技术领域本发明涉及一种重型燃气轮机透平叶片的降温等膨胀比冷却效果试验装置及其参数设计方法，属于燃气轮机技术领域。
背景技术：
重型燃气轮机的透平叶片，内部冷却采用内部腔室射流冲击冷却、带肋通道强化传热和绕柱强化传热技术，透平叶片外表面冷却采用气膜冷却技术。透平叶片冷却技术十分复杂，新研制的重型燃气轮机透平叶片，需要进行透平叶片冷却效果试验验证，透平叶片冷却效果试验是燃气轮机高温透平叶片研制的必要环节。对于重型燃气轮机的透平叶片，采用全温全压冷却效果试验装置或全温等膨胀比冷却效果试验装置，测量的透平叶片基体金属壁温，可以表征透平叶片的实际工作温度，但透平叶片全温全压冷却效果试验与全温等膨胀比冷却效果试验装置及试验装置建造费用和试验用电费用昂贵。在透平叶片的研制早期阶段，急需对不同冷却结构方案的镍基合金透平叶片开展降温等膨胀比冷却效果验证试验，为透平叶片冷却结构优化设计提供依据。在透平叶片的研制后期阶段，依据降温等膨胀比冷却效果验证优选的透平叶片冷却结构设计方案，再开展单晶或定向结晶的透平叶片研制并进行相应的冷却效果试验。中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所已经申请发明专利“一种测定带热障涂层涡轮叶片冷却效果及隔热效果的方法”，申请号201010586727.4，给出了带有热障涂层的航空发动机涡轮叶片冷却效果与隔热效果的测定方法。中国燃气涡轮研究院已经申请的实用新型专利“一种涡轮导叶冷效试验的装夹结构”，申请号201420165432.3，给出了航空发动机涡轮导叶冷效试验采用的导叶装夹结构。与航空发动机相比，重型燃气轮机的特点是功率大、透平叶片尺寸大、透平叶片运行寿命长，透平叶片冷却结构设计与冷却效果试验的技术难度大。现有技术和公开文献报道，没有重型燃气轮机透平叶片的降温等膨胀比冷却效果试验装置及参数设计方法。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种重型燃气轮机透平叶片的降温等膨胀比冷却效果试验装置，可以用来进行重型燃气轮机透平静叶片的冷却效果试验，也可以进行重型燃气轮机透平动叶片的静态冷却效果试验。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种燃机透平叶片降温等膨胀比冷效试验装置，其特征在于：包括透平叶片试验主流系统、叶片冷却空气系统和冷却水系统；透平叶片试验主流系统由依次连接的离心空气压缩机、主流进气放空阀、主流空气过滤器、进气调节阀、主流流量喷嘴、主流空气电加热器、金属膨胀节、燃烧器、过渡段、透平叶片试验段、排气段、排气减温器、消音塔组成；冷却空气系统包括依次连接的罗茨鼓风机、冷却空气放空阀、冷却空气过滤器、冷却空气调节阀、文丘里流量计、冷却空气热交换器，冷却空气热交换器连接透平叶片试验段；冷却水系统包括冷却塔，冷却塔为过渡段和排气段的双层管壳体提供冷却水，冷却过渡段与排气段后的水还输送回冷却塔；冷却塔还连接补水管道。优选地，通过离心空气压缩机为透平叶片试验段提供主流空气，通过调整主流进气放空阀与进气调节阀的开度来控制主流空气的流量与压力，通过主流空气过滤器防止主流空气中大颗粒杂质进入透平叶片试验段，通过主流流量测量主流空气流量，通过主流空气电加热器预热主流空气，通过金属膨胀节吸收进气管道的膨胀量。优选地，所述透平叶片试验段由透平试验叶片和位于透平试验叶片外侧的透平叶片试验段壳体组成；透平试验叶片的材料化学成分与实际透平叶片完全相同；透平叶片试验段壳体为双层壳体，且双层壳体之间加装隔热材料。