CN106289791A - 降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

本发明提供了一种降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置及参数设计方法。本发明提供了一种降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，包括试验透平、用于给试验透平提供主流燃气的降温等膨胀比旋转透平试验主流系统、用于给试验透平提供冷却空气的冷却空气系统以及用于对试验透平提供冷却水的冷却水系统。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

降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降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，属于燃气轮机技术领域。

背景技术

重型燃气轮机的透平静叶片和动叶片，内部冷却采用内部腔室射流冲击冷却、带肋通道强化传热和绕柱强化传热技术，降温等膨胀比旋转透平的流动与冷却外表面冷却采用气膜冷却技术。透平级的冷却技术十分复杂，新研制的重型燃气轮机透平级，需要进行旋转透平的流动与冷却的试验验证。对于重型燃气轮机的透平级，采用全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置或全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置，测量透平级的气动性能，可以反映实际冷气掺混情况；但全温全压旋转透平的流动与冷却试验的试验装置建造费用和试验用电费用昂贵，全温等膨胀比试验透平的进气温度高且试验透平转速高导致试验台设计难度大。在透平研制的早期阶段，急需对不同冷却结构方案的镍基合金透平叶片级开展降温等膨胀比的旋转透平的流动与冷却验证试验，为透平气动性能与叶片冷却结构的优化设计提供依据。在透平研制的后期阶段，依据降温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验结果优选的透平级气动性能与动叶片冷却结构设计方案，再开展单晶或定向结晶的透平叶片研制并进行相应的全温全压或全温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验。

现有技术和公开文献报道，没有重型燃气轮机降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。

申请人已经申请发明专利《燃机透平叶片降温等膨胀比冷效试验装置及参数设计方法》申请号2016101529308，可以进行透平静叶片的几个叶片在降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降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，开展燃气轮机透平降温等膨胀比旋转状态下的流动与冷却试验，在高速旋转状态下测量有冷却空气掺混降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降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降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，包括试验透平、用于给试验透平提供主流燃气的降温等膨胀比旋转透平试验主流系统、用于给试验透平提供冷却空气的冷却空气系统以及用于对试验透平提供冷却水的冷却水系统。

优选地，所述的试验透平的模化比为0.3至0.7。

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。

更优选地，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，所述的试验透平的静叶片与动叶片的材料化学成分与实际透平叶片的镍基母合金完全相同，采用3D打印技术快速制造出透平试验叶片，在试验透平的静叶片与动叶片的基体与表面安装金属的温度测点。

优选地，所述的降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、主流空气过滤器、进气调节阀、主流流量喷嘴、金属膨胀节、环形燃烧器、过渡段、水力测功器、排气段、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、主流空气过滤器、进气调节阀、主流流量喷嘴、金属膨胀节、环形燃烧器、过渡段、试验透平、排气段、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，所述的金属膨胀节和环形燃烧器之间通过管路连接，金属膨胀节和环形燃烧器之间的管路上设有整流段。

更优选地，所述的过渡段和排气段与试验透平的壳体采用法兰螺栓结构连接，过渡段和排气段设计为双层壳体，双层壳体与冷却水系统连接，双层壳体之间采用来自冷却水系统的冷却水冷却。

所述的轴流空气压缩机为降温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验提供主流空气，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，主流空气过滤器用来防止主流空气中大颗粒杂质进入环形燃烧器和试验透平，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进气管道的膨胀量，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500℃至1000℃的主流燃气。

更优选地，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。

更优选地，所述的排气减温器与冷却水系统连接，冷却水系统的冷却水喷入排气减温器来降低排气温度。

更优选地，所述的排气减温器与消音塔连接，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、冷却空气过滤器、冷却空气调节阀、文丘里流量计和冷却空气热交换器，所述的冷却空气热交换器连接试验透平。

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、过渡段和试验透平的水冷过渡段、试验透平的排气蜗壳和排气段、以及水力测功器，所述的3条出水管道过渡段分别连接过渡段和试验透平的水冷过渡段、试验透平的排气蜗壳和排气段、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，所述的降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、试验透平以及过渡段与排气段的壳体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，所述的降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热交换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，在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。

本发明还提供了上述的降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：确定降温等膨胀比试验透平的模化比C_l；

