大型燃气轮机叶片冷却技术探讨

[摘 要]燃气轮机作为一种重要的动力设备，提高燃机进气温度对于提升燃气的功率和效率有着非常重要的现实意义。但是提高燃机进气温度往往受到透平叶片材料耐热性的限制，因此必须采取有效的冷却技术，降低燃气轮机透平叶片温度。本文简要介绍了大型燃气轮机叶片冷却技术的工作原理，分析了大型燃气轮机叶片冷却介质，阐述了大型燃气轮机叶片冷却技术。

[关键词]大型燃气轮机叶片；冷却技术

中图分类号：U664.131 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0387-01

空气冷却技术被广泛的应用在各个领域，为了减少透平对有效气体的消耗量，大型燃气轮机透平叶片冷却技术由传统的空气冷却发展为蒸汽和空气双工质冷却，通过采用先进的冷却技术，可使大型燃气轮机透平叶片承受更高的温度，延长燃气轮机的使用寿命，提高循环热效率，提高大型燃气轮机系统运行的安全性和可靠性。

一、大型燃气轮机叶片冷却技术的工作原理

在高压、高速、高温环境中安全、稳定的运行是大型燃气轮机对于透平叶片的基本要求。对于空气气流，压力、速度和温度这三个参量之间存在密切的关系，确保燃气机轮机性能最重要的参数就是透平进口的燃气温度，而透平进口燃气温度的高低对于燃气轮机性能有着决定性的影响。根据实验验证，在燃气轮机运行条件和尺寸、型号不变的前提下，透平进口燃气温度在1073～1273K范围内每提高50摄氏度，可提高燃机的输出功率10%[1]，可见增加透平进口温度对燃机功率增加效果是比较明显的，因此通过采取冷却技术，尽量提高透平进口燃气温度，具有重要的意义。

大型燃气轮机运行原理很复杂，不同制造厂对燃气轮机透平叶片采用的冷却技术不同，很多制造厂为不同尺寸和型号的燃气轮机配置了不同的冷却系统。透平叶片冷却技术应在保障燃气轮机正常运行基础上，设计的透平叶片最大热应力应和叶片表面的温度梯度或最高温度相适应。例如，如果透平叶片冷却工质较少，会影响冷却效果，透平叶片温度较高，会缩短透平热部件的使用寿命，降低热部件的安全性和可靠性；如果冷却工质过多，会影响燃气轮机的启动性能。因此应以冷却过程中使用的最小压气机抽气量，合理设计透平叶片冷却系统。大型燃气轮机叶片冷却系统的工作原理主要是从叶片下部引入冷气，通过冷却通道进入叶片内部，对透平叶片进行冷却，由叶片表面的孔隙排出冷气，实现对透平叶片的冷却保护和处理。

当前，我国很多大型燃气轮机叶片采用开式冷却技术，从压气机引出冷却空气，经过冷却处理后，在透平通道中和燃气进行混合。传统的燃气轮机冷却系统，冷却方案简单，不需要耗费额外的冷却气，但是这种系统能量消耗大，带走很多压气机压缩空气，并且随着燃气轮机功率的提高，冷却空气自身的温度也不断升高，从而影响冷却效果。

二、大型燃气轮机叶片冷却介质分析

近年来，燃气轮机快速发展，气体冷却技术受到人们的广泛关注。空气冷却主要是利用各种压缩级的压缩空气对燃气轮机叶片的热端表面进行冷却，空气的可用性和易得性极大地推动了空气冷却技术的发展，应用非常广泛。对于大型燃气轮机发动机而言，需要的空气冷却空气量较大，改善冷却结构对于大型燃气轮机叶片冷却效果的影响越来越小。根据当前的复合冷却技术，当燃气轮机的进口温度RIT>1765K时，只有30%左右的压缩空气用于透平叶片的冷却[2]，空气利用率较低，极大地降低了透平系统的输出功率和循环热效率。

同时，由于主流燃气和冷却空气混掺，给大型燃气轮机叶片内部的冷却空气流道造成很大气动和热力损失，从而降低燃气轮机的热效率，并且随着冷却介质流量的不断增大，透平系统损失也不断增大。因此大型燃气轮机叶片冷却技术必须尽量降低冷却空气消耗量，一方面积极创新和改进冷却结构，优化透平叶片冷却过程；另一方面，用其他冷却介质代替空气，如用水蒸汽作为冷却介质，水蒸汽易得可用，来源广，并且可循环利用，对于使用空气冷却的透平冷却系统也具有良好的适应性。水蒸汽和空气相比，冷却损失较小，能耗低，随着冷却蒸汽流量的增大，可有效提高RIT。

