CN106289792A - 全温全压旋转透平的流动与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全压旋转透平的流动与冷却试验装置及参数设计方法。所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，包括全温全压旋转透平试验主流系统，用于对全温全压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，以及用于对全温全压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，实现了全温全压旋转透平设计工况参数的流动与冷却的综合试验。

Description

全温全压旋转透平的流动与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全压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

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级燃气轮机透平进气压力达到15MPa至18MPa、H级燃气轮机透平进气压力达到18MPa至22MPa、J级燃气轮机透平进气压力达到21MPa至23MPa。透平级是重型燃气轮机的关键热端部件，重型燃气轮机透平的研制，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。研建全温全压旋转透平的流动与冷却的试验装置并确定试验装置的设计参数，是旋转透平流动与冷却试验的重要环节。

现有技术和公开文献报道，没有重型燃气轮机的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置及参数设计方法。研建重型燃机全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，确定全温全压旋转透平试验装置的透平试验主流系统与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设计工况参数一致，透平级气动性能测试结果可以反映冷却空气掺混对透平级气动性能的影响，透平动叶片冷却效果的试验结果可以表征透平动叶片冷却效果的变化规律。

申请人已经申请发明专利《重型燃机透平叶片全温全压冷效试验装置及参数设计方法》申请号2016101529435，可以进行透平静叶片的几个叶片在全温全压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全压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，在旋转状态进行动叶片冷却效果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全压的流动与冷却试验，在高速旋转状态下测量有冷却空气掺混全温全压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全压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，实现了全温全压旋转透平设计工况参数的流动与冷却的综合试验。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，包括全温全压旋转透平试验主流系统，用于对全温全压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，以及用于对全温全压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，所述的全温全压旋转透平试验主流系统包括离心空气压缩机、主流进气放空阀、进气调节阀、金属膨胀节、环形燃烧器、试验透平、水力测功器、排气减温器、排气蝶阀和消音塔，所述的离心空气压缩机、主流进气放空阀、进气调节阀、金属膨胀节、环形燃烧器和试验透平的进气管道通过管路依次连接，试验透平的排气管道、排气减温器、排气蝶阀和消音塔通过管路依次连接，试验透平的输出轴连接水力测功器。

进一步地，所述的离心空气压缩机提供试验透平的主流空气，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。

进一步地，所述的进气调节阀与金属膨胀节之间的管路上设有主流流量喷嘴。

更进一步地，所述的主流流量喷嘴的前面设有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，以保证测量精度。

进一步地，所述的金属膨胀节安装在主流流量喷嘴与整流段之间，用于吸收进气管道的膨胀量。

进一步地，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。整流段用来保证环形燃烧器进口空气的均匀性。

进一步地，所述的环形燃烧器安装在整流段与试验透平之间，在环形燃烧器中主流空气与喷入的燃料相混合并燃烧成为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0.5。

优选地，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，来自冷却水系统的闭式循环冷却水用来冷却水力测功器。

进一步地，所述的排气减温器安装在试验透平与排气蝶阀之间，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，所述的排气蝶阀安装在排气减温器与消音塔之间，通过调整排气蝶阀的开度调整试验透平的主流进气压力。

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

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。

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、冷却空气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。

进一步地，所述的离心式压缩机提供冷却空气，通过调整冷却空气放空阀和冷却空气调节阀的开度来控制冷却空气的压力和流量。

进一步地，所述的冷却空气流量计用来测量冷却空气的流量，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，以保证测量精度。

进一步地，所述的冷却空气电加热器的预热冷却空气达到300℃至600℃。

进一步地，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，所述的冷却塔用于降低出水温度并为冷却水系统提供冷却水。

进一步地，所述的全温全压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、以及试验透平的排气蜗壳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，所述的全温全压旋转透平试验主流系统的环形燃烧器前后的环形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动叶片后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全压旋转透平的流动与冷却试验装置的参数设计方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：确定试验透平的模化比C_l；