步骤二：选定降温等膨胀比试验透平主流燃气总温

步骤三：计算降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——降温等膨胀比的试验透平的排气压损；

步骤四：计算降温等膨胀比试验透平的膨胀比π_g，L，公式为

${\mathrm{\π}}_{g,L}={\mathrm{\π}}_{g,D}=\frac{P_{g,D}^{*}}{P_{1,D}}---\left(2\right)$

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：计算降温等膨胀比试验透平的主流燃气总压公式为

$P_{g,L}^{*}=P_1\×{\mathrm{\π}}_{g,L}---\left(3\right)$

式中：

P₁——降温等膨胀比试验透平的背压；

π_g，L——降温等膨胀比试验透平的膨胀比；

步骤六：计算降温等膨胀比的试验透平进口的主流燃气流量G_g，L，公式为

$G_{g,L}=\frac{P_{g,L}^{*}}{P_{g,D}^{*}}\×\frac{G_{g,D}\sqrt{T_{g,D}^{*}}}{\sqrt{T_{g,L}^{*}}}\×\frac{1}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

——降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；

——降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——降温等膨胀比的试验透平的模化比；

步骤七：计算降温等膨胀比试验透平冷却空气进口总温公式为

$T_{c,L}^{*}=T_{g,L}^{*}\×\frac{T_{c,D}^{*}}{T_{g,D}^{*}}---\left(5\right)$

式中：

——降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；

——燃气轮机设计工况冷却空气进口总温；

步骤八：计算降温等膨胀比的试验透平冷却空气流量G_c，L，公式为

$G_{c,L}=G_{g,L}\×\frac{G_{c,D}}{G_{g,D}}---\left(6\right)$

式中：

G_g，L——降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：计算降温等膨胀比的试验透平冷却空气总压公式为

$P_{c,L}^{*}=P_{c,D}^{*}\×\frac{G_{c,L}\sqrt{T_{c,L}^{*}}}{G_{c,D}\sqrt{T_{c,D}^{*}}}---\left(7\right)$

式中：

——燃气轮机设计工况旋转透平进口冷却空气总压；

——降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，L——降温等膨胀比的试验透平旋转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，计算降温等膨胀比的试验透平工作转速n，公式为

$n=\frac{C_0{n}_D}{C_{0D}{C}_l}---\left(8\right)$

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——降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；

步骤十一：计算水力测功器功率N，公式为

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(G_{vi}{h}_{vi}+G_{bi}{h}_{bi})---\left(9\right)$

式中：

G_vi——降温等膨胀比试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——降温等膨胀比试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——降温等膨胀比试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——降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：计算降温等膨胀比试验透平的静叶片出口马赫数M_c1，公式为

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(10\right)$

式中：

a——当地声速；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

步骤十三：计算降温等膨胀比试验透平的动叶片出口马赫数M_w2，公式为

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(11\right)$

式中：

a——当地声速；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

步骤十四：计算降温等膨胀比试验透平的静叶片出口雷诺数Re₁，公式为

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{v}---\left(12\right)$

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：计算降温等膨胀比试验透平的动叶片出口雷诺数Re₂，公式为

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{v}---\left(13\right)$

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，保证试验工况与设计工况的旋转透平的流动与冷却相似，降温等膨胀比试验工况透平级的气动特性以及透平静叶片与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级的气动特性与叶片冷却效果的变化规律。

(4)与全温膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置相比，降温等膨胀比可以降低试验透平的主流燃气温度与工作转速，而透平静叶片与动叶片出口的马赫数与雷诺数基本不变，可以显著降低试验透平的造价与设计难度；与全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置相比，降温等膨胀比可以降低试验装置主流空气压力并减少主流空气流量，透平静叶片与动叶片出口的马赫数与雷诺数基本不变，选用一台轴流空气压缩机就能满足降温等膨胀比试验透平主流空气的流量与压力要求，既显著降低轴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，水力测功器功率小且购置费用小。

附图说明

图1为本发明降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3为本发明降温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验主流系统与冷却空气系统的参数设计方法的流程图。

