文 | SHY
編輯 | 趣史研社
前言
根據國際能源署的預測，在未來的1到7年裡，全球能源總需求每年将以約2000.2030%的速度增長，相當于現有能源需求的三分之二。
這種趨勢要求現代渦輪機械具備高比功率輸出、增強的發電電效率、低投資和低污染物排放、以及維護和營運成本的特點，以實作可持續的燃料利用。
随着各國電力行業市場不斷上升，獨立電力供應商的競争力也在不斷增強，為滿足可變功率需求，具備更高效率的、能夠産生中低功率輸出的靈活發電廠變得越來越重要。
是以，超過一半的化石燃料發電廠采用了瓦斯輪機，而且由于廉價的清潔天然氣的可用性，對瓦斯輪機的更是需求進一步增加。
但渦輪葉片失效的情況，卻時有發生，那做出什麼改變可以防止葉片故障呢？
瓦斯輪機工作原理基礎
瓦斯輪機在發電中的應用一直以來都有所增加，特别是在分布式電力行業中。
而電力則按需求分為 3 類：峰值負載、基本負載和中間負載需求，與柴油發動機和蒸汽輪機相比，瓦斯輪機在各種方面都具有優勢。
瓦斯輪機主要基于布雷頓循環原理運作，由于其廢熱等級較高、燃料容量翻倍、體積緊湊、維護成本低等優點，常用于電力行業的發電。
尋找提高瓦斯輪機不同類型循環性能的方法，正日益成為主要目标。
瓦斯輪機是一種内燃機，它不斷利用天然氣和各種液體燃料的能量，将其轉化為機械能用于發電和推進。
而且瓦斯輪機的适用性從火力發電廠到航空工業甚至國内工業都有很大差異，具體取決于它們的用途和所需的輸出。
瓦斯輪機的分類
瓦斯輪機在不同領域有着三種主要類型的應用，分别是工業瓦斯輪機、微型渦輪機、航空發動機。
其中，工業瓦斯輪機可用于移動裝置、大型複雜系統等，單循環大型渦輪機具備更高的功率輸出，其熱效率可達35-40%。
而微型渦輪機是一種緊湊型渦輪發電機，借鑒了大型卡車或飛機的輔助動力裝置中使用的渦輪增壓技術，适用于産生小規模的電力，其熱效率範圍在25-35%之間。
除此之外還有航空發動機，在航空領域，瓦斯輪機被廣泛應用于噴氣發動機中，以降低燃料消耗并減少排放的污染物。
而且中冷和廢熱回收技術可以提升噴氣發動機性能，但由于熱交換器的重量和體積，這些技術會引入一定的壓力損失和複雜性。
瓦斯輪機性能和冷卻效率
瓦斯輪機在發電廠、海軍推進和航空動力等領域都有廣泛應用，是以為了實作更高的熱效率，提高渦輪機入口溫度成為了重要目标。
現代瓦斯輪機系統的目标是實作高入口溫度，超過超級合金基體的熔點溫度，是以，為了確定整個結構的安全運作和耐久性，需要可靠且有效的冷卻系統。
在本次研究中，提出了一種名為StudGA的優化方法，以實作最佳性能，通過最小化燃料消耗來保持最小推力輸出，并在類似燃料消耗的情況下将推力最大化并降低渦輪葉片溫度。
該研究使用非線性的SIMULINK模型對斯佩瓦斯渦輪發動機進行了分析，該發動機被設計用于為軍用噴射機提供動力。
此前已經有一些類似類型的發動機研究，為了提升瓦斯渦輪發動機的性能，引入了控制層，通過調整入口和出口的幾何參數，可以在保持最小推力水準的同時降低燃料消耗。
此外，通過減少燃料流量，還可以降低渦輪葉片的溫度，但如果要達到更高的推力水準，燃料消耗将會顯著增加。
另一個研究則關注了高壓渦輪第一級的冷卻效果，該級别在循環性能中起着重要作用，研究中采用了基于有限元方法的ANSYS Fluent進行了過程模拟。
該模拟考慮了完美的流線型和簡化的幾何模型，用于分析葉片通道中冷卻空氣的熱膨脹，通過這種模拟，可以比較不同入口溫度下渦輪機的循環輪廓。
入口溫度已成為現代瓦斯輪機應用中的創新标準，是以對GT第一級的渦輪葉片和固定葉片等進行精确冷卻。
在給定的壓力比下，通過提高TIT，可以在一定程度上提高效率，但即使提供高TIT或壓力比，熱效率也不會超越限制。
是以，通過最大化TIT來提高效率的收益是有限的，但同時可以實作更大的功率輸出，增加壓力比可以提高溫度上限，進而進一步提高效率。
然而，在給定的PR和TIT之間，設計師需要做出權衡，但為了實作全面效益，需要采用冷卻方法以提供更高的TIT。
TIT的計算使用了Masci和Sciubba開發的MATHEMATICA代碼，還評估了各種方法以提高GT效率，并比較了這些方法在系統中的性能結果。通過結合預熱燃料、回收和蒸汽噴射等方法，可以實作更高的效率。
在不同熱負荷需求的市場情況下，這些方法的組合可以提供最佳效果，這些方法的綜合應用可以将效率提高近百分之二十，而通過蒸發冷卻增加進氣的濕度比，可以進一步提高效率。
