重型燃气轮机气冷透平气动布局设计方法与流程

本技术涉及重型燃气轮机，具体涉及重型燃气轮机气冷透平气动布局设计方法。

背景技术：

1、重型燃气轮机是以天然气等燃料燃烧产生的高温高压燃气作为工质，通过压气机、燃烧室和透平等核心部件连续完成空气压缩、燃料燃烧及高温燃气膨胀做功的大功率旋转动力装备，具有单机功率大、热效率高、启停速度快以及联合循环适配性强等特点，是大型燃气-蒸汽联合循环发电系统的核心动力设备。

2、随着重型燃气轮机燃气初温、压比及单位通流能力不断提高，透平叶片、端壁等热端部件长期工作于高温、高压、高转速以及强气动和热负荷环境中。为保证热端部件在允许温度范围内可靠运行，现有重型燃气轮机通常从压气机抽取一定比例的压缩空气作为冷却空气，使冷却空气进入透平叶片内部进行对流冷却，并通过设置于叶片表面的气膜孔向主流通道喷射，在叶片表面形成具有隔热作用的气膜保护层，由此形成气冷透平。

3、气冷透平的气动布局设计是在给定透平级数、转速、质量流量、膨胀比、冷却空气流量以及结构约束条件下，对各级静叶和动叶的叶片数量、叶高、弦长、安装角、叶型、叶栅稠度、轴向间隙、子午流道以及级间气动参数分配等进行协同配置，并统筹主燃气流动与冷却空气引入、喷射及掺混过程，使高温燃气在透平通道内按照预定的速度三角形、反力度及负荷分配逐级膨胀做功，同时抑制叶栅分离、二次流、端壁损失、叶尖泄漏损失以及冷却空气掺混损失。

4、通过合理的气动布局设计，可以改善透平内部压力场、速度场和温度场分布，在满足叶片冷却需求及热端部件温度安全裕度的基础上，降低冷却空气引入对主流气动性能的不利影响，提高透平级效率和输出功率，并兼顾叶片气动负荷、冷却能力、结构强度及运行稳定性，从而为重型燃气轮机在高燃气初温和高负荷条件下实现安全、可靠、高效及长寿命运行提供基础。

5、在气冷透平气动及冷却布局设计过程中，通常基于预定设计工况或者若干典型工况确定叶片前缘主流入射状态、压力分布以及热负荷分布，并据此配置叶片前缘气膜孔的位置、喷射方向、冷却空气流量及相应冷却覆盖区域。然而，重型燃气轮机在实际运行过程中受到转速、质量流量、级压比、上游叶排出口流场及负荷状态等因素变化的影响，进入透平叶排的实际入射状态可能偏离预定设计状态，从而引起叶片前缘局部速度场和压力场发生变化，并使前缘驻点或驻线的位置产生偏移。

6、当前缘驻点或驻线位置发生变化时，叶片前缘及其邻近区域的边界层发展状态、局部换热条件以及高热负荷区域的位置和范围将随之发生变化；与此同时，驻线与既有气膜孔排之间的相对位置也会发生改变，从而影响冷却射流的流动方向、贴壁状态及气膜覆盖效果。因此，在偏离原设计工况的运行状态下，原先按照预定工况建立的局部热负荷分布与冷却能力分布之间可能发生空间失配，使部分实际热负荷较高区域对应的气膜冷却有效度下降，造成局部冷却裕度不足。

7、上述局部热负荷异常通常发生于叶片前缘有限表面区域，其对透平总质量流量、平均燃气温度及总体气动效率等整体性能参数的影响可能相对有限，因此，仅依据整体平均气动参数或者预定工况下的冷却设计结果，难以及时反映局部热负荷分布与冷却覆盖能力之间的失配状态。在此情况下，部分叶片区域可能出现局部壁面热流升高和温度安全裕度下降，长期运行可能进一步增加热障涂层退化、叶片基体热损伤及局部热失效风险。

