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中科院重点部署项目“高温燃气透平叶片复合冷却技术研究”简介
发稿时间:2015-07-14         作者:付经伦          来源:     【字号:

  人类社会生产和科学技术的重大进步都是和某项能源动力技术的兴起与快速发展密不可分的,燃气轮机正是推动当今社会生产和技术进步的重要技术。燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力机械,主要结构有三部分:压气机、燃烧室、透平。工作时,叶轮式压气机从外部吸收空气,压缩后送入燃烧室,同时燃料也喷入燃烧室与高温压缩空气混合,在定压下进行燃烧。生成的高温高压气体进入燃气透平中膨胀做功,在推动压气机高速旋转的同时,对外输出的动力用于发电或驱动,乏气排入大气中或再利用。 

  燃气轮机在交通、发电和工业动力等领域得到日益广泛的应用,在国民经济与国防建设中占有重要地位。燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机,轻型燃气轮机主要用作航空发动机、船舶动力和电力调峰等,具有装机快、体积小、简单循环效率高等优点;重型燃气轮机为工业型燃机,主要用于联合循环发电、热电联产等方面,具有运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高等优点。 

  热效率和输出功率是衡量和评价燃气轮机性能优劣的重要指标。从燃气轮机热力循环分析可知,燃气轮机的热效率和功率输出随着透平进口温度(TIT)(与循环压比)的提高而增加。50年代初,透平平均初温只有600°C700°C,这一时期透平初温的提高主要靠改善耐热材料性能与制造工艺来实现;。50年代末发动机的初温大约在920°C左右;60年代以后,开始采用冷却叶片,借助于空气冷却技术,透平初温平均每年上升约20 °C1965年后的航空发动机采用了对流加冲击冷却,在叶片尾缘采用了局部气膜冷却,燃气初温提高到1130°C70年代后的航空发动机,主要采用对流冷却和冲击冷却,使燃气初温提高到1200°C以上;80年代后由对流冷却、冲击冷却、气膜冷却等多种复合冷却形式的采用,使燃气初温提高到了1350°C以上。 

  美国国防部、美国国家航空航天局和美国航空发动机制造业共同制定了综合整体高性能涡轮发动机技术(IHPTET)的长期发展与研究计划。该计划从1987年年开始实施,目标是在2003年前使发动机性能增加一倍。所有研究项目的目的,主要是通过以下方式提高涡轮发动机性能:①冷却效率的提高;②隔热涂层材料的研制;③通流效率的提高及降低泄漏等。后续又制定了通用、经济可承受的先进涡轮发动机(VAATE)计划,总目标是在2017年使涡轮发动机的经济可承受性(能力与寿命周期之比)提高到F119发动机的10倍。对于地面燃气轮机,美国能源部和美国陆用燃气轮机制造业制定了先进透平系统(ATS)的长期研究和发展计划。目前,最先进的航空燃气轮机透平进口温度已超过1700°C,先进重型燃气轮机透平进口温度已达1600°C,联合循环热效率超过60%,在研重型燃气轮机透平进口温度也已高达1700°C。但是,目前燃气透平温度与碳氢化合物的燃烧温度2000°C之间还存在着一段距离,可见透平进口燃气温度还有较大的提升空间。通过分析20世纪冷却技术和展高温耐热材料对航空燃机透平进口温度提升的影响,透平进口燃气温度的提升70%是由于采用了有效的空气冷却设计,其余30%是由于耐热材料的发展和制造工艺的进步,包括使用新的合金材料、定向结晶叶片技术、单晶叶片技术、热障涂层等。因此深入研究燃气透平冷却技术是燃气轮机技术持续发展的核心技术问题之一。 

  实际应用中的透平叶片冷却结构十分复杂,针对不同的冷却部位,可分为内部冷却和外部冷却。内部冷却分为冲击、肋片扰流和柱肋等对流换热冷却方式。外部冷却可包括表面的气膜冷却和发散冷却等。目前空气冷却透平多采用复合冷却结构。 

  国内燃气轮机联合循环电站的燃气轮机均为进口或合资生产,国内还不具备自主研制F级及以上级别先进重型燃气轮机的能力。国家已将建立自主的燃气轮机研发体系,形成具有国际竞争力的燃气轮机产品,作为即将启动的重大科技专项的目标。自主研发燃气轮机核心关键技术,是实现专项目标的重要需求。研究开发高效的透平叶片冷却技术,使其工作温度能在材料耐受温度基础上再提高500°C~600°C,达到国外同等级别燃气轮机先进水平,是保证国家燃气轮机研发重大技术专项目标实现的关键一环。 

  在此背景下,中国科学院工程热物理研究所研究团队在中科院重点部署项目的资助下开展了“高温透平叶片复合冷却技术”的研发。在前期承担的国家863项目重大专项“R0110重型燃机设计研制”子课题、国家973项目“燃气轮机的高性能热-功转换科学技术问题研究”子课题以及多项企业委托课题的研究成果基础上,研究团队主要针对1400℃透平初温的F级重型燃机进行四级透平气动设计及一级导向叶片复合冷却结构设计,开展高效冷却结构和复合冷却技术研究,完成了高温叶片冷却结构设计方案。通过本课题的实施,将掌握F级燃机透平叶片高效复合冷却技术,这对于保证高温透平叶片在严酷环境中长时间安全可靠工作,形成关键核心技术的自主创新能力,支撑F级及以上级重型燃气轮机的研制,都具有重要意义和应用价值。 

  课题研究目标是,通过高效高效复合冷却技术使透平叶片金属平均温度降低480°C,所使用的冷气量不超过压气机进口流量7%,达到国外F级燃机透平叶片冷却技术水平。 

  总之,先进重型燃气轮机及其动力循环是实现高性能热-功转换的最有效途径。提高透平进口温度(TIT)是提高燃气轮机热效率和比功率的主要办法。透平冷却技术是保证高温透平叶片在严酷环境中长时间安全可靠工作的关键核心技术。开展高效冷却结构和复合冷却技术研究,有利于形成燃气轮机核心关键部件的自主设计技术,建立自主的燃气轮机研发体系,为设计出具有国际竞争力的燃气轮机产品提供科技支撑。 

 
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