三、大型燃气轮机叶片冷却技术

对于大型燃气轮机叶片冷却技术的应用，能够有效提升工作效率及工作质量，从而提高经济效益，因此，针对燃气轮机叶片冷却技术中的各项技术进行分析和探讨也就显得尤为重要。

1、层板冷却技术

大型燃气轮机透平叶片层板冷却技术基于以下工作原理：在对燃气轮机的高温叶片进行冷却时，为了提高冷气的利用率，在冷气在叶片表面形成气膜之前，加强叶片内部的对流换热，通过肋壁、扰流柱、冲击冷却、对流冷却等强化换热方式，实现对透平叶片的冷却。根据全气膜冷却理论，采用透平叶片的多层壁气膜冷却技术，在大型燃气轮机叶片层板内部引入冷气，冷气在若干个细小通道中快速流动吸收热量，最后由气膜孔排出。

2、蒸汽冷却技术

蒸汽冷却技术主要是利用水蒸汽作为冷却介质，对大型燃气轮机叶片进行冷却。例如，GE重型燃气轮机H级别设备的透平叶片采用了蒸汽冷却技术，为了减少透平叶片冷却处理的冷却损失和空气量以及减少燃烧室过渡段和火焰筒的冷却损耗，用水蒸汽对透平叶片进行闭环冷却处理，可满足当前GE重型燃气轮机H级别设备高RIT的要求，有效减少冷却空气用量。蒸汽冷却技术应用优势非常明显，即使在高雷诺数下，也可提高讲蒸汽换热能力，内部蒸汽冷却完全可以满足大型燃气轮机叶片的冷却要求，并且省去气膜冷却过程，可大大简化透平叶片冷却结构，避免主流燃气和冷却气体的掺混造成的热损失[3]，明显提高燃气轮机发动机的循环热效率。当前，蒸汽冷却技术已经日益成熟，被广泛的应用在大型燃气轮机系统中，特别是随着大型热电厂的快速发展，热电联产技术使得闭环蒸汽冷却系统的经济性和使用性更高。

虽然蒸汽冷却具有诸多优点，但是大型燃气轮机需要消耗大量水蒸汽，90%～100%的水蒸汽被用于透平叶片冷却，在流动过程中冷却蒸汽消耗大量的可用功率，降低了燃气轮机的输出功率。

3、汽雾冷却技术

汽雾冷却技术主要是向水蒸汽中增添水雾，在流动通道中形成汽雾两相流，从而有效提高蒸汽换热能力的一种冷却方式。汽雾冷却技术通过改善蒸汽的特性，减少水蒸汽的消耗量，并且实现了有效冷却，全面提高了大型燃气轮机系统的使用性能。和传统的空气冷却技术相比，汽雾冷却的冷却效果好，换热系数高，并且结构简单，其具备蒸汽冷却技术的所有优点，但是汽雾冷却技术的换热系数比蒸汽冷却技术的要，大大减少了蒸汽消耗量，提高了燃气轮机的输出功率，并且易于控制和管理，水滴不会堵塞冷却通道，也避免了水雾的大量蒸，消除了大量水蒸汽受热而产生不稳定的流动，而克服了过冷现象，以确保工作持续进行。

结束语

随着我国大型燃气发电机的快速发展，对于大型燃气轮机机透平叶片冷却技术提出了更高的要求。透平叶片的冷却效果对于燃气轮机的运行性能和热循环效率有着直接的影响，因此必须进一步优化和完善透平叶片冷却技术，应加大研究和开发力度，积极汲取国内外的先进经验和技术，推动大型燃气轮机机透平叶片冷却技术的快速发展，这对于加强叶片冷却技术研究与创新，并进一步提升工作效率具有重要意义。

参考文献

[1] 张效伟，朱惠人. 大型燃气轮机叶片冷却技术[J].热能动力工程，2011，01：1-6.

[2] 卫海洋，徐敏，刘晓曦.透平叶片冷却技术的发展及关键技术[J].飞航导弹，2012，02：61-64.