燃气轮机试验设备

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机试验设备。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为机械功 的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机的三大核心部件为压气机、 燃烧室和透平。其中，燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。 提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。在提高燃气初温的过程 中，需要开展大量燃烧室性能试验和透平叶片冷效试验。

相关技术中，用于燃烧室性能试验和透平叶片冷效试验的燃气轮机试验设备一般包括 燃压缸模拟件、燃烧室、用于固定试验叶片/模拟叶片的叶片夹持件、排气段、排气调节阀， 其中，燃气轮机试验设备需要通过使用耐高温的排气调节阀和排气段内的冷却措施，实现 试验段内高温高压的试验条件。而其中，排气调节法的造价高昂且采购困难，排气段通过 喷水的方法降温时容易导致燃气轮机试验设备中热应力增大，燃气轮机试验设备变形，试 验运行风险高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种燃气轮机试验设备，该燃气轮机试验设备具有结构简 单，制作成本低，采购方便的优点。

根据本发明实施例的燃气轮机试验设备包括用于安装叶片的叶片夹持件、排气段和多 个节流件，多个所述节流件可替换地设在所述排气段上，所述节流件具有连通外界和所述 排气段的内腔的节流通道，多个所述节流件的所述节流通道彼此不同。

根据本发明实施例的燃气轮机试验设备，在进行叶片冷效试验与燃烧室性能试验时， 通过更换具有不同喉部面积的节流件即可改变燃气轮机试验设备的通流能力，以获得试验 所需的高温高压运行条件。不同的节流件只需具有设定的喉部面积的节流通道即可，节流 件的结构简单，制作成本低且采购方便。

在一些实施例中，多个所述节流件的节流通道的喉部面积与可替换地安装在叶片夹持 件上的多个所述叶片的喉部面积和喉部马赫数一一对应。

在一些实施例中，所述节流通道的喉部面积A＝C·q(Ma

在一些实施例中，所述节流件内流动损失的修正系数C为1-1.02。

在一些实施例中，所述节流件上设有环绕所述节流通道的散热通道。

在一些实施例中，所述散热通道具有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均设 在所述节流件背离所述排气段的一侧。

在一些实施例中，所述散热通道内设有多个散热鳍片，多个所述散热鳍片设在所述散 热通道的内周面上。

在一些实施例中，多个所述散热鳍片绕所述节流通道的周向间隔分布。

在一些实施例中，所述节流通道的内表面设有热障涂层。

在一些实施例中，所述节流件由高温合金一体铸造成型，所述节流件的耐受温度大于 1500℃。

在一些实施例中，所述节流件上设有多个连接孔，所述排气段设有连接法兰，所述连 接法兰设有多个螺纹孔，所述连接孔与所述螺纹孔一一对应，所述节流件通过穿过所述连 接孔并与相应所述螺纹孔螺纹配合的螺栓与所述排气段相连。

附图说明

图1是根据本发明实施例的燃气轮机试验设备中节流件的正视图。

图2是根据本发明实施例的燃气轮机试验设备中节流件的纵剖视图。

图3是根据本发明实施例的燃气轮机试验设备中节流件的横剖视图。

图4是根据本发明实施例的燃气轮机试验设备中节流件的轴测图。

图5是根据本发明实施例的燃气轮机试验设备的示意图。

附图标记：

节流件1，燃压缸模拟件2，燃烧室3，叶片夹持件4，排气段5，节流通道11，散热 通道12，进水口13，出水口14，散热鳍片15。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图 描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1-图5描述根据本发明实施例的燃气轮机试验设备。

根据本发明实施例的燃气轮机试验设备包括用于安装叶片的叶片夹持件4、排气段5和 多个节流件1。多个节流件1可替换地设在排气段5上，节流件1具有连通外界和排气段5 的内腔的节流通道11，多个节流件1的节流通道11彼此不同。

根据本发明实施例的燃气轮机试验设备，在进行叶片冷效试验与燃烧室性能试验时， 通过更换具有不同喉部面积的节流件1，即可改变燃气轮机试验设备的通流能力，以获得试 验所需的高温高压运行条件。不同的节流件1只需具有设定的喉部面积的节流通道11即 可，节流件1的结构简单，制作成本低且采购方便。

如图5所示，燃气轮机试验设备包括燃压缸模拟件2、燃烧室3、用于固定试验叶片/模拟叶片的叶片夹持件4、排气段5和节流件1。叶片冷效试验与燃烧室性能试验的操作方法具体如下：由燃烧室3下方的供气管道输送压缩空气进入燃烧室3；燃烧室3对燃料流 量和压缩空气分别调节后进行燃烧，将压缩空气变为高温高压的燃气，达到试验工况预设 指标要求；高温高压燃气流过试验叶片/模拟叶片流道；试验叶片/模拟叶片出口燃气流至 排气段5，通过采用具有设定喉部面积的节流通道11的节流件1对燃气轮机试验设备内部 的燃气压力进行调节，以达到试验工况预设指标要求。