8、因此，如何在气冷透平气动布局设计过程中考虑运行边界变化引起的前缘驻点或驻线偏移，并根据不同运行状态下局部高热负荷区域与冷却气有效覆盖区域之间的空间匹配关系对气动和冷却布局进行协同设计，是现有技术中需要进一步解决的问题。

9、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供重型燃气轮机气冷透平气动布局设计方法，以解决上述背景技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：重型燃气轮机气冷透平气动布局设计方法，包括以下步骤：

3、采集不同运行工况下的主燃气入射角、叶片前缘压力峰值及叶片表面热流密度，根据相邻运行工况对应参数的差值提取叶片前缘驻点偏移量；

4、利用叶片前缘驻点偏移量映射预设冷却覆盖边界，计算叶片前缘驻点相对于预设冷却覆盖边界的外移距离及覆盖缺口宽度，根据外移距离及覆盖缺口宽度划定越界风险区；

5、获取越界风险区内的局部热流密度梯度，沿局部热流密度梯度的方向追踪高热负荷迁移轨迹，根据高热负荷迁移轨迹确定热冲击靶区；

6、针对热冲击靶区重排冷却气动量比及主燃气入射角分配，以压缩叶片前缘驻点偏移范围，输出对应的修正气动边界；

7、通过修正气动边界同步调整前缘冷却气流量分区及叶栅负荷分配，将叶片前缘驻点对应的高热负荷区域限制于有效冷却覆盖区域内。

8、优选的，不同运行工况按照重型燃气轮机转速、质量流量、级压比、上游叶排出口流动状态或负荷状态的变化顺序排列，各运行工况采用相同叶片表面位置基准获取主燃气入射角、叶片前缘压力峰值及叶片表面热流密度，以保持相邻运行工况对应参数的空间位置一致。

9、优选的，叶片前缘驻点偏移量包含偏移方向及偏移距离，偏移方向由相邻运行工况下叶片前缘压力峰值对应位置的移动方向限定，并通过主燃气入射角变化方向及叶片表面热流密度增加方向表征驻点迁移趋势，偏移距离取相邻叶片前缘压力峰值对应位置之间的叶片表面距离。

10、优选的，预设冷却覆盖边界分别设置于叶片前缘的压力面方向和吸力面方向，以前缘冷却气能够持续承担叶片表面热防护作用的最外侧位置限定对应边界，两个方向的预设冷却覆盖边界与叶片前缘驻点采用统一叶片表面位置基准。

11、优选的，叶片前缘压力峰值对应位置按照叶片前缘连续表面位置上的压力分布选取，在存在多个局部压力峰值时，采用主燃气前缘分流区域内压力值最大的局部压力峰值对应位置作为驻点参考位置，相邻运行工况的驻点参考位置变化用于限定叶片前缘驻点偏移量。

12、优选的，映射预设冷却覆盖边界包括将叶片前缘驻点偏移后的表面位置与压力面方向预设冷却覆盖边界及吸力面方向预设冷却覆盖边界置于统一表面位置序列中，当偏移后的表面位置越过对应方向的预设冷却覆盖边界时，取两者之间沿叶片表面的距离作为外移距离。

13、优选的，覆盖缺口宽度由被叶片前缘驻点越过的预设冷却覆盖边界向驻点外移方向延伸，在叶片表面热流密度相对于前一运行工况保持增加的连续表面区域内延续，当热流密度不再保持增加或热负荷迁移方向发生反向变化时限定覆盖缺口终止位置，以预设冷却覆盖边界至覆盖缺口终止位置的表面距离表征覆盖缺口宽度。

14、优选的，越界风险区以被叶片前缘驻点越过的预设冷却覆盖边界作为内侧边界，以偏移后的叶片前缘驻点位置和覆盖缺口终止位置中沿驻点外移方向距离内侧边界更远的位置作为外侧边界，内侧边界至外侧边界之间的连续叶片表面区域构成越界风险区。

15、优选的，局部热流密度梯度通过越界风险区内相邻表面位置对应的叶片表面热流密度变化取得，其方向指向相邻表面位置中热流密度增加的一侧，其大小表征单位叶片表面距离内的热流密度变化程度；高热负荷迁移轨迹自被越过的预设冷却覆盖边界起沿局部热流密度梯度指向的一侧连续延伸，并以局部热流密度梯度持续反向的位置限定迁移终点。

