CN106226089B - 全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置及参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置及参数设计方法。所述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置其特征在于，包括全温等膨胀比旋转透平试验主流系统，用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统的试验透平的叶片进行冷却的冷却空气系统，以及用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统的试验透平的进气管道和排气管道进行冷却的冷却水系统。本发明可以用来进行有冷却空气掺混透平级的气动性能试验，也可以进行透平动叶片的旋转状态冷却效果试验。

Description

全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置及参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种重型燃气轮机的全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置及参数设计方法，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

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℃。透平叶片的定向结晶或单晶的镍基合金基体金属工作温度约为900℃至1000℃，透平进气温度与透平叶片基体金属工作温度之间500℃至600℃的温降，需要通过采用叶片冷却结构设计和表面热障涂层来实现。透平叶片热障涂层的隔热温度约为50℃至100℃，仍有450℃至550℃的温降需要通过透平叶片冷却空气设计来实现。为了验证冷却空气掺混对透平级气动性能的影响，以及旋转状态对透平动叶片冷却效果的影响，需要开展旋转透平的流动与冷却的验证试验。

现有技术和公开文献报道，没有重型燃气轮机的全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置及参数设计方法。建立重型燃气轮机的全温等膨胀比旋转透平流动与冷却试验装置，确定全温等膨胀比旋转透平试验主流系统与冷却空气系统的设计参数，可以模拟透平级的设计工况，开展全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验是燃气轮机高温旋转透平研制的必要环节。

申请人已经申请发明专利《燃机透平叶片全温等膨胀比冷效试验装置及参数设计方法》申请号2016101529292，可以进行透平静叶片的几个叶片在全温等膨胀比静止状态的冷却效果试验，也可以进行透平动叶片的几个叶片在全温等膨胀比静止状态的冷却效果试验，实际动叶片在旋转工作状态的冷却效果与静止状态测量的冷却效果相差很大，在旋转状态进行测量更符合工程实际情况。但是，开展旋转燃气轮机透平全温等膨胀比的流动与冷却试验，在高速旋转状态下测量有冷却空气掺混全温等膨胀比透平级的气动性能与动叶片旋转状态下的冷却效果，还没有合适的试验方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种重型燃气轮机的全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却的试验装置及参数设计方法，可以用来进行有冷却空气掺混透平级的气动性能试验，也可以进行透平动叶片的旋转状态冷却效果试验。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，包括全温等膨胀比旋转透平试验主流系统，用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统的试验透平的叶片进行冷却的冷却空气系统，以及用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统的试验透平的进气管道和排气管道进行冷却的冷却水系统。

优选地，所述的全温等膨胀比旋转透平试验主流系统包括轴流空气压缩机、主流进气放空阀、进气调节阀、主流流量喷嘴、金属膨胀节、环形燃烧器、试验透平、水力测功器、排气减温器和消音塔；所述的轴流空气压缩机、主流进气放空阀、进气调节阀、主流流量喷嘴、金属膨胀节、环形燃烧器和试验透平的进气管道依次连接，试验透平的排气管道、排气减温器和消音塔依次连接，试验透平的输出轴连接水力测功器。

更优选地，所述的金属膨胀节与环形燃烧器之间的管路上设有整流段。

所述的轴流空气压缩机用于提供主流空气，通过调整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与压力，主流流量喷嘴用来测量主流空气流量，金属膨胀节用来吸收管道的膨胀量。整流段用来保证环形燃烧器进口空气的均匀性；主流空气在环形燃烧器中与喷入的燃料相混合并燃烧产生1200℃至1900℃的主流燃气。

优选地，所述的试验透平的模化比为0.3至0.7。

所述的试验透平与冷却空气系统与冷却水系统连接。

优选地，所述的试验透平包括由外气缸和设于外气缸中的内气缸组成的双层气缸、设于双层气缸的前端并与双层气缸连接的水冷过渡段以及设于双层气缸的后端并与双层气缸连接的排气蜗壳，所述的水冷过渡段和排气蜗壳分别连接试验透平的进气管道和排气管道，所述的冷却水系统连接试验透平的水冷过渡段和排气蜗壳，水冷过渡段为双层管道，双层管道之间采用来自冷却水系统的冷却水冷却，排气蜗壳为双层壳体，双层壳体之间采用来自冷却水系统的冷却水冷却，外气缸和内气缸之间采用来自冷却空气系统的冷却空气进行冷却。

