本發(fā)明涉及一種重型燃?xì)廨啓C(jī)的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻的試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)方法，屬于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

先進(jìn)的重型燃?xì)廨啓C(jī)有300MW的F級燃?xì)廨啓C(jī)、400MW的H級燃?xì)廨啓C(jī)和470MW的J級燃?xì)廨啓C(jī)等，F(xiàn)級燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣溫度達(dá)到1400℃、H級燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣溫度達(dá)到1500℃、J級燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣溫度達(dá)到1600℃，F(xiàn)級燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣壓力達(dá)到15MPa至18MPa、H級燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣壓力達(dá)到18MPa至22MPa、J級燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)氣壓力達(dá)到21MPa至23MPa。透平級是重型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱端部件，重型燃?xì)廨啓C(jī)透平的研制，為了驗(yàn)證冷卻空氣摻混對透平級氣動(dòng)性能的影響，以及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對透平動(dòng)葉片冷卻效果的影響，需要開展旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻的驗(yàn)證試驗(yàn)。研建全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻的試驗(yàn)裝置并確定試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，是旋轉(zhuǎn)透平流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有技術(shù)和公開文獻(xiàn)報(bào)道，沒有重型燃?xì)廨啓C(jī)的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)方法。研建重型燃機(jī)全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)裝置，確定全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)裝置的透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)與冷卻空氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)同燃?xì)廨啓C(jī)透平設(shè)計(jì)工況參數(shù)一致，透平級氣動(dòng)性能測試結(jié)果可以反映冷卻空氣摻混對透平級氣動(dòng)性能的影響，透平動(dòng)葉片冷卻效果的試驗(yàn)結(jié)果可以表征透平動(dòng)葉片冷卻效果的變化規(guī)律。

申請人已經(jīng)申請發(fā)明專利《重型燃機(jī)透平葉片全溫全壓冷效試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)方法》申請?zhí)?016101529435，可以進(jìn)行透平靜葉片的幾個(gè)葉片在全溫全壓靜止?fàn)顟B(tài)的冷卻效果試驗(yàn)，也可以進(jìn)行透平動(dòng)葉片的幾個(gè)葉片在全溫全壓靜止?fàn)顟B(tài)的冷卻效果試驗(yàn)，實(shí)際動(dòng)葉片在旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的冷卻效果與靜止?fàn)顟B(tài)測量的冷卻效果相差很大，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)葉片冷卻效果測量更符合工程實(shí)際情況。但是，開展旋轉(zhuǎn)燃?xì)廨啓C(jī)透平全溫全壓的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)，在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下測量有冷卻空氣摻混全溫全壓透平級的氣動(dòng)性能與動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的冷卻效果，還沒有合適的試驗(yàn)方法可供使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種重型燃?xì)廨啓C(jī)的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻的試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)方法，可以用來進(jìn)行有冷卻空氣摻混透平級的氣動(dòng)性能試驗(yàn)，也可以進(jìn)行透平動(dòng)葉片的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)冷卻效果試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平設(shè)計(jì)工況參數(shù)的流動(dòng)與冷卻的綜合試驗(yàn)。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)，用于對全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)的試驗(yàn)透平的葉片進(jìn)行冷卻的冷卻空氣系統(tǒng)，以及用于對全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)的試驗(yàn)透平的進(jìn)氣管道和排氣管道進(jìn)行冷卻的冷卻水系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)包括離心空氣壓縮機(jī)、主流進(jìn)氣放空閥、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、金屬膨脹節(jié)、環(huán)形燃燒器、試驗(yàn)透平、水力測功器、排氣減溫器、排氣蝶閥和消音塔，所述的離心空氣壓縮機(jī)、主流進(jìn)氣放空閥、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、金屬膨脹節(jié)、環(huán)形燃燒器和試驗(yàn)透平的進(jìn)氣管道通過管路依次連接，試驗(yàn)透平的排氣管道、排氣減溫器、排氣蝶閥和消音塔通過管路依次連接，試驗(yàn)透平的輸出軸連接水力測功器。

進(jìn)一步地，所述的離心空氣壓縮機(jī)提供試驗(yàn)透平的主流空氣，通過調(diào)整主流進(jìn)氣放空閥與進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開度來控制主流空氣的流量。

進(jìn)一步地，所述的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥與金屬膨脹節(jié)之間的管路上設(shè)有主流流量噴嘴。

更進(jìn)一步地，所述的主流流量噴嘴的前面設(shè)有20倍管道直徑的直管段，主流流量噴嘴后面設(shè)有10倍管道直徑的直管段，以保證測量精度。

進(jìn)一步地，所述的金屬膨脹節(jié)安裝在主流流量噴嘴與整流段之間，用于吸收進(jìn)氣管道的膨脹量。

進(jìn)一步地，所述的金屬膨脹節(jié)與環(huán)形燃燒器之間的管路上設(shè)有整流段。整流段用來保證環(huán)形燃燒器進(jìn)口空氣的均勻性。

