CN105464811B

CN105464811B - 燃烧系统及燃气轮机叶片的冷却方法

Info

Publication number: CN105464811B
Application number: CN201510894045.2A
Authority: CN
Inventors: 侯平利; 张洪岩
Original assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd; Shenzhen China Guangdong Nuclear Engineering Design Co Ltd
Current assignee: China General Nuclear Power Corp; China Nuclear Power Engineering Co Ltd; Shenzhen China Guangdong Nuclear Engineering Design Co Ltd
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2035-12-07
Also published as: CN105464811A

Abstract

本发明提出了燃烧系统及燃气轮机叶片的冷却方法；所述一种燃烧系统，包括：燃气轮机(10)，用于将燃气转换为动力；燃气轮机(10)的静叶片(11)内部形成有冷却通道(111)；燃烧室(30)，用于将燃料燃烧后向燃气轮机(10)输出所述燃气；燃料供给系统(20)，用于向所述燃烧室(30)提供燃料；所述冷却通道(111)的两端分别连通所述燃料供给系统(20)和燃烧室(30)；所述燃料供给系统(20)，还用于为所述冷却通道(111)提供冷却媒介，所述冷却媒介为穿流所述冷却通道(111)的流动燃料；所述冷却通道(111)用于将所述流动燃料输送至所述燃烧室(30)燃烧。本发明的燃烧系统和燃气轮机叶片的冷却方法不会影响燃气轮机的热效率，实用性强。

Description

燃烧系统及燃气轮机叶片的冷却方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种燃烧系统及燃气轮机叶片的冷却方法。

背景技术

燃气轮机作为大型动力装置，广泛应用于发电、船舶、航空航天等工业领域，其主要性能指标为系统循环热效率和输出功率，它们均随涡轮转子燃气进口温度(RIT)的增加而增加。据计算，RIT在1073～1273K范围内每提高100℃，燃气轮机的输出功率将增加20％～25％，节省燃料6％～7％。因此，要使燃气轮机性能的不断提高，关键在于提高RIT，但伴随RIT的提高，燃气轮机热端部件材料的耐热问题也随之而来。

早期的涡轮叶片没有采用冷却技术，RIT受叶片材料的限制，很难超过1323K。为了突破这一瓶颈，气体冷却技术被应用到实践中，这一技术是用来自不同压缩级的压缩空气作为冷剂对燃气涡轮的热端部件进行冷却，可大幅提高燃气初温。空气冷却的技术手段有对流冷却、冲击冷却、发散冷却和气膜冷却等。为了达到更加理想的冷却效果，现在多采用以上几种冷却方式的组合，其透平初温可以达到1430℃，如图1所示。由于空气容易获取，实践成本较低，这样，空气冷却得以快速发展，应用颇广。但随着人们对燃气轮机性能的要求不断提高，继续使用空气冷却将消耗掉大量的压缩气，这对燃气轮机的整体性能的提高不利。据估计，按现有传统复合冷却技术，当高性能涡轮系统RIT>1763K时约有35％的压缩空气用于热通道组件的冷却，用于燃烧的空气更少，这将大大减少了涡轮系统的循环热效率和输出功率。另外，冷却空气的流道因燃气轮机初温的提高和高压冷却空气的流动以及冷却空气与主流燃气的掺混，会有较大的热力和气动损失。这些因素将降低燃气轮机的热效率，且各种损失还随冷却介质流量的增加而增加，这将与提高RIT的收益相抵消。为了解决这一问题，一方面需要改进气冷结构和发展新型结构，另一方面则可以采用其它介质来代替空气作冷却介质。新介质被要求既易得可用，冷却效果好，损失较小，又能保持已有冷却技术的结构简单性和可靠性。

