CN105588712A - 采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，包括透平叶片试验系统、叶片冷却空气系统和冷却水系统；透平叶片试验系统包括依次连接的主流进气阀、进气调节阀、金属膨胀节、燃烧器、透平叶片试验段、排气减温器、排气碟阀、消音塔；主流进气阀抽取压气机排气；冷却空气系统包括冷却空气进气阀与冷却空气调节阀，冷却空气进气阀抽取压气机排气，冷却空气调节阀连接透平叶片试验段；冷却水系统包括冷却塔，燃烧器出口处及排气减温器入口处分别通过进水管道与冷却塔连接，透平叶片试验段进、出口处分别通过出水管道与冷却塔连接。本发明提供的装置及方法可以更准确、更方便、更低成本地进行透平动、静叶片冷却效果试验。

Description

采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种采用电站燃气轮机压气机后抽气的透平叶片冷却效果试验装置及方法，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

透平叶片是燃气轮机的关键热端部件，透平叶片的工作温度超出设计值10℃，透平叶片寿命将会减半。由于燃气轮机透平叶片的冷却结构设计技术十分复杂，新研制的透平叶片样件，都需要进行透平叶片冷却效果验证试验。在透平叶片冷却效果试验证实叶片基体的工作温度没有超过镍基单晶或定向结晶叶片工作温度的条件下，透平叶片冷却结构设计才能定型。透平叶片冷却效果试验是燃气轮机高温透平叶片研制的必要环节。

现有技术和公开文献报道，试验研究大都采用建立试验台位，透平叶片冷却效果试验参数低于实际工况参数，没有采用电站燃气轮机压气机后抽气进行透平叶片工作参数的冷却效果的试验方法。在燃气轮机电站，采用压气机后抽气，进行透平叶片冷却效果试验，除了试验参数同燃气轮机透平叶片实际工况参数基本一致的特点之外，还可以减少试验装置的设备购置费用与试验动力费用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何更准确、更方便、更低成本地进行透平叶片冷却效果试验。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，电站燃气轮机包括压气机，其特征在于，包括：

抽取所述压气机排气作为主流空气，并燃烧形成燃气，进入透平叶片试验段的透平叶片试验系统；

抽取所述压气机排气作为冷却空气，从而对透平叶片试验段进行冷却的叶片冷却空气系统；

用于对透平叶片试验段的进、排气管道壳程进行冷却的冷却水系统。

优选地，所述透平叶片试验系统包括依次连接的主流进气阀、进气调节阀、金属膨胀节、燃烧器、透平叶片试验段、排气减温器、排气碟阀、消音塔；主流进气阀与所述压气机的排气缸连接；

所述冷却空气系统包括通过管道连接的冷却空气进气阀与冷却空气调节阀，冷却空气进气阀与所述压气机的排气缸连接，冷却空气调节阀通过管道连接所述透平叶片试验段；

所述冷却水系统包括冷却塔，所述燃烧器出口处及排气减温器入口处的双层管道壳程分别通过进水管道与冷却塔连接，透平叶片试验段进、出口处的双层管道壳程分别通过出水管道与冷却塔连接，冷却塔还连接补水管道。