進(jìn)一步地，所述的環(huán)形燃燒器安裝在整流段與試驗(yàn)透平之間，在環(huán)形燃燒器中主流空氣與噴入的燃料相混合并燃燒成為1200℃至1900℃的主流燃?xì)狻?/p>

優(yōu)選地，所述的試驗(yàn)透平的?；葹?.3至0.5。

優(yōu)選地，所述的試驗(yàn)透平與冷卻空氣系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)連接。

優(yōu)選地，所述的試驗(yàn)透平包括由外氣缸和設(shè)于外氣缸中的內(nèi)氣缸組成的雙層氣缸、設(shè)于雙層氣缸的前端并與雙層氣缸連接的水冷過渡段以及設(shè)于雙層氣缸的后端并與雙層氣缸連接的排氣蝸殼，所述的水冷過渡段和排氣蝸殼分別連接試驗(yàn)透平的進(jìn)氣管道和排氣管道，所述的冷卻水系統(tǒng)連接試驗(yàn)透平的水冷過渡段和排氣蝸殼，水冷過渡段為雙層管道，雙層管道之間采用來自冷卻水系統(tǒng)的冷卻水冷卻，排氣蝸殼為雙層殼體，雙層殼體之間采用來自冷卻水系統(tǒng)的冷卻水冷卻，外氣缸和內(nèi)氣缸之間采用來自冷卻空氣系統(tǒng)的冷卻空氣進(jìn)行冷卻。

進(jìn)一步地，所述的外氣缸上設(shè)有與外氣缸和內(nèi)氣缸之間的空間連通的冷卻空氣進(jìn)口，所述的水冷過渡段上設(shè)有冷卻孔，所述的冷卻空氣系統(tǒng)與外氣缸上的冷卻空氣進(jìn)口和水冷過渡段上的冷卻孔相連通；所述的內(nèi)氣缸中設(shè)有1～4級靜葉片和1～4級動(dòng)葉片，各級靜葉片皆設(shè)有內(nèi)部冷卻通道，第一級靜葉片固定于內(nèi)氣缸中的靜葉片內(nèi)環(huán)上，所述的靜葉片內(nèi)環(huán)設(shè)有進(jìn)氣孔，所述的靜葉片內(nèi)環(huán)的進(jìn)氣孔與水冷過渡段上的冷卻孔和第一級靜葉片的內(nèi)部冷卻通道連通，來自冷卻空氣系統(tǒng)的冷卻空氣能夠經(jīng)水冷過渡段上的冷卻孔和靜葉片內(nèi)環(huán)的進(jìn)氣孔進(jìn)入第一級靜葉片的內(nèi)部冷卻通道，各級靜葉片的根部皆設(shè)有與外氣缸和內(nèi)氣缸之間的空間連通的進(jìn)氣孔，來自冷卻空氣系統(tǒng)的冷卻空氣能夠從各級靜葉片根部的進(jìn)氣孔進(jìn)入各級靜葉片的內(nèi)部冷卻通道。

進(jìn)一步地，所述的各級動(dòng)葉片相應(yīng)設(shè)于內(nèi)氣缸中的各級葉輪上，各級動(dòng)葉片的兩側(cè)設(shè)有靜止部件，各級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間形成盤腔，各級葉輪上設(shè)有冷卻孔，水冷過渡段的冷卻孔與所述的各級葉輪與其兩側(cè)靜止部件之間形成的盤腔以及各級葉輪上的冷卻孔相連通，各級動(dòng)葉片設(shè)有內(nèi)部冷卻通道，各級動(dòng)葉片的根部設(shè)有與該動(dòng)葉片的內(nèi)部冷卻通道相連通的進(jìn)氣孔，第一級動(dòng)葉片的進(jìn)氣孔與第一級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔連通，來自冷卻空氣系統(tǒng)的冷卻空氣能夠依次通過水冷過渡段的冷卻孔和第一級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔經(jīng)第一級動(dòng)葉片根部的進(jìn)氣孔進(jìn)入其內(nèi)部冷卻通道，其他各級動(dòng)葉片的進(jìn)氣孔和其對應(yīng)的其他各級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔連通，來自冷卻空氣系統(tǒng)的冷卻空氣能夠通過葉輪上的冷卻孔和其他各級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔經(jīng)其他各級動(dòng)葉片根部的進(jìn)氣孔進(jìn)入其內(nèi)部冷卻通道。

