燃气轮机叶片冷却技术
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蒸•总汽能回注量技综术合利用
2、燃用便宜材料同时限制污染及腐蚀问题
重燃料、核燃料； 降低NOX的排放。
3、增加单机功率问题
单机功率受燃气温度和流量等的限制
4、简省维护问题
5、高效变工况问题
6、降低材料工艺成本问题
叶片型线要求高，高温合金硬度高，加工困难。
四、燃气轮机叶片冷却技术
燃气轮机的效率随着涡轮入口温度的提高而增加。目前的燃气温度已经 远高于叶片材料的温度极限，所以必须对涡轮叶片进行有效的冷却才能 保证涡轮的正常工作。
➢ 掺入主流时引起紊流损失 冷却空气完成冷却任务后，还 有剩余压力以便就地并入主流，这样虽然在某种程度上 利用了冷却空气中的压力和热量，但是当冷却空气掺入 主流时就会扰乱燃气主流线和参数，影响到透平的内效 率。
➢ 可用热量损失 高温零件传出的热量，实际上来自工质， 在工作膨胀过程中，传出热量是很不利的，起了和再热 相反的作用。如果这部分能量不加以利用，则会转变为 损失。如果冷却空气仍旧掺回燃气主流，则由于高势位 热量变成了低势位热量，可利用的热量仍要减少。
（3）气膜冷却
图10 典型的气膜冷却叶片
图11 气膜冷却简图
气膜冷却是一种广泛采用的有效冷却技术，它通过在高 温部件表面开设槽缝或者小孔，将冷却介质以横向射流 的形式注入到主流中。在主流的压力和摩擦作用下，射 流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜， 从而对高温部件起到隔热和冷却作用。透平叶片采用气
（2）内部强化对流换热
图8 扰流柱冷却结构 图9 肋通道冷却结构
燃气温度较低时只需在 通道内部有适量的冷气 流流动将热量带走就可 使叶片正常工作，随着 燃气温度的提高，通道 内壁面开始布置扰流肋 来带走更多的热量，扰 流肋的增加可使换热增 强2~3倍。肋可使主流 发生再附着，在肋后可 形成漩涡流动。在附着 流动可以显著提高换热 系数，漩涡流动虽然可 以使换热得到增强，但
例：M701F叶片冷却技术。
（a）M701F第一级静叶冷却结构图 （b）M701F第一级静叶冷却结 图12 M701F第一级叶片冷却结构图
（4）层板冷却
（a） 层板结构示意图
（b） 多孔层板全气膜传热
图13 层板冷却结构及传热图
在高温部件冷却中，为了有效利用空气，在形成气膜之前，
一定要增强内部对流换热，可以通过内部对流冷却、冲击
冷却、扰流柱、肋壁等强化换热方式对叶片进行冷却。基
于这种理论及全气膜冷却形成了多层壁气膜冷却结构。
（5）壁面通道冷却
图14 壁面通道冷却结构
壁面通道冷却是在气 膜冷却和通道内强化 换热的基础上增加了 冲击冷却，也可以说 是在层板冷却的基础 上去掉了扰流柱 强化 换热，在工艺上比层 板冷却简单，比较容 易实现。冲击孔和气 膜孔的位置对壁面通 道内流动结构影响显 著，当有内部横流存 在时，壁面通道过长，
➢ 增加透平的鼓风损失 当用空气冷却透平转子时，尤其是 采用单流程的空心叶片时，透平转子就像鼓风机那样带动 冷却空气高速旋转，由于鼓风机的功率约和转速的三次方 成正比，而且冷却空气的流量也不小，因此，这种冷却方 式消耗功率很大。
➢ 压气机压缩功的损失 抽出的冷却空气曾经压气机压缩而 具有一定的压力，但由于冷却系统通道中的流动阻力而损 失掉一部分，不能再透平中全部恢复作功。这实际上相当 于漏气损失的增加。
图2 6FA燃气轮机示意图
二、燃气轮机热力循环
1——2 绝热压缩 2——3 等压加热 3——4 绝热膨胀 4——1 等压放热
22
B
Βιβλιοθήκη Baidu
33
C
T
1
4
1
4
图3 理想燃气轮机循环布置图
p23
3 T
2
4
1
4 1
v
s
图4 理想燃气轮机布雷顿循环p-v、T-s图
理想循环比w功 ：
w wT wC cp (T3* T4*) cp (T2* T1*)
c pT3*[1
(1
k 1
)k
]
c pT1*[
k 1 k
1]
三、当前燃气轮机存在的主要问题
1、提高效率问题
提高燃气温度是提高燃气轮机效率的主要手段
•研制高温材料：陶瓷叶片
提•改高进压比冷却技术 •提高单级压比：采用跨声速级，压比可达1.5~2.0