对大型陆用燃气轮机来讲，水蒸气是叶片冷却介质的首选。使用蒸汽作为冷却介质的优点有蒸汽来源丰富，且可再次利用，在任何采用空气冷却的系统中使用，不会使冷却叶片转子的结构和制造工艺变得复杂。于是，蒸汽冷却技术便应运而生，蒸汽冷却技术就是以水蒸气作为冷媒对燃气轮机热端部件进行冷却，这种技术减少燃烧室火焰筒和过渡段冷却以及透平叶片冷却消耗的空气量和冷却损失，更多地提高了系统效率；此外，该技术以蒸汽取代空气进行闭环冷却，可以满足现有燃烧技术和高RIT条件下降低NO_x排放和减少冷却空气用量，如图2所示。蒸汽冷却虽具有突出优点，但由于蒸汽消耗量较大，约有蒸汽循环量的80％-100％用于冷却，所以冷却蒸汽在流动中将消耗较多的可用功率，减少了汽轮机的输出功率，从而导致系统总效率的减少。

此外，许多专家和科研人员另辟蹊径，从已发展成熟的空气冷却技术着手对进一步提高燃气初温做了大量研究，并取得了一些进展。结果表明向空气中加入水雾时冷却效果较纯空气的冷却效果好，但由于水滴吸热蒸发后变成水蒸气，引入一个新组分，其换热强化机理和液滴动力学方面极为复杂，直至目前几乎所有的试验研究，尚不适用于实际燃气轮机涡轮叶片冷却。

发明内容

本发明针对上述现有燃气轮机叶片的缺陷，提出了一种燃烧系统及燃气轮机叶片的冷却方法。

本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：

本发明提出了一种燃烧系统，包括：

燃气轮机，用于将燃气转换为动力；燃气轮机的静叶片内部形成有冷却通道；

燃烧室，用于将燃料燃烧后向燃气轮机输出所述燃气；

燃料供给系统，用于向所述燃烧室提供燃料；

所述冷却通道的两端分别连通所述燃料供给系统和燃烧室；

所述燃料供给系统，还用于为所述冷却通道提供冷却媒介，所述冷却媒介为穿流所述冷却通道的流动燃料；

所述冷却通道用于将所述流动燃料输送至所述燃烧室燃烧。

本发明上述的燃烧系统中，所述流动燃料为天然气、液化天然气、液化石油气、合成气或填埋气体。

本发明上述的燃烧系统中，还包括：

压气机，该压气机的出口与燃烧室的第一入口连接，用于向燃烧室输送空气；

燃料供给系统具有第一燃料输出口和第二燃料输出口；

燃料供给系统的第一燃料输出口与冷却通道的入口连接，用于向冷却通道输送流动燃料以冷却静叶片；

燃料供给系统的第二燃料输出口与燃烧室的第二入口连接，用于向燃烧室输送燃料；燃烧室的第三入口与冷却通道的出口连接；

燃烧室的出口与燃气轮机相连，用于将燃烧室中燃料和空气混合燃烧所形成的燃气输送到燃气轮机中以将燃气转换为动力。

本发明上述的燃烧系统中，燃烧室的第二入口和燃烧室的第三入口为同一入口或为不同入口。

本发明上述的燃烧系统中，静叶片包括：

外带；

翼型部分，其外侧附连在外带上；

内带，附连在翼型部分内侧；

外带的一侧具有第一楔子，其另一侧具有与第一楔子对应的第一缺口；

内带的一侧具有第二楔子，其另一侧具有与第二楔子对应的第二缺口；

多个静叶片的外带连接成外环；多个静叶片的内带连接成内环。

本发明上述的燃烧系统中，冷却通道形成于翼型部分的内部；

冷却通道具有多个沿外环径向延伸的通路，且冷却通道的多个通路的相邻两个通路交替地在翼型部分外侧和内侧连通。

本发明上述的燃烧系统中，翼型部分具有前缘和后缘；冷却通道的入口设置在翼型部分的靠近前缘的位置上，冷却通道的出口设置在翼型部分的靠近后缘的位置上。

本发明上述的燃烧系统中，在冷却通道中还设置有紊流器。

另一方面，本发明还提出了一种燃气轮机叶片的冷却方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供一种燃烧系统，该燃烧系统，包括：

