先進(jìn)的冷卻技術(shù)可使熱端部件能承受更高的工作溫度，提高燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)熱效率，延長(zhǎng)燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命，提高系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。據(jù)推算，如果無(wú)冷卻導(dǎo)向葉片材料的使用溫度能達(dá)到1470 K，則該導(dǎo)向葉片采用內(nèi)部對(duì)流冷卻時(shí)，可使渦輪進(jìn)口溫度提高到2200 K。由此可見，開展葉片冷卻技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

燃?xì)廨啓C(jī)作為大型動(dòng)力裝置，廣泛應(yīng)用于發(fā)電，船舶，航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。其主要性能指標(biāo)為系統(tǒng)循環(huán)熱效率和輸出功率，它們均隨渦輪轉(zhuǎn)子燃?xì)膺M(jìn)口溫度（RIT）的增加而增加。據(jù)計(jì)算，RIT 在1073～1273 K范圍內(nèi)每提高100℃，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率將增加20%～25%，節(jié)省燃料6%～7%。

所以，要使燃?xì)廨啓C(jī)性能的不斷提高，關(guān)鍵在于提高RIT，但伴隨而RIT的提高，燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件材料的耐熱問題也隨之而來(lái)。目前，燃?xì)廨啓C(jī)的RIT遠(yuǎn)高于渦輪葉片金屬材料的熔點(diǎn)；下一代燃?xì)廨啓C(jī)若以氫氣和人造氣為燃料，RIT將會(huì)更高，如果不能成功的解決這一問題，用提高RIT來(lái)提高燃?xì)廨啓C(jī)性能只能是個(gè)美好的愿望。

1燃?xì)廨啓C(jī)氣冷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程

早期的渦輪葉片沒有采用冷卻技術(shù)，RIT受葉片材料的限制，很難超過(guò)1 323 K。為了突破這一瓶頸，氣體冷卻技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)踐中，這一技術(shù)是用來(lái)自不同壓縮級(jí)的壓縮空氣作為冷劑對(duì)燃?xì)鉁u輪的熱端部件進(jìn)行冷卻，可大幅提高燃?xì)獬鯗亍Ｓ捎诳諝馊菀撰@取，實(shí)踐成本較低，空氣冷卻得以快速發(fā)展，應(yīng)用頗廣。

但隨著人們對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的要求不斷提高，繼續(xù)使用空氣冷卻將消耗掉大量的壓縮氣，這對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能的提高不利。據(jù)估計(jì)，按現(xiàn)有傳統(tǒng)復(fù)合冷卻技術(shù)，當(dāng)高性能渦輪系統(tǒng)RIT > 1763 K時(shí)約有35 %的壓縮空氣用于熱通道組件的冷卻，用于燃燒的空氣更少，這將大大減少了渦輪系統(tǒng)的循環(huán)熱效率和輸出功率。

另外，冷卻空氣的流道由于提高燃?xì)廨啓C(jī)的初溫和高壓冷卻空氣的流動(dòng)以及冷卻空氣與主流燃?xì)獾膿交鞄?lái)較大的熱力和氣動(dòng)損失。這些因素將降低燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，且各種損失還隨冷卻介質(zhì)流量的增加而增加，將與提高RIT的收益相抵消。

為了解決這一問題，一方面需要改進(jìn)氣冷結(jié)構(gòu)和發(fā)展新型結(jié)構(gòu)，另一方面則可以采用其它介質(zhì)來(lái)代替空氣作冷卻介質(zhì)。新介質(zhì)被要求既易得可用，冷卻效果好，損失較小，又能保持已有冷卻技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性和可靠性。

對(duì)大型陸用燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)講，水蒸氣是葉片冷卻介質(zhì)的首選。使用蒸汽作為冷卻介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)有蒸汽來(lái)源豐富，且可再次利用，在任何采用空氣冷卻的系統(tǒng)中使用，不會(huì)使冷卻葉片轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和制造工藝變得復(fù)雜。與空氣相比，水蒸氣冷卻運(yùn)行能耗低、損失小，克服了空氣冷卻的所有不足，可通過(guò)增加冷卻蒸汽流量來(lái)更多地提高RIT。因?yàn)檎羝麎毫Σ皇軌簹鈾C(jī)出口壓力的限制，所以冷卻蒸汽流量的增加，冷卻通道的流阻不會(huì)遇到什么困難。

此外，許多專家和科研人員另辟蹊徑，從已發(fā)展成熟的空氣冷卻技術(shù)著手對(duì)進(jìn)一步提高燃?xì)獬鯗刈隽舜罅垦芯?，并取得了一些進(jìn)展。結(jié)果表明向空氣中加入水霧時(shí)冷卻效果較純空氣的冷卻效果好，但由于水滴吸熱蒸發(fā)后變成水蒸氣，引入一個(gè)新組分，其換熱強(qiáng)化機(jī)理和液滴動(dòng)力學(xué)方面極為復(fù)雜，直至目前幾乎所有的試驗(yàn)研究，尚不適用于實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片冷卻。