优选地，所述过渡段和排气段与所述透平叶片试验段壳体采用法兰螺栓结构连接，所述过渡段和排气段均为双层壳体，过渡段和排气段的双层壳体与所述冷却水系统连接，使双层壳体之间通过冷却水冷却。优选地，所述透平叶片试验段上设有3～11只全尺寸透平试验叶片，构成2～10个透平叶片流道；透平叶片试验段与叶片冷却空气系统连接，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。优选地，所述排气减温器与冷却水系统连接，冷却水喷入排气减温器来降低排气温度；排气进入消音塔以降低噪音，再排入大气。优选地，通过所述罗茨鼓风机为透平叶片试验段提供冷却空气，通过调整所述冷却空气放空阀与冷却空气调节阀的开度来控制冷却空气的压力和流量，通过冷却空气过滤器防止冷却空气中大颗粒杂质进入透平叶片试验段，通过文丘里流量计测量冷却空气的流量，通过冷却空气热交换器调整透平叶片试验段入口的冷却空气温度。优选地，所述流流量喷嘴前面的直管段管道直径大于主流流量喷嘴后面的直管段管道直径；所述文丘里流量计前面的直管段管道直径大于文丘里流量计后面的直管段管道直径；更优选地，所述主流流量喷嘴前面设有20倍管道直径的直管段，主流流量喷嘴后面设有10倍管道直径的直管段。更优选地，所述文丘里流量计前面设有20倍管道直径的直管段，文丘里流量计后面设有10倍管道直径的直管段。优选地，所述透平叶片试验主流系统的全部进气管道及排气管道、叶片冷却空气系统的管道与冷却水的出水管道、透平叶片试验段壳体以及过渡段与排气段的壳体，外侧均装石棉保温套。更优选地，所述保温套外的壁温不超过50℃。优选地，通过主流空气电加热器预热主流空气达到160℃至300℃。优选地，在中间的所述全尺寸透平试验叶片基体上安装金属壁温测点，在主流空气电加热器与冷却空气热交换器的前后的管道上安装压力测点与温度测点，在过渡段上安装压力测点与温度测点。优选地，所述透平叶片试验主流系统与叶片冷却空气系统的具体参数设计方法，包括如下步骤：步骤一：选定试验段主流燃气总温步骤二：计算透平叶片试验段背压P1的公式为P1＝101325+ΔP(1)式中：ΔP——透平叶片试验段的排气压损；步骤三：计算透平叶片试验段膨胀比πg，L的公式为πg,L=πg,D=Pg,D*P1,D---(2)]]>式中：πg，D——透平叶片的设计膨胀比——透平叶片的设计总压P1，D——透平叶片的设计背压；步骤四：计算试验段主流燃气总压的公式为Pg,L*=P1×πg,L---(3)]]>式中：P1——透平叶片试验段背压πg，L——透平叶片试验段膨胀比；步骤五：计算试验段进口的主流燃气流量Gg，L的公式为Gg,L=Pg,L*Pg,D*×Gg,DTg,D*Tg,L*×ZpZp,D---(4)]]>式中：——试验段主流燃气总压——透平叶片的设计总压——试验段主流燃气总温——设计工况透平进口的燃气总温Gg，D——设计工况的透平进口燃气流量Zp——试验装置的叶片流道数Zp，D——燃气轮机透平叶片的流道总数；步骤六：计算试验段冷却空气进口总温的公式为Tc,L*=Tg,L*×Tc,D*Tg,D*---(5)]]>式中：——试验段主流燃气总温——设计工况透平进口的燃气总温——设计工况透平叶片冷却空气进口总温；步骤七：计算试验段冷却空气流量Gc，L的公式为Gc,L=Gg,L×Gc,DGg,D×ZbZb,D×Zp,DZp---(6)]]>式中：Gg，L——试验段主流燃气进口的流量Gg，D——设计工况的透平进口燃气流量Gc，D——设计工况叶片冷却空气的流量Zb——试验装置的叶片数量Zb，D——燃气轮机透平的叶片总数步骤八：计算试验段冷却空气总压的公式为Pc,L*=Pc,D*×Gc,LTc,L*Gc,DTc,D*×Zb,DZb---(7)]]>式中：——设计工况透平叶片进口冷却空气总压——试验段透平叶片进口冷却空气总温——设计工况透平叶片进口冷却空气总温Gc，L——试验段透平叶片冷却空气的流量Gc，D——设计工况透平叶片冷却空气流量；步骤九：计算试验段透平叶片出口马赫数M的公式为M=ca---(8)]]>式中：a——当地声速c——透平叶片出口速度；步骤十：计算试验段透平叶片出口雷诺数Re的公式为Re=c×bv---(9)]]>式中：b——透平叶片弦长c——透平叶片出口速度v——燃气的运动粘度。