阅读说明：本技术 一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统及方法 (Deep peak regulation gas turbine blade cooling fatigue test system and method ) 是由 李存文 王在华 徐克涛 魏宏鸽 张杨 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统及方法,叶片冷却疲劳试验系统包括给气系统、燃气供给系统、空气冷却系统、冷却试验系统、尾气处理系统、燃烧室和叶片试验腔。燃烧室和叶片试验腔连接,给气系统用于向燃烧室提供一次风和二次风气源,燃气供给系统用于向燃烧室提供燃气,燃气供给系统包括一号增压风机、燃气罐、中间储罐、雾化喷嘴和助燃雾化喷嘴；空气冷却系统包括副储气罐、换热器和二号增压风机；冷却试验系统包括水箱、水泵、增压变频水泵、水温调节装置、水流量调节器和水喷射器。本试验系统可用于叶片冷却试验及不同燃烧配风方式的影响,即同一实验系统可完成不同的实验,具有功能多、可拓展、适用性强的优点。(The invention relates to a cooling fatigue test system and method for a deep peak shaving gas turbine blade. The combustion chamber is connected with the blade test cavity, the gas supply system is used for supplying a primary air source and a secondary air source to the combustion chamber, the gas supply system is used for supplying gas to the combustion chamber, and the gas supply system comprises a first booster fan, a gas tank, an intermediate storage tank, an atomizing nozzle and a combustion-supporting atomizing nozzle; the air cooling system comprises an auxiliary air storage tank, a heat exchanger and a second booster fan; the cooling test system comprises a water tank, a water pump, a supercharging variable frequency water pump, a water temperature adjusting device, a water flow regulator and a water ejector. The test system can be used for the influence of blade cooling tests and different combustion air distribution modes, namely, different tests can be completed by the same test system, and the test system has the advantages of multiple functions, expandability and strong applicability.)

一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统及方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机装置领域，具体地讲，涉及一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统。

背景技术

燃气轮机作为一种重要的热-功转换设备。在航空、船舶、发电领域得到广泛应用，特别是近年来，国内能源电力行业正紧锣密鼓地开展大容量燃气轮机替换小容量燃煤机组工作，一方面依靠燃机启动调峰快来改善提高电站对电网调峰的适应性，另一方面也能改善电站的环保排放情况。面对如此大批量的燃气轮机投运，燃气轮机的安全稳定运行的显得格外重要，特别是燃气轮机叶片的性能的好坏。

随着叶片透平温度的不断提高，其运行温度远远高于金属允许温度，而且调峰要求下，燃机叶片运行温度变化幅度也将增大。为保证燃气轮机在温度骤变下安全稳定运行，一种燃气轮机叶片高效科学的冷却方法十分重要且迫切。目前针对燃气轮机叶片冷却方式主要分为冲击冷却、气膜冷却、汽雾冷却等。现有针对燃气轮机叶片冷却技术的研究日益重视，必须提出一种试验设备以完成对叶片冷却的深入、全面的研究。

例如，公开号为CN108106829A的专利申请：一种燃气轮机大型叶片的高周疲劳试验方法与装置，该专利申请中通过燃气轮机叶片载荷谱分析、叶片试验件设计加工、专用夹具设计、疲劳实验机加载载荷谱设计，可以利用一般疲劳实验机进行燃气轮机大型叶片疲劳薄弱部位的高周疲劳试验，更加贴近实际工况条件地实现高周疲劳性能考核。但是未考虑高周下叶片的冷却性能以及叶片温度图谱分析。

因此，有必要设计一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统用于对叶片进行全面的试验。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理、系统完善的深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统，并给出试验方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统，其特征在于：包括给气系统、燃气供给系统、空气冷却系统、冷却试验系统、尾气处理系统、燃烧室和叶片试验腔。燃烧室和叶片试验腔连接，并在其连接管路上安装有膨胀节和二号稳压器；所述给气系统用于向燃烧室提供一次风和二次风气源，给气系统包括主流压缩风机、次流压缩风机、一号稳压箱、主储气罐、旋流器和旋流喷嘴；所述主流压缩风机和次流压缩风机均与一号稳压箱的进气口连接，所述一号稳压箱的出气口与主储气罐的进气口连接，所述主储气罐内底部安装有电加热丝，主储气罐的出气口分为两路，一路与旋流器连接，另一路与旋流喷嘴连接，所述旋流器和旋流喷嘴均安装在燃烧室内；所述燃气供给系统用于向燃烧室提供燃气，燃气供给系统包括一号增压风机、燃气罐、中间储罐、雾化喷嘴和助燃雾化喷嘴；所述一号增压风机和燃气罐均与中间储罐连接，中间储罐的出气口分为两路，一路连接雾化喷嘴，另一路连接助燃雾化喷嘴，雾化喷嘴与旋流器连接，助燃雾化喷嘴安装在燃烧室内；所述空气冷却系统包括副储气罐、换热器和二号增压风机；所述副储气罐、换热器和二号增压风机通过管路依次连接，副储气罐与主流压缩风机和次流压缩风机均连接；所述二号增压风机的出气口通向连接叶片试验腔；所述冷却试验系统包括水箱、水泵、增压变频水泵、水温调节装置、水流量调节器和水喷射器；所述水箱和水泵连接，水泵的出水口分为两路，一路直接通向连接叶片试验腔，用于对叶片进行水冷试验，另一路上依次安装有增压变频水泵、水温调节装置、水流量调节器和水喷射器，水喷射器和叶片试验腔连接，用于向叶片试验腔内喷射汽雾，对叶片进行汽雾冷却试验。

