燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展

1、.：.；動(dòng)力與能源工程學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及工程學(xué)科專題研討課程設(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： 2021年12月燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù)的開展1 概述燃?xì)廨啓C(jī)作為大型動(dòng)力安裝，廣泛運(yùn)用于發(fā)電，船舶，航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。其主要性能目的為系統(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的添加而添加。據(jù)計(jì)算，RIT 在10731273 K范圍內(nèi)每提高100，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率將添加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)熱端部件資料的耐熱問題也隨之而來。目前，燃?xì)廨啓C(jī)的RIT遠(yuǎn)高于渦輪葉片金屬資料的

2、熔點(diǎn)；下一代燃?xì)廨啓C(jī)假設(shè)以氫氣和人造氣為燃料，RIT將會(huì)更高，假設(shè)不能勝利的處理這一問題，用提高RIT來提高燃?xì)廨啓C(jī)性能只能是個(gè)愉快的愿望。先進(jìn)的冷卻技術(shù)可使熱端部件能接受更高的任務(wù)溫度，提高燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)熱效率，延伸燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)用壽命，提高系統(tǒng)任務(wù)的平安性和可靠性。據(jù)推算，假設(shè)無冷卻導(dǎo)向葉片資料的運(yùn)用溫度能到達(dá)1470 K，那么該導(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2200 K。由此可見，開展葉片冷卻技術(shù)的研討具有非常重要的意義。2 燃?xì)廨啓C(jī)氣冷技術(shù)的開展進(jìn)程早期的渦輪葉片沒有采用冷卻技術(shù)，RIT受葉片資料的限制，很難超越1 323 K。為了突破這一瓶頸，氣體冷卻技術(shù)被運(yùn)用到實(shí)際

3、中，這一技術(shù)是用不同緊縮級(jí)的緊縮空氣作為冷劑對(duì)燃?xì)鉁u輪的熱端部件進(jìn)展冷卻，可大幅提高燃?xì)獬鯗亍Ｓ捎诳諝馊菀撰@取，實(shí)際本錢較低，空氣冷卻得以快速開展，運(yùn)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)運(yùn)用空氣冷卻將耗費(fèi)掉大量的緊縮氣，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 1763 K時(shí)約有35 %的緊縮空氣用于熱通道組件的冷卻，用于熄滅的空氣更少，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)的初溫暖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磔^大的熱力和氣動(dòng)損失。這些要素將降低燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，且

4、各種損失還隨冷卻介質(zhì)流量的添加而添加，將與提高RIT的收益相抵消。為理處理這一問題，一方面需求改良?xì)饫錁?gòu)造和開展新型構(gòu)造，另一方面那么可以采用其它介質(zhì)來替代空氣作冷卻介質(zhì)。新介質(zhì)被要求既易得可用，冷卻效果好，損失較小，又能堅(jiān)持已有冷卻技術(shù)的構(gòu)造簡單性和可靠性。對(duì)大型陸用燃?xì)廨啓C(jī)來講，水蒸氣是葉片冷卻介質(zhì)的首選。運(yùn)用蒸汽作為冷卻介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)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)中運(yùn)用，不會(huì)使冷卻葉片轉(zhuǎn)子的構(gòu)造和制造工藝變得復(fù)雜。與空氣相比，水蒸氣冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)能耗低、損失小，抑制了空氣冷卻的一切缺乏，可經(jīng)過添加冷卻蒸汽流量來更多地提高RIT。由于蒸汽壓力不受壓氣機(jī)出口壓力的限制，所以冷卻

5、蒸汽流量的添加，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，從已開展成熟的空氣冷卻技術(shù)著手對(duì)進(jìn)一步提高燃?xì)獬鯗刈隽舜罅垦杏?，并獲得了一些進(jìn)展。結(jié)果闡明向空氣中參與水霧時(shí)冷卻效果較純空氣的冷卻效果好，但由于水滴吸熱蒸發(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，直至目前幾乎一切的實(shí)驗(yàn)研討，尚不適用于實(shí)踐燃?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)。研討闡明，汽霧冷卻與傳統(tǒng)空氣冷卻相比，換熱系數(shù)較高、強(qiáng)化冷卻效果好并且構(gòu)造簡單，對(duì)原有構(gòu)造改動(dòng)小，可以采用現(xiàn)有的蒸汽冷卻構(gòu)造，