进一步地，所述的外气缸上设有与外气缸和内气缸之间的空间连通的冷却空气进口，所述的水冷过渡段上设有冷却孔，所述的冷却空气系统与外气缸上的冷却空气进口和水冷过渡段上的冷却孔相连通；所述的内气缸中设有1～4级静叶片和1～4级动叶片，各级静叶片皆设有内部冷却通道，第一级静叶片固定于内气缸中的静叶片内环上，所述的静叶片内环设有进气孔，所述的静叶片内环的进气孔与水冷过渡段上的冷却孔和第一级静叶片的内部冷却通道连通，来自冷却空气系统的冷却空气能够经水冷过渡段上的冷却孔和静叶片内环的进气孔进入第一级静叶片的内部冷却通道，各级静叶片的根部皆设有与外气缸和内气缸之间的空间连通的进气孔，来自冷却空气系统的冷却空气能够从各级静叶片根部的进气孔进入各级静叶片的内部冷却通道。

进一步地，所述的各级动叶片相应设于内气缸中的各级叶轮上，各级动叶片的两侧设有静止部件，各级叶轮与其两侧的静止部件之间形成盘腔，各级叶轮上设有冷却孔，水冷过渡段的冷却孔与所述的各级叶轮与其两侧静止部件之间形成的盘腔以及各级叶轮上的冷却孔相连通，各级动叶片设有内部冷却通道，各级动叶片的根部设有与该动叶片的内部冷却通道相连通的进气孔，第一级动叶片的进气孔与第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔连通，来自冷却空气系统的冷却空气能够依次通过水冷过渡段的冷却孔和第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔经第一级动叶片根部的进气孔进入其内部冷却通道，其他各级动叶片的进气孔和其对应的其他各级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔连通，来自冷却空气系统的冷却空气能够通过叶轮上的冷却孔和其他各级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔经其他各级动叶片根部的进气孔进入其内部冷却通道。

进一步地，所述的内气缸的内部形成燃气通道，所述的动叶片设于叶轮上，所述的叶轮设于试验透平的输出轴上，所述的动叶片能够带动叶轮和试验透平的输出轴一起旋转。所述的静叶片和动叶片在试验透平的输出轴的轴线方向上交替设置。

进一步地，所述的水力测功器与试验透平的输出轴通过联轴器来连接，水力测功器用来消耗试验透平的机械功，水力测功器与冷却水系统连接，采用闭式循环冷却水来冷却水力测功器。

进一步地，所述的试验透平的进气管道与排气管道与冷却水系统连接，进气管道与排气管道为双层管道，双层管道之间采用来自冷却水系统的冷却水进行冷却。

进一步地，所述的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。

进一步地，所述的消音塔与排气减温器连接，试验透平的排气进入消音塔以降低高速气流产生的噪音后，再排入大气。

优选地，所述的冷却空气系统包括依次连接的离心式压缩机、冷却空气放空阀、冷却空气调节阀、文丘里流量计和冷却空气电加热器，所述的冷却空气电加热器与试验透平连接。

所述的离心式压缩机提供冷却空气，通过调整却空气放空阀与冷却空气调节阀的开度来控制冷却空气的压力和流量，文丘里流量计用来测量冷却空气的流量，冷却空气电加热器的预热冷却空气达到300℃至600℃。

优选地，所述的冷却水系统包括冷却塔、5台水泵、1条补水管道、4条进水管道和3条出水管道，其中，冷却塔连接所述的1条补水管道、4条进水管道和3条出水管道，所述的5台水泵分别设于1条补水管道和4条进水管道上，所述的4条进水管道分别连接排气减温器、试验透平的进气管道和水冷过渡段、试验透平的排气管道和排气蜗壳、以及水力测功器，所述的3条出水管道分别连接试验透平的进气管道和水冷过渡段、试验透平的排气管道和排气蜗壳、以及水力测功器，所述的1条补水管道、4条进水管道和3条出水管道上皆设有阀门。

进一步地，所述的全温等膨胀比旋转透平试验主流系统的全部进气管道及排气管道、冷却空气系统的管道与冷却水系统的出水管道的外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃。

进一步地，所述的主流流量喷嘴与文丘里流量计的前面设计有20倍管道直径的直管段，后面设计有10倍管道直径的直管段，以保证测量精度。

进一步地，所述的全温等膨胀比旋转透平试验主流系统的环形燃烧器前后的管道上安装压力测点与温度测点，冷却空气系统的冷却空气电加热器前后的管道上安装压力测点与温度测点，冷却空气进入静叶片与动叶片之前的流道中安装压力测点与温度测点，试验透平的静叶片与动叶片之间以及试验透平最后一级动叶片后的管道上安装压力测点与温度测点，试验透平的静叶片与动叶片上安装金属的温度测点。