由此向高性能大型燃?xì)廨啓C(jī)的冷卻蒸汽中添加水霧以強(qiáng)化換熱的想法就產(chǎn)生了，這種新的想法被稱為汽霧冷卻技術(shù)。研究表明，汽霧冷卻與傳統(tǒng)空氣冷卻相比，換熱系數(shù)較高、強(qiáng)化冷卻效果好并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)原有結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，可以采用現(xiàn)有的蒸汽冷卻結(jié)構(gòu)，具有蒸汽冷卻的所有優(yōu)點(diǎn)，換熱系數(shù)較純蒸汽流的高，蒸汽的消耗量大大減少，增加蒸汽輪機(jī)的輸出功率，提高了總效率；易于管理和控制，能確保冷卻通道不被水滴堵塞以及內(nèi)部冷劑流中水霧的嚴(yán)重蒸發(fā)，既克服了過(guò)多水冷卻時(shí)產(chǎn)生的過(guò)冷現(xiàn)象，又消除了沸騰所產(chǎn)生的流動(dòng)不穩(wěn)定振顫的存在性。

2空氣冷卻技術(shù)

空氣冷卻技術(shù)為傳統(tǒng)的葉片冷卻技術(shù)， 即從壓氣機(jī)出口抽取空氣來(lái)冷卻透平葉片的高溫?zé)岵考?。作為最早發(fā)展的冷卻技術(shù)，空氣冷卻技術(shù)已經(jīng)日臻完善，迄今為止，空氣冷卻的技術(shù)手段有對(duì)流冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻和氣膜冷卻等。為了達(dá)到更加理想的冷卻效果，現(xiàn)在多采用以上幾種冷卻方式的組合，其透平初溫可以達(dá)到1430℃。

對(duì)流冷卻多用于高溫部件的內(nèi)部，將渦輪葉片做成空心葉片，在內(nèi)部形成冷卻通道，當(dāng)冷氣從冷卻通道通過(guò)時(shí)，就可以將高溫燃?xì)鈧鹘o葉片的熱量帶走，達(dá)到對(duì)葉片冷卻的目的。但對(duì)流冷卻效果不明顯，而且會(huì)在葉片表面形成很強(qiáng)的壓溫度梯度，縮短葉片的使用壽命。

沖擊冷卻主要是利用高速氣流沖刷被冷卻表面，以實(shí)現(xiàn)冷卻，其多用于高溫部件的內(nèi)部冷卻，特別是渦輪葉片的前緣部位。工作時(shí)，高速氣流從內(nèi)部沖刷被冷卻部位，帶走另一側(cè)燃?xì)馑盏臒崃?。它的主要缺點(diǎn)是壓力損失大，容易造成被冷卻部件產(chǎn)生較大的溫度梯度，引起熱應(yīng)力。

發(fā)散冷卻是在被冷卻表面上開有許多小孔，讓冷氣從小孔溢出并附著在表面上，形成一層保護(hù)層，阻隔燃?xì)庀虮砻鎮(zhèn)鳠帷＿@種冷卻方式比上述兩種冷卻方式冷卻效果都好，但它的缺陷是：氣膜孔堵塞會(huì)導(dǎo)致冷卻效果急劇下降，表面的氧化會(huì)使葉片降低其機(jī)械強(qiáng)度，并增大邊界層的流動(dòng)損失，氣膜冷卻技術(shù)的基本原理是：在壁面附近沿一定方向向主流噴入冷氣，這股冷氣在主流的壓力和摩擦力作用下向下游彎曲，粘附在壁面附近，形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃?xì)飧綦x，并帶走部分高溫燃?xì)饣蛎髁粱鹧鎸?duì)壁面的輻射熱量，從而對(duì)壁面起到良好的保護(hù)作用。

圖1 導(dǎo)向葉片氣膜冷卻的氣流流動(dòng)形式示意圖

圖1導(dǎo)向葉片氣膜冷卻的氣流流動(dòng)形式氣膜冷卻與發(fā)散冷卻相比，氣膜冷卻技術(shù)采用較少的射流孔，且射流孔較為集中，噴射的冷氣也較為集中，并可以在表面形成持續(xù)的冷氣氣膜，射流孔的射流方向和位置分布都可以調(diào)整，用最少的冷氣量達(dá)到最好的冷卻效果。從而氣膜冷卻不僅可以達(dá)到有效冷卻的目的，而且還可以控制噴射造成的氣動(dòng)損失、湍流流動(dòng)和壁面熱應(yīng)力集中等來(lái)達(dá)到最佳冷卻的目的。

