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1、燃气轮机冷却空气量计算及变工况分析姜聪（湖北省电力勘测设计院，湖北武汉，430000）Study on calculation and part load operation of cooling airallocation for gas turbineJIANG CongHuBei Electric Power Design Institute，HuBei Wuhan，430000）Abstract:Based on the informations of hurge gas turbine,this paper has researched the ways of calculation
2、 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 ai
3、r; Calculation methods摘 要：根据大型燃气轮机的结构和性能资 料，本文对西门子 V943 燃气轮机冷却空 气量的计算方法进行了研究。从燃气透平叶 片冷却方式和机理入手，得到燃机冷却空气 量的计算模型。该方法简单理解容易，计算 精度满足实际工程分析需要。 关键词：燃气轮机,冷却空气,计算方法 、七、亠1 前言随着燃气轮机在电力工业中的应用， 大容量高参数的机组可以得到较高的 效率和经济收益。然而，透平初温受 到材料等因素的制约，不能无限制地提高1 。所以对燃机高温部件的冷却就显得尤为重要。所以，对于燃机技术 冷却空气量的计算和分析对于了解燃 机实际性能和制造技术都有重大的实
4、 际意义。本文通过对燃机叶片几种冷却方 式的分析，采用热力学、传热学理论， 分别推导出冷却空气量的计算方法， 计算方法简单、易于理解，计算精度满足实际工程和理论分析需要。2 冷却空气量计算数学模型燃气轮机的冷却空气系统按冷却 工质可以分为开式空气冷却系统和闭 式空气冷却系统；按叶片的冷却方式 分：对流冷却（内冷却）、气膜冷却（外 冷却）、冲击冷却和蒸发冷却等。本文 首先建立冷却空气量计算模型，然后 以具体燃机分析计算，验证计算模型 方法的准确性。2.1 对流冷却 当冷却空气和燃气在空心叶片内 外壁面流过时，通过冷却空气进行对 流传热降低叶片工作温度。在空心动 叶片出气边中间沿半径方向有一组大
5、小不同、型式不同的小孔,对流冷却后 的冷却空气即通过动叶上这些小孔排 入主燃气流继续做功。冷却空气的排 出除靠冷却空气本身的压力之外 ,还 可以借助离心力作用被甩出 ,增加了 冷却空气的流动速度 ,改善了冷却效 果。对流冷却是通过冷却空气和燃气 间的对流换热，达到冷却叶片的目的。 对流换热的流程见图 1。图 1 燃机叶片对流换热流程图由能量平衡可得对流换热的传热量 Q 2：netQ 二 W - C - (T - T )net c pc co ci二 W - C - (T - T )(1)g pg gi go 由对流传热计算公式可得：Q =a -A -(T -T )(2)net g sg gi
6、bl假设T T，定义冷却效率：co blT - T耳=co(3 )T - Tbl ci联立上面(1)、(2)式可得：W -C W(T -T )二W -C -(T -T )c pc bl ci g pg gi go=a -A -(T -T )(4)g sg gi bl其中：T表示温度；W表示质量 流量； A 表示面积， V 表示体积流量； 下脚标 c 和 g 分别表示冷却空气和燃 气；下脚标 i 和 o 表示进口和出口状态 点；T表示对流换热壁温；表示对 bl g流换热系数； A 表示对流换热面积；sgC和C分别表示冷却空气、燃气的 pc pg定压比热容。将式(3)、(5)代入(4)得：W -
7、C -n- (T -T )=儿c pc bl ci即WJ CW Cgpc=X-pc定义 Stg 数：a-W -(T -T )P -V g giblggagC P -Vpgg ggibln- (T -T )bl ciStg=blciagC -p -Vpg g gT - T冷却效力 =TibL ,W + =0 T - TgiciCA令C =- 仔-Stgpc g可得：6)n(i- )0WG= c = C-W+g即得到对流冷却空气量计算模型g = C -n-(i-)07)图 2 燃机叶片示意图及相关参数A又定义九二sg面积比，叶片参数oi - 0=K-i - 08)g如图 2 所示，其中 H 为叶高
