文 | SHY
编辑 | 趣史研社
前言
根据国际能源署的预测，在未来的1到7年里，全球能源总需求每年将以约2000.2030%的速度增长，相当于现有能源需求的三分之二。
这种趋势要求现代涡轮机械具备高比功率输出、增强的发电电效率、低投资和低污染物排放、以及维护和运营成本的特点，以实现可持续的燃料利用。
随着各国电力行业市场不断上升，独立电力供应商的竞争力也在不断增强，为满足可变功率需求，具备更高效率的、能够产生中低功率输出的灵活发电厂变得越来越重要。
因此，超过一半的化石燃料发电厂采用了燃气轮机，而且由于廉价的清洁天然气的可用性，对燃气轮机的更是需求进一步增加。
但涡轮叶片失效的情况，却时有发生，那做出什么改变可以防止叶片故障呢？
燃气轮机工作原理基础
燃气轮机在发电中的应用一直以来都有所增加，特别是在分布式电力行业中。
而电力则按需求分为 3 类：峰值负载、基本负载和中间负载需求，与柴油发动机和蒸汽轮机相比，燃气轮机在各种方面都具有优势。
燃气轮机主要基于布雷顿循环原理运行，由于其废热等级较高、燃料容量翻倍、体积紧凑、维护成本低等优点，常用于电力行业的发电。
寻找提高燃气轮机不同类型循环性能的方法，正日益成为主要目标。
燃气轮机是一种内燃机，它不断利用天然气和各种液体燃料的能量，将其转化为机械能用于发电和推进。
而且燃气轮机的适用性从火力发电厂到航空工业甚至国内工业都有很大差异，具体取决于它们的用途和所需的输出。
燃气轮机的分类
燃气轮机在不同领域有着三种主要类型的应用，分别是工业燃气轮机、微型涡轮机、航空发动机。
其中，工业燃气轮机可用于移动设备、大型复杂系统等，单循环大型涡轮机具备更高的功率输出，其热效率可达35-40%。
而微型涡轮机是一种紧凑型涡轮发电机，借鉴了大型卡车或飞机的辅助动力装置中使用的涡轮增压技术，适用于产生小规模的电力，其热效率范围在25-35%之间。
除此之外还有航空发动机，在航空领域，燃气轮机被广泛应用于喷气发动机中，以降低燃料消耗并减少排放的污染物。
而且中冷和废热回收技术可以提升喷气发动机性能，但由于热交换器的重量和体积，这些技术会引入一定的压力损失和复杂性。
燃气轮机性能和冷却效率
燃气轮机在发电厂、海军推进和航空动力等领域都有广泛应用，所以为了实现更高的热效率，提高涡轮机入口温度成为了重要目标。
现代燃气轮机系统的目标是实现高入口温度，超过超级合金基体的熔点温度，因此，为了确保整个结构的安全运行和耐久性，需要可靠且有效的冷却系统。
在本次研究中，提出了一种名为StudGA的优化方法，以实现最佳性能，通过最小化燃料消耗来保持最小推力输出，并在类似燃料消耗的情况下将推力最大化并降低涡轮叶片温度。
该研究使用非线性的SIMULINK模型对斯佩燃气涡轮发动机进行了分析，该发动机被设计用于为军用喷气式飞机提供动力。
此前已经有一些类似类型的发动机研究，为了提升燃气涡轮发动机的性能，引入了控制层，通过调整入口和出口的几何参数，可以在保持最小推力水平的同时降低燃料消耗。
此外，通过减少燃料流量，还可以降低涡轮叶片的温度，但如果要达到更高的推力水平，燃料消耗将会显著增加。
另一个研究则关注了高压涡轮第一级的冷却效果，该级别在循环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进行了过程模拟。
该模拟考虑了完美的流线型和简化的几何模型，用于分析叶片通道中冷却空气的热膨胀，通过这种模拟，可以比较不同入口温度下涡轮机的循环轮廓。
入口温度已成为现代燃气轮机应用中的创新标准，因此对GT第一级的涡轮叶片和固定叶片等进行精确冷却。
在给定的压力比下，通过提高TIT，可以在一定程度上提高效率，但即使提供高TIT或压力比，热效率也不会超越限制。
因此，通过最大化TIT来提高效率的收益是有限的，但同时可以实现更大的功率输出，增加压力比可以提高温度上限，从而进一步提高效率。
然而，在给定的PR和TIT之间，设计师需要做出权衡，但为了实现全面效益，需要采用冷却方法以提供更高的TIT。
TIT的计算使用了Masci和Sciubba开发的MATHEMATICA代码，还评估了各种方法以提高GT效率，并比较了这些方法在系统中的性能结果。通过结合预热燃料、回收和蒸汽喷射等方法，可以实现更高的效率。
在不同热负荷需求的市场情况下，这些方法的组合可以提供最佳效果，这些方法的综合应用可以将效率提高近百分之二十，而通过蒸发冷却增加进气的湿度比，可以进一步提高效率。
