CN112444398A - 一种燃气轮机转子冷气输送试验件及试验参数设计方法 - Google Patents

一种燃气轮机转子冷气输送试验件及试验参数设计方法 Download PDF

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CN112444398A
CN112444398A CN202011318562.2A CN202011318562A CN112444398A CN 112444398 A CN112444398 A CN 112444398A CN 202011318562 A CN202011318562 A CN 202011318562A CN 112444398 A CN112444398 A CN 112444398A
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赵世全
孔祥林
周娜
卢航
蔡国煌
罗涛
李金鸿
尹正发
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DEC Dongfang Turbine Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机转子冷气输送试验件，包括轮盘部件A、轮盘部件B，轮盘部件A与轮盘部件B形成空心腔室；轮盘部件B设置有中心孔B；轮盘部件A设置有通孔。参数设计方法，包括获得相似准则判据：确定模化比；模化试验冷气输送试验件直径、模化试验中心孔直径、模化试验端面齿啮合间隙面积、模化试验端面齿啮合间隙数量、模化试验腰型孔总面积、模化试验腰型孔数量、模化试验中压缩空气质量流量、模化试验中进口气体总压、模化试验中出口气体静压、模化试验中转子转速。本发明实现对燃气轮机转子冷气输送过程中关键结构的流动特性参数进行测试，获得燃气轮机压气机转子冷气输送相关性能参数，为燃气轮机设计提供重要的数据支持。

Description

一种燃气轮机转子冷气输送试验件及试验参数设计方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机试验技术领域，特别涉及一种燃气轮机转子冷气输送试验件及试验参数设计方法。
背景技术
提高燃气透平的燃气进口温度可以有效提高燃气轮机循环效率，燃气轮机转子冷气输送为透平高温叶片提供冷却气体、实现透平轮盘的冷却及轮缘密封防止主流燃气倒灌，对燃气轮机的热效率与运行安全性具有重要影响。燃气轮机转子冷气输送流量分配与压力分布的准确性直接影响到燃气轮机高温部件的冷却空气消耗量及冷却效果，以及防止主流燃气倒灌，进而影响到燃气轮机的效率与运行安全性。
现有技术和公开文献报道中针对燃气轮机转子冷气输送试验装置和方法尚且存在空白。冷却气在冷气输送过程中的压损等关键参数在整个二次空气系统流路中都是至关重要的，这些重要的参数决定了冷却气体供给的压力、流量和温度。目前针对燃气轮机冷却供气系统的一维、二维、三维数值模拟计算和计算结果已经发表了很多，通过对比现有的数值计算结果发现不同的计算方法对于轮盘间隙压损等关键结构的计算结果上存在明显差异。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种燃气轮机转子冷气输送试验参数设计方法。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一种燃气轮机转子冷气输送试验件，包括设置有端面齿的轮盘部件A、与端面齿啮合的轮盘部件B，所述轮盘部件A与轮盘部件B相互连接且形成空心腔室；所述轮盘部件B的中心设置有与空心腔室连通的中心孔B；所述轮盘部件A的外侧设置有与空心腔室连通的通孔。
气体通过中心孔B，进入空心腔室内，然后在进气系统的作用下，从通孔和端面齿啮合位置排出。
在一些可能的实施方式中，所述通孔的数量为多个，且以轮盘部件A的轴心为圆心呈环状阵列。
在一些可能的实施方式中，所述通孔为腰型孔。
在一些可能的实施方式中，所述轮盘部件B包括与端面齿啮合的盘B、与盘B一体成型且位于盘B远离轮盘部件A一侧的空心套筒，所述空心套筒的轴心与盘B的中心在同一直线上，所述盘B与空心套筒相互连通形成中心孔B；所述中心孔A与中心孔B的内径一致。