在一些实施例中，多个节流件1的节流通道11的喉部面积与可替换地安装在叶片夹持 件4上的多个叶片的喉部面积和喉部马赫数一一对应。多个节流件1中的每一者的节流通 道11的形状为收敛状，喉部面积均为固定值且各不相同。在进行叶片冷效试验/燃烧室性 能试验时，可以根据固定在叶片夹持件4上的试验叶片/模拟叶片来合理选择相应的节流件 1，保证试验的可靠运行。

在一些实施例中，节流通道11的喉部面积A＝C·q(Ma

具体地，燃气轮机真实运行工况下，透平与燃烧室3的运行存在匹配规律，通常当燃 机最高压力超过0.3MPa之后，透平第一级静叶即运行在设计膨胀比下，为上游的燃烧室3 提供了稳定的出口边界条件，使得燃烧室3内气流的马赫数基本稳定，该马赫数不会随着燃机最高压力继续升高而明显改变。第一级静叶通流能力从燃机最高压力超过0.3MPa之后不发生改变，因此燃机在真实运行的绝大部分工况中，燃烧室3和第一级透平静叶的通流能力基本不变，从而在进行叶片冷效试验和燃烧室性能试验时可以采用具有固定通流能力的节流件1。

根据流体力学的基本原理可知，节流件1通流面积和节流件1流动状态是决定节流件 1的通流能力的充分条件。在大部分试验条件下，节流件1进出口压差较大，节流件1喉部流动达到临界，马赫数Ma

在一些实施例中，考虑到工程实际的高度复杂性，在节流件1喉部面积的计算公式中， 使用节流件1内流动损失的修正系数来考虑节流件1流动损失导致的通流能力比理论计算 低的情况，节流件1内流动损失的修正系数可以根据试验前的三维CFD分析确定。节流件 1内流动损失的修正系数C为1-1.02。

在一些实施例中，节流件1上设有环绕节流通道11的散热通道12。

通过向散热通道12吹风或过水来对节流件1进行降温，进而对经过节流通道11的燃 气进行降温，由此确保不低于1500℃的燃气能够安全流过节流件1。而且，该设置不需要再对排气段5进行闭式水冷降温，保证了燃气轮机试验设备的结构稳定性，叶片冷效试验和燃烧室性能试验更可靠。

在一些实施例中，散热通道12具有进水口13和出水口14，进水口13和出水口14均设在节流件1背离排气段5的一侧。

如图1、图4和图5所示，进水口13邻近出水口14，进水口13和出水口14通过薄壁 分隔开。散热通道12为环形通道，环形通道的轴向与节流通道11的轴向一致。通过将进 水口13和出水口14设置在节流件1的右侧，节流件1的结构更简单。而且，通过采用水 冷的方式实现对节流件1的降温，冷却效果更好。

在一些实施例中，散热通道12内设有多个散热鳍片15，多个散热鳍片15设在散热通 道12的内周面上。

由此，节流件1与循环水的接触面积更大，节流件1与循环水之间的热交换系数更高， 进一步降低了节流件1的温度。

在一些实施例中，如图1和图3所示，多个散热鳍片15绕节流通道11的周向间隔分布。

由此保证节流通道11在其周向的各个位置的温度均匀，节流件1的冷却可靠性高。

在一些实施例中，节流通道11的内表面设有热障涂层。

热障涂层(TBC，Thermal barrier coating)，是一种多孔陶瓷涂层材料，其能够增加传热 热阻，由此进一步降低节流件1的温度，保证了节流件1的使用性能。

在一些实施例中，节流件1由高温合金一体铸造成型，节流件1的耐受温度大于1500℃。 由此，节流件1的耐高温性能更高，即使节流件1的水冷出现问题，节流件1也能够耐受 至少1500℃的燃气，保证了叶片冷效试验与燃烧室性能试验的可靠。

在一些实施例中，节流件1上设有多个连接孔，排气段5设有连接法兰，连接法兰设有多个螺纹孔，连接孔与螺纹孔一一对应，节流件1通过穿过连接孔并与相应螺纹孔螺纹配合的螺栓与排气段5相连。由此，通过螺栓实现节流件1与排气段5的相连，节流件1 的结构简单，燃气轮机试验设备的组装简单方便。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、 “外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附 图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指 的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明 的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领 域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅 表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可 以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些 示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的 至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同 的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施 例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将 本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。