此外，通过使用多级GT和再热燃烧室，以及提高换热器的出口温度，涡轮机的性能也得到了提升。
研究还评估了不同冷却介质的冷却效率，并对第一级涡轮叶片的热状态进行了分析，该叶片是承受最大载荷的部件之一。
在评估中，考虑了两种不同的冷却介质，即空气和水蒸气，一起进行了比较。
冷却效率取决于冷却通道壁的传热系数，和涡轮叶片的体积平均温度，而数值仿真使用了基于有限元方法的ANSYS Fluent完成。
几何结构使用BladeGen ANSYS进行建模，其中涡轮叶片位于气流中，通过这些仿真，可以确定冷却通道壁与冷却液之间的传热系数，还同时评估了涡轮叶片的体积平均温度。
经过研究发现，当叶片通过蒸汽冷却时，传热系数高于空气冷却，特别是在冷却介质的压力升高时，空气和蒸汽之间的传热系数差异更加显著。
因此在相同参数下，蒸汽作为冷却介质的效率要高于空气，这主要是由于蒸汽具有更高的热能容量和普朗特数。
但值得注意的是，蒸汽作为冷却介质系统主要适用于地面动力装置，而对于飞机发动机而言，空气冷却系统则更为必要且更受关注。
另一项研究聚焦于薄膜冷却技术，这对于工业应用尤其重要，因为实际发动机的工作条件异常热，且尺寸小、运行速度快，需要进行高分辨率和精确测量。
该研究探讨了在增压室中采用异形或圆形薄膜冷却孔，来传送冷却液的影响，研究目标是确定两种不同的内部约束对定型膜冷却孔绝热性能的影响。
结果显示，锐孔相对于增压式进料孔的性能较差，绝热性能下降了25%。
但在特定条件下，即在最小冷却液速度比下运行时，两者性能几乎相当，并且内部通道使用最小雷诺数运行，同时，对于薄膜冷却性能的影响大于通道雷诺数。
燃气轮机叶片失效的因素
燃气轮机的叶片是其关键组成部分，承担着将高温高压气体的热能转化为机械动力的重要任务。
而最近的研究已经确认，诸如极端的热负荷、频繁的振动效应、疲劳、涂层腐蚀以及应力导致的变形等因素，是导致燃气轮机叶片故障的主要原因。
实际上，在燃气轮机的故障事件中，高达42%的故障与涡轮叶片的问题有关。
特别是在发电系统中，燃气轮机叶片面临着高温高压的极端环境，同时还承受着巨大的疲劳负荷和机械应力，这些因素都会直接影响其性能表现。
为了改进涡轮机的性能并尽量减少故障的发生，许多研究都专注于分析这些故障原因，并寻找适用于叶片结构的材料解决方案。
燃气轮机叶片故障的主要原因包括疲劳、极端的热应力以及机械应力，这些因素导致叶片材料产生裂纹、凹坑和退化。
在发电过程中，叶片承受着极端的动态应力和热梯度，因此裂纹往往会在叶片中形成，特别是在叶片的前缘部分。
在任何发电厂中，燃气涡轮发动机单元的关闭或故障都会带来重大的经济损失，鉴于燃气轮机发电厂需要大量的资本投资，确保高度的可靠性并减少强制停电的发生至关重要。
有建议采取系统化的方法，将主动行动和被动行动相结合，以最大程度地减少发电厂停电的频率和持续时间。
主动措施包括危害、可操作性研究、结构化假设技术以及故障模式和影响分析等。
燃气轮机燃油系统
燃气轮机的优势之一就在于其灵活的流体选择能力，这种机型主要用于处理液体或气体燃料，其适应性十分重要。
在可选的燃气轮机燃料中，标准选项包括天然气和柴油，而特殊情况下，也会使用特殊液体燃料，如甲醇、原油、重油残渣和油页岩油，以及特殊气体燃料，如合成气、高炉煤气以及中低热值的煤气。
但特殊气体燃料和特殊液体燃料的使用受到限制，因其燃烧能力受其精确的化学成分和适用的燃气轮机类型所限制。
研究人员提供了各种燃气轮机燃料的示意图，展示它们的比能量和含氢百分比，描述高效燃气轮机使用的燃料，包括高炉煤气和空气吹制的合成气，其比能量和含氢百分比都相对较低，而氧气吹制的合成气则在两者之间具有较高的值。
但值得注意的是，每种燃料的比能量和氢含量都在某个范围内，而不是固定的精确值。
弱天然气在中涵盖了广泛的数值范围，而乙醇和DM的值则相对较小，其他燃料还包括甲醇、生物柴油和焦炉气。
在比能量较高的燃料中，范围涵盖了原油、重馏分油、轻馏分油、煤油、石脑油等残渣类燃料。
而氢和比能量百分比较高的燃料则包括NG，其中还包括LPG和乙烷，最高比能量和氢含量的燃料是氢气本身。
结语
燃气轮机在未来能源发展中扮演着不可或缺的角色，随着全球能源需求的不断增长，燃气轮机具备高效率、灵活性和低排放的特点，成为满足能源需求的重要选择。
为了提升性能并减少故障，持续的研究将有助于优化燃气轮机的设计、冷却系统和材料选择，从而实现更可持续的能源利用。