燃烧室，用于将燃料燃烧后向燃气轮机输出所述燃气；

燃料供给系统，用于向所述燃烧室提供燃料；

所述冷却通道的两端分别连通所述燃料供给系统和燃烧室；

步骤S2、所述燃料供给系统向所述冷却通道提供冷却媒介，所述冷却媒介为穿流所述冷却通道的流动燃料；

所述冷却通道将所述流动燃料输送至所述燃烧室燃烧。

本发明上述燃气轮机叶片的冷却方法中，所述流动燃料为天然气、液化天然气、液化石油气、合成气或填埋气体。

本发明上述燃气轮机叶片的冷却方法中，在冷却通道内部的温度低于流动燃料燃点时，燃料供给系统开始向冷却通道输送流动燃料，直到冷却通道中充满流动燃料。

本发明上述燃气轮机叶片的冷却方法中，燃烧系统还包括：

燃料供给系统具有第一燃料输出口和第二燃料输出口；

燃料供给系统的第二燃料输出口与燃烧室的第二入口连接，用于向燃烧室输送燃料；

燃烧室的第三入口与冷却通道的出口连接；燃烧室的出口与燃气轮机相连；

在步骤S2中，在当冷却通道中充满流动燃料后，将该燃烧室中燃料和空气混合燃烧所形成的燃气输送到燃气轮机中将燃气转换为动力。

本发明在燃气轮机叶片内部开设冷却通道，并采用流动燃料作为冷却介质，使流动燃料在冷却通道中流动，以将高温燃气传给叶片的热量带走，实现叶片冷却的目的。同时，从冷却通道离开的流动燃料被送到燃气轮机燃烧室中，继续燃烧使用。本发明的燃烧系统和燃气轮机叶片的冷却方法不会影响燃气轮机的热效率，实用性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为一种燃气轮机叶片的空气冷却技术的原理示意图；

图2为一种燃气轮机叶片的蒸汽冷却技术的原理示意图；

图3示出了本发明实施例的燃烧系统的功能模块图；

图4示出了图3所示的燃烧系统的燃气轮机的静叶片的示意图；

图5示出了图4所示的静叶片的内部结构示意图；

图6为图5所示的静叶片的A-A向的剖视图。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题是：在现有燃气轮机叶片的冷却技术中，对于空气冷却技术，当高性能涡轮系统RIT>1763K时约有35％的压缩空气用于热通道组件的冷却，用于燃烧的空气更少，这将大大减少了涡轮系统的循环热效率和输出功率；另外，冷却空气的流道因燃气轮机初温的提高和高压冷却空气的流动以及冷却空气与主流燃气的掺混，会有较大的热力和气动损失。这些因素将降低燃气轮机的热效率，且各种损失还随冷却介质流量的增加而增加，这将与提高RIT的收益相抵消。对于蒸汽冷却技术，由于蒸汽消耗量较大，约有蒸汽循环量的80％-100％用于冷却，所以冷却蒸汽在流动中将消耗较多的可用功率，减少了汽轮机的输出功率，从而导致系统总效率的减少。对于汽雾冷却技术，向空气中加入水雾时冷却效果较纯空气的冷却效果好，但由于水滴吸热蒸发后变成水蒸气，引入一个新组分，其换热强化机理和液滴动力学方面极为复杂，直至目前几乎所有的试验研究，尚不适用于实际燃气轮机涡轮叶片冷却。本发明就上述技术问题而提出的技术方案是：在燃气轮机叶片内部开设冷却通道，并采用流动燃料作为冷却介质，使流动燃料在冷却通道中流动，以将高温燃气传给叶片的热量带走，实现叶片冷却的目的。同时，从冷却通道离开的流动燃料被送到燃气轮机燃烧室中，继续燃烧使用。

为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术意义更加清楚，以便本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

