一种燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统的制作方法

本实用新型涉及一种燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统。

背景技术：

提高燃气轮机透平进口初温是提高燃气轮机循环功率和热效率的重要途径，目前先进的重型燃气轮机透平的进口温度达到1600℃左右。

燃气轮机第一级喷嘴叶片端部壁面暴露在高温高湍流燃气下，叶片端部承受着较高的热负荷和壁面温度。同时由于存在端部马蹄涡和通道涡等复杂的二次流，高温燃气与端壁之间的换热严重不均匀，叶片端部局部区域的传热得到强化。因此，燃烧室出口与透平第一级静叶端壁接合面应过渡自然光滑，以减少二次流造成的传热恶化和气动损失。

由于装配公差的存在和热膨胀程度的不同，燃气轮机燃烧室出口和静叶端壁接合面不可避免存在错位，这种错位带来叶片端壁结构的变化，对二次流的发展和端部传热情况带来直接的影响。同时为了避免高温燃气对叶片端壁的直接冲击，通常在叶片前缘上游布置离散气膜孔或其他组合冷却形式，实现对端壁面有效的气膜覆盖，而冷气出流布置方式也与二次流发展相关。因此，在真实叶片端壁结构下研究合理气膜布局是端壁换热研究的重点。

目前国内透平端壁换热试验系统存在如下问题：首先大部分端壁换热试验测量基于绝热假设的条件，测试温度偏低，其获得的端壁换热规律与实际燃机透平端壁换热规律有一定的差异；其次端壁换热试验较少考虑实际燃机燃烧室与第一级静叶端壁连接处几何不匹配对端壁换热特性的影响；再次已往的换热试验中仅考虑气动传热效果，没有在叶片端壁及表面设置热应力测点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有上述燃气轮机透平端壁换热系统缺陷或改进需求，提供了一种燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统，以满足稳态传热和瞬态传热的试验要求。该系统利用燃气轮机透平第一级静叶作为叶栅试验段，试验条件与燃气轮机实际运行条件相似。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统，包括高温燃气供给系统、二次空气供给系统、叶栅试验段、冷却水系统、测量及数据采集系统和排气系统；其中，

叶栅试验段内设置用于测量的透平叶片，叶栅试验段的顶部开设有透射窗口，底部设置有冷却空气腔室；

高温燃气供给系统与叶栅试验段相连通，用于向叶栅试验段供给高温燃气，二次空气供给系统用于通过冷却空气腔室向叶栅试验段提供高压且温度可调的二次冷却空气；

冷却水系统分为高压水系统和低压水系统，高压水系统用于冷却高温烟气，低压水系统用于冷却二次空气供给系统中的空压机；

测量及数据采集系统包括流动参数测量装置和热应力测量装置，其中，流动参数测量装置用于测量叶栅试验段中的温度、压力和流量，热应力测量装置用于测量透平叶片的热应力；

排气系统包括排气调节系统及消音系统，排气调节系统用于调节叶栅试验段排气压力，并将高温燃气降温后经消音系统排出。

本实用新型进一步的改进在于，高温燃气供给系统包括依次连接的扩张段、稳定段、收缩段，以及设置在收缩段的湍流发生器。

本实用新型进一步的改进在于，二次空气供给系统包括依次连接的空压机、回热器和电加热器。

本实用新型进一步的改进在于，二次空气供给系统还包括设置在空压机入口处的过滤器，设置在空压机出口处用于储存压缩气体的高压储气罐，用于调节压缩空气的调压阀、质量流量计和调节阀，以及用于为空压机供电的变电站。

本实用新型进一步的改进在于，收缩段出口处的燃烧室出口端壁与透平第一级静叶端壁进口连接处光滑过渡或存在错位。

本实用新型进一步的改进在于，冷却水系统包括给水泵，以及与给水泵连接且自上而下依次设置的冷却塔和蓄水池。

本实用新型进一步的改进在于，流动参数测量装置包括设置在透射窗口上方的红外热像系统，设置在透平叶片端壁上的热电偶和压力测点，热应力测量装置包括设置在透平叶片上的耐高温应变片，且流动参数测量装置和热应力测量装置均与数据采集系统连接。

本实用新型进一步的改进在于，消音系统为消音塔。

本实用新型进一步的改进在于，透平叶片的端壁开设有气膜冷却孔。

本实用新型进一步的改进在于，叶栅试验段出口处设置有隔热材料。

相对于现有端壁换热试验系统，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型提供的燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统，采用的叶片为实际燃机透平第一级静叶，试验工况为燃机运行工况，能较真实的反映透平端壁表面的温度和热应力分布。

本实用新型提供的燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统，考虑了实际燃机燃烧室与第一级静叶端壁连接处几何不匹配，以及气膜冷却对端壁传热特性的影响，这对研究前缘上游端壁的气膜冷却孔结构优化和布置具有较大的意义。

本实用新型提供的燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统，不仅能直接测量叶片表面的温度分布，而且测量端壁及叶片表面的热应力分布，能够为燃气轮机透平叶片设计优化提供实验数据。