有關(guān)空氣冷卻技術(shù)的發(fā)展歷程的內(nèi)容，中文文獻(xiàn)中很少有記載，這既有可能是這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)非常普及，誰(shuí)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有過(guò)關(guān)鍵的貢獻(xiàn)已經(jīng)沒有人能弄得清了。

3蒸汽冷卻

蒸汽冷卻的提出有兩個(gè)前提，一是蒸汽本身的性能優(yōu)越，相比空氣，其導(dǎo)熱性好，冷卻效率高；二是蒸汽冷卻能解決空氣冷卻消耗冷卻介質(zhì)消耗過(guò)多這一難題，增大了燃?xì)鉁u輪工質(zhì)流量，提高壓氣機(jī)和渦輪的效率。蒸汽的獲得非常方便，一般不用外加熱源：在燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)循環(huán)中，可以利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣通過(guò)余熱鍋爐獲得冷卻所需蒸汽；而在聯(lián)合循環(huán)中，可以從蒸汽循環(huán)中獲得冷卻用蒸汽。目前，應(yīng)用蒸汽冷卻技術(shù)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱效率已經(jīng)突破60%。

蒸汽冷卻的發(fā)展最早要追溯到Rice，上世紀(jì)七十年代末，他提出了用蒸汽輪機(jī)循環(huán)獲取的過(guò)熱蒸汽去冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉片的想法。這個(gè)想法被Han 和Jenkins用理論分析的方法加以證實(shí)，他們認(rèn)為由于蒸汽相比空氣具有良好的熱力學(xué)性質(zhì)，在相同的狀態(tài)下，以蒸汽為工質(zhì)的氣膜冷卻效率比以空氣為工質(zhì)的氣膜冷卻效率高出一倍。

在實(shí)驗(yàn)研究上，Conkin先行了一步，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)用于氣膜冷卻的直葉型，在此基礎(chǔ)上分別研究了空氣和蒸汽的氣膜冷卻效果；得出了以下結(jié)論：1）在相同的吹風(fēng)比情況下，不同測(cè)量位置的蒸汽的氣膜冷卻效率大致是空氣氣膜冷卻效率的兩倍，而且隨著測(cè)量位置由葉片前端向后端的移動(dòng)，蒸汽的氣膜冷卻效率比空氣的氣膜冷卻效率下降快；2）在相同的測(cè)量位置，蒸汽和空氣的氣膜冷卻效率都隨吹風(fēng)比的增大而增大，但蒸汽的氣膜冷卻效率的增長(zhǎng)率小于空氣的氣膜冷卻效率增長(zhǎng)率，且兩者在吹風(fēng)比為1附近時(shí)增長(zhǎng)的幅度都明顯下降。

目前，GE公司已經(jīng)在其最新的H型燃?xì)廨啓C(jī)上采用閉式蒸汽冷卻技術(shù)，H型燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)第一次明確蒸汽冷卻這一概念，并明確了蒸汽冷卻下燃?xì)廨啓C(jī)的一些設(shè)計(jì)要求：

1對(duì)冷卻蒸汽的要求

在蒸汽冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，蒸汽的純度是至關(guān)重要的，應(yīng)避免雜質(zhì)堆積在葉片噴嘴的內(nèi)表面上。全部蒸汽應(yīng)取自由汽包蒸發(fā)出的蒸汽以適于蒸汽純度的要求，并應(yīng)對(duì)高壓蒸汽進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，按規(guī)定蒸汽需進(jìn)行全部過(guò)濾并使用除鹽水。另外，在備用狀態(tài)下，全部高壓管線及冷卻蒸汽管線中需要充滿氮?dú)庖苑栏g。氮?dú)庀到y(tǒng)可以是供余熱鍋爐的使用常規(guī)充氮系統(tǒng)的擴(kuò)展。

2對(duì)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的要求

H型燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)Fr7H和Fr9H由CF6－80C2航空發(fā)動(dòng)機(jī)及LM6000燃?xì)廨啓C(jī)衍生而來(lái)。Fr7H是由CF6－80C2航空發(fā)動(dòng)機(jī)以2.6:1的比例放大而來(lái)的，而Fr9H是CF6－80C2以3.1:1的比例放大而來(lái)的，他們都增加了4級(jí)壓氣機(jī)葉片，但在葉片的安排上略有不同。性能方面，F(xiàn)r7H具有23∶1的壓比及558 kg／s的空氣流量，而Fr9H則有685 kg／s的空氣流量。此外，為了防止蒸汽到達(dá)動(dòng)葉片，GE采用通常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的密封技術(shù)——管狀密封。

3火焰筒設(shè)計(jì)

