GE—9FA燃氣輪機透平葉片冷卻技術分析

張慧奇

摘 要：燃氣輪機在工作的過程中，燃燒室出口溫度較高，超過透平葉片最大溫度承受值，影響透平葉片的正常工作，如何進行透平葉片冷卻至關重要。本文以GE-9FA燃氣輪機為例，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，旨在進一步完善GE-9FA燃氣輪機透平葉片冷卻技術，促進其應用和發(fā)展。

關鍵詞：GE-9FA燃氣輪機；透平葉片；冷卻技術

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

0 前言

提升透平進口燃氣溫度對于提高燃氣輪機性能有著重要的作用，但這也對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來提升其換熱效果是保證透平葉片在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行的重要手段。GE公司9FA燃氣輪機是國內聯(lián)合循環(huán)機組新型燃機，其采用的透平葉片冷卻技術較為先進，冷卻效果良好，下面來進行具體分析。

1 GE-9FA燃氣輪機透平冷卻系統(tǒng)

一般來說，保證燃氣輪機透平葉片在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行的措施有三種，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設置超溫保護系統(tǒng)來保護葉片，避免其受到高溫損壞[1]；③采取葉片冷卻技術。但需要注意的是，葉片材料性能提升畢竟有限，且超溫保護系統(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則有著較大發(fā)展空間。

在GE-9FA燃氣輪機透平冷卻系統(tǒng)中，利用壓氣機內的高壓空氣能夠冷卻透平轉子、透平葉片及輪盤等相關部件。其中末級排氣冷卻第1級靜葉，16級抽氣冷卻沿程輪盤、第1級動葉和第2級動葉，第9級、13級抽氣冷卻第2級、第3級靜葉。

對于第1級靜葉來說，其冷卻空氣流動路徑為：燃燒室火焰筒外環(huán)腔→前腔、后腔→葉片內部→冷卻結構→燃氣通道。

對于第2級靜葉來說，其冷卻空氣主要有兩股，兩股冷氣進入葉片路徑為：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)過后緣之后，一部分由后緣直接排出，另一部分則與冷氣進入葉片，從底部排出，在整個排出的過程中對沿路各個部件進行冷卻。

對于第1級動葉來說，其冷卻空氣流動路徑為：葉片底部→蛇形通道→熱燃氣通道。

對于第2級動葉來說，其冷卻空氣在葉片底部會分成10股冷氣，進入到葉片內部，從圍帶流出之后，進入到熱燃氣通道，流動流程為：葉片底部→葉片內部→圍帶→熱燃氣通道。

2 GE-9FA燃氣輪機透平葉片冷卻方式

在GE-9FA燃氣輪機透平葉片冷卻方式如下：①對流冷卻：冷空氣進入之后，與固體避免相接觸，以此來實現(xiàn)冷卻效果，通過增加溝槽和肋柱能夠增大與冷氣接觸的面積，增強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)過篩孔之后，會產(chǎn)生高速低溫氣流，氣流對靶面形成沖擊，實現(xiàn)高強度換熱，從而實現(xiàn)冷卻，除了利用篩孔之外，還可以采用其他特殊結構來形成高速冷氣流，這種冷卻方式即位沖擊冷卻[2]；③氣膜冷卻：冷空氣進入之后，能夠在固體表面形成低溫氣膜，避免熱燃氣與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燃氣輪機在工作的過程中，燃燒室出口溫度高達1700K以上，這要遠遠大于透平葉片材料承受溫度最高值，尤其對于第1級靜葉片和第1級動葉片來說，其工作溫度較高，且結構復雜，采取有效的冷卻技術至關重要。

第1級靜葉片采用氣膜冷卻、對流冷卻和沖擊冷卻等方式，冷卻空氣沿著上下端壁進入到?jīng)_擊套筒中，進行沖擊冷卻過程，之后冷卻空氣通過透平葉片表面13排孔噴出，形成冷卻氣膜，覆蓋在葉片表面，進行氣膜冷卻過程，冷卻空氣到達透平葉片尾緣之后，經(jīng)過方形對流冷卻孔，進行對流冷卻過程。

第1級動葉片前緣設置3排氣膜冷卻，在葉片中段，設置雙蛇形通道，形成紊流結構，增強紊流效果，且尾緣部分設置了矩陣冷卻結構和對流冷卻結構，從而強化冷卻效果。

第2級靜葉采用對流冷卻和沖擊冷卻的方式，將65個針形冷卻空設置在葉片尾緣。

第2級動葉采用對流冷卻方式，存在10個氣流通道，前7個通道設有紊流結構，增強紊流效果和換熱效果，從而提升冷卻效果。

第3級靜葉采用對流冷卻，設有單通道，第3級動葉并未設置冷卻結構。

3 故障分析

GE-9FA燃氣輪機透平葉片冷卻結構的合理設計是保證冷卻效果的關鍵，由于各種原因引起的透平葉片高溫損壞問題如下：①熱應力導致葉片出現(xiàn)應力性損壞：在工作的過程中或啟停狀態(tài)下，如果熱應力變化較大，則會引起葉片斷裂，故障原因主要是葉片鑄造過程中存在冷隔問題，尤其是第3級動葉，很容易因此斷裂；②冷卻孔阻塞：冷卻空阻塞會影響冷卻效果，導致透平葉片高溫損壞，首先，壓氣機中存在雜質和顆粒物會阻塞冷卻孔，第二，使用的燃氣存在熔融物會覆蓋在冷卻孔，導致冷卻孔阻塞，截止到目前，國內已經(jīng)出現(xiàn)多起此類故障[3]；③冷卻結構設計不合理：冷卻結構設計不合理會直接導致葉片出現(xiàn)熱腐蝕問題，影響透平葉片的正常工作。

4 結論

綜上所述，GE-9FA燃氣輪機透平葉片冷卻技術十分先進，其應用了針形孔、網(wǎng)狀通道、紊流結構等眾多冷卻結構，結合了多種冷卻方式，冷卻效果良好，值得應用和推廣。但需要注意的是，實踐表明，GE-9FA燃氣輪機在運行的過程中也容易出現(xiàn)一些故障和問題，這就需要積極完善冷卻結構設計。

參考文獻：

[1]林鐵.GE-9FA燃氣輪機透平葉片冷卻技術分析[J].機械工程師，2013（08）：279-280.

[2]陳文炎.GE9FA燃氣輪機若干關鍵技術特點[J].熱力發(fā)電，2007（11）：4-6.

[3]闞瑞.燃氣輪機透平葉片尾緣內部冷卻流動傳熱機理研究[D].清華大學，2014.