CN105738120B - 重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置 - Google Patents
重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，包括：通过空气压缩机提供主流空气，并燃烧形成燃气，进入透平叶片试验段的透平叶片试验主流系统；通过鼓风机提供冷却空气，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。本发明同时还提供了透平叶片主流系统与叶片冷却空气系统的具体参数设计方法。本发明主流燃气参数和冷却空气参数与燃气轮机设计工况一致，测量的透平叶片基体金属温度与透平叶片的实际工作温度相同；可以用来进行燃气轮机透平动、静叶片的冷却效果试验，能够完全模拟透平静叶片的实际工况，可以测量透平动、静叶片的冷却效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种重型燃气轮机透平叶片的全温全压冷却效果试验装置及其参数设计方法，属于燃气轮机技术领域。
背景技术
先进的重型燃气轮机有300MW的F级燃气轮机、400MW的H级燃气轮机和470MW的J级燃气轮机等，F级燃气轮机透平进气温度达到1400℃、H级燃气轮机透平进气温度达到1500℃、J级燃气轮机透平进气温度达到1600℃，F级燃气轮机联合循环的功率达到455MW、H级燃气轮机联合循环的功率达到600MW、J级燃气轮机联合循环的功率达到4680MW，F级燃气轮机联合循环的效率达到59.5％、H级燃气轮机联合循环的效率达到60.0％、J级燃气轮机联合循环的效率达到61.7％。透平叶片是重型燃气轮机的关键热端部件，重型燃气轮机透平叶片的研制，需要进行透平叶片冷却效果验证试验，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，没有重型燃气轮机透平叶片的全温全压冷却效果试验装置，更没有其参数设计方法。建立重型燃机透平叶片全温全压冷却效果试验装置，确定透平叶片主流系统与叶片冷却空气系统的设计参数，可以实现试验参数同燃气轮机透平叶片设计工况参数一致，透平叶片金属壁温测试结果可以表征透平叶片基体的工作温度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种重型燃气轮机透平叶片的全温全压冷却效果试验装置，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，以实现透平叶片设计工况参数的冷却效果试验。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于，包括：
通过空气压缩机提供主流空气，并燃烧形成燃气，进入透平叶片试验段的透平叶片试验主流系统；
通过鼓风机提供冷却空气，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，所述透平叶片试验主流系统由依次连接的离心空气压缩机、主流进气放空阀、进气调节阀、主流流量喷嘴、电加热器、金属膨胀节、燃烧器、透平叶片试验段、排气减温器、排气蝶阀、消音塔组成；
所述冷却空气系统包括依次连接的罗茨鼓风机、冷却空气放空阀、冷却空气调节阀、冷却空气流量计、冷却空气电加热器，冷却空气电加热器连接透平叶片试验段；
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，通过调整所述主流进气放空阀与进气调节阀的开度来控制主流空气的流量；通过电加热器预热主流空气；通过金属膨胀节吸收燃烧器进气管道的膨胀量；通过调整排气蝶阀的开度调整透平叶片试验段的进气压力。
优选地，所述主流流量喷嘴前面的直管段管道直径大于主流流量喷嘴后面的直管段管道直径；所述冷却空气流量计前面的直管段管道直径大于冷却空气流量计后面的直管段管道直径。
更优选地，所述主流流量喷嘴前面设有20倍管道直径的直管段，主流流量喷嘴后面设有10倍管道直径的直管段。
更优选地，所述冷却空气流量计前面设有20倍管道直径的直管段，冷却空气流量计后面设有10倍管道直径的直管段。
优选地，所述透平叶片试验段上设有3～7只全尺寸透平叶片，构成2～6个透平叶片流道；
透平叶片试验段与所述冷却空气系统连接，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；
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；
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。
