燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统及参数设计方法与流程

1.本技术涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统及参数设计方法。


背景技术：

2.相关技术中，燃气轮机透平进气温度高、效率高、起动速度快、灵活性好，是很好的调峰发电机组。由于可再生能源发电具有随机性、波动性和间歇性，燃气轮机参与调峰对保障可再生能源装机容量占比高的新型电力系统安全起“压仓石”和“兜底”的作用。燃气轮机高温透平叶片工作温度高且频繁参与调峰，影响高温透平叶片的使用寿命和安全性。现有的叶片试验系统难以灵活适配多种不同类型的工质，需要针对不同类型的工质搭建不同的试验系统，成本较高。


技术实现要素：

3.为此，本技术提供一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统及参数设计方法。本技术的技术方案如下：
4.根据本技术实施例的第一方面，提供一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统，所述系统包括高温气体模块、试验段模块、冷却气体模块和冷却水模块，所述高温气体模块包括工质供给单元和燃烧器，其中，
5.所述工质供给单元的出口与所述燃烧器的进口连接，所述燃烧器的出口和所述冷却气体模块的出口分别与所述试验段模块的进口连接；所述试验段模块通过循环管路与所述冷却水模块连接，形成闭合回路；所述工质供给单元用于根据当前供给工质的类型，将所述当前供给工质传输至所述燃烧器中。
6.根据本技术的一个实施例，所述工质供给单元包括以下任意一项或多项：水蒸气供给子单元、二氧化碳供给子单元、空气供给子单元；所述水蒸气供给子单元、所述二氧化碳供给子单元、所述空气供给子单元均用于供给所述当前供给工质。
7.根据本技术的一个实施例，所述空气供给子单元包括离心空气压缩机、主流进气放空阀和第一控制阀，其中，所述离心空气压缩机的进口与空气气源连接；所述离心空气压缩机的出口依次连接所述第一控制阀和所述燃烧器的进口；所述主流进气放空阀安装在连接于所述离心空气压缩机与所述第一控制阀之间的管路上。根据本技术的一个实施例，所述水蒸气供给子单元包括给水泵、第二控制阀和锅炉，其中，所述给水泵的进口与水源连接；所述给水泵的出口依次连接所述第二控制阀、所述锅炉和所述燃烧器的进口。
8.根据本技术的一个实施例，所述二氧化碳供给子单元包括二氧化碳压缩机和第三控制阀，其中，所述二氧化碳压缩机的进口与二氧化碳气源连接；所述二氧化碳压缩机的出口依次连接所述第三控制阀和所述燃烧器的进口。
9.根据本技术的一个实施例，还包括排气模块，所述高温气体模块还包括回热器，其中，所述工质供给单元的出口与所述回热器的管侧进口连接，所述回热器的管侧出口与所
述燃烧器的进口连接；所述回热器的壳侧通过循环管路与所述排气模块连接，形成第一回路。
10.根据本技术的一个实施例，所述排气模块包括回热气体控制阀、减温器，其中，所述回热气体控制阀的第一端与所述试验段模块的出口连接，所述回热气体控制阀的第二端与所述回热器的壳侧进口连接；所述回热器的壳侧出口与所述减温器的进口连接，所述减温器的出口与外部连通。
11.根据本技术的一个实施例，所述冷却水模块包括冷却塔、补水水泵，其中，所述补水水泵的进口与补水水源连接；所述补水水泵的出口与所述冷却塔的进口连接；所述冷却塔通过循环管路与所述减温器的管侧连接，形成第二回路；所述冷却塔通过循环管路与所述试验段模块连接，形成第三回路。
12.根据本技术的一个实施例，所述排气模块还包括消音塔，其中，所述减温器的出口与所述消音塔的进口连接，所述消音塔的出口与外部连通。
13.根据本技术的一个实施例，所述高温气体模块还包括主流流量喷嘴，其中，
14.所述工质供给单元的出口与所述主流流量喷嘴的进口连接，所述主流流量喷嘴的出口与所述燃烧器的进口连接。
15.根据本技术的一个实施例，所述高温气体模块还包括主流流量喷嘴，其中，所述工质供给单元的出口与所述主流流量喷嘴的进口连接，所述主流流量喷嘴的出口与所述燃烧器的进口连接。
16.根据本技术的一个实施例，所述试验段模块包括壳体、静叶片试验件和动叶片试验件，所述静叶片试验件有多个，所述动叶片试验件有多个，其中，多个所述静叶片试验件和多个所述动叶片试验件均安装在所述壳体上；其中，所述多个所述静叶片试验件和多个所述动叶片试验件能够同时进行性能测试试验；所述燃烧器的出口和所述冷却气体模块的出口分别与所述壳体的进口连接；所述壳体的出口分别与所述冷却水模块的进口和所述排气模块的进口连接。