在一些可能的实施方式中，所述轮盘部件A包括靠近轮盘B一侧设置有端面齿的盘A；所述盘A的中心设置有安装孔，所述安装孔与中心孔同轴设置。
安装孔的作用是用于在试验时，通过安装孔将本试验件安装在转子轴上，进而实现本试验件的旋转；从而进行在本试验件旋转时的相关参数测量。
在一些可能的实施方式中，所述盘A靠近轮盘部件B的一侧设置有与安装孔同轴且连通的安装槽，所述轮盘部件B包括安装在安装槽内的轴端螺母。
轴端螺母的设置是为了有效的保证在旋转时，整个装置的稳定性。
另一方面，一种燃气轮机转子冷气输送试验参数设计方法，具体包括以下步骤:
获得转子冷气输送试验件冷气输送旋转模化试验的相似准则判据：
确定试验的模化比；
计算模化试验冷气输送试验件直径、模化试验中心孔直径、模化试验端面齿啮合间隙面积、模化试验端面齿啮合间隙数量、模化试验腰型孔总面积、模化试验腰型孔数量、模化试验中压缩空气质量流量、模化试验中进口气体总压、模化试验中出口气体静压、模化试验中转子转速。
在一些可能的实施方式中，所述获得轮盘排气旋转模化试验的相似准则判据，具体是指：
运用相似理论进行模化处理，原模型流动与试验模型流动满足同一流体控制方程，相应的无量纲准则数相等；原模型流动雷诺数小于3×105黏性力不可忽视，并且马赫数大于0.3弹性力不可忽视，类似无量纲准则数在本试验模化处理时都满足无量纲准则数相等的条件；根据流体力学的公式可得以下准则数公式：
Figure BDA0002792087540000021
式中：Ma表示燃气轮机压缩空气马赫数；ν表示燃气轮机气流速度；γ表示气体绝热因子；R表示气体摩尔常数；T表示外界气体温度；D表示特征长度；υ表示气体运动粘度；Re表示燃气轮机气流雷诺数；Rer表示燃气轮机气流旋转雷诺数；ω表示燃气轮机气流旋转角速度；
根据相似准则，在保证上述三个准则数相等且m＝lνA、
Figure BDA0002792087540000031
相等，推出以下无量纲准则数：
无量纲流量：
Figure BDA0002792087540000032
雷诺数：
Figure BDA0002792087540000033
旋转雷诺数：
Figure BDA0002792087540000034
采用亚瑟兰公式计算动力粘度：
Figure BDA0002792087540000035
由上述公式可以写出本发明中燃气轮机轮盘排气旋转模化试验的相似准则判据：
Figure BDA0002792087540000036
Figure BDA0002792087540000037
Figure BDA0002792087540000038
式中：m表示压缩空气质量流量；l表示压缩空气密度；ν表示试验气体流速；A表示试验流通面积；Tt表示试验气体总温；Ts表示试验气体静温；Pt表示试验气体总压；Ps表示静压；μ表示运动粘度；
相似准则式(1)、(2)、(3)中的字符意义与上述类似，下标1、下标2仅用于区分实际在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验冷气输送试验件直径，具体为：
Dm＝D*C；
式中：D表示设计工况下模型直径；C表示试验的模化比；Dm表示模化试验模型直径；模化试验转子冷气输送试验件通孔的尺寸，具体为：
Dl,m＝Dl*C；
式中：Dl表示设计工况下转子冷气输送试验件通孔的尺寸；Dl,m表示模化试验转子冷气输送试验件通孔的尺寸；
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验中心孔直径，所述中心孔为中心孔B，具体为：
Dc,m＝Dc*C
式中：Dc表示设计工况下透平轮盘中心孔直径。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验端面齿啮合间隙面积，具体为：
Sd,m＝Sd*C2
式中：Sd表示设计工况下轮盘孔直径。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验端面齿312啮合间隙数量，具体为：
nd,m＝nd*C2
式中：nd表示设计工况下端面齿312啮合间隙数量。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验腰型孔总面积，具体为：