進(jìn)一步地，所述的內(nèi)氣缸的內(nèi)部形成燃?xì)馔ǖ?，所述的?dòng)葉片設(shè)于葉輪上，所述的葉輪設(shè)于試驗(yàn)透平的輸出軸上，所述的動(dòng)葉片能夠帶動(dòng)葉輪和試驗(yàn)透平的輸出軸一起旋轉(zhuǎn)。所述的靜葉片和動(dòng)葉片在試驗(yàn)透平的輸出軸的軸線方向上交替設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述的水力測功器與試驗(yàn)透平的輸出軸通過聯(lián)軸器來連接，水力測功器用來消耗試驗(yàn)透平的機(jī)械功，水力測功器與冷卻水系統(tǒng)連接，來自冷卻水系統(tǒng)的閉式循環(huán)冷卻水用來冷卻水力測功器。

進(jìn)一步地，所述的排氣減溫器安裝在試驗(yàn)透平與排氣蝶閥之間，排氣減溫器與冷卻水系統(tǒng)連接，冷卻水噴入排氣減溫器來降低排氣溫度。

進(jìn)一步地，所述的排氣蝶閥安裝在排氣減溫器與消音塔之間，通過調(diào)整排氣蝶閥的開度調(diào)整試驗(yàn)透平的主流進(jìn)氣壓力。

進(jìn)一步地，所述的消音塔與排氣碟閥連接，試驗(yàn)透平的排氣進(jìn)入消音塔以降低高速氣流產(chǎn)生的噪音，再排入大氣。

進(jìn)一步地，所述的試驗(yàn)透平的進(jìn)氣管道與排氣管道與冷卻水系統(tǒng)連接，進(jìn)氣管道與排氣管道為雙層管道，雙層管道之間采用來自冷卻水系統(tǒng)的冷卻水進(jìn)行冷卻。

優(yōu)選地，所述的冷卻空氣系統(tǒng)包括依次連接的離心式壓縮機(jī)、冷卻空氣放空閥、冷卻空氣調(diào)節(jié)閥、冷卻空氣流量計(jì)和冷卻空氣電加熱器，所述的冷卻空氣電加熱器與試驗(yàn)透平連接。

進(jìn)一步地，所述的離心式壓縮機(jī)提供冷卻空氣，通過調(diào)整冷卻空氣放空閥和冷卻空氣調(diào)節(jié)閥的開度來控制冷卻空氣的壓力和流量。

進(jìn)一步地，所述的冷卻空氣流量計(jì)用來測量冷卻空氣的流量，冷卻空氣流量計(jì)前面設(shè)有20倍管道直徑的直管段，冷卻空氣流量計(jì)后面設(shè)有10倍管道直徑的直管段，以保證測量精度。

進(jìn)一步地，所述的冷卻空氣電加熱器的預(yù)熱冷卻空氣達(dá)到300℃至600℃。

進(jìn)一步地，所述的冷卻水系統(tǒng)包括冷卻塔、5臺(tái)水泵、1條補(bǔ)水管道、4條進(jìn)水管道和3條出水管道，其中，冷卻塔連接所述的1條補(bǔ)水管道、4條進(jìn)水管道和3條出水管道，所述的5臺(tái)水泵分別設(shè)于1條補(bǔ)水管道和4條進(jìn)水管道上，所述的4條進(jìn)水管道分別連接排氣減溫器、試驗(yàn)透平的進(jìn)氣管道和水冷過渡段、試驗(yàn)透平的排氣管道和排氣蝸殼、以及水力測功器，所述的3條出水管道分別連接試驗(yàn)透平的進(jìn)氣管道和水冷過渡段、試驗(yàn)透平的排氣管道和排氣蝸殼、以及水力測功器，所述的1條補(bǔ)水管道、4條進(jìn)水管道和3條出水管道上皆設(shè)有閥門。

進(jìn)一步地，所述的冷卻塔用于降低出水溫度并為冷卻水系統(tǒng)提供冷卻水。

進(jìn)一步地，所述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)的全部進(jìn)氣管道及排氣管道、冷卻空氣系統(tǒng)的管道與冷卻水系統(tǒng)的出水管道、以及試驗(yàn)透平的排氣蝸殼的外側(cè)加裝石棉保溫套，保溫套外的壁溫不超過50℃。

進(jìn)一步地，所述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)的環(huán)形燃燒器前后的環(huán)形管道上安裝壓力測點(diǎn)與溫度測點(diǎn)，冷卻空氣系統(tǒng)的冷卻空氣電加熱器前后的管道上安裝壓力測點(diǎn)與溫度測點(diǎn)，冷卻空氣進(jìn)入靜葉片與動(dòng)葉片之前的流道中安裝壓力測點(diǎn)與溫度測點(diǎn)，試驗(yàn)透平的靜葉片與動(dòng)葉片之間以及動(dòng)葉片后安裝壓力測點(diǎn)與溫度測點(diǎn)，試驗(yàn)透平的靜葉片與動(dòng)葉片上安裝金屬的溫度測點(diǎn)。

