燃气轮机叶片冷却技术PPT课件

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（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。
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（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。
目录
• 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
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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。
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2、抽气冷却对燃气轮机性能的共23页
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 t3*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。
（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。
➢ 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。
提高压比
•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
•回热 •燃气蒸汽联合装置 •总能量综合利用
蒸汽回注技术
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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
理想循环比功 w ：
w wT wC cp (T3* T4*) cp (T2* T1*)
c pT3*[1
(1
)
k 1 k
]
cpT1*[
k 1 k
1]
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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
•研制高温材料：陶瓷叶片
•改进冷却技术
汽雾冷却就是向蒸汽中添加水雾形成两相流来改善蒸汽换 热能力的一项冷却技术。
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谢谢
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感谢您的观看！
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片 冷
气膜冷却
却 方
层板冷却
法 壁面通道冷却
热管冷却
图5 各种冷却形式及效率图
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(a) 典型的动叶片冷却
图6 典型的叶片冷却
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(b) 典型静叶片冷却
（1）冲击冷却
图7 冲击冷却结构
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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。
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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12 M701F第一级叶片冷却结构图
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（4）层板冷却
（a） 层板结构示意图
（b） 多孔层板全气膜传热
图13 层板冷却结构及传热图
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。
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➢ 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。
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（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。
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。
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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。
1、高温部件的抽气冷却方法
冲击冷却
叶 内部强化对流换热
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图2 6FA燃气轮机示意图
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二、燃气轮机热力循环
1——2 绝热压缩 2——3 等压加热 3——4 绝热膨胀 4——1 等压放热
2 2 C 1
1
B
3
3
T
4
4
图3 理想燃气轮机循环布置图
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p23
3 T
2
4
1
4 1
v
s
图4 理想燃气轮机布雷顿循环p-v、T-s图
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 的空气应尽量充分利用。
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3、其它冷却方式
蒸汽冷却或者水冷，采用水冷会导致热应力较大，而蒸汽 冷却需要蒸汽发生系统和加压系统，用汽量较大，在燃气 -蒸汽联合循环中可以采用，其他形式不宜采用。