透平叶片冷却效果试验系统及方法与流程

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及透平叶片冷却效果试验系统及方法。


背景技术：

2.为提升市场竞争力，燃气轮机需要持续提高机组的出力以及效率，导致透平叶片入口温度不断提高。为保证透平叶片在更高温度下安全稳定长寿命运行，除采用更先进的材料外，更重要的是引入高效透平叶片冷却设计技术。高效透平叶片冷却设计技术日趋复杂，单纯依靠设计经验或者数值计算无法满足叶片冷却设计与传热分析的准确性要求，无论是新研制的透平叶片还是设计优化改型后的透平叶片，都必须进行透平叶片冷却效果试验，通过试验验证后方可定型。然而相关技术中的燃气轮机透平叶片冷却效果试验装置，随着透平叶片入口温度的不断提高，已难以满足高效透平叶片冷却试验需求。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的实施例提出一种透平叶片冷却效果试验系统，该透平叶片冷却效果试验系统具有的试验成本低、试验装置不受位置限制、启用灵活的优点。
5.根据本发明实施例的透平叶片冷却效果试验系统，透平叶片冷却效果试验系统包括静态透平叶片冷却试验装置、航空发动机、冷却气源装置、试验冷却水装置、控制系统和数据采集系统，静态透平叶片冷却试验装置用于测试透平静叶片和静态透平动叶片，航空发动机的燃气发生器包括用于向静态透平叶片冷却试验装置提供主流燃气的燃烧室和用于向静态透平叶片冷却试验装置提供冷却空气的压气机，冷却气源装置与静态透平叶片冷却试验装置相连，冷却气源装置用于控制进入透平叶片冷却试验装置的冷却空气流量和压力，试验冷却水装置与静态透平叶片冷却试验装置相连，试验冷却水装置用于冷却静态透平叶片冷却试验装置的进口和出口的排气管道壳程，控制系统分别与静态透平叶片冷却效果试验装置、冷却气源装置和试验冷却水装置相连，控制系统用于控制主流燃气、冷却空气和冷却水的输出量，数据采集系统与控制系统电连接，数据采集系统用于采集试验系统运行参数并发送至控制系统。。
6.根据本发明实施例的透平叶片冷却效果试验系统具有试验成本低、试验装置不受位置限制、启用灵活的优点。
7.在一些实施例中，所述静态透平叶片冷却试验装置包括主流燃气进气阀、主流燃气调节阀、透平叶片试验段、喷淋段和消音塔，所述主流燃气进气阀与所述燃气发生器出口抽气管道连接，所述透平试验段、所述喷淋段和所述消音塔依次相连，所述喷淋段用于快速降温所述主流燃气，所述消音塔用于消除噪声。
8.在一些实施例中，所述透平叶片试验段包括3-7支全尺寸透平叶片，多支所述全尺寸透平叶片呈扇形分布，位于最外侧的两支所述全尺寸透平叶片为陪衬叶片，多支所述全尺寸透平叶片形成2-6个透平叶片流道。
9.在一些实施例中，所述静态透平叶片冷却试验装置的进口处设置安全阀，所述安全阀用于试验所述透平叶片冷却试验装置的超压保护。
10.在一些实施例中，所述静态透平叶片冷却试验装置还包括滑移段，所述滑移段设置在所述喷淋段与所述消音塔之间的排气管道上，所述滑移段用于调节所述排气管道的位移量。
11.在一些实施例中，所述喷淋段和所述滑移段之间设置背压阀，所述背压阀用于调节透平叶片试验段的的背压。
12.在一些实施例中，所述冷却气源装置包括冷却空气进气阀和冷却空气调节阀，所述冷却空气进气阀通过抽气管道与所述压气机的排气缸相连，所述冷却空气进气阀与所述冷却空气调节阀通过管道相连，所述冷却空气调节阀与所述透平叶片试验段相连，所述冷却空气进气阀和所述冷却空气调节阀用于控制进入所述透平叶片试验段的冷却空气流量和压力。
13.在一些实施例中，所述冷却空气调节阀与所述透平叶片试验段之间的管道上设有流量测点、压力测点和温度测点。
14.在一些实施例中，所述试验冷却水装置包括冷却塔、水泵、进水管道、补水管道和出水管道，所述冷却塔通过所述进水管道与所述燃气发生器的出口和所述喷淋段入口的双层管道壳程相连，所述冷却塔通过所述出水管道与所述试验透平段的进口和出口的排气管道壳程相连，所述补水管道与所述冷却塔相连。