图中：

1.试验透平；2.降温等膨胀比旋转透平试验主流系统；3.冷却空气系统；4.冷却水系统；5.轴流空气压缩机；6.主流进气放空阀；7.主流空气过滤器；8.进气调节阀；9.主流流量喷嘴；10.金属膨胀节；11.整流段；12.环形燃烧器；13.过渡段；14.水力测功器；15.排气段；16.排气减温器；17.消音塔；18.离心式压缩机；19.冷却空气放空阀；20.冷却空气过滤器；21.冷却空气调节阀；22.文丘里流量计；23.冷却空气热交换器；24.水泵；25.补水管道；26.进水管道；27.冷却塔；28.出水管道；29.压力测点；30.温度测点；31.水冷过渡段；32.内气缸；33.外气缸；34.第一级静叶片；35.第一级动叶片；36.第二级静叶片；37.第二级动叶片；38.排气蜗壳；39.第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔；40.第一级叶轮的冷却孔；41.第二级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔；42.第二级叶轮的冷却孔；43.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，本发明的降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，包括试验透平1、用于给试验透平提供主流燃气的降温等膨胀比旋转透平试验主流系统2、用于给试验透平1提供冷却空气的冷却空气系统3以及用于对试验透平1提供冷却水的冷却水系统4。

所述的试验透平1与冷却空气系统3和冷却水系统4连接，如图2所示，试验透平1包括由外气缸33和设于外气缸33中的内气缸32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31以及设于双层气缸的后端并与双层气缸连接的排气蜗壳38，所述的冷却水系统4连接试验透平1的水冷过渡段31和排气蜗壳38，水冷过渡段31为双层管道，双层管道之间采用来自冷却水系统4的冷却水冷却，排气蜗壳38为双层壳体，双层壳体之间采用来自冷却水系统4的冷却水冷却，外气缸33和内气缸32之间采用来自冷却空气系统3的冷却空气进行冷却。试验透平1的水冷过渡段31和排气蜗壳38分别连接过渡段13和排气段15。

所述的外气缸33上设有与外气缸33和内气缸32之间的空间连通的冷却空气进口，所述的水冷过渡段31上设有冷却孔，所述的冷却空气系统3与外气缸33上的冷却空气进口和水冷过渡段31上的冷却孔相连通；所述的内气缸32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34固定于内气缸32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31上的冷却孔和第一级静叶片34的内部冷却通道连通，各级静叶片的根部皆设有与外气缸33和内气缸32之间的空间连通的进气孔，第一级静叶片有两股冷却空气，其中一股来自冷却空气系统3的冷却空气能够经水冷过渡段31上的冷却孔和静叶片内环的进气孔进入第一级静叶片34的内部冷却通道，另一股来自冷却空气系统3的冷却空气能够从第一级静叶片34根部的进气孔进入第一级静叶片34的内部冷却通道。来自冷却空气系统3的冷却空气能够从第二级静叶片36根部的进气孔进入第二级静叶片36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31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35的进气孔与第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔39连通，来自冷却空气系统3的冷却空气能够依次通过水冷过渡段31的冷却孔和第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔39经第一级动叶片35根部的进气孔进入其内部冷却通道，第二级动叶片37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41连通，来自冷却空气系统3的冷却空气能够通过第二级叶轮的冷却孔42和第二级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔41经第二级动叶片37根部的进气孔进入其内部冷却通道。

所述的内气缸32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1的输出轴上，所述的动叶片能够带动叶轮和试验透平1的输出轴一起旋转。所述的静叶片的根部固定在内气缸32的侧壁上，所述的静叶片和动叶片在试验透平1的输出轴的轴线方向上交替设置。

所述的试验透平1的静叶片与动叶片的材料化学成分与实际透平叶片的镍基母合金完全相同，采用3D打印技术快速制造出透平试验叶片，在试验透平1的静叶片与动叶片的基体与表面安装金属的温度测点30。

所述的降温等膨胀比旋转透平试验主流系统2包括轴流空气压缩机5、主流进气放空阀6、主流空气过滤器7、进气调节阀8、主流流量喷嘴9、金属膨胀节10、环形燃烧器12、过渡段13、水力测功器14、排气段15、排气减温器16和消音塔17；所述的轴流空气压缩机5、主流进气放空阀6、主流空气过滤器7、进气调节阀8、主流流量喷嘴9、金属膨胀节10、环形燃烧器12、过渡段13、试验透平1、排气段15、排气减温器16和消音塔17依次连接，试验透平1的输出轴连接水力测功器14。所述的金属膨胀节10和环形燃烧器12之间通过管路连接，金属膨胀节10和环形燃烧器12之间的管路上设有整流段11。

