CN101403654A - 一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，包括：实验段单元，其包括进气整流装置和实验段，待测涡轮叶片置于实验段内；主流气源单元，产生实验段单元所需的主流空气，通过进气整流装置整流后，通入实验段；冷却空气单元，产生待测涡轮叶片所需的冷却空气；排气单元，将通过实验段的主流空气和冷却空气排出；数据采集单元，采集实验段内待测涡轮叶片的温度和压力参数，以及通入实验段和待测涡轮叶片的工质的参数，并进行上述数据的存储与分析；其特征在于，还包括冷却蒸汽单元，所述冷却蒸汽单元包括依次通过管道连接的水处理装置、给水装置、蒸汽发生器，蒸汽发生器产生冷却蒸汽通过实验段内的待测涡轮叶片后，排出实验段。

Description

一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的研究领域，特别涉及一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统。

技术背景

重型燃气轮机是现代电厂的重要发电设备之一，燃气进口温度越高，单机和联合循环的热效率越高。目前，联合循环机组效率已经达到60％，燃气轮机的透平入口温度也已达1500℃，甚至更高。在能源紧缺的现代，提高燃气轮机热效率显得尤为重要。但是，随着燃气轮机的燃气进口温度升高，燃机涡轮叶片的强度与寿命就会急速下降，近几十年来，透平入口燃气温度平均每年增加约20℃，而金属耐温程度仅以每年约8℃的速度增加，约60％是依靠冷却技术的进步来实现的。据美国NASA Langley研究中心统计，航空发动机的故障有60％出现在高温部件，并有不断上升趋势；我国一些发动机高温部件的寿命则仅有几百小时。造成该现象的主要原因除受材料和工艺水平约束以外，缺少对高温部件进行有效冷却也是重要原因。采用先进的冷却技术，有利于调节和降低热端部件内部温差，使高温部件在远远高于其耐热极限的环境中工作，有利于提高其工作安全性和工作寿命。同时，可以降低冷却气体使用量，有利于提高燃气轮机的功率及工作效率。冷却设计是制约燃机技术发展的关键瓶颈，提高冷却效率寻求更好的冷却方式实现预期设计要求是重型燃机发展的永恒主题。目前，国际上的燃机叶片冷却技术研究是围绕复合冷却展开的，复合式冷却结构主要包括叶片气膜冷却与叶片内部强化换热，是由内部对流、冲击冷却和外部气膜冷却复合而成。内部冷却主要是在叶片内部采用各种复杂通道，以提高叶片的壁面换热效率为主要形式；外部冷却主要是以外表面气膜冷却为主要形式。

从发展的角度看，随着燃气轮机功率越来越大、燃气温度越来越高，传统的气膜单工质冷却形式已越来越难于满足燃气轮机高效率、高可靠性发展要求。在重型燃气轮机方面，采用蒸汽与空气的复合工质冷却技术已成为目前国际发展的尖端技术与潮流。蒸汽在物性参数上比空气有更好的比热与换热特性，在内部冷却上比空气的冷却效率高很多，所以目前国外大公司普遍采取的是利用蒸汽闭式循环冷却叶片内部。但是，空气具有较好的隔热效果，在实现外部气膜冷却时有一定的优势，所以用蒸汽代替部分空气实现叶片内部冷却，用空气实现外部气膜冷却，采用这种双工质混合冷却可以减少燃气轮机压缩空气抽气量，有利于提高燃气轮机输出功率和工作效率。因此，如何协调利用这两种工质，提高冷却效率，实现更高的透平进口温度，是新一代重型燃机研究的关键问题所在。

目前，国内外有很多涡轮叶片空气冷却实验系统，基本有以下几种类型：1、主流空气(常温)+常温空气；2、主流空气(100℃左右)+冷却空气；3、主流空气(1000℃左右)+冷却空气。上述现有实验系统的结构和功能较单一，只能研究空气冷却涡轮叶片的相关特性，而且其实验过程基本都是瞬态，持续时间很短，数据采集需要在很短的时间内完成，数据的可靠性及其精度无法保证；而且现有实验装置无法实现蒸汽在涡轮叶片内部冷却的相关特性研究，更无法实现蒸汽、空气双工质综合冷却相关特性的研究，采用双工质混合冷却目前尚未见到报道。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有涡轮叶片冷却实验系统的技术缺陷，提出一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质(空气与蒸汽)冷却实验系统，该系统能够提供稳态的双工质冷却实验过程，并且具有工质温度高、适用范围广、系统柔性好的特点，系统可实现空气冷却、蒸汽冷却、空气与蒸汽混合冷却实验。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，包括：实验段单元，其包括进气整流装置和实验段，待测涡轮叶片置于实验段内；主流气源单元，产生实验段单元所需的主流空气，通过进气整流装置整流后，通入实验段；冷却空气单元，产生待测涡轮叶片所需的冷却空气，通入待测涡轮叶片；排气单元，连通实验段，将通过实验段的主流空气和冷却空气排出；数据采集单元，采集实验段内待测涡轮叶片的温度和压力参数，以及通入实验段和待测涡轮叶片的工质的参数，并进行上述数据的存储与分析；其特征在于，还包括冷却蒸汽单元，所述冷却蒸汽单元包括依次通过管道连接的水处理装置、给水装置、蒸汽发生器，蒸汽发生器产生冷却蒸汽通过实验段内的待测涡轮叶片后，排出实验段。

