燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù)PPT課件

1、.,1,燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù),專 業(yè)：化機(jī) 學(xué) 生：陳連軍 指導(dǎo)老師：魏進(jìn)家教授,2009.4.10,.,2,燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介 燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán) 當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)存在的主要問題 燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù),目 錄,.,3,一、燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)介,燃?xì)廨啓C(jī)是將氣體壓縮、加熱后在透平中膨脹，把其部分熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的高速回轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。它一般由壓氣機(jī)、燃燒室、透平、控制系統(tǒng)及基本的輔助設(shè)備組成，它輸出的功率用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、泵、鼓風(fēng)機(jī)、螺旋槳或車輪等負(fù)荷。,.,4,.,5,圖2 6FA燃?xì)廨啓C(jī)示意圖,.,6,二、燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán),圖3 理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)布置圖,12 絕熱壓縮 23 等壓加熱 34 絕熱膨脹 41 等壓放

2、熱,.,7,圖4 理想燃?xì)廨啓C(jī)布雷頓循環(huán)p-v、T-s圖,理想循環(huán)比功 ：,.,8,三、當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)存在的主要問題,1、提高效率問題,提高燃?xì)鉁囟仁翘岣呷細(xì)廨啓C(jī)效率的主要手段,提高壓比,研制高溫材料：陶瓷葉片 改進(jìn)冷卻技術(shù),提高單級(jí)壓比：采用跨聲速級(jí)，壓比可達(dá)1.52.0 提高整機(jī)壓比,余熱利用,蒸汽回注技術(shù),回?zé)?燃?xì)庹羝?lián)合裝置 總能量綜合利用,.,9,2、燃用便宜材料同時(shí)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(jī)功率問題 單機(jī)功率受燃?xì)鉁囟群土髁康鹊南拗?4、簡(jiǎn)省維護(hù)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。

3、,.,10,四、燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù),燃?xì)廨啓C(jī)的效率隨著渦輪入口溫度的提高而增加。目前的燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)遠(yuǎn)高于葉片材料的溫度極限，所以必須對(duì)渦輪葉片進(jìn)行有效的冷卻才能保證渦輪的正常工作。,沖擊冷卻 內(nèi)部強(qiáng)化對(duì)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,.,11,(b) 典型靜葉片冷卻,(a) 典型的動(dòng)葉片冷卻,圖6 典型的葉片冷卻,.,12,（1）沖擊冷卻,沖擊冷卻屬于對(duì)流換熱，是強(qiáng)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(dá)到冷卻目的。多用于高溫部件的內(nèi)部，特別是渦輪葉片的前緣部位。主要缺點(diǎn)是壓力損

4、失大、容易造成被冷卻區(qū)域較大的溫度梯度、引起熱應(yīng)力。在冷氣流沖擊的駐點(diǎn)區(qū)壁面上有很高的換熱系數(shù)，因此可以利用這種方式進(jìn)行重點(diǎn)冷卻。,圖7 沖擊冷卻結(jié)構(gòu),.,13,（2）內(nèi)部強(qiáng)化對(duì)流換熱,圖8 擾流柱冷卻結(jié)構(gòu),圖9 肋通道冷卻結(jié)構(gòu),燃?xì)鉁囟容^低時(shí)只需在通道內(nèi)部有適量的冷氣流流動(dòng)將熱量帶走就可使葉片正常工作，隨著燃?xì)鉁囟鹊奶岣?，通道?nèi)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(qiáng)23倍。肋可使主流發(fā)生再附著，在肋后可形成漩渦流動(dòng)。在附著流動(dòng)可以顯著提高換熱系數(shù)，漩渦流動(dòng)雖然可以使換熱得到增強(qiáng)，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(shí)，擾流肋會(huì)起到導(dǎo)流作用，在帶肋壁面附近

