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重型燃氣輪機冷卻透平建模與熱力性能分析研究取得進展

  透平葉片冷卻是提高透平進口溫度,從而提高燃氣輪機循環效率的重要手段之一。燃氣輪機廠商對透平冷卻信息、內部熱力參數和技術參數通常都是保密的。建立準確的透平冷卻模型,對準確預測重型燃氣輪機熱力性能至關重要。先進能源動力重點實驗室研究人員結合多個不同簡化程度的燃氣輪機透平冷卻熱力模型,進行了透平冷卻空氣量的計算和冷卻模型間的相互校核驗證,探索不同級別重型燃氣輪機的部件、整機性能及冷卻技術水平進展規律,并為不同冷卻模型針對不同級別燃氣輪機應用時的參數取值提供參考。 

  研究人員以GE公司不同級別的典型重型燃氣輪機為研究對象,采用簡單熱力學平衡模型,引入能量損失,計算各燃氣輪機的當量透平前溫、部件效率等關鍵參數,并實現了功率和效率的數據匹配。采用一級靜葉的半經驗公式冷卻模型,結合透平一級動葉入口溫度,估算了各燃氣輪機的燃燒室出口溫度、一級靜葉冷卻空氣量和總冷卻空氣量,并給出了不同級別燃氣輪機的葉片統一溫度Tbu的建議取值。圖1為計算獲得的各級別燃氣輪機不同定義下的透平初溫。研究結果表明,BEFHA級燃氣輪機的總冷卻空氣比例分別在16%18%20%22%左右。 

  為了消除經驗參數選取給性能模擬帶來的不確定性,研究人員建立了集成0維半經驗公式模型和準1維模型的聯合計算模型,從而確定了模型經驗參數Z和葉片統一溫度Tbu的取值。采用該聯合模型對PG9351FA燃氣輪機一級靜葉進行了計算和參數分析,并回帶到燃氣輪機整機的準1維連續膨脹冷卻模型中進行了驗證。對GE公司最新型的9HA.02燃氣輪機進行了參數分析,獲得了氣膜冷卻系數、熱障涂層Biot數、葉片金屬Biot數等H級燃氣輪機冷卻技術水平參數。由于9HA.02燃氣輪機透平一級靜葉采用了新型定向凝固單晶合金材料,推算得到透平一級靜葉和冷卻透平段葉片最高容許溫度差值可達200℃,一級靜葉的葉片最高容許溫度為1090℃,相比于F級燃氣輪機大幅度提高。計算結果表明,H級燃氣輪機冷卻技術水平較F級明顯提升;9HA.02燃氣輪機的一級靜葉冷卻空氣約占總冷卻空氣的1/4,明顯低于F級燃氣輪機的1/2 

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