CN115031980A - 燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统 - Google Patents

Abstract

本申请关于一种燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统。具体方案为：包括进气模块、叶片模化试验段模块、冷却气体模块和冷却水模块，进气模块包括工质供给单元和燃烧室，叶片模化试验段模块包括试验段壳体、基座、模化静叶片和模化动叶片，模化静叶片安装在试验段壳体上，模化动叶片通过叶轮与转子连接，转子通过轴承与基座连接；工质供给单元的出口与燃烧室的进口连接，燃烧室的出口和冷却气体模块的出口分别与试验段壳体的主流燃气进口和冷却气体进口连接；试验段壳体通过循环管路与冷却水模块连接。本申请有效降低了燃气轮机透平叶片级需求流量与功率，进而降低了研制阶段开展动叶片的旋转动态冷却效果验证与级效率试验的难度。

Description

燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统

技术领域

本申请涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统。

背景技术

相关技术中，为了提高燃气轮机的效率，工程上不断提升透平的进气温度。透平叶片级工作温度高，除了叶片材料采用单晶与定向结晶铸造技术之外，还需要采用热障涂层与叶片冷却技术。在燃气轮机的研制阶段，需要通过试验来验证燃气轮机透平动叶片的旋转动态冷却效果与叶片级的级效率。燃气轮机透平高温静叶片的冷却效果可以通过静态试验来验证，但在燃气轮机透平工作状态下，由于动叶片旋转离心力与“哥氏力”的共同作用，动叶片的冷却效果还需要在静态冷却效果验证试验的基础上进行旋转动态冷却效果验证试验。另外，静态试验无法确定燃气轮机高温透平叶片级的效率，只能通过旋转动态试验来验证透平叶片级效率。由于燃气轮机透平叶片级功率大，在研制阶段开展全尺寸动叶片的旋转动态冷却效果验证试验难度较大。

发明内容

为此，本申请提供一种燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统。本申请的技术方案如下：

根据本申请实施例的第一方面，提供一种燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统，所述系统包括进气模块、叶片模化试验段模块、冷却气体模块和冷却水模块，所述进气模块包括工质供给单元和燃烧室，所述叶片模化试验段模块包括试验段壳体、基座、模化静叶片和模化动叶片，其中，

所述模化静叶片通过所述试验段壳体安装在所述基座上，所述模化动叶片通过叶轮与所述转子连接，所述转子通过轴承与所述基座连接；其中，所述模化静叶片和所述模化动叶片的模化比相同且均小于1；所述工质供给单元的出口与所述燃烧室的进口连接，所述燃烧室的出口和所述冷却气体模块的出口分别与所述试验段壳体的进口连接；所述试验段壳体通过循环管路与所述冷却水模块连接，形成闭合回路；所述工质供给单元用于根据当前供给工质的类型，将所述当前供给工质传输至所述燃烧室中。

根据本申请的一个实施例，所述进气模块还包括回热器，其中，所述工质供给单元的出口与所述回热器的管侧进口连接，所述回热器的管侧出口与所述燃烧室的进口连接；所述回热器的壳侧通过循环管路与所述排气模块连接，形成第一回路。

根据本申请的一个实施例，还包括排气模块，所示排气模块包括排气蝶阀、回热气体控制阀，其中，所述试验段壳体的出口与所述排气蝶阀的第一端连接，所述排气蝶阀的第二端与所述回热气体控制阀的第一端连接；所述回热气体控制阀的第一端与所述试验段壳体的出口连接，所述回热气体控制阀的第二端与所述回热器的壳侧进口连接；所述回热器的壳侧出口与所述排气模块连通。

根据本申请的一个实施例，所述冷却水模块包括冷却塔、补水水泵，其中，所述补水水泵的进口与补水水源连接；所述补水水泵的出口与所述冷却塔的进口连接；所述冷却塔通过循环管路与所述减温器的管侧连接；所述冷却塔通过循环管路与所述试验段壳体连接。

根据本申请的一个实施例，所述排气模块还包括消音塔，其中，所述减温器的出口与所述消音塔的进口连接，所述消音塔的出口与外部连通。

根据本申请的一个实施例，所述工质供给单元包括以下任意一项或多项：水蒸气供给子单元、二氧化碳供给子单元、空气供给子单元；所述水蒸气供给子单元、所述二氧化碳供给子单元、所述空气供给子单元均用于供给所述当前供给工质。

根据本申请的一个实施例，所述空气供给子单元包括离心空气压缩机、主流进气放空阀和第一控制阀，其中，所述离心空气压缩机的进口与空气气源连接；所述离心空气压缩机的出口依次连接所述第一控制阀和所述燃烧室的进口；所述主流进气放空阀安装在连接于所述离心空气压缩机与所述第一控制阀之间的管路上。

根据本申请的一个实施例，所述水蒸气供给子单元包括给水泵、第二控制阀和锅炉，其中，所述给水泵的进口与水源连接；所述给水泵的出口依次连接所述第二控制阀、所述锅炉和所述燃烧室的进口。

根据本申请的一个实施例，所述二氧化碳供给子单元包括二氧化碳压缩机和第三控制阀，其中，所述二氧化碳压缩机的进口与二氧化碳气源连接；所述二氧化碳压缩机的出口依次连接所述第三控制阀和所述燃烧室的进口。

根据本申请的一个实施例，所述冷却气体模块包括冷却气体放空阀、冷却气体控制阀和冷却气体超声波流量计，其中，所述冷却气体控制阀的第一端与所述回热器的管侧出口连接，冷却气体控制阀的第二端依次连接所述冷却气体超声波流量计和所述试验段壳体的进口连接；所述冷却气体放空阀安装在连接于所述冷却气体控制阀的第一端与所述回热器的管侧出口之间的管路上。

根据本申请的一个实施例，所述冷却气体模块还包括冷却气体超声波流量计，其中，所述冷却气体超声波流量计的第一端与所述冷却气体控制阀的第二端连接；所述冷却气体超声波流量计的第二端与所述试验段壳体的进口连接；其中，所述冷却气体超声波流量计用于测量冷却气体的流量。

根据本申请的一个实施例，所述进气模块还包括主流流量喷嘴，其中，所述工质供给单元的出口与所述主流流量喷嘴的进口连接，所述主流流量喷嘴的出口与所述燃烧室的进口连接。

根据本申请的一个实施例，所述叶片模化试验段模块还包括联轴器、水力测功器，所述试验段壳体，包括水冷进气段、内气缸、外气缸、水冷排气蜗壳，所述内气缸与所述外气缸之间采用冷却气体冷却，其中，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气体进口，内气缸与外气缸之间采用冷却气体冷却，所述的水冷进气段上设有冷却气体进口，所述的冷却气体模块与外气缸上的冷却气体进口和水冷进气段上的冷却气体进口相连通；所述的内气缸中设有1级模化静叶片和模化动叶片，模化静叶片设有内部冷却通道，模化静叶片固定于内气缸中的模化静叶片内环上，所述的模化静叶片内环设有进气孔，所述的模化静叶片内环的进气孔与水冷进气段上的冷却气体进口和模化静叶片的内部冷却通道连通，来自冷却气体模块的冷却空气能够经水冷进气段上的冷却气体进口和模化静叶片内环的进气孔进入模化静叶片的内部冷却通道，模化静叶片的根部设有与外气缸和内气缸之间的空间连通的冷却气体进气孔，来自冷却气体模块的冷却气体能够从模化静叶片根部的进气孔进入模化静叶片的内部冷却通道；所述的模化动叶片相应设于转子的叶轮上，转子的叶轮两侧设有静止部件，叶轮与其两侧的静止部件之间形成盘腔，叶轮上设有冷却孔，水冷进气段的冷却气体进口与所述叶轮与其两侧静止部件之间形成的盘腔以及叶轮上的冷却孔相连通，模化动叶片设有内部冷却通道，所述模化动叶片的根部设有与所述模化动叶片的内部冷却通道相连通的进气孔，所述模化动叶片的进气孔与所述叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔连通，来自冷却气体模块的冷却气体能够依次通过水冷进气段的冷却气体进口和所述叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔经所述模化动叶片根部的进气孔进入其内部冷却通道；所述水冷进气段和所述水冷排气蜗壳分别通过循环管路与所述冷却水模块连接，形成闭合回路；所述水力测功器通过所述联轴器与所述转子连接；其中，所述水力测功器用于测量透平叶片级的机械功；所述水力测功器通过循环管路与所述冷却水模块连接，形成闭合回路。

根据本申请的一个实施例，所述转子为焊接转子，所述转子的进气侧和排汽侧与所述叶轮焊接连接。

根据本申请的一个实施例，所述进气模块还包括金属膨胀节，其中，所述金属膨胀节的第一端与所述工质供给单元的出口连接，所述金属膨胀节的第一端的第二端与所述燃烧室的入口连接。

根据本申请的一个实施例，所述进气模块还包括燃料控制阀、燃料超声波流量计，其中，所述燃烧控制阀的第一端与燃料源连接，所述燃烧控制阀的第二端依次连接所述燃料超声波流量计和所述燃烧室的进口；其中，所述燃料控制阀用于控制燃料流量，所述燃料超声波流量计用于测量燃料的流量。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种应用于如第一方面中任一所述燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统的全温等落压比参数设计方法，包括：

分别获取所述叶片模化试验段模块的模化比和所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温；其中，所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温为当前工质对应的透平叶片级燃气轮机设计工况参数；

获取叶片模化试验段模块的排气压损值，基于所述叶片模化试验段模块的排气压损值，确定所述叶片模化试验段模块的背压；

基于燃气轮机设计工况透平叶片级落压比，确定所述叶片模化试验段模块的落压比；

基于所述叶片模化试验段模块的背压和所述叶片模化试验段模块的落压比，确定所述叶片模化试验段模块的燃气总压；

基于所述叶片模化试验段模块的燃气总压、所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温、燃气轮机透平进口的设计总压、燃气轮机设计工况透平进口的燃气总温、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、所述叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的进口主流燃气流量；

确定叶片模化试验段模块的冷却空气总温；所述叶片模化试验段模块的冷却空气总温为燃气轮机设计工况参数；

基于透平静叶片的主流燃气进口的流量、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、燃气轮机设计工况静叶片冷却空气的流量，确定透平静叶片的冷却空气流量；基于透平静叶片的主流燃气进口的流量、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、燃气轮机设计工况动叶片冷却空气的流量，确定透平动叶片的冷却空气流量；基于所述透平静叶片的冷却空气流量和所述透平动叶片的冷却空气流量，确定叶片模化试验段模块透平的冷却空气流量；

基于所述叶片模化试验段模块透平的冷却空气流量、燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总压、燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总温、燃气轮机设计工况透平冷却空气流量、冷却气体总温，确定叶片模化试验段模块的冷却空气总压；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和燃气轮机设计工况的额定转速，确定叶片模化试验段模块的工作转速；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和透平叶片级设计的内功率，确定叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率。