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，两侧有燃气流道的所述全尺寸透平叶片上安装金属壁温测点；透平叶片试验主流系统的电加热器与叶片冷却空气系统的冷却空气电加热器前后的管道上均安装压力测点与温度测点，透平叶片试验主流系统的燃烧器后的管道上安装压力测点与温度测点。
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。
优选地，所述透平叶片试验主流系统全部进气管道及排气管道、叶片冷却空气系统管道与冷却水系统的出水管道，外侧均加装石棉保温套。
更优选地，所述保温套外的壁温不超过50℃。
优选地，通过电加热器预热主流空气达到300℃至500℃。
优选地，通过冷却空气电加热器预热冷却空气达到300℃至500℃。
优选地，所述透平叶片主流系统与叶片冷却空气系统的具体参数设计方法，包括如下步骤：
步骤一：主流燃气总温取设计工况参数；
步骤二：主流燃气总压取设计工况参数；
步骤三：透平叶片试验段背压P1取设计工况参数；
步骤四：计算透平叶片试验段膨胀比π的公式为
式中：
——主流燃气总压
P1——透平叶片试验段背压；
步骤五：计算主流燃气流量Gg的公式为
式中：
Zp——试验装置的叶片流道数
Zp，D——燃气轮机透平叶片的流道总数
Gg，D——设计工况的透平燃气进口流量；
步骤六：冷却空气总温取设计工况参数；
步骤七：冷却空气总压取设计工况参数；
步骤八：计算冷却空气流量Gc的公式为
式中：
Zb——试验装置的叶片数量
Zb，D——燃气轮机透平的叶片总数
Gc，D——设计工况叶片冷却空气的流量；
步骤九：计算透平叶片出口马赫数M的公式为
式中：
a——当地声速
c——透平叶片出口速度；
步骤十：计算透平叶片出口雷诺数Re的公式为
式中：
b——透平叶片弦长
c——透平叶片出口速度
v——燃气的运动粘度。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)主流燃气参数和冷却空气参数与燃气轮机设计工况一致，测量的透平叶片基体金属温度与透平叶片的实际工作温度相同；
(2)可以用来进行燃气轮机透平静叶片的冷却效果试验，能够完全模拟透平静叶片的实际工况，可以测量透平静叶片的冷却效果；
(3)可以用来进行燃气轮机透平动叶片的静态冷却效果试验，可以测量动叶片的静态冷却效果。
附图说明
图1为本发明重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置的示意图；
图2为本发明透平叶片试验段的示意图。
图中：
1.透平叶片试验主流系统；2.叶片冷却空气系统；3.冷却水系统；4.离心空气压缩机；5.主流进气放空阀；6.进气调节阀；7.主流流量喷嘴；8.金属膨胀节；9.电加热器；10.燃烧器；11.透平叶片试验段；12排气减温器；13.排气蝶阀；14.消音塔；15.罗茨鼓风机；16.冷却空气放空阀；17.冷却空气调节阀；18.冷却空气流量计；19.冷却空气电加热器；20.水泵；21.补水管道及阀门；22.进水管道及阀门；23.冷却塔；24.出水管道及阀门；25.压力测点；26.温度测点；27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。
本发明提供了一种重型燃气轮机透平叶片的全温全压冷却效果试验装置，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，实现了透平叶片设计工况参数的冷却效果试验。
如图1所示，本发明提供的采重型燃气轮机透平叶片的全温全压冷却效果试验装置包括透平叶片试验主流系统1、叶片冷却空气系统2和冷却水系统3。
透平叶片试验主流系统1包括依次连接的离心空气压缩机4、主流进气放空阀5、进气调节阀6、主流流量喷嘴7、电加热器8、金属膨胀节9、燃烧器10、透平叶片试验段11、排气减温器12、排气蝶阀13、消音塔14。
离心空气压缩机4提供主流空气，通过调整主流进气放空阀5与进气调节阀6的开度来控制主流空气的流量。主流流量喷嘴7前面设计有20倍管道直径的直管段，主流流量喷嘴7后面设计有10倍管道直径的直管段，以保证测量精度。电加热器8用于预热主流空气达到300℃至500℃。金属膨胀节9用于吸收进气管道的膨胀量。在燃烧器10中，主流空气与喷入的燃料相混合并燃烧成为1300℃～1700℃的主流燃气。
透平叶片试验段11上安装有3～7只全尺寸透平叶片，构成2～6个透平叶片 流道，在两侧有燃气流道的1～7只全尺寸透平叶片上安装金属壁温测点。透平叶片试验段11的壳体设计为双层壳体，双层壳体之间加装隔热材料。
透平叶片试验段11与冷却空气系统2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11前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水系统连接，双层管道之间采用冷却水冷却。
