湿空气含湿量对燃气轮机透平叶片复合冷却性能影响的实验与数值研究

为了探究以湿空气作为冷却介质时透平叶片冷却的复合冷却性能,结合实验和数值方法探究了湿空气含湿量对透平叶片湿空气冷却性能的影响。以GE-E 3叶型为基础,建立了带有冲击冷却、U型带肋通道冷却、柱肋冷却、尾缘劈缝以及气膜冷却结构的复合冷却透平叶片。测量了不同冷气与主流质量流量比条件下,采用不同湿空气含湿量的湿空气作为冷却工质时50%叶高处叶片表面温度分布。实验结果表明,在不同的主流温度下,增加湿空气含湿量均能降低叶片表面温度。在主流进口温度分别为473、873 K条件下,采用含湿量分别为163.0、173.8 g/kg的湿空气作为冷却工质时,相较于17 g/kg的湿空气冷却工况,叶片表面冷却效率分别提高了9%~11%和7%~9%,叶片表面温度分别降低了4.1~5.2 K和19.0~21.3 K。数值研究结果表明:带γ-θ转捩模型的SST k-ω模型能够更为准确地预测湿空气冷却时的叶片表面的温度分布;湿空气含湿量的增加能够整体提高叶片表面冷却效率,叶片表面冷却效率的变化在气膜覆盖区域更为显著。

空气冷却除湿过程的理论研究

分析了空气在表冷器中的冷却除湿过程及冷源性能系数COP随蒸发温度变化的规律,提出了一种空气理想冷却除湿过程,给出了空气冷却除湿过程中比焓的数学表达式,建立了空气理想冷却除湿过程冷源综合能效比EER的多项式方程和微分方程。计算得到EER的最大值,并给出空气比焓和含湿量随干球温度变化的曲线。

湿燃气透平叶片热流固耦合换热特性的数值研究

为评估湿空气透平循环中湿燃气对透平叶片燃气侧换热特性的影响,以及湿空气对透平叶片冷却效果的影响,以C3X叶片为例,采用热流固耦合的数值计算方法,研究了湿燃气含湿量对透平叶片表面温度和传热系数的影响,对比分析了干空气与湿空气冷却效果的差异。同时在研究范围内给出了透平叶片燃气侧传热系数的无量纲关系式,为湿化燃气轮机透平叶片的优化和冷却结构设计提供参考。结果表明:湿燃气含湿量对透平叶片燃气侧的流动性能基本无影响;当湿燃气含湿量从0 g/kg增加到150 g/kg,主流进口温度为1 473 K时,透平叶片表面平均传热系数增加10%,且增加幅度随着主流进口温度的升高而增大,叶片表面最高温度平均提高10 K;与干空气相比,湿空气作为冷却工质时的叶片表面温度更低,冷却效率更高,且冷却效率随着湿空气含湿量的增加而提高。

Analysis of Using the M-cycle Regenerative-Humidification Process on a Gas Turbine

This investigation focused on the analysis of using the M-cycle （Maisotsenko cycle） to improve the efficiency of a gas turbine engine. By combining the M-cycle with an open Brayton cycle, a new cycle, is known as the MCTC （Maisotsenko combustion turbine cycle）, was formed. The MCTC used an indirect evaporative air cooler as a saturator with a gas turbine engine. The saturator was applied on the side of the turbine exhaust （M-cycle#2） in the analysis. The analysis included calculations and the development of an EES （engineering equation solver） code to model the MCTC system performance. The resulting performance curves were graphed to show the effects of several parameters on the thermal efficiency and net power output of the gas turbine engine. The models were also compared with actual experimental test that results from a gas turbine engine. Conclusions and discussions of results are also given.