参照图3和图4，图3示出了本发明实施例的燃烧系统的功能模块图，图4示出了图3所示的燃烧系统的燃气轮机的静叶片的示意图。

如图3和图4所示，燃烧系统，包括：

燃气轮机10，用于将燃气转换为动力；燃气轮机10的静叶片11内部形成有冷却通道111；

燃烧室30，用于将燃料燃烧后向燃气轮机10输出所述燃气；

燃料供给系统20，用于向所述燃烧室30提供燃料；

所述冷却通道111的两端分别连通所述燃料供给系统20和燃烧室30；

所述燃料供给系统20，还用于为所述冷却通道111提供冷却媒介，所述冷却媒介为穿流所述冷却通道111的流动燃料；

所述冷却通道111用于将所述流动燃料输送至所述燃烧室30燃烧。

上述的流动燃料为天然气、液化天然气、液化石油气、合成气或填埋气体。

在上述燃烧系统中，燃料供给系统20所供给的流动燃料实现了在燃气轮机10运行时带走静叶片11上的热量以冷却静叶片11的冷却功能，还实现了在燃烧室30中作为燃料的功能。

进一步地，在本实施例中，如图3所示，燃烧系统，其特征在于，还包括：

压气机40，该压气机40的出口与燃烧室30的第一入口连接，用于向燃烧室30输送空气；

同时，燃料供给系统20具有第一燃料输出口和第二燃料输出口；

燃料供给系统20的第一燃料输出口与冷却通道111的入口连接，用于向冷却通道111输送流动燃料以冷却静叶片11；

燃料供给系统20的第二燃料输出口与燃烧室30的第二入口连接，用于向燃烧室30输送燃料；燃烧室30的第三入口与冷却通道111的出口连接；

燃烧室30的出口与燃气轮机10相连，用于将燃烧室30中燃料和空气混合燃烧所形成的燃气输送到燃气轮机10中以将燃气转换为动力。

在本实施例中，燃烧室30的第二入口和燃烧室30的第三入口可为同一入口，也可为不同入口。

参照图5，图5示出了图4所示的静叶片的内部结构示意图。

如图4和图5所示，静叶片11包括外带113、外侧附连在外带113上的翼型部分114以及附连在翼型部分114内侧的内带112；优选地，外带113的一侧具有第一楔子120，其另一侧具有与第一楔子120对应的第一缺口121。内带112的一侧具有第二楔子122，其另一侧具有与第二楔子122对应的第二缺口123。通常地，燃气轮机10的静子包括机匣图中未示出、持环图中未示出和静叶片11。静叶片11通过外带113连接于持环的内壁上，持环上的多个静叶片11的外带113连接成外环；持环上多个静叶片11的内带112连接成内环；对于设置在持环上的多个静叶片11，任意一个静叶片11的第一楔子120嵌入到其相邻静叶片11的第一缺口121中；任意一个静叶片11的第二楔子122嵌入到其相邻静叶片11的第二缺口123中。通过外带113和内带112的这种结构，实现持环上的多个静叶片11相互卡合固定。另外，持环安装在机匣上。静叶片11设置于燃气轮机10的燃气通道中，用于将动叶图中未示出传递过来的燃气进行整流和扩压。这里，燃气通道为燃气轮机10内部的供燃烧室30中燃料和空气混合燃烧所形成的燃气进入的通道。

如图5所示，翼型部分114的内部限定了具有多个沿外环径向延伸的通路的闭合蜿蜒的冷却通道111，图5中的翼型部分114内部的冷却通道111具有四个通路。可以理解，这里通路的数目是示例性的，并不会对本发明的保护范围给予限定。其中，冷却通道111的多个通路的相邻两个通路交替地在翼型部分114外侧和内侧连通。进一步地，对于本实施例，在如图5所示的静叶片的结构图中，对于静叶片11的四个通路，其中两个通路沿外环径向向外延伸，另外两个通路沿外环径向向内延伸。且四个通路是由三个沿外环径向延伸的肋条或内部隔离物119隔开。如图6所示，图6为图5所示的静叶片的A-A向的剖视图。翼型部分114具有前缘115和后缘116，以及压力侧壁117和吸力侧壁118。这些肋条或内部隔离物119延伸翼型部分114的全部宽度，即从翼型部分114的压力侧壁117到吸力侧壁118的距离。同时，冷却通道111的入口设置在翼型部分114的靠近前缘115的位置上，冷却通道111的出口设置在翼型部分114的靠近后缘116的位置上。这是由于前缘115比后缘116先接触燃气，这样前缘115的温度要高于后缘116的温度，通过将冷却通道111的入口设置在翼型部分114的靠近前缘115的位置上，而将冷却通道111的出口设置在翼型部分114的靠近后缘116的位置上，有利于静叶片11的冷却。