相比现有技术，本发明具有如下有益效果：(1)试验叶片与实际叶片的尺寸相同保证几何相似，试验工况与设计工况下冷却空气与主流燃气的流量比相等保证运动相似；对于主流燃气，试验工况与设计工况下叶片的膨胀比相等，马赫数(或欧拉数)近似相等保证流场相似；试验工况与设计工况的雷诺数近似相等且雷诺数大于2.5×105，进入流动相似的自模化去区，保证速度场相似；(2)试验工况与设计工况的主流为燃气，冷却流体为空气，普朗特数变化很小，可以认为近似相等；由于雷诺数和普朗特数相等，保证努塞尔数近似相等，表征试验工况与设计工况热相似；保证试验工况与设计工况的冷却效果近似相等，试验测量的透平叶片的冷却效果可以用来预测透平叶片的实际工作温度。附图说明图1为本发明9只透平叶片试验段的示意图；图2为本发明重型燃机透平叶片降温等膨胀比冷效试验装置的示意图；图3为本发明透平叶片试验主流系统与叶片冷却空气系统的参数设计方法的流程图。图中：1.透平叶片试验段；2.透平试验叶片；3.透平叶片试验段壳体；4.透平叶片试验主流系统；5.叶片冷却空气系统；6.冷却水系统；7.离心空气压缩机；8.主流进气放空阀；9.主流空气过滤器；10.进气调节阀；11主流流量喷嘴；12.主流空气电加热器；13.金属膨胀节；14.燃烧器；15.过渡段；16.排气段；17.排气减温器；18.消音塔；19.罗茨鼓风机；20.冷却空气放空阀；21.冷却空气过滤器；22.冷却空气调节阀；23.高精度文丘里流量计；24.冷却空气热交换器；25.水泵；26.补水管道及阀门；27.进水管道及阀门；28.冷却塔；29.出水管道及阀门；30.压力测点；31.温度测点。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明提供了一种重型燃气轮机透平叶片的降温等膨胀比冷却效果试验装置及参数设计方法，可以用来进行重型燃气轮机透平静叶片的冷却效果试验，也可以进行重型燃气轮机透平动叶片的静态冷却效果试验。如图1所示，为本发明提供的一种重型燃气轮机透平叶片的降温等膨胀比冷却效果试验的透平叶片试验段1，由透平试验叶片2和位于透平试验叶片2外侧的透平叶片试验段壳体3组成。透平试验叶片2的材料化学成分与实际透平叶片的镍基母合金完全相同，采用3D打印技术快速制造出透平试验叶片2，由3只至11只全尺寸透平试验叶片构成2个至10个透平叶片流道，在中间1只至9只全尺寸透平试验叶片2基体上安装金属壁温测点。透平叶片试验段壳体3设计为双层壳体，双层壳体之间加装隔热材料。如图2所示，为本发明提供的一种重型燃气轮机透平叶片降温等膨胀比冷却效果试验装置，包括透平叶片试验主流系统4、叶片冷却空气系统5和冷却水系统6；透平叶片试验主流系统4由依次连接的离心空气压缩机7、主流进气放空阀8、主流空气过滤器9、进气调节阀10、主流流量喷嘴11、主流空气电加热器12、金属膨胀节13、燃烧器14、过渡段15、透平叶片试验段1、排气段16、排气减温器17、消音塔18组成。