張慧奇
摘 要:燃?xì)廨啓C(jī)在工作的過(guò)程中,燃燒室出口溫度較高,超過(guò)透平葉片最大溫度承受值,影響透平葉片的正常工作,如何進(jìn)行透平葉片冷卻至關(guān)重要。本文以GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)為例,從其冷卻系統(tǒng)組成及原理分析入手,探討了透平葉片的冷卻技術(shù)和冷卻原理,并指出了其易出現(xiàn)的故障和故障原因,旨在進(jìn)一步完善GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻技術(shù),促進(jìn)其應(yīng)用和發(fā)展。
關(guān)鍵詞:GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī);透平葉片;冷卻技術(shù)
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.059
0 前言
提升透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟葘?duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)性能有著重要的作用,但這也對(duì)透平葉片的耐溫性能提出了更高的要求,采用透平葉片冷卻技術(shù)來(lái)提升其換熱效果是保證透平葉片在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。GE公司9FA燃?xì)廨啓C(jī)是國(guó)內(nèi)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組新型燃機(jī),其采用的透平葉片冷卻技術(shù)較為先進(jìn),冷卻效果良好,下面來(lái)進(jìn)行具體分析。
1 GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻系統(tǒng)
一般來(lái)說(shuō),保證燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的措施有三種,①提升葉片材料耐熱性能,例如采取高耐熱本體材料,或在葉片表面涂隔熱涂層等;②設(shè)置超溫保護(hù)系統(tǒng)來(lái)保護(hù)葉片,避免其受到高溫?fù)p壞[1];③采取葉片冷卻技術(shù)。但需要注意的是,葉片材料性能提升畢竟有限,且超溫保護(hù)系統(tǒng)也已經(jīng)固化,這兩種方式的潛力有限,而透平葉片冷卻技術(shù)則有著較大發(fā)展空間。
在GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻系統(tǒng)中,利用壓氣機(jī)內(nèi)的高壓空氣能夠冷卻透平轉(zhuǎn)子、透平葉片及輪盤等相關(guān)部件。其中末級(jí)排氣冷卻第1級(jí)靜葉,16級(jí)抽氣冷卻沿程輪盤、第1級(jí)動(dòng)葉和第2級(jí)動(dòng)葉,第9級(jí)、13級(jí)抽氣冷卻第2級(jí)、第3級(jí)靜葉。
對(duì)于第1級(jí)靜葉來(lái)說(shuō),其冷卻空氣流動(dòng)路徑為:燃燒室火焰筒外環(huán)腔→前腔、后腔→葉片內(nèi)部→冷卻結(jié)構(gòu)→燃?xì)馔ǖ馈?/p>
對(duì)于第2級(jí)靜葉來(lái)說(shuō),其冷卻空氣主要有兩股,兩股冷氣進(jìn)入葉片路徑為:①第一股冷氣:前腔→套筒→前緣;②第二股冷氣:后腔→套筒→后緣。需要注意的是,第二股冷氣經(jīng)過(guò)后緣之后,一部分由后緣直接排出,另一部分則與冷氣進(jìn)入葉片,從底部排出,在整個(gè)排出的過(guò)程中對(duì)沿路各個(gè)部件進(jìn)行冷卻。
對(duì)于第1級(jí)動(dòng)葉來(lái)說(shuō),其冷卻空氣流動(dòng)路徑為:葉片底部→蛇形通道→熱燃?xì)馔ǖ馈?/p>
對(duì)于第2級(jí)動(dòng)葉來(lái)說(shuō),其冷卻空氣在葉片底部會(huì)分成10股冷氣,進(jìn)入到葉片內(nèi)部,從圍帶流出之后,進(jìn)入到熱燃?xì)馔ǖ溃鲃?dòng)流程為:葉片底部→葉片內(nèi)部→圍帶→熱燃?xì)馔ǖ馈?/p>
2 GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻方式
在GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻方式如下:①對(duì)流冷卻:冷空氣進(jìn)入之后,與固體避免相接觸,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻效果,通過(guò)增加溝槽和肋柱能夠增大與冷氣接觸的面積,增強(qiáng)紊流效果和換熱效果,從而提升冷卻效果;②沖擊冷卻:冷空氣在經(jīng)過(guò)篩孔之后,會(huì)產(chǎn)生高速低溫氣流,氣流對(duì)靶面形成沖擊,實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度換熱,從而實(shí)現(xiàn)冷卻,除了利用篩孔之外,還可以采用其他特殊結(jié)構(gòu)來(lái)形成高速冷氣流,這種冷卻方式即位沖擊冷卻[2];③氣膜冷卻:冷空氣進(jìn)入之后,能夠在固體表面形成低溫氣膜,避免熱燃?xì)馀c透平葉片表面直接接觸,減少二者之間的熱交換,這種冷卻方式即為氣膜冷卻。
GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)在工作的過(guò)程中,燃燒室出口溫度高達(dá)1700K以上,這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透平葉片材料承受溫度最高值,尤其對(duì)于第1級(jí)靜葉片和第1級(jí)動(dòng)葉片來(lái)說(shuō),其工作溫度較高,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采取有效的冷卻技術(shù)至關(guān)重要。
第1級(jí)靜葉片采用氣膜冷卻、對(duì)流冷卻和沖擊冷卻等方式,冷卻空氣沿著上下端壁進(jìn)入到?jīng)_擊套筒中,進(jìn)行沖擊冷卻過(guò)程,之后冷卻空氣通過(guò)透平葉片表面13排孔噴出,形成冷卻氣膜,覆蓋在葉片表面,進(jìn)行氣膜冷卻過(guò)程,冷卻空氣到達(dá)透平葉片尾緣之后,經(jīng)過(guò)方形對(duì)流冷卻孔,進(jìn)行對(duì)流冷卻過(guò)程。
第1級(jí)動(dòng)葉片前緣設(shè)置3排氣膜冷卻,在葉片中段,設(shè)置雙蛇形通道,形成紊流結(jié)構(gòu),增強(qiáng)紊流效果,且尾緣部分設(shè)置了矩陣?yán)鋮s結(jié)構(gòu)和對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu),從而強(qiáng)化冷卻效果。
第2級(jí)靜葉采用對(duì)流冷卻和沖擊冷卻的方式,將65個(gè)針形冷卻空設(shè)置在葉片尾緣。
第2級(jí)動(dòng)葉采用對(duì)流冷卻方式,存在10個(gè)氣流通道,前7個(gè)通道設(shè)有紊流結(jié)構(gòu),增強(qiáng)紊流效果和換熱效果,從而提升冷卻效果。
第3級(jí)靜葉采用對(duì)流冷卻,設(shè)有單通道,第3級(jí)動(dòng)葉并未設(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)。
3 故障分析
GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是保證冷卻效果的關(guān)鍵,由于各種原因引起的透平葉片高溫?fù)p壞問題如下:①熱應(yīng)力導(dǎo)致葉片出現(xiàn)應(yīng)力性損壞:在工作的過(guò)程中或啟停狀態(tài)下,如果熱應(yīng)力變化較大,則會(huì)引起葉片斷裂,故障原因主要是葉片鑄造過(guò)程中存在冷隔問題,尤其是第3級(jí)動(dòng)葉,很容易因此斷裂;②冷卻孔阻塞:冷卻空阻塞會(huì)影響冷卻效果,導(dǎo)致透平葉片高溫?fù)p壞,首先,壓氣機(jī)中存在雜質(zhì)和顆粒物會(huì)阻塞冷卻孔,第二,使用的燃?xì)獯嬖谌廴谖飼?huì)覆蓋在冷卻孔,導(dǎo)致冷卻孔阻塞,截止到目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)多起此類故障[3];③冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理:冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接導(dǎo)致葉片出現(xiàn)熱腐蝕問題,影響透平葉片的正常工作。
4 結(jié)論
綜上所述,GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻技術(shù)十分先進(jìn),其應(yīng)用了針形孔、網(wǎng)狀通道、紊流結(jié)構(gòu)等眾多冷卻結(jié)構(gòu),結(jié)合了多種冷卻方式,冷卻效果良好,值得應(yīng)用和推廣。但需要注意的是,實(shí)踐表明,GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中也容易出現(xiàn)一些故障和問題,這就需要積極完善冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
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