排气减温器12与冷却水系统3连接，冷却水喷入排气减温器12来降低排气温度。排气蝶阀13安装在排气减温器12与消音塔14之间，通过调整排气蝶阀13的开度调整透平叶片试验段11进气压力。试验系统排气进入消音塔14以降低高速气流产生的噪音，再排入大气。
冷却空气系统2包括依次连接的罗茨鼓风机15、冷却空气放空阀16、冷却空气调节阀17、冷却空气流量计18、冷却空气电加热器19。
罗茨鼓风机15提供冷却空气，通过调整却空气放空阀16、冷却空气调节阀17的开度来控制冷却空气的压力和流量。
冷却空气流量计18，用来测量冷却空气的流量，冷却空气流量计18前面设计有20倍管道直径的直管段，冷却空气流量计18后面设计有10倍管道直径的直管段，以保证测量精度。
冷却空气电加热器19的预热冷却空气达到300℃至500℃。
冷却水系统3包括水泵20、补水管道及阀门21、进水管道及阀门22、冷却塔23、出水管道及阀门24。
冷却水系统3有4台水泵20、1条补水管道与阀门21、3条进水管道与阀门22和2条出水管道与阀门24，其中1台水泵及1条补水管道与阀门21为冷却水系统3提供补水，1台水泵及1条进水管道与阀门22为排气减温器12提供喷水，2台水泵及2条进水管道与阀门22为燃烧器10前面与后面的双层管道提供冷却水，2条出水管道与阀门24把冷却管道后出水输送到冷却塔23。冷却塔23可以降低出水温度，并为透平叶片试验主流系统1提供冷却水。
透平叶片试验主流系统1全部进气管道及排气管道、叶片冷却空气系统2管道与冷却水系统3的出水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃。
透平叶片试验主流系统1的电加热器8与叶片冷却空气系统3的冷却空气电加热器19前后的管道上均安装压力测点25与温度测点26，透平叶片试验主流系统1的燃烧器10后的管道上安装压力测点25与温度测点26。
其中，透平叶片主流系统1与叶片冷却空气系统2的参数设计方法，包括以下几个步骤：
步骤一：主流燃气总温取设计工况参数；
步骤二：主流燃气总压取设计工况参数；
步骤三：透平叶片试验段背压P1取设计工况参数；
步骤四：计算透平叶片试验段膨胀比π的公式为
式中：
——主流燃气总压
P1——透平叶片试验段背压；
步骤五：计算主流燃气流量Gg的公式为
式中：
Zp——试验装置的叶片流道数
Zp，D——燃气轮机透平叶片的流道总数
Gg，D——设计工况的透平燃气进口流量；
步骤六：冷却空气总温取设计工况参数；
步骤七：冷却空气总压取设计工况参数；
步骤八：计算冷却空气流量Gc的公式为
式中：
Zb——试验装置的叶片数量
zb，D——燃气轮机透平的叶片总数
Gc，D——设计工况叶片冷却空气的流量；
步骤九：计算透平叶片出口马赫数M的公式为
式中：
a——当地声速
c——透平叶片出口速度；
步骤十：计算透平叶片出口雷诺数Re的公式为
式中：
b——透平叶片弦长
c——透平叶片出口速度
v——燃气的运动粘度。
如图2所示，某型号300MW的F级燃气轮机5只透平叶片试验段的示意图，5只透平叶片构成4个透平叶片流道。对于该燃气轮机进行第一级静叶片冷却效果试验与第一级动叶片静态冷却效果试验，透平叶片主流系统1与叶片冷却空气系统2的参数设计方法步骤一至步骤十的计算结果列于表1。
[表1]
由表1可见，主流燃气参数和冷却空气参数与燃气轮机设计工况一致，测量的透平叶片基体金属温度与透平叶片的实际工作温度相同。
以上所述，仅是根据本发明技术方案给出的300MW的F级燃气轮机第一级静叶片冷却效果试验与第一级动叶片静态冷却效果试验的实施例，并非对本发明作参数上限制，依据本发明提供的技术方案开展不同功率等级的重型燃气轮机透平叶片的冷效试验，仍属于本发明权利要求书的保护范围。
Claims (9)
1.一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于，包括：
通过空气压缩机提供主流空气，并燃烧形成燃气，进入透平叶片试验段(11)的透平叶片试验主流系统(1)；
通过鼓风机提供冷却空气，从而对透平叶片试验段(11)进行冷却的叶片冷却空气系统(2)；
用于对透平叶片试验段(11)的进、排气管道壳程进行冷却的冷却水系统(3)；
所述透平叶片试验主流系统(1)由依次连接的离心空气压缩机(4)、主流进气放空阀(5)、进气调节阀(6)、主流流量喷嘴(7)、电加热器(8)、金属膨胀节(9)、燃烧器(10)、透平叶片试验段(11)、排气减温器(12)、排气蝶阀(13)、消音塔(14)组成；
所述叶片冷却空气系统(2)包括依次连接的罗茨鼓风机(15)、冷却空气放空阀(16)、冷却空气调节阀(17)、冷却空气流量计(18)、冷却空气电加热器(19)，冷却空气电加热器(19)连接透平叶片试验段(11)；
