燃气轮机教学课件14-透平3

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1、第四章第四章 燃气透平燃气透平概述概述（功能、分类、基本结构等）（功能、分类、基本结构等）；轴流式燃气透平的工作原理；轴流式燃气透平的工作原理；透平级中的能量损失、效率和速度比；透平级中的能量损失、效率和速度比；多级透平；多级透平；透平特性；透平特性；燃气透平的冷却。燃气透平的冷却。叶栅参数可分为叶型部分和叶栅部分。叶栅参数可分为叶型部分和叶栅部分。反动式透平中动叶平面叶栅的几何参数反动式透平中动叶平面叶栅的几何参数 几何入口角几何入口角 1p几何出口角几何出口角 2p叶型弯角叶型弯角 安装角安装角 p冲角冲角i 落后角落后角 1100 ppii 或 2211 pp（）扩张角扩张角 指叶片根部

2、或顶部壁面与轴线的夹角，也是影响端部损失指叶片根部或顶部壁面与轴线的夹角，也是影响端部损失的重要参数之一，当扩张角大于的重要参数之一，当扩张角大于10时，会引起端部损失的增加。时，会引起端部损失的增加。4-5 透平特性n设计工况：n透平级的通流部分形状和各级叶片的几何参数，均与设计工况的气流速度三角形一致n能保证气流绕流叶片时不致于产生撞击和分离。n变工况：n在不同条件下的实际运行工况，往往会偏离设计工况，在变工况下工作。一、透平的变工况n通常指各工况参数的变化：n(1)(1)转速转速n n；n(2)(2)透平级前压力和温度（透平级前压力和温度（p p3 3*、T T3 3*）等进气参数的变化

3、）等进气参数的变化；n(3)(3)透平级后背压透平级后背压 （p p4 4）等参数的变化。）等参数的变化。n会导致各级间的焓降重新分配、速度三角形的变化以及在叶片进口出现冲角等；n最终必将引起透平级的综合性能参数如流量、功率以及综合性能参数如流量、功率以及效率等效率等的变化。透平特性透平特性n在非设计工况下，透平的在非设计工况下，透平的性能参数性能参数依从于依从于工况参数工况参数变化时的规律性。变化时的规律性。流量、功率、效率等转速、进气参数、背压等透平的变工况举例n变工况时，喷嘴出口气流角1变化很小，但叶轮的气流进气角1变化可能很大，而动叶片的进口几何角1p不变。n冲角冲角i=1p-1发生变

4、化发生变化n气流进入工作叶栅时，会发生撞击和分离，气流进入工作叶栅时，会发生撞击和分离，冲角愈大愈严重。冲角愈大愈严重。动叶的进口速度三角形配合不当时所造成的损失动叶的进口速度三角形配合不当时所造成的损失 a气流在叶片的吸力面侧（叶背）产生脱离气流在叶片的吸力面侧（叶背）产生脱离 b气流在无脱离时的流动情况气流在无脱离时的流动情况 c气流在叶片压力面侧（叶腹）产生的脱离现象气流在叶片压力面侧（叶腹）产生的脱离现象叶根叶根平均直径平均直径叶顶叶顶i=1p-1 1p=1mc1与与 1 相同，相同，uhumut，则则 1h 1m 1t叶片是扭曲的叶片是扭曲的（一）出现负冲角（一）出现负冲角 i0（1

5、）气流撞击叶腹前缘；气流撞击叶腹前缘；在叶背在叶背引起旋涡和分离。引起旋涡和分离。用特性曲线定量估算这种影响。用特性曲线定量估算这种影响。u/c1 u/c1 流阻明显增加，流阻明显增加，效率显著下降。效率显著下降。图图4-20b图图4-20c i 1215 i -20 -25abc图图4-20二、透平特性线的表示方法二、透平特性线的表示方法n通常通常采用相似参数采用相似参数来绘制来绘制n以相似参数为坐标绘制的特性线为以相似参数为坐标绘制的特性线为通用特性通用特性，不受具体参数变化的影响。不受具体参数变化的影响。*T3*3qTp*3*4Tpp3*nT3T*PTT流量相似参数流量相似参数Macz转

