湿燃气透平叶片热流固耦合换热特性的数值研究

为评估湿空气透平循环中湿燃气对透平叶片燃气侧换热特性的影响,以及湿空气对透平叶片冷却效果的影响,以C3X叶片为例,采用热流固耦合的数值计算方法,研究了湿燃气含湿量对透平叶片表面温度和传热系数的影响,对比分析了干空气与湿空气冷却效果的差异.同时在研究范围内给出了透平叶片燃气侧传热系数的无量纲关系式,为湿化燃气轮机透平叶片的优化和冷却结构设计提供参考.结果 表明:湿燃气含湿量对透平叶片燃气侧的流动性能基本无影响;当湿燃气含湿量从0 g/kg增加到150 g/kg,主流进口温度为1473 K时,透平叶片表面平均传热系数增加10％,且增加幅度随着主流进口温度的升高而增大,叶片表面最高温度平均提高10 K;与干空气相比,湿空气作为冷却工质时的叶片表面温度更低,冷却效率更高,且冷却效率随着湿空气合湿量的增加而提高.     

透平冷却空气量计算方法综述

燃气轮机效率提高的主要途径是提高透平进口温度。随着透平进口温度的不断提高,对冷却空气量的需求也逐渐增多,为保证透平安全可靠运行,透平冷却空气量的计算就显得尤为重要。本文对比了国内几篇文献中针对V94.3燃气轮机透平冷却空气量的估算方法,同时介绍了国内外其他研究人员利用流体网络法的研究成果。通过对比分析可知,采用叶片冷却模型以及从燃气轮机功率角度估测冷却空气量的方法适用于工程应用。流体网络法有严谨的理论支持,可针对空气系统具体部件进行计算分析。     

基于运行数据的IGCC电站燃气轮机性能分析

基于现场数据,对天津IGCC(整体煤气化联合循环)中燃气轮机建立数学模型,分析环境温度,燃料热值,透平出口温度等因素对燃气轮机性能的影响。结果表明:环境温度降低时,机组热效率迅速增大,透平进口燃气温度上升,第一级静叶表面温度迅速减小,透平冷却效果良好。压气机压比迅速减小,IGV(可调导叶)开度对环境温度变化敏感,变化幅度大。合成气热值降低时,机组热效率稳定,透平进口燃气温度与透平叶片表面温度稳定。压气机可以通过较小的IGV开度变化保证在合成气热值大幅度变化时压比保持稳定,防止喘振。透平出口温度设定值逐渐增大,透平进口燃气温度随之上升。透平第一级静叶表面温度升高,透平冷却效果恶化。过低的透平出口温度会降低机组热效率。此时IGV可以保证压气机压比与空气质量流量的变化。     

工业燃气轮机透平叶片材料综述

在分析工业燃气轮机透平叶片对材料性能要求的基础上,简述了透平叶片用高温合金材料的发展过程,并对主要燃气轮机制造商研发和使用的透平叶片材料的成分和典型合金的力学性能进行了论述。定向合金和单晶合金的性能比较表明,定向合金已经成为先进高参数工业燃气轮机透平叶片用主流材料,高温性能更加优异的单晶材料将成为参数更高的工业燃气轮机透平叶片材料研究的重点。     

带有冷气掺混的三级透平气动性能数值研究

借助NUMECA数值仿真软件,以某型燃气轮机的三级透平作为计算模型,对其在冷却气体掺混前后的流场进行了数值模拟。考虑到工质物性的影响,采用了变比热高温燃气作为计算工质。同时,针对燃气轮机透平进口的变工况问题,选取不同的透平进口总压值进行数值计算。结果表明,冷却气体的加入使得级损失增大,每列叶片流道出口速度或相对速度减小,下游叶片进口气流角减小;在三级透平冷气掺混时改变进口总压值,每列叶片流道的进口气流角几乎不变,除第三级动叶的激波损失与尾迹损失增大外,其余叶片流道的能量损失变化不明显。     

冷却对燃气透平的熵增及透平效率影响的研究

运用修正的解析模型计算得到叶片冷却空气需求量和温度分布,并从热力学第二定律角度出发,阐述了动、静叶冷却过程的熵增情况,详细分析了冷却空气在冷却通道内的内部摩擦、导热损失模型以及冷却空气与燃气掺混时的内能和动能损失模型.对不同定义下的燃气轮机透平效率进行了比较、探讨,研究了叶片冷却对透平效率的影响,并对其进行了修正.算例结果表明,冷却导致的一系列不可逆熵增使得透平效率发生了2％ -3％左右的下降.因此,在研究中需对冷却导致的透平效率变化进行修正,使得结果更加准确.     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：内部冷却