Sy,m＝Sy*C2
式中：Sy表示设计工况下腰型孔的总面积。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验腰型孔数量，公式为：
ny,m＝ny*C2
式中：ny表示设计工况下腰型孔的数量。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验中压缩空气质量流量，具体为：
Figure BDA0002792087540000041
所述计算模化试验中进口气体总压，具体为：
Figure BDA0002792087540000042
在一些可能的实施方式中，根据模化前后
Figure BDA0002792087540000043
相等计算得出模化试验中出口气体静压；所述计算模化试验中转子转速，公式为：
Figure BDA0002792087540000051
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明能够实现对燃气轮机转子冷气输送过程中关键结构的流动特性参数进行测试，获得真实可靠的燃气轮机压气机转子冷气输送相关性能参数，不仅可以为燃气轮机设计提供重要的数据支持，还可以对现有的针对燃气轮机二次空气系统的一维、二维、三维计算模型进行校核、修正；
本发明能够实现燃气轮机转子冷气输送部分的模化试验，通过不同的模化处理可以做不同尺寸的模化试验，且经过模化处理之后本发明中的一种燃气轮机轮转子冷气输送装置可以使用常温空气作为气体工质，极大的提高了燃气轮机转子冷气输送试验的效率；
本发明将压缩空气这一试验变量固定到常温状态，所以在进气系统部分不需要压缩空气的变温装置，简化了试验步骤，提高了试验效率。
附图说明
图1为本发明中压气机转子冷气输送试验件的结构示意图；
其中：30、转子轴；31、轮盘部件A；311、通孔；312、端面齿；313、轴端螺母；32、轮盘部B；321、空心套筒。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，
一种燃气轮机转子冷气输送试验件，主要用于模拟燃气轮机转子在进行冷气输送时相关参数的测量，与旋转试验装置配合使用进行相关参数的测量；包括设置有端面齿312的轮盘部件A31、与端面齿312啮合的轮盘部件B32，所述轮盘部件A31与轮盘部件B32相互连接且形成空心腔室；所述轮盘部件B32的中心设置有与空心腔室连通的中心孔B；所述轮盘部件A31的外侧设置有与空心腔室连通的通孔311。
气体通过中心孔B，进入空心腔室内，然后在进气系统的作用下，从通孔311和端面齿312啮合位置排出。
在一些可能的实施方式中，所述通孔311的数量为多个，且以轮盘部件A31的轴心为圆心呈环状阵列。
在一些可能的实施方式中，所述通孔311为腰型孔。
在一些可能的实施方式中，所述轮盘部件B32包括与端面齿312啮合的盘B、与盘B一体成型且位于盘B远离轮盘部件A31一侧的空心套筒321，所述空心套筒321的轴心与盘B的中心在同一直线上，所述盘B与空心套筒321相互连通形成中心孔B；所述中心孔A与中心孔B的内径一致。
在一些可能的实施方式中，所述轮盘部件A31包括靠近轮盘部件B32一侧设置有端面齿312的盘A；所述盘A的中心设置有安装孔，所述安装孔与中心孔同轴设置。
安装孔的作用是用于在试验时，通过安装孔将本试验件安装在旋转装置的转子轴上，进而实现本试验件的旋转；从而进行在本试验件旋转时的相关参数测量。
在一些可能的实施方式中，所述盘A靠近轮盘部件B32的一侧设置有与安装孔同轴且连通的安装槽，所述轮盘部件B32包括安装在安装槽内的轴端螺母313。
轴端螺母313的设置是为了有效的保证在旋转时，整个装置的稳定性。
旋转试验装置包括设置有转子轴的旋转装置、安装有气封件的试验箱、与空心套筒321连接的进气系统；其中转子轴30的一端伸入试验箱内；在对本试验件进行试验时，将盘A安装在转子轴30上，通过平键实现盘A与转子轴30的连接，然后将轴端螺母313安装在转子轴30的轴端，然后安装轮盘部件B32，通过螺栓实现两者的连接，使得两者安装在试验箱内；试验时，控制转子轴30旋转，进而带动试验箱内的本试验件旋转，转子轴30可根据需要调整到不同的转速，气体从进气系统经过空心套筒321进入到空心腔室内，进气系统对输送至试验箱内的气体流量、压力等参数进行测量，同时可根据试验需要对输入空心腔室内的气体压力和流量进行调整，然后气体通过端面齿312啮合位置的间隙、腰型孔流入试验箱内，安装在试验箱内的测试传感器将进行温度和压力的测量，试验箱内的气体然后外排。