离心空气压缩机7为透平叶片试验段1提供主流空气，通过调整主流进气放空阀8与进气调节阀10的开度来控制主流空气的流量与压力，主流空气过滤器9用来防止主流空气中大颗粒杂质进入透平叶片试验段1，主流流量喷嘴11用来测量主流空气流量，主流空气电加热器12用来预热主流空气达到160℃至300℃，金属膨胀节14用来吸收进气管道的膨胀量，主流空气在燃烧器14中与喷入的燃料相混合并燃烧产生500℃至1000℃的主流燃气。透平叶片试验主流系统4与叶片冷却空气系统5和冷却水系统连接6，透平叶片试验段1与冷却空气系统5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。过渡段15和排气段16与透平叶片试验段壳体3采用法兰螺栓结构连接，透平叶片试验段1前的过渡段15与透平叶片试验段1后的排气段16均设计为双壳体，双层壳体与冷却水系统6连接，双层壳体之间采用冷却水冷却。排气减温器17与冷却水系统6连接，冷却水喷入排气减温器17来降低排气温度。消音塔18安装在排气减温器17下游，试验系统的排气进入消音塔18以降低高速气流产生的噪音后，再排入大气。冷却空气系统5由依次连接的罗茨鼓风机19、冷却空气放空阀20、冷却空气过滤器21、冷却空气调节阀22、高精度文丘里流量计23、冷却空气热交换器24组成。罗茨鼓风机19为透平叶片试验段1提供冷却空气，通过调整冷却空气放空阀20与冷却空气调节阀22的开度来控制冷却空气的压力和流量，冷却空气过滤器21用来防止冷却空气中大颗粒杂质进入透平叶片试验段1，高精度文丘里流量计23用来测量冷却空气的流量，冷却空气热交换器24用来调整透平叶片试验段1入口的冷却空气温度。冷却水系统6包括水泵25、补水管道及阀门26、进水管道及阀门27、冷却塔28、出水管道及阀门29；冷却水系统有4台水泵25、1条补水管道与阀门26、3条进水管道与阀门27和2条出水管道与阀门28，其中1台水泵25及1条补水管道与阀门26为冷却塔28提供补水，1台水泵25及1条进水管道与阀门27为排气减温器17提供冷却排气的喷水，2台水泵25及2条进水管道与阀门27为透平叶片试验段1前面的过渡段15与后面排气段16的双层管壳体供冷却水，2条出水管道与阀门29把冷却过渡段15与排气段16后的水输送到冷却塔28，冷却塔28降低出水温度并为3条进水管道与阀门27提供冷却水。透平叶片试验主流系统4的全部进气管道及排气管道、叶片冷却空气系统5的管道与冷却水系统6的出水管道、透平叶片试验段壳体3以及过渡段15与排气段16的壳体，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；所述的主流流量喷嘴11与高精度文丘里流量计23的前面设计有20倍管道直径的直管段，后面设计有10倍管道直径的直管段，以保证测量精度；主流空气电加热器12与冷却空气热交换器24的前后的管道上安装压力测点30与温度测点31，在燃烧器14与透平叶片试验段1之间的过渡段15上安装压力测点30与温度测点31；如图3所示，为本发明所采用透平叶片试验主流系统与叶片冷却空气系统的参数设计方法的流程图。本发明提供的透平叶片试验主流系统4与叶片冷却空气系统5的参数设计方法，包括以下十个步骤：步骤一：选定试验段主流燃气总温步骤二：计算透平叶片试验段背压P1的公式为P1＝101325+ΔP(10)式中：ΔP——透平叶片试验段的排气压损；步骤三：计算透平叶片试验段膨胀比πg，L的公式为πg,L=πg,D=Pg,D*P1,D---(11)]]>式中：πg，D——透平叶片的设计膨胀比——透平叶片的设计总压P1，D——透平叶片的设计背压；步骤四：计算试验段主流燃气总压的公式为Pg,L*=P1×πg,L---(12)]]>式中：P1——透平叶片试验段背压πg，L——透平叶片试验段膨胀比；步骤五：计算试验段进口的主流燃气流量Gg，L的公式为Gg,L=Pg,L*Pg,D*×Gg,