6、速相似参数转速相似参数Mau流动相似流动相似=几何相似几何相似+运动相似运动相似+动力相似动力相似透平特性的表示透平特性的表示*T31*33,TqTnfpT2*3,TTnfT *31*33,TTqTnfpT*32*33,TTqTnfpT或或*T3T3*333,qTPnfTpTT3*33,TPnfTT 静叶栅临界或超临界静叶栅临界或超临界（静叶喉部阻塞）（静叶喉部阻塞）静叶栅静叶栅亚临界亚临界*3nT*3nTT*(T)maxT临界压比临界压比(气速达到音速气速达到音速)*3*3TqTp*3max*3()TqTp效率特性效率特性流量特性流量特性三、透平级的特性线三、透平级的特性线阻塞阻塞特性曲线的

7、变化特点特性曲线的变化特点流量特性线流量特性线n当转速不变，膨胀比当转速不变，膨胀比 T T达到临界比值时，流量达到临界比值时，流量达到最大值。达到最大值。n若继续增大若继续增大 T T值，则最大流量值保持不变，级值，则最大流量值保持不变，级的通流部分出现阻塞现象。的通流部分出现阻塞现象。n在相同的膨胀比下，转速降低，会使流量有所在相同的膨胀比下，转速降低，会使流量有所增加，但影响相当小。增加，但影响相当小。*3nTT阻塞阻塞*3*3TqTp*3max*3()TqTp临界压比临界压比(气速达到音速气速达到音速)效率特性线效率特性线n在一定的转速下，与最佳速度比相对应的膨在一定的转速下，与最佳速

8、度比相对应的膨胀比胀比 T T为最佳，透平效率最高。为最佳，透平效率最高。n当膨胀比增加或减少时，都使速度比偏离最当膨胀比增加或减少时，都使速度比偏离最佳值，导致流阻增大，效率下降。佳值，导致流阻增大，效率下降。n转速降低时，效率曲线向膨胀比减小的方向转速降低时，效率曲线向膨胀比减小的方向移动，相应的最高效率也有所减小。移动，相应的最高效率也有所减小。*3nTT*(T)max效率特性效率特性(T*)最佳最佳最佳最佳)(1cuT*3nT最佳最佳)(1cu*3nTT*TmaxT(T*)最佳最佳临界压比临界压比(气速达到当地音速气速达到当地音速)*3*3TqTp*3max*3()TqTp效率特性效率

9、特性流量特性流量特性阻塞阻塞单级透平特性单级透平特性 (d点为设计点点为设计点)*33*33dTTqTpqTp*33d2nTnT*33d1nTnT*33d3nTnT T增大引起动叶中增大引起动叶中压降增大，使流速压降增大，使流速w2增大，而增大，而 2常常数，则由动叶出口数，则由动叶出口的速度三角形可知的速度三角形可知 2减小。减小。T不变时，流速降不变时，流速降低，低，使使 2减小。减小。动叶出口动叶出口气流角气流角多级透平的特性线多级透平的特性线与透平级特性非常相似，但具有以下特点：与透平级特性非常相似，但具有以下特点：、多级透平的总膨胀比变化时，对、多级透平的总膨胀比变化时，对第一级第一

10、级喷嘴喷嘴的影响最小，而对的影响最小，而对最后一级工作叶栅最后一级工作叶栅的影响最大。的影响最大。、当多级透平的总膨胀比不变时，转速参、当多级透平的总膨胀比不变时，转速参数的变化对各级膨胀比的分配影响很小数的变化对各级膨胀比的分配影响很小。透平总膨胀比变化时的影响透平总膨胀比变化时的影响n当膨胀比小于设计值时，各级膨胀比均会减小当膨胀比小于设计值时，各级膨胀比均会减小：n 最后一级工作叶栅的膨胀比减小得最多；最后一级工作叶栅的膨胀比减小得最多；n 而第一级喷嘴的膨胀比减小得最少。而第一级喷嘴的膨胀比减小得最少。n当膨胀比大于设计值时，各级膨胀比和当膨胀比大于设计值时，各级膨胀比和c cz z均