本发明还提供了上述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定全温等膨胀比的试验透平的模化比C_l；

步骤二：主流燃气总温取燃气轮机的设计工况参数；

步骤三：计算全温等膨胀比的试验透平背压P₁，单位Pa，公式为

P₁＝101325+ΔP (1)

式中：

ΔP——全温等膨胀比的试验透平的排气压损；

步骤四：计算全温等膨胀比的试验透平膨胀比π_g，H，公式为

式中：

π_g，D——燃气轮机透平的设计膨胀比；

——燃气轮机透平进口的设计总压；

P_1，D——燃气轮机透平出口的设计背压；

步骤五：计算全温等膨胀比的试验透平主流燃气总压公式为

式中：

P₁——全温等膨胀比的试验透平背压；

π_g，H——全温等膨胀比的试验透平膨胀比；

步骤六：计算全温等膨胀比的试验透平进口的主流燃气流量G_g，H，公式为

式中：

——全温等膨胀比的试验透平主流燃气总压；

——燃气轮机透平进口的设计总压；

——全温等膨胀比的试验透平主流燃气总温；

——燃气轮机设计工况透平进口的燃气总温；

G_g，D——燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量；

C_l——全温等膨胀比的试验透平的模化比；

步骤七：试验透平冷却空气总温取燃气轮机设计工况参数；

步骤八：计算全温等膨胀比的试验透平冷却空气流量G_c，H，公式为

式中：

G_g，H——全温等膨胀比的试验透平主流燃气进口的流量；

G_g，D——燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量；

G_c，D——燃气轮机设计工况叶片冷却空气的流量；

步骤九：计算全温等膨胀比的试验透平冷却空气总压公式为

式中：

——燃气轮机设计工况透平进口冷却空气总压；

——全温等膨胀比的试验透平进口冷却空气总温；

——燃气轮机设计工况透平进口冷却空气总温；

G_c，H——全温等膨胀比的试验透平冷却空气的流量；

G_c，D——燃气轮机设计工况透平冷却空气流量；

步骤十：按照速度比u/C₀(u为透平叶片的圆周速度，C₀为多级试验透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度)相等的要求，计算全温等膨胀比的试验透平工作转速n，公式为

式中：

C₀——多级试验透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度；

C_0D——燃气轮机多级透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度；

C_l——全温等膨胀比的试验透平的模化比；

n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

u——透平叶片的圆周速度；

步骤十一：计算水力测功器功率N的公式为

式中：

G_vi——全温等膨胀比试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——全温等膨胀比试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——全温等膨胀比试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——全温等膨胀比试验透平第i级动叶片实际焓降；

m——试验透平的级数；

步骤十二：计算全温等膨胀比试验透平的静叶片出口马赫数M_c1的公式为

式中：

a——当地声速；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

步骤十三：计算全温等膨胀比试验透平的动叶片出口马赫数M_w2的公式为

式中：

a——当地声速；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

步骤十四：计算全温等膨胀比试验透平的静叶片出口雷诺数Re₁的公式为

式中：

b₁——透平静叶片弦长；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

v——燃气的运动粘度；

步骤十五：计算全温等膨胀比试验透平的动叶片出口雷诺数Re₂的公式为

式中：

b₂——透平动叶片弦长；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

v——燃气的运动粘度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可以用来进行有冷却空气掺混透平级的气动性能试验，也可以进行透平动叶片的旋转状态冷却效果试验。

(2)试验透平与实际透平的尺寸几何相似，试验工况与设计工况下冷却空气与主流燃气的流量比相等保证运动相似；对于主流燃气，试验工况与设计工况下透平级的膨胀比相等，马赫数(或欧拉数)相等保证流场相似；试验工况与设计工况的雷诺数都大于2.5×10⁵，进入流动相似的自摸化区，保证速度场相似；试验工况与设计工况下透平的速度比(u/C₀)相等，保证透平级速度三角形相似；

(3)试验工况与设计工况的主流为燃气，冷却流体为空气，保证普朗特数相等；由于雷诺数大于2.5×10⁵进入流动相似的自摸化区，试验工况与设计工况的燃气的总温相等，试验工况与设计工况的冷却空气的总温也相等，全温等膨胀比试验工况透平动叶片的冷却效果的变化规律的试验结果可以表征实际透平动叶片冷却效果的变化规律。

(4)与全温全压旋转透平的流动与冷却的试验装置相比，可以降低试验装置主流空气压力并减少主流空气流量，选用一台轴流空气压缩机就能满足主流空气的流量与压力要求，既显著降低主流空气压缩机的功率并可以减少试验装置的设备购置费用，又可以减少试验用电费用。

