GE—9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析

张慧奇

摘 要：燃气轮机在工作的过程中，燃烧室出口温度较高，超过透平叶片最大温度承受值，影响透平叶片的正常工作，如何进行透平叶片冷却至关重要。本文以GE-9FA燃气轮机为例，从其冷却系统组成及原理分析入手，探讨了透平叶片的冷却技术和冷却原理，并指出了其易出现的故障和故障原因，旨在进一步完善GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却技术，促进其应用和发展。

关键词：GE-9FA燃气轮机；透平叶片；冷却技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.059

0 前言

提升透平进口燃气温度对于提高燃气轮机性能有着重要的作用，但这也对透平叶片的耐温性能提出了更高的要求，采用透平叶片冷却技术来提升其换热效果是保证透平叶片在高温环境下稳定运行的重要手段。GE公司9FA燃气轮机是国内联合循环机组新型燃机，其采用的透平叶片冷却技术较为先进，冷却效果良好，下面来进行具体分析。

1 GE-9FA燃气轮机透平冷却系统

一般来说，保证燃气轮机透平叶片在高温环境下稳定运行的措施有三种，①提升叶片材料耐热性能，例如采取高耐热本体材料，或在叶片表面涂隔热涂层等；②设置超温保护系统来保护叶片，避免其受到高温损坏[1]；③采取叶片冷却技术。但需要注意的是，叶片材料性能提升毕竟有限，且超温保护系统也已经固化，这两种方式的潜力有限，而透平叶片冷却技术则有着较大发展空间。

在GE-9FA燃气轮机透平冷却系统中，利用压气机内的高压空气能够冷却透平转子、透平叶片及轮盘等相关部件。其中末级排气冷却第1级静叶，16级抽气冷却沿程轮盘、第1级动叶和第2级动叶，第9级、13级抽气冷却第2级、第3级静叶。

对于第1级静叶来说，其冷却空气流动路径为：燃烧室火焰筒外环腔→前腔、后腔→叶片内部→冷却结构→燃气通道。

对于第2级静叶来说，其冷却空气主要有两股，两股冷气进入叶片路径为：①第一股冷气：前腔→套筒→前缘；②第二股冷气：后腔→套筒→后缘。需要注意的是，第二股冷气经过后缘之后，一部分由后缘直接排出，另一部分则与冷气进入叶片，从底部排出，在整个排出的过程中对沿路各个部件进行冷却。

对于第1级动叶来说，其冷却空气流动路径为：叶片底部→蛇形通道→热燃气通道。

对于第2级动叶来说，其冷却空气在叶片底部会分成10股冷气，进入到叶片内部，从围带流出之后，进入到热燃气通道，流动流程为：叶片底部→叶片内部→围带→热燃气通道。

2 GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却方式

在GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却方式如下：①对流冷却：冷空气进入之后，与固体避免相接触，以此来实现冷却效果，通过增加沟槽和肋柱能够增大与冷气接触的面积，增强紊流效果和换热效果，从而提升冷却效果；②冲击冷却：冷空气在经过筛孔之后，会产生高速低温气流，气流对靶面形成冲击，实现高强度换热，从而实现冷却，除了利用筛孔之外，还可以采用其他特殊结构来形成高速冷气流，这种冷却方式即位冲击冷却[2]；③气膜冷却：冷空气进入之后，能够在固体表面形成低温气膜，避免热燃气与透平叶片表面直接接触，减少二者之间的热交换，这种冷却方式即为气膜冷却。

GE-9FA燃气轮机在工作的过程中，燃烧室出口温度高达1700K以上，这要远远大于透平叶片材料承受温度最高值，尤其对于第1级静叶片和第1级动叶片来说，其工作温度较高，且结构复杂，采取有效的冷却技术至关重要。

第1级静叶片采用气膜冷却、对流冷却和冲击冷却等方式，冷却空气沿着上下端壁进入到冲击套筒中，进行冲击冷却过程，之后冷却空气通过透平叶片表面13排孔喷出，形成冷却气膜，覆盖在叶片表面，进行气膜冷却过程，冷却空气到达透平叶片尾缘之后，经过方形对流冷却孔，进行对流冷却过程。

第1级动叶片前缘设置3排气膜冷却，在叶片中段，设置双蛇形通道，形成紊流结构，增强紊流效果，且尾缘部分设置了矩阵冷却结构和对流冷却结构，从而强化冷却效果。

第2级静叶采用对流冷却和冲击冷却的方式，将65个针形冷却空设置在叶片尾缘。

第2级动叶采用对流冷却方式，存在10个气流通道，前7个通道设有紊流结构，增强紊流效果和换热效果，从而提升冷却效果。

第3级静叶采用对流冷却，设有单通道，第3级动叶并未设置冷却结构。

3 故障分析

GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却结构的合理设计是保证冷却效果的关键，由于各种原因引起的透平叶片高温损坏问题如下：①热应力导致叶片出现应力性损坏：在工作的过程中或启停状态下，如果热应力变化较大，则会引起叶片断裂，故障原因主要是叶片铸造过程中存在冷隔问题，尤其是第3级动叶，很容易因此断裂；②冷却孔阻塞：冷却空阻塞会影响冷却效果，导致透平叶片高温损坏，首先，压气机中存在杂质和颗粒物会阻塞冷却孔，第二，使用的燃气存在熔融物会覆盖在冷却孔，导致冷却孔阻塞，截止到目前，国内已经出现多起此类故障[3]；③冷却结构设计不合理：冷却结构设计不合理会直接导致叶片出现热腐蚀问题，影响透平叶片的正常工作。

4 结论

综上所述，GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却技术十分先进，其应用了针形孔、网状通道、紊流结构等众多冷却结构，结合了多种冷却方式，冷却效果良好，值得应用和推广。但需要注意的是，实践表明，GE-9FA燃气轮机在运行的过程中也容易出现一些故障和问题，这就需要积极完善冷却结构设计。

参考文献：

[1]林铁.GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析[J].机械工程师，2013（08）：279-280.

[2]陈文炎.GE9FA燃气轮机若干关键技术特点[J].热力发电，2007（11）：4-6.

[3]阚瑞.燃气轮机透平叶片尾缘内部冷却流动传热机理研究[D].清华大学，2014.