科普 | 炙烤下旋转的舞者-涡轮叶片冷却

目前，H级燃气轮机涡轮进口温度已经达到了1600摄氏度以上，这样的温度已经远远超过了涡轮叶片的金属材料的熔点，如果没有有效的冷却措施，涡轮叶片就会被烧坏，甚至熔化。在这种情况下，涡轮叶片的冷却不足会导致叶片产生过大的热应力，造成叶片的提前失效。这可能给燃气轮机的安全运行带来危险。

为了保护涡轮叶片不被高温破坏，就需要用到涡轮冷却技术，它是一种通过降低涡轮叶片的温度来提高其承温能力的技术。涡轮冷却技术主要包括三个方面：冷却设计技术、材料技术和涂层技术。下面，我们就来分别介绍一下这三个方面的内容。

冷却设计技术是指通过在涡轮叶片内部和外部设置合理的冷却结构，使冷却空气与叶片表面形成有效的换热，从而降低叶片的温度。根据冷却空气的流动位置，冷却设计技术可以分为内部冷却和外部冷却两种。

内部冷却是指在涡轮叶片内部设置一些蛇行通道或肋板等结构，使冷却空气在叶片内部流动，与叶片内壁进行换热，从而降低叶片的温度。射流冲击冷却和肋柱冷却及蛇行通道等都是内冷，为了提高内部冷却的效果，常常采用一些增强换热的方法。

外部冷却是指将内部的冷却空气通过一些气膜孔或槽缝等结构喷出叶片表面，与高温燃气形成一层冷却气膜，从而在叶片和燃气之间形成一种隔热屏障，防止燃气的热量传递到叶片。外部冷却的优点是能够有效地冷却叶片的表面，减少叶片的热应力和热疲劳。外部冷却的缺点是会消耗一部分冷却空气，降低燃气轮机的效率。为了提高外部冷却的效果，可以采用一些优化的气膜结构，如复合气膜、槽缝气膜等。

内部冷却和外部冷却通常是结合使用的，以达到最佳的冷却效果。未来冷却技术将以现有的冷却技术为基础向着两个方向发展：一是开发现有冷却技术的潜力，提高冷却效果，如研究不同冷却结构和冷气配比对冷却效果的影响，不同冷却结构的优化组合等；二是开发新的冷却方式如发散冷却和层板冷却等。

材料技术是指通过开发和使用一些具有高温强度和耐腐蚀性的新型材料，来提高涡轮叶片承温能力和强度。目前为止，涡轮叶片的材料已经发展了近40年。从最初的锻造高温合金、铸造高温合金，到变形合金、定向凝固合金，再到单晶高温合金，总体来说，涡轮叶片的材料主要有两大类：金属材料和非金属材料。

金属材料是指一些合金材料，它们由多种金属元素组成，具有较高的强度和韧性，经过了几十年的发展，已经达到了很高的水平。目前，涡轮叶片的金属材料主要有三种：锻造高温合金、铸造高温合金和单晶高温合金。

锻造高温合金是指可以进行冷热变形加工，具有良好的力学性能和综合强度、韧性，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。锻造高温合金是最早应用的涡轮叶片材料，它们的使用温度在800℃左右，难以满足涡轮叶片对材料承受高温能力的要求。

铸造高温合金是指以铸造方法直接制备零部件的一类合金，它们具有较高的高温强度和抗氧化性能，但也有较低的塑性和韧性。铸造高温合金可以通过定向凝固和单晶技术进一步提高其性能。定向凝固高温合金是指在铸造过程中控制合金的结晶方向，使其与叶片的主应力轴方向一致，从而提高合金的塑性和热疲劳性能。定向凝固高温合金的使用温度可以达到1000℃，并且具有较高的寿命。

单晶高温合金是指在铸造过程中完全消除晶界，使合金呈现出单一的晶体结构，从而避免了晶界引起的蠕变和热疲劳等问题。目前单晶合金材料已发展到第四代，承温能力提升到1140℃，并且具有最高的强度和稳定性。

非金属材料是指一些非金属或非金属基的材料，它们具有较高的比强度和耐高温性能，但也有较低的韧性和抗冲击性能。非金属材料是涡轮叶片的新型材料，它们的使用温度可以超过1300℃，并且具有较低的密度和热膨胀系数。目前，非金属材料主要有两种：陶瓷基复合材料和金属间化合物。

陶瓷基复合材料（CMC）是指以陶瓷为基体，通过添加纤维或颗粒等增强相来提高其强度和韧性的一类材料。CMC具有高温强度、耐氧化、耐腐蚀等优点，目前，CMC的工作温度高达1650℃，陶瓷基复合材料（CMC）成为未来燃气轮机的核心技术之一，但其目前在燃气轮机涡轮叶片上应用较少。

金属间化合物是指由两种或多种金属元素按一定的原子比组成的具有特定结构的化合物，它们具有高温强度、耐氧化、耐腐蚀等优点，但有较低的塑性和韧性等缺点。

涂层技术是指通过在涡轮叶片的表面施加一层或多层防护涂层，来提高其抗氧化和抗热腐蚀能力，从而降低基底材料的温度，提高涡轮进口温度的技术。涂层技术是涡轮叶片的重要补充技术，它能够有效地延长涡轮叶片的寿命，提高燃气轮机的效率和可靠性。涂层技术主要包括两个方面：热障涂层技术和防护涂层技术。

热障涂层技术是指在涡轮叶片的表面涂覆一层具有低热导率和高热膨胀系数的陶瓷材料，从而形成一种热屏障，减少燃气对叶片的热量传递，降低叶片的温度。涡轮叶片热障涂层多采用先进陶瓷材料，其熔点高、强度大、热导率低，性能优异。