17.根据本技术的一个实施例，所述多个所述静叶片试验件和多个所述动叶片试验件分别通过3d打印得到。
18.根据本技术的一个实施例，多个所述静叶片试验件和多个所述动叶片试验件同时用于进行以下任意一项或多项试验：降冷却效果试验、全温等落压比热态寿命试验；其中，所述冷却效果试验包括降温等落压比冷却效果试验和全温等落压比冷却效果试验。
19.根据本技术的一个实施例，所述冷却气体模块包括冷却气体放空阀、冷却气体控制阀，其中，所述冷却气体控制阀的第一端与所述回热器的管侧出口连接，冷却气体控制阀的第二端与所述试验段模块的进口连接；所述冷却气体放空阀安装在连接于所述冷却气体控制阀的第一端与所述回热器的管侧出口之间的管路上。
20.根据本技术的一个实施例，所述冷却气体模块还包括超声波流量计，其中，所述超声波流量计的第一端与所述冷却气体控制阀的第二端连接；所述超声波流量计的第二端与所述试验段模块的进口连接。
21.根据本技术实施例的第二方面，提供一种应用于如第一方面所述的一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统的参数设计方法，包括：
22.获取预设的试验段模块燃气初始温度值；
23.获取所述排气模块的排气压损值，基于所述排气压损值，确定所述试验段模块的背压值；
24.获取预设燃气轮机透平的静叶片进口总压和透平的动叶片出口背压，基于所述透平的静叶片进口总压和所述透平的动叶片出口背压，确定所述预设燃气轮机透平的叶片落压比；
25.基于所述验段模块的背压值和所述预设燃气轮机透平的叶片落压比，确定试验段模块燃气总压；
26.基于所述试验段模块的燃气初始温度值、所述试验段模块的进口总压、试验段模块的静叶片试验件流道数量，以及燃气轮机设计的透平静叶片的进口燃气流量、进口总温、进口总压、透平静叶片设计流道总数，确定所述试验段模块进口的燃气流量；
27.基确定所述试验段模块的进口冷却工质总温；
28.基于所述试验段模块进口燃气流量，确定所述试验段模块冷却工质的流量；
29.基于所述静叶片试验件冷却气体总温、静叶片试验件冷却气体流量、静叶片试验件数量，以及预设燃气轮机透平静叶片冷却气体总温、透平静叶片冷却气体总压、静叶片冷却气体流量、静叶片总数，确定所述试验段模块冷却工质总压。
30.根据本技术的一个实施例，进口所述确定所述试验段模块的进口冷却工质的流量，包括，
31.基于所述试验段模块进口的进气流量、静叶片试验件数量、静叶片试验件流道数量、燃气轮机设计的透平静叶片进口燃气流量、静叶片总数，静叶片流道总数、静叶片冷却气体的流量，确定所述静叶片试验件的冷却工质流量；
32.基于所述试验段模块进口的进口燃气流量、动叶片试验件数量、动叶片试验件流道数量，以及燃气轮机设计的透平静叶片进口燃气流量、动叶片总数，动叶片流道总数、动叶片冷却气体的流量，确定所述动叶片试验件的冷却工质流量；
33.基于所述静叶片试验件的冷却工质流量和所述动叶片试验件的冷却工质流量，确定所述试验段模块冷却工质的流量。
34.根据本技术的一个实施例，所述获取预设的试验段模块燃气初始温度值，包括：
35.确定目标实验工况；其中，所述目标实验类型包括降温等落压比实验工况、全温等落压比实验工况；
36.响应于所述目标实验工况为所述降温等落压比实验工况，获取所述预设的试验段模块第一燃气初始温度值，将所述第一燃气初始温度值确定为所述燃气初始温度值；其中，所述第一燃气初始温度值小于实际燃气轮机的燃气初始温度值；
37.响应于所述目标实验工况为所述全温等落压比实验工况，获取所述预设的试验段模块第二燃气初始温度值，将所述第二燃气初始温度值确定为所述燃气初始温度值；其中，所述第二燃气初始温度值等于实际燃气轮机的燃气初始温度值。
38.根据本技术的一个实施例，所述确定所述试验段模块的进口冷却工质总温，包括，
39.响应于所述目标实验工况为所述全温等落压比实验工况，获取预设的第一试验段模块冷却蒸汽总温，将所述第一试验段模块冷却蒸汽总温确定为所述进口冷却工质总温；
40.响应于所述目标实验工况为所述降温等落压比实验工况，基于所述预设的试验段模块燃气初始温度值，确定所述第一试验段模块冷却蒸汽总温。
41.根据本技术的一个实施例，所述方法用于进行以下任意一项或多项试验：
42.降冷却效果试验、全温等落压比热态寿命试验；其中，所述冷却效果试验包括降温等落压比冷却效果试验和全温等落压比冷却效果试验。