随着燃气轮机透平进口温度的不断提高,其换热与冷却问题已然成为现代高性能燃气轮机研发中亟待解决的核心关键技术之一.透平叶片的冷却可以分为内部冷却和外部冷却,结合作者近年的研究工作,详细综述了燃气轮机透平叶片内部换热与冷却问题的研究现状与进展,着重介绍了叶片内部蛇形通道冷却、叶片内部冲击冷却和前缘的旋流冷却及尾缘柱肋冷却,指出了它们各自在相关方面需要进一步开展的工作.其中：在蛇形通道冷却方面,需要进一步研究旋转状态下蛇形通道内流动与换热特性、发展高性能的扰流装置及通道弯头结构、设计新颖高效的叶顶内部冷却结构、获得带气膜孔或冲击孔的蛇形通道内的换热与冷却特性;在叶片前缘内部冲击冷却方面,需要研究不同曲率面上的冲击冷却换热特性、旋转条件下的冲击冷却以及冲击气膜复合冷却特性;在旋流冷却方面,需要对其结构参数的影响开展进一步的广泛研究,并开展旋转状态下旋流冷却特性的研究;在尾缘柱肋冷却方面,需要进一步研究复杂流场下柱肋阵列通道中的流动换热与众敏感因子之间的关系.     

内部结构对空冷叶片换热性能的影响

为了深入了解空冷透平动叶的冷却机理和冷气流动特性,时某型燃气轮机透平动叶进行了气-热耦合数值模拟.结果表明,叶片端部气膜孔可以促进冷气在蛇形通道中的流动,改善冷却效果;涡流矩阵通道中子通道的宽度与高度比减小会加大涡流矩阵通道中的流动阻力,冷气在涡流矩阵通道中能得到更充分的利用,而对尾缘的冷却能力会下降,致使尾缘温度升高,因此其高宽比与冷气进口条件存在一个最佳组合关系;涡流矩阵通道结构与叶尖之间的间隙会降低冷气的利用率.     

展望未来联合循环装置时效率将达到65%

<正>据《Gas Turbine World》2016年5～6月刊报道,所有的工程要素,包括移植先进的航空发动机技术、提高涡轮入口的燃气初温与完善的结构材料、涡轮叶片采用耐高温合金和TBC(热障涂层)以及通流部分采用有效的冷却技术等,都可以应用于高效的Brayton循环(燃气轮机等压循环)。燃气轮机将在1 400 ℃涡轮进口温度下运行并交付,达到令人十分惊奇的65%联合循环装置净效率。     

叶栅前缘单排冷却孔气膜冷却效果的数值研究

提高燃气轮机入口温度是提高其热效率和输出功率的有效措施,但目前燃气轮机进口的燃气温度已远超叶片材料的承受极限。为了降低燃气轮机叶片前缘的温度和提高温度的均匀性,对气膜冷却孔采用Cooling/Bleed(冷气喷射模型)模型,采用S-A(Spalart-Allmaras)模型,对叶栅进行了三维数值模拟。模拟结果表明:除孔中心下游以外,降低倾斜角有助于降低前缘温度和提高温度的均匀性,另外吹风比越大效果越明显。     

基于热流固耦合分析的重型燃气轮机透平高压叶片寿命研究

先进高效的重型燃气轮机透平高压叶片工作在高温、高压、高转速的严苛环境中,为了评估其安全可靠性,本文基于三维稳态粘性Navier-Stokes方程,考虑气动与热物理场的耦合,运用共轭计算技术和SST湍流模型建立了具有完整内外冷却结构的某燃气轮机高压透平叶片热流固耦合分析模型和寿命分析模型,获得了叶片温度分布及相应的应变应力场,并详细分析了叶片上热障涂层和金属基底的寿命状况。研究结果对理解和掌握先进的燃气轮机透平叶片设计技术具有重要参考意义。     

透平冷却空气系统和冷却空气量研究

介绍了燃气轮机的叶片冷却技术,并对燃气轮机各级冷却空气分布进行分析。在假设等熵效率η和混合效率ηε的基础上,根据透平工作原理,建立了一个能够求解出合理空气量的方程。最后针对燃气进出口焓值和冷却空气对焓值变化的影响求解出适当的空气量分配,这为研究燃气轮机二次空气系统提供了理论依据,同时也为透平部件的寿命评估提供了边界条件。     

燃气透平冷却空气量及变工况估值计算的研究

根据大型发电燃气轮机的结构和性能资料,对西门子V94.3燃气轮机冷却空气量的计算方法进行了研究。从燃气透平叶片冷却方式和机理入手,得到燃机冷却空气量的计算模型。该方法简单易于理解,计算精度满足实际工程分析需要。     

燃气轮机冷却空气量计算方法的研究

根据大型发电燃气轮机的结构和性能资料,本文对西门子V94.3燃气轮机冷却空气量的计算方法进行了研究。从燃气透平叶片冷却方式和机理入手,得到燃机冷却空气量的计算模型。该方法简单易于理解,计算精度满足实际工程分析需要。     