15.根据本发明实施例的透平叶片冷却效果试验方法，透平叶片冷却效果试验方法包括以下步骤：抽取航空发动机燃气发生器出口燃气作为主流燃气，抽取航空发动机压气机出口空气作为冷却空气；将主流燃气和冷却空气分别通入透平叶片试验段的主流通道和透平叶片内部冷却通道，进行透平叶片冷却效果试验；调整主流燃气进气阀与主流燃气调节阀的开度控制主流燃气流量，调整背压阀以调节所述透平叶片试验段的背压；收集所述透平叶片试验段的出口气流，快速降温所述出口气流并排入消音塔。
附图说明
16.图1是根据本发明实施例中透平叶片冷却效果试验系统的结构示意图。
17.图2是根据本发明实施例中透平叶片冷却效果试验系统的透平叶片试验段的透平叶片流道的示意图。
18.附图标记：1、航空发动机；2、压气机；3、燃烧室；4、燃气涡轮；5、动力涡轮；6、燃气发生器；7、静态透平叶片冷却试验装置；8、冷却气源装置；9、试验冷却水装置；10、控制系统；11、数据采集系统；12、主流燃气进气阀；13、主流燃气调节阀；14、波纹补偿器；15、透平叶片试验段；16、喷淋段；17、背压阀；18、滑移段；19、消音塔；20、冷却空气进气阀；21、冷却空气调节阀；22、水泵；23、补水管道；24、进水管道；25、冷却塔；26、出水管道；27、流量测点；28、压力测点；29、温度测点；30、水力测功装置；31、全尺寸透平叶片。
具体实施方式
19.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
20.根据本发明实施例的透平叶片冷却效果试验系统，透平叶片冷却效果试验系统包括静态透平叶片冷却试验装置7、航空发动机1、冷却气源装置8、试验冷却水装置9、控制系统10和数据采集系统11，静态透平叶片冷却试验装置7用于测试透平静叶片和静态透平动叶片，航空发动机1的燃气发生器6包括用于向静态透平叶片冷却试验装置7提供主流燃气的燃烧室3和用于向静态透平叶片冷却试验装置7提供冷却空气的压气机2，冷却气源装置8与静态透平叶片冷却试验装置7相连，冷却气源装置8用于控制进入透平叶片冷却试验装置的冷却空气流量和压力，试验冷却水装置9与静态透平叶片冷却试验装置7相连，试验冷却水装置9用于冷却静态透平叶片冷却试验装置7的进口和出口的排气管道壳程，控制系统10分别与静态透平叶片冷却效果试验装置、冷却气源装置8和试验冷却水装置9相连，控制系统10用于控制主流燃气、冷却空气和冷却水的输出量，数据采集系统11与控制系统10电连接，数据采集系统11用于采集试验系统运行参数并发送至控制系统10。本发明采用航空发动机1为静态透平叶片冷却试验装置7供气，航空发动机1采用退役航空发动机1，退役航空发动机1包括燃气发生器6和动力涡轮5，燃气发生器6包括依次连接的压气机2、燃烧室3和燃气涡轮4。退役航空发动机1的输出功率采用位于动力涡轮5后的水力测功装置30来消耗，排气经过降温降噪处理后排向大气。本发明的静态透平叶片冷却试验装置7与专门建立的工作工况静态透平叶片冷却效果试验装置相比，可以减少提供高压主流空气的空气压缩机、空气电加热器，提供高温燃气的燃烧室，以及提供冷却空气的鼓风机、过滤器和空气加热器等试验节省了试验装置的设备购置费用以及相应设备的耗电费用。采用航空发动机1供气的静态透平叶片冷却试验装置7受空间位置限位小，无需电网调度和机组改造等工作，使得试验启动灵活用时少。
21.根据本发明实施例的透平叶片冷却效果试验系统具有试验成本低、试验装置不受位置限制、启用灵活的优点。
22.在一些实施例中，静态透平叶片冷却试验装置7包括主流燃气进气阀12、主流燃气调节阀13、透平叶片试验段15、喷淋段16、滑移段18和消音塔19，主流燃气进气阀12与燃气发生器6出口抽气管道连接，透平试验段、喷淋段16和消音塔19依次相连，喷淋段16用于快速降温主流燃气，消音塔19用于消除噪声。