DTg,D*Tg,L*×ZpZp,D---(13)]]>式中：——试验段主流燃气总压——透平叶片的设计总压——试验段主流燃气总温——设计工况透平进口的燃气总温Gg，D——设计工况的透平进口燃气流量Zp——试验装置的叶片流道数Zp，D——燃气轮机透平叶片的流道总数；步骤六：计算试验段冷却空气进口总温的公式为Tc,L*=Tg,L*×Tc,D*Tg,D*---(14)]]>式中：——试验段主流燃气总温——设计工况透平进口的燃气总温——设计工况透平叶片冷却空气进口总温；步骤七：计算试验段冷却空气流量Gc，L的公式为Gc,L=Gg,L×Gc,DGg,D×ZbZb,D×Zp,DZp---(15)]]>式中：Gg，L——试验段主流燃气进口的流量Gg，D——设计工况的透平进口燃气流量Gc，D——设计工况叶片冷却空气的流量Zb——试验装置的叶片数量Zb，D——燃气轮机透平的叶片总数步骤八：计算试验段冷却空气总压的公式为Pc,L*=Pc,D*×Gc,LTc,L*Gc,DTc,D*×Zb,DZb---(16)]]>式中：——设计工况透平叶片进口冷却空气总压——试验段透平叶片进口冷却空气总温——设计工况透平叶片进口冷却空气总温Gc，L——试验段透平叶片冷却空气的流量Gc，D——设计工况透平叶片冷却空气流量；步骤九：计算试验段透平叶片出口马赫数M的公式为M=ca---(17)]]>式中：a——当地声速c——透平叶片出口速度；步骤十：计算试验段透平叶片出口雷诺数Re的公式为Re=c×bv---(18)]]>式中：b——透平叶片弦长c——透平叶片出口速度v——燃气的运动粘度；如图1所示，某型号300MW的F级燃气轮机9只透平叶片试验段的示意图，9只透平叶片构成8个透平叶片流道，对于图2所示的重型燃机透平叶片降温等膨胀比的冷效试验装置，采用图3所示的流程图，对于该燃气轮机进行第一级静叶片冷却效果试验与第一级动叶片静态冷却效果试验，透平叶片试验主流系统4与叶片冷却空气系统5的参数设计方法的步骤一至步骤十的计算结果列于表1。[表1]该型号300MW的F级燃气轮机的9只透平叶片构成8个透平叶片流道，试验工况与设计工况的马赫数与雷诺数的计算结果列于表2。与设计工况相比，该重型燃机透平叶片降温等膨胀比冷效试验的透平叶片出口马赫数的相对误差的绝对值小于5％，雷诺数的相对误差的绝对值小于4％，试验工况与设计工况的雷诺数均大于2.5×105，表明试验工况与设计工况均进入流动相似的自模化去区，速度场相似。由于试验工况与设计工况的主流均为燃气，冷却空气均为空气，普朗特数近似相等，又因试验工况与设计工况的雷诺数近似相等，表明试验工况与设计工况的努塞尔数近似相等，即试验工况与设计工况热相似，透平叶片降温等膨胀比冷效试验测量的透平叶片的冷却效果就可以用来预测该型号300MW的F级燃气轮机透平叶片的实际工作温度。[表2]序号项目单位静叶片动叶片说明1试验段透平叶片出口马赫数M-0.810.58步骤九2设计工况透平叶片出口马赫数-0.850.603透平叶片出口马赫数的相对误差％-4.7-3.34试验段透平叶片出口雷诺数Re-11576071028704步骤十5设计工况透平叶片出口雷诺数-111774010017686透平叶片出口雷诺数的相对误差％3.62.7以上所述，仅是根据本发明技术方案给出的300MW的F级燃气轮机第一级静叶片冷却效果试验与第一级动叶片静态冷却效果试验的实施例，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，依据本发明提供的技术方案开展不同功率等级或不同透平进气温度的重型燃气轮机透平叶片的降温等膨胀比冷效试验装置及参数设计方法，仍属于本发明权利要求书的保护范围。