張慧奇

摘 要：燃?xì)廨啓C(jī)在工作的過(guò)程中，燃燒室出口溫度較高，超過(guò)透平葉片最大溫度承受值，影響透平葉片的正常工作，如何進(jìn)行透平葉片冷卻至關(guān)重要。本文以GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)為例，從其冷卻系統(tǒng)組成及原理分析入手，探討了透平葉片的冷卻技術(shù)和冷卻原理，并指出了其易出現(xiàn)的故障和故障原因，旨在進(jìn)一步完善GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻技術(shù)，促進(jìn)其應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)；透平葉片；冷卻技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.059

0 前言

提升透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟葘?duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)性能有著重要的作用，但這也對(duì)透平葉片的耐溫性能提出了更高的要求，采用透平葉片冷卻技術(shù)來(lái)提升其換熱效果是保證透平葉片在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。GE公司9FA燃?xì)廨啓C(jī)是國(guó)內(nèi)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組新型燃機(jī)，其采用的透平葉片冷卻技術(shù)較為先進(jìn)，冷卻效果良好，下面來(lái)進(jìn)行具體分析。

1 GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，保證燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的措施有三種，①提升葉片材料耐熱性能，例如采取高耐熱本體材料，或在葉片表面涂隔熱涂層等；②設(shè)置超溫保護(hù)系統(tǒng)來(lái)保護(hù)葉片，避免其受到高溫?fù)p壞[1]；③采取葉片冷卻技術(shù)。但需要注意的是，葉片材料性能提升畢竟有限，且超溫保護(hù)系統(tǒng)也已經(jīng)固化，這兩種方式的潛力有限，而透平葉片冷卻技術(shù)則有著較大發(fā)展空間。

在GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻系統(tǒng)中，利用壓氣機(jī)內(nèi)的高壓空氣能夠冷卻透平轉(zhuǎn)子、透平葉片及輪盤等相關(guān)部件。其中末級(jí)排氣冷卻第1級(jí)靜葉，16級(jí)抽氣冷卻沿程輪盤、第1級(jí)動(dòng)葉和第2級(jí)動(dòng)葉，第9級(jí)、13級(jí)抽氣冷卻第2級(jí)、第3級(jí)靜葉。

對(duì)于第1級(jí)靜葉來(lái)說(shuō)，其冷卻空氣流動(dòng)路徑為：燃燒室火焰筒外環(huán)腔→前腔、后腔→葉片內(nèi)部→冷卻結(jié)構(gòu)→燃?xì)馔ǖ馈?/p>

對(duì)于第2級(jí)靜葉來(lái)說(shuō)，其冷卻空氣主要有兩股，兩股冷氣進(jìn)入葉片路徑為：①第一股冷氣：前腔→套筒→前緣；②第二股冷氣：后腔→套筒→后緣。需要注意的是，第二股冷氣經(jīng)過(guò)后緣之后，一部分由后緣直接排出，另一部分則與冷氣進(jìn)入葉片，從底部排出，在整個(gè)排出的過(guò)程中對(duì)沿路各個(gè)部件進(jìn)行冷卻。

對(duì)于第1級(jí)動(dòng)葉來(lái)說(shuō)，其冷卻空氣流動(dòng)路徑為：葉片底部→蛇形通道→熱燃?xì)馔ǖ馈?/p>

對(duì)于第2級(jí)動(dòng)葉來(lái)說(shuō)，其冷卻空氣在葉片底部會(huì)分成10股冷氣，進(jìn)入到葉片內(nèi)部，從圍帶流出之后，進(jìn)入到熱燃?xì)馔ǖ溃鲃?dòng)流程為：葉片底部→葉片內(nèi)部→圍帶→熱燃?xì)馔ǖ馈?/p>

2 GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻方式

在GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻方式如下：①對(duì)流冷卻：冷空氣進(jìn)入之后，與固體避免相接觸，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻效果，通過(guò)增加溝槽和肋柱能夠增大與冷氣接觸的面積，增強(qiáng)紊流效果和換熱效果，從而提升冷卻效果；②沖擊冷卻：冷空氣在經(jīng)過(guò)篩孔之后，會(huì)產(chǎn)生高速低溫氣流，氣流對(duì)靶面形成沖擊，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度換熱，從而實(shí)現(xiàn)冷卻，除了利用篩孔之外，還可以采用其他特殊結(jié)構(gòu)來(lái)形成高速冷氣流，這種冷卻方式即位沖擊冷卻[2]；③氣膜冷卻：冷空氣進(jìn)入之后，能夠在固體表面形成低溫氣膜，避免熱燃?xì)馀c透平葉片表面直接接觸，減少二者之間的熱交換，這種冷卻方式即為氣膜冷卻。

GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)在工作的過(guò)程中，燃燒室出口溫度高達(dá)1700K以上，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于透平葉片材料承受溫度最高值，尤其對(duì)于第1級(jí)靜葉片和第1級(jí)動(dòng)葉片來(lái)說(shuō)，其工作溫度較高，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采取有效的冷卻技術(shù)至關(guān)重要。

第1級(jí)靜葉片采用氣膜冷卻、對(duì)流冷卻和沖擊冷卻等方式，冷卻空氣沿著上下端壁進(jìn)入到?jīng)_擊套筒中，進(jìn)行沖擊冷卻過(guò)程，之后冷卻空氣通過(guò)透平葉片表面13排孔噴出，形成冷卻氣膜，覆蓋在葉片表面，進(jìn)行氣膜冷卻過(guò)程，冷卻空氣到達(dá)透平葉片尾緣之后，經(jīng)過(guò)方形對(duì)流冷卻孔，進(jìn)行對(duì)流冷卻過(guò)程。

第1級(jí)動(dòng)葉片前緣設(shè)置3排氣膜冷卻，在葉片中段，設(shè)置雙蛇形通道，形成紊流結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)紊流效果，且尾緣部分設(shè)置了矩陣?yán)鋮s結(jié)構(gòu)和對(duì)流冷卻結(jié)構(gòu)，從而強(qiáng)化冷卻效果。

第2級(jí)靜葉采用對(duì)流冷卻和沖擊冷卻的方式，將65個(gè)針形冷卻空設(shè)置在葉片尾緣。

第2級(jí)動(dòng)葉采用對(duì)流冷卻方式，存在10個(gè)氣流通道，前7個(gè)通道設(shè)有紊流結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)紊流效果和換熱效果，從而提升冷卻效果。

第3級(jí)靜葉采用對(duì)流冷卻，設(shè)有單通道，第3級(jí)動(dòng)葉并未設(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)。

3 故障分析

GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是保證冷卻效果的關(guān)鍵，由于各種原因引起的透平葉片高溫?fù)p壞問題如下：①熱應(yīng)力導(dǎo)致葉片出現(xiàn)應(yīng)力性損壞：在工作的過(guò)程中或啟停狀態(tài)下，如果熱應(yīng)力變化較大，則會(huì)引起葉片斷裂，故障原因主要是葉片鑄造過(guò)程中存在冷隔問題，尤其是第3級(jí)動(dòng)葉，很容易因此斷裂；②冷卻孔阻塞：冷卻空阻塞會(huì)影響冷卻效果，導(dǎo)致透平葉片高溫?fù)p壞，首先，壓氣機(jī)中存在雜質(zhì)和顆粒物會(huì)阻塞冷卻孔，第二，使用的燃?xì)獯嬖谌廴谖飼?huì)覆蓋在冷卻孔，導(dǎo)致冷卻孔阻塞，截止到目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)多起此類故障[3]；③冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理：冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理會(huì)直接導(dǎo)致葉片出現(xiàn)熱腐蝕問題，影響透平葉片的正常工作。

4 結(jié)論

綜上所述，GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻技術(shù)十分先進(jìn)，其應(yīng)用了針形孔、網(wǎng)狀通道、紊流結(jié)構(gòu)等眾多冷卻結(jié)構(gòu)，結(jié)合了多種冷卻方式，冷卻效果良好，值得應(yīng)用和推廣。但需要注意的是，實(shí)踐表明，GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中也容易出現(xiàn)一些故障和問題，這就需要積極完善冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林鐵.GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻技術(shù)分析[J].機(jī)械工程師，2013（08）：279-280.

[2]陳文炎.GE9FA燃?xì)廨啓C(jī)若干關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)[J].熱力發(fā)電，2007（11）：4-6.

[3]闞瑞.燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片尾緣內(nèi)部冷卻流動(dòng)傳熱機(jī)理研究[D].清華大學(xué)，2014.