优选的，该叶片冷却及疲劳试验系统还包括尾气处理系统，所述尾气处理系统包括依次连接的尾气处理装置、消音器和尾气排放装置；所述尾气处理装置与叶片试验腔连接，并在两者的连接管路上安装有冷却器。

优选的，所述冷却器与水箱通过管路连接。

优选的，所述叶片试验腔和水箱之间还设置有冷却水回收管路，并在冷却水回收管路上安装阀门。

优选的，该叶片冷却及疲劳试验系统还包括监控系统，所述监控系统包括火焰监测装置和叶片温度监测系统，所述火焰监测装置安装在燃烧室中，所述叶片温度监测系统安装在叶片试验腔中。

本发明还提供了一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验方法，采用上述系统进行实施，其特征在于：方法如下：

叶片试验腔中安装有转轴，首先将叶片安装在转轴上，转轴连接端与齿轮箱相连接，然后安装其他试验设备，核实试验系统完整并试转后，通过齿轮箱调节叶片至试验转速；

然后启动主流压缩风机，空气经电动门、减压阀后进入一号稳压箱，维持气源压力稳定，防止压力骤升、骤降；启动电加热丝对空气进行加热，通过流量控制器调节空气流量；

随后启动一号增压风机，燃气依次通过压力调节阀、中间储罐，由流量电磁阀调节流量；燃气通过燃气喷嘴进入旋流器与空气（由一次风提供）在旋流器内充分混合；

随后启动点火装置，进行点火，燃气在燃烧室内进行燃烧，利用火焰监测装置对燃烧状况进行监测并分析燃烧产物成分；试验时，如果出现一次风风量不足，通过控制系统启动次流压缩风机为燃烧室提供气源；如果烟气含氧量过高，启动辅助燃料系统，燃料经过涡流器后进入燃烧室进行燃烧，同时燃烧室内部安装稳燃器，以稳定燃烧；燃烧后的烟气经膨胀节、电磁阀、压力调节阀后进入二号稳压箱，后进入换热器进行换热，冷却后的烟气经过消音器降噪后，排入尾气处理系统；进行叶片冲击冷却试验时，启动一号增压风机，设定温度控制器的空气温度，并调节压力和流量，采用Research-N3红外热像仪对叶片表面进行非接触式测量，再经SmartIRPC软件对拍摄的叶片照片进行温度分析；进行叶片气膜冷却试验时，提前将叶片更换为表面开槽和小孔的叶片进行试验；进行汽雾冷却试验时，打开电磁阀后，水经过水温调节装置、水流量调节器和水喷射器进行汽雾冷却试验。根据试验需求，调节压力和流量进行冷却试验；进行叶片水冷试验时，水泵的出水口处的一路直接通向连接叶片试验腔，对叶片进行水冷试验。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本试验系统可用于叶片冷却试验及不同燃烧配风方式的影响，即同一实验系统可完成不同的实验，具有功能多、可拓展、适用性强的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的结构示意图。

附图标记说明：主流压缩风机1、次流压缩风机2、一号稳压箱2-1、一号增压风机3、燃气罐4、中间储罐5、雾化喷嘴5-2、助燃雾化喷嘴5-3、副储气罐6、主储气罐7、电加热丝7-1、旋流喷嘴7-2、换热器8、二号增压风机9、监控系统10、火焰监测装置10-1、叶片温度监测系统10-2、旋流器11、膨胀节12、二号稳压器13、增压变频水泵14、水温调节装置14-1、水流量调节器14-2、水喷射器14-3、水泵15、水箱16、冷却器17、尾气处理装置18、消音器19、尾气排放装置20、冷却水回收管路21、燃烧室22、叶片试验腔23。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中公开了一种深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统，其包括给气系统、燃气供给系统、空气冷却系统、冷却试验系统、尾气处理系统、尾气处理系统、监控系统10、燃烧室22和叶片试验腔23。燃烧室22和叶片试验腔23连接，并在其连接管路上安装有膨胀节12和二号稳压器13；叶片在叶片试验腔23中进行冷却及疲劳试验。

本实施例中，给气系统用于向燃烧室22提供一次风和二次风气源。给气系统包括主流压缩风机1、次流压缩风机2、一号稳压箱2-1、主储气罐7、旋流器11和旋流喷嘴7-2。

本实施例中，主流压缩风机1和次流压缩风机2均与一号稳压箱2-1的进气口连接，一号稳压箱2-1的出气口与主储气罐7的进气口连接，主储气罐7内底部安装有电加热丝7-1，主储气罐7的出气口分为两路，一路与旋流器11连接，另一路与旋流喷嘴7-2连接，旋流器11和旋流喷嘴7-2均安装在燃烧室22内。