43.根据本技术的一个实施例，所述全温等落压比热态寿命试验的方法包括：
44.基于当前供给工质的类型，控制所述工质供给单元将当前供给工质分别输送至所述回热器和所述冷却气体模块；
45.控制所述冷却气体模块的所述冷却气体控制阀打开；
46.控制所述冷却水模块的所述补水水泵开启；
47.控制所述高温气体模块的所述燃烧器点火；
48.获取所述燃烧器当前出口燃气温度值和目标温度值；
49.响应于所述燃烧器的当前出口燃气温度值达到所述目标温度值，控制所述燃烧器在所述当前出口燃气温度值下保持预设时长；
50.控制所述燃烧器熄灭；
51.获取冷却气体温度、预设温度差值、所述动叶片试验件和所述静叶片试验件的基体测量温度；
52.响应于所述基体测量温度于所述冷却气体温度之差小于预设温度差值，重复执行所述控制所述高温气体模块的所述燃烧器点火的步骤；
53.响应于所述燃烧器点火次数大于预设点火次数，停止执行所述控制所述高温气体模块的所述燃烧器点火的步骤。
54.根据本技术的一个实施例，所述冷却效果试验的方法包括：
55.获取透平静叶片试验件和动叶片试验件的基体表面测点温度和基体材料工作温度的上限值；
56.将所述基体表面测点温度与所述基体材料工作温度的上限值进行比较，得到比较结果；
57.基于试验段模块燃气温度、静叶片试验件和动叶片试验件中间截面基体表面平均温度、试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片平均冷却效率；
58.基于试验段模块燃气温度、静叶片试验件和动叶片试验件中间截面基体表面局部温度和试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片局部冷却效率；
59.基于试验段模块燃气温度、试验段模块冷却气体温度、透平叶片基体表面最大温度和透平叶片基体表面最小温度，确定透平叶片基体表面透平叶片相对温差；
60.根据所述比较结果、透平叶片局部冷却温度效率效果和透平叶片透平叶片相对温差基体表面最小温度，对透平叶片的冷却效果进行评估。
61.本技术的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
62.通过工质供给单元，根据当前供给工质的类型，将当前供给工质传输至所述燃烧器中，能够适配多种不同的工质，进而能够完成多种工质的燃气轮机的高温透平叶片性能验证试验，提高了系统的实用性，有效降低了成本；另外，将静叶片试验件和动叶片试验件安装在同一个壳体上，能够同时对静叶片试验件和动叶片试验件进行试验，有效降低了性能验证实验的成本。
63.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不
能限制本技术。
附图说明
64.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理，并不构成对本技术的不当限定。
65.图1为本技术实施例中提出的一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统的结构框图；
66.图2为本技术实施例中提出的一种高温气体模块的示意图；
67.图3为本技术实施例中提出的工质为空气的试验段模块示意图；
68.图4为本技术实施例中提出的工质为空气的冷却气体模块的示意图；
69.图5为本技术实施例中提出的工质为空气的排气模块的示意图；
70.图6为本技术实施例中提出的冷却水模块的示意图；
71.图7为本技术实施例中提出的工质为水蒸气的高温气体模块的示意图；
72.图8为本技术实施例中提出的试验段模块的10只透平静叶片的示意图；
73.图9为本技术实施例中提出的工质为水蒸气的冷却气体模块的示意图；
74.图10为本技术实施例中提出的工质为水蒸气的排气模块的示意图；
75.图11为本技术实施例中提出的工质为二氧化碳的高温气体模块的示意图；
76.图12为本技术实施例中提出的试验段模块的7只透平静叶片的示意图；
77.图13为本技术实施例中提出的工质为二氧化碳的冷却气体模块的示意图；
78.图14为本技术实施例中提出的工质为二氧化碳的排气模块的示意图；
79.图15为本技术实施例中提出的一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统的参数设计方法流程图；
80.图16是本技术实施例中提出的热态寿命试验的方法流程图；
