[发明专利]用催化氨分解反应降低燃气涡轮机高温金属件温度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用氨气流在燃气轮机的镍基高温金属件内分解产生氮气和氢气，同时吸收大量热量降低金属件温度的方法。尤其是涉及从涡轮轴中引入氨气流，氨气流在空心的镍基涡轮叶片内部分解吸收热量来降低其温度的方法。产生的氮气和氢气从涡轮表面小孔喷射出来进入主燃气流，氢气在主燃气流中能与其中富余的氧气燃烧从而充分利用其所含热能。因此引入氨气既可以强烈冷却镍基金属涡轮，又可以为燃气流提供优质的氢辅助燃料。

背景技术

燃气轮涡轮机包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮桨、涡轮轴发动机及燃气轮机等，是一类热功转换效率高、单位体积或单位重量所产生的功率大的热机。人们为了提升燃气涡轮机的热机效率，不断提升涡轮前燃气的温度和压力。目前先进的F119涡扇发动机的总压比已经提高到了35倍，而涡轮前燃气的温度更是已经提升到1950K，已经远高于镍金属的熔点1726K。为了使涡轮能保持一定强度稳定长期使用，涡轮温度必须大大低于燃气温度。现在通用的涡轮冷却方式是用空气流冷却。通过向空心的涡轮叶片中导入冷却空气流在叶片表面喷射形成气膜隔绝高温燃气并带走热量。早期的涡轮叶片结构简单仅让冷却空气从中流过，只能使叶片降温100K，近30年对涡轮叶片冷却结构做了复杂的设计，冷却方式有对流、冲击、气膜、发散、层板及复合等多种，能使叶片降温350-400K。F119采用目前最好地冷却设计才达到500K的降温。空气由于热容小，热导率也小，很难再进一步大幅度提高冷却效果。冷却空气的流量由气压差和气阻决定，可调节性也较小。

发明内容

氨气在高温镍金属催化剂表面分解产生氮气和氢气的反应已经广泛应用于工业制氢。近年来这一反应又大量用于为燃料电池系统供氢。氨气在镍金属催化剂上在1073K温度以上能高效率地完全分解为氮气和氢气。这一过程为合成氨反应的逆过程，每1摩尔氨分解获得1.5摩尔氢气和0.5摩尔氮气，同时吸收约50千焦耳的热量(在1atm和773K时为53953焦耳/摩尔)。显然这是一个强烈吸热的过程。氨分解反应发生后，气体的摩尔数增加一倍气体的热容也近似增加一倍，氨气尤其氢气的分子量小导热系数很大，有利于热量的移走。

分析空气冷却的情况，空气热容约1千焦耳/(公斤.K)，约为29焦耳/(摩尔.K)，以冷却空气温度在涡轮上由673K升到1373K提升700K计，每摩尔空气带走热量约20千焦热量。由于氨气和空气在高温低压下接近理想气体，每摩尔冷却氨气在涡轮上升温带走的热量与空气相近。因此相同摩尔流量或相同体积流量下氨气自身升温和反应吸热一共带走的热量约为空气的3.5倍(氨升温1倍氨分解2.5倍)。如果考虑到氨分解后摩尔数增加一倍气体的热容也近似增加一倍，氨分解冷却方法带走的热量还要多。

氨分解冷却方法也带来一些问题，氨气和分解产生的氢气在高温都是易燃易爆气体，其气体流路必须密封不与空气混合，否则可能在气路中燃爆带来危险。氨分解产生的氮气和氢气会与金属反应产生金属氮化物和金属氢化物，因此必须在材料选择和材料结构及晶型方面加以考虑。

本发明采用以下技术方案达到用氨冷却燃气涡轮机高温金属件的目的：

液氨通过泵加到较高压力，在汽化室喷射，加热后，得到温度大于333K压力20atm以上的氨气。对于固定的高温镍基金属件如高低压涡轮前的导向器叶片，氨气通过固定接口通入导向器叶片内封闭气路，升温并分解产生氮气和氢气并带走热量，高温的氮氢混合气通过耐高温管联到燃烧室喷射进燃气流中与燃油混合燃烧。对于高速旋转的高压涡轮，氨气通过涡轮轴上的石墨动密封和轴上小孔进入转轴中孔道然后进入涡轮中孔道，吸热升温并吸热分解产生氮气和氢气，在涡轮迎风面小孔喷射并形成保护气膜。氢气进入主燃气流后将与其中富裕氧气燃烧提高燃气能量。

现详细说明本发明技术方案：

相比氢，氨是一种方便的化工产品。氢气必须用几百大气压的高压钢瓶或保持极低温度的保温系统以液氢保存才有足够的储存密度用于移动系统。液氨在323K的蒸汽压也仅有约20大气压，在常温液氨的保存压力低。因此有很多研究以液氨为原料为移动的燃料电池系统供氢。液氨作为大宗化工原料其价格也远低于运输业常规的燃油价格。因此以液氨作为燃气涡轮热机的冷却剂和辅助燃料是经济上合理的选择。