余•提热高利用整机压比 •回热 •燃气蒸汽联合装置
由于抽气冷却具有上述不利因素，因此在设计时应仔细 考虑得失，尽量少抽气，少抽压力较高的气，而且抽出 的空气应尽量充分利用。
燃气轮机叶片冷却技术
专 业：化机 学 生：陈连军 指导老师：魏进家教授
2009.4.10
目录
燃气轮机简介 燃气轮机热力循环 当前燃气轮机存在的主要问题 燃气轮机叶片冷却技术
一、燃气轮机简介
燃气轮机是将气体压缩、加热后在透平 中膨胀，把其部分热能转换为机械能的 高速回转式动力机械。它一般由压气机、 燃烧室、透平、控制系统及基本的辅助 设备组成，它输出的功率用来驱动发电 机、泵、鼓风机、螺旋桨或车轮等负荷。
1、高温部件的抽气冷却方法
冲击冷却
叶 内部强化对流换热
片 冷
气膜冷却
却 方
层板冷却
法 壁面通道冷却
热管冷却
图5 各种冷却形式及效率图
(a) 典型的动叶片冷却
(b) 典型静叶片冷却
图6 典型的叶片冷却
（1）冲击冷却
图7 冲击冷却结构
冲击冷却属于对 流换热，是强化 换热的一种手段。 冲击冷却主要是 利用高速气流冲 刷被冷却表面， 以达到冷却目的。 多用于高温部件 的内部，特别是 涡轮叶片的前缘 部位。主要缺点 是压力损失大、 容易造成被冷却
（6）热管冷却
热管冷却属于新型冷却技术。由于热管具有极高的热效 率，可以有效的减少冷气的用量，同时热管靠液体气化来 吸收热量，当热端部件的传热量增加，热管的冷却能力也 随之增强。但是目前叶片的热管冷却应用是全新的概念， 用什么冷却工质，如何带走传递的热量以及如何保证动叶 片高转速工况下热管的正常工作都需要进行理论和实验确 证。
2、抽气冷却对燃气轮机性能的影响
图15 燃气轮机冷却空气系统
抽出燃气轮机压气机中的空气来冷却高温零件，就可以提 高燃气轮机温度，因而可以提高装置的热效率并增加装置
的比功。或者 t3*不变，材料不变，因冷却降低了叶片冷却
温度，对镍基合金来说，工作温度降低450℃，使用寿命 延长10倍。然而，另一方面，抽气冷却也有不利的影响。
2、燃用便宜材料同时限制污染及腐蚀问题
重燃料、核燃料； 降低NOX的排放。
3、增加单机功率问题
单机功率受燃气温度和流量等的限制
4、简省维护问题
5、高效变工况问题
6、降低材料工艺成本问题
叶片型线要求高，高温合金硬度高，加工困难。
四、燃气轮机叶片冷却技术
燃气轮机的效率随着涡轮入口温度的提高而增加。目前的燃气温度已经 远高于叶片材料的温度极限，所以必须对涡轮叶片进行有效的冷却才能 保证涡轮的正常工作。
➢ 掺入主流时引起紊流损失 冷却空气完成冷却任务后，还 有剩余压力以便就地并入主流，这样虽然在某种程度上 利用了冷却空气中的压力和热量，但是当冷却空气掺入 主流时就会扰乱燃气主流线和参数，影响到透平的内效 率。
➢ 可用热量损失 高温零件传出的热量，实际上来自工质， 在工作膨胀过程中，传出热量是很不利的，起了和再热 相反的作用。如果这部分能量不加以利用，则会转变为 损失。如果冷却空气仍旧掺回燃气主流，则由于高势位 热量变成了低势位热量，可利用的热量仍要减少。
（3）气膜冷却
图10 典型的气膜冷却叶片
图11 气膜冷却简图
气膜冷却是一种广泛采用的有效冷却技术，它通过在高 温部件表面开设槽缝或者小孔，将冷却介质以横向射流 的形式注入到主流中。在主流的压力和摩擦作用下，射 流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜， 从而对高温部件起到隔热和冷却作用。透平叶片采用气
（2）内部强化对流换热
图8 扰流柱冷却结构 图9 肋通道冷却结构
燃气温度较低时只需在 通道内部有适量的冷气 流流动将热量带走就可 使叶片正常工作，随着 燃气温度的提高，通道 内壁面开始布置扰流肋 来带走更多的热量，扰 流肋的增加可使换热增 强2~3倍。肋可使主流 发生再附着，在肋后可 形成漩涡流动。在附着 流动可以显著提高换热 系数，漩涡流动虽然可 以使换热得到增强，但
例：M701F叶片冷却技术。
（a）M701F第一级静叶冷却结构图 （b）M701F第一级静叶冷却结 图12 M701F第一级叶片冷却结构图
（4）层板冷却
（a） 层板结构示意图
（b） 多孔层板全气膜传热
图13 层板冷却结构及传热图