优选地，所述透平叶片试验段设有3-7只全尺寸透平叶片，构成2-6个透平叶片流道；

所述透平叶片试验段与叶片冷却空气系统连接，冷却空气从静叶片的顶部或动叶片的根部进入透平叶片内部冷却通道；

所述透平叶片试验段前后的进气管道与排气管道均为双层管道，均与所述冷却水系统连接，双层管道之间采用冷却水冷却。

优选地，所述透平叶片试验段的壳体为双层壳体，双层壳体之间设有隔热材料；所述透平叶片试验段全部的进气管道及排气管道外侧设有石棉保温套。

更优选地，所述保温套外的壁温不超过50℃。

优选地，所述金属膨胀节设于燃烧器前的主流进气管道上，用于吸收主流进气管道的膨胀量。

优选地，所述排气减温器与冷却水系统连接，冷却水喷入排气减温器来降低排气温度，排气经过排气碟阀进入消音塔以降低噪音，再排入大气。

优选地，所述冷却塔的进、出水及补水管道上均设有水泵及阀门。

本发明还提供了一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验方法，采用上述采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，步骤为：抽取所述燃气轮机的压气机出口的空气作为主流空气与冷却空气；主流空气经燃烧器燃烧形成工作温度的燃气，作为透平叶片试验段的主流燃气；冷却空气从静叶片的顶部或动叶片的根部进入透平叶片内部冷却通道，透平叶片试验段前后的燃气进、排气管道的双层壳体之间采用冷却水冷却；透平叶片试验段出来的排气通过排气减温器减温、消音塔降低噪音后排入大气。

优选地，通过所述主流进气阀抽取压气机的排气缸中的空气作为主流空气；通过所述冷却空气进气阀抽取压气机的排气缸中的空气作为冷却空气。

优选地，抽取的压气机出口的空气流量占压气机进口流量的1.83％-6.67％。

优选地，通过调整主流进气阀与进气调节阀的开度控制主流进气流量，通过调整排气蝶阀的开度控制透平叶片试验段的主流进气压力；通过调整冷却空气进气阀与冷却空气调节阀的开度来控制冷却空气的流量与压力。

优选地，测量透平叶片试验系统的燃烧器前空气的流量、压力与温度，燃烧器后燃气的压力与温度，透平叶片试验段的透平叶片的金属温度，以及冷却空气系统的冷却空气的流量、压力与温度。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)采用电站燃气轮机压气机抽气进行透平叶片冷却效果试验，主流参数与冷却空气参数与产品实际工作工况基本一致，测量的透平叶片基体温度与实际叶片工作温度相同，可以用来进行透平静叶片的冷却效果试验，也可以进行透平动叶片的静态冷却效果试验，能够完全模拟透平静叶片的实际工况；

(2)采用电站燃气轮机压气机抽气的透平叶片冷却效果的试验方法，与专门建立的工作工况透平叶片冷却效果试验装置相比，可以减少提供全温全压主流空气的透平压缩机和空气电加热器，以及冷却空气的鼓风机、过滤器和空气加热器，还可以减少试验装置的设备购置费用以及透平压缩机、鼓风机和空气电加热器的耗电费用。

附图说明

图1为本发明采用燃气轮机压气机后抽气的透平叶片冷却效果试验装置的示意图；

图2为本发明透平叶片试验段的示意图；

图中：

1.燃气轮机；2.压气机；3.燃烧室；4.透平；5透平叶片试验系统；6.叶片冷却空气系统；7.冷却水系统；8.主流进气阀；9.进气调节阀；10.金属膨胀节；11.燃烧器；12.透平叶片试验段；13.排气减温器；14.排气碟阀；15.消音塔；16.冷却空气进气阀；17.冷却空气调节阀；18水泵；19.补水管道及阀门；20.进水管道及阀门；21.冷却塔；22.出水管道及阀门；23.流量测点；24.压力测点；25.温度测点；26.透平叶片。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供了一种采用电站燃气轮机抽气的透平叶片冷却效果试验装置及方法，可以用来进行透平静叶片的冷却效果试验，也可以进行透平动叶片的静态冷却效果试验，实现了透平叶片工作工况参数的冷却效果试验。

图1为本发明采用的电站燃气轮机压气机后抽气的透平叶片冷却效果试验装置的示意图，电站燃气轮机1包括依次连接的压气机2、燃烧室3和透平4；采用电站燃气轮机1的压气机2抽气的透平叶片冷却效果试验装置包括透平叶片试验系统5、叶片冷却空气系统6和冷却水系统7。

透平叶片试验系统5包括依次连接的主流进气阀8、进气调节阀9、金属膨胀节10、燃烧器11、透平叶片试验段12、排气减温器13、排气碟阀14、消音塔15。

主流进气阀8与电站燃气轮机1的压气机2连接，抽气口位于燃气轮机1的压气机2的排气缸，采用抽气管道和主流进气阀8抽取压气机2的排气缸中的空气作为主流试验用空气。

透平叶片试验段12安装3-7只全尺寸透平叶片，构成2-6个透平叶片流道，透平叶片试验段12与叶片冷却空气系统6连接，冷却空气从静叶片的顶部或动叶片的根部进入透平叶片内部冷却通道，透平叶片试验段12的壳体设计为双层壳体，双层壳体之间加装隔热材料，金属膨胀节10安装在燃烧器11前的主流进气管道上来吸收进气管道的膨胀量。

