燃氣輪機冷卻技術分析摘要：詳細地闡述了對氣膜冷卻、內部強化換熱以及熱管冷卻等的影響因素，目前的應用狀況以及發展前景。重點集中在內部強化換熱和熱管冷卻。對西門子V9413燃氣輪機冷卻空氣參數及其分配進行了研究，試圖從公開發表的燃氣輪機功率、壓比、排氣溫度、三個透平初溫等數據中推測出冷卻空氣量的分配規律。關鍵詞:燃氣輪機;冷卻空氣前言：燃氣輪機的效率隨著渦輪人口溫度的提高而增加。目前的燃氣溫度已經遠高于葉片材料的溫度極限，所以，必須對渦輪葉片進行有效的冷卻才能保證渦輪的正常工作。航空發動機中的高溫部件，如燃燒室、渦輪、尾噴管等的工作環境非常惡劣，由此造成高溫部件的可靠性差、壽命短，據美國權威部門的統計，航空發動機中的故障有60％以上出現在高溫部件，并有不斷上升的趨勢，我國的一些航空發動機高溫部件的壽命只有幾百小時，高溫部件的材料費及加工費高昂，由此帶來的經濟損失十分嚴重。造成這種情況的原因，除材料和工藝水平缺陷以外，另外一個重要的問題是人們至今還難以對高溫部件的受熱狀態進行準確的預測，對復雜高溫部件傳熱的機理及規律認識不足。圖1顯示了渦輪葉片上主要的冷卻方式：應用在前緣和葉片中弦區的沖擊冷卻，應用于內部通道的擾流肋強化對流換熱，應用于尾緣的擾流柱強化換熱以及葉片外表面的氣膜冷卻。沖擊冷卻沖擊冷卻屬于對流換熱，是強化換熱的一種手段。沖擊冷卻主要是利用高速氣流沖刷被冷卻表面，以達到冷卻目的。圖2給出了葉片內部的沖擊冷卻方式。在航空發動機中也多用于高溫部件的內部，特別是渦輪葉片的前緣部位。以高速氣流從內部沖刷被冷卻部位，帶走從另一側燃氣所吸收的熱量。它的主要缺點是壓力損失大，容易造成被冷卻區域較大的溫度梯度，引起熱應力。在冷氣流沖擊的駐點區壁面上有很高的換熱系數，因此可以利用這種冷卻方式對表面進行重點冷卻。根據沖擊流和靶面的角度可以分為垂直沖擊、斜沖擊和平行沖擊。影響沖擊冷卻的主要參數是孔到靶面的距離與孔直徑的比值。由于駐點區的邊界層特別薄，換熱非常強。沖擊冷卻主要在前緣應用。由于前緣直接受到高溫燃氣的沖擊，通過沖擊冷卻可以有效地降低葉片該區域的溫度，起到保護葉片的作用。內部強化對流換熱燃氣溫度較低時只需要在通道內部有適量的冷氣流動將熱量帶走就可以使葉片正常工作，隨著燃氣溫度的提高，通道內壁面開始布置擾流肋來帶走更多的熱量，擾流肋的增加可以使換熱增強2—3倍，最近葉片上主要采用的是通道內部通道擾流肋強化換熱和外部氣膜冷卻同時對葉片進行冷卻，此時氣膜孔的出流對通道內的換熱也會起到一定的影響。內部強化對流換熱包括擾流肋強化換熱和擾流柱強化換熱。圖3、圖4給出了這兩種冷卻方式的典型結構。擾流肋強化換熱主要應用于葉片的中弦區，肋的結構包括方形肋、V形肋等，肋通常布置在通道平行的兩個壁面上，可以交叉排，也可以順排，肋和主流的方向可以從30。變化到90。。在有氣膜冷卻的情況下，肋和孔的位置還可以分為肋在孔上游，肋在孔下游，肋在孔中間。肋間距的變化為6—15倍肋寬。肋可以使主流發生再附著流動，在肋后會形成漩渦流動，再附著流動可以顯著提高換熱系數。漩渦流動雖然可以使換