附图说明

图1为本发明重型燃气轮机全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置的示意图；

图2为本发明试验透平的示意图。

图中：

1.全温等膨胀比旋转透平试验主流系统；2.冷却空气系统；3.冷却水系统；4.轴流空气压缩机；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.整流段；10.环形燃烧器；11.试验透平；12.水力测功器；13.排气减温器；14.消音塔；15.离心式压缩机；16.冷却空气放空阀；17.冷却空气调节阀；18.文丘里流量计；19.冷却空气电加热器；20.水泵；21.补水管道；22.进水管道；23.冷却塔；24.出水管道；25.压力测点；26.温度测点；27.水冷过渡段；28.内气缸；29.外气缸；30.第一级静叶片；31.第一级动叶片；32.第二级静叶片；33.第二级动叶片；34.排气蜗壳；35.第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔；36.第一级叶轮的冷却孔；37.第二级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔；38.第二级叶轮的冷却孔；39.联轴器。

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。

实施例

如图1所示，本发明提供的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，包括全温等膨胀比旋转透平试验主流系统1，用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统1的试验透平11的叶片进行冷却的冷却空气系统2，以及用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统1的试验透平11的进气管道和排气管道进行冷却的冷却水系统3。

所述的全温等膨胀比旋转透平试验主流系统1包括轴流空气压缩机4、主流进气放空阀5、进气调节阀6、主流流量喷嘴7、金属膨胀节8、环形燃烧器10、试验透平11、水力测功器12、排气减温器13和消音塔14；所述的轴流空气压缩机4、主流进气放空阀5、进气调节阀6、主流流量喷嘴7、金属膨胀节8、环形燃烧器10和试验透平11的进气管道依次连接，试验透平11的排气管道、排气减温器13和消音塔14依次连接，试验透平11的输出轴连接水力测功器12。所述的金属膨胀节8与环形燃烧器10之间的管路上设有整流段9。

所述的轴流空气压缩机4用于提供主流空气，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与压力，主流流量喷嘴7用来测量主流空气流量，金属膨胀节8用来吸收管道的膨胀量。整流段9用来保证环形燃烧器10进口空气的均匀性；主流空气在环形燃烧器10中与喷入的燃料相混合并燃烧产生1200℃至1900℃的主流燃气。

所述的试验透平11与冷却空气系统2与冷却水系统3连接。如图2所示，所述的试验透平包括由外气缸29和设于外气缸29中的内气缸28组成的双层气缸、设于双层气缸的前端并与双层气缸连接的水冷过渡段27以及设于双层气缸的后端并与双层气缸连接的排气蜗壳34，所述的水冷过渡段27和排气蜗壳34分别连接试验透平11的进气管道和排气管道，所述的冷却水系统3连接试验透平11的水冷过渡段27和排气蜗壳34，水冷过渡段27为双层管道，双层管道之间采用来自冷却水系统3的冷却水冷却，排气蜗壳34为双层壳体，双层壳体之间采用来自冷却水系统3的冷却水冷却，外气缸和内气缸之间采用来自冷却空气系统2的冷却空气进行冷却。

所述的外气缸29上设有与外气缸29和内气缸28之间的空间连通的冷却空气进口，所述的水冷过渡段27上设有冷却孔，所述的冷却空气系统2与外气缸29上的冷却空气进口和水冷过渡段27上的冷却孔相连通；所述的内气缸28中设有2级静叶片和2级动叶片，各级静叶片皆设有内部冷却通道，第一级静叶片30固定于内气缸28中的静叶片内环上，所述的静叶片内环设有进气孔，所述的静叶片内环的进气孔与水冷过渡段27上的冷却孔和第一级静叶片30的内部冷却通道连通，各级静叶片的根部皆设有与外气缸29和内气缸28之间的空间连通的进气孔，第一级静叶片30有两股冷却空气，其中一股来自冷却空气系统2的冷却空气能够经水冷过渡段27上的冷却孔和静叶片内环的进气孔进入第一级静叶片30的内部冷却通道，另一股来自冷却空气系统2的冷却空气能够从经第一级静叶片30根部的进气孔进入第一级静叶片30的内部冷却通道。来自冷却空气系统2的冷却空气能够经第二级静叶片32根部的进气孔进入第二级静叶片32的内部冷却通道。