81.图17是本技术实施例中提出的冷却效果试验的方法流程图。
82.附图标记
83.1、高温气体模块；2、试验段模块；3、冷却气体模块；4、排气模块；5、冷却水模块；6、离心空气压缩机；7、主流进气放空阀；8、第一控制阀；9、主流流量喷嘴；10、回热器；11、金属膨胀节；12、燃烧器；13、二氧化碳储气罐；14、二氧化碳压缩机；15、水箱；16、给水泵；17、锅炉；18、静叶片试验件；19、动叶片试验件；20、冷却气体放空阀；21、冷却气体控制阀；22、超声波流量计；24、回热气体控制阀；25、减温器；26、预冷器；27、消音塔；28、补水水泵；29、补水管道阀门；30、进水管道阀门；31、回水管道阀门；32、冷却塔；33、第二控制阀；34、第三控制阀；35、壳体。
具体实施方式
84.为了使本领域普通人员更好地理解本技术的技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
85.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
86.需要说明的是，燃气轮机透平进气温度高、效率高、起动速度快、灵活性好，是很好的调峰发电机组。由于可再生能源发电具有随机性、波动性和间歇性，燃气轮机参与调峰对保障可再生能源装机容量占比高的新型电力系统安全起“压仓石”和“兜底”的作用。燃气轮机高温透平叶片工作温度高且频繁参与调峰，影响高温透平叶片的使用寿命和安全性。现有的叶片试验系统难以灵活适配多种不同类型的工质，需要针对不同类型的工质搭建不同的试验系统，成本较高。
87.基于上述问题，本技术提出了一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统及参数设计方法，可以实现通过工质供给单元，根据当前供给工质的类型，将当前供给工质传输至燃烧器中，能够适配多种不同的工质，进而能够完成多种工质的燃气轮机的高温透平叶片性能验证试验，提高了系统的实用性，有效降低了成本；另外，将静叶片试验件和动叶片试验件安装在同一个壳体上，能够同时对静叶片试验件和动叶片试验件进行试验，有效降低了性能验证实验的成本。
88.如图1、图2所示，该燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统包括高温气体模块1、试验段模块2、冷却气体模块3和冷却水模块5，高温气体模块1包括工质供给单元和燃烧器12，其中，工质供给单元的出口与燃烧器12的进口连接，燃烧器12的出口和冷却气体模块3的出口分别与试验段模块2的进口连接；试验段模块2通过循环管路与冷却水模块5连接，形成闭合回路；工质供给单元用于根据当前供给工质的类型，将当前供给工质传输至燃烧器12中。
89.可以理解的是，流体工质所具有的能量在流动中经过透平的喷管时转换成动能，流过转子时，流体工质冲击叶片，推动转子转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。工质的类型有多种，不同的工质需要通过不同的设备进行供给。
90.需要说明的是，试验段模块2可以是用于安装透平叶片试验件的模块。
91.作为一种可能的示例，工质供给单元根据当前供给工质的类型，将当前供给工质通过与之对应的设备供给至燃烧器12中，燃烧器12通过燃烧燃料产生热量，通过产生的热量加热工质，加热后的工质进入到实验段模块中，对试验段模块2中的叶片试验件进行加热，然后工质部分排到大气中。
92.需要说明的是，试验段模块2的壳体设计为双层壳体，双层壳体之间加装隔热材料，冷却气体从静叶片试验件的顶部与动叶片试验件的根部进入透平静叶片试验件与动叶片试验件的内部冷却通道，冷却气体从静叶片试验件与动叶片试验件的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温气体，试验段模块前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水模块连接，双层管道之间采用来自冷却水模块5的冷却水冷却。
93.根据本技术实施例的燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统，通过将工质供给单元的出口与燃烧器的进口连接，燃烧器的出口和冷却气体模块的出口分别与试验段模块的进口连接，试验段模块通过循环管路与冷却水模块连接，形成闭合回路，工质供给单元用