根据本申请的一个实施例，所述当前供给工质包括以下任意一种：空气、水蒸气、二氧化碳。

根据本申请的一个实施例，所述方法可以同时用于进行燃气轮机透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率试验。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种应用于如第一方面中任一所述燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统的全温全压参数设计方法，包括：

分别获取叶片模化试验段模块的模化比、叶片模化试验段模块的主流燃气总温、叶片模化试验段模块的主流燃气总压、叶片模化试验段模块的背压；其中，所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温、叶片模化试验段模块的主流燃气总压均为当前工质对应的燃气轮机设计工况参数；所述叶片模化试验段模块的背压为燃气轮机设计工况参数；

基于主流燃气进口总压、叶片模化试验段模块的透平叶片级背压，确定叶片模化试验段模块的透平叶片级背压；

基于燃气轮机设计工况的透平燃气进口流量、叶片模化试验段模块透平叶片级的模化比，确定叶片模化试验段模块的主流燃气流量；

分别获取叶片模化试验段模块的冷却气体总温、叶片模化试验段模块的冷却气体总压；其中，所述叶片模化试验段模块的冷却气体总温、叶片模化试验段模块的冷却气体总压均为燃气轮机设计工况参数；

基于燃气轮机设计工况静叶片冷却气体的流量、叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的静叶片冷却气体流量；

基于燃气轮机设计工况动叶片冷却气体的流量、叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的动叶片冷却气体流量；

基于所述静叶片冷却气体流量和所述动叶片冷却气体流量，确定叶片模化试验段模块透平的冷却气体流量；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和燃气轮机设计工况的额定转速，确定叶片模化试验段模块的工作转速；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和透平叶片级设计的内功率，确定叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率。

根据本申请的一个实施例，所述当前供给工质包括以下任意一种：空气、水蒸气、二氧化碳。

根据本申请的一个实施例，所述方法可以同时用于进行燃气轮机透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率试验。

根据本申请实施例的第四方面，一种应用于如第二方面或第三方面中任一所述参数设计方法的透平叶片冷却效果验证试验方法，包括：

获取动叶片表面温度；其中，所述动叶片表面温度小于基体材料工作温度的上限值；

基于叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块透平叶片试验件中间截面表面平均温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片平均冷却效率；

基于叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部冷却效率；

基于叶片模化试验段模块透平叶片表面最大温度、叶片模化试验段模块透平叶片表面最小温度、叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片相对温差。

根据本申请实施例的第五方面，一种应用于如第二方面或第三方面中任一所述参数设计方法的旋转动态模化透平叶片级效率试验方法，其特征在于，包括：

基于燃烧室入口工质流量、燃烧室入口燃料流量、冷却气体流量，分别确定透平动叶片高温燃气流量和燃料工质比；

基于旋转动态模化试验模块的透平机械效率、水力测功器测量的功率，确定透平叶片级内功率；

基于透平动叶片高温燃气流量、所述透平叶片级内功率确定透平叶片级比功；

基于所述燃料工质比，确定工质气体常数；

基于工质定压比热容、天然气燃料定压比热容、所述燃料工质比，确定燃气定压比热容；

基于所述燃气定压比热容和所述工质气体常数，确定燃气比热比；

基于透平叶片级静叶片入口总压、透平叶片级动叶片出口静压，确定透平叶片落压比；

基于所述透平叶片落压比、所述燃气比热比、所述燃气定压比热容、所述透平叶片级比功、透平叶片级静叶片入口燃气总温，确定透平叶片级效率。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

通过采用模化的动叶片和静叶片的旋转动态模化试验系统，有效降低了燃气轮机透平叶片级试验验证的需求流量与功率，进而降低了研制阶段开展动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和级效率试验的难度；另外，工质供给单元根据当前供给工质的类型，将当前供给工质传输至燃烧室中，能够适配多种不同的工质，提高了试验系统的适用性，有效降低了成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例中提出的燃气轮机透平叶片级多目标旋转动态模化的方框图；

图2为本申请实施例中提出的叶片模化试验段模块的示意图

图3为本申请实施例中提出的压缩机工质为空气的进气模块的示意图；

图4为本申请实施例中提出的压缩机工质为空气的排气模块的示意图；

图5为本申请实施例中提出的冷却水模块的示意图；

图6为本申请实施例中提出的压缩机工质为二氧化碳的进气模块的示意图；

图7为本申请实施例中提出的压缩机工质为二氧化碳的排气模块的示意图；

图8为本申请实施例中提出的压缩机工质为水蒸气的进气模块的示意图；

图9为本申请实施例中提出的压缩机工质为水蒸气的排气模块的示意图。

附图标记

1、叶片模化试验段模块；2、进气模块；3、排气模块；4、冷却水模块；5、冷却气体模块；6、模化静叶片；7、模化动叶片；10、联轴器；11、水冷进气段；12、内气缸；13、外气缸；14、水冷排气蜗壳；15、水力测功器；16、离心空气压缩机；17、主流进气放空阀；18、第一控制阀；19、主流流量喷嘴20、回热器；21、金属膨胀节；22、燃料控制阀；23、燃料超声波流量计；24、燃烧室；25、冷却气体放空阀；26、冷却气体控制阀；27、冷却气体超声波流量计；28、二氧化碳储气罐；29、二氧化碳压缩机；30、水箱；31、直流电机驱动的给水泵；32、天然气锅炉；33、排气碟阀；34、回热气体控制阀；35、减温器；36、预冷器；37、消音塔；38、水泵；39、补水管道及阀门40、进水管道及阀门；41、回水管道及阀门；42、冷却塔；43、转子焊缝；44、叶轮；45、第二控制阀；46、第三控制阀；47、转子。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1为本申请实施例中提出的一种燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统的结构示意图。

如图1所示，该燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统包括进气模块2、叶片模化试验段模块1、冷却气体模块5和冷却水模块4，进气模块2包括工质供给单元和燃烧室，叶片模化试验段模块1包括试验段壳体、基座、模化静叶片6和模化动叶片7。

其中，模化静叶片6通过试验段壳体安装在基座上，模化动叶片7通过叶轮44与转子47连接，转子47通过轴承与基座连接；其中，模化静叶片6和模化动叶片7的模化比均小于1；工质供给单元的出口与燃烧室的进口连接，燃烧室的出口和冷却气体模块5的出口分别与试验段壳体的进口连接；试验段壳体通过循环管路与冷却水模块4连接，形成闭合回路；工质供给单元用于根据当前供给工质的类型，将当前供给工质传输至燃烧室中。

需要说明的是，燃气轮机高温透平叶片研制阶段，在完成透平全尺寸模化静叶片6与模化动叶片7的降温等落压比冷却效果验证试验、全温等落压比冷却效果验证试验和全温等落压比的热态寿命验证试验，以及全尺寸静叶片与模化动叶片的全温全压静态冷却效果验证试验并进行优化改进后，再进行多目标旋转动态模化验证试验。由于燃气轮机透平叶片级的流量与功率大，在研制阶段开展全尺寸动叶片的旋转动态冷却效果验证试验难度大，为进行多目标旋转动态模化验证试验，需要对燃气轮机动叶片和静叶片进行模化，从而能够使动叶片在试验过程中旋转，进而进行动态试验。

作为一种可能的示例，工质供给单元根据当前供给工质的类型，将当前供给工质通过与之对应的设备供给至燃烧室中，燃烧室通过燃烧燃料产生热量，通过产生的热量加热工质，加热后的工质进入到实验段模块中，对试验段模块中的叶片成品进行加热。换热后的空气在排气模块降温后排到大气中，换热后的水蒸气在排气模块降温冷凝成水后输入工质供给子单元的水箱，换热后的二氧化碳经排气模块预冷后输入工质供给子单元二氧化碳储罐。

需要说明的是，试验段模块的壳体设计为水冷进气段、内气缸、外气缸、水冷排气蜗壳组成，内气缸与外气缸之间采用冷却气体冷却，冷却气体从模化静叶片的顶部与模化动叶片的根部进入透平模化静叶片与模化动叶片的内部冷却通道，冷却气体从模化静叶片与模化动叶片的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温气体，试验段模块前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水模块4连接，双层管道之间采用来自冷却水模块4的冷却水冷却。

根据本申请实施例的燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统，通过采用模化的动叶片和静叶片，有效降低了燃气轮机透平叶片级的需求功率，进而降低了研制阶段开展动叶片的旋转动态冷却效果验证试验的难度；另外，工质供给单元根据当前供给工质的类型，将当前供给工质传输至燃烧室中，能够适配多种不同的工质，提高了系统的实用性，有效降低了成本。

在本申请一些实施例中，进气模块2还包括回热器，其中，工质供给单元的出口与回热器的管侧进口连接，回热器的管侧出口与燃烧室的进口连接；回热器的壳侧通过循环管路与排气模块3连接，形成第一回路。

在本申请一些实施例中，如图4、图7、图9所示，排气模块3，包括排气蝶阀、回热气体控制阀，其中，试验段壳体的出口与排气蝶阀的第一端连接，排气蝶阀的第二端与回热气体控制阀的第一端连接；回热气体控制阀的第一端与试验段壳体的出口连接，回热气体控制阀的第二端与回热器的壳侧进口连接；回热器的壳侧出口与排气模块连接。

在本申请一些实施例中，排气模块3还包括消音塔，其中，减温器的出口与消音塔的进口连接，消音塔的出口与外部连通。消音塔安装在排气减温器后面，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。

作为一种可能的示例，若当前供给工质为空气，减温器的出口可以与大气连通；若当前供给工质为水蒸气，减温器的出口可以与水箱连通；若当前供给工质为二氧化碳，减温器的出口可以与二氧化碳储气罐连通。

可选的，进气模块2、冷却气体模块5、排气模块3的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块4的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃。

可选的，进气模块2的回热器前后的管道上可以安装压力测点与温度测点、燃烧室后的管道上可以安装压力测点与温度测点。

作为一种可能的示例，压缩机工质与透平叶片冷却气体均为空气，叶片模化试验段模块1的排气流过排气模块3的排气碟阀，通过调整排气蝶阀的开度来调整叶片模化试验段模块1的排气压力与透平叶片级的落压比，通过回热气体控制阀及管道与进气模块2的回热器进行热交换，通过回热气体控制阀调节回热排气流量来控制主流空气与冷却气体的温度，离开回热器的空气进入排气模块3的减温器，冷却水喷入减温器来降低排气温度，消音塔安装排气减温器后面，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；

压缩机工质与透平冷却气体均为二氧化碳，叶片模化试验段模块1的排气流过排气模块3的排气碟阀，通过调整排气蝶阀的开度来调整叶片模化试验段模块1的排气压力与透平叶片级的落压比，通过回热气体控制阀及管道与进气模块2的回热器进行热交换，通过回热气体控制阀调节回热排气流量来控制主流二氧化碳与冷却二氧化碳的温度，离开回热器的二氧化碳进入排气模块3的预冷器，与冷却水换热后输入进气模块2的二氧化碳储气罐；

