某中小型燃气轮机透平静叶冷效试验研究

哈电发电设备国家工程研究中心有限公司 姜东坡 冯永志 葛春醒

1 引言

为了提高燃气轮机的热效率和输出功率，普遍采用的方法是提高燃气轮机透平前进口温度[1]。目前，地面用燃气轮机进口温度达到1400～1600℃，超过透平叶片金属材料的使用温度，所以现有透平叶片必须采用高效的冷却结构和冷却技术才能满足要求[2]。高温气冷叶片可以降低透平叶片的温度水平，以确保叶片具有足够的强度和寿命[3]。

2 试验方法和原理介绍

采用真实叶片组成扇形试验段，本试验中采用3叶片组，其中中间为测试叶片，测试叶片叶身布置热电偶，两边各1 片陪衬叶片，构成2 个燃气流通道。试验中模拟叶片真实工作条件，研究不同流量比、温比、压力比等条件下的叶片冷却效果。

叶片特征截面平均冷却效果如式（1）所示。

式中：为进口燃气总温，为平均壁温，Tc∗为冷气总温。

流量比，即冷气流量与燃气流量之比如式（2）所示。

式中：Gc为冷气流量，Gg为燃气流量，Z为叶栅通道数。

温比，即燃气温度与冷气温度之比如式（3）所示。

燃气落压比，即燃气进口压力与出口压力之比如式（4）所示。

式中：为叶栅出口平均静压，为叶栅进口总压。

3 试验系统

3.1 试验器组成及装置图

试验器主要由压缩机组、进气系统、主流加温系统、燃油系统、排气系统、循环水系统、喷水降温系统、二次流系统、测控系统等组成，试验器原理示意图如图1所示。静叶综合冷却效果试验装置由转接段、试验叶栅、排气段组成。试验装置安装在试验器燃烧室稳定段出口与排气阀之间，试验装置示意图如图2所示。

图1 试验器示意图

图2 试验装置示意图

3.2 试验测试叶片

在试验叶片中截面布置24 个测点，采用直径Ф0.4mm K 型铠装热电偶测量壁面温度，热电偶通过电火花开槽方式埋入叶片基体内，再喷涂与叶片金属基体导热系数相近的材料，最后经抛光处理，避免叶片表面破坏。叶片测试改装示意图如图3所示。以前缘驻点为基准点，盆侧用“-”表示，背侧用“+”表示，截面电偶布置位置的轴向相对距离如图4所示。

图3 叶片测试改装示意图

图4 叶片中截面电偶布置位置

测试系统由传感器、二次仪表、数据采集模块及计算机采集等系统组成。试验过程中流量、温度、压力信号通过不同采集模块传送至计算机。

4 试验结果及分析

4.1 叶片中截面壁温分布

叶片壁温分布如图5所示。从图5可以看出，叶片叶盆侧温度较低，叶背侧温度较高，靠近尾缘附近温度较高。总体冷却效果较好，温度在叶片材料可承受温度范围内。

图5 叶片壁温分布

4.2 变流量比试验

冷却效果随流量比变化曲线如图6所示。从图6可以看出，冷却效果随流量比的增大而增大，但到达一定流量比后基本保持不变。因为随着流量比增大，供给叶片内部冷却通道中冷却气增多。一方面加强了叶片内部冷却通道中冷却气与冷却通道壁面的换热，冷却带走热量变多。另一方面，通过叶片表面气膜孔出流的气体流量也增大，气膜温度降低厚度增大，强化了气膜冷却作用，更加有效阻隔主燃气高温气流与叶片外表面的对流换热，使得叶片壁温进一步降低。但是当流量比进一步增大时，冷却气气膜在叶片表面的覆盖效果变差，使得综合冷却效果不再明显增大。

图6 冷却效果随流量比变化曲线

4.3 变温比试验

冷却效果随温比变化曲线如图7所示。

图7 冷却效果随温比变化曲线

从图7可以看出，叶片综合冷却效果随温比的增加而降低。温比增加，即主流燃气温度不变，冷气温度降低。由于流量比与落压比保持不变，通入叶片内部冷却气流量不变，叶片表面冷却出流不变即气膜在叶片表面的覆盖情况不变[4]，叶片表面壁温主要受冷气温度影响，所以壁面温度也随着冷却温度降低而逐渐降低，但是壁温降低的幅度要小于冷却气温降的幅度。

4.4 变落压比试验

冷却效果随落压比变化曲线如图8所示。从图8可以看出，综合冷却效果随落压比的增加基本保持不变，说明落压比的变化并没有对叶片冷却效果产生大的影响。因为变落压比试验中，流量比不变，所以主燃气流量和叶片内部通的冷却气流量都不变，同时温比也保持不变，所以落压比变化对冷却换热的影响非常小，冷却效果基本不变。

图8 冷却效果随落压比变化曲线

4.5 变雷诺数试验

冷却效果随雷诺数变化曲线如图9所示。从图9可以看出，冷却效果随雷诺数的增加而缓慢减小。随着雷诺数增大，主流燃气流量增大，由于流量比不变，冷气流量和主燃气流量均逐渐增大，冷却流量的上升增强内部换热降低叶片壁温，燃气流量增加增大燃气流速并使叶片的热负荷增加。由此试验结果可知，此共同作用的结果表现为主流燃气流量增加带来的叶片热负荷增大的影响要强于冷气流量增加而带来的叶片热负荷减小的影响，综合表现为叶片综合冷却效果随雷诺数的增大而缓慢降低。

图9 冷却效果随雷诺数变化曲线

采用全部4 条特性曲线的全部试验数据，对试验结果进行多元线性回归分析，拟合了冷却效果与流量比、温比、落压比、雷诺数之间的试验关系式（5）所示。

计算与试验数据残差分布图如图10所示。依据关系式（5）冷却效果计算值与试验值的残差分布绝大多数试验数据介于-0.02～0.02，残差均匀性较好。因此，本次试验的拟合关系式，可以用来表征4 个参数对中截面冷却效果的影响趋势。

图10 计算与试验数据残差分布图

5 结语

一是通过冷却效果试验，得到某叶片中截面温度分布，其中叶片叶盆侧温度低，叶背侧温度高，尾缘处温度偏高，但总体在叶片材料可承受温度范围内。

二是通过分析流量比、温比、压比、雷诺数对冷却效果的影响，发现流量比是影响叶片冷却效果的重要因素。虽然流量比增大，可以大幅度地提高综合冷却效果，但是冷气量过大一方面使得部分气体失去做功能力。另一方面也会带来较大的气动损失，所以燃气轮机透平叶片设计中流量比是一个需要综合考虑和衡量的变量，而不仅仅是冷却。

三是通过多元线性回归分析，拟合了冷却效果与流量比、温比、落压比、雷诺数之间的试验关系式，可以用4个参数来表征叶片冷却效果。