燃气轮机冲击冷却技术

纪亲礼

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

燃气轮机冲击冷却技术

纪亲礼

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

针对燃气轮机冲击冷却及高性能冷却结构技术的研究，介绍了研究试验分析方法，研究对象包括吸热的复杂形状，故采用试验检测方法为主，辅以有助于现象理解的数值分析及分析精度评价的研究方法。

燃气轮机；冲击冷却；试验检测

0 引言

冲击冷却技术已经有很长的历史了，人们对冷却结构也已经做过很多研究，并且总结出很多精确度比较高的冷却性能预测公式。随着近年来制造加工技术（精密铸造等）的进步和对冷却性能的更高要求，对各种复杂（复合）的高性能冷却结构的研究也取得了进步。本文主要介绍对冷却要素技术的研究。

1 冲击冷却的要素研究

1）多排孔的冲击冷却。除了前缘冷却以外，很少采用单排孔的冲击冷却技术。在采用多排孔冲击冷却时，其上游发生的横向气流对冷却性能的影响很大。

为了降低横向气流，研究了减少沿流向的冲击冷却孔数、并增大孔径的非一般冷却系统。研究还包含了凸缘和倒圆曲率对冷却性能的影响，研究人员也进行了非一般系统的研究。研究结果表明：在同一流量下，非一般结构可以从整体上提高冷却性能，并有利于冷却性能和流量分配的均匀性。

2）冲击/发散冷却。冲击/发散冷却是可以有效降低横向气流，达到外部冷却效果的结构。复合冷却结构也可以看作是这种冷却结构的延伸。

3）冲击冷却和涡流促进体。在通道等对流冷却时，很早就开始使用凸缘（凸起结构）和凹窝（下凹结构）的涡流促进体。在冲击冷却当中也正在研究用凹凸不平元件相结合的复合结构来促进涡流的形成。

4）前缘冲击冷却。在叶片前缘部分，外部面积大于内部冷却面积，采用内部对流冷却的效果不好，故大多采用冲击冷却和气膜冷却（头部喷淋和腮孔）并用的方式。而这是一种冷却性能受气膜喷出孔位置影响，而且气膜冷却孔内部冷却效果也很重要的复杂系统。

5）试验计测技术。在开发要素技术时，大多采用常压风洞试验。此时，关键是要获得流体的可视化、冷却性能的面分布和速度场·紊流计测等详细数据。各研究机构在进行研究时应用了感温液晶、红外摄相机和萘升华法等来进行冷却性能的面计测。并用激光流速计、热线（热膜）流速计等来进行速度场计测。在很多情况下是应用向固体内部扩散温度的非定常法来替代需要花时间等待温度场稳定的定常法。

6）数值分析技术。本领域的数值分析（CFD和复合分析）尚在评价阶段。因为对流冷却的人为促进效果大多占10%左右，所以笔者认为在对前述效果进行评价时数值分析的误差（包括试验测量误差）应该在10%左右。

此领域内至今大多使用市场上出售的CFD（计算流体动力学）程序，所以要提高准确度，和销售商的合作也是很重要的。

2 具有复杂内部结构的高性能冷却结构

在冲击冷却当中，确保导热面和喷射孔之间的距离是很重要的，由此想到了将冲击冷却板和靶板（即相当于叶片内面）连同来促进紊流和扩大导热面积的复合结构。采用这样的结构应该能够得到前所未有的高冷却性能，下面将对复杂的、先进的冷却结构的研究进行介绍。

1）整体铸造冷却结构。此结构的优点在于冲击冷却板和叶片的外壁是一体化结构，所以冲击冷却板也可以进行热交换。

2）对采用了雪花状内部散热片的结构进行气膜冷却孔的张角和孔距配置间隔对冷却性能的影响研究。孔距配置间隔较小时，倾斜的气膜冷却孔可以提高冷却性能；孔距配置间隔较大时，采用垂直孔和倾斜孔的冷却性能没有差别。

3）复合型冲击冷却结构。将冲击冷却孔和气膜冷却孔按棋盘方式配置，在以这些孔为顶点的正方形中心处配置一根短柱作为基本结构，计算和测量了这种基本结构冷却侧的传热率分布。

4）网眼式冷却结构。和冲击冷却、气膜冷却不同，提出了网眼式冷却结构，这是一种复杂的双层壁复合式冷却结构。这种冷却结构是由凹窝、凸缘、短杆3种紊流促进结构组合构成，其冷却效果成倍提高，传热率约是单纯平面流道结构的3倍。

5）格子冷却结构。格子冷却结构的传热率和压损等导热特性与带有紊流促进体的曲折流道结构处于同等水平，但具有良好的可铸性和确保叶片结构强度的优点。

研究结果表明，格子冷却结构的折返部份导热促进效果达到平滑面的3倍。旋转对格子冷却结构的影响并没有那么大。

3 结语

文中概述了冲击冷却的问题，并简介了几种最新的高性能冷却结构的研究情况、预期采用的技术、实现这些技术的难处，以及实现这些技术可达到的效果。冷却结构和复合型冲击冷却结构等属于难度较高的技术，但其技术效果良好。

（编辑：立 明）

TK 269

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1002－2333（2014）04－0252－02

纪亲礼（1963—），男，工程师，主要从事汽轮机技术工作。

2013-11-25