某中小型燃?xì)廨啓C(jī)透平靜葉冷效試驗(yàn)研究

哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司 姜東坡 馮永志 葛春醒

1 引言

為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和輸出功率，普遍采用的方法是提高燃?xì)廨啓C(jī)透平前進(jìn)口溫度[1]。目前，地面用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度達(dá)到1400～1600℃，超過透平葉片金屬材料的使用溫度，所以現(xiàn)有透平葉片必須采用高效的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻技術(shù)才能滿足要求[2]。高溫氣冷葉片可以降低透平葉片的溫度水平，以確保葉片具有足夠的強(qiáng)度和壽命[3]。

2 試驗(yàn)方法和原理介紹

采用真實(shí)葉片組成扇形試驗(yàn)段，本試驗(yàn)中采用3葉片組，其中中間為測試葉片，測試葉片葉身布置熱電偶，兩邊各1 片陪襯葉片，構(gòu)成2 個(gè)燃?xì)饬魍ǖ馈Ｔ囼?yàn)中模擬葉片真實(shí)工作條件，研究不同流量比、溫比、壓力比等條件下的葉片冷卻效果。

葉片特征截面平均冷卻效果如式（1）所示。

式中：為進(jìn)口燃?xì)饪倻兀瑸槠骄跍兀琓c?為冷氣總溫。

流量比，即冷氣流量與燃?xì)饬髁恐热缡剑?）所示。

式中：Gc為冷氣流量，Gg為燃?xì)饬髁浚琙為葉柵通道數(shù)。

溫比，即燃?xì)鉁囟扰c冷氣溫度之比如式（3）所示。

燃?xì)饴鋲罕龋慈細(xì)膺M(jìn)口壓力與出口壓力之比如式（4）所示。

式中：為葉柵出口平均靜壓，為葉柵進(jìn)口總壓。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 試驗(yàn)器組成及裝置圖

試驗(yàn)器主要由壓縮機(jī)組、進(jìn)氣系統(tǒng)、主流加溫系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、噴水降溫系統(tǒng)、二次流系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)器原理示意圖如圖1所示。靜葉綜合冷卻效果試驗(yàn)裝置由轉(zhuǎn)接段、試驗(yàn)葉柵、排氣段組成。試驗(yàn)裝置安裝在試驗(yàn)器燃燒室穩(wěn)定段出口與排氣閥之間，試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)器示意圖

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

3.2 試驗(yàn)測試葉片

在試驗(yàn)葉片中截面布置24 個(gè)測點(diǎn)，采用直徑Ф0.4mm K 型鎧裝熱電偶測量壁面溫度，熱電偶通過電火花開槽方式埋入葉片基體內(nèi)，再噴涂與葉片金屬基體導(dǎo)熱系數(shù)相近的材料，最后經(jīng)拋光處理，避免葉片表面破壞。葉片測試改裝示意圖如圖3所示。以前緣駐點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，盆側(cè)用“-”表示，背側(cè)用“+”表示，截面電偶布置位置的軸向相對距離如圖4所示。

圖3 葉片測試改裝示意圖

圖4 葉片中截面電偶布置位置

測試系統(tǒng)由傳感器、二次儀表、數(shù)據(jù)采集模塊及計(jì)算機(jī)采集等系統(tǒng)組成。試驗(yàn)過程中流量、溫度、壓力信號(hào)通過不同采集模塊傳送至計(jì)算機(jī)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 葉片中截面壁溫分布

葉片壁溫分布如圖5所示。從圖5可以看出，葉片葉盆側(cè)溫度較低，葉背側(cè)溫度較高，靠近尾緣附近溫度較高。總體冷卻效果較好，溫度在葉片材料可承受溫度范圍內(nèi)。

圖5 葉片壁溫分布

4.2 變流量比試驗(yàn)

冷卻效果隨流量比變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，冷卻效果隨流量比的增大而增大，但到達(dá)一定流量比后基本保持不變。因?yàn)殡S著流量比增大，供給葉片內(nèi)部冷卻通道中冷卻氣增多。一方面加強(qiáng)了葉片內(nèi)部冷卻通道中冷卻氣與冷卻通道壁面的換熱，冷卻帶走熱量變多。另一方面，通過葉片表面氣膜孔出流的氣體流量也增大，氣膜溫度降低厚度增大，強(qiáng)化了氣膜冷卻作用，更加有效阻隔主燃?xì)飧邷貧饬髋c葉片外表面的對流換熱，使得葉片壁溫進(jìn)一步降低。但是當(dāng)流量比進(jìn)一步增大時(shí)，冷卻氣氣膜在葉片表面的覆蓋效果變差，使得綜合冷卻效果不再明顯增大。