步骤二：主流燃气总温取设计工况参数；

步骤三：主流燃气总压取设计工况参数；

步骤四：试验透平背压P₁取设计工况参数；

步骤五：计算试验透平膨胀比π，公式为：

$\mathrm{\π}=\frac{P_g^{*}}{P_1}---\left(1\right)$

式中：

——主流燃气总压

P₁——试验透平背压；

步骤六：计算全温全压试验透平主流燃气流量G_g，公式为：

$G_g=\frac{G_{g,D}}{C_l^2}---\left(2\right)$

式中：

G_g，D——设计工况的透平燃气进口流量；

C_l——试验透平的模化比；

步骤七：冷却空气总温取设计工况参数；

步骤八：冷却空气总压取设计工况参数；

步骤九：计算静叶片冷却空气流量G_vc的公式为

$G_{vc}=\frac{G_{vc,D}}{C_l^2}---\left(3\right)$

式中：

G_vc，D——设计工况静叶片冷却空气的流量；

C_l——试验透平的模化比；

步骤十：计算动叶片冷却空气流量G_bc的公式为

$G_{bc}=\frac{G_{bc,D}}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

G_bc，D——设计工况动叶片冷却空气的流量；

步骤十一：计算试验透平工作转速n的公式为

$n=\frac{n_D}{C_l}---\left(5\right)$

式中：

n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

步骤十二：计算水力测功器功率N的公式为

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(G_{vi}{h}_{vi}+G_{bi}{h}_{bi})---\left(6\right)$

式中：

G_vi——全温全压试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——全温全压试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——全温全压试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——全温全压试验透平第i级动叶片实际焓降；

m——试验透平的级数；

步骤十三：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口马赫数M_c1的公式为

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(7\right)$

式中：

a——当地声速；

c₁——试验透平静叶片出口实际速度；

步骤十四：计算全温全压旋转试验透平动叶片出口马赫数M_w2的公式为

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(8\right)$

式中：

a——当地声速

w₂——试验透平动叶片出口实际速度；

步骤十五：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口雷诺数Re₁的公式为

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{\mathrm{\ν}}---\left(9\right)$

式中：

b₁——试验透平静叶片弦长

c₁——试验透平静叶片出口实际速度

v——燃气的运动粘度；

步骤十六：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口雷诺数Re₂的公式为

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{\mathrm{\ν}}---\left(10\right)$

式中：

b₂——试验透平动叶片弦长；

w₂——试验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)本发明提供的重型燃气轮机的全温全压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，实现了全温全压旋转透平设计工况参数的流动与冷却的综合试验。

(2)试验装置的主流燃气参数和冷却空气参数与燃气轮机设计工况一致，测量的全温全压旋转透平动叶片冷却效果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。

附图说明

图1为本发明重型燃机全温全压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.全温全压旋转透平试验主流系统；2.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.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.排气蝶阀；15.消音塔；16.离心式压缩机；17.冷却空气放空阀；18.冷却空气调节阀；19.冷却空气流量计；20.冷却空气电加热器；21.水泵；22.补水管道；23.进水管道；24.冷却塔；25.出水管道门；26.压力测点；27.温度测点；28.水冷过渡段；29.内气缸；30.外气缸；31.第一级静叶片；32.第一级动叶片；33.第二级静叶片；34.第二级动叶片；35.排气蜗壳；36.第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔；37.第一级叶轮的冷却孔；38.第二级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔；39.第二级叶轮的冷却孔；40.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。

如图1所示，本发明提供的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置包括全温全压旋转透平试验主流系统1，用于对全温全压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，以及用于对全温全压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。

所述的全温全压旋转透平试验主流系统1包括离心空气压缩机4、主流进气放空阀5、进气调节阀6、主流流量喷嘴7、金属膨胀节8、整流段9、环形燃烧器10、试验透平11、水力测功器12、排气减温器13、排气蝶阀14和消音塔15，所述的离心空气压缩机4、主流进气放空阀5、进气调节阀6、主流流量喷嘴7、金属膨胀节8、整流段9、环形燃烧器10和试验透平11的进气管道通过管路依次连接，试验透平11的排气管道、排气减温器13、排气蝶阀14和消音塔15通过管路依次连接，试验透平11的输出轴连接水力测功器12。

