CN115098959A - 一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，是一种综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，本发明涉及的是一种能够综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法。本发明的目的是为了提供可有效减少高压涡轮导叶叶片数量，降低冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，而且还可减少叶片生产成本的高压涡轮导叶综合设计方法。从而解决现有设计方法难以进一步提升燃气轮机效率，机组成本较高的问题。本发明用于减少冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，及降低燃气轮机成本领域。

Description

一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法
技术领域
本发明涉及的是一种综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，更具体地说，本发明涉及的是一种不仅能够考虑气动性能又能够考虑冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法。
背景技术
因燃气轮机具有功率密度大、起动速度快等优点，广泛应用于工业及海上平台发电、燃驱压缩及作为船舶的主要动力装置。现代燃气轮机随着高性能材料及冷却技术的不断应用，涡轮进口温度不断提升，效率已达到较高的水平，进一步提升燃气轮机整机效率存在较大难度。另外，燃气轮机高温部件，特别是高压涡轮叶片大量采用价格昂贵的镍基高温合金，如何降低燃气轮机机组生产制造成本成为燃气轮机进一步推广应用的又一难题。
在涡轮气动方面，近年来，随着设计技术的不断进步以及计算流体力学的不断发展，全三维优化设计手段不断在涡轮气动设计过程中得到应用，以Clocking effect(时序效应)为代表的非定常计算及设计技术在提高涡轮效率方面起到了较大作用，涡轮气动设计体系、设计手段及方法不断丰富与完善，先进的设计技术及叶型不断推动着涡轮气动性能的提升，涡轮叶片形状也由传统的直叶片向扭叶片、弯扭叶片、弯扭掠叶片等复杂形状发展。
在涡轮叶片冷却方面，近年来，随着材料、涂层及冷却技术的不断进步，涡轮进口温度不断提高，为机组性能提升做出了重大贡献。材料方面，由涡轮叶片材料等轴晶、定向结晶向一代单晶、二代单晶、三代单晶及陶瓷基复合材料发展；涂层方面，涡轮叶片所用隔热涂层隔热效果也在不断进步，涂层可靠性逐步提高；冷却设计技术方面，低维度冷却空气量预估精度不断提高，全三维分析及优化设计手段不断在涡轮叶片冷却设计过程中得到应用，对涡轮叶片内部冷却流动及换热机理认识不断深入，推动着涡轮叶片冷却效果不断提升。
为满足节能减排要求，现代燃气轮机不断追求性能的提升，要求涡轮进口温度不断提高，涡轮气动性能不断提高，涡轮叶片冷却空气用量不断降低。然而，涡轮进口温度提高与冷却空气用量降低、涡轮气动性能提高是矛盾的。传统单一考虑涡轮气动性能、冷却叶片冷却空气用量的设计方法难以进一步提高燃气轮机整机效率，因此，如何解决这对矛盾成为提升燃气轮机效率的关键。
尽管国内外学者及科研人员在高性能涡轮气动及冷却设计、高温叶片材料及涂层方面已开展了大量的研究，对改善涡轮气动性能及冷却效果、提升叶片工作温度有了一定的认识，但是这些研究并没有关注从综合考虑气动性能与冷却空气用量角度提升燃气轮机整机效率，也鲜有关于通过大幅减少导叶叶片数量改善燃气轮机整机效率方面的报道。科研人员希望有一种能够综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶先进设计方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供可有效减少高压涡轮导叶叶片数量，降低冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，而且还可减少叶片生产成本的高压涡轮导叶综合设计方法。从而解决现有设计方法难以进一步提升燃气轮机效率，机组成本较高的问题。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一、根据燃气轮机整机总体性能参数，采用传统涡轮气动设计方法、涡轮叶片冷却空气用量评估方法，完成高压涡轮一维气动设计、导叶造型、冷却空气量评估，得到高压涡轮气动效率
Figure BDA0003667871580000021
动叶进口气流角、高压涡轮导叶冷却空气用量
Figure BDA0003667871580000022
采用燃气轮机整机总体性能传统计算方法，得到减少高压涡轮导叶叶片数前的整机效率数据值；
步骤二、保持高压涡轮动叶不变，按照燃气轮机整机总体性能参数，将高压涡轮导叶叶片数量减少15％，重新调整高压涡轮导叶出口几何角、弦长、轴向弦长后，开展高压涡轮气动计算，使高压涡轮进口流量满足燃气轮机整机总体要求；
步骤三、根据步骤二高压涡轮气动计算结果，分析得到高压涡轮动叶进口气流角，并将高压涡轮动叶进口气流角与步骤一得到的数据进行对比，根据高压涡轮动叶进口气流角对比变化情况，重新调整高压涡轮动叶进口几何角，以改善高压涡轮动叶进口攻角；
步骤四、基于步骤二得到的高压涡轮导叶气动参数及叶型参数，以及步骤三得到的高压涡轮动叶气动参数及叶型参数，按照燃气轮机整机总体性能参数，采用与步骤二相同的边界条件，开展高压涡轮气动计算，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的初步气动参数；
步骤五、根据步骤二得到的高压涡轮导叶叶型参数，以及步骤四得到的高压涡轮导叶气动参数，采用涡轮叶片冷却空气用量传统评估方法，评估减少高压涡轮导叶叶片数后的高压涡轮导叶冷却空气用量，并将该冷却空气用量数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡轮导叶冷却空气用量进行对比，记录冷却空气用量减少数值；
