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2 空气冷却技术

空气冷却技术为传统的叶片冷却技术，即从压气机出口抽取空气来冷却透平叶片的高温热部件。作为最早发展的冷却技术，空气冷却技术已经日臻完善，迄今为止，空气冷却的技术手段有对流冷却、冲击冷却、发散冷却和气膜冷却等。为了达到更加理想的冷却效果，现在多采用以上几种冷却方式的组合，其透平初温可以达到1430℃。

对流冷却多用于高温部件的内部，将涡轮叶片做成空心叶片，在内部形成冷却通道，当冷气从冷却通道通过时，就可以将高温燃气传给叶片的热量带走，达到对叶片冷却的目的。但对流冷却效果不明显，而且会在叶片表面形成很强的压温度梯度，缩短叶片的使用寿命。

冲击冷却主要是利用高速气流冲刷被冷却表面，以实现冷却，其多用于高温部件的内部冷却，特别是涡轮叶片的前缘部位。工作时，高速气流从内部冲刷被冷却部位，带走另一侧燃气所吸收的热量。它的主要缺点是压力损失大，容易造成被冷却部件产生较大的温度梯度，引起热应力。

发散冷却是在被冷却表面上开有许多小孔，让冷气从小孔溢出并附着在表面上，形成一层保护层，阻隔燃气向表面传热。这种冷却方式比上述两种冷却方式冷却效果都好，但它的缺陷是：气膜孔堵塞会导致冷却效果急剧下降，表面的氧化会使叶片降低其机械强度，并增大边界层的流动损失，气膜冷却技术的基本原理是：在壁面附近沿一定方向向主流喷入冷气，这股冷气在主流的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，粘附在壁面附近，形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而对壁面起到良好的保护作用。

图1 导向叶片气膜冷却的气流流动形式示意图

图1导向叶片气膜冷却的气流流动形式气膜冷却与发散冷却相比，气膜冷却技术采用较少的射流孔，且射流孔较为集中，喷射的冷气也较为集中，并可以在表面形成持续的冷气气膜，射流孔的射流方向和位置分布都可以调整，用最少的冷气量达到最好的冷却效果。从而气膜冷却不仅可以达到有效冷却的目的，而且还可以控制喷射造成的气动损失、湍流流动和壁面热应力集中等来达到最佳冷却的目的。

有关空气冷却技术的发展历程的内容，中文文献中很少有记载，这既有可能是这项技术已经非常普及，谁对这项技术有过关键的贡献已经没有人能弄得清了。

3 蒸汽冷却

蒸汽冷却的提出有两个前提，一是蒸汽本身的性能优越，相比空气，其导热性好，冷却效率高;二是蒸汽冷却能解决空气冷却消耗冷却介质消耗过多这一难题，增大了燃气涡轮工质流量，提高压气机和涡轮的效率。蒸汽的获得非常方便，一般不用外加热源：在燃气轮机单机循环中，可以利用燃气轮机的排气通过余热锅炉获得冷却所需蒸汽;而在联合循环中，可以从蒸汽循环中获得冷却用蒸汽。目前，应用蒸汽冷却技术的联合循环机组热效率已经突破60%。

蒸汽冷却的发展最早要追溯到Rice，上世纪七十年代末，他提出了用蒸汽轮机循环获取的过热蒸汽去冷却燃气轮机叶片的想法。这个想法被Han 和Jenkins用理论分析的方法加以证实，他们认为由于蒸汽相比空气具有良好的热力学性质，在相同的状态下，以蒸汽为工质的气膜冷却效率比以空气为工质的气膜冷却效率高出一倍。

在实验研究上，Conkin先行了一步，他们设计了一个用于气膜冷却的直叶型，在此基础上分别研究了空气和蒸汽的气膜冷却效果;得出了以下结论：1)在相同的吹风比情况下，不同测量位置的蒸汽的气膜冷却效率大致是空气气膜冷却效率的两倍，而且随着测量位置由叶片前端向后端的移动，蒸汽的气膜冷却效率比空气的气膜冷却效率下降快;2)在相同的测量位置，蒸汽和空气的气膜冷却效率都随吹风比的增大而增大，但蒸汽的气膜冷却效率的增长率小于空气的气膜冷却效率增长率，且两者在吹风比为1附近时增长的幅度都明显下降。

原标题：【行业观察】燃气轮机叶片冷却技术的发展

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