本發(fā)明還提供了上述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：確定試驗(yàn)透平的?；菴_l；

步驟二：主流燃?xì)饪倻厝≡O(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟三：主流燃?xì)饪倝喝≡O(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟四：試驗(yàn)透平背壓P₁取設(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟五：計(jì)算試驗(yàn)透平膨脹比π，公式為：

$\mathrm{\π}=\frac{P_g^{*}}{P_1}---\left(1\right)$

式中：

——主流燃?xì)饪倝?/p>

P₁——試驗(yàn)透平背壓；

步驟六：計(jì)算全溫全壓試驗(yàn)透平主流燃?xì)饬髁縂_g，公式為：

$G_g=\frac{G_{g,D}}{C_l^2}---\left(2\right)$

式中：

G_g，D——設(shè)計(jì)工況的透平燃?xì)膺M(jìn)口流量；

C_l——試驗(yàn)透平的模化比；

步驟七：冷卻空氣總溫取設(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟八：冷卻空氣總壓取設(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟九：計(jì)算靜葉片冷卻空氣流量G_vc的公式為

$G_{vc}=\frac{G_{vc,D}}{C_l^2}---\left(3\right)$

式中：

G_vc，D——設(shè)計(jì)工況靜葉片冷卻空氣的流量；

C_l——試驗(yàn)透平的模化比；

步驟十：計(jì)算動(dòng)葉片冷卻空氣流量G_bc的公式為

$G_{bc}=\frac{G_{bc,D}}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

G_bc，D——設(shè)計(jì)工況動(dòng)葉片冷卻空氣的流量；

步驟十一：計(jì)算試驗(yàn)透平工作轉(zhuǎn)速n的公式為

$n=\frac{n_D}{C_l}---\left(5\right)$

式中：

n_D——燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況的額定轉(zhuǎn)速；

步驟十二：計(jì)算水力測功器功率N的公式為

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(G_{vi}{h}_{vi}+G_{bi}{h}_{bi})---\left(6\right)$

式中：

G_vi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級靜葉片主流燃?xì)饬髁浚?/p>

h_vi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級靜葉片實(shí)際焓降；

G_bi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級動(dòng)葉片主流燃?xì)饬髁浚?/p>

h_bi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級動(dòng)葉片實(shí)際焓降；

m——試驗(yàn)透平的級數(shù)；

步驟十三：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平靜葉片出口馬赫數(shù)M_c1的公式為

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(7\right)$

式中：

a——當(dāng)?shù)芈曀伲?/p>

c₁——試驗(yàn)透平靜葉片出口實(shí)際速度；

步驟十四：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平動(dòng)葉片出口馬赫數(shù)M_w2的公式為

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(8\right)$

式中：

a——當(dāng)?shù)芈曀?/p>

w₂——試驗(yàn)透平動(dòng)葉片出口實(shí)際速度；

步驟十五：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平靜葉片出口雷諾數(shù)Re₁的公式為

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{\mathrm{\ν}}---\left(9\right)$

式中：

b₁——試驗(yàn)透平靜葉片弦長

c₁——試驗(yàn)透平靜葉片出口實(shí)際速度

v——燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)粘度；

步驟十六：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平靜葉片出口雷諾數(shù)Re₂的公式為

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{\mathrm{\ν}}---\left(10\right)$

式中：

b₂——試驗(yàn)透平動(dòng)葉片弦長；

w₂——試驗(yàn)透平動(dòng)葉片出口實(shí)際速度；

v——燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)粘度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明提供的重型燃?xì)廨啓C(jī)的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻的試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)方法，可以用來進(jìn)行有冷卻空氣摻混透平級的氣動(dòng)性能試驗(yàn)，也可以進(jìn)行透平動(dòng)葉片的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)冷卻效果試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平設(shè)計(jì)工況參數(shù)的流動(dòng)與冷卻的綜合試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)裝置的主流燃?xì)鈪?shù)和冷卻空氣參數(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況一致，測量的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平動(dòng)葉片冷卻效果的試驗(yàn)結(jié)果可以表征實(shí)際透平動(dòng)葉片冷卻效果的變化規(guī)律。

附圖說明

圖1為本發(fā)明重型燃機(jī)全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明試驗(yàn)透平的示意圖。