步骤六、保持步骤四计算模型及边界条件不变，根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却空气用量，重新开展高压涡轮气动计算，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的高压涡轮气动效率数值，并将该效率数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡轮气动效率进行比对，记录气动效率降低数值；
步骤七、根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却空气用量、步骤六得到的高压涡轮效率，采用燃气轮机整机总体性能传统计算方法，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的整机效率数据值；
步骤八、若减少高压涡轮导叶叶片数后的整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导叶对应的整机效率相比增加值不符合不小于0.2％的预定标准，则进一步减少2片导叶，重复执行步骤二～步骤七，直至整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导叶对应的整机效率相比增长值数据达到不小于0.2％的预定标准。
进一步地，所述导叶叶片造型采用前缘积叠。
进一步地，所述高压涡轮气动设计软件为NREC软件。
进一步地，所述叶片造型软件为UG、NUMECA软件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在充分考虑传统燃气轮机高压涡轮气动性能及冷却设计方法的基础上，将原本单独分别考虑的高压涡轮气动性能设计及冷却设计，改为高压涡轮气动性能设计与冷却设计进行综合统筹考虑，不再单独追求高压涡轮气动效率及冷却效率，而是将两者综合统筹，在尽可能不降低或少降低涡轮效率的情况下，通过大幅减少高压涡轮导叶叶片数量，减少冷却空气用量，从而实现燃气轮机整机效率的提升这一终极目标。本发明的综合考虑气动性能与冷却空气用量的高压涡轮导叶设计方法设计的叶片，不仅可以改善燃气轮机整机性能，同时可以减少叶片数量，降低高压涡轮导叶铸造、机械加工、热障涂层及渗层、流量检测试验等叶片生产与检测费用，从而节约成本。采用本发明设计的高压涡轮叶片，较传统高压涡轮叶片可以减少叶片数量20％，减少高压涡轮导叶冷却空气用量15％，提高燃气轮机整机效率0.3％，同时可降低高压涡轮导叶生产成本20％。
附图说明
图1为采用常规设计方法设计的高压涡轮导叶叶片示意图；
图2为采用常规设计方法设计的高压涡轮动叶叶片示意图；
图3为采用常规设计方法设计的涡轮导叶型线示意图；
图4为综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法的设计流程图；
图5为采用本发明设计的高压涡轮导叶叶型示意图；
图6为采用本发明设计的高压涡轮导叶叶片示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
具体实施方式一：本实施方式一种综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法具体过程为：
本发明综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法是基于现有的常规涡轮叶片气动设计方法、导叶叶片造型方法、导叶冷却空气量预估方法。在常规涡轮叶片设计方法之后，得到未采用综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法的涡轮级叶片(如图1、图2所示)，包括导叶叶片1以及动叶叶片2。
如图3所示，采用常规设计方法，未采用综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法设计的高压涡轮导叶叶栅栅距较小，整机总体效率很难提高。
在此基础上还需经过以下步骤(见图4)：
步骤一、记录采用传统设计方法得到的高压涡轮气动效率、动叶进口气流角、高压涡轮导叶冷却空气用量，采用燃气轮机整机总体性能传统计算方法，得到减少高压涡轮导叶叶片数前的整机效率数据值，并将该数据结果作为采用综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法的对比依据；
步骤二、保持高压涡轮动叶不变，按照燃气轮机整机总体性能参数，将高压涡轮导叶叶片数量减少15％，重新调整高压涡轮导叶出口几何角A1、弦长L，增加叶片栅距T后，开展高压涡轮气动计算，使高压涡轮进口流量满足燃气轮机整机总体要求；
步骤三、根据步骤二高压涡轮气动计算结果，分析得到高压涡轮动叶进口气流角，并将高压涡轮动叶进口气流角与步骤一得到的数据进行对比，根据高压涡轮动叶进口气流角对比变化情况，重新调整高压涡轮动叶进口几何角，以改善高压涡轮动叶进口攻角；
步骤四、基于步骤二得到的高压涡轮导叶气动参数及叶型参数，以及步骤三得到的高压涡轮动叶气动参数及叶型参数，按照燃气轮机整机总体性能参数，采用与步骤二相同的边界条件，开展高压涡轮气动计算，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的初步气动参数；
步骤五、根据步骤二得到的高压涡轮导叶叶型参数，以及步骤四得到的高压涡轮导叶气动参数，采用涡轮叶片冷却空气用量传统评估方法，评估减少高压涡轮导叶叶片数后的高压涡轮导叶冷却空气用量，并将该冷却空气用量数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡轮导叶冷却空气用量进行对比，记录冷却空气用量减少数值；
步骤六、保持步骤四计算模型及边界条件不变，根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却空气用量，重新开展高压涡轮气动计算，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的高压涡轮气动效率数值，并将该效率数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡轮气动效率进行比对，记录气动效率降低数值；
