姚国荣
（广东大唐国际肇庆热电有限责任公司，广东 肇庆 526000）
摘 要：提高燃气轮机透平进口温度是提高燃气轮机热效率的有效措施，而先进的透平叶片冷却技术是提高透平进口温度的有效措施之一。本文介绍了燃气轮机透平叶片冷却的技术，阐明了燃机冷却空气系统在燃气轮机正常运行时的作用。介绍了安萨尔多AE94.3A燃机运用的冷却技术，冷却空气系统组成、冷却空气的来源。
关键词：燃气轮机、AE94.3A、透平叶片冷却空气
1前言
某项目机组为安萨尔多AE94.3A型燃气-蒸汽联合循环供热机组，采用分轴联合循环布置。每套机组由一台燃气轮机、一台余热锅炉、一台蒸汽轮机、一台燃气轮机发电机、一台蒸汽轮机发电机组成。
燃气轮机由上海电气&安萨尔多公司联合设计制造，型号为AE94.3A，燃料为天然气，输出方式为冷端输出。燃机由压气机、燃烧器、透平和有关辅助系统组成。压气机采用轴流式，共 15 级，压比为 18.9，进口设有可调导叶(IGV)，同时第一级静叶（CV1） 可调，主要用于调节透平排气温度和防止压气机喘振。透平为 4 级轴流式透平，由气缸和转子组成。气缸为水平中分面式结构。转子由透平轮盘、透平轴、工作叶片及联接件等组成。透平的静叶、动叶由压气机抽气来冷却。本文通过收集资料认真解读，简单介绍燃气轮机透平冷却空气系统，。
2燃机透平冷却技术介绍
燃机透平入口初温对整套机组的热效率有很大的影响，随着燃气轮机技术的发展，透平入口温度已经可以达到1400℃甚至更高，但提高透平初温同时也会影响机组的安全运行。如何有效地为暴露在高温的燃机本体金属部件提供冷却也是一门重要的研究课题，世界各大燃气轮机生产商在这个课题上成功研究出先进、高效的冷却技术，结合抗高温材料，运用先进的冷却技术，保证了机组安全、高效地运行。
燃机透平叶片冷却运用的冷却技术主要有：透平叶片冷却空气和透平叶片隔热涂层相结合的方式。通过两种冷却技术结合运用，可以大大提高燃机透平进口温度，提高燃机设备寿命，获得较高的安全性能。
(1)对流冷却:当冷却空气和燃气在空心叶片内外壁面流过时,空气靠与叶片内部通道壁面的对流放热来冷却叶片,在空心动叶片出气边中间沿半径方向有一组大小不同、型式不同的小孔,对流冷却后的冷却空气即通过动叶上这些小孔排入主燃气流继续做功,冷却空气的排出除靠自身的压力之外,还可以借助离心力作用被甩出,增加了冷却空气的流动速度,改善了冷却效果,被甩出的冷却空气以较大的速度垂直地冲向气缸内壁,形成一层防止沿径向间隙漏气的气封层,起到阻止主气流的漏气和潜流的作用。
(2)绕流冷却:叶片内部的冷却空气通道被设计为多通道、曲线型,并在通内设有绕流槽,通过增强扰动换热来改善冷却效果。
(3)冲击喷流冷却:在空心叶片的内部嵌入导管,导管上开有许多小孔,冷却空气先流入导管,再从导管上的小孔流出,直接向被冷却的叶片内表面喷射进行冷却,由于冲击作用使放热系数增大而提高冷却效果,故称冲击喷流冷却。之后,冷却空气沿导管与空心叶片内表面之间作横向流动进行对流冷却,最后从叶片出气边小孔排出。在采用冲击冷却时,还伴有对流冷却,是一种综合的冷却技术。
(4)气膜冷却:在空心叶片的表面上开有许多排小孔或缝隙,冷却空气从这些小孔或缝隙顺着燃气流动的方向流出,在叶片表面形成一层气膜,把叶片表面与燃气隔开而对叶片起到保护作用,减少燃气对叶片表面的热交换,同时又冷却叶片。
(5)全覆盖气膜冷却，又叫发散冷却:当空心叶片用多孔的透气材料制作时,叶片内部的冷却空气就像“出汗”那样从叶片表面渗出,由于空气流动时与多孔壁的接触十分良好,可带走大量热量,而流出多孔壁后,又在叶片表面各处都形成保护薄膜,故它能达到极其良好的冷却效果。透平冷却方式如图1所示。