圖中：

1.全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)；2.冷卻空氣系統(tǒng)；3.冷卻水系統(tǒng)；4.離心空氣壓縮機(jī)；5.主流進(jìn)氣放空閥；6.進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥；7.主流流量噴嘴；8.金屬膨脹節(jié)；9.整流段；10.環(huán)形燃燒器；11.試驗(yàn)透平；12.水力測功器；13.排氣減溫器；14.排氣蝶閥；15.消音塔；16.離心式壓縮機(jī)；17.冷卻空氣放空閥；18.冷卻空氣調(diào)節(jié)閥；19.冷卻空氣流量計(jì)；20.冷卻空氣電加熱器；21.水泵；22.補(bǔ)水管道；23.進(jìn)水管道；24.冷卻塔；25.出水管道門；26.壓力測點(diǎn)；27.溫度測點(diǎn)；28.水冷過渡段；29.內(nèi)氣缸；30.外氣缸；31.第一級靜葉片；32.第一級動(dòng)葉片；33.第二級靜葉片；34.第二級動(dòng)葉片；35.排氣蝸殼；36.第一級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔；37.第一級葉輪的冷卻孔；38.第二級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔；39.第二級葉輪的冷卻孔；40.聯(lián)軸器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)裝置包括全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)1，用于對全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)1的試驗(yàn)透平11的葉片進(jìn)行冷卻的冷卻空氣系統(tǒng)2，以及用于對全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)1的試驗(yàn)透平11的進(jìn)氣管道和排氣管道進(jìn)行冷卻的冷卻水系統(tǒng)3。

所述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)1包括離心空氣壓縮機(jī)4、主流進(jìn)氣放空閥5、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥6、主流流量噴嘴7、金屬膨脹節(jié)8、整流段9、環(huán)形燃燒器10、試驗(yàn)透平11、水力測功器12、排氣減溫器13、排氣蝶閥14和消音塔15，所述的離心空氣壓縮機(jī)4、主流進(jìn)氣放空閥5、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥6、主流流量噴嘴7、金屬膨脹節(jié)8、整流段9、環(huán)形燃燒器10和試驗(yàn)透平11的進(jìn)氣管道通過管路依次連接，試驗(yàn)透平11的排氣管道、排氣減溫器13、排氣蝶閥14和消音塔15通過管路依次連接，試驗(yàn)透平11的輸出軸連接水力測功器12。

所述的離心空氣壓縮機(jī)4提供試驗(yàn)透平11的主流空氣，通過調(diào)整主流進(jìn)氣放空閥5與進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥6的開度來控制主流空氣的流量。所述的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥6與金屬膨脹節(jié)8之間的管路上設(shè)有主流流量噴嘴7。所述的主流流量噴嘴7的前面設(shè)有20倍管道直徑的直管段，主流流量噴嘴7后面設(shè)有10倍管道直徑的直管段，以保證測量精度。所述的金屬膨脹節(jié)8安裝在主流流量噴嘴7與整流段9之間的管路上，用于吸收進(jìn)氣管道的膨脹量。所述的金屬膨脹節(jié)8與環(huán)形燃燒器10之間的管路上設(shè)有整流段9，整流段9用來保證環(huán)形燃燒器10進(jìn)口空氣的均勻性。所述的環(huán)形燃燒器10安裝在整流段9與試驗(yàn)透平11之間，在環(huán)形燃燒器10中主流空氣與噴入的燃料相混合并燃燒成為1200℃至1900℃的主流燃?xì)狻?/p>

所述的試驗(yàn)透平11與冷卻空氣系統(tǒng)2與冷卻水系統(tǒng)3連接。如圖2所示，所述的試驗(yàn)透平11包括由外氣缸30和設(shè)于外氣缸30中的內(nèi)氣缸29組成的雙層氣缸、設(shè)于雙層氣缸的前端并與雙層氣缸連接的水冷過渡段28以及設(shè)于雙層氣缸的后端并與雙層氣缸連接的排氣蝸殼35，所述的水冷過渡段28和排氣蝸殼35分別連接試驗(yàn)透平11的進(jìn)氣管道和排氣管道，所述的冷卻水系統(tǒng)3連接試驗(yàn)透平11的水冷過渡段28和排氣蝸殼35，水冷過渡段28為雙層管道，雙層管道之間采用來自冷卻水系統(tǒng)3的冷卻水冷卻，排氣蝸殼35為雙層殼體，雙層殼體之間采用來自冷卻水系統(tǒng)3的冷卻水冷卻，外氣缸30和內(nèi)氣缸30之間采用來自冷卻空氣系統(tǒng)2的冷卻空氣進(jìn)行冷卻。