于根据当前供给工质的类型，将当前供给工质传输至燃烧器中，能够适配多种不同的工质，提高了系统的实用性，有效降低了成本。
94.在本技术一些实施例中，工质供给单元可以包括以下任意一项或多项：水蒸气供给子单元、二氧化碳供给子单元、空气供给子单元。水蒸气供给子单元、二氧化碳供给子单元、空气供给子单元均用于供给当前供给工质。
95.可以理解的是，工质可以是水蒸气，还可以是二氧化碳，还可以是空气。
96.可选的，燃烧器12采用的燃料可以是天然气、石油、氢气、煤气化合成气中的一种或多种。
97.举例来说，在该系统上开展燃气轮机透平全尺寸静叶片试验件18与全尺寸动叶片试验件19的多工质试验，可以包括以下任一种：
98.采用空气为工质、天然气或石油为燃料的试验，应用于燃用天然气或石油的燃气轮机高温透平叶片的试验；
99.采用空气为工质、天然气与氢气为燃料，应用于混氢燃气轮机高温透平叶片的试验；
100.采用空气为工质、煤气化合成气为燃料，应用于整体煤气化联合循环燃气轮机高温透平叶片的试验；
101.采用水蒸气为工质、氢气为燃料的纯氧燃烧，应用于全氢低排放燃气轮机高温透平叶片的试验；
102.采用二氧化碳为工质、天然气为燃料的纯氧燃烧，应用于低成本二氧化碳捕捉燃气轮机高温透平叶片的试验；
103.采用二氧化碳为工质、氢气为燃料的纯氧燃烧，应用于二氧化碳发电循环燃气轮机高温透平叶片的试验。
104.在本技术一些实施例中，如图2所示，空气供给子单元包括离心空气压缩机6、主流进气放空阀7和第一控制阀8，其中，离心空气压缩机6的进口与空气气源连接；离心空气压缩机6的出口依次连接第一控制阀8和燃烧器12的进口；主流进气放空阀7安装在连接于离心空气压缩机6与第一控制阀8之间的管路上。
105.作为一种可能的示例，需要供给工质时，主流进气放空阀7和第一控制阀8打开，离心空气压缩机6将来自空气气源的空气压缩至燃烧器12中，燃烧器12将空气加热后输入至试验段模块2中。可选的，可以通过调整主流进气放空阀7与控制阀的开度来控制主流空气的流量与压力。
106.可选的，空气供给子单元还可以包括金属膨胀节11，金属膨胀节11连接于离心空气压缩机6与燃烧器12之间的管路上，用与吸收进气管道的膨胀量。
107.在本技术一些实施例中，如图7所示，水蒸气供给子单元包括给水泵16、第二控制阀33和锅炉17，其中，给水泵16的进口与水源连接；给水泵16的出口依次连接第二控制阀33、锅炉17和燃烧器12的进口。
108.可选的，水源可以是水箱15。
109.在本技术一些实施例中，如图11所示，二氧化碳供给子单元包括二氧化碳压缩机14和第三控制阀，其中，二氧化碳压缩机14的进口与二氧化碳气源连接；二氧化碳压缩机14的出口依次连接第三控制阀和燃烧器12的进口。
110.作为一种可能的示例，需要供给工质时，第三控制阀34打开，二氧化碳压缩机14将来自二氧化碳气源的二氧化碳输入至燃烧器12中进行加热。
111.可选的，二氧化碳气源可以是二氧化碳储气罐13。
112.作为一种可能的示例，水蒸气供给子单元的出口、二氧化碳供给子单元的出口、空气供给子单元的出口均与燃烧器12的进口连接，可以通过第一控制阀8控制空气供给子单元向燃烧器12供给空气，可以通过第二控制阀33控制水蒸气供给子单元向燃烧器12供给水蒸气，可以通过第三控制阀34控制二氧化碳供给子单元向燃烧器12供给二氧化碳。即根据当前供给工质类型，控制相应控制阀的开闭，进而实现采用不同的工质供给设备进行工质供给。
113.在本技术一些实施例中，如图1、图2所示，该系统还包括排气模块4，高温气体模块1还包括回热器10，其中，工质供给单元的出口与回热器10的管侧进口连接，回热器10的管侧出口与燃烧器12的进口连接；回热器10的壳侧通过循环管路与排气模块4连接，形成第一回路。
114.在本技术一些实施例中，如图5、图10、图14所示，排气模块4包括回热气体控制阀24、减温器25，其中，回热气体控制阀24的第一端与试验段模块2的出口连接，回热气体控制阀24的第二端与回热器10的壳侧进口连接；回热器10的壳侧出口与减温器25的进口连接，减温器25的出口与外部连通。回热器10用于利用试验段模块2的排气来预热高温气体模块1的主流空气。
115.作为一种可能的示例，若当前供给工质为空气，减温器25的出口可以与大气连通；若当前供给工质为水蒸气，减温器25的出口可以与水箱15连通；若当前供给工质为二氧化碳，减温器25的出口可以与二氧化碳储气罐13连通。
