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中科院重点部署项目“高温透平叶片高效复合冷却技术”研究进展
发稿时间:2015-08-13         作者:付经伦 张晓东          来源:     【字号:

  先进重型燃气轮机及其动力循环是实现高性能热-功转换、提供电力的最有效途径。目前燃气轮机联合循环的发电效率已超过60%,是当前效率最高的发电技术。燃气轮机是联合循环发电的核心装备,国内还不具备自主研制F级及以上级先进重型燃气轮机的能力,联合循环电站的燃气轮机均为进口和合资生产。国家迫切需要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。面向国家这一重大需求,中国科学院启动了院重点部署项目“燃气轮机高温透平叶片研制与验证”,围绕着燃气轮机核心关键部件——高温燃气透平的自主研制技术,从复合冷却技术研究、定向叶片制造、热障涂层、新型冷却和高温验证等方面分成6个课题展开研究,由中科院工程热物理研究所、中科院沈阳金属研究所和中科院过程研究所共同承担。工程热物理研究所在该项目中承担了三个子课题的研究,“高温燃气透平叶片复合冷却技术研究” 是其中之一。通过研究,形成F级燃机高温透平叶片高效复合冷却技术,完成高温叶片冷却结构设计方案。 

  工程热物理所研究团队在前期承担的国家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,针对1400℃透平初温的重型燃机四级透平进行了气动设计和F级冷却透平冷气量分配,完成了一级导向叶片冷却设计,通过模化实验研究校验了冷却结构方案并设计了高温环形叶栅实验台。具体进展如下: 

  1F级燃机透平气动设计。参考当前典型F级燃机透平特点,采用自主开发的燃气透平气动设计软件设计了近等中径的四级透平。为了控制末级透平动叶的高度,减少了末级透平的功率分配,最终的各级功率比值为1.12: 1.07: 0.87: 0.95,四级叶片半叶高位置表面压力分布如图1所示,其中前三级需要冷却。通过对四级透平各级功率分配及各排动叶进出口环量分布的优化,明显降低了末级透平动静叶的负荷,其静叶根部和动叶顶部最大马赫数明显降低,三维计算结果表明经过优化透平气动效率从0.89提高到了0.90 其中透平导叶为钝头的直叶片,出口马赫数为0.83 

 

  1 四级透平叶片表面压力分布 

 

  2 透平冷却导叶模型 

  2一级导叶冷却设计。透平进口导叶冷却结构设计如图2所示,叶片表面整体温度分布如图3所示。其中叶身内部冷却采用了插件式冲击冷却结构,前缘采用了6排孔的喷淋冷却,尾缘采用了压力面劈缝结构。为了提高气膜冷却效率,叶身和端壁多处采用了扇形孔,最终设计方案的冷气量为5.6%,经过气热耦合分析及强度分析,叶片温度及应力均在材料许用范围内。 

   

  图3 一级导叶叶片整体温度分布 

 

   

  4 模化实验台照片 

  3模化验证实验。搭建了模化比为0.54的模化实验台,用来测量气膜冷却效率及叶片表面换热系数,如图4所示。该实验台主要包括四个子系统:高温主流发生系统、冷气发生系统、平面叶栅实验段和红外测温系统,通过更换实验件还可进行不同冷却结构的传热\冷却实验研究。具有复杂冷却结构的高温合金实验叶片由三维激光打印技术制成,叶片表面和孔径的加工偏差小于0.05mm。实验叶片已完成安装,并开展了模化实验,图5为耦合传热实验中红外相机拍摄的叶片表面温度图像。 

 

    图5 实验叶片表面温度分布  

  4高温环形叶栅实验台设计。完成了主流温度为1400℃的高温环形叶栅实验台设计,实验台主要由叶栅实验段、转弯段和方变圆段构成。叶栅实验段为套筒结构,主流流道由3只冷却叶片和2个侧壁构成2.5个周期叶栅通道,叶栅实验段采用气冷保护,转弯段和方变圆段采用水套冷却。目前实验台正在加工。 

  院重点部署项目子课题“高温燃气透平叶片复合冷却技术研究”自20141月启动,执行期为二年。截止目前,研究团队已基本完成了所承担的研究任务,初步掌握了F级燃机透平叶片高效复合冷却技术,完成F级冷却叶片的整体设计与模化实验验证,通过对实验结果的初步分析所设计的冷却叶片达到国外F级燃机透平冷却技术水平,并申请国家发明专利1项,获得软件著作权1项,达到课题预期目标。下一步,研究团队将进一步处理和分析所得到的实验数据,完善透平叶片高效复合冷却设计,完成课题结题报告,准备结题检查。 

 
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