所述的外氣缸30上設(shè)有與外氣缸30和內(nèi)氣缸29之間的空間連通的冷卻空氣進(jìn)口，所述的水冷過渡段28上設(shè)有冷卻孔，所述的冷卻空氣系統(tǒng)2與外氣缸30上的冷卻空氣進(jìn)口和水冷過渡段28上的冷卻孔相連通；所述的內(nèi)氣缸29中設(shè)有2級靜葉片和2級動(dòng)葉片，各級靜葉片皆設(shè)有內(nèi)部冷卻通道，第一級靜葉片31固定于內(nèi)氣缸29中的靜葉片內(nèi)環(huán)上，所述的靜葉片內(nèi)環(huán)設(shè)有進(jìn)氣孔，所述的靜葉片內(nèi)環(huán)的進(jìn)氣孔與水冷過渡段28上的冷卻孔和第一級靜葉片的內(nèi)部冷卻通道連通，各級靜葉片的根部皆設(shè)有與外氣缸和內(nèi)氣缸之間的空間連通的進(jìn)氣孔，第一級靜葉片31有兩股冷卻空氣，其中一股來自冷卻空氣系統(tǒng)2的冷卻空氣能夠經(jīng)水冷過渡段28上的冷卻孔和靜葉片內(nèi)環(huán)的進(jìn)氣孔進(jìn)入第一級靜葉片31的內(nèi)部冷卻通道，另一股來自冷卻空氣系統(tǒng)2的冷卻空氣能夠經(jīng)第一級靜葉片31根部的進(jìn)氣孔進(jìn)入第一級靜葉片31的內(nèi)部冷卻通道。來自冷卻空氣系統(tǒng)2的冷卻空氣能夠經(jīng)第二級靜葉片33根部的進(jìn)氣孔進(jìn)入第二級靜葉片33的內(nèi)部冷卻通道。

所述的各級動(dòng)葉片相應(yīng)設(shè)于內(nèi)氣缸中的各級葉輪上，各級動(dòng)葉片的兩側(cè)設(shè)有靜止部件，各級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間形成盤腔，各級葉輪上設(shè)有冷卻孔，水冷過渡段28的冷卻孔與所述的各級葉輪與其兩側(cè)靜止部件之間形成的盤腔以及各級葉輪上的冷卻孔相連通，各級動(dòng)葉片設(shè)有內(nèi)部冷卻通道，各級動(dòng)葉片的根部設(shè)有與該動(dòng)葉片的內(nèi)部冷卻通道相連通的進(jìn)氣孔，第一級動(dòng)葉片32的進(jìn)氣孔與第一級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔36連通，來自冷卻空氣系統(tǒng)2的冷卻空氣能夠依次通過水冷過渡段28的冷卻孔和第一級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔36經(jīng)第一級動(dòng)葉片32根部的進(jìn)氣孔進(jìn)入其內(nèi)部冷卻通道，第二級動(dòng)葉片34的進(jìn)氣孔和其對應(yīng)的第二級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔38連通，來自冷卻空氣系統(tǒng)2的冷卻空氣能夠通過第二級葉輪的冷卻孔39和第二級葉輪與其兩側(cè)的靜止部件之間的盤腔38經(jīng)第二級動(dòng)葉片34根部的進(jìn)氣孔進(jìn)入其內(nèi)部冷卻通道。

所述的內(nèi)氣缸的內(nèi)部形成燃?xì)馔ǖ?，所述的?dòng)葉片設(shè)于葉輪上，所述的葉輪設(shè)于試驗(yàn)透平的輸出軸上，所述的動(dòng)葉片能夠帶動(dòng)葉輪和試驗(yàn)透平的輸出軸一起旋轉(zhuǎn)。所述的靜葉片的根部固定在內(nèi)氣缸的側(cè)壁上，所述的靜葉片和動(dòng)葉片在試驗(yàn)透平的輸出軸的軸線方向上交替設(shè)置。

所述的水力測功器12與試驗(yàn)透平11的輸出軸通過聯(lián)軸器40來連接，水力測功器12用來消耗試驗(yàn)透平11的機(jī)械功，水力測功器12與冷卻水系統(tǒng)3連接，來自冷卻水系統(tǒng)3的閉式循環(huán)冷卻水用來冷卻水力測功器12。

所述的排氣減溫器13安裝在試驗(yàn)透平11與排氣蝶閥14之間，排氣減溫器13與冷卻水系統(tǒng)3連接，冷卻水噴入排氣減溫器13來降低排氣溫度。

所述的試驗(yàn)透平11的進(jìn)氣管道與排氣管道與冷卻水系統(tǒng)3連接，進(jìn)氣管道與排氣管道為雙層管道，雙層管道之間采用來自冷卻水系統(tǒng)3的冷卻水進(jìn)行冷卻。

