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《燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、動(dòng)力與能源工程學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及工程學(xué)科專題研究課程設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)：專業(yè)：動(dòng)力機(jī)械及工程學(xué)生姓名：任課教師：2009年12月燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展1概述燃?xì)廨啓C(jī)作為大型動(dòng)力裝置，廣泛應(yīng)用于發(fā)電，船舶，航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。其主要性能指標(biāo)為系統(tǒng)循環(huán)熱效率和輸出功率，它們均隨渦輪轉(zhuǎn)子燃?xì)膺M(jìn)口溫度（RIT）的增加而增加。據(jù)計(jì)算，RIT在1073～1273K范圍內(nèi)每提高100℃，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率將增加20%～25%，節(jié)省燃料6%～7%。所以，要使燃?xì)廨啓C(jī)性能的不斷提高，關(guān)鍵在于提高RIT，但伴隨而RIT的提高，燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件材
2、料的耐熱問(wèn)題也隨之而來(lái)。目前，燃?xì)廨啓C(jī)的RIT遠(yuǎn)高于渦輪葉片金屬材料的熔點(diǎn)；下一代燃?xì)廨啓C(jī)若以氫氣和人造氣為燃料，RIT將會(huì)更高，如果不能成功的解決這一問(wèn)題，用提高RIT來(lái)提高燃?xì)廨啓C(jī)性能只能是個(gè)美好的愿望。先進(jìn)的冷卻技術(shù)可使熱端部件能承受更高的工作溫度，提高燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)熱效率，延長(zhǎng)燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命，提高系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。據(jù)推算，如果無(wú)冷卻導(dǎo)向葉片材料的使用溫度能達(dá)到1470K，則該導(dǎo)向葉片采用內(nèi)部對(duì)流冷卻時(shí)，可使渦輪進(jìn)口溫度提高到2200K。由此可見(jiàn)，開展葉片冷卻技術(shù)的研究具有十分重要的意義。2燃?xì)廨啓C(jī)
3、氣冷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程早期的渦輪葉片沒(méi)有采用冷卻技術(shù)，RIT受葉片材料的限制，很難超過(guò)1323K。為了突破這一瓶頸，氣體冷卻技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)踐中，這一技術(shù)是用來(lái)自不同壓縮級(jí)的壓縮空氣作為冷劑對(duì)燃?xì)鉁u輪的熱端部件進(jìn)行冷卻，可大幅提高燃?xì)獬鯗?。由于空氣容易獲取，實(shí)踐成本較低，空氣冷卻得以快速發(fā)展，應(yīng)用頗廣。但隨著人們對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的要求不斷提高，繼續(xù)使用空氣冷卻將消耗掉大量的壓縮氣，這對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能的提高不利。據(jù)估計(jì)，按現(xiàn)有傳統(tǒng)復(fù)合冷卻技術(shù)，當(dāng)高性能渦輪系統(tǒng)RIT>1763K時(shí)約有35%的壓縮空氣用于熱通道組件的冷卻，