所述的离心空气压缩机4提供试验透平11的主流空气，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。所述的进气调节阀6与金属膨胀节8之间的管路上设有主流流量喷嘴7。所述的主流流量喷嘴7的前面设有20倍管道直径的直管段，主流流量喷嘴7后面设有10倍管道直径的直管段，以保证测量精度。所述的金属膨胀节8安装在主流流量喷嘴7与整流段9之间的管路上，用于吸收进气管道的膨胀量。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，整流段9用来保证环形燃烧器10进口空气的均匀性。所述的环形燃烧器10安装在整流段9与试验透平11之间，在环形燃烧器10中主流空气与喷入的燃料相混合并燃烧成为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11包括由外气缸30和设于外气缸30中的内气缸29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28以及设于双层气缸的后端并与双层气缸连接的排气蜗壳35，所述的水冷过渡段28和排气蜗壳35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28和排气蜗壳35，水冷过渡段28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35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30和内气缸30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30上设有与外气缸30和内气缸29之间的空间连通的冷却空气进口，所述的水冷过渡段28上设有冷却孔，所述的冷却空气系统2与外气缸30上的冷却空气进口和水冷过渡段28上的冷却孔相连通；所述的内气缸29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31固定于内气缸29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28上的冷却孔和第一级静叶片的内部冷却通道连通，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，第一级静叶片31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28上的冷却孔和静叶片内环的进气孔进入第一级静叶片31的内部冷却通道，另一股来自冷却空气系统2的冷却空气能够经第一级静叶片31根部的进气孔进入第一级静叶片31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33根部的进气孔进入第二级静叶片33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28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32的进气孔与第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔36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28的冷却孔和第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔36经第一级动叶片32根部的进气孔进入其内部冷却通道，第二级动叶片34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38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39和第二级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔38经第二级动叶片34根部的进气孔进入其内部冷却通道。

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。所述的静叶片的根部固定在内气缸的侧壁上，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。

所述的水力测功器12与试验透平11的输出轴通过联轴器40来连接，水力测功器12用来消耗试验透平11的机械功，水力测功器12与冷却水系统3连接，来自冷却水系统3的闭式循环冷却水用来冷却水力测功器12。

所述的排气减温器13安装在试验透平11与排气蝶阀14之间，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。

所述的排气蝶阀14安装在排气减温器13与消音塔15之间，通过调整排气蝶阀14的开度调整试验透平11的主流进气压力。

所述的消音塔15与排气碟阀14连接，试验透平11的排气进入消音塔15以降低高速气流产生的噪音，再排入大气。

所述的冷却空气系统2包括依次连接的离心式压缩机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和冷却空气电加热器20，所述的冷却空气电加热器20与试验透平11的连接，冷却空气电加热器20的出口与外气缸30上的冷却空气进口和水冷过渡段28上的冷却孔相连通。

所述的离心式压缩机16提供冷却空气，通过调整冷却空气放空阀17和冷却空气调节阀18的开度来控制冷却空气的压力和流量。

所述的冷却空气流量计19用来测量冷却空气的流量，冷却空气流量计19前面设有20倍管道直径的直管段，冷却空气流量计19后面设有10倍管道直径的直管段，以保证测量精度。

所述的冷却空气电加热器20的预热冷却空气达到300℃至600℃。

所述的冷却水系统3包括冷却塔24、5台水泵21、1条补水管道22、4条进水管道23和3条出水管道25，其中，冷却塔24连接所述的1条补水管道22、4条进水管道23和3条出水管道25，所述的5台水泵21分别设于1条补水管道22和4条进水管道23上，所述的4条进水管道23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28、试验透平11的排气管道和排气蜗壳35、以及水力测功器12，所述的3条出水管道25分别连接试验透平11的进气管道和水冷过渡段28、试验透平11的排气管道和排气蜗壳35、以及水力测功器12，所述的1条补水管道22、4条进水管道23和3条出水管道25上皆设有阀门。

冷却水系统3的其中1台水泵21及1条补水管道22为冷却水系统3提供补水，1台水泵21及1条进水管道23为排气减温器13提供喷水；1台水泵21及1条进水管道23为试验透平11的进气管道和水冷过渡段28提供冷却水，1条出水管道25把进气管道和水冷过渡段28出水输送到冷却塔24；1台水泵21及1条进水管道23为试验透平11的排气蜗壳35与试验透平11的排气管道提供冷却水，1条出水管道25把试验透平11的排气蜗壳35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21及1条进水管道23为水力测功器12提供冷却水，1条出水管道25把冷却水力测功器12的出水输送到冷却塔24。

所述的冷却塔24用于降低出水温度并为冷却水系统提供冷却水。

所述的全温全压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、以及试验透平11的排气蜗壳35的外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃。

所述的全温全压旋转透平试验主流系统1的环形燃烧器10前后的环形管道上安装压力测点26与温度测点27，冷却空气系统2的冷却空气电加热器20前后的管道上安装压力测点26与温度测点27，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26与温度测点27，试验透平11的静叶片与动叶片之间以及动叶片后安装压力测点26与温度测点27，试验透平11的静叶片与动叶片上安装金属的温度测点27。