本发明的进一步特点在于：

还包括控制单元，调整实验段单元、主流气源单元、冷却空气单元、冷却蒸汽单元、排气单元以满足实验段所需工质的温度、压力和流量要求。

所述进气整流装置内设置有蜂窝器和阻尼网。

所述实验段设置有两个导向涡轮叶片、一个待测涡轮叶片，所述待测涡轮叶片置于两个导向涡轮叶片之间。

所述主流气源单元包括依次通过管道连接空气压缩机、主流空气储气罐、主流空气加热器，产生主流空气。

所述冷却空气单元包括冷却空气加热器，依次通过管道连接的冷却空气压缩机、冷却空气储气罐，冷却空气储气罐出口分两股，一股通过一个常温冷却空气调节阀向所述待测涡轮叶片提供常温冷却空气，另一股经冷却空气加热器加热后，通过一个高温冷却空气调节阀向所述待测涡轮叶片提供高温冷却空气。

所述排气单元包括依次通过管道连接的减温器、消音器。

本发明增加了冷却蒸汽单元，为进行涡轮叶片的冷却实验提供了单独可控的冷却蒸汽，可以完满实现双工质冷却实验；而且本发明中的主流气源单元、冷却空气单元也分别独立可控，可以持续提供主流空气和两种冷却工质，本实验系统是一个稳态系统。本实验系统中各主要单元相互独立，可以根据需要安装不同的实验段。因此，利用本实验系统可以方便的进行以下方面的研究：

(1)叶片内部蒸汽、空气强化换热机理研究；

(2)叶片外部高效气膜冷却机理研究；

(3)蒸汽、空气双工质冷却新原理研究；

(4)叶片的综合冷却特性和主要设计参数和冷却结构的影响研究；

(5)相关扩展实验研究。

附图说明

图1为本发明实验系统原理图；

图2为本发明实验系统中主流气源单元流程图；

图3为本发明实验系统中冷却空气单元流程图；

图4为本发明实验系统中冷却蒸汽单元流程图；

图5为本发明实验系统中实验段结构示意图；

其中：101、主流空气压缩机；102、主流空气过滤器；103、主流空气储气罐；104、主流空气加热器；201、数据采集装置；202、计算机；301、蜂窝器；302、进气整流装置；303、主流高温背压阀；304、实验段壳体；305、待测涡轮叶片；306、导向涡轮叶片；307、第一冷却空气进口；308、第一冷却蒸汽进口；309、冷却蒸汽出口；310、第二冷却蒸汽进口；311、第二冷却空气进口；312、法兰；313、主流空气调节阀；401、冷却空气压缩机；402、冷却空气过滤器；403、冷却空气储气罐；404、冷却空气总调节阀；405、常温冷却空气调节阀；406、冷却空气加热器；407、第一高温冷却空气调节阀；408、第二高温冷却空气调节阀；501、水处理装置；502、给水装置；503、蒸汽发生器；504、第一蒸汽调节阀；505、第二蒸汽调节阀；601、减温器；602、消音器

具体实施方式

下面结合附图对本发明实验系统的工作原理和操作方法作详细的说明。

参照图1，本实验系统主要包括如下几个部分：①主流气源单元；②实验段单元；③冷却空气单元；④冷却蒸汽单元；⑤数据采集单元；⑥控制单元；⑦排气单元。

实验段单元主要包括进气整流装置302和实验段304。进气整流装置302中装有蜂窝器301以及阻尼网。进气整流装置内装有蜂窝器301、阻尼网，使经过整流装置的主流空气气流品质较好，而且在实验段304进口处还装有紊流栅格，用来调整进入实验段的气体紊流度在合适的范围内。本实验段采用3叶片，2.5个通道的叶栅风洞形式进行实验，其中，两个导向涡轮叶片306中间设置待测涡轮叶片305，作为本实验系统要研究的叶片，待测涡轮叶片305上布置温度测点和压力测点。