压缩机工质与透平冷却气体均为水蒸气，叶片模化试验段模块1的排气流过排气模块3的排气碟阀，通过调整排气蝶阀的开度来调整叶片模化试验段模块1的排气压力与透平叶片级的落压比，通过回热气体控制阀及管道与进气模块2的回热器进行热交换，通过回热气体控制阀调节回热排气流量来控制主流给水的温度，离开回热器的水蒸气进入排气模块3的减温器，冷却水喷入减温器来降低排气温度并冷凝成水后输入试验装置进气模块2的水箱。

在本申请一些实施例中，冷却水模块4包括冷却塔42、补水水泵，其中，

补水水泵的进口与补水水源连接；

补水水泵的出口与冷却塔42的进口连接；

冷却塔42通过循环管路与减温器的管侧连接；

冷却塔42通过循环管路与试验段壳体连接。

作为一种可能的示例，补水水泵为冷却水模块4提供补水，连接于补水水泵与冷却塔42之间的管路上安装有补水管道阀门。冷却塔42将补水进行冷却后通过输送管路分别输送至水冷进气段11、水冷排气蜗壳14、水力测功器15、减温器或预冷器，每条上述输送管道上均安装有进水管道阀门。水冷进气段11、水冷排气蜗壳14、水力测功器15分别通过回水管路将换热后的冷却水输送回冷却塔42中，上述每条回水管路上分别安装有回水管道阀门。

在本申请一些实施例中，工质供给单元包括以下任意一项或多项：水蒸气供给子单元、二氧化碳供给子单元、空气供给子单元；水蒸气供给子单元、二氧化碳供给子单元、空气供给子单元均用于供给当前供给工质。

可以理解的是，工质可以是水蒸气，还可以是二氧化碳，还可以是空气。

可选的，燃烧室采用的燃料可以是天然气、石油、氢气、煤气化合成气中的一种或多种。

举例来说，在该系统上开展燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验，可以包括以下任一种或多种：

空气为压缩机工质，天然气或汽油或氢气或煤气化合成气为燃料，空气为助燃剂，应用于常规燃气轮机、混氢燃气轮机或整体煤气化联合循环(IGCC)燃气轮机的高温透平叶片的试验；

水蒸气为压缩机工质，氢气为燃料，氧气为助燃剂，应用于全氢低排放燃气轮机高温透平叶片级的旋转动态验证试验；

二氧化碳为压缩机工质，天然气为燃料，氧气为助燃剂，应用于低成本二氧化碳捕捉燃气轮机高温透平叶片级的旋转动态验证试验；

二氧化碳为压缩机工质、氢气为燃料，氧气为助燃剂，应用于二氧化碳发电循环燃气轮机高温透平叶片级的旋转动态验证试验。

在本申请一些实施例中，如图3所示，空气供给子单元包括离心空气压缩机16、主流进气放空阀17和第一控制阀18，其中，离心空气压缩机16的进口与空气气源连接；离心空气压缩机16的出口依次连接第一控制阀18和燃烧室的进口；主流进气放空阀17安装在连接于离心空气压缩机16与第一控制阀18之间的管路上。

作为一种可能的示例，需要供给工质时，主流进气放空阀17和第一控制阀18打开，离心空气压缩机16将来自空气气源的空气压缩至燃烧室中，燃烧室将空气加热后输入至试验段模块中。可选的，可以通过调整主流进气放空阀17与控制阀的开度来控制主流空气的流量与压力。

可选的，离心空气压缩机16提供主流空气，通过调整主流进气放空阀17与第一控制阀18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的流量，回热器利用叶片模化试验段模块1的排气来预热主流空气达到500K至1000K，金属膨胀节用来吸收进气管道的膨胀量，燃料控制阀用来控制燃料流量，燃料超声波流量计用来测量燃料的流量，主流空气在燃烧室中与喷入的天然气、或石油、或氢气、或煤气化合成气等燃料相混合并燃烧产生1400K至回热器2100K的主流燃气。

冷却二氧化碳气体来自回热器的出口，通过调整冷却气体控制阀的开度来控制冷却二氧化碳的流量，冷却气体超声波流量计用来测量冷却二氧化碳的流量，冷却二氧化碳温度与进气模块2进入燃烧室之前二氧化碳温度一致，透平叶片冷却二氧化碳进口温度达到500K至1000K。

在本申请一些实施例中，进气模块2还包括金属膨胀节，其中，金属膨胀节的第一端与工质供给单元的出口连接，金属膨胀节的第一端的第二端与燃烧室的入口连接。金属膨胀节用于吸收进气管道的膨胀量。

在本申请一些实施例中，如图8所示，水蒸气供给子单元包括给水泵、第二控制阀45和锅炉，其中，给水泵的进口与水源连接；给水泵的出口依次连接第二控制阀45、锅炉和燃烧室的进口。

可选的，水源可以是水箱。

作为一种可能实施的示例，来自水箱的水通过直流电机驱动的给水泵为回热器与天然气锅炉提供所需压力给水，通过调整第二控制阀45的开度来控制主流水蒸气的流量，通过调整直流电机驱动的给水泵的转速来控制主流水蒸气的压力，主流流量喷嘴用来测量主流给水的流量，回热器利用叶片模化试验段模块1的排气来预热给水温度达到573K以上，天然气锅炉把主流给水加热成500K至1000K的过热蒸汽，金属膨胀节用来吸收进气管道的膨胀量，燃料控制阀用来控制燃料流量，燃料超声波流量计用来测量燃料的流量，主流过热蒸汽工质在燃烧室中与喷入的燃料氢气与助燃剂氧气相混合并燃烧产生1400K至回热器2100K的主流高温水蒸气；

冷却蒸汽来自天然气锅炉出口，通过调整直流电机驱动的给水泵的转速来控制冷却蒸汽的压力，通过调整冷却气体控制阀的开度来控制冷却蒸汽的流量，冷却气体超声波流量计用来测量冷却蒸汽的流量，冷却蒸汽来自天然气锅炉出口，冷却蒸汽温度与进入燃烧室之前的蒸汽温度一致，透平叶片冷却蒸汽进口温度达到500K至1000K。

在本申请一些实施例中，如图6所示，二氧化碳供给子单元包括二氧化碳压缩机和第三控制阀46，其中，二氧化碳压缩机的进口与二氧化碳气源连接；二氧化碳压缩机的出口依次连接第三控制阀46和燃烧室的进口。

作为一种可能实施的示例，来自二氧化碳储气罐的工质，通过二氧化碳压缩机提供主流二氧化碳，通过调整第三控制阀46的开度来控制主流二氧化碳的流量与压力，主流流量喷嘴用来测量主流二氧化碳的流量，来自二氧化碳储气罐的工质，在回热器中利用叶片模化试验段模块1的排气加热二氧化碳达到500K至1000K，金属膨胀节用来吸收进气管道的膨胀量，燃料控制阀用来控制燃料流量，燃料超声波流量计用来测量燃料的流量，主流二氧化碳在燃烧室中与喷入的天然气或氢气等燃料与助燃剂氧气相混合并燃烧产生1400K至回热器2100K的主流燃气。

在本申请一些实施例中，如图3所示，冷却气体模块5包括冷却气体放空阀、冷却气体控制阀和冷却气体超声波流量计，其中，冷却气体控制阀的第一端与回热器的管侧出口连接，冷却气体控制阀的第二端依次连接冷却气体超声波流量计和试验段壳体的进口连接；冷却气体放空阀安装在连接于冷却气体控制阀的第一端与回热器的管侧出口之间的管路上。

作为一种可能的示例，冷却空气来自进气模块2的回热器的出口，通过调整冷却气体放空阀与冷却气体控制阀的开度来控制冷却空气的压力和流量，冷却气体温度与进气模块2进入燃烧室之前空气温度一致。

在本申请一些实施例中，如图3所示，冷却气体模块5还包括冷却气体超声波流量计，其中，冷却气体超声波流量计的第一端与冷却气体控制阀的第二端连接；冷却气体超声波流量计的第二端与试验段壳体的进口连接；其中，冷却气体超声波流量计用于测量冷却气体的流量。

在本申请一些实施例中，如图3、图6、图8所示，进气模块2还包括主流流量喷嘴，其中，工质供给单元的出口与主流流量喷嘴的进口连接，主流流量喷嘴的出口与燃烧室的进口连接。

在本申请一些实施例中，如图2所示，叶片模化试验段模块1还包括联轴器10、水冷进气段11、内气缸12、外气缸13、水冷排气蜗壳14、水力测功器15。

其中，外气缸13上设有与外气缸13和内气缸12之间的空间连通的冷却气体进口，内气缸12与外气缸13之间采用冷却气体冷却，的水冷进气段11上设有冷却气体进口，的冷却气体模块5与外气缸13上的冷却气体进口和水冷进气段11上的冷却气体进口相连通；的内气缸12中设有一级透平叶片的模化静叶片6和模化动叶片7，模化静叶片6设有内部冷却通道，模化静叶片6固定于内气缸12中的模化静叶片6内环上，模化静叶片6内环设有进气孔，的模化静叶片6内环的进气孔与水冷进气段11上的冷却气体进口和模化静叶片6的内部冷却通道连通，来自冷却气体模块5的冷却空气能够经水冷进气段11上的冷却气体进口和模化静叶片6内环的进气孔进入模化静叶片6的内部冷却通道，模化静叶片6的根部设有与外气缸13和内气缸12之间的空间连通的冷却气体进气孔，来自冷却气体模块5的冷却气体能够从模化静叶片6根部的进气孔进入模化静叶片6的内部冷却通道；

模化动叶片7相应设于转子47的叶轮44上，模化动叶片7的两侧设有静止部件，叶轮44与其两侧的静止部件之间形成盘腔，叶轮44上设有冷却孔，水冷进气段11的冷却气体进口与叶轮44与其两侧静止部件之间形成的盘腔以及叶轮44上的冷却孔相连通，模化动叶片7设有内部冷却通道，模化动叶片7的根部设有与模化动叶片7的内部冷却通道相连通的进气孔，模化动叶片7的进气孔与叶轮44与其两侧的静止部件之间的盘腔连通，来自冷却气体模块5的冷却气体能够依次通过水冷进气段11的冷却气体进口和叶轮44与其两侧的静止部件之间的盘腔经模化动叶片7根部的进气孔进入其内部冷却通道；