6、具有蒸汽冷卻的一切優(yōu)點(diǎn)，換熱系數(shù)較純蒸汽流的高，蒸汽的耗費(fèi)量大大減少，添加蒸汽輪機(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堵塞以及內(nèi)部冷劑流中水霧的嚴(yán)重蒸發(fā)，既抑制了過多水冷卻時(shí)產(chǎn)生的過冷景象，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)出口抽取空氣來冷卻透平葉片的高溫?zé)岵考Ｗ鳛樽钤玳_展的冷卻技術(shù)，空氣冷卻技術(shù)曾經(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。為了到達(dá)更加理想的冷卻效果，如今多采用以上幾種冷卻方式的組合，其透平初溫可以到達(dá)1430。對(duì)流冷卻多用于高溫部

7、件的內(nèi)部，將渦輪葉片做成空心葉片，在內(nèi)部構(gòu)成冷卻通道，當(dāng)冷氣從冷卻通道經(jīng)過時(shí)，就可以將高溫燃?xì)鈧鹘o葉片的熱量帶走，到達(dá)對(duì)葉片冷卻的目的。但對(duì)流冷卻效果不明顯，而且會(huì)在葉片外表構(gòu)成很強(qiáng)的壓溫度梯度，縮短葉片的運(yùn)用壽命。沖擊冷卻主要是利用高速氣流沖刷被冷卻外表，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。任務(wù)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盏臒崃俊Ｋ闹饕毕菔菈毫p失大，容易呵斥被冷卻部件產(chǎn)生較大的溫度梯度，引起熱應(yīng)力。發(fā)散冷卻是在被冷卻外表上開有許多小孔，讓冷氣從小孔溢出并附著在外表上，構(gòu)成一層維護(hù)層，阻隔燃?xì)庀蛲獗韨鳠帷＿@種冷卻方式比上述兩種冷卻方

8、式冷卻效果都好，但它的缺陷是：氣膜孔堵塞會(huì)導(dǎo)致冷卻效果急劇下降，外表的氧化會(huì)使葉片降低其機(jī)械強(qiáng)度，并增大邊境層的流動(dòng)損失，氣膜冷卻技術(shù)的根本原理是：在壁面附近沿一定方向向主流噴入冷氣，這股冷氣在主流的壓力和摩擦力作用下向下游彎曲，粘附在壁面附近，構(gòu)成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃?xì)飧綦x，并帶走部分高溫燃?xì)饣蛄撂没鹧鎸?duì)壁面的輻射熱量，從而對(duì)壁面起到良好的維護(hù)作用。圖1 導(dǎo)向葉片氣膜冷卻的氣流流動(dòng)方式表示圖圖1導(dǎo)向葉片氣膜冷卻的氣流流動(dòng)方式氣膜冷卻與發(fā)散冷卻相比，氣膜冷卻技術(shù)采用較少的射流孔，且射流孔較為集中，放射的冷氣也較為集中，并可以在外表構(gòu)成繼續(xù)的冷氣氣膜，射流孔的射流方向和位置分布都可以

9、調(diào)整，用最少的冷氣量到達(dá)最好的冷卻效果。從而氣膜冷卻不僅可以到達(dá)有效冷卻的目的，而且還可以控制放射呵斥的氣動(dòng)損失、湍流流動(dòng)和壁面熱應(yīng)力集中等來到達(dá)最正確冷卻的目的。有關(guān)空氣冷卻技術(shù)的開展歷程的內(nèi)容，中文文獻(xiàn)中很少有記載，這既有能夠是這項(xiàng)技術(shù)曾經(jīng)非常普及，誰對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有過關(guān)鍵的奉獻(xiàn)曾經(jīng)沒有人能弄得清了。2.2 蒸汽冷卻蒸汽冷卻的提出有兩個(gè)前提，一是蒸汽本身的性能優(yōu)越，相比空氣，其導(dǎo)熱性好，冷卻效率高；二是蒸汽冷卻能處理空氣冷卻耗費(fèi)冷卻介質(zhì)耗費(fèi)過多這一難題，增大了燃?xì)鉁u輪工質(zhì)流量，提高壓氣機(jī)和渦輪的效率。蒸汽的獲得非常方便，普通不用外加熱源：在燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)循環(huán)中，可以利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣經(jīng)過余熱鍋爐