在冷却通道111中，还可设置紊流器图中未示出，来增强冷却通道111内流动燃料与冷却通道111壁面的热传递。紊流器仅延伸到冷却通道111中，不得限制冷却通道111中流动燃料气流的运动，但足够增强冷却通道111内流动燃料与冷却通道111壁面的热传递。紊流器的布置、尺寸、高宽比、斜度、定向以及圆角半径根据冷却通道111内流动燃料与冷却通道111壁面的热传递效率来确定。

燃气轮机叶片的冷却方法包括以下步骤：

步骤100、提供一种燃烧系统，该燃烧系统，包括：

燃烧室30，用于将燃料燃烧后向燃气轮机10输出所述燃气；

燃料供给系统20，用于向所述燃烧室30提供燃料；

步骤200、所述燃料供给系统20向所述冷却通道111提供冷却媒介，所述冷却媒介为穿流所述冷却通道111的流动燃料；

所述冷却通道111将所述流动燃料输送至所述燃烧室30燃烧。

为了避免流动燃料在冷却通道111中发生爆炸，在步骤200中，在冷却通道111内部的温度低于流动燃料燃点时，燃料供给系统20开始向冷却通道111输送流动燃料，直到冷却通道111中充满流动燃料。这样，在流动燃料燃点以下，冷却通道111中的流动燃料不会发生爆炸。而在流动燃料燃点以上时，冷却通道111中只有流动燃料，而没有氧气，这样，也不会发生爆炸。

进一步地，燃烧系统还包括：

燃料供给系统20具有第一燃料输出口和第二燃料输出口；

燃料供给系统20的第二燃料输出口与燃烧室30的第二入口连接，用于向燃烧室30输送燃料；

燃烧室30的第三入口与冷却通道111的出口连接；燃烧室30的出口与燃气轮机10相连；

在步骤200中，在当冷却通道111中充满流动燃料后，将该燃烧室30中燃料和空气混合燃烧所形成的燃气输送到燃气轮机10中将燃气转换为动力。这样，就避免了在冷却通道111中还没有充满流动燃料时，燃气进入燃气轮机10后提高冷却通道111的温度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种燃烧系统，包括：

燃气轮机（10），用于将燃气转换为动力；燃气轮机（10）的静叶片（11）内部形成有冷却通道（111）；

燃烧室（30），用于将燃料燃烧后向燃气轮机（10）输出所述燃气；

燃料供给系统（20），用于向所述燃烧室（30）提供燃料；

其特征在于，

所述冷却通道（111）的两端分别连通所述燃料供给系统（20）和燃烧室（30）；

所述燃料供给系统（20），还用于为所述冷却通道（111）提供冷却媒介，所述冷却媒介为穿流所述冷却通道（111）的流动燃料,

在冷却通道（111）内部的温度低于流动燃料燃点时，燃料供给系统（20）开始向冷却通道（111）输送流动燃料，直到冷却通道（111）中充满流动燃料;