此外，通過使用多級GT和再熱燃燒室，以及提高換熱器的出口溫度，渦輪機的性能也得到了提升。
研究還評估了不同冷卻媒體的冷卻效率，并對第一級渦輪葉片的熱狀态進行了分析，該葉片是承受最大載荷的部件之一。
在評估中，考慮了兩種不同的冷卻媒體，即空氣和水蒸氣，一起進行了比較。
冷卻效率取決于冷卻通道壁的傳熱系數，和渦輪葉片的體積平均溫度，而數值仿真使用了基于有限元方法的ANSYS Fluent完成。
幾何結構使用BladeGen ANSYS進行模組化，其中渦輪葉片位于氣流中，通過這些仿真，可以确定冷卻通道壁與冷卻液之間的傳熱系數，還同時評估了渦輪葉片的體積平均溫度。
經過研究發現，當葉片通過蒸汽冷卻時，傳熱系數高于空氣冷卻，特别是在冷卻媒體的壓力升高時，空氣和蒸汽之間的傳熱系數差異更加顯著。
是以在相同參數下，蒸汽作為冷卻媒體的效率要高于空氣，這主要是由于蒸汽具有更高的熱能容量和普朗特數。
但值得注意的是，蒸汽作為冷卻媒體系統主要适用于地面動力裝置，而對于飛機發動機而言，空氣冷卻系統則更為必要且更受關注。
另一項研究聚焦于薄膜冷卻技術，這對于工業應用尤其重要，因為實際發動機的工作條件異常熱，且尺寸小、運作速度快，需要進行高分辨率和精确測量。
該研究探讨了在增壓室中采用異形或圓形薄膜冷卻孔，來傳送冷卻液的影響，研究目标是确定兩種不同的内部限制對定型膜冷卻孔絕熱性能的影響。
結果顯示，銳孔相對于增壓式進料孔的性能較差，絕熱性能下降了25%。
但在特定條件下，即在最小冷卻液速度比下運作時，兩者性能幾乎相當，并且内部通道使用最小雷諾數運作，同時，對于薄膜冷卻性能的影響大于通道雷諾數。
瓦斯輪機葉片失效的因素
瓦斯輪機的葉片是其關鍵組成部分，承擔着将高溫高壓氣體的熱能轉化為機械動力的重要任務。
而最近的研究已經确認，諸如極端的熱負荷、頻繁的振動效應、疲勞、塗層腐蝕以及應力導緻的變形等因素，是導緻瓦斯輪機葉片故障的主要原因。
實際上，在瓦斯輪機的故障事件中，高達42%的故障與渦輪葉片的問題有關。
特别是在發電系統中，瓦斯輪機葉片面臨着高溫高壓的極端環境，同時還承受着巨大的疲勞負荷和機械應力，這些因素都會直接影響其性能表現。
為了改進渦輪機的性能并盡量減少故障的發生，許多研究都專注于分析這些故障原因，并尋找适用于葉片結構的材料解決方案。
瓦斯輪機葉片故障的主要原因包括疲勞、極端的熱應力以及機械應力，這些因素導緻葉片材料産生裂紋、凹坑和退化。
在發電過程中，葉片承受着極端的動态應力和熱梯度，是以裂紋往往會在葉片中形成，特别是在葉片的前緣部分。
在任何發電廠中，瓦斯渦輪發動機單元的關閉或故障都會帶來重大的經濟損失，鑒于瓦斯輪機發電廠需要大量的資本投資，確定高度的可靠性并減少強制停電的發生至關重要。
有建議采取系統化的方法，将主動行動和被動行動相結合，以最大程度地減少發電廠停電的頻率和持續時間。
主動措施包括危害、可操作性研究、結構化假設技術以及故障模式和影響分析等。
瓦斯輪機燃油系統
瓦斯輪機的優勢之一就在于其靈活的流體選擇能力，這種機型主要用于處理液體或氣體燃料，其适應性十分重要。
在可選的瓦斯輪機燃料中，标準選項包括天然氣和柴油，而特殊情況下，也會使用特殊液體燃料，如甲醇、原油、重油殘渣和油頁岩油，以及特殊氣體燃料，如合成氣、高爐瓦斯以及中低熱值的瓦斯。
但特殊氣體燃料和特殊液體燃料的使用受到限制，因其燃燒能力受其精确的化學成分和适用的瓦斯輪機類型所限制。
研究人員提供了各種瓦斯輪機燃料的示意圖，展示它們的比能量和含氫百分比，描述高效瓦斯輪機使用的燃料，包括高爐瓦斯和空氣吹制的合成氣，其比能量和含氫百分比都相對較低，而氧氣吹制的合成氣則在兩者之間具有較高的值。
但值得注意的是，每種燃料的比能量和氫含量都在某個範圍内，而不是固定的精确值。
弱天然氣在中涵蓋了廣泛的數值範圍，而乙醇和DM的值則相對較小，其他燃料還包括甲醇、生物柴油和焦爐氣。
在比能量較高的燃料中，範圍涵蓋了原油、重餾分油、輕餾分油、煤油、石腦油等殘渣類燃料。
而氫和比能量百分比較高的燃料則包括NG，其中還包括LPG和乙烷，最高比能量和氫含量的燃料是氫氣本身。
結語
瓦斯輪機在未來能源發展中扮演着不可或缺的角色，随着全球能源需求的不斷增長，瓦斯輪機具備高效率、靈活性和低排放的特點，成為滿足能源需求的重要選擇。
為了提升性能并減少故障，持續的研究将有助于優化瓦斯輪機的設計、冷卻系統和材料選擇，進而實作更可持續的能源利用。