所述的排氣蝶閥14安裝在排氣減溫器13與消音塔15之間，通過調(diào)整排氣蝶閥14的開度調(diào)整試驗(yàn)透平11的主流進(jìn)氣壓力。

所述的消音塔15與排氣碟閥14連接，試驗(yàn)透平11的排氣進(jìn)入消音塔15以降低高速氣流產(chǎn)生的噪音，再排入大氣。

所述的冷卻空氣系統(tǒng)2包括依次連接的離心式壓縮機(jī)16、冷卻空氣放空閥17、冷卻空氣調(diào)節(jié)閥18、冷卻空氣流量計(jì)19和冷卻空氣電加熱器20，所述的冷卻空氣電加熱器20與試驗(yàn)透平11的連接，冷卻空氣電加熱器20的出口與外氣缸30上的冷卻空氣進(jìn)口和水冷過渡段28上的冷卻孔相連通。

所述的離心式壓縮機(jī)16提供冷卻空氣，通過調(diào)整冷卻空氣放空閥17和冷卻空氣調(diào)節(jié)閥18的開度來控制冷卻空氣的壓力和流量。

所述的冷卻空氣流量計(jì)19用來測量冷卻空氣的流量，冷卻空氣流量計(jì)19前面設(shè)有20倍管道直徑的直管段，冷卻空氣流量計(jì)19后面設(shè)有10倍管道直徑的直管段，以保證測量精度。

所述的冷卻空氣電加熱器20的預(yù)熱冷卻空氣達(dá)到300℃至600℃。

所述的冷卻水系統(tǒng)3包括冷卻塔24、5臺(tái)水泵21、1條補(bǔ)水管道22、4條進(jìn)水管道23和3條出水管道25，其中，冷卻塔24連接所述的1條補(bǔ)水管道22、4條進(jìn)水管道23和3條出水管道25，所述的5臺(tái)水泵21分別設(shè)于1條補(bǔ)水管道22和4條進(jìn)水管道23上，所述的4條進(jìn)水管道23分別連接排氣減溫器13、試驗(yàn)透平11的進(jìn)氣管道和水冷過渡段28、試驗(yàn)透平11的排氣管道和排氣蝸殼35、以及水力測功器12，所述的3條出水管道25分別連接試驗(yàn)透平11的進(jìn)氣管道和水冷過渡段28、試驗(yàn)透平11的排氣管道和排氣蝸殼35、以及水力測功器12，所述的1條補(bǔ)水管道22、4條進(jìn)水管道23和3條出水管道25上皆設(shè)有閥門。

冷卻水系統(tǒng)3的其中1臺(tái)水泵21及1條補(bǔ)水管道22為冷卻水系統(tǒng)3提供補(bǔ)水，1臺(tái)水泵21及1條進(jìn)水管道23為排氣減溫器13提供噴水；1臺(tái)水泵21及1條進(jìn)水管道23為試驗(yàn)透平11的進(jìn)氣管道和水冷過渡段28提供冷卻水，1條出水管道25把進(jìn)氣管道和水冷過渡段28出水輸送到冷卻塔24；1臺(tái)水泵21及1條進(jìn)水管道23為試驗(yàn)透平11的排氣蝸殼35與試驗(yàn)透平11的排氣管道提供冷卻水，1條出水管道25把試驗(yàn)透平11的排氣蝸殼35與試驗(yàn)透平11的排氣管道的出水輸送到冷卻塔24；1臺(tái)水泵21及1條進(jìn)水管道23為水力測功器12提供冷卻水，1條出水管道25把冷卻水力測功器12的出水輸送到冷卻塔24。

所述的冷卻塔24用于降低出水溫度并為冷卻水系統(tǒng)提供冷卻水。

所述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)1的全部進(jìn)氣管道及排氣管道、冷卻空氣系統(tǒng)2的管道與冷卻水系統(tǒng)3的出水管道、以及試驗(yàn)透平11的排氣蝸殼35的外側(cè)加裝石棉保溫套，保溫套外的壁溫不超過50℃。

所述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)1的環(huán)形燃燒器10前后的環(huán)形管道上安裝壓力測點(diǎn)26與溫度測點(diǎn)27，冷卻空氣系統(tǒng)2的冷卻空氣電加熱器20前后的管道上安裝壓力測點(diǎn)26與溫度測點(diǎn)27，冷卻空氣進(jìn)入靜葉片與動(dòng)葉片之前的流道中安裝壓力測點(diǎn)26與溫度測點(diǎn)27，試驗(yàn)透平11的靜葉片與動(dòng)葉片之間以及動(dòng)葉片后安裝壓力測點(diǎn)26與溫度測點(diǎn)27，試驗(yàn)透平11的靜葉片與動(dòng)葉片上安裝金屬的溫度測點(diǎn)27。

本發(fā)明還提供了上述的全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：確定試驗(yàn)透平的模化比C_l；