最初的H型燃燒系統(tǒng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鉛合金火焰筒／環(huán)型分布干式低氮氧化物設(shè)計(jì)。為適應(yīng)流量的增加，F(xiàn)r9H及Fr7H機(jī)組的火焰筒直徑與FA系列相比增加20%。Fr9H使用14只火焰筒，F(xiàn)r7H使用12只火焰筒。

日本的三菱重工在其M501G燃?xì)廨啓C(jī)上也實(shí)現(xiàn)了蒸汽冷卻技術(shù)的應(yīng)用，熱風(fēng)洞測(cè)量的結(jié)果顯示，蒸汽冷卻的冷卻效果比空氣冷卻的冷卻效果約高出5%，與常規(guī)的501F的燃燒室比較，蒸汽冷卻的M501G節(jié)省通常用于燃燒室和過(guò)渡段冷卻的冷卻空氣流量的10%～20%。

Corman J.C.認(rèn)為：應(yīng)用蒸汽冷卻以后，隨著渦輪進(jìn)口燃?xì)赓|(zhì)量流量的增大，渦輪的輸出功率增大，同時(shí)也便于應(yīng)用先進(jìn)的預(yù)混燃燒室來(lái)降低污染；另外在注蒸汽燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中應(yīng)用開式蒸汽冷卻要優(yōu)于閉式或半閉式蒸汽冷卻；而在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，在燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用閉式或半閉式蒸汽冷卻更有效。

在前人研究的基礎(chǔ)上，Yousef S.H. Najjar（2003）等人比較了空氣冷卻、開式蒸汽冷卻和閉路蒸汽冷卻三種冷卻方案的性能。得出三種冷卻方案下燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)效率和功率系數(shù)有明顯的差別，其中閉路蒸汽冷卻方案在總體性能上優(yōu)于空氣冷卻和開式蒸汽冷卻；即在相同的工況下，采用閉路蒸汽冷卻方案的聯(lián)合循環(huán)的功率系數(shù)、總效率分別比采用空氣冷卻的方案高出11%和3.2%。

在中國(guó)，燃?xì)廨啓C(jī)雖然歷經(jīng)了50年的發(fā)展，但與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)無(wú)論在整機(jī)設(shè)計(jì)還是制造方面與國(guó)外還有很大的差距。國(guó)內(nèi)對(duì)蒸汽冷卻的研究還處在探索階段，通過(guò)大量的理論分析，研究人員對(duì)蒸汽冷卻的效果達(dá)成共識(shí)，即認(rèn)為與空氣冷卻方式相比，蒸汽冷卻不僅可以提高系統(tǒng)效率，而且使系統(tǒng)具有良好的環(huán)保性能。

4汽霧冷卻技術(shù)

汽霧冷卻是向蒸汽中添加水霧形成汽霧兩相流來(lái)改善蒸汽換熱能力的一項(xiàng)冷卻技術(shù)，通過(guò)改善蒸汽的品質(zhì)減少其消耗量，既保證了有效的冷卻，又提高了渦輪系統(tǒng)的整體性能。

美國(guó)克魯森大學(xué)的科研小組對(duì)汽霧冷卻進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)性研究，并取得一些進(jìn)展。T.Guo等人對(duì)水平加熱直管的汽霧冷卻進(jìn)行研究，分析了壁面加熱與不加熱情況下汽霧的冷卻效果。

此外，他們還研究了水霧濃度和液滴的大小及其分布對(duì)冷卻效果的影響：水霧濃度過(guò)低，液滴熱沉作用不明顯，反過(guò)來(lái)，霧濃度過(guò)高，易產(chǎn)生液膜，造成局部過(guò)冷；液滴過(guò)小，不易穿過(guò)熱邊界層，強(qiáng)化不明顯，液滴過(guò)大，其隨動(dòng)性較差。由于汽霧冷卻仍處于探索階段，相關(guān)文獻(xiàn)不是很多，但作為一項(xiàng)新的葉片冷卻技術(shù)，其前景是誘人的。

5總結(jié)

對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)狀的分析讓我的心情有些沉重，國(guó)內(nèi)的技術(shù)雖然落后，但為什么我們?cè)伊隋X，出了人，研究了幾十年，依然沒有起色，在寫這篇作業(yè)的過(guò)程中，我仔細(xì)對(duì)比了國(guó)內(nèi)外所取得的成果，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的成果主要集中在可行性分析，理論初探，真正到了要花錢的地方，我們還是捉襟見肘，而國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，如GE和三菱，他們舍得花錢去試驗(yàn)。當(dāng)然，科研經(jīng)費(fèi)的差距不容忽視，我們現(xiàn)在能做的就是在現(xiàn)有的條件下，盡可能的把理論研究透了，以減少試驗(yàn)的成本。就燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻而言，我們似乎任重而道遠(yuǎn)。