本实施例中，主流压缩风机1采用螺旋式空气压缩机，用于向燃烧室22提供一次风气源，一次风气源为主要气源。次流压缩风机2采用皮带式空气压缩机，用于向燃烧室22提供二次风气源，二次风气源为辅助气源。

本实施例中，燃气供给系统用于向燃烧室22提供燃气，燃气供给系统包括一号增压风机3、燃气罐4、中间储罐5、雾化喷嘴5-2和助燃雾化喷嘴5-3。一号增压风机3和燃气罐4均与中间储罐5连接，中间储罐5的出气口分为两路，一路连接雾化喷嘴5-2，另一路连接助燃雾化喷嘴5-3，雾化喷嘴5-2与旋流器11连接，助燃雾化喷嘴5-3安装在燃烧室22内。

本实施例中，燃气经由雾化喷嘴5-2进入旋流器11，同时与一次风充分混合；另一路燃气经由助燃雾化喷嘴5-3在燃烧室22内部完成助燃。燃烧室22前部安装有旋流器11，外部设有保温装置，内部安装有稳燃器，以稳定燃烧。

本实施例中，空气冷却系统包括副储气罐6、换热器8和二号增压风机9；副储气罐6、换热器8和二号增压风机9通过管路依次连接，副储气罐6与主流压缩风机1和次流压缩风机2均连接；二号增压风机9的出气口通向连接叶片试验腔23。

本实施例中，冷却试验系统包括水箱16、水泵15、增压变频水泵14、水温调节装置14-1、水流量调节器14-2和水喷射器14-3。水箱16和水泵15连接，水泵15的出水口分为两路，一路直接通向连接叶片试验腔23，用于对叶片进行水冷试验，另一路上依次安装有增压变频水泵14、水温调节装置14-1、水流量调节器14-2和水喷射器14-3，水喷射器14-3和叶片试验腔23连接，用于向叶片试验腔23内喷射汽雾，对叶片进行汽雾冷却试验。

本实施例中，尾气处理系统包括依次连接的尾气处理装置18、消音器19和尾气排放装置20；尾气处理装置18与叶片试验腔23连接，并在两者的连接管路上安装有冷却器17。冷却器17与水箱16通过管路连接，利用烟气余热稳定水箱16内水的温度。

本实施例中，叶片试验腔23和水箱16之间还设置有冷却水回收管路21，并在冷却水回收管路21上安装阀门。试验后的冷却水通过冷却水回收管路21回收至水箱16中。

本实施例中，监控系统10包括火焰监测装置10-1和叶片温度监测系统10-2，火焰监测装置10-1安装在燃烧室22中，叶片温度监测系统10-2安装在叶片试验腔23中。

本实施例中，采用该深度调峰燃气轮机叶片冷却疲劳试验系统进行试验时，叶片试验腔23中安装有转轴，首先将叶片安装在转轴上，转轴连接端与齿轮箱相连接，然后安装其他试验设备，核实试验系统完整并试转后，通过齿轮箱调节叶片至试验转速；然后启动主流压缩风机1，空气经电动门、减压阀后进入一号稳压箱2-1，维持气源压力稳定，防止压力骤升、骤降；启动电加热丝7-1对空气进行加热，通过流量控制器调节空气流量。启动一号增压风机3，燃气依次通过压力调节阀、中间储罐5，由流量电磁阀调节流量。燃气通过燃气喷嘴5-2进入旋流器11与空气（由一次风提供）在旋流器11内充分混合。

启动点火装置，进行点火，燃气在燃烧室22内进行燃烧，利用火焰监测装置10-1对燃烧状况进行监测并分析燃烧产物成分。试验时，如果出现一次风风量不足，通过控制系统启动次流压缩风机2为燃烧室22提供气源；如果烟气含氧量过高，启动辅助燃料系统，燃料经过涡流器后进入燃烧室22进行燃烧，同时燃烧室22内部安装稳燃器，以稳定燃烧。燃烧后的烟气经膨胀节12、电磁阀、压力调节阀后进入二号稳压箱13，后进入换热器8进行换热，冷却后的烟气经过消音器19降噪后，排入尾气处理系统。

进行叶片冲击冷却试验时，打开电动门，启动一号增压风机3，设定温度控制器的空气温度，并调节压力和流量。采用Research-N3红外热像仪对叶片表面进行非接触式测量，再经SmartIRPC软件对拍摄的叶片照片进行温度分析。

进行叶片气膜冷却试验时，提前将叶片更换为表面开槽和小孔的叶片进行试验。

进行汽雾冷却试验时，打开电磁阀后，水经过水温调节装置14-1、水流量调节器14-2和水喷射器14-3进行汽雾冷却试验。根据试验需求，调节压力和流量进行冷却试验。

进行叶片水冷试验时，水泵15的出水口处的一路直接通向连接叶片试验腔23，对叶片进行水冷试验。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。