11、增加均增加：n 最后一级工作叶栅的膨胀比增加得最多；最后一级工作叶栅的膨胀比增加得最多；n 而第一级喷嘴的膨胀比增加得最少而第一级喷嘴的膨胀比增加得最少。n cz增加直到透平出口处增加直到透平出口处cz达到当地音速为止，达到当地音速为止，n 其他各级其他各级cz均小于当均小于当地音速。地音速。膨膨 胀胀 比比 T轴向分速轴向分速 cz变工况条件下串联透平之间膨胀比的再分配变工况条件下串联透平之间膨胀比的再分配 图图4-31 串联透平的膨胀比变化串联透平的膨胀比变化a两个串联透平间膨胀比的再分配两个串联透平间膨胀比的再分配 b三个串联透平间膨胀比的再分配三个串联透平间膨胀比的再分配总膨胀比降低时

12、，总膨胀比降低时，高压透平的膨胀比下降较慢，低压透平的膨胀比下降较快。高压透平的膨胀比下降较慢，低压透平的膨胀比下降较快。透平特性透平特性(P145-146)的增加促使的增加促使极限膨胀比增加。极限膨胀比增加。*3TnT 透平的变工况特性曲线透平的变工况特性曲线4-6 4-6 透平部件的材料和冷却透平部件的材料和冷却n提高燃气初温提高燃气初温是提高燃气轮机性能最关键的因素。是提高燃气轮机性能最关键的因素。n必须解决必须解决透平热端高温部件透平热端高温部件（静叶、动叶、转子、叶（静叶、动叶、转子、叶轮和气缸）的高温强度和使用寿命问题。轮和气缸）的高温强度和使用寿命问题。n 一是不断研制新的耐高温

13、的合金材料；一是不断研制新的耐高温的合金材料；n 一是采用冷却透平热端高温部件。一是采用冷却透平热端高温部件。n着重研究着重研究叶轮和叶片的冷却叶轮和叶片的冷却问题问题：n 工作叶轮的应力最大；工作叶轮的应力最大；n 叶片承受的温度最高叶片承受的温度最高。n叶片冷却效果显著、费用低，称为突破性进展！叶片冷却效果显著、费用低，称为突破性进展！一、先进的透平材料和涂层图4-26透平叶片材料发展趋势透平叶片材料发展趋势图图4-27先进涂层及其降温效应先进涂层及其降温效应二、叶片的冷却技术二、叶片的冷却技术n两类冷却方式：两类冷却方式：n 一类把冷却空气吹向叶片外表进行冷却；一类把冷却空气吹向叶片外表

14、进行冷却；n 一类把冷却空气通入叶片内部的专门流道进行冷却。一类把冷却空气通入叶片内部的专门流道进行冷却。n非常复杂非常复杂：n叶片整个浸浴在高温燃气中，无法实现外部冷却；叶片整个浸浴在高温燃气中，无法实现外部冷却；n叶片本身尺寸小，形状也较复杂，内部冷却复杂。叶片本身尺寸小，形状也较复杂，内部冷却复杂。叶根冷却叶根冷却叶片冷却叶片冷却采用空气冷却叶片采用空气冷却叶片从压气机引来一定量的空气，使从压气机引来一定量的空气，使其流过叶片内部的冷却通道后，排入主燃气流中。其流过叶片内部的冷却通道后，排入主燃气流中。冷却叶片、内部流道形式冷却叶片、内部流道形式按冷却方式分：按冷却方式分：n对流冷却：对

15、流冷却：冷却空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却叶片冷却叶片；方法简单，冷却效果较差。方法简单，冷却效果较差。n冲击冷却冲击冷却：自小孔流出的冷却空气直接冲向进气边内表面自小孔流出的冷却空气直接冲向进气边内表面进行冷却进行冷却，实质仍然是对流冷却，实质仍然是对流冷却；但冷却效果提高。；但冷却效果提高。n气膜冷却：气膜冷却：是在叶片表面形成冷却空气薄膜，把叶片表面是在叶片表面形成冷却空气薄膜，把叶片表面与燃气隔开，同时又冷却叶片；与燃气隔开，同时又冷却叶片；冷却效果很好，结构较简单。冷却效果很好，结构较简单。n发散冷却：发散冷却：当空心叶片用多孔的透气

