燃燒系統(tǒng)及燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，尤其涉及一種燃燒系統(tǒng)及燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C(jī)作為大型動力裝置，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、船舶、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，其主要性能指標(biāo)為系統(tǒng)循環(huán)熱效率和輸出功率，它們均隨渦輪轉(zhuǎn)子燃?xì)膺M(jìn)口溫度(RIT)的增加而增加。據(jù)計算，RIT在1073?1273K范圍內(nèi)每提高100°C，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率將增加20%?25 %，節(jié)省燃料6%?7%。因此，要使燃?xì)廨啓C(jī)性能的不斷提高，關(guān)鍵在于提高RIT，但伴隨RIT的提高，燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件材料的耐熱問題也隨之而來。
[0003]早期的渦輪葉片沒有采用冷卻技術(shù)，RIT受葉片材料的限制，很難超過1323K。為了突破這一瓶頸，氣體冷卻技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)踐中，這一技術(shù)是用來自不同壓縮級的壓縮空氣作為冷劑對燃?xì)鉁u輪的熱端部件進(jìn)行冷卻，可大幅提高燃?xì)獬鯗?。空氣冷卻的技術(shù)手段有對流冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻和氣膜冷卻等。為了達(dá)到更加理想的冷卻效果，現(xiàn)在多采用以上幾種冷卻方式的組合，其透平初溫可以達(dá)到1430°C，如圖1所示。由于空氣容易獲取，實(shí)踐成本較低，這樣，空氣冷卻得以快速發(fā)展，應(yīng)用頗廣。但隨著人們對燃?xì)廨啓C(jī)性能的要求不斷提高，繼續(xù)使用空氣冷卻將消耗掉大量的壓縮氣，這對燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能的提高不利。據(jù)估計，按現(xiàn)有傳統(tǒng)復(fù)合冷卻技術(shù)，當(dāng)高性能渦輪系統(tǒng)RIT>1763K時約有35%的壓縮空氣用于熱通道組件的冷卻，用于燃燒的空氣更少，這將大大減少了渦輪系統(tǒng)的循環(huán)熱效率和輸出功率。另外，冷卻空氣的流道因燃?xì)廨啓C(jī)初溫的提高和高壓冷卻空氣的流動以及冷卻空氣與主流燃?xì)獾膿交?，會有較大的熱力和氣動損失。這些因素將降低燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，且各種損失還隨冷卻介質(zhì)流量的增加而增加，這將與提高RIT的收益相抵消。為了解決這一問題，一方面需要改進(jìn)氣冷結(jié)構(gòu)和發(fā)展新型結(jié)構(gòu)，另一方面則可以采用其它介質(zhì)來代替空氣作冷卻介質(zhì)。新介質(zhì)被要求既易得可用，冷卻效果好，損失較小，又能保持已有冷卻技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡單性和可靠性。
[0004]對大型陸用燃?xì)廨啓C(jī)來講，水蒸氣是葉片冷卻介質(zhì)的首選。使用蒸汽作為冷卻介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)有蒸汽來源豐富，且可再次利用，在任何采用空氣冷卻的系統(tǒng)中使用，不會使冷卻葉片轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和制造工藝變得復(fù)雜。于是，蒸汽冷卻技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，蒸汽冷卻技術(shù)就是以水蒸氣作為冷媒對燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件進(jìn)行冷卻，這種技術(shù)減少燃燒室火焰筒和過渡段冷卻以及透平葉片冷卻消耗的空氣量和冷卻損失，更多地提高了系統(tǒng)效率;此外，該技術(shù)以蒸汽取代空氣進(jìn)行閉環(huán)冷卻，可以滿足現(xiàn)有燃燒技術(shù)和高RIT條件下降低N0X排放和減少冷卻空氣用量，如圖2所示。蒸汽冷卻雖具有突出優(yōu)點(diǎn)，但由于蒸汽消耗量較大，約有蒸汽循環(huán)量的80%-100%用于冷卻，所以冷卻蒸汽在流動中將消耗較多的可用功率，減少了汽輪機(jī)的輸出功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)總效率的減少。
[0005]此外，許多專家和科研人員另辟蹊徑，從已發(fā)展成熟的空氣冷卻技術(shù)著手對進(jìn)一步提高燃?xì)獬鯗刈隽舜罅垦芯?，并取得了一些進(jìn)展。結(jié)果表明向空氣中加入水霧時冷卻效果較純空氣的冷卻效果好，但由于水滴吸熱蒸發(fā)后變成水蒸氣，引入一個新組分，其換熱強(qiáng)化機(jī)理和液滴動力學(xué)方面極為復(fù)雜，直至目前幾乎所有的試驗(yàn)研究，尚不適用于實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)葉片的缺陷，提出了一種燃燒系統(tǒng)及燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻方法。
[0007]本發(fā)明就上述技術(shù)問題而提出的技術(shù)方案如下:
[0008]本發(fā)明提出了一種燃燒系統(tǒng)，包括:
[0009]燃?xì)廨啓C(jī)，用于將燃?xì)廪D(zhuǎn)換為動力;燃?xì)廨啓C(jī)的靜葉片內(nèi)部形成有冷卻通道；
[0010]燃燒室，用于將燃料燃燒后向燃?xì)廨啓C(jī)輸出所述燃?xì)猓?br>[0011 ]燃料供給系統(tǒng)，用于向所述燃燒室提供燃料；
[0012]所述冷卻通道的兩端分別連通所述燃料供給系統(tǒng)和燃燒室；
[0013]所述燃料供給系統(tǒng)，還用于為所述冷卻通道提供冷卻媒介，所述冷卻媒介為穿流所述冷卻通道的流動燃料；
[0014]所述冷卻通道用于將所述流動燃料輸送至所述燃燒室燃燒。
[0015]本發(fā)明上述的燃燒系統(tǒng)中，所述流動燃料為天然氣、液化天然氣、液化石油氣、合成氣或填埋氣體。
[0016]本發(fā)明上述的燃燒系統(tǒng)中，還包括:
[0017]壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)的出口與燃燒室的第一入口連接，用于向燃燒室輸送空氣；
[0018]燃料供給系統(tǒng)具有第一燃料輸出口和第二燃料輸出口；
[0019]燃料供給系統(tǒng)的第一燃料輸出口與冷卻通道的入口連接，用于向冷卻通道輸送流動燃料以冷卻靜葉片；
[0020]燃料供給系統(tǒng)的第二燃料輸出口與燃燒室的第二入口連接，用于向燃燒室輸送燃料;燃燒室的第三入口與冷卻通道的出口連接；
[0021]燃燒室的出口與燃?xì)廨啓C(jī)相連，用于將燃燒室中燃料和空氣混合燃燒所形成的燃?xì)廨斔偷饺細(xì)廨啓C(jī)中以將燃?xì)廪D(zhuǎn)換為動力。
[0022]本發(fā)明上述的燃燒系統(tǒng)中，燃燒室的第二入口和燃燒室的第三入口為同一入口或?yàn)椴煌肟凇?br>[0023]本發(fā)明上述的燃燒系統(tǒng)中，靜葉片包括:
[0024]外帶；
[0025]翼型部分，其外側(cè)附連在外帶上；
[0026]內(nèi)帶，附連在翼型部分內(nèi)側(cè)；
[0027]外帶的一側(cè)具有第一楔子，其另一側(cè)具有與第一楔子對應(yīng)的第一缺口；
[0028]內(nèi)帶的一側(cè)具有第二楔子，其另一側(cè)具有與第二楔子對應(yīng)的第二缺口；
[0029]多個靜葉片的外帶連接成外環(huán);多個靜葉片的內(nèi)帶連接成內(nèi)環(huán)。
[0030]本發(fā)明上述的燃燒系統(tǒng)中，冷卻通道形成于翼型部分的內(nèi)部；
[0031]冷卻通道具有多個沿外環(huán)徑向延伸的通路，且冷卻通道的多個通路的相鄰兩個通路交替地在翼型部分外側(cè)和內(nèi)側(cè)連通。
[0032]本發(fā)明上述的燃燒系統(tǒng)中，翼型部分具有前緣和后緣;冷卻通道的入口設(shè)置在翼型部分的靠近前緣的位置上，冷卻通道的出口設(shè)置在翼型部分的靠近后緣的位置上。
[0033]本發(fā)明上述的燃燒系統(tǒng)中，在冷卻通道中還設(shè)置有紊流器。
[0034]另一方面，本發(fā)明還提出了一種燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻方法，包括以下步驟:
[0035]步驟S1、提供一種燃燒系統(tǒng)，該燃燒系統(tǒng)，包括:
[0036]燃?xì)廨啓C(jī)，用于將燃?xì)廪D(zhuǎn)換為動力;燃?xì)廨啓C(jī)的靜葉片內(nèi)部形成有冷卻通道；
[0037]燃燒室，用于將燃料燃燒后向燃?xì)廨啓C(jī)輸出所述燃?xì)猓?br>[0038]燃料供給系統(tǒng)，用于向所述燃燒室提供燃料；
[0039]所述冷卻通道的兩端分別連通所述燃料供給系統(tǒng)和燃燒室；
[0040]步驟S2、所述燃料供給系統(tǒng)向所述冷卻通道提供冷卻媒介，所述冷卻媒介為穿流所述冷卻通道的流動燃料；
[0041 ]所述冷卻通道將所述流動燃料輸送至所述燃燒室燃燒。
[0042]本發(fā)明上述燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻方法中，所述流動燃料為天然氣、液化天然氣、液化石油氣、合成氣或填埋氣體。
[0043]本發(fā)明上述燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻方法中，在冷卻通道內(nèi)部的溫度低于流動燃料燃點(diǎn)時，燃料供給系統(tǒng)開始向冷卻通道輸送流動燃料，直到冷卻通道中充滿流動燃料。
[0044]本發(fā)明上述燃?xì)廨啓C(jī)葉片的冷卻方法中，燃燒系統(tǒng)還包括:
[0045]壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)的出口與燃燒室的第一入口連接，用于向燃燒室輸送空氣；
[0046]燃料供給系統(tǒng)具有第一燃料輸出口和第二燃料輸出口；
[0047]燃料供給系統(tǒng)的第一燃料輸出口與冷卻通道的入口連接，用于向冷卻通道輸送流動燃料以冷卻靜葉片；
[0048]燃料供給系統(tǒng)的第二燃料輸出口與燃燒室的第二入口連接，用于向燃燒室輸送燃料；
[0049]燃燒室的第三入口與冷卻通道的出口連接;燃燒室的出口與燃?xì)廨啓C(jī)相連；
[0050]在步驟S2中，在當(dāng)冷卻通道中充滿流動燃料后，將該燃燒室中燃料和空氣混合燃燒所形成的燃?xì)廨斔偷饺細(xì)廨啓C(jī)中將燃?xì)廪D(zhuǎn)換為動力。
[0051]本發(fā)明在燃?xì)廨啓C(jī)葉片內(nèi)部開設(shè)冷卻通道，并采用流動燃料作為冷卻介質(zhì)，使流動燃料在冷卻通道中流動，以將高溫燃?xì)鈧鹘o葉片的熱量帶走，實(shí)現(xiàn)葉片冷卻的目的。同時，從冷卻通道離開的流動燃料被送到燃?xì)?