步骤七、根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却空气用量、步骤六得到的高压涡轮效率，采用燃气轮机整机总体性能传统计算方法，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的整机效率数据值；
步骤八、若减少高压涡轮导叶叶片数后的整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导叶对应的整机效率相比增加值不符合不小于0.2％的预定标准，则进一步减少2片导叶，重复执行步骤二～步骤七，直至整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导叶对应的整机效率相比增长值数据达到不小于0.2％的预定标准。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述导叶叶片造型采用前缘积叠。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是，所述高压涡轮气动设计软件为NREC软件。
其它步骤及参数与具体实施方式一至二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述叶片造型软件为UG、NUMECA软件。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
综上，本发明一种综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，本发明涉及的是一种能够综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法。本发明的目的是为了提供可有效减少高压涡轮导叶叶片数量，降低冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，而且还可减少叶片生产成本的高压涡轮导叶综合设计方法。从而解决现有设计方法难以进一步提升燃气轮机效率，机组成本较高的问题。本发明用于减少冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，及降低燃气轮机成本领域。

Claims (5)

1.一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、根据燃气轮机整机总体性能参数，采用传统涡轮气动设计方法、涡轮叶片冷却空气用量评估方法，完成高压涡轮一维气动设计、导叶造型、冷却空气量评估，得到高压涡轮气动效率、动叶进口气流角、高压涡轮导叶冷却空气用量；采用燃气轮机整机总体性能传统计算方法，得到减少高压涡轮导叶叶片数前的整机效率数据值；
步骤二、保持高压涡轮动叶不变，按照燃气轮机整机总体性能参数，将高压涡轮导叶叶片数量减少一定数量，重新调整高压涡轮导叶出口几何角、弦长、轴向弦长后，开展高压涡轮气动计算，使高压涡轮进口流量满足燃气轮机整机总体要求；
步骤三、根据步骤二高压涡轮气动计算结果，分析得到高压涡轮动叶进口气流角，并将高压涡轮动叶进口气流角与步骤一得到的数据进行对比，根据高压涡轮动叶进口气流角对比变化情况，重新调整高压涡轮动叶进口几何角，改善高压涡轮动叶进口攻角；
步骤四、基于步骤二得到的高压涡轮导叶气动参数及叶型参数以及步骤三得到的高压涡轮动叶气动参数及叶型参数，按照燃气轮机整机总体性能参数，采用与步骤二相同的边界条件，开展高压涡轮气动计算，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的初步气动参数；
步骤五、根据步骤二得到的高压涡轮导叶叶型参数以及步骤四得到的高压涡轮导叶气动参数，采用涡轮叶片冷却空气用量传统评估方法，评估减少高压涡轮导叶叶片数后的高压涡轮导叶冷却空气用量，并将该冷却空气用量数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡轮导叶冷却空气用量进行对比，记录冷却空气用量减少数值；
步骤六、保持步骤四计算模型及边界条件不变，根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却空气用量，重新开展高压涡轮气动计算，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的高压涡轮气动效率数值，并将该效率数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡轮气动效率进行比对，记录气动效率降低数值；
步骤七、根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却空气用量、步骤六得到的高压涡轮效率，采用燃气轮机整机总体性能传统计算方法，得到减少高压涡轮导叶叶片数后的整机效率数据值；
步骤八、若减少高压涡轮导叶叶片数后的整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导叶对应的整机效率相比增加值不符合不小于0.2％的预定标准，则进一步减少2片导叶，重复执行步骤二～步骤七，直至整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导叶对应的整机效率相比增长值数据达到不小于0.2％的预定标准。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，其特征在于：步骤二具体为：将高压涡轮导叶叶片数量减少15％。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，其特征在于：所述导叶叶片造型采用前缘积叠。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，其特征在于：所述高压涡轮气动设计软件为NREC软件。
5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，其特征在于：所述叶片造型软件为UG、NUMECA软件。
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