附图说明

图1是燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统布置示意图；

图2是图1所示的叶栅试验段放大图；

图3是未考虑上游气膜冷却孔和几何不匹配的端壁平台示意图；

图4是仅考虑几何不匹配性的端壁平台示意图；

图5是仅考虑上游气膜冷却孔的端壁平台示意图；

图6是考虑上游气膜冷却孔和几何不匹配的端壁平台示意图；

图7是叶片表面和端壁耐高温应变片的布置图。

图中：1、过滤器；2、空压机；3、高压储气罐；4、调压阀；5、质量流量计；6、调节阀；7、回热器；8、电加热器；9、冷却空气腔室；10、叶栅试验段；11、透平静叶；12、扩张段；13、稳定段；14、收缩段；15、湍流发生器；16、热电偶；17、红外热像系统；18、压力测点；19、耐高温应变片；20、数据采集系统；21、冷却塔；22、蓄水池；23、给水泵；24、变电站；25、消音塔；26、气膜冷却孔；27、叶片前腔；28、叶片后腔；29、第一级静叶端壁；30、燃烧室出口端壁；31、隔热材料；32、透射窗口。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种燃气轮机透平叶片端壁换热试验系统，包括高温燃气供给系统、二次空气供给系统、叶栅试验段10、冷却水系统、测量及数据采集系统、排气系统等。

参见图1，启动空压机2，冷却空气经过过滤器1过滤杂质，经空压机2加压后储存在高压储气罐3里，通过调压阀6调节空气的压力，接着经过回热器7、电加热器8使其达到一定的温度，加热后的冷却空气分为两路，通过调节阀分别控制空气流量，一路冷却空气从静叶根部进入叶片前腔27并排入叶栅通道；一路冷却气流从静叶端壁的气膜冷却孔26排入叶栅通道，空气出流与叶片端壁29成一定夹角。空压机2的冷却水来自于低压循环水，低压水的回水被送到室外冷却塔21，冷却后再留回蓄水池22。

当冷却空气以一定压力充满叶栅试验段10时，由调节阀控制流量的高温燃气经过扩张段12、稳定段13、收缩段14和湍流发生器15进入叶栅试验段10。稳定段12和收缩段13用于产生稳定均匀的来流，湍流发生器15用来产生稳定的湍流流体。从叶栅试验段10排出的高温燃气通过高压水喷入烟气使其温度降到500℃，利用背压调节阀使压力降至0.8MPa，减温减压后的燃气进入回热器7加热空气，换热后的燃气经消音塔25排入大气。

整个试验系统的管道由具有耐高温、耐腐蚀特性的材料制造，以保证长时间在高温下工作。为了减少实验系统的热量损失，整个实验设计安装了一个外部隔热罩，隔热罩内部空隙填塞隔热材料31以确保实验系统的保温性和气密性。透平静叶11利用高温密封胶和螺栓安装在叶片端壁29上。

参见图2，为了真实反映透平内部的气体流动，叶片端壁29设计成弧形壁面，弧形壁面上方布置2～5个叶栅通道，叶栅通道正上方布置着透射窗口32，通过透射窗口32并利用红外热像系统17可以实现对端壁表面温度场的拍摄，获得的温度场图像经过后处理可以获得端壁冷却前后的温差分布。相邻叶栅通道的端壁中心布置压力测点18和热电偶16，试验开始前，通过监测流道的压力分布来判定流道是否满足周期性条件，通过读取壁面的温度值来校准红外热像仪的温度。在叶栅试验段10高温燃气入口处布置一排进口温度测点，通过安装热电偶16来测量主流进口温度，同时也可用于检验进口气流的均匀性。在靠近叶栅通道的上游壁面和下游壁面分别设置一排压力测点18，用于测量叶栅进出口的总压和静压分布。

叶片端部采用分块加工，通过高温密封胶粘接在叶片上，这种设计方便更换，可用来开展不同端壁结构的换热试验。图3-图6为四种叶片端壁结构的示意图，本实用新型包括但不仅限于这四种端壁结构。

参见图3，叶片端壁结构一个实施例的横截面。燃烧室出口端壁30与透平第一级静叶端壁29进口连接处光滑过渡。

参见图4，叶片端壁结构一个实施例的横截面。燃烧室出口端壁30与透平第一级静叶端壁29连接处产生错位(径向偏移)，偏移高度为燃机燃烧室与第一级静叶端壁连接处几何不匹配度的平均值。

参见图5，叶片端壁结构一个实施例的横截面。燃烧室出口端壁30与透平第一级静叶端壁29连接处光滑过渡。为了加强对叶栅端壁的冷却，在端壁前缘上游布置离散的气膜冷却孔26来提供冷却空气。

参见图6，叶片端壁结构一个实施例的横截面燃烧室出口端壁30与透平第一级静叶端壁29连接处产生错位(径向偏移)，偏移高度为燃机燃烧室与第一级静叶端壁连接处几何不匹配度的平均值。为了加强对叶栅端壁的冷却，在端壁前缘上游布置离散的气膜冷却孔26来提供冷却空气。

参见图7，叶片和端壁耐高温应变片的布置图。在叶片和端壁表面设置多个耐高温应变片19用于测试叶片和端壁表面的热应力场分布情况。耐高温应变片19与耐高温导线采用特殊粘结胶布置于叶片和端壁表面。耐高温导线通过流道下方的引线孔引出，并联接至数据采集器。引线孔采用耐高温密封胶进行密封处理，防止高温气体泄漏。