结合图2，主流气源单元可以选用一台大流量空气压缩机，或选用几台小流量空气压缩机并联。选用几台小流量空气压缩机并联可以根据实验需要调节不同的工况，适用范围更广，而且当气量需求不大时，可以选择开启其中几台空气压缩机，这样可以节省能源。本实施例的主流气源单元由四台主流空气压缩机101并联供气。四台主流空气压缩机101产生的压缩空气分别通过阀门、流量计，在主流空气过滤器102入口合并为一股通入主流空气储气罐103。主流空气储气罐103内的压缩空气流入主流空气加热装置104，加热后成为具有一定压力的高温实验用主流空气。该加热装置有两种方案可以选择，即燃烧加热装置和电加热装置。电加热装置主要由加热器本体(可选择电阻丝作为加热元件)、调压器、控制柜等组成。燃烧加热装置的燃料可以选择柴油、煤油或天然气。燃烧加热装置的出口温度不易控制，而且组成较复杂，危险性较大。本实施例选用电加热装置，其结构简单，在低负荷时调节性能较好，出口温度易于控制，安全性较高。

结合图3，冷却空气单元由冷却空气压缩机401、冷却空气过滤器402、冷却空气储气罐403、冷却空气电加热器406、以及一系列、流量计、阀门、管道组成。单元产生的压缩冷却空气首先经过冷却空气总调节阀404后，分两股进入待测涡轮叶片305，其中一股气体从冷却空气储气罐403流出后直接进入待测涡轮叶片305，该股气体的温度即为空气压缩机的出口温度(常温)，其温度不可调节，作为常温冷却空气，通过常温冷却空气调节阀405向所述待测涡轮叶片提供；另一股气体从冷却空气储气罐403流出，经电加热器406加热到一定温度后，作为高温冷却空气，通过高温冷却空气调节阀向所述待测涡轮叶片提供。高温冷却空气的温度可以根据需要进行调节，调节范围由电加热器406功率大小决定。本实施例将高温冷却空气分两路，分别通过第一、第二高温冷却空气调节阀407、408调节。

数据采集单元的作用是采集并处理实验数据，提供准确的实验结果。数据采集单元主要包括计算机202，数据采集装置201，设置在管道上的多个压力、温度、流量传感器以及相应的变送器，变送器输出4-20mA的电流信号，这些电流信号经数据采集装置201后变换为数字信号，直接输入计算机202进行数据分析和存储。实验段温度测量采用200个热电偶丝埋入待测涡轮叶片305表面，测量其表面温度分布。

结合图4，冷却蒸汽单元的作用是为本实验系统提供一定压力的实验用冷却蒸汽。该单元主要包括依次通过管道连接的水处理装置501，给水装置502，蒸汽发生器503，以及辅助的控制柜、阀门和流量计等。冷却蒸汽单元的蒸汽发生器503产生冷却蒸汽通入实验段内的待测涡轮叶片305，冷却蒸汽也可以根据需要分几股进入待测涡轮叶片305。本实施例中将冷却蒸汽分为两股，分别由第一、第二蒸汽调节阀504、505控制。

排气单元主要包括减温器601、消音器602。减温器601、消音器602之间可以设置扩压器，消音效果更好。从实验段出来的气体流量较大、温度较高，噪声比较大。高温气体容易伤人，也容易对管道造成损坏，而且管道成本也较高，所以高温气体不宜直接排向大气。在排气之前需要将其温度降下来，还需要将流速尽可能的降低，这样可以减小噪音。本发明采用喷水降温式减温器601和排气消音器602。喷水降温式减温器601选用20个P型喷嘴环形布置。P型喷嘴是所有直接压力式喷嘴中最细密的雾化喷嘴，高压液体经过喷孔喷出后撞击目标靶针形成细密的水雾，喷雾角度为90°。排气消音器可采用尾气扩压段+泡沫陶瓷消音器。

控制单元主要是用来控制其他单元的启停及调节实验段所需相关参数(主要是温度、压力、流量)。本实验系统的控制点主要包括实验段入口处阀门的开度控制及信号反馈，各个空气压缩机起停控制及信号反馈，主流空气电加热器的起停控制、温度控制、压力控制及信号反馈，冷却空气电加热器的起停控制、温度控制、压力控制及信号反馈，蒸汽发生器的起停控制、压力控制、温度控制及信号反馈，以及排气单元中喷水减温所需水泵的起停控制等。当发生危险时，控制单元会自动报警并使整个实验系统处于最安全状态。

参照图5，实验段主要包括壳体304、两个导向涡轮叶片306、待测涡轮叶片305、法兰312。法兰312由上下两部分组成，具有固定叶片的凸起，待测涡轮叶片305上有固定凹槽，两者配合将叶片固定与法兰312下半部分，最后将法兰312上半部分盖上，布置好密封件，拧紧固定螺钉。测试是否漏气，如不漏气即可实验。该实验段是柔性可拆的，可以根据需要更换不同的实验段。

待测涡轮叶片305上有两个冷却蒸汽进口308、310，一个冷却蒸汽出口309，两个冷却空气进口307、311。冷却空气和冷却蒸汽分别有两股引入该实验段，当然还可以根据实际需求增加或减少。

