燃气轮机火焰筒主动冷却技术综述

魏琰

摘要：本文基于在DWPI數据库中的检索结果，并结合SIPOABS及CNABS数据库统计分析了燃气轮机火焰筒主动冷却技术的专利申请的分布情况和发展趋势，通过技术发展路线及核心专利的研究，初步理清了燃气轮机火焰筒主动冷却技术发展脉络。

关键词：火焰筒;冷却

中图分类号：TM611.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）21-0056-03

Abstract： Based on the search results in the DWPI database， this paper combines the SIPOABS and CNABS databases to statistically analyze the distribution and development trend of patent applications for gas turbine flame tube active cooling technology. Through the research of technology development route and core patents， the development of active cooling technology for gas turbine flame tube was preliminarily clarified.

Key words： Flame tube;cooling

1 引言

燃气轮机已是热动力装置中最为先进的类型，被誉为机械工业皇冠上的明珠。先进的燃气轮机技术对国民经济持续发展有着重大影响，是一个国家工业和科技水平的重要标志之一，是增强综合国力与国际竞争力的一个重要方面，也是实现我国中长期目标的核心技术和动力基础[1]。

现代燃气轮机发动机主要由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。其工作原理为：工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功转化的热力循环。

高温部件一直是燃气轮机研究的重点。燃烧室最主要的高温部件是火焰筒，燃烧室中火焰筒的工作条件是极为恶劣的。在高温、高压的燃烧火焰和热燃气的作用下，火焰筒承受着高强度的热负荷和热冲击负荷，有时还有一定程度的机械振动负荷。火焰筒常会发生裂纹、翘曲和变性等损坏现象，甚至还会出现脱焊、掉块、磨损和烧穿等故障。为了解决这些问题，确保安全和延长燃烧室的工作寿命，必须合理地组织火焰筒壁的冷却过程[2]。

燃烧室火焰筒的冷却方式主要分为被动热防护和主动热防护两种[3]。被动热防护技术主要运用在燃烧室温度很高的飞行器中，如国外大部分冲压发动机燃烧室都采用隔热层烧蚀冷却这种被动冷却方式。由于航空发动机燃烧室温度相对于航天飞行器燃烧室温度低，目前普遍采用的主动热防护技术，即利用压气机后相对较冷的气体通过火焰筒上的冷却结构对火焰筒壁面进行冷却。燃气轮机高温升、低污染的发展趋势导致了冷却用气量的减少，因此迫切需要高效的冷却方式来降低热端部件的工作温度。

2 专利技术发展演进

目前，燃气轮机火焰筒冷却方式从基本冷却原理上可以划分为对流冷却、气膜冷却、冲击冷却和发散冷却。而其他多种新型冷却技术基本上全部都是上述四种类型的复合形式。

2.1 对流冷却

对流冷却是使用最早的冷却技术之一，低温冷空气通过对流换热的方式带走壁面热量，冷热流体不发生掺混。其优点是加工简单，成本低。但是由于其冷却效果有限，此种冷却方式在早期更为广泛的应用是作为其他冷却方式的补充，与其他冷却方式构成复合冷却结构。对流冷却与其他冷却方式构成的复合冷却结构将在下文复合冷却中进行重点介绍。

就单一形式的对流冷却而言，目前所普遍采用的方式是对火焰筒与其外侧套筒之间所形成的冷却空气流道进行改进以提高冷空气对流换热效率。美国的通用电气在2010年3月2日申请的专利US8516822B2公开的是一种冷却结构。如图1所示。其通过空气通道内与轴向呈夹角的弯曲叶片引导冷却空气，迫使通道中冷却气流在弯曲叶片的引导下呈弯曲流动，进而提高冷却空气的传热效率。

2.2 气膜冷却

气膜冷却是使用最为广泛，形式作为多样的一种冷却方式，在各种燃气轮机燃烧室上均取得了大量应用。其主要特点是：冷却空气通过某种进气形式进入火焰筒并贴着壁面向下流动，在内壁面和热燃气之间形成连续的气膜。日本的三日立在1982年10月6日申请的专利JPS5966619A公开的是一种气膜冷却结构。如图2所示。其火焰筒沿轴向开设有多个缝槽式气膜孔2a，冷却空气通过个缝槽式气膜孔2a进入火焰筒并贴着壁面向下流动，在内壁面和热燃气之间形成连续的气膜。