所述的轴流空气压缩机5为降温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验提供主流空气，通过调整主流进气放空阀6与进气调节阀8的开度来控制主流空气的流量与压力，主流空气过滤器7用来防止主流空气中大颗粒杂质进入环形燃烧器12和试验透平1，主流流量喷嘴9用来测量主流空气流量，金属膨胀节10用来吸收管道的膨胀量，整流段11用来保证环形燃烧器12进口空气的均匀性，主流空气在环形燃烧器12中与喷入的燃料相混合并燃烧产生500℃至1000℃的主流燃气。

所述的过渡段13和排气段15与试验透平1的壳体采用法兰螺栓结构连接，过渡段13和排气段15设计为双层壳体，双层壳体与冷却水系统4连接，双层壳体之间采用来自冷却水系统4的冷却水冷却。

所述的水力测功器14与试验透平1的输出轴通过联轴器43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14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14。

所述的排气减温器16与冷却水系统4连接，冷却水系统4的冷却水喷入排气减温器16来降低排气温度。

所述的排气减温器16与消音塔17连接，试验透平1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。

所述的冷却空气系统3包括依次连接的离心式压缩机18、冷却空气放空阀19、冷却空气过滤器20、冷却空气调节阀21、文丘里流量计22和冷却空气热交换器23，所述的冷却空气热交换器23连接试验透平1，冷却空气电加热器23的出口与外气缸33上的冷却空气进口和水冷过渡段31上的冷却孔相连通。所述的文丘里流量计22为高精度文丘里流量计。

所述的离心式压缩机18为试验透平1提供冷却空气，通过调整冷却空气放空阀19与冷却空气调节阀21的开度来控制冷却空气的压力和流量，冷却空气过滤器20用来防止冷却空气中大颗粒杂质进入试验透平1，文丘里流量计22用来测量冷却空气的流量，冷却空气热交换器23用来调节试验透平1的静叶片与动叶片的入口的冷却空气温度。

所述的冷却水系统4包括冷却塔27、5台水泵24、1条补水管道25、4条进水管道26和3条出水管道28，其中，冷却塔27连接所述的1条补水管道25、4条进水管道26和3条出水管道28，所述的5台水泵24分别设于1条补水管道25和4条进水管道26上，所述的4条进水管道26分别连接排气减温器16、过渡段13和试验透平1的水冷过渡段31、试验透平的排气蜗壳38和排气段15、以及水力测功器14，所述的3条出水管道过渡段分别连接过渡段13和试验透平1的水冷过渡段31、试验透平的排气蜗壳38和排气段15、以及水力测功器14，所述的1条补水管道25、4条进水管道26和3条出水管道28上皆设有阀门。

冷却水系统4的其中1台水泵24及1条补水管道25为冷却水系统4提供补水，1台水泵24及1条进水管道26为排气减温器16提供喷水；1台水泵24及1条进水管道26为环形燃烧器12与试验透平1之间的过渡段13与试验透平1的水冷过渡段31提供冷却水，1条出水管道28把冷却环形燃烧器12与试验透平1之间的过渡段13与试验透平1的水冷过渡段31后出水输送到冷却塔27；1台水泵24及1条进水管道26为试验透平1的排气蜗壳38的双层壳体与排气段15双层壳体提供冷却水，1条出水管道28把冷却排气蜗壳38双层壳体与排气段15双层壳体后的出水输送到冷却塔27；1台水泵24及1条进水管道26为水力测功器14提供冷却水，1条出水管道28把冷却水力测功器14的出水输送到冷却塔27；所述的冷却塔27降低出水温度并为冷却水系统4提供冷却水。

所述的降温等膨胀比旋转透平试验主流系统2全部进气管道及排气管道、冷却空气系统3管道与冷却水系统4的出水管道、试验透平1以及过渡段13与排气段15的壳体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9与文丘里流量计22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2的环形燃烧器12前后的管道上安装压力测点29与温度测点30，在冷却空气系统3的冷却空气热交换器23前后的管道上安装压力测点29与温度测点30，在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29与温度测点30，在试验透平1的静叶片与动叶片之间以及试验透平1最后一级动叶片后的管道上安装压力测点29与温度测点30。