16、优选的，热冲击靶区取高热负荷迁移轨迹位于预设冷却覆盖边界外的连续表面范围，其中以热流密度沿迁移方向开始持续增加的位置限定热冲击靶区的一侧，以经过热流密度峰值后局部热流密度梯度发生反向的位置限定另一侧。

17、优选的，冷却气动量比表征进入叶片前缘对应冷却区域的冷却气动量与流经相同叶片前缘区域的主燃气动量之间的比值关系；根据热冲击靶区位于压力面方向或吸力面方向，将未发生覆盖缺口的非热冲击方向作为冷却气释放方向，并将对应的部分冷却气量转移至热冲击靶区对应方向，以改变热冲击靶区对应的冷却气动量分配。

18、优选的，主燃气入射角分配按照不同运行工况分别配置进入对应叶排的允许主燃气入射角范围，对产生叶片前缘驻点越界的运行工况，收缩驱动叶片前缘驻点继续朝越界方向迁移一侧的主燃气入射角允许范围，保留叶片前缘驻点处于有效冷却覆盖区域内对应的主燃气入射状态。

19、优选的，修正气动边界至少包括不同运行工况对应的主燃气入射角允许范围、冷却气动量比配置范围及叶片前缘驻点允许活动范围，叶片前缘驻点允许活动范围位于压力面方向预设冷却覆盖边界与吸力面方向预设冷却覆盖边界之间，各运行工况分别对应相应的主燃气入射角允许范围及冷却气动量比配置范围。

20、优选的，前缘冷却气流量分区以前缘驻点允许活动范围作为驻点活动冷却气流量分区，由驻点允许活动范围朝压力面方向延伸至压力面方向有效冷却覆盖边界的区域作为压力面侧前缘冷却气流量分区，由驻点允许活动范围朝吸力面方向延伸至吸力面方向有效冷却覆盖边界的区域作为吸力面侧前缘冷却气流量分区。

21、优选的，叶栅负荷分配通过调整叶片前缘区域与后续表面区域承担的压力变化关系实现，对热冲击靶区对应方向的前缘局部压力变化进行分散，并将对应气动负荷转移至热冲击靶区之外的连续叶片表面区域，以限制叶片前缘驻点继续向热冲击靶区方向迁移，同时维持对应运行工况下的叶排总体气动负荷。

22、优选的，同步调整按照运行工况建立气动与冷却对应关系，将同一运行工况对应的主燃气入射角允许范围、冷却气动量比配置范围及叶片前缘驻点允许活动范围分别传递至前缘冷却气流量分区和叶栅负荷分配，其中，前缘冷却气流量向热冲击靶区对应方向配置，叶栅负荷向热冲击靶区之外的叶片表面区域配置，以将叶片前缘驻点对应的高热负荷区域限定在有效冷却覆盖区域内。

23、在上述技术方案中，本技术提供的技术效果和优点：

24、本技术通过不同运行工况下主燃气入射角、叶片前缘压力峰值及叶片表面热流密度之间的连续关联，将叶片前缘驻点偏移量进一步转换为外移距离和覆盖缺口宽度，据此划定越界风险区并追踪高热负荷迁移轨迹，从而将原本难以通过整体气动参数反映的局部热负荷迁移过程转化为具有明确空间范围的热冲击靶区，有效提高对驻点偏移引起的冷却覆盖失配状态的识别能力，为后续气动边界调整提供更具针对性的依据。

25、本技术针对热冲击靶区重排冷却气动量比及主燃气入射角分配，将叶片前缘驻点偏移范围压缩至有效冷却覆盖区域内，同时通过修正气动边界协调调整前缘冷却气流量分区与叶栅负荷分配，从冷却能力和气动负荷两个方向共同约束高热负荷区域的迁移范围，有效降低局部冷却裕度不足及热流集中风险，并兼顾不同运行工况下的气动性能需求，提高气冷透平在变工况条件下的热防护适应性和运行安全性。