水冷进气段11和水冷排气蜗壳14分别通过循环管路与冷却水模块4连接，形成闭合回路；

水力测功器15通过联轴器10与转子47连接；其中，水力测功器15用于测量透平叶片级的机械功；水力测功器15通过循环管路与冷却水模块4连接，形成闭合回路。

在本申请一些实施例中，转子47与叶轮44焊接固定。

作为一种可能的示例，叶片模化试验段模块1的模化比值得范围可以为为1/5至1/2，可以采用示温漆确定模化动叶片77表面温度，透平叶片级旋转动态叶片模化试验段模块1的气缸设计为由内气缸12和外气缸13构成的双层气缸，内气缸12与外气缸13之间采用空气冷却；转子47采用焊接或拉杆结构，转子47上安装1至10级透平叶片；模化静叶片66的内侧与外侧有两股冷却空气，外侧冷却空气通过安装在内气缸12模化静叶片66的根部进入透平模化静叶片66内部冷却通道，内侧冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和模化静叶片66的内环进入透平模化静叶片66内部冷却通道，冷却气体从模化静叶片66的表面气膜冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；模化动叶片77的冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和转子47内部腔室以及叶轮44与静止部件之间的盘腔进入模化动叶片77的根部和模化动叶片77内部冷却通道，冷却气体从模化动叶片77的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；水冷进气段11和水冷排气蜗壳14与冷却水模块4连接，水冷进气段11为双层管道，双层管道之间采用冷却水冷却；水冷排气蜗壳14设计为双层壳体，与冷却水模块4连接，双层壳体之间采用冷却水冷却；水力测功器15与转子47通过联轴器10来连接，水力测功器15用来测量透平叶片级的机械功，水力测功器15与冷却水模块4连接，闭式循环冷却水用来冷却水力测功器15。

在本申请一些实施例中，进气模块2还包括燃料控制阀22、燃料超声波流量计23，其中，燃烧控制阀22的第一端与燃料源连接，燃烧控制阀22的第二端依次连接燃料超声波流量计23和燃烧室24的进口；其中，燃料控制阀22用于控制燃料流量，燃料超声波流量计23用于测量燃料的流量。

一种应用于本申请实施例中任一燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统的全温等落压比参数设计方法，包括：

分别获取叶片模化试验段模块的模化比和叶片模化试验段模块的主流燃气总温；其中，叶片模化试验段模块的主流燃气总温为当前工质对应的透平叶片级燃气轮机设计工况参数；

获取叶片模化试验段模块的排气压损值，基于叶片模化试验段模块的排气压损值，确定叶片模化试验段模块的背压；

基于燃气轮机设计工况透平叶片级落压比，确定叶片模化试验段模块的落压比；4

基于叶片模化试验段模块的背压和叶片模化试验段模块的落压比，确定叶片模化试验段模块的燃气总压；

基于叶片模化试验段模块的燃气总压、叶片模化试验段模块的主流燃气总温、燃气轮机透平进口的设计总压、燃气轮机设计工况透平进口的燃气总温、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的进口主流燃气流量；

确定叶片模化试验段模块的冷却空气总温；叶片模化试验段模块的冷却空气总温为燃气轮机设计工况参数；

基于透平静叶片的主流燃气进口的流量、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、燃气轮机设计工况静叶片冷却空气的流量，确定透平静叶片的冷却空气流量；

基于透平静叶片的主流燃气进口的流量、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、燃气轮机设计工况动叶片冷却空气的流量，确定透平动叶片的冷却空气流量；

基于透平静叶片的冷却空气流量和透平动叶片的冷却空气流量，确定叶片模化试验段模块透平的冷却空气流量；

基于叶片模化试验段模块透平的冷却空气流量、燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总压、燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总温、燃气轮机设计工况透平冷却空气流量、冷却气体总温，确定叶片模化试验段模块的冷却空气总压；

基于叶片模化试验段模块的模化比和燃气轮机设计工况的额定转速，确定叶片模化试验段模块的工作转速；

基于叶片模化试验段模块的模化比和透平叶片级设计的内功率，确定叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率。

在本申请一些实施例中，当前供给工质包括以下任意一种：空气、水蒸气、二氧化碳。

一种应用于本申请实施例中任一燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统的全温全压参数设计方法，包括：

分别获取叶片模化试验段模块的模化比、叶片模化试验段模块的主流燃气总温、叶片模化试验段模块的主流燃气总压、叶片模化试验段模块的背压；其中，叶片模化试验段模块的主流燃气总温、叶片模化试验段模块的主流燃气总压均为当前工质对应的燃气轮机设计工况参数；叶片模化试验段模块的背压为燃气轮机设计工况参数；

基于主流燃气进口总压、叶片模化试验段模块的透平叶片级背压，确定叶片模化试验段模块的透平叶片级背压；

基于燃气轮机设计工况的透平燃气进口流量、叶片模化试验段模块透平叶片级的模化比，确定叶片模化试验段模块的主流燃气流量；

分别获取叶片模化试验段模块的冷却气体总温、叶片模化试验段模块的冷却气体总压；其中，叶片模化试验段模块的冷却气体总温、叶片模化试验段模块的冷却气体总压均为燃气轮机设计工况参数；

基于燃气轮机设计工况静叶片冷却气体的流量、叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的静叶片冷却气体流量；

基于燃气轮机设计工况动叶片冷却气体的流量、叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的动叶片冷却气体流量；

基于静叶片冷却气体流量和动叶片冷却气体流量，确定叶片模化试验段模块透平的冷却气体流量；

基于叶片模化试验段模块的模化比和燃气轮机设计工况的额定转速，确定叶片模化试验段模块的工作转速；

基于叶片模化试验段模块的模化比和透平叶片级设计的内功率，确定叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率。

一种应用于本申请实施例中任一参数设计方法的透平叶片冷却效果验证试验方法，包括：

获取动叶片表面温度；其中，动叶片表面温度小于基体材料工作温度的上限值；

基于叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块透平叶片试验件中间截面表面平均温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片平均冷却效率；

基于叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部冷却效率；

基于叶片模化试验段模块透平叶片表面最大温度、叶片模化试验段模块透平叶片表面最小温度、叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片相对温差。

一种应用于本申请实施例中任一参数设计方法的旋转动态模化透平叶片级效率试验方法，包括：

基于燃烧室入口工质流量、燃烧室入口燃料流量、冷却气体流量，分别确定透平动叶片高温燃气流量和燃料工质比；

基于旋转动态模化试验模块的透平机械效率、水力测功器测量的功率，确定透平叶片级内功率；

基于透平动叶片高温燃气流量、透平叶片级内功率确定透平叶片级比功；

基于燃料工质比，确定工质气体常数；

基于工质定压比热容、天然气燃料定压比热容、燃料工质比，确定燃气定压比热容；

基于燃气定压比热容和工质气体常数，确定燃气比热比；

基于透平叶片级静叶片入口总压、透平叶片级动叶片出口静压，确定透平叶片落压比；

基于透平叶片落压比、燃气比热比、燃气定压比热容、透平叶片级比功、透平叶片级静叶片入口燃气总温，确定透平叶片级效率。

实施例一

某型号300MW的F级燃气轮透平第1级静叶片和动叶片，天然气为燃料、空气为助燃剂、压缩机工质和透平叶片冷却气体均为空气。开展该级叶片全温等落压比多目标旋转动态模化试验，采用图1所示的燃气轮机透平叶片级多目标旋转动态模化的方框图、图2所示的透平叶片级多目标旋转动态模化试验模块的示意图、图3所示的压缩机工质为空气进气模块的示意图、图4所示的压缩机工质为空气排气模块的示意图、图5所示的冷却水模块的示意图。

该型号300MW的F级燃气轮机透平第1级静叶片和动叶片，该级透平叶片的设计参数列于表1；

表1燃气轮机透平叶片的设计参数

如图2所示的叶片模化试验段模块2，用来测量透平模化动叶片7的表面温度与透平叶片级的效率，包括转子47、模化静叶片6、模化动叶片7、联轴器10、水冷进气段11、内气缸12、外气缸13、水冷排气蜗壳14、水力测功器15。

叶片模化试验段模块1的模化比为1/3，采用示温漆确定模化动叶片7表面温度，透平叶片级旋转动态叶片模化试验段模块1的气缸设计为由内气缸12和外气缸13构成的双层气缸，内气缸12与外气缸13之间采用空气冷却；转子47采用焊接转子结构，转子47上有两条转子焊缝43，转子47上安装1级透平叶片；模化静叶片6的内侧与外侧有两股冷却空气，外侧冷却空气通过安装在内气缸12模化静叶片6的根部进入透平模化静叶片6内部冷却通道，内侧冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和模化静叶片6的内环进入透平模化静叶片6内部冷却通道，冷却气体从模化静叶片6的表面气膜冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；模化动叶片7的冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和转子47内部腔室以及叶轮与静止部件之间的盘腔进入模化动叶片7的根部和模化动叶片7内部冷却通道，冷却气体从模化动叶片7的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；水冷进气段11和水冷排气蜗壳14与冷却水模块4连接，水冷进气段11为双层管道，双层管道之间采用冷却水冷却；水冷排气蜗壳14设计为双层壳体，与冷却水模块4连接，双层壳体之间采用冷却水冷却；水力测功器15与转子47通过联轴器10来连接，水力测功器15用来测量透平叶片级的机械功，水力测功器15与冷却水模块4连接，闭式循环冷却水用来冷却水力测功器15；

如图3所示进气模块2，压缩机工质与透平叶片冷却气体均采用空气，进气模块2包括离心空气压缩机16、主流进气放空阀17、第一控制阀18及控制系统、主流流量喷嘴19、回热器20、金属膨胀节21、燃料控制阀22、燃料超声波流量计23、燃烧室24、冷却气体放空阀25、冷却气体控制阀26及控制系统、冷却气体超声波流量计27；

离心空气压缩机16提供主流空气，通过调整主流进气放空阀17与第一控制阀18的开度来控制主流空气的流量与压力，主流流量喷嘴19用来测量主流空气的流量，回热器20利用叶片模化试验段模块3的排气来预热主流空气达到500K至1000K，金属膨胀节21用来吸收进气管道的膨胀量，燃料控制阀22用来控制燃料流量，燃料超声波流量计23用来测量燃料的流量，主流空气在燃烧室24中与喷入的天然气、或石油、或氢气、或煤气化合成气等燃料相混合并燃烧产生1400K至2100K的主流燃气；

冷却空气来自回热器20的出口，通过调整冷却气体放空阀25与冷却气体控制阀26的开度来控制冷却空气的压力和流量，冷却气体超声波流量计27用来测量冷却空气的流量，冷却气体温度与进入燃烧室24之前空气温度一致，透平叶片冷却空气进口温度达到500K至1000K；

如图4所示的排气模块3，包括排气碟阀33、回热气体控制阀34、减温器35、消音塔37，其技术特征为：

叶片模化试验段模块1的排气流过排气模块3的排气碟阀33，通过调整排气蝶阀33的开度来调整叶片模化试验段模块1的排气压力与透平叶片级的落压比，通过回热气体控制阀34及管道与进气模块2的回热器20进行热交换，通过回热气体控制阀34调节回热排气流量来控制主流空气与冷却气体的温度，离开回热器20的空气进入排气模块3的减温器35，冷却水喷入减温器35来降低排气温度，消音塔37安装排气减温器35后面，排气进入消音塔37以降低高速气流产生的噪音后，再排入大气；

