燃?xì)廨啓C葉片冷卻技術(shù).ppt

燃?xì)廨啓C葉片冷卻技術(shù) 專業(yè) 化機學(xué)生 陳連軍指導(dǎo)老師 魏進(jìn)家教授 2009 4 10 燃?xì)廨啓C簡介燃?xì)廨啓C熱力循環(huán)當(dāng)前燃?xì)廨啓C存在的主要問題燃?xì)廨啓C葉片冷卻技術(shù) 目錄 一 燃?xì)廨啓C簡介 燃?xì)廨啓C是將氣體壓縮 加熱后在透平中膨脹 把其部分熱能轉(zhuǎn)換為機械能的高速回轉(zhuǎn)式動力機械 它一般由壓氣機 燃燒室 透平 控制系統(tǒng)及基本的輔助設(shè)備組成 它輸出的功率用來驅(qū)動發(fā)電機 泵 鼓風(fēng)機 螺旋槳或車輪等負(fù)荷 圖26FA燃?xì)廨啓C示意圖 二 燃?xì)廨啓C熱力循環(huán) 圖3理想燃?xì)廨啓C循環(huán)布置圖 1 2絕熱壓縮2 3等壓加熱3 4絕熱膨脹4 1等壓放熱 圖4理想燃?xì)廨啓C布雷頓循環(huán)p v T s圖 理想循環(huán)比功 三 當(dāng)前燃?xì)廨啓C存在的主要問題 1 提高效率問題 提高燃?xì)鉁囟仁翘岣呷細(xì)廨啓C效率的主要手段 提高壓比 研制高溫材料 陶瓷葉片改進(jìn)冷卻技術(shù) 提高單級壓比 采用跨聲速級 壓比可達(dá)1 5 2 0提高整機壓比 余熱利用 蒸汽回注技術(shù) 回?zé)崛細(xì)庹羝?lián)合裝置總能量綜合利用 2 燃用便宜材料同時限制污染及腐蝕問題重燃料 核燃料 降低NOX的排放 3 增加單機功率問題單機功率受燃?xì)鉁囟群土髁康鹊南拗? 簡省維護(hù)問題5 高效變工況問題6 降低材料工藝成本問題葉片型線要求高 高溫合金硬度高 加工困難 四 燃?xì)廨啓C葉片冷卻技術(shù) 燃?xì)廨啓C的效率隨著渦輪入口溫度的提高而增加 目前的燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)遠(yuǎn)高于葉片材料的溫度極限 所以必須對渦輪葉片進(jìn)行有效的冷卻才能保證渦輪的正常工作 沖擊冷卻內(nèi)部強化對流換熱氣膜冷卻層板冷卻壁面通道冷卻熱管冷卻 葉片冷卻方法 1 高溫部件的抽氣冷卻方法 圖5各種冷卻形式及效率圖 b 典型靜葉片冷卻 a 典型的動葉片冷卻 圖6典型的葉片冷卻 1 沖擊冷卻 沖擊冷卻屬于對流換熱 是強化換熱的一種手段 沖擊冷卻主要是利用高速氣流沖刷被冷卻表面 以達(dá)到冷卻目的 多用于高溫部件的內(nèi)部 特別是渦輪葉片的前緣部位 主要缺點是壓力損失大 容易造成被冷卻區(qū)域較大的溫度梯度 引起熱應(yīng)力 在冷氣流沖擊的駐點區(qū)壁面上有很高的換熱系數(shù) 因此可以利用這種方式進(jìn)行重點冷卻 圖7沖擊冷卻結(jié)構(gòu) 2 內(nèi)部強化對流換熱 圖8擾流柱冷卻結(jié)構(gòu) 圖9肋通道冷卻結(jié)構(gòu) 燃?xì)鉁囟容^低時只需在通道內(nèi)部有適量的冷氣流流動將熱量帶走就可使葉片正常工作 隨著燃?xì)鉁囟鹊奶岣?通道內(nèi)壁面開始布置擾流肋來帶走更多的熱量 擾流肋的增加可使換熱增強2 3倍 肋可使主流發(fā)生再附著 在肋后可形成漩渦流動 在附著流動可以顯著提高換熱系數(shù) 漩渦流動雖然可以使換熱得到增強 但是在肋根處由于速度接近0反而使換熱減弱 傾斜布置肋時 擾流肋會起到導(dǎo)流作用 在帶肋壁面附近會形成平行于肋方向的二次流動 從而使斜肋的換熱效果比直肋的換熱效果更佳 3 氣膜冷卻 圖10典型的氣膜冷卻葉片 圖11氣膜冷卻簡圖 氣膜冷卻是一種廣泛采用的有效冷卻技術(shù) 它通過在高溫部件表面開設(shè)槽縫或者小孔 將冷卻介質(zhì)以橫向射流的形式注入到主流中 