葉片冷卻技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口初溫中的應(yīng)用

葉片冷卻技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口初溫中的應(yīng)用

0超溫氧化葉片冷卻是其冷卻空氣系統(tǒng)的重要組成部分。冷卻對(duì)象是高溫氣通道的高溫?zé)峒?。防止燃?xì)馔ǖ乐械母邷夭考虺瑴厥艿綋p壞,在燃?xì)廨啓C(jī)中是通過兩條措施來實(shí)現(xiàn)的,第一條措施是對(duì)高溫燃?xì)馔ǖ乐械臒岵考M(jìn)行冷卻,第二條措施是設(shè)置溫度控制系統(tǒng)和超溫報(bào)警以及超溫遮斷跳閘保護(hù)系統(tǒng)。其中,冷卻空氣系統(tǒng)的采用,除了保護(hù)高溫部件不受到超溫?fù)p害外,還可以提高燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口初溫,從而提高機(jī)組的出力和熱效率。1透平冷卻空氣冷卻器的原理M701F型燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣流程如圖1所示,壓氣機(jī)出口氣體經(jīng)透平冷卻空氣冷卻器冷卻后對(duì)透平轉(zhuǎn)子、輪間部分、靜葉護(hù)環(huán)和1、2、3級(jí)動(dòng)葉進(jìn)行冷卻;壓氣機(jī)14、11、6級(jí)抽氣分別對(duì)2、3、4級(jí)靜葉進(jìn)行冷卻,而由壓氣機(jī)出口空氣直接冷卻1級(jí)靜葉;來自6級(jí)抽氣和壓氣機(jī)出口經(jīng)透平冷卻空氣(TCA)冷卻器冷卻后的氣體去冷卻透平框架。如圖2所示,透平冷卻空氣用冷卻風(fēng)扇來冷卻從壓氣機(jī)出口的空氣,再將這些冷卻的空氣導(dǎo)回透平的高溫部件。在調(diào)試階段,需要對(duì)冷卻器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)排放沖洗和鼓風(fēng)沖洗,之后通過手動(dòng)部分開啟旁路閥,調(diào)節(jié)冷卻器出口溫度,正常運(yùn)行后,1條抽出空氣管道分為6條支線管道以平衡TCA冷卻器的進(jìn)口空氣供給,在TCA冷卻器的進(jìn)口和出口沒有設(shè)置隔離閥。TCA的冷卻風(fēng)扇能達(dá)到在燃機(jī)最大運(yùn)行條件下的冷卻容量,當(dāng)熱空氣穿過管道時(shí),它的溫度會(huì)從大約450℃降到200℃左右,然后回到燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件進(jìn)行冷卻。通過監(jiān)視冷端冷卻空氣溫度(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度),來確定冷卻風(fēng)扇運(yùn)行臺(tái)數(shù),使轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度被控制在許可范圍內(nèi),如果轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度上升到260℃以上則報(bào)警。透平冷卻空氣冷卻器出口是一個(gè)葉片型、免維護(hù)的冷卻空氣過濾器(見圖2)。葉片型濾網(wǎng)使用慣性力,當(dāng)空氣流動(dòng)方向改變時(shí),清潔空氣轉(zhuǎn)到另一個(gè)方向,通過葉片部分,塵土以直線通道跑出并在頭部被捕捉,而有塵土的空氣被導(dǎo)至排氣管道,與燃?xì)廨啓C(jī)排氣一起排出。由于有灰塵的空氣被排出了,不存在濾網(wǎng)的堵塞,因此濾網(wǎng)進(jìn)出口之間沒有壓差裝置來監(jiān)視濾網(wǎng)的堵塞。