5、會(huì)形成平行于肋方向的二次流動(dòng)，從而使斜肋的換熱效果比直肋的換熱效果更佳。,.,14,（3）氣膜冷卻,圖10 典型的氣膜冷卻葉片,圖11 氣膜冷卻簡(jiǎn)圖,氣膜冷卻是一種廣泛采用的有效冷卻技術(shù)，它通過在高溫部件表面開設(shè)槽縫或者小孔，將冷卻介質(zhì)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(duì)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(jìn)口溫度，增加熱效率，提高推重比及降低油耗。,.,15,例：M701F葉片冷卻技術(shù)。,（a）M701F第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)圖,（b）M701F第一級(jí)靜葉冷卻結(jié)構(gòu)圖,圖12 M701F第一級(jí)

6、葉片冷卻結(jié)構(gòu)圖,.,16,（4）層板冷卻,（a） 層板結(jié)構(gòu)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(qiáng)內(nèi)部對(duì)流換熱，可以通過內(nèi)部對(duì)流冷卻、沖擊冷卻、擾流柱、肋壁等強(qiáng)化換熱方式對(duì)葉片進(jìn)行冷卻?；谶@種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。,圖13 層板冷卻結(jié)構(gòu)及傳熱圖,.,17,（5）壁面通道冷卻,圖14 壁面通道冷卻結(jié)構(gòu),壁面通道冷卻是在氣膜冷卻和通道內(nèi)強(qiáng)化換熱的基礎(chǔ)上增加了沖擊冷卻，也可以說是在層板冷卻的基礎(chǔ)上去掉了擾流柱 強(qiáng)化換熱，在工藝上比層板冷卻簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)。沖擊孔和氣膜孔的位置對(duì)壁面通道內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)影響顯著，當(dāng)有內(nèi)部橫流存

7、在時(shí)，壁面通道過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致通道內(nèi)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?xí)l(fā)生燃?xì)獾构嗳胪ǖ纼?nèi)部。,.,18,（6）熱管冷卻,熱管冷卻屬于新型冷卻技術(shù)。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(shí)熱管靠液體氣化來 吸收熱量，當(dāng)熱端部件的傳熱量增加，熱管的冷卻能力也 隨之增強(qiáng)。但是目前葉片的熱管冷卻應(yīng)用是全新的概念， 用什么冷卻工質(zhì)，如何帶走傳遞的熱量以及如何保證動(dòng)葉 片高轉(zhuǎn)速工況下熱管的正常工作都需要進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)確 證。,.,19,2、抽氣冷卻對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響,圖15 燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣系統(tǒng),.,20,抽出燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)中的空氣來冷卻高溫零件，就可以提高燃?xì)廨?/p>

8、機(jī)溫度，因而可以提高裝置的熱效率并增加裝置的比功?；蛘?不變，材料不變，因冷卻降低了葉片冷卻溫度，對(duì)鎳基合金來說，工作溫度降低450，使用壽命延長(zhǎng)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(fēng)損失 當(dāng)用空氣冷卻透平轉(zhuǎn)子時(shí)，尤其是采用單流程的空心葉片時(shí)，透平轉(zhuǎn)子就像鼓風(fēng)機(jī)那樣帶動(dòng)冷卻空氣高速旋轉(zhuǎn)，由于鼓風(fēng)機(jī)的功率約和轉(zhuǎn)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(jī)壓縮功的損失 抽出的冷卻空氣曾經(jīng)壓氣機(jī)壓縮而具有一定的壓力，但由于冷卻系統(tǒng)通道中的流動(dòng)阻力而損失掉一部分，不能再透平中全部恢復(fù)作功。這實(shí)際上相當(dāng)于漏氣損失的增加。,.,21,摻入主流時(shí)引起紊流損失 冷卻空氣完成冷卻任務(wù)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(dāng)冷卻空氣摻入主流時(shí)就會(huì)擾亂燃?xì)庵髁骶€和參數(shù)，影響到透平的內(nèi)效率。 可用熱量損失 高溫零件傳出的熱量，實(shí)際上來自工質(zhì)，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(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閾p失。如果冷卻空氣仍舊摻回燃?xì)庵髁鳎瑒t由于高勢(shì)位熱量變成了低勢(shì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮得失，盡量少抽氣，少抽壓力較高的氣，而且抽出的空氣應(yīng)盡