如图3所示，为本发明所采用降温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验主流系统与冷却空气系统的参数设计方法的流程图。所述的降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置的参数设计方法为：

步骤一：确定降温等膨胀比试验透平的模化比C_l；

步骤二：选定降温等膨胀比试验透平主流燃气总温

步骤三：计算降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——降温等膨胀比的试验透平的排气压损；

步骤四：计算降温等膨胀比试验透平的膨胀比π_g，L，公式为

${\mathrm{\π}}_{g,L}={\mathrm{\π}}_{g,D}=\frac{P_{g,D}^{*}}{P_{1,D}}---\left(2\right)$

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：计算降温等膨胀比试验透平的主流燃气总压公式为

$P_{g,L}^{*}=P_1\×{\mathrm{\π}}_{g,L}---\left(3\right)$

式中：

P₁——降温等膨胀比试验透平的背压；

π_g，L——降温等膨胀比试验透平的膨胀比；

步骤六：计算降温等膨胀比的试验透平进口的主流燃气流量G_g，L，公式为

$G_{g,L}=\frac{P_{g,L}^{*}}{P_{g,D}^{*}}\×\frac{G_{g,D}\sqrt{T_{g,D}^{*}}}{\sqrt{T_{g,L}^{*}}}\×\frac{1}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

——降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；

——降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——降温等膨胀比的试验透平的模化比；

步骤七：计算降温等膨胀比试验透平冷却空气进口总温公式为

$T_{c,L}^{*}=T_{g,L}^{*}\×\frac{T_{c,D}^{*}}{T_{g,D}^{*}}---\left(5\right)$

式中：

——降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；

——燃气轮机设计工况冷却空气进口总温；

步骤八：计算降温等膨胀比的试验透平冷却空气流量G_c，L，公式为

$G_{c,L}=G_{g,L}\×\frac{G_{c,D}}{G_{g,D}}---\left(6\right)$

式中：

G_g，L——降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：计算降温等膨胀比的试验透平冷却空气总压公式为

$P_{c,L}^{*}=P_{c,D}^{*}\×\frac{G_{c,L}\sqrt{T_{c,L}^{*}}}{G_{c,D}\sqrt{T_{c,D}^{*}}}---\left(7\right)$

式中：

——燃气轮机设计工况旋转透平进口冷却空气总压；

——降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，L——降温等膨胀比的试验透平旋转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，计算降温等膨胀比的试验透平工作转速n，公式为

$n=\frac{C_0{n}_D}{C_{0D}{C}_l}---\left(8\right)$

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——降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；

步骤十一：计算水力测功器功率N，公式为

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(G_{vi}{h}_{vi}+G_{bi}{h}_{bi})---\left(9\right)$

式中：

G_vi——降温等膨胀比试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——降温等膨胀比试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——降温等膨胀比试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——降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：计算降温等膨胀比试验透平的静叶片出口马赫数M_c1，公式为

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(10\right)$

式中：

a——当地声速；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

步骤十三：计算降温等膨胀比试验透平的动叶片出口马赫数M_w2，公式为

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(11\right)$

式中：

a——当地声速；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

步骤十四：计算降温等膨胀比试验透平的静叶片出口雷诺数Re₁，公式为

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{v}---\left(12\right)$

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：计算降温等膨胀比试验透平的动叶片出口雷诺数Re₂，公式为

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{v}---\left(13\right)$

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级燃气轮机的降温等膨胀比试验透平的示意图，模化比取为0.5，降温等膨胀比试验透平主流燃气总温取为1200K。对于图1所示的重型燃机降温等膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置，采用图3所示的流程图，对于该燃气轮机的试验透平1的两级叶片的进行流动与冷却试验，降温等膨胀比旋转透平试验主流系统2与冷却空气系统3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]