冷卻空氣流向如圖3所示,第1級(jí)靜葉的冷卻空氣從壓氣機(jī)出口,經(jīng)燃燒室的火焰筒周圍空腔引出,流過第1級(jí)靜葉環(huán)套,再流入第1級(jí)空心靜葉內(nèi)部冷卻通道,冷卻靜葉后從靜葉出氣邊小孔排至主燃?xì)饬髦?第2、3、4級(jí)靜葉的冷卻空氣分別來自壓氣機(jī)的第14、11、6級(jí)抽氣,首先進(jìn)入內(nèi)外缸之間的夾層,然后引入空心靜葉內(nèi)部冷卻通道,冷卻靜葉后從靜葉出氣邊小孔排至主燃?xì)饬髦?。?jīng)過TCA冷卻器的冷卻空氣分成二股,一股經(jīng)第1級(jí)輪盤上的徑向孔引至第1級(jí)動(dòng)葉根部,再流入第1級(jí)空心動(dòng)葉內(nèi)部冷卻通道進(jìn)行冷卻后,從葉頂和葉片出氣邊小孔排至主燃?xì)饬髦?另一股空氣經(jīng)第1級(jí)輪盤上的軸向孔流至第2、3、4級(jí)輪盤之間的空腔,經(jīng)葉根槽底部的徑向孔去冷卻第2、3、4級(jí)輪緣及葉根。這樣,使每級(jí)葉輪的進(jìn)氣側(cè)和出氣側(cè)都有冷卻空氣流過,燃?xì)馔钙礁骷?jí)葉輪的表面全部被冷卻空氣所包圍,與燃?xì)馔耆糸_,冷卻效果很好,燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口初溫在1400℃的情況下,保證了透平能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行。2空氣冷卻和葉根冷卻,是在充冷卻空氣對(duì)葉片的冷卻主要有兩種方式:(1)以冷卻空氣吹向葉片外表面進(jìn)行冷卻;(2)把冷卻空氣通入空心葉片內(nèi)部的專門通道進(jìn)行冷卻。前者是使空氣經(jīng)過噴孔噴向輪緣,同時(shí)經(jīng)過葉根上的槽孔、裝配間隙來冷卻葉根,使葉片及輪緣的溫度降低,這種冷卻方式可使葉根的截面溫度比該處的燃?xì)鉁囟燃s低50～100℃;后者把空氣引入空心葉片內(nèi)部,可使整個(gè)片都得到冷卻,且比該處的燃?xì)鉁囟冉档?00℃及以上。應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的各種冷卻技術(shù)和冷卻效果如圖4所示:(1)防止邊界氣封當(dāng)冷卻空氣和燃?xì)庠诳招娜~片內(nèi)外壁面流過時(shí),空氣靠與葉片內(nèi)部通道壁面的對(duì)流放熱來冷卻葉片,在空心動(dòng)葉片出氣邊中間沿半徑方向有一組大小不同、型式不同的小孔,對(duì)流冷卻后的冷卻空氣即通過動(dòng)葉上這些小孔排入主燃?xì)饬骼^續(xù)做功,冷卻空氣的排出除靠自身的壓力之外,還可以借助離心力作用被甩出,增加了冷卻空氣的流動(dòng)速度,改善了冷卻效果,被甩出的冷卻空氣以較大的速度垂直地沖向氣缸內(nèi)壁,形成一層防止沿徑向間隙漏氣的氣封層,起到阻止主氣流的漏氣和潛流的作用。(2)關(guān)閉流冷卻葉片內(nèi)部的冷卻空氣通道被設(shè)計(jì)為多通道、曲線型,并在通道內(nèi)設(shè)有繞流槽,通過增強(qiáng)擾動(dòng)換熱來改善冷卻效果。(3)沖擊冷卻、冷卻空氣去空氣的輸出在空心葉片的內(nèi)部嵌入導(dǎo)管,導(dǎo)管上開有許多小孔,冷卻空氣先流入導(dǎo)管,再從導(dǎo)管上的小孔流出,直接向被冷卻的葉片內(nèi)表面噴射進(jìn)行冷卻,由于沖擊作用使放熱系數(shù)增大而提高冷卻效果,故稱沖擊冷卻。之后,冷卻空氣沿導(dǎo)管與空心葉片內(nèi)表面之間作橫向流動(dòng)進(jìn)行對(duì)流冷卻,最后從葉片出氣邊小孔排出。在采用沖擊冷卻時(shí),還伴有對(duì)流冷卻,是一種綜合的冷卻技術(shù)。