116.可选的，高温气体模块1、冷却气体模块3、排气模块4的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块5的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃。
117.可选的，高温气体模块1的回热器10前后的管道上可以安装压力测点与温度测点、燃烧器12后的管道上可以安装压力测点与温度测点。
118.在本技术一些实施例中，如图5所示，排气模块4还包括消音塔27，其中，减温器25的出口与消音塔27的进口连接，消音塔27的出口与外部连通。消音塔27安装在排气减温器25后面，排气进入消音塔27以降低高速气流产生的噪音后，再排入大气。
119.在本技术一些实施例中，如图6所示，冷却水模块5包括冷却塔32、补水水泵28，其中，补水水泵28的进口与补水水源连接；补水水泵28的出口与冷却塔32的进口连接；冷却塔32通过循环管路与减温器25的管侧连接，形成第二回路；冷却塔32通过循环管路与试验段模块2连接，形成第三回路。
120.作为一种可能的示例，补水水泵28为冷却水模块5提供补水，连接于补水水泵28与冷却塔32之间的管路上安装有补水管道阀门29。冷却塔32将补水进行冷却后通过输送管路分别输送至排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道，每条上述输送管道上均安装有进水管道阀门30。排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道分别通过回水管路将换热后的冷却水输送回冷却塔32中，上述每条回水管路上分别安装有回水管道阀门31。
121.在本技术一些实施例中，如图2所示，高温气体模块1还包括主流流量喷嘴9，其中，
工质供给单元的出口与主流流量喷嘴9的进口连接，主流流量喷嘴9的出口与燃烧器12的进口连接。
122.在本技术一些实施例中，如图3所示，试验段模块2包括壳体35、静叶片试验件18和动叶片试验件19，静叶片试验件18有多个，动叶片试验件19有多个，其中，多个静叶片试验件18和多个动叶片试验件19均安装在壳体35上；其中，多个静叶片试验件18和多个动叶片试验件19能够同时进行性能测试试验；燃烧器12的出口和冷却气体模块3的出口分别与壳体35的进口连接；壳体35的出口分别与冷却水模块5的进口和排气模块4的进口连接。
123.作为一种可能的示例，如图3所示，试验段模块2由5只透平静叶片试验件18与10只动叶片试验件19组成，的试验段模块2用来测量透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的基体金属温度，试验段模块2的进气来自高温气体模块1的高温燃气，试验段模块2的排气进入排气模块4，透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的材料的化学成分与实际透平叶片基体的化学成分相同。在试验段上安装5只全尺寸透平静叶片试验件18与10只全尺寸动叶片试验件19，构成透平4个静叶片试验件18的流道与9个动叶片试验件19的流道，在中间3只全尺寸透平静叶片试验件18与中间8只动叶片试验件19的上安装金属壁温测点，试验段模块2的壳体35设计为双层壳体35，双层壳体35之间加装隔热材料，冷却气体从静叶片试验件18的顶部与动叶片试验件19的根部进入透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的内部冷却通道，冷却气体从静叶片试验件18与动叶片试验件19的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温气体，试验段模块2前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水模块5连接，双层管道之间采用冷却水冷却。
124.在本技术一些实施例中，多个静叶片试验件18和多个动叶片试验件19同时用于进行以下任意一项或多项试验：降冷却效果试验、全温等落压比热态寿命试验；其中，冷却效果试验包括降温等落压比冷却效果试验和全温等落压比冷却效果试验。
125.可以理解的是，将多个静叶片试验件和多个动叶片试验件均安装在壳体上，可以实现一次试验，同时完成燃气轮机透平静叶片与动叶片的冷却效果验证试验或热态寿命试验，相对于分别进行静叶片或动叶片的冷却效果验证试验或热态寿命试验，有效降低了验证试验的费用。