10、獲得冷卻所需蒸汽；而在結(jié)合循環(huán)中，可以從蒸汽循環(huán)中獲得冷卻用蒸汽。目前，運(yùn)用蒸汽冷卻技術(shù)的結(jié)合循環(huán)機(jī)組熱效率曾經(jīng)突破60%。蒸汽冷卻的開展最早要追溯到Rice，上世紀(jì)七十年代末，他提出了用蒸汽輪機(jī)循環(huán)獲取的過熱蒸汽去冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的想法。這個(gè)想法被Han 和Jenkins用實(shí)際分析的方法加以證明，他們以為由于蒸汽相比空氣具有良好的熱力學(xué)性質(zhì)，在一樣的形狀下，以蒸汽為工質(zhì)的氣膜冷卻效率比以空氣為工質(zhì)的氣膜冷卻效率高出一倍。在實(shí)驗(yàn)研討上，Conkin先行了一步，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)用于氣膜冷卻的直葉型，在此根底上分別研討了空氣和蒸汽的氣膜冷卻效果；得出了以下結(jié)論：1在一樣的吹風(fēng)比情況下，不同丈量位置的

11、蒸汽的氣膜冷卻效率大致是空氣氣膜冷卻效率的兩倍，而且隨著丈量位置由葉片前端向后端的挪動(dòng)，蒸汽的氣膜冷卻效率比空氣的氣膜冷卻效率下降快；2在一樣的丈量位置，蒸汽和空氣的氣膜冷卻效率都隨吹風(fēng)比的增大而增大，但蒸汽的氣膜冷卻效率的增長率小于空氣的氣膜冷卻效率增長率，且兩者在吹風(fēng)比為1附近時(shí)增長的幅度都明顯下降。目前，GE公司曾經(jīng)在其最新的H型燃?xì)廨啓C(jī)上采用閉式蒸汽冷卻技術(shù)，H型燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)第一次明確蒸汽冷卻這一概念，并明確了蒸汽冷卻下燃?xì)廨啓C(jī)的一些設(shè)計(jì)要求：1對(duì)冷卻蒸汽的要求。在蒸汽冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，蒸汽的純度是至關(guān)重要的，應(yīng)防止雜質(zhì)堆積在葉片噴嘴的內(nèi)外表上。全部蒸汽應(yīng)取自在汽包蒸發(fā)出的蒸汽以適于

12、蒸汽純度的要求，并應(yīng)對(duì)高壓蒸汽進(jìn)展溫度調(diào)理，按規(guī)定蒸汽需進(jìn)展全部過濾并運(yùn)用除鹽水。另外，在備用形狀下，全部高壓管線及冷卻蒸汽管線中需求充溢氮?dú)庖苑栏g。氮?dú)庀到y(tǒng)可以是供余熱鍋爐的運(yùn)用常規(guī)充氮系統(tǒng)的擴(kuò)展。2對(duì)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的要求H型燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)Fr7H和Fr9H由CF680C2航空發(fā)動(dòng)機(jī)及LM6000燃?xì)廨啓C(jī)衍生而來。Fr7H是由CF680C2航空發(fā)動(dòng)機(jī)以2.6:1的比例放大而來的，而Fr9H是CF680C2以3.1:1的比例放大而來的，他們都添加了4級(jí)壓氣機(jī)葉片，但在葉片的安排上略有不同。性能方面，F(xiàn)r7H具有231的壓比及558kgs的空氣流量，而Fr9H那么有685kgs的空氣流量。此外，

13、為了防止蒸汽到達(dá)動(dòng)葉片，GE采用通常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的密封技術(shù)管狀密封。3火焰筒設(shè)計(jì)最初的H型熄滅系統(tǒng)是一個(gè)規(guī)范的鉛合金火焰筒環(huán)型分布干式低氮氧化物設(shè)計(jì)。為順應(yīng)流量的添加，F(xiàn)r9H及Fr7H機(jī)組的火焰筒直徑與FA系列相比添加20%。Fr9H運(yùn)用14只火焰筒，F(xiàn)r7H運(yùn)用12只火焰筒。日本的三菱重工在其M501G燃?xì)廨啓C(jī)上也實(shí)現(xiàn)了蒸汽冷卻技術(shù)的運(yùn)用，熱風(fēng)洞丈量的結(jié)果顯示，蒸汽冷卻的冷卻效果比空氣冷卻的冷卻效果約高出5%，與常規(guī)的501F的熄滅室比較，蒸汽冷卻的M501G節(jié)省通常用于熄滅室和過渡段冷卻的冷卻空氣流量的10%20%。Corman J.C.以為：運(yùn)用蒸汽冷卻以后，隨著渦輪進(jìn)口燃?xì)赓|(zhì)量流量