高温主流空气进入叶栅时，冷却空气分别通过其两入口311、307进入待测涡轮叶片305参与实验，同样，冷却蒸汽也分别通过其两入口308、310进入待测涡轮叶片305参与实验。冷却蒸汽最后通过其出口309引出后排入集水坑，而冷却空气经由气膜孔跟随高温主流空气排入大气。其中，实验段的压力和流量通过主流调节阀313和高温背压阀303调节。待测涡轮叶片305的温度和压力通过变送器输出至数据采集装置201变换位数字信号，然后输入计算机202进行数据处理和存储。

本实验系统采用3叶片，2.5通道的叶栅风洞进行实验，高温主流空气可以模拟与实际燃气轮机内相似的高温流场，一方面可以加热试验叶片样件，另一方面可以用来研究气膜冷却的相关机理。为了达到更好的冷却效果，同时考虑叶片强度的要求，待测涡轮叶片305内应有几个不同的冷却通道，相应地，冷却空气和冷却蒸汽也有几股引入试验叶片。

本实验系统的工作过程是：首先，在实验系统中安装好测量装置(尤其是试验件上的测量装置)，将实验段安装在相应的位置。其次，检测整个系统是否存有安全隐患，确认整个系统安全不漏气。然后，打开所有阀门(除安全阀外)，顺序开启主流空气压缩机101(大流量先开)、冷却空气空气压缩机401、蒸汽发生器503，最后开启主流空气加热器104。由几台并联空气压缩机提供一定流量、一定压力的压缩空气，经主流空气过滤器102、主流空气储气罐103、流量计、阀门进入主流空气加热器104，此时，压缩气体被加热到400-450℃，形成高温压缩空气，作为主流空气。主流空气经进气整流装置302进入实验段304，一方面加热待测涡轮叶片305，另一方面模拟类似燃气轮机内部相似的高温流场。由冷却蒸汽单元产生的冷却蒸汽(100-200℃左右)以及冷却空气单元产生的冷却空气也同时参与试验。上述操作由控制单元实现，调整实验段单元、主流气源单元、冷却空气单元、冷却蒸汽单元、排气单元以满足实验段所需工质的温度、压力和流量要求。当各控制点参数调节到预期值时，数据采集单元201开始采集数据，数据经采集、调理后输入计算机202，进行数据处理和存贮。流经实验段304的高温主流空气经喷水减温601后进入排气消音装置602，最终排向大气，冷却空气也跟随高温主流空气排入大气，冷却蒸汽排入集水坑。本实验系统是一个稳态系统，调节到指定工况下可以长时间运行，采集数据可以在不同时间进行多次采集，最后进行平均，这样能保证实验结果的精度。

Claims (7)

1、一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，包括：实验段单元，其包括进气整流装置和实验段，待测涡轮叶片置于实验段内；主流气源单元，产生实验段单元所需的主流空气，通过进气整流装置整流后，通入实验段；冷却空气单元，产生待测涡轮叶片所需的冷却空气，通入待测涡轮叶片；排气单元，连通实验段，将通过实验段的主流空气和冷却空气排出；数据采集单元，采集实验段内待测涡轮叶片的温度和压力参数，以及通入实验段和待测涡轮叶片的工质的参数，并进行上述数据的存储与分析；其特征在于，还包括冷却蒸汽单元，所述冷却蒸汽单元包括依次通过管道连接的水处理装置、给水装置、蒸汽发生器，蒸汽发生器产生冷却蒸汽通过实验段内的待测涡轮叶片后，排出实验段。

2、根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，其特征在于，还包括控制单元，调整实验段单元、主流气源单元、冷却空气单元、冷却蒸汽单元、排气单元以满足实验段所需工质的温度、压力和流量要求。

3、根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，其特征在于，所述进气整流装置内设置有蜂窝器和阻尼网。

4、根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，其特征在于，所述实验段设置有两个导向涡轮叶片、一个待测涡轮叶片，所述待测涡轮叶片置于两个导向涡轮叶片之间。

5、根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，其特征在于，所述主流气源单元包括依次通过管道连接空气压缩机、主流空气储气罐、主流空气加热器，产生主流空气。

6、根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，其特征在于，所述冷却空气单元包括冷却空气加热器，依次通过管道连接的冷却空气压缩机、冷却空气储气罐，冷却空气储气罐出口分两股，一股通过一个常温冷却空气调节阀向所述待测涡轮叶片提供常温冷却空气，另一股经冷却空气加热器加热后，通过一个高温冷却空气调节阀向所述待测涡轮叶片提供高温冷却空气。

7、根据权利要求1所述的一种用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，其特征在于，所述排气单元包括依次通过管道连接的减温器、消音器。

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