F级重型燃气轮机中冷却空气对透平气动性能的影响研究

张玫宝， 余 锐， 杨玉骏

上海电气燃气轮机有限公司 上海 200240

1 研究背景

对于发电用燃气轮机而言，面对竞争日益激烈的市场环境，效率与输出功率需要不断提高。在整机压比和燃料消耗一定的情况下，提高效率首先需要提高燃气轮机中透平部件的进口温度，这便需要针对透平叶片设计高效的冷却结构，并保证透平叶片的使用寿命，同时满足大功率、高压比、低加工成本的要求。通常情况下，透平的冷却空气需要由压气机抽气，通过二次空气系统提供，为防止透平主流热燃气泄漏，还需要二次空气来密封。Eisaku Ito等［1］研究了某型号燃气轮机中透平前三级共使用约20%的冷却空气，对透平叶片的冷却使机组热力循环中获得高的透平部件进口温度，进而提高工作效率，并平衡部分推力。当然，另一方面，冷却空气的注入也会引起透平气动效率的损失，对于典型机组，效率会下降2%～4%［2-6］。

通常而言，透平叶栅进口最大温度的限制约束条件取决于叶片材料的应力水平，有效的冷却可以使透平进口温度得到进一步提升。冷却机制一般都是由压气机抽出温度相对较低的空气，直接用于透平叶片的冷却，然后排入透平的主流中。为了延长燃气轮机寿命和降低维护成本，从透平设计方面考虑，需要选择合适的转速和环形通道尺寸来减小叶片和轮盘的应力，而这会使叶型出口马赫数更高，并且使叶型的长宽比更小。对于高压透平而言，较小的长宽比可能会带来更多的冷气与二次流间的掺混损失，此时需要设计更高效的密封来防止和保护热气入侵。……