此外，燃机透平叶片冷却技术还在材料工艺上作了研究，隔热涂层(TBC)就是一种有效的方法。隔热涂层广泛应用在燃机冷却的一种技术手段，它是通过在叶片基材上用等离子喷涂技术喷涂上约0.5mm厚的黏结层和陶瓷层，利用陶瓷材料较低的热传导性以保护叶片基体免受高温热负荷的冲击，从而达到保护叶片的目的。如图2所示。
图1 透平叶片冷却方式
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图2 隔热涂层示意图
3 冷却空气技术在安萨尔多AE94.3A型燃机上的应用
燃气轮机透平冷却空气系统执行两个基本功能，第一个功能是给暴露在烟气通道，温度高于工作金属的温度极限的部件提供直接冷却，系统在不同临界点提供相应压力和温度的空气；第二个功能是封严透平流道以防燃气入侵，给透平环境控制提供服务，为确保整个透平维持设计的环境，冷却空气向烟气通道正流动，高温烟气从壳体支撑结构和透平动叶盘中排出。
安萨尔多 AE94.3A 型燃气轮机的透平叶片采用涂层保护方式,同时从压气机端引入压缩空气来冷却叶片内外表面,叶片表面开了许多微孔,如图3所示。冷却空气通过微孔喷到叶片的表面,在表面形成一层气体保护膜,透平冷却空气系统的主要功能为冷却透平动、静叶片。通过冷却系统的冷却作用,可以有效改善叶片的工作环境,防止部件过热,提高运行的可靠性,增加其抗高温腐蚀的能力。
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图3 燃机透平叶片冷却空气孔
燃机第1级透平静叶片以及第1级动叶片的冷却空气,直接从压气机出口引入叶片的冷却腔室。
燃机第2级透平静叶片的冷却空气抽自压气机第13级出口的压缩空气,通过2根冷却空气管道,将空气从压气机传输到透平气缸第一个冷却腔室,冷却空气通过第2级叶片上的工艺孔,从叶片的内部通过4种冷却方式冷却静叶片。动叶片冷却气体来自压气机第12级后的压缩空气。冷却空气通过转子轮盘上的 Hirth齿以及工艺间隙传输到动叶片内腔室,然后通过叶片上的冷却工艺孔,把冷却空气传输到叶片的表面,达到冷却第2级动叶片内、外表面的目的。
燃机第3级透平静叶片的冷却空气来自压气机第9级出口,有两根空气管道把压缩空气传输到透平缸壁与透平持环的第2腔室。冷却过程与第 2 级静叶片相同。 第3级透平动叶片的冷却空气,通过转子工艺间隙从压气机第10级出口,引入冷却空气来冷却动叶片。高温燃气通过前两级叶片的做功,气体温度大大降低,对叶片的冷却工艺要求相对较。因此,第3级透平动叶片表面没有工艺冷却孔 ,只是使压缩空气从叶片的内部流过。在叶片内部腔室 ,主要以对流冷却与冲击冷却两种方式来冷却动叶片。
燃机第4级透平静叶片的冷却空气来自压气机第5级动叶出口,通过一根管道将压比较低的压缩空气,引入透平缸与透平持环的第三腔室,一部分气体用于冷却第4级透平叶片,另外一部分气体引入气封环,用以达到密封空气的作用。第4级动叶没有冷却。冷却空气示意图如图4所示。
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图4 透平冷却空气示意图
由于燃机透平不同的级需要不同压力等级的冷却空气，所以冷却空气的抽出点分布在压气机不同级上。第二、第三级透平静叶冷却空气分别由两个冷却空气阀门控制开度，两个阀门分别布置在两条冷却管路 2 上以防止不同运行工况下提供过量或者少量冷却空气，保证燃机安全可靠运行同时优化燃机性能。冷却空气阀门开度根据每个抽气点和排放点之间的压损控制。
4 结束语
随着研究的深入，先进的冷却技术和抗高温材料的应用，使得燃气轮机的透平温度得到提高，联合循环的热效率也逐步提高。成熟的透平冷却技术为燃气轮机安全、高效运行提供有力的保障。
参考文献
[1] 焦树建. 燃气- 蒸汽联合循环 [ M ] . 北京: 机械出版社,2000.
[2]《燃气轮机技术》第22卷 第4期