126.在本技术一些实施例中，多个静叶片试验件18和多个动叶片试验件19分别通过3d打印得到。采用增材制造(3d打印)技术生产静叶片试验件18与动叶片试验件19，能有效缩短透平叶片的研制周期。
127.可以理解的是，透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的材料的化学成分与实际透平叶片基体的化学成分相同，为了缩短透平叶片的研制周期，采用增材制造(3d打印)技术生产静叶片试验件18与动叶片试验件19。
128.在本技术一些实施例中，冷却水模块5包括冷却气体放空阀20、冷却气体控制阀21，其中，冷却气体控制阀21的第一端与回热器10的管侧出口连接，冷却气体控制阀21的第二端与试验段模块2的进口连接；冷却气体放空阀20安装在连接于冷却气体控制阀21的第一端与回热器10的管侧出口之间的管路上。
129.作为一种可能的示例，冷却空气来自高温气体模块1的回热器10的出口，通过调整冷却气体放空阀20与冷却气体控制阀21的开度来控制冷却空气的压力和流量，冷却气体温度与高温气体模块1进入燃烧器12之前空气温度一致。
130.在本技术一些实施例中，冷却水模块5还包括超声波流量计22，其中，超声波流量计22的第一端与冷却气体控制阀21的第二端连接；超声波流量计22的第二端与试验段模块2的进口连接。超声波流量计22用于测量冷却空气的流量。
131.作为一种可能的示例，的主流流量喷嘴9与超声波流量计22的前面分别设计有20倍管道直径的直管段，主流流量喷嘴9与超声波流量计22的的后面分别设计有10倍管道直径的直管段，以保证流量测量精度。
132.举例来说，如图2所示高温气体模块1，工质采用空气，高温气体模块1包括离心空气压缩机6、主流进气放空阀7、第一控制阀8、主流流量喷嘴9、回热器10、进气管道与金属膨胀节11、燃烧器12，离心空气压缩机6提供主流空气，通过调整主流进气放空阀7与第一控制阀8的开度来控制主流空气的流量与压力，主流流量喷嘴9用来测量主流空气流量，回热器10利用试验段模块2的排气来预热主流空气达到100℃至600℃，金属膨胀节11用来吸收进气管道的膨胀量，主流空气在燃烧器12中与喷入的天然气、或石油、或氢气、或煤气化合成气等燃料相混合并燃烧产生700℃至1800℃的主流高温燃气；
133.如图3所示的试验段模块2，由5只透平静叶片试验件18与10只动叶片试验件19组成，的试验段模块2用来测量透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的基体金属温度，试验段进气来自高温气体模块1的高温燃气，试验段的排气进入排气模块4，透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的材料的化学成分与实际透平叶片基体的化学成分相同，为了缩短透平叶片的研制周期，采用增材制造(3d打印)技术生产静叶片试验件18与动叶片试验件19，在试验段上安装5只全尺寸透平静叶片试验件18与10只全尺寸动叶片试验件19，构成透平4个静叶片试验件18的流道与9个动叶片试验件19的流道，在中间3只全尺寸透平静叶片试验件18与中间8只动叶片试验件19的上安装金属壁温测点，试验段模块2的壳体35设计为双层壳体35，双层壳体35之间加装隔热材料，冷却气体从静叶片试验件18的顶部与动叶片试验件19的根部进入透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的内部冷却通道，冷却气体从静叶片试验件18与动叶片试验件19的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温气体，试验段模块2前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水模块5连接，双层管道之间采用冷却水冷却；
134.如图4所示的冷却气体模块3，冷却气体也采用空气，冷却气体模块3包括冷却气体放空阀20、冷却气体控制阀21、超声波流量计22，冷却空气来自高温气体模块1的回热器10的出口，通过调整却气体放空阀20与冷却气体控制阀21的开度来控制冷却空气的压力和流量，超声波流量计22用来测量冷却空气的流量，冷却气体温度与高温气体模块1进入燃烧器12之前空气温度一致，冷却气体模块3出口空气温度达到100℃至600℃；