燃气轮机高温叶片气膜冷却系统的研究进展

气膜冷却是现代燃气轮机透平高温叶片冷却的重要方式。真实透平中的复杂工况对气膜冷却系统提出了严峻的挑战,优化设计气膜冷却系统,提高其冷却性能,同时适应真实透平的工作条件已成为业界关注的一个主要问题。本文综述了近年来在气膜冷却结构设计、气膜冷却系统制造和其在燃机真实条件下运行性能三方面的研究成果。在此基础上提出了气膜冷却研究的发展方向。高温叶片的气膜冷却系统将在更加接近燃机真实运行工况的雷诺数、马赫数、湍流度、吹风比、动量比、密度比以及非稳定流场条件下,沿着优化气膜孔的组合排布、孔形和孔影响区域这三方面进行优化设计,同时考虑加工工艺和长期运行均会导致实际的气膜冷却孔会偏离设计构造的影响。     

透平涂层

近几年来,随着陆用燃气轮机燃烧温度的提高,对燃气轮机部件的材料提出了更高的要求.特别是透平第一级动叶片表面金属温度提高后已改变了动叶片涂层所要求的保护特性,即从仅严格要求耐高温热腐蚀到同时要求具有高温抗氧化保护.本文提出了低温及高温热腐蚀和高温氧化的特征.概述了GE公司动叶片涂层的材料和他们提供的有关防腐蚀和防氧化的类型.对高温重型燃气轮机上拆下的叶片提出评估.描述了GE公司为防止氧化和腐蚀而研制与试验的一种抗氧化性能更好的新涂层材料PLASMAGUARD~(TM)GT-29PLUS.     

燃气轮机燃烧室与透平交互作用研究进展

当代高性能燃气轮机高温部件燃烧室和透平存在着复杂的流动传热现象.随着燃机透平进口温度不断提高,部件交互作用愈发突出,直接影响到燃烧筒和叶片材料的温度水平.总结了国内外燃机中燃烧室/透平交互作用的研究进展,包括热斑、湍流度、辐射、旋流、尾迹管理等因素,归纳了典型的理论研究、实验研究、数值模拟成果.燃烧室与透平交互作用的机理研究已取得较大进展,在真机工况下的验证与应用仍需开拓.高温部件的实验平台与计算开发是支撑设计体系建设的重要基础.     

核电站燃气轮机装置

使用有机燃料的电力动力装置中以及在驱动和运输设备中采用开式循环燃气轮机装置,即从透平排出的燃气压力和进入压气机的空气压力等于大气压力的燃气轮机装置。在电力工程中,开式循环燃气轮机用作尖峰负荷装置,它能经常快速起动工作。对于这种简单循环的装置,一般不采用回热、中间冷却而只采用一次供热的方式。虽然透平进气温度很高,但燃气轮机装置的效率却低于热电站和核电站中的蒸汽轮机装置。     

燃气轮机透平叶片传热和冷却研究：气膜冷却

气膜冷却作为燃气轮机透平叶片通流部分外部冷却的一种主流技术,经过多年来的研究改进,已在工程应用实践中得到了很好的发展.总结近年来燃气透平叶片气膜冷却的相关研究进展,重点介绍了一些新型气膜冷却结构的研究情况,基于当前研究热点和发展趋势,结合作者在这方面的研究经历,指出了气膜冷却研究及其应用的发展方向.鉴于新型气膜孔、组合气膜孔以及涡发生器与气膜孔的组合在气膜冷却性能方面具有较大优势,未来将深入研究其在实际透平中的应用问题.     

叶片蒸汽冷却耦合换热特性的数值研究

为评估透平叶片的蒸汽冷却效果,以Mark II叶片为对象,采用热流固耦合的数值计算方法,通过与实验数据进行比较考察了不同湍流模型对计算结果的影响,对比分析了空气、过热蒸汽和湿蒸汽冷却效果的差异,研究了冷却蒸汽质量流量、进口湍动度和叶片表面粗糙度对蒸汽冷却效率的影响.结果表明:SST转捩湍流模型对于流动换热计算有较高的精度;与空气冷却相比,过热蒸汽冷却的效率更高,叶片壁面温度更低;与过热蒸汽冷却相比,湿蒸汽的冷却效率更高,叶片壁面温度更低,且随着蒸汽湿度的增加,冷却效率提高,叶片壁面温度降低;增加冷却蒸汽的质量流量可使冷却效率提高,但冷却蒸汽的温升减小;当湍流强度小于3%时,冷却效率随冷却蒸汽进口湍流强度的增大而提高;增加叶片粗糙度使得叶片冷却效率显著提高.