4、用于燃燒的空氣更少，這將大大減少了渦輪系統(tǒng)的循環(huán)熱效率和輸出功率。另外，冷卻空氣的流道由于提高燃?xì)廨啓C(jī)的初溫和高壓冷卻空氣的流動(dòng)以及冷卻空氣與主流燃?xì)獾膿交鞄?lái)較大的熱力和氣動(dòng)損失。這些因素將降低燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，且各種損失還隨冷卻介質(zhì)流量的增加而增加，將與提高RIT的收益相抵消。為了解決這一問(wèn)題，一方面需要改進(jìn)氣冷結(jié)構(gòu)和發(fā)展新型結(jié)構(gòu)，另一方面則可以采用其它介質(zhì)來(lái)代替空氣作冷卻介質(zhì)。新介質(zhì)被要求既易得可用，冷卻效果好，損失較小，又能保持已有冷卻技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性和可靠性。對(duì)大型陸用燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)講，水蒸氣是葉片冷卻介質(zhì)的
5、首選。使用蒸汽作為冷卻介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)有蒸汽來(lái)源豐富，且可再次利用，在任何采用空氣冷卻的系統(tǒng)中使用，不會(huì)使冷卻葉片轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和制造工藝變得復(fù)雜。與空氣相比，水蒸氣冷卻運(yùn)行能耗低、損失小，克服了空氣冷卻的所有不足，可通過(guò)增加冷卻蒸汽流量來(lái)更多地提高RIT。因?yàn)檎羝麎毫Σ皇軌簹鈾C(jī)出口壓力的限制，所以冷卻蒸汽流量的增加，冷卻通道的流阻不會(huì)遇到什么困難。此外，許多專家和科研人員另辟蹊徑，從已發(fā)展成熟的空氣冷卻技術(shù)著手對(duì)進(jìn)一步提高燃?xì)獬鯗刈隽舜罅垦芯?，并取得了一些進(jìn)展。結(jié)果表明向空氣中加入水霧時(shí)冷卻效果較純空氣的冷卻效果好，但由于
6、水滴吸熱蒸發(fā)后變成水蒸氣，引入一個(gè)新組分，其換熱強(qiáng)化機(jī)理和液滴動(dòng)力學(xué)方面極為復(fù)雜，直至目前幾乎所有的試驗(yàn)研究，尚不適用于實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻。由此向高性能大型燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻蒸汽中添加水霧以強(qiáng)化換熱的想法就產(chǎn)生了，這種新的想法被稱為汽霧冷卻技術(shù)。研究表明，汽霧冷卻與傳統(tǒng)空氣冷卻相比，換熱系數(shù)較高、強(qiáng)化冷卻效果好并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)原有結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，可以采用現(xiàn)有的蒸汽冷卻結(jié)構(gòu)，具有蒸汽冷卻的所有優(yōu)點(diǎn)，換熱系數(shù)較純蒸汽流的高，蒸汽的消耗量大大減少，增加蒸汽輪機(jī)的輸出功率，提高了總效率；易于管理和控制，能確保冷卻通道不被水滴
7、堵塞以及內(nèi)部冷劑流中水霧的嚴(yán)重蒸發(fā)，既克服了過(guò)多水冷卻時(shí)產(chǎn)生的過(guò)冷現(xiàn)象，又消除了沸騰所產(chǎn)生的流動(dòng)不穩(wěn)定振顫的存在性。2.1空氣冷卻技術(shù)空氣冷卻技術(shù)為傳統(tǒng)的葉片冷卻技術(shù)，即從壓氣機(jī)出口抽取空氣來(lái)冷卻透平葉片的高溫?zé)岵考?。作為最早發(fā)展的冷卻技術(shù)，空氣冷卻技術(shù)已經(jīng)日臻完善，迄今為止，空氣冷卻的技術(shù)手段有對(duì)流冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻和氣膜冷卻等。為了達(dá)到更加理想的冷卻效果，現(xiàn)在多采用以上幾種冷卻方式的組合，其透平初溫可以達(dá)到1430℃。對(duì)流冷卻多用于高溫部件的內(nèi)部，將渦輪葉片做成空心葉片，在內(nèi)部形成冷卻通道，當(dāng)冷氣從冷卻通
8、道通過(guò)時(shí)，就可以將高溫燃?xì)鈧鹘o葉片的熱量帶走，達(dá)到對(duì)葉片冷卻的目的。但對(duì)流冷卻效果不明顯，而且會(huì)在葉片表面形成很強(qiáng)的壓溫度梯度，縮短葉片的使用壽命。沖擊冷卻主要是利用高速氣流沖刷被冷卻表面，以實(shí)現(xiàn)冷卻，其多用于高溫部件的內(nèi)部冷卻，特別是渦輪葉片的前緣部位。工作時(shí)，高速氣流從內(nèi)部沖刷被冷卻部位，帶走另一側(cè)燃?xì)馑盏臒崃?。它的主要缺點(diǎn)是壓力損失大，容易造成被冷
