一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法与流程

本发明涉及的是一种燃机轮机设计方法，具体地说是燃机轮机涡轮导叶设计方法。

背景技术：

1、因燃气轮机具有功率密度高、起动速度快等优点，燃气轮机已广泛应用于民用发电、天然气管线增压、船舶及海上平台等领域。

2、提高涡轮进口温度是提升燃气轮机效率的最有效的途径之一，但是，涡轮进口燃气温度的提高又对叶片材料的耐热性及冷却技术提出了很高的要求，如果冷气量不足，叶片瞬间就会受到不可逆的损害，造成严重的事故，反之，冷却空气用量过大又会造成机组循环效率的下降。因此，在满足叶片耐热温度的前提下，合理供应叶片冷却需要的冷气量，采用有效的热防护，成为一项关键技术，也受到国内外研究者的高度重视和深入研究。

3、传统涡轮冷却设计重点关注冷却结构优化设计，从如何改善冷却效果角度出发开展涡轮冷却叶片设计，以满足燃气轮机越来越高的工作温度要求；此外，关于热障涂层的研究大多数则是关注涂层指标工艺及隔热效果，而对燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法研究关注不足，科研人员迫切希望有一种能够有效指导燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计的先进方法，以避免因涡轮局部过热导致叶片烧蚀的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供能解决叶片超温从而引发叶片烧蚀等问题的一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：

4、(1)对未采取热辐射防护措施的叶片进行温度场计算，得到初始叶片温度场，作为对比依据；

5、(2)确定防护位置；

6、(3)优化设计气膜孔；

7、(4)评估气膜覆盖效果；

8、(5)设计热障涂层；

9、(6)设计石墨烯涂层；

10、(7)计算采取防护措施后的叶片温度场。

11、本发明还可以包括：

12、1、步骤(2)中确定防护位置，是将燃气轮机燃烧室高温热源视作一束光，向后方的高压涡轮导叶照射，高压涡轮导叶能够被照射到的位置为高温燃烧室能够辐射到的位置。

13、2、步骤(3)优化设计气膜孔，是根据步骤(1)得到的温度场，结合步骤(2)获得的需防护位置，调整叶片前缘及叶身气膜孔位置、数量、孔径、孔型，叶身采用簸箕型气膜孔。

14、3、步骤(4)中利用三维计算流体力学程序，开展优化调整后气膜覆盖计算，判断气膜孔出气是否覆盖到步骤(1)得到的高温区及步骤(2)得到的需防护区，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(3)，直至气膜覆盖到步骤(1)得到的高温区及步骤(2)得到的需防护区。

15、4、步骤(5)在传统涂层设计基础上，针对辐射到的位置，采用厚度更大的涂层，即整个叶片采用变厚度涂层。

16、5、步骤(6)在辐射到的叶身高温区连同低温区，设置高温区与低温区相连的石墨烯涂层。

17、6、步骤(7)利用三维计算流体力学程序，对采取热辐射防护措施的叶片进行温度场计算，得到叶片温度场，并与步骤(1)得到的叶片温度场进行比对，评估叶片温度场是否满足设计要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤(3)～步骤(6)，直至满足温度场要求。

18、本发明的优势在于：

19、1、本发明仅需要在常规高压涡轮导叶设计基础上，通过一种直观的简便方法，将燃气轮机燃烧室火焰筒出口高温区视作一束光，向后方的高压涡轮导叶照射，高压涡轮导叶能够被照射到的位置就是高温燃烧室能够辐射到的位置，便可确定需要重点进行高温辐射热防护设计的位置，从而实现了船用燃气轮机高压涡轮导叶热防护位置的快速确定。

20、2、本发明重点针对高温火焰辐射到的位置，通过在热防护更为需要的位置涂覆较厚的隔热涂层，给高温辐射区“穿上厚实的防辐射服”，其余位置涂层可以维持不变或者适当减薄，即整个叶片采用变厚度涂层，相较传统等厚度涂层，实现了热障涂层的“按需分配”，即定量化涂覆。

21、3、本发明通过在辐射到的叶身高温区附近，连同低温区，设置高温区与低温区相连的石墨烯涂层，利用石墨烯涂层展向优良的导热性能，用以将高温区热量向低温区传递，减小高低温区域的温差，使得叶片温度更加均匀，从而减小了叶片温度梯度，降低了叶片的热应力，有利于提高叶片的寿命及结构可靠性。

22、4、本发明不仅局限于船用及工业燃气轮机涡轮，同样适用于航空发动机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计。

技术特征：

1.一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：步骤(2)中确定防护位置，是将燃气轮机燃烧室高温热源视作一束光，向后方的高压涡轮导叶照射，高压涡轮导叶能够被照射到的位置为高温燃烧室能够辐射到的位置。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：步骤(3)优化设计气膜孔，是根据步骤(1)得到的温度场，结合步骤(2)获得的需防护位置，调整叶片前缘及叶身气膜孔位置、数量、孔径、孔型，叶身采用簸箕型气膜孔。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：步骤(4)中利用三维计算流体力学程序，开展优化调整后气膜覆盖计算，判断气膜孔出气是否覆盖到步骤(1)得到的高温区及步骤(2)得到的需防护区，如果满足要求，继续开展后续步骤，如果不满足要求，重复步骤(3)，直至气膜覆盖到步骤(1)得到的高温区及步骤(2)得到的需防护区。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：步骤(5)在传统涂层设计基础上，针对辐射到的位置，采用厚度更大的涂层，即整个叶片采用变厚度涂层。

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：步骤(6)在辐射到的叶身高温区连同低温区，设置高温区与低温区相连的石墨烯涂层。

7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，其特征是：步骤(7)利用三维计算流体力学程序，对采取热辐射防护措施的叶片进行温度场计算，得到叶片温度场，并与步骤(1)得到的叶片温度场进行比对，评估叶片温度场是否满足设计要求，如果满足要求，则设计过程结束，如果不满足要求，重复步骤(3)～步骤(6)，直至满足温度场要求。

技术总结
本发明的目的在于提供一种燃气轮机高压涡轮导叶高温热辐射防护设计方法，包括如下步骤：对未采取热辐射防护措施的叶片进行温度场计算，得到初始叶片温度场，作为对比依据，确定防护位置，优化设计气膜孔，评估气膜覆盖效果，设计热障涂层，设计石墨烯涂层，计算采取防护措施后的叶片温度场。本发明通过在辐射到的叶身高温区附近，连同低温区，设置高温区与低温区相连的石墨烯涂层，利用石墨烯涂层展向优良的导热性能，用以将高温区热量向低温区传递，减小高低温区域的温差，使得叶片温度更加均匀，从而减小了叶片温度梯度，降低了叶片的热应力，有利于提高叶片的寿命及结构可靠性。

技术研发人员：牛夕莹,侯隆安,徐波,王敏锋,李翔宇,傅琳,毛冬岩
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七0三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12