǒng)按冷卻 工質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)大型燃氣輪機的結構和性能資 料，本文對西門子 V94. 3燃氣輪機冷卻空 氣量的計算方法進行了研究。從燃氣透平葉片冷卻方式和機理入手，得到燃機冷卻空氣 量的計算模型。該方法簡單理解容易，計算精度滿足實際工程分析需要。關鍵詞：燃氣輪機，冷卻空氣，計算方法1刖言隨著燃氣輪機在電力工業(yè)中的應用， 大容量高參數(shù)的機組可以得到較高的 效率和經(jīng)濟收益。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。所以對燃機高溫部件的冷卻就 顯得尤為重要。所以，對于燃機技術， 冷卻空氣量的計算和分析對于了解燃 機實際性能和制造技術都有重大的實 際意義。本文通過對燃機葉片幾種冷卻方 式的分析，采用熱力學、傳熱學理論， 分別推導出冷卻空氣量的計算方法， 計算方法簡單、易于理解，計算精度 式空氣冷卻系統(tǒng)；按葉片的冷卻方式 分：對流冷卻（內冷卻）、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算模型，然后 以具體燃機分析計算，驗證計算模型 方法的準確性。2.1對流冷卻當冷卻空氣和燃氣在空心葉片內 外壁面流過時，通過冷卻空氣進行對 流傳熱降低葉片工作溫度。在空心動 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，對流冷卻后 的冷卻空氣即通過動葉上這些小孔排 入主燃氣流繼續(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 冷卻空氣的流動速度，改善了冷卻效 果。對流冷卻是通過冷卻空氣和燃氣 間的對流換熱，達到冷卻葉片的目的。 對流換熱的流程見圖1。圖1燃機葉片對流換熱流程圖由能量平衡可得對流換熱的傳熱量 Qnet 2:Qnet - Wc Cpc (Tco - Tci)-Wg C pg (Tgi _Tgo)( 1 )由對流傳熱計算公式可得：Qnet 二'g Ag 仃gi -Tbi)(2)假設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 表示質量 流量；A表示面積，V表示體積流量； 下腳標c和g分別表示冷卻空氣和燃 氣；下腳標i和o表示進口和出口狀態(tài)

7、點；Tbl表示對流換熱壁溫；:-g表示對流換熱系數(shù)；Asg表示對流換熱面積；冷卻效力；。二Tgi Tbl，WTgi - Tci令CP A Stg可得:喘=CW(7)即得到對流冷卻空氣量計算模型:Cpc和Cpg分別表示冷卻空氣、燃氣的 定壓比熱容。圖2燃機葉片示意圖及相關參數(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。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 縫隙順著燃氣流動的方向流出，在葉 片表面形成一層氣膜，把葉片表面與 燃氣隔開而對葉片起到保護作用，減少燃氣對葉片表面的熱交換，

8、同時又 冷卻葉片，如圖3所示，冷卻氣膜和 燃氣間進行換熱，從而達到冷卻葉片 的目的。流程與對流換熱相似，見圖4。所以，Asg(5)圖3燃機氣膜冷卻示意圖氣膜冷卻換熱平衡：=WcCpc Tco -Tci 1圖5燃機蒸發(fā)冷卻示意圖參考文獻3中得到蒸氣冷卻時 換熱系數(shù)與沒有蒸發(fā)冷卻時換熱系數(shù)關系為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，即燃氣與冷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燃機蒸發(fā)冷卻流程圖圖4燃機氣膜冷卻流程圖 結合上文對流冷卻關系式可得：+ 気一（1 一“卜Ef 気呵nWf_0 f（ 10）n1 名0 ）冷卻空氣比例：請CW （11）g2.3蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)冷卻相當于閉式蒸發(fā)冷卻， 是通過水的蒸發(fā)吸熱來達到冷卻葉片 的目的，見圖5、6。蒸發(fā)冷卻相比空 氣冷卻有以下優(yōu)點：冷卻效果好，節(jié) 省壓縮空氣，提高燃機效率。當Cpg與Cpc相差不大時，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燃機冷卻空氣變工況3.1變工況計算單軸燃氣輪

