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境下穩定運行的重要手段。GE公司9FA燃氣輪機是國內聯合循環機組新型燃機，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

一般來說，保證燃氣輪機透平葉片在高溫環境下穩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，且超溫保護系統也已經固化，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展空間。

在GE-9FA燃氣輪機透平冷卻系統中，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：冷空氣在經過篩孔之后，會產生高速低溫氣流，氣流對靶面形成沖擊，實現高強度換熱，從而實現冷卻，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沖擊套筒中，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應力性損壞：在工作的過程中或啟停狀態下，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，國內已經出現多起此類故障[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.