9H燃机叶片冷却技术的发展与应用

摘要：文章以西门子SGT5-8000H重型燃气轮机为研究对象，分析了其透平叶片冷却系统的技术特点。研究表明，该机型通过采用对流、冲击和气膜的复合冷却技术，结合创新的分级供气方案和智能控制系统，使冷却空气用量控制在15%以内，实现了一级静叶0.6的局部冷却效率。其冷却结构设计和空气系统优化方案具有显著创新性，在保证高温可靠性的同时，实现了系统效率的提升，为大型燃气轮机的发展提供了重要技术参考。

关键词：燃气轮机叶片冷却；复合冷却技术；分级供气系统

1.引言

提高重型燃气轮机性能的关键在于提升透平进口温度，而确保透平叶片在更高温度工况下可靠运行主要依靠三个方面：（1）开发新型高温合金材料和先进热障涂层，提升叶片的耐温能力；（2）优化叶片冷却结构设计，提高冷却效率；（3）完善监测和保护系统，实现精准温度控制。西门子公司的SGT5-8000H燃气轮机作为新一代重型机组的代表，其透平叶片采用了气膜冷却、冲击冷却和对流冷却等多种先进冷却技术的组合应用[1]。该机型通过合理配置不同级别叶片的冷却方式，优化冷却空气的压力分配，实现了高效的叶片降温效果。本文将重点分析9H燃机透平叶片冷却系统的技术特点，探讨其在提升机组性能方面的重要作用，为国产燃气轮机的研发提供参考。

2.9H燃机透平叶片冷却系统概述

2.1透平叶片的结构特点

SGT5-8000H燃机采用四级透平结构设计，每级透平叶片均采用了先进的三维空气动力学设计理念。叶片型面采用复杂的三维扭曲设计，有效降低了二次流损失。叶片内部设计了复杂的冷却通道网络，包括多层蛇形冷却通道、冲击冷却腔体以及前缘和尾缘的特殊冷却结构[2]。前三级静叶和动叶的叶型设计中集成了气膜冷却孔，其布局经过精确计算和优化，既保证了良好的冷却效果，又最大限度地降低了气动损失。第四级叶片由于工作温度相对较低，采用实心叶片设计，无需复杂的内部冷却结构。

2.2叶片材料与热障涂层应用

该机型的透平叶片采用高温合金精铸工艺制造，材料选用具有优异高温性能的镍基单晶合金[3]。前三级静叶和动叶表面采用先进的热障涂层系统，包括金属粘结层和陶瓷隔热层双层结构。粘结层采用MCrAlY涂层，提供良好的抗氧化性能和结合强度；陶瓷层主要由氧化钇稳定的氧化锆构成，具有优异的隔热性能和抗热震性能。热障涂层的应用显著降低了金属基体的工作温度，提高了叶片的使用寿命。第四级叶片因工作温度相对较低，仅采用抗氧化涂层保护。

2.3冷却空气系统总体设计

冷却空气系统采用分级供气的设计理念，根据各级叶片的温度要求和压力匹配关系，合理分配冷却空气。系统设计充分考虑了各级叶片的工作温度和所需冷却效果，采用了不同的冷却方式组合。一、二级采用对流冷却、冲击冷却和气膜冷却的复合冷却方案，三级主要采用对流冷却，四级静叶采用简单对流冷却。整个系统的冷却空气总量控制在压气机进口空气量的15%以内，既保证了有效的冷却效果，又控制了气动性能损失。

3.9H燃机叶片冷却技术分析

3.1主要冷却方式介绍

3.1.1对流冷却

对流冷却是9H燃机叶片最基础的冷却方式，在所有级的静动叶片中都有应用。其原理是冷却空气在叶片内部冷却通道中平行流动，通过强制对流换热降低叶片温度。叶片内部设计了蛇形流道，增加了冷却空气的流动长度和换热面积，提高了换热效率。此种冷却方式结构简单，可靠性高，但单独使用时冷却效果相对有限。

3.1.2冲击冷却

冲击冷却主要应用于一、二级静叶，通过在叶片内部设置多排小孔，使高压冷却空气垂直冲击叶片内壁，产生强烈的湍流换热。这种冷却方式可在局部区域获得很高的换热系数，特别适用于叶片前缘等热负荷集中区域的冷却。冷却效果较对流冷却显著提升，但需要较高的压差来驱动冷却空气。