优选的，为了保证本试验件在试验过程中的稳定性，在所述轮盘部件A31与轮盘部件B32相互远离的一侧对称设置有配重安装槽，在使用时，可根据需求在配重安装槽内安装配重块。
一种燃气轮机转子冷气输送试验参数设计方法，具体包括以下步骤:
获得转子冷气输送试验件冷气输送旋转模化试验的相似准则判据：
确定试验的模化比；
计算模化试验冷气输送试验件直径、模化试验中心孔直径、模化试验端面齿312啮合间隙面积、模化试验端面齿312啮合间隙数量、模化试验腰型孔总面积、模化试验腰型孔数量、模化试验中压缩空气质量流量、模化试验中进口气体总压、模化试验中出口气体静压、模化试验中转子转速。
在一些可能的实施方式中，所述获得轮盘排气旋转模化试验的相似准则判据，具体是指：
运用相似理论进行模化处理，原模型流动与试验模型流动满足同一流体控制方程，相应的无量纲准则数相等；根据流体力学的公式可得以下准则数公式：
Figure BDA0002792087540000071
式中：Ma表示燃气轮机压缩空气马赫数；ν表示燃气轮机气流速度；γ表示气体绝热因子；R表示气体摩尔常数；T表示外界气体温度；D表示特征长度；υ表示气体运动粘度；Re表示燃气轮机气流雷诺数；Rer表示燃气轮机气流旋转雷诺数；ω表示燃气轮机气流旋转角速度；
根据相似准则，在保证上述三个准则数相等且m＝lνA、
Figure BDA0002792087540000072
相等，推出以下无量纲准则数：
无量纲流量：
Figure BDA0002792087540000073
雷诺数：
Figure BDA0002792087540000074
旋转雷诺数：
Figure BDA0002792087540000075
其中：
Figure BDA0002792087540000076
的推导如下：
由m＝lνA，得出
Figure BDA0002792087540000077
可得：
Figure BDA0002792087540000082
Figure BDA0002792087540000084
的推导如下：
由Pt＝ρRTt，
Figure BDA0002792087540000085
可得：
Figure BDA0002792087540000086
Figure BDA0002792087540000087
采用亚瑟兰公式计算动力粘度：
Figure BDA0002792087540000088
由上述公式可以写出本发明中燃气轮机轮盘排气旋转模化试验的相似准则判据：
Figure BDA0002792087540000089
Figure BDA00027920875400000810
Figure BDA00027920875400000811
式中：m表示压缩空气质量流量；l表示压缩空气密度；ν表示试验气体流速；A表示试验流通面积；Tt表示试验气体总温；Ts表示试验气体静温；Pt表示试验气体总压；Ps表示静压；μ表示运动粘度；
相似准则式(1)、(2)、(3)中的字符意义与上述类似，下标1和下标2仅用于区分实际值与模化值。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验冷气输送试验件直径，具体为：
Dm＝D*C；
式中：D表示设计工况下模型直径；C表示试验的模化比；Dm表示模化试验模型直径。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验中心孔直径，所述中心孔为中心孔B，具体为：
Dc,m＝Dc*C
式中：Dc表示设计工况下透平轮盘中心孔直径；
模化试验转子冷气输送试验件通孔的尺寸，具体为：
Dl,m＝Dl*C；
式中：Dl表示设计工况下转子冷气输送试验件通孔的尺寸；Dl,m表示模化试验转子冷气输送试验件通孔的尺寸；
其中，当通孔为腰型孔时，需要模化的腰型孔的直径和宽度；
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验端面齿312啮合间隙面积，具体为：