10、機透平的級數(shù)較少， 一般為35級，而膨脹比又較大。這樣，在透平第一級噴嘴中將發(fā)生阻塞 流動。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為透平進口燃氣流量；p0和分別表示透平進口燃氣的滯止壓力和溫度；Pc和Tc表示冷卻空氣的壓力和溫度。下表i表示級數(shù)，d表示設計 工況數(shù)值。3.2冷卻空氣量對燃機效率的影響 當考慮抽氣用于冷卻透平時，冷卻 空氣必然會對燃氣透平中的燃氣膨脹 過程產(chǎn)生影響。由于冷卻空氣的溫度 和焓值較燃氣小，所以等量的燃氣在 透平中的作功必然減少，進而，等熵 效率將會發(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燃氣輪機為 例，采用上述計算模型簡要計算冷卻 空氣量。4.1西門子V94.3燃氣輪機性能參數(shù) 西門子V94.3燃氣輪機冷卻空氣 量分配（見圖8）: （a）壓氣機級數(shù)17,進 口導葉可調，前三級靜葉亦可調；冷 卻空氣分別取自第4級靜葉后、第9 級靜葉后、第13級靜葉后以及第17 級靜葉后的排氣腔；（b）透平級數(shù)4, 壓氣機第17級后抽氣在外部冷卻后用 于冷卻第1級靜葉、葉輪和動葉，第2、 3、4級葉輪及第2、3級動葉用壓氣機 第13級靜葉后抽氣冷卻，第4級動葉 不冷卻，第2、3、4級靜葉分別用第 13級、第9級以及

12、第4級靜葉后抽氣 冷卻；（c）設置兩個水平臥式圓筒型燃 燒器，裝設8個混合型燃燒器，采用 雙層殼體設計?；鹧嫱矁纫r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燃機冷卻空氣量分配圖 西門子V94.3型燃氣輪機性能參61數(shù)如下表1:圖7考慮冷卻空氣時燃氣透平流程示意圖W(mh)c (mg (ml% -仲施性能參數(shù)單位數(shù)值轉速r/min3000空氣流量kg/s612排氣流量kg/s624壓比-16.3ISO溫度c1160轉子入口溫度c1290透平進口溫度c1340表1:西門子V94.3燃氣輪機性能參數(shù)(16)W(mh)o (mh)2 (mh)4 -(mh

13、)s 其中：W,、W2為燃氣輪機的透平凈功率、毛功率（即沒有考慮軸損失和散 熱損失），m、h分別表示質量和焓值， 下表數(shù)字0、1、2和4分別表示透平 進口、出口、噴嘴冷卻空氣入口、動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)燃氣透平第一級噴 嘴后的燃氣溫度；C)以所有進入透平 的空氣流量計算的平均溫度。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計算結果及分析綜合各參數(shù)的取值和計算方法, 計算結果如下表2所示。表2:西門子V94.3冷卻空氣量計算結果第4級第9級第13級第17級合計冷卻 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 空氣占各級進口燃氣的比例。機特性分析可起到一定的作用。(2) 本文實例計算中采取了一些近似 計算，特別是燃氣初溫、壁溫的取值 對計算結果有較大的影響。實際計算 中還應考慮在冷卻過程中燃氣和冷卻 空氣

15、的溫度不斷的變化以及冷卻葉片 具體型式的變化對冷卻空氣流場變化 的影響。(3) 燃機冷卻是個相當復雜的過程， 本文只能是作為燃機冷卻空氣量的估 算，可運用數(shù)值模擬的方法對復雜過 程進行模擬，計算結果更符合實際。參考文獻1 翁史烈.燃氣輪機M.北京：機械工業(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.中國電機工程學