本发明还提供了上述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置的参数设计方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：确定试验透平的模化比C_l；

步骤二：主流燃气总温取设计工况参数；

步骤三：主流燃气总压取设计工况参数；

步骤四：试验透平背压P₁取设计工况参数；

步骤五：计算试验透平膨胀比π，公式为：

$\mathrm{\π}=\frac{P_g^{*}}{P_1}---\left(1\right)$

式中：

——主流燃气总压

P₁——试验透平背压；

步骤六：计算全温全压试验透平主流燃气流量G_g，公式为：

$G_g=\frac{G_{g,D}}{C_l^2}---\left(2\right)$

式中：

G_g，D——设计工况的透平燃气进口流量；

C_l——试验透平的模化比；

步骤七：冷却空气总温取设计工况参数；

步骤八：冷却空气总压取设计工况参数；

步骤九：计算静叶片冷却空气流量G_vc的公式为

$G_{vc}=\frac{G_{vc,D}}{C_l^2}---\left(3\right)$

式中：

G_vc，D——设计工况静叶片冷却空气的流量；

C_l——试验透平的模化比；

步骤十：计算动叶片冷却空气流量G_bc的公式为

$G_{bc}=\frac{G_{bc,D}}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

G_bc，D——设计工况动叶片冷却空气的流量；

步骤十一：计算试验透平工作转速n的公式为

$n=\frac{n_D}{C_l}---\left(5\right)$

式中：

n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

步骤十二：计算水力测功器功率N的公式为

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(G_{vi}{h}_{vi}+G_{bi}{h}_{bi})---\left(6\right)$

式中：

G_vi——全温全压试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——全温全压试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——全温全压试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——全温全压试验透平第i级动叶片实际焓降；

m——试验透平的级数；

步骤十三：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口马赫数M_c1的公式为

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(7\right)$

式中：

a——当地声速；

c₁——试验透平静叶片出口实际速度；

步骤十四：计算全温全压旋转试验透平动叶片出口马赫数M_w2的公式为

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(8\right)$

式中：

a——当地声速

w₂——试验透平动叶片出口实际速度；

步骤十五：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口雷诺数Re₁的公式为

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{\mathrm{\ν}}---\left(9\right)$

式中：

b₁——试验透平静叶片弦长

c₁——试验透平静叶片出口实际速度

v——燃气的运动粘度；

步骤十六：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口雷诺数Re₂的公式为

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{\mathrm{\ν}}---\left(10\right)$

式中：

b₂——试验透平动叶片弦长；

w₂——试验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级燃气轮机的全温全压试验透平的示意图，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，全温全压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十六的计算结果列于表1。

[表1]

以上所述，仅是根据本发明技术方案给出的某型号300MW的F级燃气轮机全温全压旋转透平的流动与冷却的试验装置及参数设计方法的实施例，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全温全压旋转透平的流动与冷却试验，仍属于本发明权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，包括全温全压旋转透平试验主流系统(1)，用于对全温全压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)，以及用于对全温全压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)。

2.如权利要求1所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，所述的全温全压旋转透平试验主流系统(1)包括离心空气压缩机(4)、主流进气放空阀(5)、进气调节阀(6)、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)、排气蝶阀(14)和消音塔(15)，所述的离心空气压缩机(4)、主流进气放空阀(5)、进气调节阀(6)、金属膨胀节(8)、环形燃烧器(10)和试验透平(11)的进气管道通过管路依次连接，试验透平(11)的排气管道、排气减温器(13)、排气蝶阀(14)和消音塔(15)通过管路依次连接，试验透平(11)的输出轴连接水力测功器(12)。

3.如权利要求2所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，所述的进气调节阀(6)与金属膨胀节(8)之间的管路上设有主流流量喷嘴(7)。

4.如权利要求2所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，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)。

5.如权利要求1所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，所述的试验透平(11)包括由外气缸(30)和设于外气缸(30)中的内气缸(29)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(28)以及设于双层气缸的后端并与双层气缸连接的排气蜗壳(35)，所述的水冷过渡段(28)和排气蜗壳(35)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(28)和排气蜗壳(35)，水冷过渡段(28)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(35)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(30)和内气缸(30)之间采用来自冷却空气系统(2)的冷却空气进行冷却。