所述的各级动叶片相应设于内气缸中的各级叶轮上，各级动叶片的两侧设有静止部件，各级叶轮与其两侧的静止部件之间形成盘腔，各级叶轮上设有冷却孔，水冷过渡段27的冷却孔与所述的各级叶轮与其两侧静止部件之间形成的盘腔以及各级叶轮上的冷却孔相连通，各级动叶片设有内部冷却通道，各级动叶片的根部设有与该动叶片的内部冷却通道相连通的进气孔，第一级动叶片31的进气孔与第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔35连通，来自冷却空气系统2的冷却空气能够依次通过水冷过渡段27的冷却孔和第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔35经第一级动叶片31根部的进气孔进入其内部冷却通道，第二级动叶片33的进气孔和其对应的第二级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔37连通，来自冷却空气系统2的冷却空气能够通过第二级叶轮的冷却孔38和第二级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔37经第二级动叶片33根部的进气孔进入其内部冷却通道。

所述的内气缸28的内部形成燃气通道，所述的动叶片设于叶轮上，所述的叶轮设于试验透平11的输出轴上，所述的动叶片能够带动叶轮和试验透平11的输出轴一起旋转。所述的静叶片的根部固定在内气缸28的侧壁上，所述的静叶片和动叶片在试验透平11的输出轴的轴线方向上交替设置。

所述的水力测功器12与试验透平11的输出轴通过联轴器39来连接，水力测功器12用来消耗试验透平的机械功，水力测功器12与冷却水系统3连接，采用闭式循环冷却水来冷却水力测功器12。

所述的试验透平11的进气管道与排气管道与冷却水系统3连接，进气管道与排气管道为双层管道，双层管道之间采用来自冷却水系统3的冷却水进行冷却。

所述的排气减温器13与冷却水系统3连接，冷却水喷入排气减温器13来降低排气温度。

所述的消音塔14与排气减温器13连接，试验透平11的排气进入消音塔14以降低高速气流产生的噪音后，再排入大气。

所述的冷却空气系统包括依次连接的离心式压缩机15、冷却空气放空阀16、冷却空气调节阀17、文丘里流量计18和冷却空气电加热器19，所述的冷却空气电加热器19与试验透平11连接，冷却空气电加热器19的出口与外气缸29上的冷却空气进口和水冷过渡段27上的冷却孔相连通。

所述的离心式压缩机15提供冷却空气，通过调整却空气放空阀16与冷却空气调节阀17的开度来控制冷却空气的压力和流量，文丘里流量计18用来测量冷却空气的流量，冷却空气电加热器19的预热冷却空气达到300℃至600℃；文丘里流量计18选用高精度文丘里流量计。

所述的冷却水系统3包括冷却塔23、5台水泵20、1条补水管道21、4条进水管道22和3条出水管道24，其中，冷却塔23连接所述的1条补水管道21、4条进水管道22和3条出水管道24，所述的5台水泵20分别设于1条补水管道21和4条进水管道22上，所述的4条进水管道22分别连接排气减温器13、试验透平11的进气管道和水冷过渡段27、试验透平11的排气管道和排气蜗壳34、以及水力测功器12，所述的3条出水管道24分别连接试验透平11的进气管道和水冷过渡段27、试验透平11的排气管道和排气蜗壳34、以及水力测功器12，所述的1条补水管道21、4条进水管道22和3条出水管道24上皆设有阀门。

冷却水系统3的其中1台水泵20及1条补水管道21为冷却水系统3提供补水，1台水泵20及1条进水管道22为排气减温器13提供喷水；1台水泵20及1条进水管道22为试验透平11的进气管道和水冷过渡段27提供冷却水，1条出水管道24把试验透平11的进气管道和水冷过渡段27出水输送到冷却塔23；1台水泵20及1条进水管道22为试验透平11的排气蜗壳34与试验透平11的排气管道提供冷却水，1条出水管道24把试验透平11的排气蜗壳34与试验透平11的排气管道的出水输送到冷却塔24；1台水泵20及1条进水管道22为水力测功器12提供冷却水，1条出水管道24把冷却水力测功器12的出水输送到冷却塔23。所述的冷却塔23降低出水温度并为冷却水系统3提供冷却水；

所述的全温等膨胀比旋转透平试验主流系统1的全部进气管道及排气管道、冷却空气系统2的管道与冷却水系统3的出水管道的外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃。

所述的主流流量喷嘴7与文丘里流量计18的前面设计有20倍管道直径的直管段，后面设计有10倍管道直径的直管段，以保证测量精度。

所述的全温等膨胀比旋转透平试验主流系统1的环形燃烧器10前后的管道上安装压力测点25与温度测点26，冷却空气系统2的冷却空气电加热器19前后的管道上安装压力测点25与温度测点26，冷却空气进入静叶片与动叶片之前的流道中安装压力测点25与温度测点26，试验透平11的静叶片与动叶片之间以及试验透平11最后一级动叶片后的管道上安装压力测点25与温度测点26，试验透平11的静叶片与动叶片上安装金属的温度测点26。