23.具体地，主流燃气进气阀12抽取航空发动机1的燃气发生器6的后排气缸中的燃气作为主流燃气，主流燃气调节阀13设置在抽气管道上，通过主流燃气进气阀12和主流燃气调节阀13的开度实现主流燃气进气流量和压力的控制，喷淋段16排气经过排气蝶阀后进入消音塔19降噪后排入大气。主流进气管道上可以设置金属膨胀节。
24.在一些实施例中，透平叶片试验段15包括3-7支全尺寸透平叶片31，多支全尺寸透平叶片31呈扇形分布，位于最外侧的两支全尺寸透平叶片31为陪衬叶片，多支全尺寸透平叶片31形成2-6个透平叶片流道。
25.具体地，透平叶片试验段15与冷却气源装置8连接，冷却空气从静叶片的顶部或动叶片的根部进入透平叶片内部冷却通道，透平叶片试验段15壳体为双层壳体，双层壳体之间装有隔热材料，波纹补偿器14安装在主流进气管道上用来吸收进气管道的膨胀量。透平叶片试验段15前后的进气管道和排气管道设计为双层管道，与试验冷却水装置9连接。
26.在一些实施例中，静态透平叶片冷却试验装置7的进口处设置安全阀，安全阀用于试验透平叶片冷却试验装置的超压保护。
27.由此，安全阀提高了静态透平叶片冷却试验装置的安全性，避免压力超过限制范围危害设备安全。
28.在一些实施例中，静态透平叶片冷却试验装置7还包括滑移段18，滑移段18设置在喷淋段16与消音塔19之间的排气管道上，滑移段18用于调节排气管道的位移量。
29.具体地，在透平叶片试验段15的拆装过程中，法兰压紧造成透平叶片试验段15拆装困难，排气管道上的滑移段18与管道等用法兰连接成一个整体并在滑移段18下方设置用来支撑滑移段18的滑移平台，滑移段18可以在滑移衬套内轴向移动方便试验段拆装时在轴向方向上腾挪空间。在排气管道因加热产生热变形时，滑移段18能够在滑移衬套内轴向移动起到补偿排气管道位移量的作用。
30.在一些实施例中，喷淋段16和滑移段18之间设置背压阀17，背压阀17用于调节透平叶片试验段15的多支透平叶片构成的扇形叶栅的背压。背压阀17的额定压力即设定压力可调节，当系统压力比设定压力小，背压阀17内部膜片在弹簧弹力作用下阻塞管路，从而提升系统压力；当系统压力比设定压力大，背压阀17内部膜片压缩弹簧，管路接通，从而使系统压力下降。
31.由此，通过调整背压阀的开度调节透平叶片试验段的背压实现压力的控制有助于实现透平叶片冷却效果试验系统压力调节和稳定。
32.在一些实施例中，冷却气源装置8包括冷却空气进气阀20和冷却空气调节阀21，冷却空气进气阀20通过抽气管道与压气机2的排气缸相连，冷却空气进气阀20与冷却空气调节阀21通过管道相连，冷却空气调节阀21与透平叶片试验段15相连，冷却空气进气阀20和冷却空气调节阀21用于控制进入透平叶片试验段15的冷却空气流量和压力。
33.具体地，冷却空气进气阀20与航空发动机1的压气机2的排气缸连接，冷却空气调节阀21通过管道与透平叶片试验段15连接。冷却空气从静叶片的顶部或动叶片的根部进入透平叶片内部冷却通道。冷却气源装置8抽取的航空发动机1压气机2出口的空气流量占压气机2进口流量的0.52％～3.54％。
34.在一些实施例中，冷却空气调节阀21与透平叶片试验段15之间的管道上设有流量测点27、压力测点28和温度测点29。
35.具体地，流量测点27、压力测点28和温度测点29处设置流量采集装置、压力采集装置和温度采集装置，所述温度采集装置采集冷却空气的温度，所述流量采集装置采集冷却空气的流量，压力采集装置采集所述冷却空气的压力。
36.在一些实施例中，试验冷却水装置9包括冷却塔25、水泵22、进水管道24、补水管道23和出水管道26，冷却塔25通过进水管道24与燃气发生器6的出口和喷淋段16入口的双层管道壳程相连，冷却塔25通过出水管道26与试验透平段的进口和出口的排气管道壳程相连，补水管道23与冷却塔25相连。水泵22设置在进水管道24上。
37.具体地，试验冷水水装置用来冷却透平叶片试验段15的进口和出口。冷却塔25的冷却水喷入喷淋段16，将透平试验段后的排气温度降至100℃以下，保证下游背压阀17及消音塔19不超过使用温度；喷淋段16前的管段采用高温合金双层水套结构，喷水后的管道材料为304不锈钢。