该型号300MW的F级燃气轮机的降温等膨胀比试验透平与全温等膨胀比试验透平和全温全压试验透平的主流燃气总温、主流燃气总压、透平进口燃气流量、透平背压、试验透平工作转速、水力测功器功率、马赫数、雷诺数的计算结果以及旋转透平试验主流系统的空气压缩机的功率列于表2。与全温膨胀比旋转透平的流动与冷却试验装置相比，降温等膨胀比可以降低试验透平的主流燃气温度与工作转速，而透平静叶片与动叶片出口的马赫数与雷诺数基本不变，可以显著降低试验透平的造价与设计难度；与全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置相比，降温等膨胀比可以降低试验装置主流空气压力并减少主流空气流量，透平静叶片与动叶片出口的马赫数与雷诺数基本不变，选用一台轴流空气压缩机就能满足降温等膨胀比试验透平主流空气的流量与压力要求，既显著降低轴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，水力测功器功率小且购置费用小。

[表2]

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试验透平进气温度或不同透平级数的重型燃气轮机的降温等膨胀比旋转透平流动与冷却的试验装置及参数设计方法，仍属于本发明权力要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，包括试验透平(1)、用于给试验透平提供主流燃气的降温等膨胀比旋转透平试验主流系统(2)、用于给试验透平(1)提供冷却空气的冷却空气系统(3)以及用于对试验透平(1)提供冷却水的冷却水系统(4)。

2.如权利要求1所述的降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(1)的模化比为0.3至0.7。

3.如权利要求1所述的降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(1)包括由外气缸(33)和设于外气缸(33)中的内气缸(32)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(31)以及设于双层气缸的后端并与双层气缸连接的排气蜗壳(38)，所述的冷却水系统(4)连接试验透平(1)的水冷过渡段(31)和排气蜗壳(38)，水冷过渡段(31)为双层管道，双层管道之间采用来自冷却水系统(4)的冷却水冷却，排气蜗壳(38)为双层壳体，双层壳体之间采用来自冷却水系统(4)的冷却水冷却，外气缸(33)和内气缸(32)之间采用来自冷却空气系统(3)的冷却空气进行冷却。

4.如权利要求3所述的降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，所述的外气缸(33)上设有与外气缸(33)和内气缸(32)之间的空间连通的冷却空气进口，所述的水冷过渡段(31)上设有冷却孔，所述的冷却空气系统(3)与外气缸(33)上的冷却空气进口和水冷过渡段(31)上的冷却孔相连通；所述的内气缸(32)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(34)固定于内气缸(32)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(31)上的冷却孔和第一级静叶片(34)的内部冷却通道连通，来自冷却空气系统(3)的冷却空气能够经水冷过渡段(31)上的冷却孔和静叶片内环的进气孔进入第一级静叶片(34)的内部冷却通道，各级静叶片的根部皆设有与外气缸(33)和内气缸(32)之间的空间连通的进气孔，来自冷却空气系统(3)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。

5.如权利要求4所述的降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(31)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(35)的进气孔与第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔(39)连通，来自冷却空气系统(3)的冷却空气能够依次通过水冷过渡段(31)的冷却孔和第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔(39)经第一级动叶片(35)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(3)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。

6.如权利要求1所述的降温等膨胀比旋转透平流动冷却试验装置，其特征在于，所述的降温等膨胀比旋转透平试验主流系统(2)包括轴流空气压缩机(5)、主流进气放空阀(6)、主流空气过滤器(7)、进气调节阀(8)、主流流量喷嘴(9)、金属膨胀节(10)、环形燃烧器(12)、过渡段(13)、水力测功器(14)、排气段(15)、排气减温器(16)和消音塔(17)；所述的轴流空气压缩机(5)、主流进气放空阀(6)、主流空气过滤器(7)、进气调节阀(8)、主流流量喷嘴(9)、金属膨胀节(10)、环形燃烧器(12)、过渡段(13)、试验透平(1)、排气段(15)、排气减温器(16)和消音塔(17)依次连接，试验透平(1)的输出轴连接水力测功器(14)。

7.如权利要求6所述的降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(10)和环形燃烧器(12)之间通过管路连接，金属膨胀节(10)和环形燃烧器(12)之间的管路上设有整流段(11)。

8.如权利要求1所述的降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(3)包括依次连接的离心式压缩机(18)、冷却空气放空阀(19)、冷却空气过滤器(20)、冷却空气调节阀(21)、文丘里流量计(22)和冷却空气热交换器(23)，所述的冷却空气热交换器(23)连接试验透平(1)。