圖6 冷卻效果隨流量比變化曲線

4.3 變溫比試驗(yàn)

冷卻效果隨溫比變化曲線如圖7所示。

圖7 冷卻效果隨溫比變化曲線

從圖7可以看出，葉片綜合冷卻效果隨溫比的增加而降低。溫比增加，即主流燃?xì)鉁囟炔蛔儯錃鉁囟冉档汀Ｓ捎诹髁勘扰c落壓比保持不變，通入葉片內(nèi)部冷卻氣流量不變，葉片表面冷卻出流不變即氣膜在葉片表面的覆蓋情況不變[4]，葉片表面壁溫主要受冷氣溫度影響，所以壁面溫度也隨著冷卻溫度降低而逐漸降低，但是壁溫降低的幅度要小于冷卻氣溫降的幅度。

4.4 變落壓比試驗(yàn)

冷卻效果隨落壓比變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，綜合冷卻效果隨落壓比的增加基本保持不變，說明落壓比的變化并沒有對葉片冷卻效果產(chǎn)生大的影響。因?yàn)樽兟鋲罕仍囼?yàn)中，流量比不變，所以主燃?xì)饬髁亢腿~片內(nèi)部通的冷卻氣流量都不變，同時(shí)溫比也保持不變，所以落壓比變化對冷卻換熱的影響非常小，冷卻效果基本不變。

圖8 冷卻效果隨落壓比變化曲線

4.5 變雷諾數(shù)試驗(yàn)

冷卻效果隨雷諾數(shù)變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出，冷卻效果隨雷諾數(shù)的增加而緩慢減小。隨著雷諾數(shù)增大，主流燃?xì)饬髁吭龃螅捎诹髁勘炔蛔儯錃饬髁亢椭魅細(xì)饬髁烤饾u增大，冷卻流量的上升增強(qiáng)內(nèi)部換熱降低葉片壁溫，燃?xì)饬髁吭黾釉龃笕細(xì)饬魉俨⑹谷~片的熱負(fù)荷增加。由此試驗(yàn)結(jié)果可知，此共同作用的結(jié)果表現(xiàn)為主流燃?xì)饬髁吭黾訋淼娜~片熱負(fù)荷增大的影響要強(qiáng)于冷氣流量增加而帶來的葉片熱負(fù)荷減小的影響，綜合表現(xiàn)為葉片綜合冷卻效果隨雷諾數(shù)的增大而緩慢降低。

圖9 冷卻效果隨雷諾數(shù)變化曲線

采用全部4 條特性曲線的全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析，擬合了冷卻效果與流量比、溫比、落壓比、雷諾數(shù)之間的試驗(yàn)關(guān)系式（5）所示。

計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)殘差分布圖如圖10所示。依據(jù)關(guān)系式（5）冷卻效果計(jì)算值與試驗(yàn)值的殘差分布絕大多數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)介于-0.02～0.02，殘差均勻性較好。因此，本次試驗(yàn)的擬合關(guān)系式，可以用來表征4 個(gè)參數(shù)對中截面冷卻效果的影響趨勢。

圖10 計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)殘差分布圖

5 結(jié)語

一是通過冷卻效果試驗(yàn)，得到某葉片中截面溫度分布，其中葉片葉盆側(cè)溫度低，葉背側(cè)溫度高，尾緣處溫度偏高，但總體在葉片材料可承受溫度范圍內(nèi)。

二是通過分析流量比、溫比、壓比、雷諾數(shù)對冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)流量比是影響葉片冷卻效果的重要因素。雖然流量比增大，可以大幅度地提高綜合冷卻效果，但是冷氣量過大一方面使得部分氣體失去做功能力。另一方面也會(huì)帶來較大的氣動(dòng)損失，所以燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片設(shè)計(jì)中流量比是一個(gè)需要綜合考慮和衡量的變量，而不僅僅是冷卻。

三是通過多元線性回歸分析，擬合了冷卻效果與流量比、溫比、落壓比、雷諾數(shù)之間的試驗(yàn)關(guān)系式，可以用4個(gè)參數(shù)來表征葉片冷卻效果。