38.在一些实施例中，数据采集系统11包括压力采集装置、温度采集装置和流量采集装置，压力采集装置采集主流燃气入口管道压力、透平组件的出口压力、冷却空气的压力，
温度采集装置采集主流燃气和冷却空气的温度，流量采集装置采集主流燃气和冷却空气的流量。
39.具体地，压力采集装置包括压力扫描阀和压力变送器等进行采集，温度采集装置包括热电偶和示温漆等进行采集；流量采集装置采用流量喷嘴和质量流量计等进行采集；数据采集系统11采集主流燃气入口温度、主流燃气入口总压、试验段出口静压、主流空气流量、燃烧室3的燃料温度和压力、冷却空气流量、温度和压力等数据。
40.根据本发明实施例的透平叶片冷却效果试验方法，透平叶片冷却效果试验方法包括以下步骤：抽取航空发动机1燃气发生器6出口燃气作为主流燃气，抽取航空发动机1压气机2出口空气作为冷却空气；将主流燃气和冷却空气分别通入透平叶片试验段15的主流通道和透平叶片内部冷却通道，进行透平叶片冷却效果试验；调整主流燃气进气阀12与主流燃气调节阀13的开度控制主流燃气流量，调整背压阀17以调节透平叶片试验段15的背压；收集透平叶片试验段15的出口气流，快速降温出口气流并排入消音塔19。
41.在退役航空发动机1的燃气发生器6出口安装抽气口，抽取高温高压燃气作为透平冷却效果试验的主流燃气，在退役航空发动机1的压气机2出口安装抽气口，抽取空气作为透平冷却效果试验的冷却空气；通过调整主流燃气进气阀12与主流燃气调节阀13的开度控制主流进气流量，通过调整背压阀17的开度来调节透平叶片试验件叶栅后的背压，实现压力的控制；通过调整冷却空气进气阀20与冷却空气调节阀21的开度来控制冷却空气的流量与压力。
42.如图2所示，透平叶片试验段15的全尺寸透平叶片31为7支时，对某型号300mw的f级燃气轮机，压气机2进口空气流量为730kg/s，某型号退役航空发动机1压气机2进口空气流量138kg/s，由3只全尺寸透平叶片31构成2个透平叶片流道以及7只全尺寸透平叶片31构成6个透平叶片流道的第一级静叶片与第一级动叶片冷却效果试验的空气流量的计算结果列于表1，透平叶片冷却效果试验抽取的压气机2的空气流量约占退役航空发动机1的压气机2进口流量的0.77％～3.06％，不会影响退役航空发动机1的安全运行。
43.[表1]
[0044][0045]
本发明提供的是退役航空发动机供气的透平叶片冷却效果试验系统及方法，与独立的全压全温全尺寸透平叶片冷却效果试验台相比，可以减少提供高压主流空气的空气压缩机、空气电加热器，提供高温燃气的燃烧室，以及提供冷却空气的鼓风机、过滤器和空气加热器等设备。
[0046]
本发明节约的设备购置费5500-9500万元，这些设备的耗电功率26000-32000kw，一种透平叶片冷却效果试验做6个工况，每个工况按1小时计算，试验用电156000kwh-192000kwh；若工业用电按耗电费用0.9元/kwh计算，采用本发明提供的方法，可以节约140400-172800元。
[0047]
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。
[0048]
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。
[0049]
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。
[0050]
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。
[0051]
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。
[0052]
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，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。