3.1.3气膜冷却

气膜冷却技术在高温部件（一、二级静叶和动叶）中广泛应用。通过在叶片表面设置大量精确分布的小孔，将冷却空气喷出形成连续的冷气膜，覆盖在叶片表面，有效隔离高温燃气。该技术不仅提供了表面隔热效果，还能降低叶片表面换热系数，是最有效的外表面保护方式。

3.2静叶冷却技术应用

3.2.1一、二级静叶复合冷却技术

一、二级静叶承受最高的燃气温度，采用了对流、冲击和气膜三种冷却方式的复合应用。

冷却空气首先在前室进行冲击冷却，然后通过内部蛇形通道进行对流冷却，最后从表面气膜孔喷出形成保护膜。该复合冷却系统由压气机出口引出的高压冷却空气供给，确保了足够的压差和流量，实现了最佳的冷却效果。

3.2.2三、四级静叶对流冷却技术

由于后级静叶工作温度相对较低，仅采用对流冷却方式已能满足要求。三级静叶的冷却空气来自压气机第8级，四级静叶则取自第5级，冷却空气压力和温度与叶片工况相匹配。内部冷却通道采用优化设计，提高了换热效率，同时简化了结构，提高了可靠性。

3.3动叶冷却技术应用

3.3.1一、二级动叶气膜-对流复合冷却

一、二级动叶采用气膜和对流复合冷却方案。叶片内部设计了复杂的多通道结构，实现强化对流换热，同时在叶片表面特别是前缘区域布置了气膜冷却孔阵列。冷却空气在完成内部对流换热后，通过气膜孔射出形成保护气膜。这种复合冷却方案既确保了充分的内部换热，又提供了有效的外部热防护。

3.3.2三级动叶对流冷却

三级动叶工作温度已显著降低，仅采用对流冷却方式。其冷却空气取自压气机第8级，经预旋流器调节后进入叶片。内部冷却通道经过优化设计，采用多通道布置提高换热效率，同时保持了结构的简单可靠。这种设计既满足了冷却需求，又降低了系统复杂度和制造成本。

4.冷却系统性能分析

4.1冷却效率分析

9H燃机叶片冷却系统的整体效率主要通过冷却效率系数来评估。一级静叶采用三重复合冷却方式，其局部冷却效率可达到0.6以上，平均冷却效率维持在0.5左右。二级静叶的冷却效率略低，约为0.45。动叶片方面，一级动叶采用气膜-对流复合冷却，其平均冷却效率达到0.42，气膜覆盖区域的局部冷却效率最高可达0.55。后级叶片由于仅采用对流冷却，冷却效率相对较低，但考虑到其工作温度较低，仍能满足设计要求。

4.2冷却空气流量分配优化

通过精确计算和试验验证，确定了各级叶片最优的冷却空气分配比例。在总量控制在15%的前提下，一级静叶和动叶由于承受最高温度，分配比例最大，约占总流量的40%。二级叶片分配30%，三级分配20%，四级静叶仅占10%。这种梯度分配方案既确保了高温区域获得充足的冷却空气，又避免了过度冷却造成的性能损失，实现了冷却效果和系统效率的最优平衡。

6.结语

9H燃气轮机透平叶片冷却技术的发展体现了现代重型燃机设计的先进理念。通过对流、冲击和气膜等多种冷却方式的合理组合，以及冷却空气系统的优化设计，实现了高效的叶片降温效果。其创新的分级供气方案和智能控制系统，确保了机组在高温工况下的可靠运行。这些技术成果不仅推动了燃气轮机向更高性能发展，也为国产燃机的自主研发提供了重要参考。

参考文献

[1]张盈盈，郑露霞，张士杰. 基于联合冷却计算模型的9HA.02燃气轮机冷却空气量预测及参数分析[J]. 中国电机工程学报，2023，43（2）：619-629，中插15.

[2]徐亮，孙子能，席雷，等.先进重型燃气轮机冷却技术现状及发展[J].燃气轮机技术，2022，35（04）：1-10.