如图5所示的冷却水模块4，有5台水泵38、1条补水管道与阀门39、4条进水管道与阀门40和3条回水管道与阀门41，其中1台水泵38及1条补水管道与阀门39为冷却水模块4提供补水，1台水泵38及1条进水管道与阀门40为排气模块3的减温器35提供冷却水，3台水泵38及3条进水管道与阀门40为叶片模化试验段模1的水冷进气段11、水冷排气蜗壳14和水力测功器15提供冷却水，3条回水管道与阀门41把冷却水冷进气段11、水冷排气蜗壳14和水力测功器15后的回水输送到冷却塔42，冷却塔42降低回水温度并为冷却水模块4提供冷却水；

的叶片模化试验段模1、进气模块2、排气模块3的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；

的主流流量喷嘴19、燃料超声波流量计23与冷却气体超声波流量计27的上游设计有20倍管道直径的直管段，下游设计有10倍管道直径的直管段，以保证流量测量精度；

进气模块2的回热器20上下游的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧室24后的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧室24后的管道上安装压力测点与温度测点，水冷排气蜗壳14的内表面安装压力测点；叶片模化试验段模块1的内气缸12上的模化静叶片6进口与透平模化动叶片7出口安装压力测点与温度测点；

叶片模化试验段模块1的模化动叶片7，叶型表面涂刷示温漆，依据示温漆颜色的变化确定动叶片的表面在旋转动态工况下的工作温度；

应用本发明提供的透平叶片级的全温等落压比多目标透平叶片级旋转动态模化参数设计方法，其技术特征为：

该型号300MW的F级燃气轮全温等落压比透平叶片级多目标旋转动态模化参数设计方法，包括以下13个步骤：

步骤1：确定全温等落压比叶片模化试验段模块的模化比S_f＝1/3，有

步骤2：全温等落压比叶片模化试验段模块的主流燃气总温取透平叶片级燃气轮机设计工况参数

步骤3：计算全温等落压比叶片模化试验段模块的背压P₁的公式为

P₁＝101325+ΔP＝101325+1000＝102325Pa

式中：ΔP——全温等落压比的叶片模化试验段模块的排气压损值；

步骤4：计算全温等落压比叶片模化试验段模块的落压比π_g,H的公式为

式中：π_g,D——燃气轮机设计工况透平叶片级落压比，

——燃气轮机设计工况透平叶片进口总压，P_1,D——燃气轮机设计工况透平叶片出口背压；

步骤5：计算全温等落压叶片模化试验段模块的燃气总压

的公式为

式中：P₁——叶片模化试验段模块的背压，π_g,H——叶片模化试验段模块的落压比；

步骤6：计算全温等落压比叶片模化试验段模块的进口的主流燃气流量G_g,H的公式为

式中：

——全温等落压比叶片模化试验段模块的主流燃气总压，

——燃气轮机透平进口的设计总压，

——全温等落压比叶片模化试验段模块的主流燃气总温，

——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，S_f——全温等落压比叶片模化试验段模块的模化比；

步骤7：全温等落压比叶片模化试验段模块的冷却空气总温取燃气轮机设计工况参数

步骤8：计算全温等落压比旋转动态模化试验模块透平静叶片的冷却空气流量G_c1,H的公式为

式中：G_g,H——全温等落压比旋转动态模化试验模块透平静叶片的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_c1,D——燃气轮机设计工况静叶片冷却空气的流量；

步骤9：计算全温等落压比旋转动态模化试验模块透平动叶片的冷却空气流量G_c2,H的公式为

式中：G_g,H——全温等落压比叶片模化试验段模块的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_c2,D——燃气轮机设计工况动叶片冷却空气的流量；

步骤10：计算全温等落压比叶片模化试验段模块透平的冷却空气流量G_c的公式为

G_c＝G_c1,H+G_c2,H＝0.564+0.227＝0.791kg/s

步骤11：计算全温等落压比叶片模化试验段模块的冷却空气总压

的公式

式中：

——燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总压，

——燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总温，G_c,D——燃气轮机设计工况透平冷却空气流量；T^* _c,H——冷却气体总温

步骤12：计算全温等落压比叶片模化试验段模块的工作转速n的公式为

式中：n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

步骤13：计算全温等落压比叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率N的公式为

式中：N_D——透平叶片级设计的内功率；

该型号300MW的F级燃气轮全温等落压比透平叶片级旋转动态模化参数计算结果列于表2。

表2全温等落压比透平叶片级旋转动态模化参数计算结果

在该型号300MW的F级燃气轮全温等落压比旋转动态模化试验上，采用本发明提供的模化动叶片在旋转状态下的动态冷却效果试验方法，在线测量叶片模化试验段模块燃气温度T_g、叶片模化试验段模块冷却气体温度T_c，通过示温漆技术测量模化动叶片表面在旋转动态工况下的工作温度，试验结束后依据示温漆颜色的变化确定动叶片的中间截面表面平均温度T_w,m、模化动叶片表面局部温度T_w,i、模化动叶片表面最大温度T_w,max、动叶片表面最小温度T_w,min，确定以下四个透平叶片冷却效果的评价指标，包括：

(1)动叶片表面温度T_w，应低于基体材料工作温度的上限值T_u；

(2)透平叶片平均冷却效率η_a的计算公式为

式中：T_g——叶片模化试验段模块燃气温度，T_w,m——叶片模化试验段模块透平叶片试验件中间截面表面平均温度，T_c——叶片模化试验段模块冷却气体温度；

(3)透平叶片局部冷却效率η_i的计算公式为

式中：T_g——叶片模化试验段模块燃气温度，T_w,i——叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部温度，T_c——叶片模化试验段模块冷却气体温度；

(4)透平叶片相对温差R_ΔT的计算公式为

式中：T_w,max——叶片模化试验段模块透平叶片表面最大温度，T_w,min——叶片模化试验段模块透平叶片表面最小温度；

在该型号300MW的F级燃气轮机全温等落压比旋转动态模化上，采用本发明提供的旋转动态模化透平叶片级效率试验方法，在线测量燃烧室入口工质流量G_a、燃烧室入口燃料(燃油)流量G_f、冷却气体流量G_c、透平叶片级静叶片入口燃气总温

透平叶片级静叶片入口燃气总压

透平叶片级动叶片出口静压P₂、水力测功器测量的功率N_h，来确定透平叶片级效率η，包括：

(1)计算透平动叶片高温燃气流量G_gnt的公式为G_gnt＝G_a+G_f+G_c

(2)计算透平叶片级内功率N_T的公式为

式中：η_m——旋转动态模化试验模块的透平机械效率，η_m＝0.98；

(3)计算透平叶片级比功w的公式为

(4)计算燃料工质比K_f的公式为

式中：G_a——燃烧室入口工质流量，G_c——冷却气体流量，G_f——燃烧室入口燃料流量；

(5)工质气体常数的计算公式为

(6)燃气定压比热容C_pg的计算公式为

式中：C_ps——空气工质定压比热容，C_ps＝1225.1J/(kg·K)；C_pf——天然气燃料定压比热容，C_pf＝5603.9J/(kg·K)；

(7)燃气比热比k的计算公式为

(8)该实施例的一级透平叶片落压比π_b与单级透平的落压比π相等，其计算公式为

式中：

——透平叶片级静叶片入口总压，P₂——透平叶片级动叶片出口静压；

(9)透平叶片级效率η的计算公式为

实施例二

某型号300MW二氧化碳燃气轮机透平第1级静叶片和动叶片，天然气为燃料、氧气为助燃剂、压缩机工质和透平叶片冷却气体均为二氧化碳开展该级叶片全温全压多目标旋转动态模化试验，采用图1所示的燃气轮机透平叶片级多目标旋转动态模化的方框图、图2所示的透平叶片级多目标旋转动态模化试验模块的示意图、图5所示的冷却水模块的示意图、图6为本发明压缩机工质为二氧化碳的进气模块的示意图、图7为本发明压缩机工质为二氧化碳的排气模块的示意图。

该型号300MW二氧化碳燃气轮机透平第1级静叶片和动叶片，该级透平叶片的设计参数列于表3；

表3燃气轮机透平叶片的设计参数

如图2所示的叶片模化试验段模块2，用来测量透平模化动叶片7的表面温度与透平叶片级的效率，包括转子47、模化静叶片6、模化动叶片7、联轴器10、水冷进气段11、内气缸12、外气缸13、水冷排气蜗壳14、水力测功器15。

叶片模化试验段模块1的模化比为1/4，采用示温漆确定模化动叶片7表面温度，透平叶片级旋转动态叶片模化试验段模块1的气缸设计为由内气缸12和外气缸13构成的双层气缸，内气缸12与外气缸13之间采用空气冷却；转子47采用焊接转子结构，转子47上有两条转子焊缝43，转子47上安装1级透平叶片；模化静叶片6的内侧与外侧有两股冷却空气，外侧冷却空气通过安装在内气缸12模化静叶片6的根部进入透平模化静叶片6内部冷却通道，内侧冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和模化静叶片6的内环进入透平模化静叶片6内部冷却通道，冷却气体从模化静叶片6的表面气膜冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；模化动叶片7的冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和转子47内部腔室以及叶轮与静止部件之间的盘腔进入模化动叶片7的根部和模化动叶片7内部冷却通道，冷却气体从模化动叶片7的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；水冷进气段11和水冷排气蜗壳14与冷却水模块4连接，水冷进气段11为双层管道，双层管道之间采用冷却水冷却；水冷排气蜗壳14设计为双层壳体，与冷却水模块4连接，双层壳体之间采用冷却水冷却；水力测功器15与转子47通过联轴器10来连接，水力测功器15用来测量透平叶片级的机械功，水力测功器15与冷却水模块4连接，闭式循环冷却水用来冷却水力测功器15；

如图5所示的冷却水模块4，有5台水泵38、1条补水管道与阀门39、4条进水管道与阀门40和3条回水管道与阀门41，其中1台水泵38及1条补水管道与阀门39为冷却水模块4提供补水，1台水泵38及1条进水管道与阀门40为排气模块3的减温器35提供冷却水，3台水泵38及3条进水管道与阀门40为叶片模化试验段模1的水冷进气段11、水冷排气蜗壳14和水力测功器15提供冷却水，3条回水管道与阀门41把冷却水冷进气段11、水冷排气蜗壳14和水力测功器15后的回水输送到冷却塔42，冷却塔42降低回水温度并为冷却水模块4提供冷却水；

