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燃氣輪機冷卻空氣量計算及變工況分析

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姜聰
(湖北省電力勘測設計院，湖北武漢，430000)
Study on calculation and part load operation of cooling air allocation for gas turbine
JIANG Cong
（HuBei Electric Power Design Institute，HuBei Wuhan，430000）

Abstract:Based on the informations of hurge gas turbine,this paper has researched the ways of calculation about cooling-air proportion of Sienens V94.3.According the cooling modeL and theorem to the blade of turbine gas,we can get the model of calculation about cooling-air proportion.This way is easy to comperhend,
and the precision is fulfill to realistic requirement.
Key Words: Gas turbine; Cooling air;
Calculation methods
摘要：根據(jù)大型燃氣輪機的結構和性能資料，本文對西門子V94．3燃氣輪機冷卻空氣量的計算方法進行了研究。從燃氣透平葉片冷卻方式和機理入手，得到燃機冷卻空氣量的計算模型。該方法簡單理解容易，計算精度滿足實際工程分析需要。
關鍵詞：燃氣輪機,冷卻空氣,計算方法
1 前言
隨著燃氣輪機在電力工業(yè)中的應用，大容量高參數(shù)的機組可以得到較高的效率和經(jīng)濟收益。然而，透平初溫受到材料等因素的制約，不能無限制地提高。所以對燃機高溫部件的冷卻就顯得尤為重要。所以，對于燃機技術，冷卻空氣量的計算和分析對于了解燃機實際性能和制造技術都有重大的實際意義。
本文通過對燃機葉片幾種冷卻方式的分析，采用熱力學、傳熱學理論，分別推導出冷卻空氣量的計算方法，計算方法簡單、易于理解，計算精度滿足實際工程和理論分析需要。
2冷卻空氣量計算數(shù)學模型
燃氣輪機的冷卻空氣系統(tǒng)按冷卻工質可以分為開式空氣冷卻系統(tǒng)和閉式空氣冷卻系統(tǒng)；按葉片的冷卻方式分：對流冷卻（內(nèi)冷卻）、氣膜冷卻（外冷卻）、沖擊冷卻和蒸發(fā)冷卻等。本文首先建立冷卻空氣量計算模型，然后以具體燃機分析計算，驗證計算模型方法的準確性。
2.1 對流冷卻
當冷卻空氣和燃氣在空心葉片內(nèi)外壁面流過時，通過冷卻空氣進行對流傳熱降低葉片工作溫度。在空心動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,對流冷卻后的冷卻空氣即通過動葉上這些小孔排入主燃氣流繼續(xù)做功。冷卻空氣的排出除靠冷卻空氣本身的壓力之外 ,還可以借助離心力作用被甩出 ,增加了冷卻空氣的流動速度 ,改善了冷卻效果。對流冷卻是通過冷卻空氣和燃氣間的對流換熱，達到冷卻葉片的目的。對流換熱的流程見圖1。

圖1 燃機葉片對流換熱流程圖
由能量平衡可得對流換熱的傳熱量：

       （1）
由對流傳熱計算公式可得：
          （2）
假設，定義冷卻效率：
               （3）
聯(lián)立上面（1）、（2）式可得：
             （4）
其中：T表示溫度；W表示質量流量；A表示面積，V表示體積流量；下腳標c和g分別表示冷卻空氣和燃氣；下腳標i和o表示進口和出口狀態(tài)點；T表示對流換熱壁溫；表示對流換熱系數(shù)；表示對流換熱面積；和分別表示冷卻空氣、燃氣的定壓比熱容。

圖2 燃機葉片示意圖及相關參數(shù)
又定義面積比，葉片參數(shù)如圖2所示，其中H為葉高；為柵距；為弦長。，
所以，     （5）
將式（3）、（5）代入（4）得：
即      （6）
定義數(shù)：=，
冷卻效力，
令
可得：
            （7）
即得到對流冷卻空氣量計算模型：
               （8）
氣膜冷卻
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氣流動的方向流出 ,在葉片表面形成一層氣膜 ,把葉片表面與燃氣隔開而對葉片起到保護作用 ,減少燃氣對葉片表面的熱交換 ,同時又冷卻葉片，如圖3所示，冷卻氣膜和燃氣間進行換熱，從而達到冷卻葉片的目的。流程與對流換熱相似，見圖4。

圖3 燃機氣膜冷卻示意圖
氣膜冷卻換熱平衡：

         （9）
其中，為氣膜冷卻情況下的傳熱系數(shù)；為冷卻氣膜溫度，即燃氣與冷卻空氣局部冷卻后的絕熱溫度；為氣膜冷卻效力，。

圖4 燃機氣膜冷卻流程圖
結合上文對流冷卻關系式可得：
（10）
冷卻空氣比例：（11）
蒸發(fā)冷卻
蒸發(fā)冷卻相當于閉式蒸發(fā)冷卻，是通過水的蒸發(fā)吸熱來達到冷卻葉片的目的，見圖5、6。蒸發(fā)冷卻相比空氣冷卻有以下優(yōu)點：冷卻效果好，節(jié)省壓縮空氣，提高燃機效率。

圖5 燃機蒸發(fā)冷卻示意圖
參考文獻[3]中得到蒸氣冷卻時換熱系數(shù)與沒有蒸發(fā)冷卻時換熱系數(shù)關系為：
   （12）
其中表示單位面積冷卻空氣量，，為蒸發(fā)冷卻換熱系數(shù)。

