[发明专利]燃烧系统及燃气轮机叶片的冷却方法

说明书

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。

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：