在高温部件冷却中，为了有效利用空气，在形成气膜之前，
一定要增强内部对流换热，可以通过内部对流冷却、冲击
冷却、扰流柱、肋壁等强化换热方式对叶片进行冷却。基
于这种理论及全气膜冷却形成了多层壁气膜冷却结构。
（5）壁面通道冷却
图14 壁面通道冷却结构
壁面通道冷却是在气 膜冷却和通道内强化 换热的基础上增加了 冲击冷却，也可以说 是在层板冷却的基础 上去掉了扰流柱 强化 换热，在工艺上比层 板冷却简单，比较容 易实现。冲击孔和气 膜孔的位置对壁面通 道内流动结构影响显 著，当有内部横流存 在时，壁面通道过长，
➢ 增加透平的鼓风损失 当用空气冷却透平转子时，尤其是 采用单流程的空心叶片时，透平转子就像鼓风机那样带动 冷却空气高速旋转，由于鼓风机的功率约和转速的三次方 成正比，而且冷却空气的流量也不小，因此，这种冷却方 式消耗功率很大。
➢ 压气机压缩功的损失 抽出的冷却空气曾经压气机压缩而 具有一定的压力，但由于冷却系统通道中的流动阻力而损 失掉一部分，不能再透平中全部恢复作功。这实际上相当 于漏气损失的增加。
图2 6FA燃气轮机示意图
二、燃气轮机热力循环
1——2 绝热压缩 2——3 等压加热 3——4 绝热膨胀 4——1 等压放热
22
B
Βιβλιοθήκη Baidu
33
C
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图3 理想燃气轮机循环布置图
p23
3 T
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1
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图4 理想燃气轮机布雷顿循环p-v、T-s图
理想循环比w功 ：
w wT wC cp (T3* T4*) cp (T2* T1*)
c pT3*[1
(1
k 1
)k
]
c pT1*[
k 1 k
1]
三、当前燃气轮机存在的主要问题
1、提高效率问题
提高燃气温度是提高燃气轮机效率的主要手段
•研制高温材料：陶瓷叶片
提•改高进压比冷却技术 •提高单级压比：采用跨声速级，压比可达1.5~2.0
余•提热高利用整机压比 •回热 •燃气蒸汽联合装置
由于抽气冷却具有上述不利因素，因此在设计时应仔细 考虑得失，尽量少抽气，少抽压力较高的气，而且抽出 的空气应尽量充分利用。
燃气轮机叶片冷却技术
专 业：化机 学 生：陈连军 指导老师：魏进家教授
2009.4.10
目录
燃气轮机简介 燃气轮机热力循环 当前燃气轮机存在的主要问题 燃气轮机叶片冷却技术
一、燃气轮机简介
燃气轮机是将气体压缩、加热后在透平 中膨胀，把其部分热能转换为机械能的 高速回转式动力机械。它一般由压气机、 燃烧室、透平、控制系统及基本的辅助 设备组成，它输出的功率用来驱动发电 机、泵、鼓风机、螺旋桨或车轮等负荷。
1、高温部件的抽气冷却方法
冲击冷却
叶 内部强化对流换热
片 冷
气膜冷却
却 方
层板冷却
法 壁面通道冷却
热管冷却
图5 各种冷却形式及效率图
(a) 典型的动叶片冷却
(b) 典型静叶片冷却
图6 典型的叶片冷却
（1）冲击冷却
图7 冲击冷却结构
冲击冷却属于对 流换热，是强化 换热的一种手段。 冲击冷却主要是 利用高速气流冲 刷被冷却表面， 以达到冷却目的。 多用于高温部件 的内部，特别是 涡轮叶片的前缘 部位。主要缺点 是压力损失大、 容易造成被冷却
（6）热管冷却
热管冷却属于新型冷却技术。由于热管具有极高的热效 率，可以有效的减少冷气的用量，同时热管靠液体气化来 吸收热量，当热端部件的传热量增加，热管的冷却能力也 随之增强。但是目前叶片的热管冷却应用是全新的概念， 用什么冷却工质，如何带走传递的热量以及如何保证动叶 片高转速工况下热管的正常工作都需要进行理论和实验确 证。
2、抽气冷却对燃气轮机性能的影响
图15 燃气轮机冷却空气系统
抽出燃气轮机压气机中的空气来冷却高温零件，就可以提 高燃气轮机温度，因而可以提高装置的热效率并增加装置
的比功。或者 t3*不变，材料不变，因冷却降低了叶片冷却
温度，对镍基合金来说，工作温度降低450℃，使用寿命 延长10倍。然而，另一方面，抽气冷却也有不利的影响。