熱得到增強，但是在肋根處由于速度接近0反而使換熱減弱。傾斜布置肋時，擾流肋會起到導流的作用，在帶肋壁面附近會形成平行于肋方向的二次流動，從而使斜肋的換熱效果比直肋的換熱效果更佳。在有氣膜孔的通道中，氣膜孔的出流對內部壁面換熱的影響也比較顯著，肋和孔的相對位置對換熱也有影響，孔在肋后，可以將肋后的低速氣體抽出到通道外從而起到強化換熱的作用。氣膜冷卻氣膜冷卻在燃燒室和葉片上都有應用，其冷卻原理如圖5所示，從縫隙或者圓孔噴出的冷氣將壁面和高溫燃氣隔開。在燃燒室中主要是縫隙氣膜冷卻，冷氣通過縫隙進入火焰筒內，并且貼服在火焰筒內壁上，將火焰筒壁和高溫燃氣隔開，起到保護火焰筒的作用。在渦輪葉片上，由于工藝的限制，主要是離散孔氣膜冷卻。孔射流具有非常強的三維性，影響氣膜冷卻特性的因素非常多。幾何參數包括氣膜孔形狀，孔傾角，孔方位角，孔間距等。氣動參數有吹風比、動量比、密度比（溫比）、湍流度、馬赫數等。在氣膜冷卻的基礎上，發展了全氣膜冷卻，即在葉片表面制成數量多而密的氣膜孔，從而形成比較均勻的冷氣膜覆蓋在葉片表面。這種方式的冷卻效率較高，更為重要的是可以改進葉片溫度分布的不均勻性，有利于降低葉片的熱應力。

圖4肋通道冷卻結構選用較早期的V94.3型號燃氣輪機作為研究對象。其主要性能參數如表1所示。表1西門子V9413燃氣輪機性能參數一覽表性能參數單位數值性能參數單位數值性能參數單位數值轉速r/min3000壓比1611排氣溫度C550投產年1993TISO°C1160N0X排放 ppm35空氣流量kg/s612TR°C1290功率MW222排氣流量kg/s624TTC1340效率% %36.12對V94.3燃氣輪機(如圖6)作了介紹,其相關內容摘要如下:壓氣機級數17,進口導葉可調,前三級靜葉亦可調;冷卻空氣分別取自第4級靜葉后、第9級靜葉后、第13級靜葉后以及第17級靜葉后的排氣腔;透平級數4,壓氣機第17級后抽氣在外部冷卻后用于冷卻第1級靜葉、葉輪和動葉,第2、3、4級葉輪及第2、3級動葉用壓氣機第13級靜葉后抽氣冷卻,第4級動葉不冷卻,第2、3、4級靜葉分別用第13級、第9級以及第4級靜葉后抽氣冷卻;設置兩個水平臥式圓筒型燃燒器,裝設8個混合型燃燒器,采用雙層殼體設

計。火焰筒內襯陶瓷掛片,熱煙氣流道（或稱過渡段）裝有空氣冷卻的金屬防熱片。壯機壓氣機 中心拉村 內有透平軸圖6西門子V94.3燃氣輪機縱剖面圖2西門子V9413燃氣輪機若干參數和過程解析2.1燃料數據推算由表1所示空氣流量和排氣流量,不計漏氣損失,可知燃料氣流量為624-612=12kg/so在燃氣輪機功率為222MW、單循環效率為36.7%的條件下，設燃燒效率為99.9%,計算得出燃料氣熱值為50.46MJ/kg。此數據與甲烷的熱值50.03MJ/kg基本一致。為便于計算，，假定天然氣完全由甲烷組成且不計燃燒損失，根據表1提供的空氣量，在選擇純甲烷為燃料時，推算燃料量為12.09kg/s,相應的排氣流量為624.09kg/s。冷卻空氣分配推算圖7所示為根據以上介紹的冷卻空氣來源和走向總結出的原則性冷卻空氣系統。由于冷卻空氣分配是燃氣輪機廠家的重要機密,因而可獲得的確切數據很少。本節試圖通過表1給出的幾個透平初溫數值,盡可能多地推算出冷卻空氣數據。為此,首先明確它們的物理意義。圖7 西門子V94.3燃氣輪機冷卻空氣系統（a） ISO溫度“so：以進入燃氣透平的所有空氣量（與燃料混合燃燒）計算出的燃氣平均溫度;透平進氣溫度Tt：燃燒室出口、透平1級靜葉前的燃氣溫度，本例中所涉及的空氣量包括預混和燃燒空氣、摻混空氣和過渡段冷卻空氣;轉子進口溫度Tr:燃氣透平第1級靜葉后的燃氣溫度。分別建立燃燒室、透平第1級靜葉的能量平衡，相關的計算條件和計算結果敘述如下:壓氣機出口參數估計：取壓氣機效率為0.87,壓比16.1;入口空氣溫度15°C,壓力1atm,流量612kg/s。計算得到出口空氣參數為：壓力16.1atm,溫度403.6C,壓縮機耗功246.5MW(因為部分冷卻空氣從中間級抽出，因此此值比實際值大)。