步驟二：主流燃?xì)饪倻厝≡O(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟三：主流燃?xì)饪倝喝≡O(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟四：試驗(yàn)透平背壓P₁取設(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟五：計(jì)算試驗(yàn)透平膨脹比π，公式為：

$\mathrm{\π}=\frac{P_g^{*}}{P_1}---\left(1\right)$

式中：

——主流燃?xì)饪倝?/p>

P₁——試驗(yàn)透平背壓；

步驟六：計(jì)算全溫全壓試驗(yàn)透平主流燃?xì)饬髁縂_g，公式為：

$G_g=\frac{G_{g,D}}{C_l^2}---\left(2\right)$

式中：

G_g，D——設(shè)計(jì)工況的透平燃?xì)膺M(jìn)口流量；

C_l——試驗(yàn)透平的模化比；

步驟七：冷卻空氣總溫取設(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟八：冷卻空氣總壓取設(shè)計(jì)工況參數(shù)；

步驟九：計(jì)算靜葉片冷卻空氣流量G_vc的公式為

$G_{vc}=\frac{G_{vc,D}}{C_l^2}---\left(3\right)$

式中：

G_vc，D——設(shè)計(jì)工況靜葉片冷卻空氣的流量；

C_l——試驗(yàn)透平的?；?；

步驟十：計(jì)算動(dòng)葉片冷卻空氣流量G_bc的公式為

$G_{bc}=\frac{G_{bc,D}}{C_l^2}---\left(4\right)$

式中：

G_bc，D——設(shè)計(jì)工況動(dòng)葉片冷卻空氣的流量；

步驟十一：計(jì)算試驗(yàn)透平工作轉(zhuǎn)速n的公式為

$n=\frac{n_D}{C_l}---\left(5\right)$

式中：

n_D——燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況的額定轉(zhuǎn)速；

步驟十二：計(jì)算水力測功器功率N的公式為

$N=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}(G_{vi}{h}_{vi}+G_{bi}{h}_{bi})---\left(6\right)$

式中：

G_vi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級靜葉片主流燃?xì)饬髁浚?/p>

h_vi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級靜葉片實(shí)際焓降；

G_bi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級動(dòng)葉片主流燃?xì)饬髁浚?/p>

h_bi——全溫全壓試驗(yàn)透平第i級動(dòng)葉片實(shí)際焓降；

m——試驗(yàn)透平的級數(shù)；

步驟十三：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平靜葉片出口馬赫數(shù)M_c1的公式為

$M_{c1}=\frac{c_1}{a}---\left(7\right)$

式中：

a——當(dāng)?shù)芈曀伲?/p>

c₁——試驗(yàn)透平靜葉片出口實(shí)際速度；

步驟十四：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平動(dòng)葉片出口馬赫數(shù)M_w2的公式為

$M_{w2}=\frac{w_2}{a}---\left(8\right)$

式中：

a——當(dāng)?shù)芈曀?/p>

w₂——試驗(yàn)透平動(dòng)葉片出口實(shí)際速度；

步驟十五：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平靜葉片出口雷諾數(shù)Re₁的公式為

${\mathrm{Re}}_1=\frac{c_1\×b_1}{\mathrm{\ν}}---\left(9\right)$

式中：

b₁——試驗(yàn)透平靜葉片弦長

c₁——試驗(yàn)透平靜葉片出口實(shí)際速度

v——燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)粘度；

步驟十六：計(jì)算全溫全壓旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)透平靜葉片出口雷諾數(shù)Re₂的公式為

${\mathrm{Re}}_2=\frac{w_2\×b_2}{\mathrm{\ν}}---\left(10\right)$

式中：

b₂——試驗(yàn)透平動(dòng)葉片弦長；

w₂——試驗(yàn)透平動(dòng)葉片出口實(shí)際速度；

v——燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)粘度。

如圖2所示，某型號300MW的F級燃?xì)廨啓C(jī)的全溫全壓試驗(yàn)透平的示意圖，?；热?.5。對于該燃?xì)廨啓C(jī)的試驗(yàn)透平的兩級葉片的進(jìn)行流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)，全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平試驗(yàn)主流系統(tǒng)1與冷卻空氣系統(tǒng)2的參數(shù)設(shè)計(jì)方法步驟一至步驟十六的計(jì)算結(jié)果列于表1。

[表1]

以上所述，僅是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案給出的某型號300MW的F級燃?xì)廨啓C(jī)全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻的試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)方法的實(shí)施例，并非對本發(fā)明作參數(shù)上限制，依據(jù)本發(fā)明提供的技術(shù)方案開展不同功率等級的重型燃?xì)廨啓C(jī)全溫全壓旋轉(zhuǎn)透平的流動(dòng)與冷卻試驗(yàn)，仍屬于本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍。