先進重型燃氣輪機冷卻技術現狀及發展

徐 亮， 孫子能， 席 雷， 高建民

(西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049)

重型燃氣輪機廣泛應用于發電、船舶等能源和國防領域，代表了多理論學科和多工程領域發展的綜合水平，是國家安全和國民經濟發展的高技術核心動力裝備。正是基于燃氣輪機在國防安全、能源安全和保持工業競爭能力領域的重要地位，發達國家高度重視燃氣輪機的發展，世界燃氣輪機技術及其產業迅速發展。《中國制造2025》也提出了我國將以組織實施重大科技專項為抓手，持續推進高端裝備制造業的發展，全面啟動實施航空發動機和燃氣輪機重大專項，進一步增強我國高端裝備制造業整體國際競爭力，并促使商用大飛機、電力設備、船舶等產品快速進入國際市場。

目前基于燃氣輪機及聯合循環電站的發電量約占全球發電總量的22%，且還在穩步增加。自1939年世界第1臺發電用重型燃氣輪機在瑞士誕生，經過幾十年的發展，重型燃氣輪機已經達到了很高的制造水平并占據大量的市場份額，2020年全球120 MW以上重型燃氣輪機的市場占比約為40%。其中F級重型燃氣輪機的燃氣初溫為1 400 °C左右，單循環效率達到38%，聯合循環效率達到57%；先進的G/H/J級燃氣輪機的燃氣初溫已經達到1 500～1 600 ℃，單循環和聯合循環效率分別達到40%～41%和60%～61%[1]。GE公司的9HA.02燃氣輪機的燃燒室出口溫度也達到1 654 ℃[2]，標志著燃氣溫度的世界先進水平達到了1 650 ℃左右。

為了進一步提高重型燃氣輪機的聯合循環效率，燃氣溫度必須不斷提高。目前重型燃氣輪機燃氣初溫的目標是1 700 °C，單循環和聯合循環效率將分別突破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減少，壓縮機出口氣體溫度升高，須要挖掘同流量下冷卻空氣的更高冷卻潛力。針對這一系列問題，一方面須要大力開發富氫燃氣乃至純氫的燃氣輪機來降低排放氣體中NOx的含量，另一方面須要研究先進高效的冷卻技術，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。工信部發布的制造業設計能力提升專項行動計劃中提出在電力裝備領域，重點突破燃氣輪機整體設計、核心熱端部件設計和現役裝備熱端部件的修復及優化升級設計，其中先進高效的冷卻技術是關鍵。

1 H/J級燃氣輪機冷卻技術

當前國際重型燃氣輪機市場基本被美國GE、德國Siemens、日本MHI等公司主導，H/J級重型燃氣輪機作為各家公司重型燃氣輪機系列中的代表作品，均在原有技術上有發展和創新[4]。部分最新產品主要參數如表1所示，代表了目前世界重型燃氣輪機的發展現狀。

表1 國際重型燃氣輪機H/J級產品概述

1.1 熱端部件材料以及涂層技術

燃氣輪機的高溫部件主要指透平動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較為成熟[5]。除了添加微量元素來改善性能，為了保護熱部件金屬基底，延長熱端部件的服役壽命，普遍采用熱障涂層(thermal barrier coatings，TBC)技術，即在熱部件表面制備一層低熱導率的陶瓷層。在現有的冷卻技術條件下，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公司已經開發了具有比常規YSZ涂層更高隔熱溫度的燒綠石結構的TBC，該新型陶瓷涂層具有比YSZ更高的使用溫度，滿足了1 600 ℃級燃氣輪機的發展需求[7]。

1.2 GE公司H級燃氣輪機的冷卻技術

GE公司H級型號的燃氣輪機有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型號采用對流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻組合的冷卻方式[8],7/9H系列由燃氣輪機、3級余熱蒸汽發生器(heat recovery steam generator, HRSG)和再熱汽輪機組成的聯合循環系統實現閉環蒸汽冷卻，其透平葉片的前兩級采用閉環蒸汽冷卻，第3級采用空氣冷卻，而第4級不冷卻[9]。7/9HA系列透平采用4級動靜葉設計，其中第3級葉片由定向凝固單晶合金制造，同時采用了GE公司新開發的TBC技術，其余3級葉片是由另一種已驗證的航空發動機合金定向固化而成。7/9HA系列透平冷卻方式為前3級采用強制對流空氣冷卻，而第4級不冷卻[10]。

GE公司H級燃氣輪機的燃燒室設計大部分繼承于其F級的DLN燃燒室技術[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層結構，在靠近火焰的內層采用發散冷卻方式，并用“2-Cool”結構密封火焰筒與過渡段之間的連接；在火焰筒的外層上游采用擾流肋片加強對流冷卻效果，下游和過渡段采用沖擊冷卻,其中火焰筒和過渡段內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的基礎上，采用肋片、沖擊的方式提高換熱系數，不同的是火焰筒、過渡段內表面涂有能夠將壁面溫度降低50～100 K的先進TBC[13]。

1.3 Siemens公司H級燃氣輪機的冷卻技術

Siemens公司的H級型號有SGT5-8000H、SGT6-8000H。SGT6-8000H為60 Hz，SGT5-8000H為50 Hz[14]。新型HL級系列由3個主要型號組成：SGT5-9000HL、SGT6-9000HL、SGT5-8000HL[15]。H級系列透平采用4級動靜葉的設計，前3級葉片全空冷，第4級葉片無冷卻。第1、2級葉片采用定向結晶材料和改進型隔熱涂層技術[16]。HL系列同樣采取空冷技術，但加入了超高效的內部冷卻設計、先進的模塊TBC和獨立式的第4級透平葉片。

H系列火焰筒壁面采用對流冷卻方式，在內表面涂有TBC，在下游有少量冷卻空氣進入燃燒室；過渡段采用SGT6-5000F燃氣輪機上使用的LTin內部冷卻技術，可以在適度的壓力降下減少冷卻空氣量的使用。H系列采用先進的密封方式控制泄漏量[13]，同時采用環管形燃燒器。SGT5-8000H使用16個燃燒器，SGT6-8000H使用12個燃燒器[16]，每個管式燃燒單元布置了8個預混燃燒器。HL系列預混燃燒器數量增加至25個，采用高效率先進燃燒系統(advanced combustion system for high efficiency, ACE)降低排放和提高效率。

1.4 MHI公司J級燃氣輪機的冷卻技術

MHI公司的J級型號有M501J、M701J兩種。其中M501J為60 Hz，M701J為50 Hz。J系列透平冷卻結構由F系列和G系列改進而來[7]。4級葉片采用全空冷，結合了優化供冷系統，包含優化型氣膜冷卻孔等先進冷卻技術[17]。其中第1級導葉全氣膜冷卻，包含前緣淋浴頭陣列和異形擴展孔；內部包含蛇形通道、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，成功應用在G型燃燒室上。

JAC系列在J系列的基礎上有M501JAC、M701JAC兩種，采用用于冷卻燃燒室的增強型風冷系統、超厚TBC和更高壓比壓縮機等新技術。在增強型風冷系統中，從壓氣機出口抽出空氣經增強型冷卻空冷器冷卻，再經增強型冷卻空壓機增壓，用于冷卻燃燒室，然后返回壓氣機；而超厚TBC應用于燃燒室和第1級至第3級透平導葉、靜葉、環段，其可靠性得到了長期驗證；壓氣機壓比則由J系列的23提高至25[19-20]。

2 先進高效的冷卻技術

為了突破重型燃氣輪機燃氣初溫1 700 °C的目標，并且使得單循環和聯合循環效率分別達到44%和65%，目前主要采用6種先進的冷卻技術：現有冷卻結構的參數優化和復合化、蒸汽冷卻及其工質的改善、面向3D打印的多目標協同的冷卻技術、微尺度結構的精細化、燃燒室與導葉的一體化、強導熱高溫熱管的應用。

2.1 現有冷卻結構的參數優化和復合化

2.1.1 現有冷卻結構的參數優化

現有冷卻方式有氣膜冷卻、沖擊冷卻、肋壁強化換熱、擾流柱強化換熱和層板冷卻等。

Bunker[21]總結了近些年的氣膜冷卻技術發展歷程，如圖1所示。20世紀中期，氣膜冷卻技術開始采用，之后逐漸衍生出燃氣輪機燃燒室層板式氣膜冷卻結構。20世紀70年代，Bunker[22]開展成型孔冷卻結構的研究，提出擴張型氣膜孔，從而提高冷卻效率。氣膜冷卻結構從圓形孔、擴張孔發展為各種復合孔被廣泛應用于燃燒室和透平葉片冷卻。一些創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]對優化氣膜孔布局進行了研究，發現與均勻布置的氣膜孔相比，優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為獨立的目標函數，對圓槽孔的設計參數進行優化，優化后的圓槽孔形狀對冷卻劑噴射流量系數和空間平均絕熱氣膜冷卻效率有不同的影響，為設計者提供多種選擇。

圖1 氣膜冷卻技術發展歷程[21]

沖擊射流冷卻在燃氣輪機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]，又或是常規陣列射流基礎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構的不斷發展。傳統的圓孔沖擊射流(CIJ)容易產生不均勻的徑向傳熱，導致沿撞擊壁的溫度分布不均勻。有時駐點和徑向位置之間的溫差所產生的高熱應力，損壞結構[32-33]。而新型的旋轉沖擊射流(SIJ)結構被認為是在高傳熱率下實現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個螺旋槽的旋流器(圖2)[37-38]等結構來產生。新型的仿生靶面結構，使射流靶面粗糙化，實現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結構[37-38]

目前將神經網絡結合遺傳算法應用到氣膜冷卻、沖擊冷卻等冷卻結構流動和傳熱性能的預測和優化等研究中，對這些冷卻結構的不斷優化以及找到更加高效和智能的優化方式是先進冷卻技術的發展關鍵。

2.1.2 現有冷卻結構的復合化

復合化結構有燃燒室火焰筒復合冷卻結構和透平葉片雙層壁冷卻結構等。

單層壁的火焰筒常見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冷卻方式為沖擊+多斜孔冷卻[40]。新的火焰筒復合結構有沖擊+對流+氣膜孔、沖擊+發散，提高了冷卻效率和減少了冷卻空氣用量[41-43]。

透平導向葉片常見冷卻方式有擾流柱、氣膜孔以及熱障涂層。透平轉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構[44]。雙層壁葉片是一種集內部沖擊冷卻與外部氣膜冷卻為一體的復合型冷卻方式。早在2001年Allison公司的CMSX- 4單晶葉片使用自行開發的雙壁新結構，確保了葉片順利通過耐久性測試[45]。圖3是典型雙層壁葉片模型，內外壁之間的空隙被隔板分為9個雙層壁通道，其中位于葉片前緣位置1個，壓力側4個，吸力側4個。每個雙層壁通道內布置有沖擊孔和氣膜孔，部分通道內還布置有擾流柱，起到強化傳熱和增強機械強度的作用，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]

未來仍需在火焰筒和透平葉片冷卻方式復合化上不斷創新，如雙層壁火焰筒和雙層壁葉片等。

2.2 蒸汽冷卻及其工質的改善

上世紀90年代提出了蒸汽冷卻的概念，核心在于HRSG和閉環蒸汽冷卻系統[47]，如圖4所示。蒸汽冷卻可以顯著減少壓縮機的空氣消耗，閉環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，從而提高燃氣輪機的整體效率。GE公司的H級燃氣輪機和MHI公司的J級燃氣輪機均用到了蒸汽冷卻。蒸汽在試驗葉片上進行的冷卻性能評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約冷氣的高潛力[48]。MHI公司的JAC系列燃氣輪機應用了冷卻燃燒室的增強型氣冷系統，先冷卻再增壓耗去一些可用能，擴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]，其再冷卻增強可以深入挖掘冷卻蒸汽的冷卻潛力。

圖4 H級聯合循環和蒸汽示意圖[9]

近年來水霧/蒸汽兩相流工質的研究價值[50-51]也被發掘，它在光滑矩形通道[52-53]使用時，上下壁面的平均傳熱系數差值比使用蒸汽時高2%～14%；它在60°加肋矩形通道[54]的Nu分布也會隨著雷諾數或水霧/蒸汽質量比的增加而增加。水霧/蒸汽兩相流工質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優化[56-57]都表明了蒸汽工質或水霧/蒸汽兩相流工質及其相應的參數優化具有作為先進冷卻技術的潛力。同時納米流體強化換熱技術由于成本低、操控靈活和形式多樣性的特點[58]，可以作為蒸汽冷卻新工質的研究重點。

2.3 面向3D打印的多目標協同的冷卻技術

增材制造(3D打印)是一種新型的快速制造技術，無需任何模具即可生產復雜零件，是未來制造燃氣輪機復雜部件的核心技術[59]。在該技術基礎上制造的零件，可對熱、氣動、強度、振動、輕量化等多方面目標進行協同優化，如用高孔隙率的桁架晶格結構[60-61]代替內冷通道的多肋結構，包括不銹鋼夾芯板結構[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型晶格為基礎展開多目標優化研究[67-68]，提供了基于3D打印的透平葉片桁架晶格冷卻結構的功能集成設計的方法。

圖5 部分桁架晶格結構示意

對增材制造所生產的桁架晶格結構進行熱、氣動、強度、振動、輕量化等多目標協同，是未來極具發展潛力的先進冷卻技術。

2.4 微尺度冷卻結構的精細化

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。在等參數條件下，對不同結構微小沖擊通道的整體換熱情況進行分析比較。袁星等[71]采用γ-Reθt轉捩模型、層流模型和SST模型3種流動模型對1/4矩形截面(0.2 mm×0.2 mm)微通道中的流動進行了數值研究，均有較好的換熱特性。Yang等[72]提出仿生微尺度表面結構，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，該結構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]對高度為50～500 μm的微通道流動進行了數值研究，發現在常規尺度中的一些準則和關系依然適用。由此可將微尺度的尺寸量級推向精細化。微米量級孔、精細化冷卻通道和微尺度表面結構等微尺度冷卻結構在燃燒室、透平葉片冷卻技術的應用有巨大發展潛力。

圖6 基于仿生學的微尺度表面冷卻結構[72]

2.5 燃燒室和導葉的一體化

燃氣輪機的導葉前緣由于熱負荷高、流動相互作用復雜，它的冷卻問題是燃氣輪機氣動熱設計中最具挑戰性的問題。常見導葉前緣的淋浴頭氣膜結構的研究，已經不能滿足發展需要。Mazzoni等[74]用大渦模擬研究上游燃燒器壁面的巨大尾跡流動對導葉前緣氣膜冷卻的影響，發現燃燒室后緣的流場渦對前緣氣膜冷卻非常不利，說明了在設計導葉前緣氣膜冷卻時，必須考慮燃燒室對導葉前緣的影響。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，認為需要進行集成仿真以更好地表示燃燒室和透平的流場。

Rosic等[76]在2012年針對擁有16個獨立燃燒室和32個導葉的燃氣輪機提出了兩種關于燃燒室和透平導葉的集成方案。第一種是通過最小化燃燒室壁與葉片之間的軸向距離，實現屏蔽導葉前緣(圖7)以減小燃燒室壁對前緣氣膜冷卻的影響并且節省冷卻空氣；第二種是減少一半的導葉數量使燃燒室和導葉集成(圖8)，節省25%的總冷卻空氣量，其熱力學性能在實驗、仿真和真實工況下被驗證[77-78]。Aslanidou等[79]對Rosic的屏蔽導葉前緣的集成方案進行了數值分析，證明了該方案在降低冷卻劑需求方面的作用并且通過移除淋浴頭氣膜孔等簡化葉片幾何形狀。

圖7 屏蔽導葉前緣結構比較示意圖[76]

圖8 燃燒室和導葉集成設計比較示意圖[77]

一種與葉片集成類似的燃燒室集成CI在2017年提出，在燃燒室主要參數和相關的擴散器、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量[80]。

燃燒室和導葉的一體化，能夠較好地減弱燃燒室壁面對導葉前緣的影響，并以集成的概念，達到優化葉片造型、提高冷卻效率、節省冷卻空氣等目的。

2.6 強導熱高溫熱管的應用

熱管作為一種高效導熱裝置，具有良好的導熱性、理想的等溫性、熱流密度的可調性、傳熱方向的可逆性、較好的適應性[81]。熱管可根據溫度分為深冷熱管、低溫熱管、中溫熱管和高溫熱管。其中高溫熱管可以應用在燃氣輪機透平葉片工作環境下。高溫熱管根據回流方式可分為熱虹吸管、標準熱管和旋轉熱管，三者應用在透平葉片工作環境時具有明顯差異。

對于熱虹吸管(圖9)，Yoshida[47]在2001年提出高溫熱管系統，并對用Na作冷卻劑的Ni合金熱管進行實驗數據和發動機性能數值計算，從傳熱角度證明高溫熱管的可行性。國外針對熱虹吸管的間歇沸騰現象[82-83]、不同冷卻劑[84]、不同填充比和傾角[85-86]、內翅片[87-88]和脈沖輸入[89]等有大量CFD仿真和實驗。考慮重力因素，熱虹吸管應用在導葉上半部分比較合適。

圖9 熱虹吸管原理示意圖[84]

標準熱管在透平葉片的冷卻也有應用[90]，其多孔介質較為復雜，一般利用熱阻網格法[91-92]或有效導熱系數的等效[93]進行數值仿真計算。實際工況下，須要考慮標準熱管中的不凝性氣體[94]和傾角導致的重力加速度作用在液體回流[95-96]等因素?？紤]毛細力因素，標準熱管應用在導葉下半部分比較合適。

對于旋轉熱管，Cao等在1999年針對徑向旋轉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給出了解析解。之后還進行了微型徑向旋轉熱管實驗[99-100]來驗證其可靠性,并將微型徑向旋轉熱管在燃氣輪機盤-葉片組件上進行仿真模擬[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，說明了旋轉熱管在圓盤上的冷卻效果較好。考慮離心力因素，旋轉熱管應用在動葉比較合適。

對于三種熱管在透平葉片的可行性應用，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構，具有較好的冷卻效果和冷卻潛力，為1 700 ℃重型燃氣輪機的冷卻技術提供了新方向。

3 總結

GE公司的HA系列、Siemens公司的HL系列和MHI公司的JAC系列重型燃氣輪機，都是在各公司F/G級系列燃氣輪機的基礎上改進和發展起來的。其冷卻方式為蒸汽冷卻、空氣冷卻、高效熱障涂層等，涉及的冷卻結構有氣膜、發散、對流、雙層壁等，燃氣溫度能達到1 650 ℃左右，聯合循環效率在61%～64%。為了實現重型燃氣輪機燃氣初溫1 700 ℃，單循環和聯合循環效率突破44%和65%，先進高效的冷卻技術需要繼續發展。

現有冷卻技術的改進，即對各種造型的氣膜孔、沖擊孔、內冷通道結構，尋找更合適的優化孔徑、傾斜角度、優化結構，發展雙層壁葉片以及微米量級孔等，這些都是對現有冷卻機構的參數優化和結構優化，也是對微尺度結構的精細化。

新型冷卻方式或結構的發展，主要有面向3D打印的桁架晶格結構的多目標協同、將燃燒室和透平導葉一體化、高溫熱管冷卻結構等，它在保護導葉前緣、優化輪機造型、節省冷卻空氣等方面極具潛力，也可以替換現有冷卻結構，用完整的熱障涂層技術實現更高的冷卻效率。