Sd,m＝Sd*C2
式中：Sd表示设计工况下轮盘孔直径。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验端面齿312啮合间隙数量，具体为：
nd,m＝nd*C2
式中：nd表示设计工况下端面齿312啮合间隙数量。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验腰型孔总面积，具体为：
Sy,m＝Sy*C2
式中：Sy表示设计工况下腰型孔的总面积。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验腰型孔数量，公式为：
ny,m＝ny*C2
式中：ny表示设计工况下腰型孔的数量。
在一些可能的实施方式中，所述计算模化试验中压缩空气质量流量，具体为：
Figure BDA0002792087540000101
所述计算模化试验中进口气体总压，具体为：
Figure BDA0002792087540000102
在一些可能的实施方式中，根据模化前后
Figure BDA0002792087540000103
相等计算得出模化试验中出口气体静压；
所述计算模化试验中转子转速，公式为：
Figure BDA0002792087540000104
为了简化试验将模化后的进气温度选为常温环境。
本发明针对燃气轮机转子冷气输送过程中带来的冷却气压损通过现有的数值模拟计算结果出现较大差异的问题；通过本发明能够获得真实可靠的燃气轮机转子冷气输送段的关键气动参数，并且能够利用试验结果对现有理论计算模型进行校核、改进；
本发明能够实现对燃气轮机转子冷气输送过程中关键结构的流动特性参数进行测试，获得真实可靠的燃气轮机压气机转子冷气输送相关性能参数，不仅可以为燃气轮机设计提供重要的数据支持，还可以对现有的针对燃气轮机二次空气系统的一维、二维、三维计算模型进行校核、修正；
本发明实现燃气轮机转子冷气输送部分的模化试验，通过不同的模化处理可以做不同尺寸的模化试验，测得不同端面齿之间的孔隙和/或腰型孔不同尺寸下的流量系数和压损等关键技术参数，极大的提高了燃气轮机转子冷气输送试验的效率；
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本申请中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种燃气轮机转子冷气输送试验件，其特征在于：包括设置有端面齿的轮盘部件A、与端面齿啮合的轮盘部件B，所述轮盘部件A与轮盘部件B相互连接且形成空心腔室；所述轮盘部件B的中心设置有与空心腔室连通的中心孔B；所述轮盘部件A的外侧设置有与空心腔室连通的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验件，其特征在于：所述通孔的数量为多个，且以轮盘部件A的轴心为圆心呈环状阵列。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验件，其特征在于：所述通孔为腰型孔。
4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验件，其特征在于：所述轮盘部件B包括与端面齿啮合的盘B、与盘B一体成型且位于盘B远离轮盘部件A一侧的空心套筒，所述空心套筒的轴心与盘B的中心在同一直线上，所述盘B与空心套筒相互连通形成中心孔B；所述中心孔A与中心孔B的内径一致。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验件，其特征在于：所述轮盘部件A包括靠近轮盘部件B一侧设置有端面齿的盘A；所述盘A的中心设置有安装孔，所述安装孔与中心孔同轴设置。
6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验件，其特征在于：所述盘A靠近轮盘部件B的一侧设置有与安装孔同轴且连通的安装槽，所述轮盘部件B包括安装在安装槽内的轴端螺母。
7.一种燃气轮机转子冷气输送试验参数设计方法，其特征在于：应用于如权利要求1-6任一项所述的燃气轮机转子冷气输送试验件，具体包括以下步骤:
获得转子冷气输送试验件冷气输送旋转模化试验的相似准则判据：