上述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置的参数设计方法，具体步骤为：

步骤一：确定全温等膨胀比的试验透平的模化比C_l；

步骤二：主流燃气总温取燃气轮机的设计工况参数；

步骤三：计算全温等膨胀比的试验透平背压P₁，单位Pa，公式为

P₁＝101325+ΔP (1)

式中：

ΔP——全温等膨胀比的试验透平的排气压损；

步骤四：计算全温等膨胀比的试验透平膨胀比π_g，H，公式为

式中：

π_g，D——燃气轮机透平的设计膨胀比；

——燃气轮机透平进口的设计总压；

P_1，D——燃气轮机透平出口的设计背压；

步骤五：计算全温等膨胀比的试验透平主流燃气总压公式为

式中：

P₁——全温等膨胀比的试验透平背压；

π_g，H——全温等膨胀比的试验透平膨胀比；

步骤六：计算全温等膨胀比的试验透平进口的主流燃气流量G_g，H，公式为

式中：

——全温等膨胀比的试验透平主流燃气总压；

——燃气轮机透平进口的设计总压；

——全温等膨胀比的试验透平主流燃气总温；

——燃气轮机设计工况透平进口的燃气总温；

G_g，D——燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量；

C_l——全温等膨胀比的试验透平的模化比；

步骤七：试验透平冷却空气总温取燃气轮机设计工况参数；

步骤八：计算全温等膨胀比的试验透平冷却空气流量G_c，H，公式为

式中：

G_g，H——全温等膨胀比的试验透平主流燃气进口的流量；

G_g，D——燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量；

G_c，D——燃气轮机设计工况叶片冷却空气的流量；

步骤九：计算全温等膨胀比的试验透平冷却空气总压公式为

式中：

——燃气轮机设计工况透平进口冷却空气总压；

——全温等膨胀比的试验透平进口冷却空气总温；

——燃气轮机设计工况透平进口冷却空气总温；

G_c，H——全温等膨胀比的试验透平冷却空气的流量；

G_c，D——燃气轮机设计工况透平冷却空气流量；

步骤十：按照速度比u/C₀(u为透平叶片的圆周速度，C₀为多级试验透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度)相等的要求，计算全温等膨胀比的试验透平工作转速n，公式为

式中：

C₀——多级试验透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度；

C_0D——燃气轮机多级透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度；

C_l——全温等膨胀比的试验透平的模化比；

n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

u——透平叶片的圆周速度；

步骤十一：计算水力测功器功率N的公式为

式中：

G_vi——全温等膨胀比试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——全温等膨胀比试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——全温等膨胀比试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——全温等膨胀比试验透平第i级动叶片实际焓降；

m——试验透平的级数；

步骤十二：计算全温等膨胀比试验透平的静叶片出口马赫数M_c1的公式为

式中：

a——当地声速；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

步骤十三：计算全温等膨胀比试验透平的动叶片出口马赫数M_w2的公式为

式中：

a——当地声速；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

步骤十四：计算全温等膨胀比试验透平的静叶片出口雷诺数Re₁的公式为

式中：

b₁——透平静叶片弦长；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

v——燃气的运动粘度；

步骤十五：计算全温等膨胀比试验透平的动叶片出口雷诺数Re₂的公式为

式中：

b₂——透平动叶片弦长；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

v——燃气的运动粘度。

如图2所示，某型号300MW的F级燃气轮机的全温等膨胀比试验透平的示意图，模化比取0.5。对于该燃气轮机的试验透平的两级叶片的进行流动与冷却试验，全温等膨胀比旋转透平试验主流系统1与冷却空气系统2的参数设计方法步骤一至步骤十五的计算结果列于表1。

[表1]

采用本发明提供的全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置，试验工况与设计工况的马赫数、速度比相等，雷诺数大于2.5×10⁵进入流动相似的自摸化区，由试验得出的有冷却空气掺混透平级的气动性能试验可以验证透平级的气动性能，全温等膨胀比试验工况透平动叶片冷却效果的变化规律的试验结果可以表征实际透平动叶片冷却效果的变化规律。

若采用全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，主流燃气流量约为153.65kg/s、主流燃气压力约为1.692MPa，需要单机功率为17300kW的4台离心空气压缩机，除了新增设备购置费用约为16000万元之外，还对试验台建设单位的试验用电负荷(17300×4＝69200kW)有很高的要求。采用本发明提供的全温等膨胀比旋转透平流动与冷却试验装置，只要1台功率为12000kW轴流空气压缩机就能满足主流燃气的流量与压力要求，新增设备购置费用1300万元至2000万元之外，可以显著降低设备购置费用和试验用电负荷。

以上内容是根据本发明技术方案给出的300MW的F级燃气轮机前两级透平的流动与冷却试验的实施例，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，依据本发明提供的技术方案开展不同功率等级或不同透平进气温度或不同透平级数的重型燃气轮机旋转透平的流动与冷却试验试验装置及参数设计方法，仍属于本发明权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，包括全温等膨胀比旋转透平试验主流系统(1)，用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统(1)的试验透平(11)的叶片进行冷却的冷却空气系统(2)，以及用于对全温等膨胀比旋转透平试验主流系统(1)的试验透平(11)的进气管道和排气管道进行冷却的冷却水系统(3)；所述的试验透平包括由外气缸(29)和设于外气缸(29)中的内气缸(28)组成的双层气缸、设于双层气缸的前端并与双层气缸连接的水冷过渡段(27)以及设于双层气缸的后端并与双层气缸连接的排气蜗壳(34)，所述的水冷过渡段(27)和排气蜗壳(34)分别连接试验透平(11)的进气管道和排气管道，所述的冷却水系统(3)连接试验透平(11)的水冷过渡段(27)和排气蜗壳(34)，水冷过渡段(27)为双层管道，双层管道之间采用来自冷却水系统(3)的冷却水冷却，排气蜗壳(34)为双层壳体，双层壳体之间采用来自冷却水系统(3)的冷却水冷却，外气缸和内气缸之间采用来自冷却空气系统(2)的冷却空气进行冷却；所述的外气缸(29)上设有与外气缸(29)和内气缸(28)之间的空间连通的冷却空气进口，所述的水冷过渡段(27)上设有冷却孔，所述的冷却空气系统(2)与外气缸(29)上的冷却空气进口和水冷过渡段(27)上的冷却孔相连通；所述的内气缸(28)中设有1～4级静叶片和1～4级动叶片，各级静叶片皆设有内部冷却通道，第一级静叶片(30)固定于内气缸(28)中的静叶片内环上，所述的静叶片内环设有进气孔，所述的静叶片内环的进气孔与水冷过渡段(27)上的冷却孔和第一级静叶片(30)的内部冷却通道连通，来自冷却空气系统(2)的冷却空气能够经水冷过渡段(27)上的冷却孔和静叶片内环的进气孔进入第一级静叶片(30)的内部冷却通道，各级静叶片的根部皆设有与外气缸(29)和内气缸(28)之间的空间连通的进气孔，来自冷却空气系统(2)的冷却空气能够从各级静叶片根部的进气孔进入各级静叶片的内部冷却通道；所述的各级动叶片相应设于内气缸中的各级叶轮上，各级动叶片的两侧设有静止部件，各级叶轮与其两侧的静止部件之间形成盘腔，各级叶轮上设有冷却孔，水冷过渡段(27)的冷却孔与所述的各级叶轮与其两侧静止部件之间形成的盘腔以及各级叶轮上的冷却孔相连通，各级动叶片设有内部冷却通道，各级动叶片的根部设有与该动叶片的内部冷却通道相连通的进气孔，第一级动叶片(31)的进气孔与第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔(35)连通，来自冷却空气系统(2)的冷却空气能够依次通过水冷过渡段(27)的冷却孔和第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔(35)经第一级动叶片(31)根部的进气孔进入其内部冷却通道，其他各级动叶片的进气孔和其对应的其他各级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔连通，来自冷却空气系统(2)的冷却空气能够通过叶轮上的冷却孔和其他各级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔经其他各级动叶片根部的进气孔进入其内部冷却通道。

2.如权利要求1所述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，所述的全温等膨胀比旋转透平试验主流系统(1)包括轴流空气压缩机(4)、主流进气放空阀(5)、进气调节阀(6)、主流流量喷嘴(7)、金属膨胀节(8)、环形燃烧器(10)、试验透平(11)、水力测功器(12)、排气减温器(13)和消音塔(14)；所述的轴流空气压缩机(4)、主流进气放空阀(5)、进气调节阀(6)、主流流量喷嘴(7)、金属膨胀节(8)、环形燃烧器(10)和试验透平(11)的进气管道依次连接，试验透平(11)的排气管道、排气减温器(13)和消音塔(14)依次连接，试验透平(11)的输出轴连接水力测功器(12)。

3.如权利要求2所述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，所述的金属膨胀节(8)与环形燃烧器(10)之间的管路上设有整流段(9)。

