資源描述：
《燃氣輪機葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、動力與能源工程學(xué)院動力機械及工程學(xué)科專題研究課程設(shè)計學(xué)號：專業(yè)：動力機械及工程學(xué)生姓名：任課教師：2009年12月燃氣輪機葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展1概述燃氣輪機作為大型動力裝置，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)子燃氣進口溫度（RIT）的增加而增加。據(jù)計算，RIT在1073～1273K范圍內(nèi)每提高100℃，燃氣輪機的輸出功率將增加20%～25%，節(jié)省燃料6%～7%。所以，要使燃氣輪機性能的不斷提高，關(guān)鍵在于提高RIT，但伴隨而RIT的提高，燃氣輪機熱端部件材
2、料的耐熱問題也隨之而來。目前，燃氣輪機的RIT遠高于渦輪葉片金屬材料的熔點；下一代燃氣輪機若以氫氣和人造氣為燃料，RIT將會更高，如果不能成功的解決這一問題，用提高RIT來提高燃氣輪機性能只能是個美好的愿望。先進的冷卻技術(shù)可使熱端部件能承受更高的工作溫度，提高燃氣輪機的循環(huán)熱效率，延長燃氣輪機使用壽命，提高系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。據(jù)推算，如果無冷卻導(dǎo)向葉片材料的使用溫度能達到1470K，則該導(dǎo)向葉片采用內(nèi)部對流冷卻時，可使渦輪進口溫度提高到2200K。由此可見，開展葉片冷卻技術(shù)的研究具有十分重要的意義。2燃氣輪機
3、氣冷技術(shù)的發(fā)展進程早期的渦輪葉片沒有采用冷卻技術(shù)，RIT受葉片材料的限制，很難超過1323K。為了突破這一瓶頸，氣體冷卻技術(shù)被應(yīng)用到實踐中，這一技術(shù)是用來自不同壓縮級的壓縮空氣作為冷劑對燃氣渦輪的熱端部件進行冷卻，可大幅提高燃氣初溫。由于空氣容易獲取，實踐成本較低，空氣冷卻得以快速發(fā)展，應(yīng)用頗廣。但隨著人們對燃氣輪機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，這對燃氣輪機的整體性能的提高不利。據(jù)估計，按現(xiàn)有傳統(tǒng)復(fù)合冷卻技術(shù)，當高性能渦輪系統(tǒng)RIT>1763K時約有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氣輪機的初溫和高壓冷卻空氣的流動以及冷卻空氣與主流燃氣的摻混帶來較大的熱力和氣動損失。這些因素將降低燃氣輪機的熱效率，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。為了解決這一問題，一方面需要改進氣冷結(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)簡單性和可靠性。對大型陸用燃氣輪機來講，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)點有蒸汽來源豐富，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，水蒸氣冷卻運行能耗低、損失小，克服了空氣冷卻的所有不足，可通過增加冷卻蒸汽流量來更多地提高RIT。因為蒸汽壓力不受壓氣機出口壓力的限制，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)著手對進一步提高燃氣初溫做了大量研究，并取得了一些進展。結(jié)果表明向空氣中加入水霧時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，引入一個新組分，其換熱強化機理和液滴動力學(xué)方面極為復(fù)雜，直至目前幾乎所有的試驗研究，尚不適用于實際燃氣輪機渦輪葉片冷卻。由此向高性能大型燃氣輪機的冷卻蒸汽中添加水霧以強化換熱的想法就產(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、強化冷卻效果好并且結(jié)構(gòu)簡單，對原有結(jié)構(gòu)改動小，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，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重蒸發(fā)，既克服了過多水冷卻時產(chǎn)生的過冷現(xiàn)象，又消除了沸騰所產(chǎn)生的流動不穩(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)，即從壓氣機出口抽取空氣來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)手段有對流冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻和氣膜冷卻等。為了達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，其透平初溫可以達到1430℃。對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，當冷氣從冷卻通
8、道通過時，就可以將高溫燃氣傳給葉片的熱量帶走，達到對葉片冷卻的目的。但對流冷卻效果不明顯，而且會在葉片表面形成很強的壓溫度梯度，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，高速氣流從內(nèi)部沖刷被冷卻部位，帶走另一側(cè)燃氣所吸收的熱量。它的主要缺點是壓力損失大，容易造成被冷