所述冷却水系统(3)包括冷却塔(23)，所述燃烧器(10)出口处及排气减温器(12)入口处的双层管道壳程分别通过进水管道与冷却塔(23)连接，透平叶片试验段(11)进、出口处的双层管道壳程分别通过出水管道与冷却塔(23)连接，冷却塔(23)还连接补水管道。
2.如权利要求1所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：通过调整所述主流进气放空阀(5)与进气调节阀(6)的开度来控制主流空气的流量；通过电加热器(8)预热主流空气；通过金属膨胀节(9)吸收燃烧器(10)进气管道的膨胀量；通过调整排气蝶阀(13)的开度调整透平叶片试验段(11)的进气压力。
3.如权利要求1所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：所述主流流量喷嘴(7)前面的直管段管道直径大于主流流量喷嘴(7)后面的直管段管道直径；所述冷却空气流量计(18)前面的直管段管道直径大于冷却空气流量计(18)后面的直管段管道直径。
4.如权利要求3所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：所述透平叶片试验段(11)上设有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(11)与所述叶片冷却空气系统(2)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(11)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(3)连接，双层管道之间采用冷却水冷却；
透平叶片试验段(11)的壳体为双层壳体，双层壳体之间设有隔热材料。
5.如权利要求4所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：所述排气减温器(12)与冷却水系统(3)连接，冷却水喷入排气减温器(12)来降低排气温度；排气经过排气碟阀(13)进入消音塔(14)以降低噪音，再排入大气。
6.如权利要求4所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：两侧有燃气流道的所述全尺寸透平叶片上安装金属壁温测点；透平叶片试验主流系统(1)的电加热器(8)与叶片冷却空气系统(2)的冷却空气电加热器(19)前后的管道上均安装压力测点与温度测点，透平叶片试验主流系统(1)的燃烧器(10)后的管道上安装压力测点与温度测点。
7.如权利要求1所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：所述冷却塔(23)的进、出水及补水管道上均设有水泵(20)及阀门。
8.如权利要求1所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：所述透平叶片试验主流系统(1)全部进气管道及排气管道、叶片冷却空气系统(2)管道与冷却水系统(3)的出水管道，外侧均加装石棉保温套。
9.如权利要求1所述的一种重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置，其特征在于：所述透平叶片主流系统(1)与叶片冷却空气系统(2)的具体参数设计方法，包括如下步骤：
步骤一：主流燃气总温取设计工况参数；
步骤二：主流燃气总压取设计工况参数；
步骤三：透平叶片试验段背压P1取设计工况参数；
步骤四：计算透平叶片试验段膨胀比π的公式为
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——主流燃气总压
P1——透平叶片试验段背压；
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式中：
Zp——试验装置的叶片流道数
Zp,D——燃气轮机透平叶片的流道总数
Gg,D——设计工况的透平燃气进口流量；
步骤六：冷却空气总温取设计工况参数；
步骤七：冷却空气总压取设计工况参数；
步骤八：计算冷却空气流量Gc的公式为
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Zb,D——燃气轮机透平的叶片总数
Gc,D——设计工况叶片冷却空气的流量；
步骤九：计算透平叶片出口马赫数M的公式为
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ν——燃气的运动粘度。
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