2.3 多孔发散冷却

多孔发散冷却是利用先进的工业加工方法在火焰筒冷却壁面上打出很多数量的具有一定排布方式的直径约为0.5～1mm的发散孔。低温冷却气流穿过小孔在火焰筒内壁形成持续均匀的气膜毯。多斜孔冷却是在常规发散冷却技术基础上发展起来的一种高效冷却技术。美国的通用电气在1992年9月24日申请的专利US5233828A公开的是一种多斜孔发散冷却结构。如图3所示。其在火焰筒壁面上开设了多个发散孔80。这种冷却结构通过大量倾斜小孔使火焰筒壁总冷却面积极大增加。通过采用小孔进气抽吸火焰筒冷侧气体附面层，增强了背部的换热能力，可在火焰筒热侧形成全气膜保护。这种冷却方式使得用于冷却火焰筒的空气量减少了40%，不仅使燃烧室出口温度均匀，而且缩短了燃烧室的长度。

近年来关于发散冷却技术的专利主要集中在开孔的规律以及开孔形式上。法国的阿尔斯通公司在1998年5月20日申请的专利EP0959228B1公开了一种发散冷却结构。如图4所示。其发散冷却孔采用了异型孔，在有效减少冷却气体用量的同时进一步提高了燃烧室冷却效率。

2.4 冲击冷却

冲击冷却采用双层火焰筒壁面，其冷却空气垂直于壁面从外壁面进入，冲击到内壁温度较高的壁面上。此种冷却方式主要用于对火焰筒局部热点的降温。美国的联合工艺公司在1992年11月2日申请的专利US5687572A公开的是一种用于燃烧室火焰筒壁面的冲击冷却结构。如图5所示。其火焰筒壁面40外侧套设有冲击壁面22，冲击壁面22上开设冲击孔36，冷却空气通过冲击孔36冲击到火焰筒壁面40上对火焰筒进行降温。由于冲击冷却多用于具备降温，且其冲击气流压降损失大，所以冲击冷却更为广泛的应用同样是与其他冷却形式进行结合，作为气膜和发散冷却形式的补充。

2.5 复合冷却

复合冷却是对流冷却、气膜冷却、发散冷却及冲击冷却相互组合的冷却形式。常见的有对流/气膜冷却、对流/发散冷却、冲击/气膜冷却、冲击/发散冷却。

2.5.1 对流/气膜冷却。对流/气膜的复合冷却结构是在对流冷却的基础上增加了气膜孔。美国的联合工艺公司在1980年4月2日申请的专利US4302941A公开的是一种燃烧室火焰筒壁面的结合对流和冲击的复合冷却结构。如图6所示。其冷却通道内设置了多个换热肋片18，换热肋片18之间形成冷却气道，且其沿火焰筒壁面轴向设置多个气膜舌部24，空气通过燃烧室外壁面上开设的小孔22进入冷却气道，进而分别向火焰筒两端流动，同时通过火焰筒上的气膜舌部形成气膜。

2.5.2 对流/发散冷却。对流/发散的复合冷却结构是在对流冷却的基础上增加了发散孔。美国的联合工艺公司在1975年7月16日申请的专利GB1550368A公开的是一种燃烧室火焰筒壁面的结合对流和发散的复合冷却结构。如图7所示。其采用了多孔层板结构，包括用作火焰筒壁面的第二板14以及与第二板14相对设置的第一板12，二者之间形成夹层，夹层内设置有多个导热柱16，第一板上设置有多个与夹层连通的发散孔12，冷却空气通过发散孔12进入夹层并在夹层内形成气膜毯，而导热柱16的设置有效提高了冷却空气的冷却性能。在保持相同壁面温度的条件下，采用层板冷却需要的冷却空气量更少。该项专利分别在英国、德国、美国、日本和法国进行了申请。该项专利被引用了128次，引用該项技术的除了燃气轮机之外，还涉及计算机等其他需要气冷的技术领域，可见该项专利技术引起了各个技术领域的广泛关注，对各领域的气冷技术起到了重要的推动作用。

3 结语

燃气轮机火焰筒冷却技术是一个技术水平和产业化较高的技术，目前火焰筒主动冷却的核心技术主要掌握在美、德、日、法、英几个发达国家的先进企业当中。我国近年来虽然加大了对燃气轮机火焰筒冷却技术的研究，但是由于我国燃气轮机起步晚，技术落后，与先进国家之间的还存在较大的技术差距。

单一的对流冷却和冲击冷却技术都具有一定的局限性，且由于这两项技术较为成熟，改进空间不大，所以如何将这两项技术与发散冷却及冲击冷却相结合是目前各大公司及科研机构研究的重点。

参考文献：

[1] 李孝堂.现代燃气轮机技术[M].北京：航空工业出版社，2006.

[2] 沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司.燃气轮机原理、结构与应用（上册）[M].北京：科学出版社，2002.

[3] 王璐.某型驻涡燃烧室冷却技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2001.