9.如权利要求1所述的降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(4)包括冷却塔(27)、5台水泵(24)、1条补水管道(25)、4条进水管道(26)和3条出水管道(28)，其中，冷却塔(27)连接所述的1条补水管道(25)、4条进水管道(26)和3条出水管道(28)，所述的5台水泵(24)分别设于1条补水管道(25)和4条进水管道(26)上，所述的4条进水管道(26)分别连接排气减温器(16)、过渡段(13)和试验透平(1)的水冷过渡段(31)、试验透平的排气蜗壳(38)和排气段(15)、以及水力测功器(14)，所述的3条出水管道过渡段分别连接过渡段(13)和试验透平(1)的水冷过渡段(31)、试验透平的排气蜗壳(38)和排气段(15)、以及水力测功器(14)，所述的1条补水管道(25)、4条进水管道(26)和3条出水管道(28)上皆设有阀门。

10.权利要求1-9中任一项所述的降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：确定降温等膨胀比试验透平的模化比C_l；

步骤二：选定降温等膨胀比试验透平主流燃气总温

步骤三：计算降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——降温等膨胀比的试验透平的排气压损；

步骤四：计算降温等膨胀比试验透平的膨胀比π_g，L，公式为

${\mathrm{\φ}}_{g,L}={\mathrm{\π}}_{g,D}=\frac{P_{g,D}^{*}}{P_{1,D}}---\left(2\right)$

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：计算降温等膨胀比试验透平的主流燃气总压公式为

$P_{g,L}^{*}=P_1\×{\mathrm{\π}}_{g,L}---\left(3\right)$

式中：

P₁——降温等膨胀比试验透平的背压；

π_g，L——降温等膨胀比试验透平的膨胀比；

步骤六：计算降温等膨胀比的试验透平进口的主流燃气流量G_g，L，公式为

$G_{g,L}=\frac{P_{g,L}^{*}}{P_{g,D}^{*}}\×\frac{G_{g,D}\sqrt{T_{g,D}^{*}}}{\sqrt{T_{g,L}^{*}}}\×\frac{1}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

——降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；

——降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——降温等膨胀比的试验透平的模化比；

步骤七：计算降温等膨胀比试验透平冷却空气进口总温公式为

$T_{c,L}^{*}=T_{g,L}^{*}\×\frac{T_{c,D}^{*}}{T_{g,D}^{*}}---\left(5\right)$

式中：

——降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；

——燃气轮机设计工况冷却空气进口总温；

步骤八：计算降温等膨胀比的试验透平冷却空气流量G_c，L，公式为

$G_{c,L}=G_{g,L}\×\frac{G_{c,D}}{G_{g,d}}---\left(6\right)$

式中：

G_g，L——降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：计算降温等膨胀比的试验透平冷却空气总压公式为

$P_{c,L}^{*}=P_{c,D}^{*}\×\frac{G_{c,L}\sqrt{T_{c,L}^{*}}}{G_{c,D}\sqrt{T_{c,D}^{*}}}---\left(7\right)$

式中：

——燃气轮机设计工况旋转透平进口冷却空气总压；

——降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，L——降温等膨胀比的试验透平旋转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，计算降温等膨胀比的试验透平工作转速n，公式为

$n=\frac{C_0{n}_D}{C_{0D}{C}_l}---\left(8\right)$

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——降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；

步骤十一：计算水力测功器功率N，公式为

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{vi}}{h}_{\mathrm{vi}}+G_{\mathrm{bi}}{h}_{\mathrm{bi}})---\left(9\right)$

式中：

G_vi——降温等膨胀比试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——降温等膨胀比试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——降温等膨胀比试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——降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：计算降温等膨胀比试验透平的静叶片出口马赫数M_c1，公式为

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(10\right)$

式中：

a——当地声速；

c₁——透平静叶片出口实际速度；

步骤十三：计算降温等膨胀比试验透平的动叶片出口马赫数M_w2，公式为

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(11\right)$

式中：

a——当地声速；

w₂——透平动叶片出口实际速度；

步骤十四：计算降温等膨胀比试验透平的静叶片出口雷诺数Re₁，公式为

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{v}---\left(12\right)$

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：计算降温等膨胀比试验透平的动叶片出口雷诺数Re₂，公式为

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{v}---\left(13\right)$

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。