在主流的壓力和摩擦作用下 射流彎曲并覆蓋于高溫部件表面 形成溫度較低的冷氣膜 從而對高溫部件起到隔熱和冷卻作用 透平葉片采用氣膜冷卻后 可以提高透平進(jìn)口溫度 增加熱效率 提高推重比及降低油耗 例 M701F葉片冷卻技術(shù) a M701F第一級靜葉冷卻結(jié)構(gòu)圖 b M701F第一級靜葉冷卻結(jié)構(gòu)圖 圖12M701F第一級葉片冷卻結(jié)構(gòu)圖 4 層板冷卻 a 層板結(jié)構(gòu)示意圖 b 多孔層板全氣膜傳熱 在高溫部件冷卻中 為了有效利用空氣 在形成氣膜之前 一定要增強內(nèi)部對流換熱 可以通過內(nèi)部對流冷卻 沖擊冷卻 擾流柱 肋壁等強化換熱方式對葉片進(jìn)行冷卻 基于這種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結(jié)構(gòu) 圖13層板冷卻結(jié)構(gòu)及傳熱圖 5 壁面通道冷卻 圖14壁面通道冷卻結(jié)構(gòu) 壁面通道冷卻是在氣膜冷卻和通道內(nèi)強化換熱的基礎(chǔ)上增加了沖擊冷卻 也可以說是在層板冷卻的基礎(chǔ)上去掉了擾流柱強化換熱 在工藝上比層板冷卻簡單 比較容易實現(xiàn) 沖擊孔和氣膜孔的位置對壁面通道內(nèi)流動結(jié)構(gòu)影響顯著 當(dāng)有內(nèi)部橫流存在時 壁面通道過長 會導(dǎo)致通道內(nèi)部壓力分布的不均勻從而使不同氣膜孔的出流量差別較大 甚至?xí)l(fā)生燃?xì)獾构嗳胪ǖ纼?nèi)部 6 熱管冷卻 熱管冷卻屬于新型冷卻技術(shù) 由于熱管具有極高的熱效率 可以有效的減少冷氣的用量 同時熱管靠液體氣化來吸收熱量 當(dāng)熱端部件的傳熱量增加 熱管的冷卻能力也隨之增強 但是目前葉片的熱管冷卻應(yīng)用是全新的概念 用什么冷卻工質(zhì) 如何帶走傳遞的熱量以及如何保證動葉片高轉(zhuǎn)速工況下熱管的正常工作都需要進(jìn)行理論和實驗確證 2 抽氣冷卻對燃?xì)廨啓C性能的影響 圖15燃?xì)廨啓C冷卻空氣系統(tǒng) 抽出燃?xì)廨啓C壓氣機中的空氣來冷卻高溫零件 就可以提高燃?xì)廨啓C溫度 因而可以提高裝置的熱效率并增加裝置的比功 或者不變 材料不變 因冷卻降低了葉片冷卻溫度 對鎳基合金來說 工作溫度降低450 使用壽命延長10倍 然而 另一方面 抽氣冷卻也有不利的影響 增加透平的鼓風(fēng)損失當(dāng)用空氣冷卻透平轉(zhuǎn)子時 尤其是采用單流程的空心葉片時 透平轉(zhuǎn)子就像鼓風(fēng)機那樣帶動冷卻空氣高速旋轉(zhuǎn) 由于鼓風(fēng)機的功率約和轉(zhuǎn)速的三次方成正比 而且冷卻空氣的流量也不小 因此 這種冷卻方式消耗功率很大 壓氣機壓縮功的損失抽出的冷卻空氣曾經(jīng)壓氣機壓縮而具有一定的壓力 但由于冷卻系統(tǒng)通道中的流動阻力而損失掉一部分 不能再透平中全部恢復(fù)作功 這實際上相當(dāng)于漏氣損失的增加 摻入主流時引起紊流損失冷卻空氣完成冷卻任務(wù)后 還有剩余壓力以便就地并入主流 這樣雖然在某種程度上利用了冷卻空氣中的壓力和熱量 但是當(dāng)冷卻空氣摻入主流時就會擾亂燃?xì)庵髁骶€和參數(shù) 影響到透平的內(nèi)效率 可用熱量損失高溫零件傳出的熱量 實際上來自工質(zhì) 在工作膨脹過程中 傳出熱量是很不利的 起了和再熱相反的作用 如果這部分能量不加以利用 則會轉(zhuǎn)變?yōu)閾p失 如果冷卻空氣仍舊摻回燃?xì)庵髁?則由于高勢位熱量變成了低勢位熱量 可利用的熱量仍要減少 由于抽氣冷卻具有上述不利因素 因此在設(shè)計時應(yīng)仔細(xì)考慮得失 盡量少抽氣 少抽壓力較高的氣 而且抽出