(4)解決氣膜在空心葉片的表面上開有許多排小孔或縫隙,冷卻空氣從這些小孔或縫隙順著燃?xì)饬鲃?dòng)的方向流出,在葉片表面形成一層氣膜,把葉片表面與燃?xì)飧糸_而對(duì)葉片起到保護(hù)作用,減少燃?xì)鈱?duì)葉片表面的熱交換,同時(shí)又冷卻葉片。(5)多孔材料的冷卻效果當(dāng)空心葉片用多孔的透氣材料制作時(shí),葉片內(nèi)部的冷卻空氣就像“出汗”那樣從葉片表面滲出,由于空氣流動(dòng)時(shí)與多孔壁的接觸十分良好,可帶走大量熱量,而流出多孔壁后,又在葉片表面各處都形成保護(hù)薄膜,故它能達(dá)到極其良好的冷卻效果。(6)空心靜葉常用冷卻技術(shù)通過在葉片的出氣邊布置多排針狀筋、鰭片,以增大熱交換面積。由于M701F型燃?xì)廨啓C(jī)第1級(jí)靜葉和動(dòng)葉的工作條件惡劣,所以靜葉和動(dòng)葉所采取的冷卻技術(shù)也最為復(fù)雜,如圖5所示,第1級(jí)空心靜葉采用頭部噴流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻和針鰭冷卻,靜葉內(nèi)部用3個(gè)帶孔的導(dǎo)管將冷卻空氣隔開,冷卻空氣通過內(nèi)外缸之間的夾層引入靜葉,從靜葉的一端流入空心靜葉內(nèi)部的3個(gè)導(dǎo)管,進(jìn)入導(dǎo)管中心的冷卻空氣通過導(dǎo)管壁的小孔垂直射向空心靜葉內(nèi)表面,利用沖擊冷卻形成湍流換熱,靜葉出氣邊橫向布置的針鰭片增強(qiáng)了冷卻空氣與靜葉表面的換熱效果,在葉片出氣邊形成氣膜冷卻和針鰭冷卻,沿靜葉進(jìn)氣邊及葉片表面小孔噴出的冷卻空氣同時(shí)又環(huán)繞葉身形成氣膜冷卻,同時(shí)在各部分還伴有對(duì)流冷卻,這樣的冷卻效果是很明顯的,但冷卻空氣流量并沒有明顯的增加。如圖5所示,第1級(jí)動(dòng)葉采用頭部噴流冷卻、繞流冷卻、氣膜冷卻和針鰭冷卻,動(dòng)葉內(nèi)部是多通道曲線型通道,其內(nèi)有繞流槽,以增強(qiáng)擾動(dòng)換熱,即繞流冷卻。在動(dòng)葉進(jìn)氣邊同樣采用頭部噴流冷卻和氣膜冷卻,動(dòng)葉尾部采用針鰭冷卻。這些冷卻技術(shù)的綜合效應(yīng)可以使葉片的金屬溫度低于主燃?xì)饬鳒囟?00～600℃,確保金屬溫度始終保持在材料允許的強(qiáng)度極限溫度(約800℃)以下。如圖6、7所示,透平第2級(jí)靜葉主要采用了氣膜冷卻、沖擊冷卻和針鰭冷卻;第3級(jí)靜葉主要采用了氣膜冷卻和繞流冷卻;第4級(jí)靜葉則主要采用對(duì)流冷卻。第2級(jí)動(dòng)葉主要采用了繞流冷卻和針鰭冷卻;第3級(jí)動(dòng)葉主要采用了針鰭冷卻、氣膜冷卻和多孔冷卻;第4級(jí)動(dòng)葉則沒有進(jìn)行冷卻。3靜葉片損傷的防治葉片冷卻最擔(dān)心出現(xiàn)的問題:1)轉(zhuǎn)子、動(dòng)葉的冷卻空氣溫度高(TCA故障引起);2)轉(zhuǎn)子、動(dòng)葉的冷卻空氣流量低(TCA出口濾網(wǎng)故障引起);3)冷卻孔堵塞(主氣流被污染程度高)等。通常,靜葉片損壞的主要原因?yàn)楸砻胬鋮s孔被異物堵塞,這些異物為:1)低合金鋼(鐵、鉻、鎳):分布在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輪盤上的金屬物質(zhì),由主氣流帶入;2)鐵:燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣管和燃?xì)廨啓C(jī)空氣冷卻器,由冷卻空氣過濾器的排污管進(jìn)入主氣流;針對(duì)以上分析,可采取補(bǔ)救與預(yù)防措施:(1)在排污管上安裝臨時(shí)過濾嘴;(2)在透平檢查時(shí),對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行拆卸檢查