确定试验的模化比；
计算模化试验冷气输送试验件直径、模化试验中心孔直径、模化试验轮盘通孔的尺寸、模化试验端面齿啮合间隙面积、模化试验端面齿啮合间隙数量、模化试验腰型孔总面积、模化试验腰型孔数量、模化试验中压缩空气质量流量、模化试验中进口气体总压、模化试验中出口气体静压、模化试验中转子转速。
8.根据权利要求7所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验参数设计方法，其特征在于：所述获得轮盘排气旋转模化试验的相似准则判据，具体是指：
运用相似理论进行模化处理，原模型流动与试验模型流动满足同一流体控制方程，相应的无量纲准则数相等；根据流体力学的公式可得以下准则数公式：
Figure FDA0002792087530000021
式中：Ma表示燃气轮机压缩空气马赫数；ν表示燃气轮机气流速度；γ表示气体绝热因子；R表示气体摩尔常数；T表示外界气体温度；D表示特征长度；υ表示气体运动粘度；Re表示燃气轮机气流雷诺数；Rer表示燃气轮机气流旋转雷诺数；ω表示燃气轮机气流旋转角速度；
根据相似准则，在保证上述三个准则数相等且
Figure FDA00027920875300000210
Figure FDA0002792087530000022
相等，推出以下无量纲准则数：
无量纲流量：
Figure FDA0002792087530000023
雷诺数：
Figure FDA0002792087530000024
旋转雷诺数：
Figure FDA0002792087530000025
采用亚瑟兰公式计算动力粘度：
Figure FDA0002792087530000026
C＝122，μ0＝1.711×10-5；
由上述公式可以写出本发明中燃气轮机轮盘排气旋转模化试验的相似准则判据：
Figure FDA0002792087530000027
Figure FDA0002792087530000028
Figure FDA0002792087530000029
式中：m表示压缩空气质量流量；
Figure FDA00027920875300000211
表示压缩空气密度；ν表示试验气体流速；A表示试验流通面积；Tt表示试验气体总温；Ts表示试验气体静温；Pt表示试验气体总压；Ps表示静压；μ表示运动粘度；
相似准则式(1)、(2)、(3)中的字符意义与上述类似，下标1和下标2仅用于区分实际值与模化值。
9.根据权利要求8所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验参数设计方法，其特征在于：所述计算模化试验冷气输送试验件直径，具体为：
Dm＝D*C；
式中：D表示设计工况下模型直径；C表示试验的模化比；Dm表示模化试验模型直径；
模化试验转子冷气输送试验件通孔的尺寸，具体为：
Dl,m＝Dl*C；
式中：Dl表示设计工况下转子冷气输送试验件通孔的尺寸；Dl,m表示模化试验转子冷气输送试验件通孔的尺寸；
所述计算模化试验中心孔直径，所述中心孔为中心孔B，具体为：
Dc,m＝Dc*C
式中：Dc表示设计工况下透平轮盘中心孔直径；
所述计算模化试验端面齿啮合间隙面积，具体为：
Sd,m＝Sd*C2
式中：Sd表示设计工况下轮盘孔直径；
所述计算模化试验端面齿啮合间隙数量，具体为：
nd,m＝nd*C2
式中：nd表示设计工况下端面齿啮合间隙数量；
所述计算模化试验腰型孔总面积，具体为：
Sy,m＝Sy*C2
式中：Sy表示设计工况下腰型孔的总面积；
所述计算模化试验腰型孔数量，公式为：
ny,m＝ny*C2
式中：ny表示设计工况下腰型孔的数量。
10.根据权利要求8所述的一种燃气轮机转子冷气输送试验参数设计方法，其特征在于：
所述计算模化试验中压缩空气质量流量，具体为：
Figure FDA0002792087530000041
所述计算模化试验中进口气体总压，具体为：
Figure FDA0002792087530000042
根据模化前后Pt/Ps相等计算得出模化试验中出口气体静压；
所述计算模化试验中转子转速，公式为：
Figure FDA0002792087530000043
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