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烧不坏的金属叶片
 

  同我们日常所接触到的汽车上用的汽油/柴油机一样,燃气轮机也是一种内燃式的发动机,广泛应用于航空动力、船舶推进、油气管道输送以及工业发电等领域。燃料在发动机内部燃烧,产生热量,加热吸入的空气,生成高温高压气体。燃料燃烧的地方被称为燃烧室,汽油/柴油机中高温高压气体在燃烧室内膨胀推动活塞,在燃气轮机中高温高压气体从燃烧室流出后在叶轮中膨胀,吹动叶片,产生动能。热效率和比功率是衡量和评价燃气轮机性能优劣的重要指标,从燃气轮机热力循环分析可知,燃气轮机的热效率和比功率随着透平进口温度(TIT)的提高而增加。燃气轮机燃烧室出口温度,即透平前进气温度已超过1000℃,而用于制造透平叶片的金属材料所能承受的最高温度却只有900 ºC,但是透平叶片却能在本该很快烧坏的环境下,连续完好工作数天,甚至1年多,这是什么原因呢? 

  要保护透平叶片不被烧坏,首先要给它穿上一件“防护服”。“防护服”,即隔热涂层技术(TBC),该技术已应用于燃气轮机中燃气轮机第一级透平叶片上得到应用,薄薄的涂层可以避免高温燃气与金属叶片直接接触,在一定程度上使高温燃气和底层金属之间温差增加100~150K 

  目前,先进的用于发电的重型燃气轮机透平前进气温度已经达到1700ºC,高于叶片高温合金材料所能承受的温度,仅依靠隔热涂层技术保护不了叶片。保护叶片免受高温破坏70%的重任落在了先进透平叶片冷却技术上。叶片冷却是通过在叶片内腔引入连续流动的冷却介质,通过换热,带走叶片热量,从而使叶片温度在金属耐受温度以下,使叶片成为“烧不坏的金属叶片”。其中,冷却介质为空气时,被称为空气冷却;冷却介质选择为蒸汽时,冷却蒸汽通常不通过冷却通道流入叶片外部的高温气流中,因此被称为闭式蒸汽冷却。与空气相比,蒸汽的导热性能和热容较大,因此采用蒸汽冷却方式可以减少冷量,同时降低冷气与高温气流掺混产生的损失,东芝公司研制的H级燃气轮机中应用蒸汽冷却静叶。但由于蒸汽不易获得以及引路复杂,所以目前透平叶片广泛使用的还是空气冷却,冷却方式主要包括内部对流、冲击冷却,外部气膜冷却以及发汗冷却。图1介绍了透平叶片典型冷却结构和冷却方式。 

  对流冷却技术主要是在叶片内设计一些内部通道,低温空气进入通道,与叶片内表面形成对流换热,吸收高温气体对叶片传递的热量,完成叶片内部对流冷却。动叶内部多设计成蛇形通道的形式,为了提高内部对流换热系数,需要在内部冷却通道中布置与主流成一定角度的肋片,以增加冷气在流动过程中的扰动和对流换热面积。常见的肋形状有:直肋、V形肋、W形肋、间断肋。劈缝冷却是内部对流冷却的一种,应用于叶片尾缘部分。在劈缝中间通常布置方形或圆形的扰流元件,以增加换热面积,增加对流换热量,这样可以提高叶片的冷却效果。 

图1 透平叶片冷却典型冷却结构及冷却方式

   冲击冷却是一种主要应用于叶片前缘、中部区域的强化对流换热的冷却方式。在叶片内部布置冲击衬套,按照叉排或顺排的方式在衬套相应位置布置一系列冲击孔,冷气经冲击孔喷射到叶片内壁面(靶面),该冷却方式结构设计难度大,但却可以提高叶片内部对流换热系数,提高冷却效果,实现对高热负荷区域的较好保护作用。影响冲击冷却效果的主要因素有:冲击孔的直径、冲击孔距离靶面距离、冲击孔的排布方式、靶面的形状以及粗糙度等。 

  气膜冷却是叶片外部冷却的一种重要的冷却形式,向处于高温环境表面上的一个或者多个离散孔中引入二次气流(冷却工质或射流),在主流压力和摩擦力的作用下,形成一层温度较低的冷气膜将高温燃气与壁面隔离,以保护冷气射入区和下游区域的表面。气膜孔通常布置成叉排形式,并且根据不同位置处的热负荷进行布置,可布置在叶片前缘、叶身、叶顶、端壁位置。全气膜冷却结构就是在叶身位置布置密集的气膜孔,以达到冷气在叶片表面的全气膜覆盖,增强叶片表面的气膜冷却效果,该结构主要应用于强度容易保证的透平静叶叶片。发汗冷却是全气膜冷却的一种,叶片由多孔材料加工而成,可以很容易的形成全气膜覆盖,但受材料自身强度限制,目前仍处于研发阶段。影响气膜冷却效果的因素主要包括几何参数和气动参数。几何参数有:气膜孔形状、孔的长径比、气膜孔与叶片表面之间夹角、叶片表面曲率等;气动参数有:主流湍流度、马赫数,冷却空气与主流燃气之间的吹风比、动量比、密度比等。气膜孔的形状有各种类型,包括:圆形孔、双射流气膜孔、带复合角气膜孔、扇形孔和其他异型孔。 

  单一的冷却方式不能使叶片表面温度降低到金属工作温度以下,目前空气冷却透平多采用内部冷却与外部冷却相结合的复合冷却结构,实际应用中的透平叶片冷却结构十分复杂。以承受高热负荷的叶片前缘为例,采用的是冲击-对流-气膜的复合冷却方式,冷却空气从射流孔冲击叶片内壁面形成冲击冷却,冷却空气在冲击衬套与叶片内壁面之间产生横流形成内部对流冷却,冷却空气经气膜孔流出在前缘表面形成气膜冷却。 

   燃气轮机作为一种重要的动力装置,不断朝着高温、高压、高效率的方向发展,对透平冷却不断提出更高的挑战。在更高的温度下保证透平叶片不被烧坏,除了研发新的叶片材料,提高高温金属材料耐热温度外,还需要进一步发展新型高效气膜孔结构及一体化超强冷却技术。