16、材料做成时，叶片内当空心叶片用多孔的透气材料做成时，叶片内部的冷却空气就像部的冷却空气就像“出汗出汗”那样自叶片表面流出；那样自叶片表面流出；冷却效果冷却效果最好，同时消耗冷却介质最少。最好，同时消耗冷却介质最少。n综合冷却叶片：综合冷却叶片：对流、冲击和气膜冷却联合应用对流、冲击和气膜冷却联合应用对流冷却的精铸静叶对流冷却的精铸静叶叶片内部冷却通道的形式叶片内部冷却通道的形式n、冷却效果好；、冷却效果好；n次之；较差；次之；较差；n结构与工艺较复杂。结构与工艺较复杂。效果效果较差较差效果效果较好较好有冲击冷却的静叶有冲击冷却的静叶多孔的气膜冷却结构多孔的气膜冷却结构发散冷却叶片及表面温度发散

17、冷却叶片及表面温度重大缺点：重大缺点：微孔很小，易堵塞；气动损失严重。微孔很小，易堵塞；气动损失严重。优点：优点：极好的冷却效果；冷却空气量较少。极好的冷却效果；冷却空气量较少。应用：目前为止，发散冷却还未见在燃气轮机上实际采用。静叶内、外缘板表面的气膜冷却静叶内、外缘板表面的气膜冷却温度很高温度很高小孔小孔小孔小孔 图图4-36 气冷透平简图气冷透平简图图图4-37 不同冷却方式的冷却有效性不同冷却方式的冷却有效性和冷却空气百分比关系和冷却空气百分比关系先进的工艺才是实施先进冷却方式的关键。1冲击冷却冲击冷却 2对流冷却对流冷却 3气膜冷却气膜冷却 图中图中N为静叶，为静叶，B为动叶，下标为

18、级的序号。为动叶，下标为级的序号。透平的前三级的静、动叶片均采用空气冷却，第一级透平的前三级的静、动叶片均采用空气冷却，第一级静叶片的冷却量最大，所需冷却空气量也最多。静叶片的冷却量最大，所需冷却空气量也最多。四级透平的燃气、叶片金属温度分布四级透平的燃气、叶片金属温度分布对冷却空气的要求对冷却空气的要求n对冷却透平叶片的空气，提出下述要求：n（1）压力）压力n必须比叶片周围燃气的压力高，以保证冷却空气能从叶片内部排出至主燃气中而不逆流。n（2）温度）温度n大部分燃气轮机组都是直接用本身压气机的空气去冷却。n（3）流量）流量n应使冷却空气有符合要求的流量。流量的调节是通过调整冷却空气关键部位的

19、流通面积来实现的。n（4）清洁）清洁n冷却空气不清洁时，会发生堵塞现象，使叶片的冷却效果降低，这是很危险的。n措施：在冷却空气入口处加装滤网；自压气机内径处引来冷却空气；在动叶顶开清除孔。三、透平叶片的闭环蒸汽冷却三、透平叶片的闭环蒸汽冷却 n从外部引来蒸汽，对透平的静叶和动叶片冷却后再从外部引来蒸汽，对透平的静叶和动叶片冷却后再引至外部，即蒸汽与燃气隔开而不流入燃气中引至外部，即蒸汽与燃气隔开而不流入燃气中.n优点：n消除了冷却空气掺入导致的燃气温度降低；消除了冷却空气掺入导致的燃气温度降低；n无冷却空气掺混引起的扰动，消除扰动损失；无冷却空气掺混引起的扰动，消除扰动损失；n不需要从压气机中引气，减少了抽气损失。不需要从压气机中引气，减少了抽气损失。闭环蒸汽冷却叶片与空气冷却叶片结构对比 采用闭环蒸汽冷却燃烧室火焰筒和过采用闭环蒸汽冷却燃烧室火焰筒和过渡段的燃气轮机已投运。渡段的燃气轮机已投运。燃烧室不需冷却空气有利于燃气初燃烧室不需冷却空气有利于燃气初温的进一步提高。温的进一步提高。