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20151227--涡轮叶片冷却技术简要说明

 

 关于涡轮叶片冷却技术 ◆

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提高涡轮进口燃气温度,将会增大循环比功,提高燃气轮机效率,改善燃气轮机性能。对航机来说, 提高燃气进口温度,将会增大发动机推力,提高发动机的推重比,改善发动机的性能。由于涡轮进口温度的重要性,这一指标常被作为发动机发展的一个重要标志。然而,涡轮进口燃气温度受到涡轮材料耐热性的限制。

 

 

12:25

- 12月18日-

想要使涡轮在更高的进口燃气温度下正常工作并达到要求的使用寿命,我们可以从三个方面入手:

 

提高金属材料的耐热性能,使涡轮能够承受的极限温度上升

 

对涡轮进行冷却,使涡轮的温度保持在材料的承受限度内

 

使用热障涂层,对涡轮热端部件进行热防护

 

随着燃气轮机性能的不断提高,涡轮进口温度日益增加,然而,高温合金耐热合金的发展速度却远远滞后于涡轮进口燃气温度的增长速度

 

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◆ 具体地说 ◆

涡轮进口燃气温度和金属耐热温度之间的差值越来越大,意味着我们需要冷却的温度越来越大。

航机中冷却涡轮的方法是从压气机中抽出一部分空气对涡轮进行冷却,增大用来冷却的空气的量可以一定程度的提高冷却效果,但是,若冷却效果的改善仅是靠增大冷却空气量来实现时,还要考虑到冷却空气量增大对效率下降的影响。到达一定程度后,就可能出现燃气初温在提高,效率反而下降的情况。

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如上图,从压气机中抽出去用来冷却的空气量增大,意味着进入燃烧室的空气量减少,而燃烧室中燃料空气比一般为一定值。因此,进入燃烧室的空气流量减少,意味涡轮机中工质流量减少,也就意味着,涡轮机总的出功减少,导致循环的比功和效率下降。

因此,我们需要不断改善冷却技术,使在提高冷却效果的同时,冷却空气量增加较少或很少,使燃机的效率提高。

 

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具体的变化趋势

 

 

◆ 涡轮叶片冷却技术的基本原理 ◆

冷气从叶片下部进入叶片内部,通过带肋壁的内流冷却通道,对叶片的内表面实施有效的冷却,一部分冷气通过冲击孔,以冲击冷却的形式对叶片前缘内表面进行冷却,一部分通过气膜孔流出,在涡轮叶片表面形成一层冷气薄层,对叶片外表面进行有效的保护,剩下的一部分经过叶片尾部的扰流柱,被扰动强化换热以后从尾缘排出。

涡轮叶片的冷却方式主要包括内流冷却和气膜冷却两种。内流冷却中包含射流冲击冷却

扰流柱强化换热 肋壁强化换热技术,多程弯折通道,层板冷却,气膜冷却的基本原理是在壁面附近沿一定方向向燃气喷入冷气,冷气在燃气的压力和摩擦力下向下游弯曲,粘附在壁面附近,形成温度较低的气膜,从而对叶片进行保护。内流冷却和气膜冷却相互作用,相互影响。

冷却技术带来的利益主要体现在一下四个个方面:

1.因提高涡轮进口温度而提高了循环比功

2.因允许使用更简单的材料而降低了成本

3.因减少了冷气消耗量而提高了效率

4.因延长部件寿命而延长了发动机的使用期限

 

◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

结论

 

1.随着燃气轮机性能的不断提高,涡轮进口温度日益增加,然而,高温合金耐热合金的发展速度却远远滞后于涡轮进口燃气温度的增长速度。除了发展新材料和新结构之外,在不改变目前可用金属材料的情况下,要保证燃气涡轮可靠工作并达到要求的使用寿命,需要采用冷却技术。

2.涡轮叶片的冷却主要通过内流冷却和外部的气膜冷却的共同作用。内流冷却可以从叶片内部有效降低叶片温度,气膜冷却可以有效降低叶片的外表温度。内流流动与外部气膜冷却相互影响。

3.在以后我们可以通过改进叶片内部结构布置,研究叶片外部孔型结构从而对内流冷却,外流冷却技术进行优化。也可以从内流流动和外部气膜之间的影响情况,影响程度实现整体优化。

4.除了冷却外,还可以从热防护的角度入手保证燃气涡轮在更高的进口燃气温度下正常工作,达到要求的使用寿命。