燃气轮机叶片冷却技术发展现状

燃气轮机叶片冷却技术发展现状

摘要: 近年来,随着大型燃气轮机性能的不断提高,为进一步减少有效气体的消

耗, 提出了汽雾两相流冷却方案,即涡轮叶片由空气冷却逐渐转向空气和蒸汽

双工质冷却, 现已日益成为研究的热点。大量研究表明,汽雾冷却具有冷却快、

冷效高、流阻小和结构简单等优点,将在下一代高性能燃气轮机的涡轮叶片冷却

中发挥重要作用。通过对带冲击气膜结构冷却的数值模拟,平均冷却效率明显提

高, 且低温区明显延长。

关键词: 涡轮叶片; 叶片冷却技术; 蒸汽冷却; 汽雾冷却

燃气轮机作为大型动力装置, 广泛应用于发电及各种工业领域。其主要性能指标为系统循环

热效率和输出功率,均随涡轮转子燃气进口温度(RIT)的增加而增加;据计算,RIT在1073~ 1273K范围内每提高100度,燃气轮机的输出功率将增加20% ~ 25%,节省燃料6% ~ 7%。燃气轮

机性能的不断提高,关键在于RIT 的提高,而RIT 的增加要考虑燃气轮机热端部件材料的耐

温程度和低NOx 排放量。目前,RIT 远高于涡轮叶片金属材料的熔点,尤其下一代燃气轮机将

以氢气和人造气为燃料, RIT将会更高,所以冷却必不可少。先进的冷却技术可使热端部件能

承受更高的工作温度,提高燃气轮机的循环热效率,延长燃气轮机的使用寿命,提高了系统工

作的安全可靠性。据推算,如果无冷却导向叶片材料的使用温度能达到1 470K,则该导向叶片

采用内部对流冷却时,可使涡轮进口温度提高到2200K。由此可

见,开展叶片冷却技术的研究具有十分重要的意义。

1 涡轮叶片冷却技术发展

早期的涡轮叶片没有采用冷却技术,由于受叶片材料的限制,RIT难以超过1 323 K。随着冷却

技术和耐高温复合材料的发展,20世纪50年代有冷却的RIT 最高为1203K,到了60年代,采用

了气冷式涡轮后RIT 突破了1273K,到60年代末RIT达到1423 K,十年内RIT提高493K,70年代

和80年代初的RIT 增加到1643K,十年内又增加了493K,如图1所示。随着冷却技术的日益成熟,

现在已形成了多种基本的涡轮叶片空气冷却技术,如图2所示。

图1 RIT 的逐年变化趋势图2 涡轮叶片冷却及内部流道形式

改进涡轮叶片的结构和冷却系统, 并大力发展先进冷却技术,是涡轮叶片冷却技术的发展方

向, 具体讲, 要深入开展两方面的研究:

( 1) 深入开展工程应用研究。通过优化和改进叶片结构参数和复合冷却方式的诸参数提高

冷却效率,挖掘现有已成熟冷却技术的潜力,完善其性能并不断地应用于涡轮叶片冷却上。早

在20世纪70年代后期,英、美、俄罗斯和德国等发达国家先后研究和发明了组合结构涡轮冷

却叶片, 如图3 所示, 其主要优点是冷却快、冷效高和耗气少,且RIT还可以再次提高, 减少

了空气需要量,从而提高和改善发动机的综合性能。

图3 气冷叶片及其型芯图4 印度槽冷叶片

( 2) 深入开展工程基础研究。大力发展基于新思想、新理论的先进技术,为高性能燃气轮

机的设计储备技术基础。随涡轮进口温度的不断提高, 压气机出口温度也进一步提高,所需

冷却空气量进一步增加,这种情况下传统的复合冷却技术已不再适用,有必要发展新型冷却

技术。如新型空气冷却结构、印度槽冷结构( 如图4 所示)、日本热管技术以及新型冷剂和

冷却系统。目前, 美国GE公司和日本三菱重工已将空气和蒸汽闭环双工质冷却成功应用于高

性能燃气涡轮,如图5和图6所示;美国克鲁森大学开展汽雾冷却涡轮叶片的基础性研究。

图5 蒸汽冷却叶片方案图图6

2 冷却介质的变化历程

随着燃气轮机的发展和应用,气体冷却技术的应用成为可能,空气冷却是以来自不同压缩级的压缩空气作为冷剂对燃气涡轮的热端部件进行冷却。空气易得性和可用性,使得空气冷却发展最早,应用也最为广泛。随着燃气轮机性能的不断提高,冷却空气需要量随之增加,冷却结构的改善对涡轮叶片冷却效果的提高相对贡献越来越小。据估计,按现有传统复合冷却技术,当高性能涡轮系统RIT> 1 763 K 时,约有35% 的压缩空气用于热通道组件的冷却,用于燃烧的空气更少,这将大大减少了涡轮系统的循环热效率和输出功率。另外,冷却空气的流道由于提高燃气轮机的初温和高压冷却空气的流动以及冷却空气与主流燃气的掺混带来较大的热力和气动损失。这些因素将降低燃气轮机的热效率,且各种损失还随冷却介质流量的增加而增加,将与提高RIT的收益相抵消。目前,减少冷却空气消耗量的方法是:一方面改进气冷结构和发展新型结构,另一方面采用其它介质来代替空气作冷却介质。新介质既易得可用,冷却效果又好,且损失较小,能保持已有冷却技术的结构简单性和可靠性。对大型陆用燃气轮机来讲,水蒸气作为叶片冷却介质是首当其冲的,蒸汽来源多,且可再次利用,在任何采用空气冷却的系统中使用,不会使冷却叶片转子的结构和制造工艺变得复杂。与空气相比,水蒸气冷却运行能耗低、损失小,克服了空气冷却的所有不足,可通过增加冷却蒸汽流量来更多地提高RIT。因为蒸汽压力不受压气机出口压力的限制,所以冷却蒸汽流量的增加,冷却通道的流阻不会遇到什么困难。蒸汽冷却技术具有重要的工程价值和应用前景。

3 蒸汽冷却技术

蒸汽冷却技术就是以水蒸气作为冷媒对燃气轮机热端部

件进行冷却的,它是由Mukherjee首次提出的,并在

BBC( 现在的ABB)申请专利。为减少燃烧室火焰筒和过渡

段冷却以及透平叶片冷却消耗的空气量和冷却损失,以更

多地提高系统效率,以蒸汽取代空气进行闭环冷却,可以

满足现有燃烧技术和高RIT条件下降低NOx排放和减少冷

却空气用量,如图7所示。蒸汽冷却在工程应用中具有明显

的优点。在高雷诺数下蒸汽的换热能力得到进一步地提高,

即便没有气膜冷却,内部蒸汽冷却已可以满足涡轮叶片必

须的冷却负载;如果省去了气膜冷却,涡轮叶片冷却结构

得以大大地简化,又避免了冷却气体与主流燃气的掺混而

带来的空气动力和热损失,燃气轮机循环热效率将得以明

显提高;另一个优点是理论上闭环蒸汽冷却无气膜冷却,

RIT有增加到火焰温度的潜力。目前这项技术日益完善,

并已成功应用于高性能燃气涡轮系统,尤其是大型热电厂

的热电联产技术成熟以后,相应的闭环蒸汽循环冷却系统,

使用性和经济性更好,如日本和美国的燃气涡轮生产商已

将蒸汽冷却应用到产品中,并进行改进性研究。研究和应

用充分证明了蒸汽冷却既增加了联合循环功率,又提高了

燃气轮机的热效率,还减少了NOx 的排放量。

蒸汽冷却虽具有突出优点,但由于蒸汽消耗量较大,约有

蒸汽循环量的80% ~ 100% 用于冷却,所以冷却蒸汽在流动

中将消耗较多的可用功率,减少了汽轮机的输出功率,从而导致系统总效率的减少。为进步改善蒸汽冷却的有效性, 减少蒸汽消耗量, 许多研究者和工程人员正致力于两相流冷却技术的研究。图7 蒸汽与空气冷却叶片结构对比