圖6 燃機蒸發(fā)冷卻流程圖
當與相差不大時，則；即。
又
所以由得到：
    （13）
燃機冷卻空氣變工況
3.1變工況計算
單軸燃氣輪機透平的級數(shù)較少，一般為 3～5級，而膨脹比又較大。這樣，在透平第一級噴嘴中將發(fā)生阻塞流動。
根據(jù)弗留格爾公式有：
           （14）
冷卻空氣量變工況：
         （15）
其中，為透平進口燃氣流量；和分別表示透平進口燃氣的滯止壓力和溫度；和表示冷卻空氣的壓力和溫度。下表i表示級數(shù)，d表示設計工況數(shù)值。
3.2冷卻空氣量對燃機效率的影響
當考慮抽氣用于冷卻透平時，冷卻空氣必然會對燃氣透平中的燃氣膨脹過程產(chǎn)生影響。由于冷卻空氣的溫度和焓值較燃氣小，所以等量的燃氣在透平中的作功必然減少，進而，等熵效率將會發(fā)生變化，見圖7。

圖7 考慮冷卻空氣時燃氣透平流程示意圖
或
（16）
其中：、為燃氣輪機的透平凈功率、毛功率（即沒有考慮軸損失和散熱損失），m、h分別表示質量和焓值，下表數(shù)字0、1、2和4分別表示透平進口、出口、噴嘴冷卻空氣入口、動葉冷卻空氣入口，s表示等熵工況。
算例分析
本文以西門子V94．3燃氣輪機為例，采用上述計算模型簡要計算冷卻空氣量。
4.1 西門子V94.3燃氣輪機性能參數(shù)
西門子V94.3燃氣輪機冷卻空氣量分配(見圖8)：(a)壓氣機級數(shù)17，進口導葉可調，前三級靜葉亦可調；冷卻空氣分別取自第4級靜葉后、第9級靜葉后、第13級靜葉后以及第17級靜葉后的排氣腔； (b)透平級數(shù)4，壓氣機第17級后抽氣在外部冷卻后用于冷卻第1級靜葉、葉輪和動葉，第2、3、4級葉輪及第2、3級動葉用壓氣機第 13級靜葉后抽氣冷卻，第4級動葉不冷卻，第 2、3、4級靜葉分別用第13級、第9級以及第4級靜葉后抽氣冷卻； (c)設置兩個水平臥式圓筒型燃燒器，裝設8個混合型燃燒器，采用雙層殼體設計�；鹧嫱矁�(nèi)襯陶瓷掛片，熱煙氣流道(或稱過渡段)裝有空氣冷卻的金屬防熱片。

圖8 西門子V94.3燃機冷卻空氣量分配圖
西門子V94.3型燃氣輪機性能參數(shù)如下表1:
表1：西門子V94.3燃氣輪機性能參數(shù)
性能參數(shù) 單位數(shù)值
轉速 r/min 3000
空氣流量 kg/s 612
排氣流量 kg/s 624
壓比 -- 16.3
ISO溫度 ℃ 1160
轉子入口溫度 ℃ 1290
透平進口溫度 ℃ 1340
排氣溫度 ℃ 550
Nox 排放 ppm 35
功率 MW 222
效率 % 36.2
4.2 計算參數(shù)的選取
（1）有幾種不同的定義， a）燃燒室的出口溫度；b）燃氣透平第一級噴嘴后的燃氣溫度；c）以所有進入透平的空氣流量計算的平均溫度。本文這里采用的第一種；
（2）取值范圍：850～900℃，本文取為850℃；
（3）葉型參數(shù)，，即，，；
（4）取值范圍：0.6～0.8，本文取為0.7，則。
4.3 計算結果及分析
綜合各參數(shù)的取值和計算方法，計算結果如下表2所示。
表2：西門子V94.3冷卻空氣量計算結果
第4級第9級第13級第17級合計
冷卻效力 0.437 0.475 0.452 0.5235 ---
冷卻空氣量% 0.0388 0.0452 0.0412  其中冷卻空氣的百分比是指冷卻空氣占各級進口燃氣的比例。
結論
（1）由上述計算理論和實例計算所得計算結果分析，參照相關的資料此類型的燃氣輪機冷卻空氣量在18.5％左右，本文計算為18.0％。可以據(jù)此對燃機冷卻系統(tǒng)進行粗略的計算，對燃機特性分析可起到一定的作用。
（2）本文實例計算中采取了一些近似計算，特別是燃氣初溫、壁溫的取值對計算結果有較大的影響。實際計算中還應考慮在冷卻過程中燃氣和冷卻空氣的溫度不斷的變化以及冷卻葉片具體型式的變化對冷卻空氣流場變化的影響。
（3）燃機冷卻是個相當復雜的過程，本文只能是作為燃機冷卻空氣量的估算，可運用數(shù)值模擬的方法對復雜過程進行模擬，計算結果更符合實際。
參考文獻
[1]翁史烈．燃氣輪機[M]．北京：機械工業(yè)出版社，l987．
[2]Horlock,J.H,and Watson,D.T. Limitations on Gas Turbine Performance Imposed by Large Turbine CoolingFlows[J].Journal of Engineering for Gas Turbine and Power. JULY 2001,Vol.123,487~494.
[3]Kays,W.M,Crawford,M.E. Convective
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Hill, 1993,New York.
[4]鄧世敏，危師讓，林萬超．IGCC 系統(tǒng)專用單元模型研究[J]．中國電機工程學報，2001，21(3)：34～36.
[5]李政，江寧，麻林巍等.西門子V94.3燃氣輪機冷卻空氣信息推測[J]．燃氣輪機技術，2002,15(4)：13～15．
[6]王德慧，李政，麻林巍等.大型燃氣輪機冷卻空氣量分配及透平膨脹功計算方法的研究[J].中國電機工程學報，2004，24（1）：180～185.

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