14、的增大，渦輪的輸出功率增大，同時(shí)也便于運(yùn)用先進(jìn)的預(yù)混熄滅室來降低污染；另外在注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中運(yùn)用開式蒸汽冷卻要優(yōu)于閉式或半閉式蒸汽冷卻；而在燃?xì)?蒸汽結(jié)合循環(huán)中，在燃?xì)廨啓C(jī)中運(yùn)用閉式或半閉式蒸汽冷卻更有效。在前人研討的根底上，Yousef S.H. Najjar2003等人比較了空氣冷卻、開式蒸汽冷卻和閉路蒸汽冷卻三種冷卻方案的性能。得出三種冷卻方案下燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)效率和功率系數(shù)有明顯的差別，其中閉路蒸汽冷卻方案在總體性能上優(yōu)于空氣冷卻和開式蒸汽冷卻；即在一樣的工況下，采用閉路蒸汽冷卻方案的結(jié)合循環(huán)的功率系數(shù)、總效率分別比采用空氣冷卻的方案高出11%和3.2%。在中國，燃?xì)廨啓C(jī)雖然歷經(jīng)了5

15、0年的開展，但與國外的先進(jìn)技術(shù)相比，國內(nèi)無論在整機(jī)設(shè)計(jì)還是制造方面與國外還有很大的差距。國內(nèi)對(duì)蒸汽冷卻的研討還處在探求階段，經(jīng)過大量的實(shí)際分析，研討人員對(duì)蒸汽冷卻的效果達(dá)成共識(shí)，即以為與空氣冷卻方式相比，蒸汽冷卻不僅可以提高系統(tǒng)效率，而且使系統(tǒng)具有良好的環(huán)保性能。2.3 汽霧冷卻技術(shù)汽霧冷卻是向蒸汽中添加水霧構(gòu)成汽霧兩相流來改善蒸汽換熱才干的一項(xiàng)冷卻技術(shù)，經(jīng)過改善蒸汽的質(zhì)量減少其耗費(fèi)量，既保證了有效的冷卻，又提高了渦輪系統(tǒng)的整體性能。美國克魯森大學(xué)的科研小組對(duì)汽霧冷卻進(jìn)展了一系列根底性研討，并獲得一些進(jìn)展。T.Guo等人對(duì)程度加熱直管的汽霧冷卻進(jìn)展研討，分析了壁面加熱與不加熱情況下汽霧的冷卻效

16、果。此外，他們還研討了水霧濃度和液滴的大小及其分布對(duì)冷卻效果的影響：水霧濃度過低，液滴熱沉作用不明顯，反過來，霧濃度過高，易產(chǎn)生液膜，呵斥部分過冷；液滴過小，不易穿過熱邊境層，強(qiáng)化不明顯，液滴過大，其隨動(dòng)性較差。由于汽霧冷卻仍處于探求階段，相關(guān)文獻(xiàn)不是很多，但作為一項(xiàng)新的葉片冷卻技術(shù)，其前景是誘人的。3 終了語課上，教師對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀的分析讓我的心境有些繁重，國內(nèi)的技術(shù)雖然落后，但為什么我們?cè)伊隋X，出了人，研討了幾十年，依然沒有起色，在寫這篇作業(yè)的過程中，我仔細(xì)對(duì)比了國內(nèi)外所獲得的成果，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的成果主要集中在可行性分析，實(shí)際初探，真正到了要花錢的地方，我們還是捉襟見肘，而國外的研討機(jī)構(gòu)和企業(yè)

17、，如GE和三菱，他們舍得花錢去實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，科研經(jīng)費(fèi)的差距不容忽視，我們?nèi)缃衲茏龅木褪窃诂F(xiàn)有的條件下，盡能夠的把實(shí)際研討透了，以減少實(shí)驗(yàn)的本錢。就燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻而言，我們似乎任重而道遠(yuǎn)。參考文獻(xiàn)1 程代京,謝永慧. HYPERLINK d.wanfangdata/ExternalResource-rndlgc202101001%5e1.aspx 燃?xì)廨啓C(jī)傳熱和冷卻技術(shù)M.2005.2 張效偉,朱惠人. HYPERLINK d.wanfangdata/Periodical_rndlgc202101001.aspx t _blank 大型燃?xì)鉁u輪葉片冷卻技術(shù)J.熱能動(dòng)力工程.2021年1期.3 史

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