燃氢燃气轮机透平冷却传热影响研究

【作者】 廖贇； 付经伦； 潘洋洋； 杨宏旻；

【机构】 南京师范大学能源与机械工程学院； 中科南京未来能源系统研究院； 中国科学院工程热物理研究所； 中国科学院大学；

【摘要】 本文采用数值模拟的研究方法,探究掺氢状态对带冷却结构的E3一级静叶传热冷却特性的影响。利用CFX商用软件并结合SST湍流模型进行定常数值计算。采用流固耦合数值计算方法,研究了带有气膜的E3透平在掺氢状态下的冷却传热性能。以一级静叶为例,分析了在不同温度下,改变掺氢比对叶片表面温度分布和换热系数的影响。计算结果表明:采用不同掺氢比后,压力分布不受气体成分差异的影响;且随着掺氢比的增加,换热系数和叶片表面温度也逐渐增加,掺氢比每增加20%,温升约有1-3K,换热系数增幅约7W/(m2·K)。在不添加氢气的条件下,叶片吸力面和压力面的换热系数随透平进口温度的升高而降低。在纯氢燃料条件下,换热系数随温度的变化情况与未添加氢气时基本一致。燃料掺氢比增大,燃烧后的烟气中水分增大,换热系数受其影响显著:在燃料纯氢情况下,烟气中的水蒸气含量增大,综合冷却效率随透平进口温度的升高而下降;而在燃料不添加氢气的情况下,综合冷却效率则随着进口温度的升高而升高,约提升了0.1%。叶片综合冷却效率受掺氢比影响主要发生在吸力面后半段。本文进一步考虑水蒸汽含量升高,辐射换热对叶片气膜冷却影响。研究GE-E3叶型在不同掺氢比下,辐射换热因素对冷却传热影响,计算过程中引入WSGGM辐射模型,分别探究透平进口温度高于1600K和低于1600K的传热特性。结果表明:辐射作用不影响叶片的气动特性,主要影响叶片的传热特性;引入辐射模型后,叶片表面温度增加了20K-40K,主要升温区域位于吸力面前缘。每增加20%的掺氢比,辐射热流便增加0.15%-0.35%。当进口温度增加200K,辐射吸收热通量将增加162%～180%,叶片表面综合冷却效率下降7%表面换热系数下降2%。更多还原