相應地設定燃料氣壓力為21atm,流量12.09kg/s,由ISO狀態壓縮后的溫度為197.3C;天然氣的燃燒效率很高,為簡便計,忽略未完全燃燒損失。在燃燒室出口溫度為1340.4C的條件下，計算得到所需要的空氣流量為498.63kg/s,占總空氣量的81.5%。此數值比西門子公司提供的、對應于ISO溫度為1160C時的空氣比例84.5%低3%左右,但反復核算表明,只有在壓氣機效率低至接近0.8時才需要如此多的空氣參與燃燒和冷卻。因此,認為進入燃燒室的空氣量占總量的81.5%是合適的。假定進入透平1級靜葉的冷卻空氣溫度在50?350C，保證1級靜葉后溫度為1290C所需的空氣量及其比例如表2所示。表2不同外置冷卻效果下，對應Tr=1290C所需的冷卻空,氣量及其比例外置冷卻空氣溫度(C) 50100200300350所需的冷卻空氣量(kg/s) 24.2625.1727.2429.7231.36占總空氣量的比例(%) 3.964.114.454.865.12由上表不難看出,用于冷卻首級靜葉的空氣量大致占總空氣量的4%?5%。空氣總分配方案估計：由前面計算得知,進入燃燒室的空氣量為總空氣量的81.5%,進入首級靜葉的冷卻空氣量為4.45%,估計由壓氣機出口抽出進入外置冷卻器的空氣量為10%。因此,由壓氣機第4級,第9級和第13級靜葉后抽出的總空氣量約為8.5%。由于第13級靜葉后抽出的空氣用于冷卻透平第2級靜葉、第2、3級動葉和葉輪以及第4級葉輪,而第4級和第9級靜葉后抽出的空氣僅分別冷卻透平第3級和第4級靜葉,因而粗略估計第13級抽氣量為4.5%,第4和第9級抽氣量均為2%。為表述清楚,以上估計數據列于表3,并將通過下文燃氣輪機總功率的計算來論證其合理性。表3壓氣機空氣量分配估算一覽表壓氣機各靜葉后抽氣流量比例進入外置冷卻器空氣量分配靜葉號4 9 13 17合計第1級靜葉第1級動葉及葉輪總計占總空氣比例(%)2 2 4.5 10 18.5 4.45 5.45 10燃氣輪機功率核算2.3.1壓氣機耗功量計算取壓氣機效率為0.87,機械效率為0.99,則：1kg空氣壓縮至壓氣機出口耗功為：406.89612kW/kg,空氣溫度為：403.6C;設第4級靜葉后空氣壓力為5.48atm,則壓縮比耗功為210.86kW/kg,空氣溫度為：219.6C;設第9級靜葉后空氣壓力為9.53atm,則壓縮比耗功為304.24kW/kg,空氣溫度為：308.2°C;設第13級靜葉后空氣壓力為12.5atm,則壓縮比耗功為355.51kW/kg,空氣溫度為:356.1C;因此，1kg進入壓氣機的空氣所消耗的壓縮功為398.61kw/kg,壓氣機總耗功量為243.9493MW。透平作功量計算設透平效率為0.886,機械效率為0.99,燃燒室壓降為2%。設燃燒煙氣及所有冷卻空氣量均從透平入口處進入，溫度為ISO溫度(1160C),壓力為15.778atm,則透平總功率為67.524MW。燃氣輪機凈功率二467.524-243.9493=223.57MW,此值與表1給出的222MW基本相等。ISO溫度核算以上對燃氣輪機抽氣壓力和流量進行了大膽的假定并因此得到了和已知功率基本相同的計算結果。作為進一步校驗,本文計算了與假定的冷卻空氣溫度和流量對應的ISO溫度，結果為1164.6C,與預期值基本相等。如果將外置冷卻器出口溫度取為170C,則燃氣輪機凈功率為223MW,ISO溫度為1162.2C,結果與給定性能接近。3結論冷卻空氣量對燃氣輪機性能有很大的影響,因此建立精確模型時須計入冷卻空氣的