如图6所示的进气模块2，压缩机工质与透平叶片冷却气体均采用二氧化碳，进气模块2包括二氧化碳储气罐28、二氧化碳压缩机29、第三控制阀46及控制系统、主流流量喷嘴19、回热器20、金属膨胀节21、燃料控制阀22、燃料超声波流量计23、燃烧室24、冷却气体控制阀26及控制系统、冷却气体超声波流量计27；

来自二氧化碳储气罐28的工质，通过二氧化碳压缩机29提供主流二氧化碳，通过调整第三控制阀46的开度来控制主流二氧化碳的流量与压力，主流流量喷嘴19用来测量主流二氧化碳的流量，来自二氧化碳储气罐28的工质，在回热器中利用叶片模化试验段模块1的排气加热二氧化碳达到500K至1000K，金属膨胀节21用来吸收进气管道的膨胀量，燃料控制阀22用来控制燃料流量，燃料超声波流量计23用来测量燃料的流量，主流二氧化碳在燃烧室24中与喷入的天然气或氢气等燃料与助燃剂氧气相混合并燃烧产生1400K至2100K的主流燃气；

冷却二氧化碳气体来自回热器20的出口，通过调整冷却气体控制阀26的开度来控制冷却二氧化碳的流量，冷却气体超声波流量计27用来测量冷却二氧化碳的流量，冷却二氧化碳温度与进气模块1进入燃烧室24之前二氧化碳温度一致，透平叶片冷却二氧化碳进口温度达到500K至1000K；

如图7所示的排气模块3，压缩机工质与透平冷却气体均为二氧化碳，叶片模化试验段模块1的排气流过排气模块3的排气碟阀33，通过调整排气蝶阀33的开度来调整叶片模化试验段模块1的排气压力与透平叶片级的落压比，通过回热气体控制阀34及管道与进气模块2的回热器20进行热交换，通过回热气体控制阀34调节回热排气流量来控制主流二氧化碳与冷却二氧化碳的温度，离开回热器20的二氧化碳进入排气模块3的预冷器36，与冷却水换热后输入进气模块2的二氧化碳储气罐28；

的叶片模化试验段模1、进气模块2、排气模块3的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；

的主流流量喷嘴19、燃料超声波流量计23与冷却气体超声波流量计27的上游设计有20倍管道直径的直管段，下游设计有10倍管道直径的直管段，以保证流量测量精度；

进气模块2的回热器20上下游的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧室24后的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧室24后的管道上安装压力测点与温度测点，水冷排气蜗壳14的内表面安装压力测点；叶片模化试验段模块1的内气缸12上的模化静叶片6进口与透平模化动叶片7出口安装压力测点与温度测点；

叶片模化试验段模块1的模化动叶片7，叶型表面涂刷示温漆，依据示温漆颜色的变化确定动叶片的表面在旋转动态工况下的工作温度；

应用本发明提供的透平叶片级的全温等全压多目标透平叶片级旋转动态模化参数设计方法，其技术特征为：

该型号300MW二氧化碳燃气轮机全温全压透平叶片级多目标旋转动态模化参数设计方法，包括以下13个步骤：

步骤1：确定全温全压叶片模化试验段模块的模化比S_f＝1/4，有

步骤2：全温全压叶片模化试验段模块的主流燃气总温取燃气轮机设计工况参数

步骤3：全温全压叶片模化试验段模块的主流燃气总压取燃气轮机设计工况参数

步骤4：全温全压叶片模化试验段模块的背压取燃气轮机设计工况参数P₁＝24760000Pa；

步骤5：计算全温全压叶片模化试验段模块的落压比π的公式为

式中：

——主流燃气进口总压

P₁——全温全压旋转动态模化试验模块叶片模化试验段模块的透平叶片级背压；

步骤6：计算全温全压叶片模化试验段模块的主流燃气流量G_g的公式为

式中：G_g,D——燃气轮机设计工况的透平燃气进口流量，S_f——全温全压旋转动态模化试验模块叶片模化试验段模块透平叶片级的模化比；

步骤7：全温全压叶片模化试验段模块的冷却气体总温取燃气轮机设计工况参数

步骤8：全温全压叶片模化试验段模块的冷却气体总压取燃气轮机设计工况参数

步骤9：计算全温全压叶片模化试验段模块的静叶片冷却气体流量G_c1的公式为

式中：G_c1,D——燃气轮机设计工况静叶片冷却气体的流量，S_f——全温全压叶片模化试验段模块的模化比；

步骤10：计算全温全压叶片模化试验段模块的动叶片冷却气体流量G_c2的公式为

式中：G_c2,D——燃气轮机设计工况动叶片冷却气体的流量；

步骤11：计算全温全压比旋转动态模化试验模块叶片模化试验段模块透平的冷却气体流量G_c的公式为

G_c＝G_c1+G_c2＝1.244+0.500＝1.744kg/s

步骤12：计算全温全压叶片模化试验段模块的工作转速n的公式为

式中：n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

步骤13：计算全温全压叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率N的公式为

式中：N_D——透平叶片级设计的内功率；

该型号300MW二氧化碳燃气轮机全温全压透平叶片级旋转动态模化参数计算结果列于表4。

表4燃气轮机全温全压透平叶片级旋转动态模化参数计算结果

在该型号300MW二氧化碳燃气轮机全温全压旋转动态模化试验上，采用本发明提供的模化动叶片在旋转状态下的动态冷却效果试验方法，在线测量叶片模化试验段模块燃气温度T_g、叶片模化试验段模块冷却气体温度T_c，通过示温漆技术测量模化动叶片表面在旋转动态工况下的工作温度，试验结束后依据示温漆颜色的变化确定动叶片的中间截面表面平均温度T_w,m、模化动叶片表面局部温度T_w,i、模化动叶片表面最大温度T_w,max、动叶片表面最小温度T_w,min，确定以下四个透平叶片冷却效果的评价指标，包括：

(1)动叶片表面温度T_w，应低于基体材料工作温度的上限值T_u；

(2)透平叶片平均冷却效率η_a的计算公式为

式中：T_g——叶片模化试验段模块燃气温度，T_w,m——叶片模化试验段模块透平叶片试验件中间截面表面平均温度，T_c——叶片模化试验段模块冷却气体温度；

(3)透平叶片局部冷却效率η_i的计算公式为

式中：T_g——叶片模化试验段模块燃气温度，T_w,i——叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部温度，T_c——叶片模化试验段模块冷却气体温度；

(4)透平叶片相对温差R_ΔT的计算公式为

式中：T_w,max——叶片模化试验段模块透平叶片表面最大温度，T_w,min——叶片模化试验段模块透平叶片表面最小温度；

在该型号300MW二氧化碳燃气轮机全温全压旋转动态模化上，采用本发明提供的旋转动态模化透平叶片级效率试验方法，在线测量燃烧室入口工质流量G_a、燃烧室入口燃料(燃油)流量G_f、冷却气体流量G_c、透平叶片级静叶片入口燃气总温

透平叶片级静叶片入口燃气总压

透平叶片级动叶片出口静压P₂、水力测功器测量的功率N_h，来确定透平叶片级效率η，包括：

(1)计算透平动叶片高温燃气流量G_gnt的公式为G_gnt＝G_a+G_f+G_c

(2)计算透平叶片级内功率N_T的公式为

式中：η_m——旋转动态模化试验模块的透平机械效率，η_m＝0.98；

(3)计算透平叶片级比功w的公式为

(4)计算燃料工质比K_f的公式为

式中：G_a——燃烧室入口工质流量，G_c——冷却气体流量，G_f——燃烧室入口燃料流量；

(5)工质气体常数的计算公式为

(6)燃气定压比热容C_pg的计算公式为

式中：C_ps——二氧化碳工质定压比热容，C_ps＝1340.6J/(kg·K)；C_pf——天然气燃料定压比热容，C_pf＝5311.14J/(kg·K)；

(7)燃气比热比k的计算公式为

(8)该实施例的一级透平叶片落压比π_b与单级透平的落压比π相等，其计算公式为

式中：

——透平叶片级静叶片入口总压，P₂——透平叶片级动叶片出口静压；

(9)透平叶片级效率η的计算公式为

实施例三

某型号600MW的H级燃气轮透平第1级静叶片和动叶片，氢气为燃料、氧气为助燃剂、压缩机工质和透平叶片冷却气体均为水蒸气，开展该级叶片全温全压多目标旋转动态模化试验，采用图1所示的燃气轮机透平叶片级多目标旋转动态模化的方框图、图2所示的透平叶片级多目标旋转动态模化试验模块的示意图、图5所示的冷却水模块的示意图、图8为本发明压缩机工质为水蒸气进气模块的示意图、图9为本发明压缩机工质为水蒸气排气模块的示意图。

该型号工质为水蒸气600MW的H级燃气轮透平第1级静叶片和动叶片，该级透平叶片的设计参数列于表5；

表5燃气轮机透平叶片的设计参数

如图2所示的透平叶片级多目标旋转动态模化试验模块1，用来测量透平模化动叶片7的表面温度与透平叶片级的效率，包括转子47、模化静叶片6、模化动叶片7、联轴器10、水冷进气段11、内气缸12、外气缸13、水冷排气蜗壳14、水力测功器15；

叶片模化试验段模块1的模化比为1/2，采用示温漆确定模化动叶片7表面温度，透平叶片级旋转动态叶片模化试验段模块1的气缸设计为由内气缸12和外气缸13构成的双层气缸，内气缸12与外气缸13之间采用空气冷却；转子47采用焊接转子结构，转子47上有两条转子焊缝43，转子47上安装1级透平叶片；模化静叶片6的内侧与外侧有两股冷却空气，外侧冷却空气通过安装在内气缸12模化静叶片6的根部进入透平模化静叶片6内部冷却通道，内侧冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和模化静叶片6的内环进入透平模化静叶片6内部冷却通道，冷却气体从模化静叶片6的表面气膜冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；模化动叶片7的冷却空气通过水冷进气段11上冷却孔和转子47内部腔室以及叶轮与静止部件之间的盘腔进入模化动叶片7的根部和模化动叶片7内部冷却通道，冷却气体从模化动叶片7的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温燃气；水冷进气段11和水冷排气蜗壳14与冷却水模块4连接，水冷进气段11为双层管道，双层管道之间采用冷却水冷却；水冷排气蜗壳14设计为双层壳体，与冷却水模块4连接，双层壳体之间采用冷却水冷却；水力测功器15与转子47通过联轴器10来连接，水力测功器15用来测量透平叶片级的机械功，水力测功器15与冷却水模块4连接，闭式循环冷却水用来冷却水力测功器15；

如图5所示的冷却水模块4，有5台水泵38、1条补水管道与阀门39、4条进水管道与阀门40和3条回水管道与阀门41，其中1台水泵38及1条补水管道与阀门39为冷却水模块4提供补水，1台水泵38及1条进水管道与阀门40为排气模块3的减温器35提供冷却水，3台水泵38及3条进水管道与阀门40为叶片模化试验段模1的水冷进气段11、水冷排气蜗壳14和水力测功器15提供冷却水，3条回水管道与阀门41把冷却水冷进气段11、水冷排气蜗壳14和水力测功器15后的回水输送到冷却塔42，冷却塔42降低回水温度并为冷却水模块4提供冷却水；