所述冷却通道（111）用于将所述流动燃料输送至所述燃烧室（30）燃烧；

还包括压气机（40），该压气机（40）的出口与燃烧室（30）的第一入口连接，用于向燃烧室（30）输送空气；

燃料供给系统（20）具有第一燃料输出口和第二燃料输出口；

燃料供给系统（20）的第一燃料输出口与冷却通道（111）的入口连接，用于向冷却通道（111）输送流动燃料以冷却静叶片（11）；

燃料供给系统（20）的第二燃料输出口与燃烧室（30）的第二入口连接，用于向燃烧室（30）输送燃料；燃烧室（30）的第三入口与冷却通道（111）的出口连接；

燃烧室（30）的第二入口和燃烧室（30）的第三入口为不同入口；

所述静叶片（11）包括：

外带（113）；

翼型部分（114），其外侧附连在外带（113）上；

内带（112），附连在翼型部分（114）内侧；

外带（113）的一侧具有第一楔子（120），其另一侧具有与第一楔子（120）对应的第一缺口（121）；

内带（112）的一侧具有第二楔子（122），其另一侧具有与第二楔子（122）对应的第二缺口（123）；

多个静叶片（11）的外带（113）连接成外环；多个静叶片（11）的内带（112）连接成内环；

冷却通道（111）形成于翼型部分（114）的内部；

冷却通道（111）具有四个沿外环径向延伸的通路，其中两个通路沿外环径向向外延伸，另外两个通路沿外环径向向内延伸，且冷却通道（111）的四个通路的相邻两个通路交替地在翼型部分（114）外侧和内侧连通, 四个通路是由三个沿外环径向延伸的肋条或内部隔离物(119)隔开；

翼型部分（114）具有前缘（115）和后缘（116）；冷却通道（111）的入口设置在翼型部分（114）的靠近前缘（115）的位置上，冷却通道（111）的出口设置在翼型部分（114）的靠近后缘（116）的位置上。

2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述流动燃料为天然气、液化天然气、液化石油气、合成气或填埋气体。

3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，还包括：

燃烧室（30）的出口与燃气轮机（10）相连，用于将燃烧室（30）中燃料和空气混合燃烧所形成的燃气输送到燃气轮机（10）中以将燃气转换为动力。

4.根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，在冷却通道（111）中还设置有紊流器。

5.一种利用如权利要求1所述的燃烧系统的燃气轮机叶片的冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、提供一种燃烧系统，该燃烧系统，包括：

燃气轮机（10），用于将燃气转换为动力；燃气轮机（10）的静叶片（11）内部形成有冷却通道（111）；所述静叶片（11）包括：

外带（113）；

翼型部分（114），其外侧附连在外带（113）上；

内带（112），附连在翼型部分（114）内侧；

燃料供给系统（20），用于向所述燃烧室（30）提供燃料；

步骤S2、所述燃料供给系统（20）向所述冷却通道（111）提供冷却媒介，所述冷却媒介为穿流所述冷却通道（111）的流动燃料；冷却通道（111）形成于翼型部分（114）的内部；

冷却通道（111）具有四个沿外环径向延伸的通路，其中两个通路沿外环径向向外延伸，另外两个通路沿外环径向向内延伸，且冷却通道（111）的四个通路的相邻两个通路交替地在翼型部分（114）外侧和内侧连通；翼型部分（114）具有前缘（115）和后缘（116）；冷却通道（111）的入口设置在翼型部分（114）的靠近前缘（115）的位置上，冷却通道（111）的出口设置在翼型部分（114）的靠近后缘（116）的位置上；

所述冷却通道（111）将所述流动燃料输送至所述燃烧室（30）燃烧。

6.根据权利要求5所述燃气轮机叶片的冷却方法，其特征在于，所述流动燃料为天然气、液化天然气、液化石油气、合成气或填埋气体。

7.根据权利要求6所述燃气轮机叶片的冷却方法，其特征在于，在步骤S2中，在冷却通道（111）内部的温度低于流动燃料燃点时，燃料供给系统（20）开始向冷却通道（111）输送流动燃料，直到冷却通道（111）中充满流动燃料。

8.根据权利要求5所述燃气轮机叶片的冷却方法，其特征在于，燃烧系统还包括：

压气机（40），该压气机（40）的出口与燃烧室（30）的第一入口连接，用于向燃烧室（30）输送空气；

燃料供给系统（20）的第二燃料输出口与燃烧室（30）的第二入口连接，用于向燃烧室（30）输送燃料；

燃烧室（30）的第三入口与冷却通道（111）的出口连接；燃烧室（30）的出口与燃气轮机（10）相连；

在步骤S2中，在当冷却通道（111）中充满流动燃料后，将该燃烧室（30）中燃料和空气混合燃烧所形成的燃气输送到燃气轮机（10）中将燃气转换为动力。