8、； s 为栅距；c为弦长。九二sg =A H - s - sin agW所以，A =九A二九.g(5)sgg p Vgg2.2 气膜冷却 在空心叶片的表面上开有许多排 小孔或缝隙 ,冷却空气从这些小孔或 缝隙顺着燃气流动的方向流出 ,在叶 片表面形成一层气膜 ,把叶片表面与 燃气隔开而对叶片起到保护作用 ,减 少燃气对叶片表面的热交换 ,同时又 冷却叶片，如图 3 所示，冷却气膜和 燃气间进行换热，从而达到冷却叶片 的目的。流程与对流换热相似，见图 4。图 3 燃机气膜冷却示意图 气膜冷却换热平衡：Q = A aIt- T net sg fg aw bl=wct -T (9)c pc co c
9、i其中fg为气膜冷却情况下的传热系aaag=Sta； Stg =Bexp(B )-112)数；T为冷却气膜温度，即燃气与冷aw其中w /A表示单位面积冷却空气c sg却空气局部冷却后的绝热温度；为f气膜冷却效力，二TTaw。f T T gi go量，B = w :AC sg冷却换热系数。1P V Stgpg ga 为蒸发a10)所以由W += In得到：图 4 燃机气膜冷却流程图结合上文对流冷却关系式可得： -(1 _) - . F_0f0_fn-(i-)0冷却空气比例：G =匕=C-W +(11)Wg2.3 蒸发冷却 蒸发冷却相当于闭式蒸发冷却， 是通过水的蒸发吸热来达到冷却叶片 的目的，见
10、图 5、6。蒸发冷却相比空 气冷却有以下优点：冷却效果好，节 省压缩空气，提高燃机效率。图 6 燃机蒸发冷却流程图当 c 与 c 相 差 不 大 时 ， 则 pgpcW + = B ；即W +(h !h )= exp6 +) 1。g a又 = 1 - exp 6 +)0G = C-W + = Cln(-)(13)1-03 燃机冷却空气变工况3.1 变工况计算 单轴燃气轮机透平的级数较少，一般为35级，而膨胀比又较大。这W Wc cd15 )动4 聚T图 8 西门子 V94.3 燃机冷却空气量分配图 西门子 V94.3 型燃气轮机性能参样，在透平第一级喷嘴中将发生阻塞 流动。根据弗留格尔公式有：
11、mp oF tm p oidid冷却空气量变工况其中， m 为透平进口燃气流量； p0 和T o分别表示透平进口燃气的滞止压力 id和温度；p和T表示冷却空气的压力 cc和温度。下表i表示级数，d表示设计 工况数值。3.2 冷却空气量对燃机效率的影响 当考虑抽气用于冷却透平时，冷却 空气必然会对燃气透平中的燃气膨胀 过程产生影响。由于冷却空气的温度 和焓值较燃气小，所以等量的燃气在 透平中的作功必然减少，进而，等熵 效率将会发生变化，见图 7。W耳1或s (mh) + (mh) + (mh) (mh)o24sW耳2(16)s (mh) + (mh) + (mh) (mh) o24s其中： W
12、、W 为燃气轮机的透平净功 12率、毛功率(即没有考虑轴损失和散 热损失)， m、h 分别表示质量和焓值， 下表数字 o、1、2 和 4 分别表示透平 进口、出口、喷嘴冷却空气入口、动 叶冷却空气入口，s表示等熵工况。4 算例分析本文以西门子 V943 燃气轮机为 例，采用上述计算模型简要计算冷却 空气量。4.1 西门子 V94.3 燃气轮机性能参数 西门子 V94.3 燃气轮机冷却空气 量分配(见图8)： (a)压气机级数17,进 口导叶可调，前三级静叶亦可调；冷 却空气分别取自第 4 级静叶后、第 9 级静叶后、第 13 级静叶后以及第 17 级静叶后的排气腔；(b)透平级数4, 压气机第
13、17级后抽气在外部冷却后用 于冷却第1 级静叶、叶轮和动叶，第2、 3、4 级叶轮及第2、3 级动叶用压气机 第 13级静叶后抽气冷却，第4 级动叶 不冷却，第 2、3、4 级静叶分别用第 13 级、第 9 级以及第 4 级静叶后抽气 冷却；(c)设置两个水平卧式圆筒型燃 烧器，装设 8 个混合型燃烧器，采用 双层壳体设计。火焰筒内衬陶瓷挂片 热烟气流道 (或称过渡段)装有空气冷却的金属防热片4,5。数如下表16:表 1 ：西门子 V94.3 燃气轮机性能参数性能参数 单位 数值转速r/min3000空气流量kg/s612排气流量kg/s624压比-16.3ISO 温度C1160转子入口温度C1290透平进口温度C1340排气温度C550Nox 排放ppm35功率MW222效率%36.24.2 计算参数的选取(1) T有几种不同的定义，a)燃烧gi室的出口温度；b)燃气透平第一级喷 嘴后的燃气温度；c)以所有进入透平 的空气流量计算的平均温度。本文这 里采用的第一种；(2) T取值范围：850900C，本文bl取为 850C；机特性分析可起到一定的作用。( 2)本文实例计算中采取了一些近似 计算，特别是燃气初温、壁温的取值 对计算结果有较大的影响。实际计算 中还应考虑在冷却过程中燃气和冷却 空气的温度不断的变化以及冷却叶片 具体型式的变化对冷却空气流场