主流空气经燃烧器11燃烧形成工作温度的燃气，透平叶片试验段12前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，与冷却水系统7连接，双层管道之间采用冷却水冷却，全部进气管道及排气管道外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃。

排气减温器13与冷却水系统7连接，冷却水喷入排气减温器13来降低排气温度，排气经过排气碟阀14进入消音塔15以降低高速气流产生的噪音，再排入大气。

冷却空气系统6包括通过管道连接的冷却空气进气阀16与冷却空气调节阀17，冷却空气进气阀16与电站燃气轮机1的压气机2连接，抽气口位于燃气轮机1的压气机2的排气缸，采用抽气管道和冷却空气进气阀16抽取压气机2排气缸中的空气作为透平叶片的冷却空气。冷却空气调节阀17通过管道连接透平叶片试验段12。冷却空气调节阀17与透平叶片试验段12连接的管道上设有流量测点23、压力测点24、温度测点25。

冷却水系统7包括水泵18、补水管道及阀门19、进水管道及阀门20、冷却塔21、出水管道及阀门22。燃烧器11出口处、排气减温器13入口处及排气减温器13内部分别通过进水管道及阀门20与冷却塔21连接，进水管道上设有水泵18。透平叶片试验段12进出口处分别通过出水管道及阀门22与冷却塔21连接。冷却塔21还连接补水管道及阀门19，补水管道上设有水泵18。

采用现有测试技术，测量透平叶片试验系统5的燃烧器11前空气的流量M、压力P与温度T，燃烧器11后燃气的压力P与温度T，透平叶片试验段12的透平叶片的金属温度T，以及冷却空气系统6的冷却空气的流量M、压力P与温度T。

本发明提供的采用电站燃气轮机1的压气机2抽气的透平叶片冷却效果的试验方法如下：在燃气轮机1的压气机2的排气缸上安装抽气口，抽取燃气轮机1的压气机2出口的空气作为主流空气与冷却空气，主流空气经燃烧器11燃烧形成工作温度的燃气，作为透平叶片冷却效果试验的主流燃气，通过调整主流进气阀8与进气调节阀9的开度控制主流进气流量，通过调整排气蝶阀14的开度调整透平叶片试验段12主流进气压力；通过调整冷却空气进气阀16与冷却空气调节阀17的开度来控制冷却空气的流量与压力。

图2所示为7只透平叶片26试验段的示意图。对某型号300MW的F级燃气轮机，压气机进口空气流量为730kg/s，由3只透平叶片构成2个透平叶片流道以及7只透平叶片构成6个透平叶片流道的第一级静叶片与第一级动叶片冷却效果试验的空气流量的计算结果列于表1，透平叶片冷却效果试验抽取的压气机的空气流量约占电站燃气轮机压气机进口流量的1.83％-6.67％，不会影响电站燃气轮机的安全运行。

[表1]

本发明提供的采用电站燃气轮机压气机抽气的透平叶片冷却效果的试验方法，与传统建立的工作工况透平叶片冷却效果试验装置相比，可以减少提供全温全压主流空气的透平压缩机和空气电加热器，以及冷却空气的鼓风机、过滤器和冷却空气加热器，还可以减少试验装置的设备购置费用4000-7000万元；这些透平压缩机、鼓风机和空气电加热器的功率17000-20000kW，一种透平叶片冷却效果试验做5个工况，每个工况试验按1小时计算，试验用电75000-100000kWh；若工业用电的每kWh的电费按0.90元计算，采用本发明提供的方法，可以节约电费67500-90000元。

Claims (10)

1.一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，电站燃气轮机(1)包括压气机(2)，其特征在于，包括：

