摘 要： 气膜冷却技术是保证热电联产燃气轮机高运转的重要技术环节。本文介绍了气膜冷却的基本原理，并分析总结了近年来燃气轮机叶片的气膜冷却技术，提出了为了开发应用的趋势。
关键词： 燃气轮机；透平冷却；气膜冷却；孔道结构；成形孔；
1 前言
燃气轮机热电联产技术在不仅仅在石油化工、煤化工、油田开采、金属冶炼等利于中得到广泛应用，其在热电厂和城市居民集中供暖等方面的作用更为凸显。热电联产技术使用过程中具有提高能源利用率、节省大量化石资源、减少环境污染物排放、提供大量的电力能量和热量等技术优势。例如，作为城市居民集中供暖的热源，热电联产技术应用的燃气轮机在燃烧发电后产生的高温气体进入到余热锅炉，通过余热锅炉的能量网络结构优化，通过市政供热管道网络向城市各个小区提供热源。先较于其他方式的燃气轮机应用，热电联产的燃气轮机具有资源利用率高、设备占地面积小、自动化程度高、污染物治理成本低等特点，是我国绿色能源发展战略的重要技术环节。
热电联产燃气轮机使用过程中的主要性能指标是燃气轮机系统的循环热效率和机组的输出功率，这两个性能指标随着透平进口温度的增加而增加。因此适当的提高燃气轮机透平进口温度是燃气轮机设施升级、创新的一个重要方向。但是，在不断提高燃气轮机透平进口温度的同时，必然会增加燃气轮机叶片工作强度，在没有开发出超耐温的轮机叶片材料的技术背景下，要保证燃气轮机叶片在超高温环境下的正常运行，就非常依赖于轮机叶片的冷却技术。相较于开成本高、周期长的耐高温材料科学技术研究，先进的叶片冷却措施设计及应用更适合企业开发。
根据冷却位置的差异，燃气轮机叶片冷却技术可以分为内部冷却和外部冷却，其中内部冷却也叫气膜冷却。虽然经过十几年的技术公关，我国对热电联产燃气轮机的基本制造工艺已经取得了长足的发展，但是对于叶片的冷却等核心技术的设计与开发仍存在不足。因此，本文重点对热电联产燃气轮机的叶片气膜冷却技术的开发与应用进行分析总结。
2 气膜冷却工作原理
气膜冷却的工作原理示意图如图1所示。在高温零件的表面开若干个孔道和对应的成形孔，冷却介质从横向射流的方式流入到主体流体中，在主体流体动力学的压力和摩擦力的作用下，冷却介质射流被压迫弯曲覆盖于零部件的表面，在零部件的表面形成一层流动的低温气膜，不仅能够起到隔绝热量的作用，不断流动的低温冷却介质气膜还能够及时的带走热量。左红等人探究了气膜冷却效率与横向槽深度的关系，结果表明气膜冷却效率随着横向槽深度的增加而增加于锦禄等人探究了气膜冷却效率和横向槽截面宽度的关系，结果表明气膜冷却效率随着横向槽宽度的增加而增加。图2为一种典型的装有气膜冷却系统的叶片。
3 气膜冷却系统的优化设计
气膜冷却系统中的孔的构造和分布情况是决定气膜冷却系统的冷却效率，通过十几年的潜心研究，相关技术开发设计人员通过不断改进孔结构和分布情况来提高冷却性能。随着透平叶片的热负荷越来越高，对气膜冷却效率要求也越来越高，因此更复杂多样的气膜孔结构被开发和应用。
1、孔道的重新组合与排布
在初期关于孔结构的组合和排布研究中主要集中在优化孔道的倾斜角、复合斜孔和多排孔道组合上。相较于单一角度的孔道，复合斜口或者多拍孔道组合结构可以给予冷却介质射流一个侧向的动量，从而增加了冷却介质射流与主体流体的相互之间的作用，提高了二者之间的传热和传动效率，从而实现冷却效率的提升。例如，Kusterer等人开发出了一种具有双射流复合斜孔的冷却孔道结构，两个射流复合斜孔分别处于上游和下游，这种布置方式形成射流在主体流体作用下在叶片表面形成反肾形涡流，而紧贴在叶片表面。
2、改进成形孔的几何形状
成形孔指的是通过在气膜冷却孔道的的末端进行后倾、扩孔等二次加工形成的二次成形孔道。大量的基础研究表明，通过对孔道二次加工形成成形孔可以有效的降低冷却介质射流的出口动量，从而获得更广泛的气膜覆盖面积。Bunker研究员总结了四种典型的成形孔：扇形孔、后倾孔、扇形后倾孔、锥形孔，如图3所示。成形孔可以有效的提高气膜在中心线以及展向的冷却效率，甚至可以近似的产生二维槽缝射流的效果。成形孔极大的提高了气膜在叶片表面的吸附能力，在一定范围内提高吹风比，在提高冷却效率的同时，传热系数几乎没有变化。
3、横槽成形孔设计
Bunker在总结了四种典型的成形孔基础上，又开发出了一种孔道出口为横槽成形孔。通过在孔道出口处二次加工得到一个深度约为0.5被孔道直径的横槽，可以近似的使离散孔道气膜冷却具有槽缝射流的效果。图4对比了普通孔道和带有横槽的孔道的冷却效率，结果表明在一定范围内，带有横槽孔道的冷却效率是普通孔道的1.5-1.75倍。横槽能够提高冷却效率是因为孔道出口处的横槽对冷却介质的射流发挥的阻挡的作用，降低了射流的动量，使得射流扩散范围增加，增加了冷却介质的分布面积，及时在高的吹风比条件下仍能避免分离。
Fric和Campbell两位研究员在参考了Bunker的横槽原理后，在冷却系统孔道的出口出设计了一个圆形或者椭圆形的凹槽，同样能达到横槽对气膜冷却效率的提升作用。
4、全新的气膜冷却理论
在大量的基础研究与开发后，Bunker又提出了网格槽缝气膜冷却技术理论。首先，该设计理念对叶片内部的孔道进行重新排布，用大量的贴近叶片外表面的微孔道代替原来的单独孔道，并在孔道的内部加入扰流柱或者肋片阵列。其次，冷却介质从设计位置点通过上述微孔道网格从槽缝处喷射到主体流体当中。相比经典的单一孔道槽缝冷却系统相比，这种微孔道网格结构能够进一步提高冷却效率。从图5的对比曲线可以看出，在一定区域内，微孔道网格槽缝气膜冷却系统的冷却效率是经典单一孔道槽缝冷却系统的1.25-2.0倍。这种微孔道网格结构的冷却系统代表了燃气轮机叶片冷却技术的发展趋势。
4 结语
在没有开发出耐高温的叶片材料技术背景下，气膜冷却技术是实现热电联产燃气轮机透平冷却的主要技术手段。通过优化设计气膜冷却系统的孔道结构可以进一步提高气膜冷却系统的冷却效率。本文参考了大量的文献，总结分析人为圆孔的重新组合与排布、改进成形孔的几何形状、横槽成形孔设计以及微孔道网格结构设计都可以有效的提高气膜冷却系统的冷却效率。
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论文作者:白文良
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/19
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