4.如权利要求1所述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，所述的试验透平(11)的模化比为0.3至0.7。

5.如权利要求1所述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，所述的冷却空气系统包括依次连接的离心式压缩机(15)、冷却空气放空阀(16)、冷却空气调节阀(17)、文丘里流量计(18)和冷却空气电加热器(19)，所述的冷却空气电加热器(19)与试验透平(11)连接。

6.如权利要求1所述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，所述的冷却水系统(3)包括冷却塔(23)、5台水泵(20)、1条补水管道(21)、4条进水管道(22)和3条出水管道(24)，其中，冷却塔(23)连接所述的1条补水管道(21)、4条进水管道(22)和3条出水管道(24)，所述的5台水泵(20)分别设于1条补水管道(21)和4条进水管道(22)上，所述的4条进水管道(22)分别连接排气减温器(13)、试验透平(11)的进气管道和水冷过渡段(27)、试验透平(11)的排气管道和排气蜗壳(34)、以及水力测功器(12)，所述的3条出水管道(24)分别连接试验透平(11)的进气管道和水冷过渡段(27)、试验透平(11)的排气管道和排气蜗壳(34)、以及水力测功器(12)，所述的1条补水管道(21)、4条进水管道(22)和3条出水管道(24)上皆设有阀门。

7.权利要求1-6中任一项所述的全温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定全温等膨胀比的试验透平的模化比C_l；

步骤二：主流燃气总温取燃气轮机的设计工况参数；

步骤三：计算全温等膨胀比的试验透平背压P₁，单位Pa，公式为

P₁＝101325+ΔP (1)

式中：

ΔP——全温等膨胀比的试验透平的排气压损；

步骤四：计算全温等膨胀比的试验透平膨胀比π_g,H，公式为

式中：

π_g,D——燃气轮机透平的设计膨胀比；

——燃气轮机透平进口的设计总压；

P_1,D——燃气轮机透平出口的设计背压；

步骤五：计算全温等膨胀比的试验透平主流燃气总压公式为

式中：

P₁——全温等膨胀比的试验透平背压；

π_g,H——全温等膨胀比的试验透平膨胀比；

步骤六：计算全温等膨胀比的试验透平进口的主流燃气流量G_g,H，公式为

式中：

——全温等膨胀比的试验透平主流燃气总压；

——燃气轮机透平进口的设计总压；

——全温等膨胀比的试验透平主流燃气总温；

——燃气轮机设计工况透平进口的燃气总温；

G_g,D——燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量；

C_l——全温等膨胀比的试验透平的模化比；

步骤七：试验透平冷却空气总温取燃气轮机设计工况参数；

步骤八：计算全温等膨胀比的试验透平冷却空气流量G_c,H，公式为

式中：

G_g,H——全温等膨胀比的试验透平主流燃气进口的流量；

G_g,D——燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量；

G_c,D——燃气轮机设计工况叶片冷却空气的流量；

步骤九：计算全温等膨胀比的试验透平冷却空气总压公式为

式中：

——燃气轮机设计工况透平进口冷却空气总压；

——全温等膨胀比的试验透平进口冷却空气总温；

——燃气轮机设计工况透平进口冷却空气总温；

G_c,H——全温等膨胀比的试验透平冷却空气的流量；

G_c,D——燃气轮机设计工况透平冷却空气流量；

步骤十：按照速度比u/C₀相等的要求，计算全温等膨胀比的试验透平工作转速n，公式为

式中：

C₀——多级试验透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度；

C_0D——燃气轮机多级透平等熵滞止焓降对应的喷嘴的出口理论速度；

C_l——全温等膨胀比的试验透平的模化比；

n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

u——透平叶片的圆周速度；

步骤十一：计算水力测功器功率N的公式为

式中：

G_vi——全温等膨胀比试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——全温等膨胀比试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——全温等膨胀比试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——全温等膨胀比试验透平第i级动叶片实际焓降；

m——试验透平的级数；

步骤十二：计算全温等膨胀比试验透平的静叶片出口马赫数M_c1的公式为

式中：

a——当地声速；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

步骤十三：计算全温等膨胀比试验透平的动叶片出口马赫数M_w2的公式为

式中：

a——当地声速；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

步骤十四：计算全温等膨胀比试验透平的静叶片出口雷诺数Re₁的公式为

式中：

b₁——透平静叶片弦长；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

ν——燃气的运动粘度；

步骤十五：计算全温等膨胀比试验透平的动叶片出口雷诺数Re₂的公式为

式中：

b₂——透平动叶片弦长；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

ν——燃气的运动粘度。