先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)冷卻技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

徐 亮， 孫子能， 席 雷， 高建民

(西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

重型燃?xì)廨啓C(jī)廣泛應(yīng)用于發(fā)電、船舶等能源和國(guó)防領(lǐng)域，代表了多理論學(xué)科和多工程領(lǐng)域發(fā)展的綜合水平，是國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的高技術(shù)核心動(dòng)力裝備。正是基于燃?xì)廨啓C(jī)在國(guó)防安全、能源安全和保持工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力領(lǐng)域的重要地位，發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，世界燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展?！吨袊?guó)制造2025》也提出了我國(guó)將以組織實(shí)施重大科技專項(xiàng)為抓手，持續(xù)推進(jìn)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，全面啟動(dòng)實(shí)施航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)，進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)高端裝備制造業(yè)整體國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，并促使商用大飛機(jī)、電力設(shè)備、船舶等產(chǎn)品快速進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。

目前基于燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)電站的發(fā)電量約占全球發(fā)電總量的22%，且還在穩(wěn)步增加。自1939年世界第1臺(tái)發(fā)電用重型燃?xì)廨啓C(jī)在瑞士誕生，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，重型燃?xì)廨啓C(jī)已經(jīng)達(dá)到了很高的制造水平并占據(jù)大量的市場(chǎng)份額，2020年全球120 MW以上重型燃?xì)廨啓C(jī)的市場(chǎng)占比約為40%。其中F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗貫? 400 °C左右，單循環(huán)效率達(dá)到38%，聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到57%；先進(jìn)的G/H/J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗匾呀?jīng)達(dá)到1 500～1 600 ℃，單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)效率分別達(dá)到40%～41%和60%～61%[1]。GE公司的9HA.02燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室出口溫度也達(dá)到1 654 ℃[2]，標(biāo)志著燃?xì)鉁囟鹊氖澜缦冗M(jìn)水平達(dá)到了1 650 ℃左右。

為了進(jìn)一步提高重型燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)效率，燃?xì)鉁囟缺仨毑粩嗵岣?。目前重型燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獬鯗氐哪繕?biāo)是1 700 °C，單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)效率將分別突破44%和65%[3]。燃燒室溫度的升高使燃燒空氣需求量增加，污染氣體的排放增加,參與冷卻的空氣量將會(huì)減少，壓縮機(jī)出口氣體溫度升高，須要挖掘同流量下冷卻空氣的更高冷卻潛力。針對(duì)這一系列問(wèn)題，一方面須要大力開(kāi)發(fā)富氫燃?xì)饽酥良儦涞娜細(xì)廨啓C(jī)來(lái)降低排放氣體中NOx的含量，另一方面須要研究先進(jìn)高效的冷卻技術(shù)，以滿足更低的冷卻空氣流量和更高的冷卻空氣潛力等需求。工信部發(fā)布的制造業(yè)設(shè)計(jì)能力提升專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃中提出在電力裝備領(lǐng)域，重點(diǎn)突破燃?xì)廨啓C(jī)整體設(shè)計(jì)、核心熱端部件設(shè)計(jì)和現(xiàn)役裝備熱端部件的修復(fù)及優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)，其中先進(jìn)高效的冷卻技術(shù)是關(guān)鍵。

1 H/J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)冷卻技術(shù)

當(dāng)前國(guó)際重型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)基本被美國(guó)GE、德國(guó)Siemens、日本MHI等公司主導(dǎo)，H/J級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)作為各家公司重型燃?xì)廨啓C(jī)系列中的代表作品，均在原有技術(shù)上有發(fā)展和創(chuàng)新[4]。部分最新產(chǎn)品主要參數(shù)如表1所示，代表了目前世界重型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。

表1 國(guó)際重型燃?xì)廨啓C(jī)H/J級(jí)產(chǎn)品概述

1.1 熱端部件材料以及涂層技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件主要指透平動(dòng)靜葉和燃燒室火焰筒。目前以鎳基和鈷基為主的超高溫合金技術(shù)較為成熟[5]。除了添加微量元素來(lái)改善性能，為了保護(hù)熱部件金屬基底，延長(zhǎng)熱端部件的服役壽命，普遍采用熱障涂層(thermal barrier coatings，TBC)技術(shù)，即在熱部件表面制備一層低熱導(dǎo)率的陶瓷層。在現(xiàn)有的冷卻技術(shù)條件下，厚度250 μm的TBC可以將熱端部件的表面溫度降低110～170 ℃[6]。其中MHI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具有比常規(guī)YSZ涂層更高隔熱溫度的燒綠石結(jié)構(gòu)的TBC，該新型陶瓷涂層具有比YSZ更高的使用溫度，滿足了1 600 ℃級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展需求[7]。

1.2 GE公司H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻技術(shù)

GE公司H級(jí)型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)有7/9H系列、7/9HA系列。其中7H、7HA為60 Hz，9H、9HA為50 Hz。不同于GE-9FA型號(hào)采用對(duì)流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻組合的冷卻方式[8],7/9H系列由燃?xì)廨啓C(jī)、3級(jí)余熱蒸汽發(fā)生器(heat recovery steam generator, HRSG)和再熱汽輪機(jī)組成的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)蒸汽冷卻，其透平葉片的前兩級(jí)采用閉環(huán)蒸汽冷卻，第3級(jí)采用空氣冷卻，而第4級(jí)不冷卻[9]。7/9HA系列透平采用4級(jí)動(dòng)靜葉設(shè)計(jì)，其中第3級(jí)葉片由定向凝固單晶合金制造，同時(shí)采用了GE公司新開(kāi)發(fā)的TBC技術(shù)，其余3級(jí)葉片是由另一種已驗(yàn)證的航空發(fā)動(dòng)機(jī)合金定向固化而成。7/9HA系列透平冷卻方式為前3級(jí)采用強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻，而第4級(jí)不冷卻[10]。

GE公司H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室設(shè)計(jì)大部分繼承于其F級(jí)的DLN燃燒室技術(shù)[11]。7/9H系列采用DLN 2.5H燃燒室，火焰筒采用Nimonic合金?；鹧嫱舱置辈捎秒p層結(jié)構(gòu)，在靠近火焰的內(nèi)層采用發(fā)散冷卻方式，并用“2-Cool”結(jié)構(gòu)密封火焰筒與過(guò)渡段之間的連接；在火焰筒的外層上游采用擾流肋片加強(qiáng)對(duì)流冷卻效果，下游和過(guò)渡段采用沖擊冷卻,其中火焰筒和過(guò)渡段內(nèi)表面均噴有熱障涂層[12]。7/9HA系列采用DLN 2.6+燃燒室，在DLN2.5H的基礎(chǔ)上，采用肋片、沖擊的方式提高換熱系數(shù)，不同的是火焰筒、過(guò)渡段內(nèi)表面涂有能夠?qū)⒈诿鏈囟冉档?0～100 K的先進(jìn)TBC[13]。

1.3 Siemens公司H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻技術(shù)

Siemens公司的H級(jí)型號(hào)有SGT5-8000H、SGT6-8000H。SGT6-8000H為60 Hz，SGT5-8000H為50 Hz[14]。新型HL級(jí)系列由3個(gè)主要型號(hào)組成：SGT5-9000HL、SGT6-9000HL、SGT5-8000HL[15]。H級(jí)系列透平采用4級(jí)動(dòng)靜葉的設(shè)計(jì)，前3級(jí)葉片全空冷，第4級(jí)葉片無(wú)冷卻。第1、2級(jí)葉片采用定向結(jié)晶材料和改進(jìn)型隔熱涂層技術(shù)[16]。HL系列同樣采取空冷技術(shù)，但加入了超高效的內(nèi)部冷卻設(shè)計(jì)、先進(jìn)的模塊TBC和獨(dú)立式的第4級(jí)透平葉片。

H系列火焰筒壁面采用對(duì)流冷卻方式，在內(nèi)表面涂有TBC，在下游有少量冷卻空氣進(jìn)入燃燒室；過(guò)渡段采用SGT6-5000F燃?xì)廨啓C(jī)上使用的LTin內(nèi)部冷卻技術(shù)，可以在適度的壓力降下減少冷卻空氣量的使用。H系列采用先進(jìn)的密封方式控制泄漏量[13]，同時(shí)采用環(huán)管形燃燒器。SGT5-8000H使用16個(gè)燃燒器，SGT6-8000H使用12個(gè)燃燒器[16]，每個(gè)管式燃燒單元布置了8個(gè)預(yù)混燃燒器。HL系列預(yù)混燃燒器數(shù)量增加至25個(gè)，采用高效率先進(jìn)燃燒系統(tǒng)(advanced combustion system for high efficiency, ACE)降低排放和提高效率。

1.4 MHI公司J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻技術(shù)

MHI公司的J級(jí)型號(hào)有M501J、M701J兩種。其中M501J為60 Hz，M701J為50 Hz。J系列透平冷卻結(jié)構(gòu)由F系列和G系列改進(jìn)而來(lái)[7]。4級(jí)葉片采用全空冷，結(jié)合了優(yōu)化供冷系統(tǒng)，包含優(yōu)化型氣膜冷卻孔等先進(jìn)冷卻技術(shù)[17]。其中第1級(jí)導(dǎo)葉全氣膜冷卻，包含前緣淋浴頭陣列和異形擴(kuò)展孔；內(nèi)部包含蛇形通道、沖擊冷卻插件和針肋尾緣冷卻[18]。燃燒室采用封閉蒸汽冷卻，成功應(yīng)用在G型燃燒室上。

JAC系列在J系列的基礎(chǔ)上有M501JAC、M701JAC兩種，采用用于冷卻燃燒室的增強(qiáng)型風(fēng)冷系統(tǒng)、超厚TBC和更高壓比壓縮機(jī)等新技術(shù)。在增強(qiáng)型風(fēng)冷系統(tǒng)中，從壓氣機(jī)出口抽出空氣經(jīng)增強(qiáng)型冷卻空冷器冷卻，再經(jīng)增強(qiáng)型冷卻空壓機(jī)增壓，用于冷卻燃燒室，然后返回壓氣機(jī)；而超厚TBC應(yīng)用于燃燒室和第1級(jí)至第3級(jí)透平導(dǎo)葉、靜葉、環(huán)段，其可靠性得到了長(zhǎng)期驗(yàn)證；壓氣機(jī)壓比則由J系列的23提高至25[19-20]。

2 先進(jìn)高效的冷卻技術(shù)

為了突破重型燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獬鯗? 700 °C的目標(biāo)，并且使得單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)效率分別達(dá)到44%和65%，目前主要采用6種先進(jìn)的冷卻技術(shù)：現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化和復(fù)合化、蒸汽冷卻及其工質(zhì)的改善、面向3D打印的多目標(biāo)協(xié)同的冷卻技術(shù)、微尺度結(jié)構(gòu)的精細(xì)化、燃燒室與導(dǎo)葉的一體化、強(qiáng)導(dǎo)熱高溫?zé)峁艿膽?yīng)用。

2.1 現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化和復(fù)合化

2.1.1 現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化

現(xiàn)有冷卻方式有氣膜冷卻、沖擊冷卻、肋壁強(qiáng)化換熱、擾流柱強(qiáng)化換熱和層板冷卻等。

Bunker[21]總結(jié)了近些年的氣膜冷卻技術(shù)發(fā)展歷程，如圖1所示。20世紀(jì)中期，氣膜冷卻技術(shù)開(kāi)始采用，之后逐漸衍生出燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室層板式氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)70年代，Bunker[22]開(kāi)展成型孔冷卻結(jié)構(gòu)的研究，提出擴(kuò)張型氣膜孔，從而提高冷卻效率。氣膜冷卻結(jié)構(gòu)從圓形孔、擴(kuò)張孔發(fā)展為各種復(fù)合孔被廣泛應(yīng)用于燃燒室和透平葉片冷卻。一些創(chuàng)新的氣膜孔有箭頭形孔[23]、月牙形孔[24]和三腳架形孔[25]等。Satta等[26]對(duì)優(yōu)化氣膜孔布局進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與均勻布置的氣膜孔相比，優(yōu)化氣膜孔布局的冷卻效率平均提高了29%。Zhang等[27-28]以平均絕熱氣膜冷卻效率和流量系數(shù)為獨(dú)立的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)圓槽孔的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的圓槽孔形狀對(duì)冷卻劑噴射流量系數(shù)和空間平均絕熱氣膜冷卻效率有不同的影響，為設(shè)計(jì)者提供多種選擇。

圖1 氣膜冷卻技術(shù)發(fā)展歷程[21]

沖擊射流冷卻在燃?xì)廨啓C(jī)中被廣泛用于冷卻換熱。從單排圓孔到多排圓孔[29]，再到刀片式多排密集圓孔射流[30]，又或是常規(guī)陣列射流基礎(chǔ)上的致密型多孔陣列射流沖擊冷卻[31]，都表明了沖擊冷卻結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的圓孔沖擊射流(CIJ)容易產(chǎn)生不均勻的徑向傳熱，導(dǎo)致沿撞擊壁的溫度分布不均勻。有時(shí)駐點(diǎn)和徑向位置之間的溫差所產(chǎn)生的高熱應(yīng)力，損壞結(jié)構(gòu)[32-33]。而新型的旋轉(zhuǎn)沖擊射流(SIJ)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是在高傳熱率下實(shí)現(xiàn)均勻冷卻的有效手段。旋流是由切向流疊加到軸流[34]上，或在噴嘴中使用螺桿[35]、扭帶[36]和帶有4個(gè)螺旋槽的旋流器(圖2)[37-38]等結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生。新型的仿生靶面結(jié)構(gòu)，使射流靶面粗糙化，實(shí)現(xiàn)低阻高效的傳熱效果，例如凹半圓柱靶面[39]。

圖2 一種使用螺旋槽的SIJ結(jié)構(gòu)[37-38]

目前將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法應(yīng)用到氣膜冷卻、沖擊冷卻等冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)和傳熱性能的預(yù)測(cè)和優(yōu)化等研究中，對(duì)這些冷卻結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化以及找到更加高效和智能的優(yōu)化方式是先進(jìn)冷卻技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。

2.1.2 現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)合化

復(fù)合化結(jié)構(gòu)有燃燒室火焰筒復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)和透平葉片雙層壁冷卻結(jié)構(gòu)等。

單層壁的火焰筒常見(jiàn)冷卻方式為縫槽純氣膜冷卻和多斜孔全氣膜冷卻。雙層壁的火焰筒常見(jiàn)冷卻方式為沖擊+多斜孔冷卻[40]。新的火焰筒復(fù)合結(jié)構(gòu)有沖擊+對(duì)流+氣膜孔、沖擊+發(fā)散，提高了冷卻效率和減少了冷卻空氣用量[41-43]。

透平導(dǎo)向葉片常見(jiàn)冷卻方式有擾流柱、氣膜孔以及熱障涂層。透平轉(zhuǎn)子葉片前緣采用沖擊冷卻，中間部分采用含有擾流肋的蛇形通道，葉片尾緣則采用劈縫結(jié)構(gòu)[44]。雙層壁葉片是一種集內(nèi)部沖擊冷卻與外部氣膜冷卻為一體的復(fù)合型冷卻方式。早在2001年Allison公司的CMSX- 4單晶葉片使用自行開(kāi)發(fā)的雙壁新結(jié)構(gòu)，確保了葉片順利通過(guò)耐久性測(cè)試[45]。圖3是典型雙層壁葉片模型，內(nèi)外壁之間的空隙被隔板分為9個(gè)雙層壁通道，其中位于葉片前緣位置1個(gè)，壓力側(cè)4個(gè)，吸力側(cè)4個(gè)。每個(gè)雙層壁通道內(nèi)布置有沖擊孔和氣膜孔，部分通道內(nèi)還布置有擾流柱，起到強(qiáng)化傳熱和增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的作用，該葉片尾緣部分則采用沖擊冷卻的形式[46]。

圖3 雙層壁葉片模型[46]

未來(lái)仍需在火焰筒和透平葉片冷卻方式復(fù)合化上不斷創(chuàng)新，如雙層壁火焰筒和雙層壁葉片等。

2.2 蒸汽冷卻及其工質(zhì)的改善

上世紀(jì)90年代提出了蒸汽冷卻的概念，核心在于HRSG和閉環(huán)蒸汽冷卻系統(tǒng)[47]，如圖4所示。蒸汽冷卻可以顯著減少壓縮機(jī)的空氣消耗，閉環(huán)蒸汽冷卻有助于避免主流空氣和冷卻空氣之間的混合損失，從而提高燃?xì)廨啓C(jī)的整體效率。GE公司的H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)和MHI公司的J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)均用到了蒸汽冷卻。蒸汽在試驗(yàn)葉片上進(jìn)行的冷卻性能評(píng)估表明了蒸汽冷卻的平均冷卻效率比空氣冷卻高且具有節(jié)約冷氣的高潛力[48]。MHI公司的JAC系列燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用了冷卻燃燒室的增強(qiáng)型氣冷系統(tǒng)，先冷卻再增壓耗去一些可用能，擴(kuò)大冷卻氣與火焰筒外壁面間溫差及冷卻能力。蒸汽冷卻中HRSG的損失就占到總損失的28.88%[49]，其再冷卻增強(qiáng)可以深入挖掘冷卻蒸汽的冷卻潛力。

圖4 H級(jí)聯(lián)合循環(huán)和蒸汽示意圖[9]

近年來(lái)水霧/蒸汽兩相流工質(zhì)的研究?jī)r(jià)值[50-51]也被發(fā)掘，它在光滑矩形通道[52-53]使用時(shí)，上下壁面的平均傳熱系數(shù)差值比使用蒸汽時(shí)高2%～14%；它在60°加肋矩形通道[54]的Nu分布也會(huì)隨著雷諾數(shù)或水霧/蒸汽質(zhì)量比的增加而增加。水霧/蒸汽兩相流工質(zhì)中柱排肋通道的提出[55]和葉片中蒸汽冷卻帶肋通道的參數(shù)優(yōu)化[56-57]都表明了蒸汽工質(zhì)或水霧/蒸汽兩相流工質(zhì)及其相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化具有作為先進(jìn)冷卻技術(shù)的潛力。同時(shí)納米流體強(qiáng)化換熱技術(shù)由于成本低、操控靈活和形式多樣性的特點(diǎn)[58]，可以作為蒸汽冷卻新工質(zhì)的研究重點(diǎn)。

2.3 面向3D打印的多目標(biāo)協(xié)同的冷卻技術(shù)

增材制造(3D打印)是一種新型的快速制造技術(shù)，無(wú)需任何模具即可生產(chǎn)復(fù)雜零件，是未來(lái)制造燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜部件的核心技術(shù)[59]。在該技術(shù)基礎(chǔ)上制造的零件，可對(duì)熱、氣動(dòng)、強(qiáng)度、振動(dòng)、輕量化等多方面目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，如用高孔隙率的桁架晶格結(jié)構(gòu)[60-61]代替內(nèi)冷通道的多肋結(jié)構(gòu)，包括不銹鋼夾芯板結(jié)構(gòu)[62]、X型晶格[63]、Kagome晶格[64]、面心立方晶格[65]和體心立方晶格[66]等，如圖5所示，并以X型晶格為基礎(chǔ)展開(kāi)多目標(biāo)優(yōu)化研究[67-68]，提供了基于3D打印的透平葉片桁架晶格冷卻結(jié)構(gòu)的功能集成設(shè)計(jì)的方法。

圖5 部分桁架晶格結(jié)構(gòu)示意

對(duì)增材制造所生產(chǎn)的桁架晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱、氣動(dòng)、強(qiáng)度、振動(dòng)、輕量化等多目標(biāo)協(xié)同，是未來(lái)極具發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)冷卻技術(shù)。

2.4 微尺度冷卻結(jié)構(gòu)的精細(xì)化

陶然等[69]將大于1 mm尺度稱為宏觀尺度，1 μm～1 mm的尺度稱為微尺度。鄭杰等[70]選取沖擊孔與氣膜孔孔徑為0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm。在等參數(shù)條件下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)微小沖擊通道的整體換熱情況進(jìn)行分析比較。袁星等[71]采用γ-Reθt轉(zhuǎn)捩模型、層流模型和SST模型3種流動(dòng)模型對(duì)1/4矩形截面(0.2 mm×0.2 mm)微通道中的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究，均有較好的換熱特性。Yang等[72]提出仿生微尺度表面結(jié)構(gòu)，如圖6所示，相鄰溝槽之間的俯仰間距和溝槽的高度分別為s=0.52 mm、h=0.5 mm，該結(jié)構(gòu)能夠提高透平端壁帶空腔吹掃空氣的氣膜冷卻性能。Mokrani等[73]對(duì)高度為50～500 μm的微通道流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)尺度中的一些準(zhǔn)則和關(guān)系依然適用。由此可將微尺度的尺寸量級(jí)推向精細(xì)化。微米量級(jí)孔、精細(xì)化冷卻通道和微尺度表面結(jié)構(gòu)等微尺度冷卻結(jié)構(gòu)在燃燒室、透平葉片冷卻技術(shù)的應(yīng)用有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖6 基于仿生學(xué)的微尺度表面冷卻結(jié)構(gòu)[72]

2.5 燃燒室和導(dǎo)葉的一體化

燃?xì)廨啓C(jī)的導(dǎo)葉前緣由于熱負(fù)荷高、流動(dòng)相互作用復(fù)雜，它的冷卻問(wèn)題是燃?xì)廨啓C(jī)氣動(dòng)熱設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。常見(jiàn)導(dǎo)葉前緣的淋浴頭氣膜結(jié)構(gòu)的研究，已經(jīng)不能滿足發(fā)展需要。Mazzoni等[74]用大渦模擬研究上游燃燒器壁面的巨大尾跡流動(dòng)對(duì)導(dǎo)葉前緣氣膜冷卻的影響，發(fā)現(xiàn)燃燒室后緣的流場(chǎng)渦對(duì)前緣氣膜冷卻非常不利，說(shuō)明了在設(shè)計(jì)導(dǎo)葉前緣氣膜冷卻時(shí)，必須考慮燃燒室對(duì)導(dǎo)葉前緣的影響。Duchaine等[75]同樣用大渦模擬分析不同情況下的燃燒室和透平的相互作用，認(rèn)為需要進(jìn)行集成仿真以更好地表示燃燒室和透平的流場(chǎng)。

Rosic等[76]在2012年針對(duì)擁有16個(gè)獨(dú)立燃燒室和32個(gè)導(dǎo)葉的燃?xì)廨啓C(jī)提出了兩種關(guān)于燃燒室和透平導(dǎo)葉的集成方案。第一種是通過(guò)最小化燃燒室壁與葉片之間的軸向距離，實(shí)現(xiàn)屏蔽導(dǎo)葉前緣(圖7)以減小燃燒室壁對(duì)前緣氣膜冷卻的影響并且節(jié)省冷卻空氣；第二種是減少一半的導(dǎo)葉數(shù)量使燃燒室和導(dǎo)葉集成(圖8)，節(jié)省25%的總冷卻空氣量，其熱力學(xué)性能在實(shí)驗(yàn)、仿真和真實(shí)工況下被驗(yàn)證[77-78]。Aslanidou等[79]對(duì)Rosic的屏蔽導(dǎo)葉前緣的集成方案進(jìn)行了數(shù)值分析，證明了該方案在降低冷卻劑需求方面的作用并且通過(guò)移除淋浴頭氣膜孔等簡(jiǎn)化葉片幾何形狀。

圖7 屏蔽導(dǎo)葉前緣結(jié)構(gòu)比較示意圖[76]

圖8 燃燒室和導(dǎo)葉集成設(shè)計(jì)比較示意圖[77]

一種與葉片集成類似的燃燒室集成CI在2017年提出，在燃燒室主要參數(shù)和相關(guān)的擴(kuò)散器、透平元件不變下，可以減少高壓透平的尺寸或噴嘴葉片的數(shù)量[80]。

燃燒室和導(dǎo)葉的一體化，能夠較好地減弱燃燒室壁面對(duì)導(dǎo)葉前緣的影響，并以集成的概念，達(dá)到優(yōu)化葉片造型、提高冷卻效率、節(jié)省冷卻空氣等目的。

2.6 強(qiáng)導(dǎo)熱高溫?zé)峁艿膽?yīng)用

熱管作為一種高效導(dǎo)熱裝置，具有良好的導(dǎo)熱性、理想的等溫性、熱流密度的可調(diào)性、傳熱方向的可逆性、較好的適應(yīng)性[81]。熱管可根據(jù)溫度分為深冷熱管、低溫?zé)峁堋⒅袦責(zé)峁芎透邷責(zé)峁?。其中高溫?zé)峁芸梢詰?yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片工作環(huán)境下。高溫?zé)峁芨鶕?jù)回流方式可分為熱虹吸管、標(biāo)準(zhǔn)熱管和旋轉(zhuǎn)熱管，三者應(yīng)用在透平葉片工作環(huán)境時(shí)具有明顯差異。

對(duì)于熱虹吸管(圖9)，Yoshida[47]在2001年提出高溫?zé)峁芟到y(tǒng)，并對(duì)用Na作冷卻劑的Ni合金熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)值計(jì)算，從傳熱角度證明高溫?zé)峁艿目尚行浴?guó)外針對(duì)熱虹吸管的間歇沸騰現(xiàn)象[82-83]、不同冷卻劑[84]、不同填充比和傾角[85-86]、內(nèi)翅片[87-88]和脈沖輸入[89]等有大量CFD仿真和實(shí)驗(yàn)?？紤]重力因素，熱虹吸管應(yīng)用在導(dǎo)葉上半部分比較合適。

圖9 熱虹吸管原理示意圖[84]

標(biāo)準(zhǔn)熱管在透平葉片的冷卻也有應(yīng)用[90]，其多孔介質(zhì)較為復(fù)雜，一般利用熱阻網(wǎng)格法[91-92]或有效導(dǎo)熱系數(shù)的等效[93]進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。實(shí)際工況下，須要考慮標(biāo)準(zhǔn)熱管中的不凝性氣體[94]和傾角導(dǎo)致的重力加速度作用在液體回流[95-96]等因素?？紤]毛細(xì)力因素，標(biāo)準(zhǔn)熱管應(yīng)用在導(dǎo)葉下半部分比較合適。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)熱管，Cao等在1999年針對(duì)徑向旋轉(zhuǎn)熱管在透平條件下含不凝性氣體[97]和不含不凝性氣體[98]的液膜分布和蒸汽流動(dòng)給出了解析解。之后還進(jìn)行了微型徑向旋轉(zhuǎn)熱管實(shí)驗(yàn)[99-100]來(lái)驗(yàn)證其可靠性,并將微型徑向旋轉(zhuǎn)熱管在燃?xì)廨啓C(jī)盤-葉片組件上進(jìn)行仿真模擬[101-102]，圓盤邊緣的平均冷卻效率為0.613，圓盤底部的平均冷卻效率為0.987，說(shuō)明了旋轉(zhuǎn)熱管在圓盤上的冷卻效果較好?？紤]離心力因素，旋轉(zhuǎn)熱管應(yīng)用在動(dòng)葉比較合適。

對(duì)于三種熱管在透平葉片的可行性應(yīng)用，還需要考慮熱管的主要作用力因素。熱管作為透平葉片的新型冷卻結(jié)構(gòu)，具有較好的冷卻效果和冷卻潛力，為1 700 ℃重型燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻技術(shù)提供了新方向。

3 總結(jié)

GE公司的HA系列、Siemens公司的HL系列和MHI公司的JAC系列重型燃?xì)廨啓C(jī)，都是在各公司F/G級(jí)系列燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展起來(lái)的。其冷卻方式為蒸汽冷卻、空氣冷卻、高效熱障涂層等，涉及的冷卻結(jié)構(gòu)有氣膜、發(fā)散、對(duì)流、雙層壁等，燃?xì)鉁囟饶苓_(dá)到1 650 ℃左右，聯(lián)合循環(huán)效率在61%～64%。為了實(shí)現(xiàn)重型燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獬鯗? 700 ℃，單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)效率突破44%和65%，先進(jìn)高效的冷卻技術(shù)需要繼續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)有冷卻技術(shù)的改進(jìn)，即對(duì)各種造型的氣膜孔、沖擊孔、內(nèi)冷通道結(jié)構(gòu)，尋找更合適的優(yōu)化孔徑、傾斜角度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，發(fā)展雙層壁葉片以及微米量級(jí)孔等，這些都是對(duì)現(xiàn)有冷卻機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也是對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)的精細(xì)化。

新型冷卻方式或結(jié)構(gòu)的發(fā)展，主要有面向3D打印的桁架晶格結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)協(xié)同、將燃燒室和透平導(dǎo)葉一體化、高溫?zé)峁芾鋮s結(jié)構(gòu)等，它在保護(hù)導(dǎo)葉前緣、優(yōu)化輪機(jī)造型、節(jié)省冷卻空氣等方面極具潛力，也可以替換現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)，用完整的熱障涂層技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的冷卻效率。