如图8所示的进气模块2，压缩机工质与透平叶片冷却气体均采用水蒸气，进气模块包括水箱30、直流电机驱动的给水泵31、第二控制阀45及控制系统、主流流量喷嘴19、回热器20，天然气锅炉32、金属膨胀节21、燃料控制阀22、燃料超声波流量计23、燃烧室24、冷却气体放空阀25、冷却气体控制阀26及控制系统、冷却气体超声波流量计27；

来自水箱30的水通过直流电机驱动的给水泵31为回热器20与天然气锅炉32提供所需压力给水，通过调整第二控制阀45的开度来控制主流水蒸气的流量，通过调整直流电机驱动的给水泵31的转速来控制主流水蒸气的压力，主流流量喷嘴19用来测量主流给水的流量，回热器20利用叶片模化试验段模块1的排气来预热给水温度达到573K以上，天然气锅炉32把主流给水加热成500K至1000K的过热蒸汽，金属膨胀节21用来吸收进气管道的膨胀量，燃料控制阀22用来控制燃料流量，燃料超声波流量计23用来测量燃料的流量，主流过热蒸汽工质在燃烧室24中与喷入的燃料氢气与助燃剂氧气相混合并燃烧产生1400K至2100K的主流高温水蒸气；

冷却蒸汽来自天然气锅炉32出口，通过调整直流电机驱动的给水泵的转速来控制冷却蒸汽的压力，通过调整冷却气体控制阀的开度来控制冷却蒸汽的流量，冷却气体超声波流量计27用来测量冷却蒸汽的流量，冷却蒸汽来自天然气锅炉32出口，冷却蒸汽温度与进入燃烧室24之前的蒸汽温度一致，透平叶片冷却蒸汽进口温度达到500K至1000K；

如图9所示的排气模块3，压缩机工质与透平冷却气体均为水蒸气，叶片模化试验段模块1的排气流过排气模块3的排气碟阀33，通过调整排气蝶阀33的开度来调整叶片模化试验段模块1的排气压力与透平叶片级的落压比，通过回热气体控制阀34及管道与进气模块2的回热器20进行热交换，通过回热气体控制阀34调节回热排气流量来控制主流给水的温度，离开回热器20的水蒸气进入排气模块3的减温器35，冷却水喷入减温器35来降低排气温度并冷凝成水后输入进气模块2的水箱30；

的叶片模化试验段模1、进气模块2、排气模块3的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；

的主流流量喷嘴19、燃料超声波流量计23与冷却气体超声波流量计27的上游设计有20倍管道直径的直管段，下游设计有10倍管道直径的直管段，以保证流量测量精度；

进气模块2的回热器20上下游的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧室24后的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧室24后的管道上安装压力测点与温度测点，水冷排气蜗壳14的内表面安装压力测点；叶片模化试验段模块1的内气缸12上的模化静叶片6进口与透平模化动叶片7出口安装压力测点与温度测点；

叶片模化试验段模块1的模化动叶片7，叶型表面涂刷示温漆，依据示温漆颜色的变化确定动叶片的表面在旋转动态工况下的工作温度；

应用本发明提供的透平叶片级的全温等全压多目标透平叶片级旋转动态模化参数设计方法，其技术特征为：

该型号工质为水蒸气600MW燃气轮机全温全压透平叶片级多目标旋转动态模化参数设计方法，包括以下13个步骤：

步骤1：确定全温全压叶片模化试验段模块的模化比S_f＝1/2，有

步骤2：全温全压叶片模化试验段模块的主流燃气总温取燃气轮机设计工况参数

步骤3：全温全压叶片模化试验段模块的主流燃气总压取燃气轮机设计工况参数

步骤4：全温全压叶片模化试验段模块的背压取燃气轮机设计工况参数P₁＝2196000Pa；

步骤5：计算全温全压叶片模化试验段模块的落压比π的公式为

式中：

——主流燃气进口总压

P₁——全温全压旋转动态模化试验模块的透平叶片级背压；

步骤6：计算全温全压叶片模化试验段模块的主流燃气流量G_g的公式为

式中：G_g,D——燃气轮机设计工况的透平燃气进口流量，S_f——全温全压旋转动态模化试验模块透平叶片级的模化比；

步骤7：全温全压叶片模化试验段模块的冷却气体总温取燃气轮机设计工况参数

步骤8：全温全压叶片模化试验段模块的冷却气体总压取燃气轮机设计工况参数

步骤9：计算全温全压叶片模化试验段模块的静叶片冷却气体流量G_c1的公式为

式中：G_c1,D——燃气轮机设计工况静叶片冷却气体的流量，S_f——全温全压叶片模化试验段模块的模化比；

步骤10：计算全温全压叶片模化试验段模块的动叶片冷却气体流量G_c2的公式为

式中：G_c2,D——燃气轮机设计工况动叶片冷却气体的流量；

步骤11：计算全温全压比旋转动态模化试验模块透平的冷却气体流量G_c的公式为

G_c＝G_c1+G_c2＝2.248+0.903＝3.151kg/s

步骤12：计算全温全压叶片模化试验段模块的工作转速n的公式为

式中：n_D——燃气轮机设计工况的额定转速；

步骤13：计算全温全压叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率N的公式为

式中：N_D——透平叶片级设计的内功率；

该型号工质为水蒸气600MW燃气轮机全温全压透平叶片级旋转动态模化参数计算结果列于表6。

表6燃气轮机全温全压透平叶片级旋转动态模化参数计算结果

在该型号工质为水蒸气600MW燃气轮机全温全压旋转动态模化试验上，采用本发明提供的模化动叶片在旋转状态下的动态冷却效果试验方法，在线测量叶片模化试验段模块燃气温度T_g、叶片模化试验段模块冷却气体温度T_c，通过示温漆技术测量模化动叶片表面在旋转动态工况下的工作温度，试验结束后依据示温漆颜色的变化确定动叶片的中间截面表面平均温度T_w,m、模化动叶片表面局部温度T_w,i、模化动叶片表面最大温度T_w,max、动叶片表面最小温度T_w,min，确定以下四个透平叶片冷却效果的评价指标，包括：

(1)动叶片表面温度T_w，应低于基体材料工作温度的上限值T_u；

(2)透平叶片平均冷却效率η_a的计算公式为

式中：T_g——叶片模化试验段模块燃气温度，T_w,m——叶片模化试验段模块透平叶片试验件中间截面表面平均温度，T_c——叶片模化试验段模块冷却气体温度；

(3)透平叶片局部冷却效率η_i的计算公式为

式中：T_g——叶片模化试验段模块燃气温度，T_w,i——叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部温度，T_c——叶片模化试验段模块冷却气体温度；

(4)透平叶片相对温差R_ΔT的计算公式为

式中：T_w,max——叶片模化试验段模块透平叶片表面最大温度，T_w,min——叶片模化试验段模块透平叶片表面最小温度；

在该型号工质为水蒸气600MW燃气轮机全温全压旋转动态模化上，采用本发明提供的旋转动态模化透平叶片级效率试验方法，在线测量燃烧室入口工质流量G_a、燃烧室入口燃料(燃油)流量G_f、冷却气体流量G_c、透平叶片级静叶片入口燃气总温

透平叶片级静叶片入口燃气总压

透平叶片级动叶片出口静压P₂、水力测功器测量的功率N_h，来确定透平叶片级效率η，包括：

(1)计算透平动叶片高温燃气流量G_gnt的公式为G_gnt＝G_a+G_f+G_c

(2)计算透平叶片级内功率N_T的公式为

式中：η_m——旋转动态模化试验模块的透平机械效率，η_m＝0.98；

(3)计算透平叶片级比功w的公式为

(4)计算燃料工质比K_f的公式为

式中：G_a——燃烧室入口工质流量，G_c——冷却气体流量，G_f——燃烧室入口燃料流量；

(5)工质气体常数的计算公式为

(6)燃气定压比热容C_pg的计算公式为

式中：C_ps——过热蒸汽工质定压比热容，C_ps＝2766.7J/(kg·K)；C_pf——氢气燃料定压比热容，C_pf＝16500J/(kg·K)；

(7)燃气比热比k的计算公式为

(8)该实施例的一级透平叶片落压比π_b与单级透平的落压比π相等，其计算公式为

式中：

——透平叶片级静叶片入口总压，P₂——透平叶片级动叶片出口静压；

(9)透平叶片级效率η的计算公式为

以上3个实施例的优点和实际效果在于：(1)可以完成空气、二氧化碳、水蒸气的多种工质的燃气轮机的高温透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率试验；(2)一次试验，可以同时完成燃气轮机透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率试验，相对于分别进行动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率试验，有效降低了高温透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率验证试验的费用；(3)的进气模块、叶片模化试验段模块、排气模块与冷却水模块具有通用性，这四个模块只要略加改造与更换少量设备就可以继续使用，由此提高了高温透平叶片级的利用率，可以大幅度降低燃气轮机高温透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率重复建设费用，产生巨大的经济效益。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (24)

1.燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统，其特征在于，所述系统包括进气模块、叶片模化试验段模块、冷却气体模块和冷却水模块，所述进气模块包括工质供给单元和燃烧室，所述叶片模化试验段模块包括试验段壳体、基座、模化静叶片和模化动叶片，其中，

所述模化静叶片通过所述试验段壳体安装在所述基座上，所述模化动叶片通过叶轮与所述转子连接，所述转子通过轴承与所述基座连接；其中，所述模化静叶片和所述模化动叶片的模化比相同且均小于1；

所述工质供给单元的出口与所述燃烧室的进口连接，所述燃烧室的出口和所述冷却气体模块的出口分别与所述试验段壳体的主流燃气进口和冷却气体进口连接；

所述试验段壳体通过循环管路与所述冷却水模块连接，形成闭合回路；

所述工质供给单元用于根据供给工质类型，将所述供给工质传输至所述燃烧室中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进气模块还包括回热器，其中，

所述工质供给单元的出口与所述回热器的管侧进口连接，所述回热器的管侧出口与所述燃烧室的进口连接；

所述回热器的壳侧通过循环管路与所述排气模块连接，形成第一回路。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括排气模块，所示排气模块包括排气蝶阀、回热气体控制阀，其中，

所述试验段壳体的出口与所述排气蝶阀的第一端连接，所述排气蝶阀的第二端与所述回热气体控制阀的第一端连接；

所述回热气体控制阀的第一端与所述试验段壳体的出口连接，所述回热气体控制阀的第二端与所述回热器的壳侧进口连接；

所述回热器的壳侧出口与所述排气模块连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述冷却水模块包括冷却塔、补水水泵，其中，