抽取所述压气机(2)排气作为主流空气，并燃烧形成燃气，进入透平叶片试验段(12)的透平叶片试验系统(5)；

抽取所述压气机(2)排气作为冷却空气，从而对透平叶片试验段(12)进行冷却的叶片冷却空气系统(6)；

用于对透平叶片试验段(12)的进、排气管道壳程进行冷却的冷却水系统(7)。

2.如权利要求1所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，其特征在于：

所述透平叶片试验系统(5)包括依次连接的主流进气阀(8)、进气调节阀(9)、金属膨胀节(10)、燃烧器(11)、透平叶片试验段(12)、排气减温器(13)、排气碟阀(14)、消音塔(15)；主流进气阀(8)与所述压气机(2)的排气缸连接；

所述冷却空气系统(6)包括通过管道连接的冷却空气进气阀(16)与冷却空气调节阀(17)，冷却空气进气阀(16)与所述压气机(2)的排气缸连接，冷却空气调节阀(17)通过管道连接所述透平叶片试验段(12)；

所述冷却水系统(7)包括冷却塔(21)，所述燃烧器(11)出口处及排气减温器(13)入口处的双层管道壳程分别通过进水管道与冷却塔(21)连接，透平叶片试验段(12)进、出口处的双层管道壳程分别通过出水管道与冷却塔(21)连接，冷却塔(21)还连接补水管道。

3.如权利要求2所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，其特征在于：所述透平叶片试验段(12)设有3-7只全尺寸透平叶片，构成2-6个透平叶片流道；

所述透平叶片试验段(12)与叶片冷却空气系统(6)连接，冷却空气从静叶片的顶部或动叶片的根部进入透平叶片内部冷却通道；

所述透平叶片试验段(12)前后的进气管道与排气管道均为双层管道，均与所述冷却水系统(7)连接，双层管道之间采用冷却水冷却。

4.如权利要求2或3所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，其特征在于：所述透平叶片试验段(12)的壳体为双层壳体，双层壳体之间设有隔热材料；所述透平叶片试验段(12)全部的进气管道及排气管道外侧设有石棉保温套。

5.如权利要求2所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，其特征在于：所述排气减温器(13)与冷却水系统(7)连接，冷却水喷入排气减温器(13)来降低排气温度，排气经过排气碟阀(14)进入消音塔(15)以降低噪音，再排入大气。

6.如权利要求2所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，其特征在于：所述冷却塔(21)的进、出水及补水管道上均设有水泵(18)及阀门。

7.一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验方法，其特征在于：采用如权利要求1～6任一项所述的采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验装置，步骤为：抽取所述燃气轮机(1)的压气机(2)出口的空气作为主流空气与冷却空气；主流空气经燃烧器(11)燃烧形成工作温度的燃气，作为透平叶片试验段(12)的主流燃气；冷却空气从静叶片的顶部或动叶片的根部进入透平叶片内部冷却通道，透平叶片试验段(12)前后的燃气进、排气管道的双层壳体之间采用冷却水冷却；透平叶片试验段(12)出来的排气通过排气减温器(13)减温、消音塔(15)降低噪音后排入大气。

8.如权利要求7所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验方法，其特征在于：通过所述主流进气阀(8)抽取压气机(2)的排气缸中的空气作为主流空气；通过所述冷却空气进气阀(16)抽取压气机(2)的排气缸中的空气作为冷却空气。

9.如权利要求7所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验方法，其特征在于：通过调整主流进气阀(8)与进气调节阀(9)的开度控制主流进气流量，通过调整排气蝶阀(14)的开度控制透平叶片试验段(12)的主流进气压力；通过调整冷却空气进气阀(16)与冷却空气调节阀(17)的开度来控制冷却空气的流量与压力。

10.如权利要求9所述的一种采用燃机压气机抽气的透平叶片冷却效果试验方法，其特征在于：测量透平叶片试验系统(5)的燃烧器(11)前空气的流量、压力与温度，燃烧器(11)后燃气的压力与温度，透平叶片试验段(12)的透平叶片的金属温度，以及冷却空气系统(6)的冷却空气的流量、压力与温度。