6.如权利要求5所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，所述的外气缸(30)上设有与外气缸(30)和内气缸(29)之间的空间连通的冷却空气进口，所述的水冷过渡段(28)上设有冷却孔，所述的冷却空气系统(2)与外气缸(30)上的冷却空气进口和水冷过渡段(28)上的冷却孔相连通；所述的内气缸(29)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(31)固定于内气缸(29)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(28)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(2)的冷却空气能够经水冷过渡段(28)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。

7.如权利要求6所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，所述的各级动叶片相应设于内气缸(29)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(28)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(32)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(2)的冷却空气能够依次通过水冷过渡段(28)的冷却孔和第一级叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔(36)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(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。

8.如权利要求1所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，所述的冷却空气系统(2)包括依次连接的离心式压缩机(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)和冷却空气电加热器(20)，所述的冷却空气电加热器(20)与试验透平(11)连接。

9.如权利要求1所述的全温全压旋转透平的流动与冷却试验装置，其特征在于，所述的冷却水系统(3)包括冷却塔(24)、5台水泵(21)、1条补水管道(22)、4条进水管道(23)和3条出水管道(25)，其中，冷却塔(24)连接所述的1条补水管道(22)、4条进水管道(23)和3条出水管道(25)，所述的5台水泵(21)分别设于1条补水管道(22)和4条进水管道(23)上，所述的4条进水管道(23)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(28)、试验透平(11)的排气管道和排气蜗壳(35)、以及水力测功器(12)，所述的3条出水管道(25)分别连接试验透平(11)的进气管道和水冷过渡段(28)、试验透平(11)的排气管道和排气蜗壳(35)、以及水力测功器(12)，所述的1条补水管道(22)、4条进水管道(23)和3条出水管道(25)上皆设有阀门。

10.权利要求1-9中任一项所述的全温全压旋转透平的流动与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：确定试验透平的模化比C_l；

步骤二：主流燃气总温取设计工况参数；

步骤三：主流燃气总压取设计工况参数；

步骤四：试验透平背压P₁取设计工况参数；

步骤五：计算试验透平膨胀比π，公式为：

$\mathrm{\π}=\frac{P_g^{*}}{P_1}---\left(1\right)$

式中：

——主流燃气总压

P₁——试验透平背压；

步骤六：计算全温全压试验透平主流燃气流量G_g，公式为：

$G_g=\frac{G_{g,D}}{C_l^2}---\left(2\right)$

式中：

G_g，D——设计工况的透平燃气进口流量；

C_l——试验透平的模化比；

步骤七：冷却空气总温取设计工况参数；

步骤八：冷却空气总压取设计工况参数；

步骤九：计算静叶片冷却空气流量G_vc的公式为

$G_{vc}=\frac{G_{vc,D}}{C_l^2}---\left(3\right)$

式中：

G_vc，D——设计工况静叶片冷却空气的流量；

C_l——试验透平的模化比；

步骤十：计算动叶片冷却空气流量G_bc的公式为

$G_{bc}=\frac{G_{bc,D}}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

G_bc，D——设计工况动叶片冷却空气的流量；

C_l——试验透平的模化比；

步骤十一：计算试验透平工作转速n的公式为

$n=\frac{n_D}{C_l}---\left(5\right)$

式中：

n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

步骤十二：计算水力测功器功率N的公式为

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(G_{vi}{h}_{vi}+G_{bi}{h}_{bi})---\left(6\right)$

式中：

G_vi——全温全压试验透平第i级静叶片主流燃气流量；

h_vi——全温全压试验透平第i级静叶片实际焓降；

G_bi——全温全压试验透平第i级动叶片主流燃气流量；

h_bi——全温全压试验透平第i级动叶片实际焓降；

m——试验透平的级数；

步骤十三：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口马赫数M_c1的公式为

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(7\right)$

式中：

a——当地声速；

c₁——试验透平静叶片出口实际速度；

步骤十四：计算全温全压旋转试验透平动叶片出口马赫数M_w2的公式为

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(8\right)$

式中：

a——当地声速

w₂——试验透平动叶片出口实际速度；

步骤十五：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口雷诺数Re₁的公式为

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{v}---\left(9\right)$

式中：

b₁——试验透平静叶片弦长；

c₁——试验透平静叶片出口实际速度；

v——燃气的运动粘度；

步骤十六：计算全温全压旋转试验透平静叶片出口雷诺数Re₂的公式为

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{v}---\left(10\right)$

式中：

b₂——试验透平动叶片弦长；

w₂——验透平动叶片出口实际速度；

v——燃气的运动粘度。