所述补水水泵的进口与补水水源连接；

所述补水水泵的出口与所述冷却塔的进口连接；

所述冷却塔通过循环管路与所述减温器的管侧连接；

所述冷却塔通过循环管路与所述试验段壳体连接。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述排气模块还包括消音塔，其中，

所述减温器的出口与所述消音塔的进口连接，所述消音塔的出口与外部连通。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述工质供给单元包括以下任意一项或多项：水蒸气供给子单元、二氧化碳供给子单元、空气供给子单元；所述水蒸气供给子单元、所述二氧化碳供给子单元、所述空气供给子单元均用于供给所述当前供给工质。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述空气供给子单元包括离心空气压缩机、主流进气放空阀和第一控制阀，其中，

所述离心空气压缩机的进口与空气气源连接；

所述离心空气压缩机的出口依次连接所述第一控制阀和所述回热器的管侧进口；

所述主流进气放空阀安装在连接于所述离心空气压缩机与所述第一控制阀之间的管路上。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述水蒸气供给子单元包括给水泵、第二控制阀和锅炉，其中，

所述给水泵的进口与水源连接；

所述给水泵的出口依次连接所述第二控制阀、所述锅炉和所述回热器的管侧进口。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述二氧化碳供给子单元包括二氧化碳压缩机和第三控制阀，其中，

所述二氧化碳压缩机的进口与二氧化碳气源连接；

所述二氧化碳压缩机的出口依次连接所述第三控制阀和所述回热器的管侧进口。

10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述冷却气体模块包括冷却气体放空阀、冷却气体控制阀和冷却气体超声波流量计，其中，

所述冷却气体控制阀的第一端与所述回热器的管侧出口连接，冷却气体控制阀的第二端依次连接所述冷却气体超声波流量计和所述试验段壳体的进口连接；

所述冷却气体放空阀安装在连接于所述冷却气体控制阀的第一端与所述回热器的管侧出口之间的管路上。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述冷却气体模块还包括冷却气体超声波流量计，其中，

所述冷却气体超声波流量计的第一端与所述冷却气体控制阀的第二端连接；

所述冷却气体超声波流量计的第二端与所述试验段壳体的冷却气体进口连接；其中，所述冷却气体超声波流量计用于测量冷却气体的流量。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进气模块还包括主流流量喷嘴，其中，

所述工质供给单元的出口与所述主流流量喷嘴的进口连接，所述主流流量喷嘴的出口与所述燃烧室的进口连接。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述叶片级模化试验段模块还包括联轴器、水力测功器；所述试验段壳体，包括水冷进气段、内气缸、外气缸、水冷排气蜗壳，其中，

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气体进口，内气缸与外气缸之间采用冷却气体冷却，所述的水冷进气段上设有冷却气体进口，所述的冷却气体模块与外气缸上的冷却气体进口和水冷进气段上的冷却气体进口相连通；所述的内气缸中设有1级模化静叶片和模化动叶片，模化静叶片设有内部冷却通道，模化静叶片固定于内气缸中的模化静叶片内环上，所述的模化静叶片内环设有进气孔，所述的模化静叶片内环的进气孔与水冷进气段上的冷却气体进口和模化静叶片的内部冷却通道连通，来自冷却气体模块的冷却空气能够经水冷进气段上的冷却气体进口和模化静叶片内环的进气孔进入模化静叶片的内部冷却通道，模化静叶片的根部设有与外气缸和内气缸之间的空间连通的冷却气体进气孔，来自冷却气体模块的冷却气体能够从模化静叶片根部的进气孔进入模化静叶片的内部冷却通道；所述的模化动叶片相应设于转子的叶轮上，所述转子的叶轮两侧设有静止部件，叶轮与其两侧的静止部件之间形成盘腔，叶轮上设有冷却孔，水冷进气段的冷却气体进口与所述叶轮与其两侧静止部件之间形成的盘腔以及叶轮上的冷却孔相连通，模化动叶片设有内部冷却通道，所述模化动叶片的根部设有与所述模化动叶片的内部冷却通道相连通的进气孔，所述模化动叶片的进气孔与所述叶轮和其两侧的静止部件之间的盘腔连通，来自冷却气体模块的冷却气体能够依次通过水冷进气段的冷却气体进口和所述叶轮与其两侧的静止部件之间的盘腔经所述模化动叶片根部的进气孔进入其内部冷却通道；

所述水冷进气段和所述水冷排气蜗壳分别通过循环管路与所述冷却水模块连接，形成闭合回路；

所述水力测功器通过所述联轴器与所述转子连接；其中，所述水力测功器用于测量透平叶片级的机械功；

所述水力测功器通过循环管路与所述冷却水模块连接，形成闭合回路。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述转子为焊接转子，所述转子的进气侧和排汽侧与所述叶轮焊接连接。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进气模块还包括金属膨胀节，其中，

所述金属膨胀节的第一端与所述工质供给单元的出口连接，所述金属膨胀节的第二端与所述燃烧室的入口连接。

16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进气模块还包括燃料控制阀、燃料超声波流量计，其中，

所述燃烧控制阀的第一端与燃料源连接，所述燃烧控制阀的第二端依次连接所述燃料超声波流量计和所述燃烧室的燃料进口；其中，所述燃料控制阀用于控制燃料流量，所述燃料超声波流量计用于测量燃料的流量。

17.一种应用于如权利要求1-16中任一所述燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统的全温等落压比参数设计方法，其特征在于，包括：

分别获取所述叶片模化试验段模块的模化比和所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温；其中，所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温为当前工质对应的透平叶片级燃气轮机设计工况参数；

获取叶片模化试验段模块的排气压损值，基于所述叶片模化试验段模块的排气压损值，确定所述叶片模化试验段模块的背压；

基于燃气轮机设计工况透平叶片级落压比，确定所述叶片模化试验段模块的落压比；

基于所述叶片模化试验段模块的背压和所述叶片模化试验段模块的落压比，确定所述叶片模化试验段模块的燃气总压；

基于所述叶片模化试验段模块的燃气总压、所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温、燃气轮机透平进口的设计总压、燃气轮机设计工况透平进口的燃气总温、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、所述叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的进口主流燃气流量；

确定叶片模化试验段模块的冷却空气总温；所述叶片模化试验段模块的冷却空气总温为燃气轮机设计工况参数；

基于透平静叶片的主流燃气进口的流量、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、燃气轮机设计工况静叶片冷却空气的流量，确定透平静叶片的冷却空气流量；基于透平静叶片的主流燃气进口的流量、燃气轮机设计工况的透平进口燃气流量、燃气轮机设计工况动叶片冷却空气的流量，确定透平动叶片的冷却空气流量；基于所述透平静叶片的冷却空气流量和所述透平动叶片的冷却空气流量，确定叶片模化试验段模块透平的冷却空气流量；

基于所述叶片模化试验段模块透平的冷却空气流量、燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总压、燃气轮机设计工况透平冷却空气进口总温、燃气轮机设计工况透平冷却空气流量、冷却气体总温，确定叶片模化试验段模块的冷却空气总压；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和燃气轮机设计工况的额定转速，确定叶片模化试验段模块的工作转速；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和透平叶片级设计的内功率，确定叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述当前供给工质包括以下任意一种：空气、水蒸气、二氧化碳。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法可以同时用于进行燃气轮机透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率试验。

20.一种应用于如权利要求1-16中任一所述燃气轮机多工质透平叶片级多目标旋转动态模化试验系统的全温全压参数设计方法，其特征在于，包括：

分别获取叶片模化试验段模块的模化比、叶片模化试验段模块的主流燃气总温、叶片模化试验段模块的主流燃气总压、叶片模化试验段模块的背压；其中，所述叶片模化试验段模块的主流燃气总温、叶片模化试验段模块的主流燃气总压均为当前工质对应的燃气轮机设计工况参数；所述叶片模化试验段模块的背压为燃气轮机设计工况参数；

基于主流燃气进口总压、叶片模化试验段模块的透平叶片级背压，确定叶片模化试验段模块的透平叶片级背压；

基于燃气轮机设计工况的透平燃气进口流量、叶片模化试验段模块透平叶片级的模化比，确定叶片模化试验段模块的主流燃气流量；

分别获取叶片模化试验段模块的冷却气体总温、叶片模化试验段模块的冷却气体总压；其中，所述叶片模化试验段模块的冷却气体总温、叶片模化试验段模块的冷却气体总压均为燃气轮机设计工况参数；

基于燃气轮机设计工况静叶片冷却气体的流量、叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的静叶片冷却气体流量；

基于燃气轮机设计工况动叶片冷却气体的流量、叶片模化试验段模块的模化比，确定叶片模化试验段模块的动叶片冷却气体流量；

基于所述静叶片冷却气体流量和所述动叶片冷却气体流量，确定叶片模化试验段模块透平的冷却气体流量；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和燃气轮机设计工况的额定转速，确定叶片模化试验段模块的工作转速；

基于所述叶片模化试验段模块的模化比和透平叶片级设计的内功率，确定叶片模化试验段模块的水力测功器设备选型铭牌功率。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述当前供给工质包括以下任意一种：空气、水蒸气、二氧化碳。

22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法可以同时用于进行燃气轮机透平动叶片的旋转动态冷却效果验证试验和透平叶片级效率试验。

23.一种应用于如权利要求17或20中任一所述参数设计方法的透平叶片冷却效果验证试验方法，其特征在于，包括：

获取动叶片表面温度；其中，所述动叶片表面温度小于基体材料工作温度的上限值；

基于叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块透平叶片试验件中间截面表面平均温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片平均冷却效率；

基于叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定叶片模化试验段模块透平叶片试验件表面局部冷却效率；

基于叶片模化试验段模块透平叶片表面最大温度、叶片模化试验段模块透平叶片表面最小温度、叶片模化试验段模块燃气温度、叶片模化试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片相对温差。

24.一种应用于如权利要求17或20中任一所述参数设计方法的旋转动态模化透平叶片级效率试验方法，其特征在于，包括：

基于燃烧室入口工质流量、燃烧室入口燃料流量、冷却气体流量，分别确定透平动叶片高温燃气流量和燃料工质比；

基于旋转动态模化试验模块的透平机械效率、水力测功器测量的功率，确定透平叶片级内功率；

基于透平动叶片高温燃气流量、所述透平叶片级内功率确定透平叶片级比功；

基于所述燃料工质比，确定工质气体常数；

基于工质定压比热容、天然气燃料定压比热容、所述燃料工质比，确定燃气定压比热容；

基于所述燃气定压比热容和所述工质气体常数，确定燃气比热比；

基于透平叶片级静叶片入口总压、透平叶片级动叶片出口静压，确定透平叶片落压比；

基于所述透平叶片落压比、所述燃气比热比、所述燃气定压比热容、所述透平叶片级比功、透平叶片级静叶片入口燃气总温，确定透平叶片级效率。

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