135.如图5所示的排气模块4，试验段模块2的排气进入排气模块4后，通过回热气体控制阀24与高温气体模块1的回热器10进行热交换，通过回热气体控制阀24调节回热排汽流量来控制主流空气与冷却气体的温度，离开回热器10的空气进入排气模块4的减温器25，冷却水喷入减温器25来降低排气温度，消音塔27安装排气减温器25后面，排气进入消音塔27以降低高速气流产生的噪音后，再排入大气；
136.如图6所示的冷却水模块5，补水水泵28为冷却水模块5提供补水，连接于补水水泵28与冷却塔32之间的管路上安装有补水管道阀门29。冷却塔32将补水进行冷却后通过输送管路分别输送至排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道，每条上述输送管
道上均安装有进水管道阀门30。排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道分别通过回水管路将换热后的冷却水输送回冷却塔32中，上述每条回水管路上分别安装有回水管道阀门31。
137.可选的，透平叶片的高温气体模块1、冷却气体模块3、排气模块4的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块5的回水管道，外侧均可以加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；
138.可选的，主流流量喷嘴9与超声波流量计22的前面可以设置有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，以保证流量测量精度；
139.可选的，高温气体模块1的回热器10前后的管道上可以安装压力测点与温度测点、燃烧器12后的管道上安装压力测点与温度测点。
140.图15为本技术实施例中提出的一种燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统的参数设计方法流程示意图。
141.如图15所示，该燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统
142.燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统的参数设计方法，包括：
143.步骤151，获取预设的试验段模块燃气初始温度值；
144.步骤152，获取排气模块的排气压损值，基于排气压损值，确定试验段模块的背压值；
145.步骤153，获取预设燃气轮机透平的静叶片进口总压和透平的动叶片出口背压，基于透平的静叶片进口总压和透平的动叶片出口背压，确定预设燃气轮机透平的叶片落压比；
146.步骤154，基于验段模块的背压值和预设燃气轮机透平的叶片落压比，确定试验段模块燃气总压；
147.步骤155，基于试验段模块的燃气初始温度值、试验段模块的进口总压、试验段模块的静叶片试验件流道数量，以及燃气轮机设计的透平静叶片的进口燃气流量、进口总温、进口总压、透平静叶片设计流道总数，确定试验段模块进口的燃气流量；
148.步骤156，确定试验段模块的进口冷却工质总温；
149.其中，步骤156具体包括：
150.响应于目标实验工况为全温等落压比实验工况，获取预设的第一试验段模块冷却蒸汽总温，将第一试验段模块冷却蒸汽总温确定为进口冷却工质总温；
151.响应于目标实验工况为降温等落压比实验工况，基于预设的试验段模块燃气初始温度值，确定第一试验段模块冷却蒸汽总温。
152.步骤157，基于试验段模块进口燃气流量，确定试验段模块冷却工质的流量；
153.其中，步骤157具体包括：
154.步骤1571，基于试验段模块进口的进气流量、静叶片试验件数量、静叶片试验件流道数量、燃气轮机设计的透平静叶片进口燃气流量、静叶片总数，静叶片流道总数、静叶片冷却气体的流量，确定静叶片试验件的冷却工质流量；
155.步骤1572，基于试验段模块进口的进口燃气流量、动叶片试验件数量、动叶片试验件流道数量，以及燃气轮机设计的透平静叶片进口燃气流量、动叶片总数，动叶片流道总数、动叶片冷却气体的流量，确定动叶片试验件的冷却工质流量；
156.步骤1573，基于静叶片试验件的冷却工质流量和动叶片试验件的冷却工质流量，确定试验段模块冷却工质的流量。
157.步骤158，基于静叶片试验件冷却气体总温、静叶片试验件冷却气体流量、静叶片试验件数量，以及预设燃气轮机透平静叶片冷却气体总温、透平静叶片冷却气体总压、静叶片冷却气体流量、静叶片总数，确定试验段模块冷却工质总压。
158.在本技术一些实施例中，获取预设的试验段模块燃气初始温度值，包括：
159.步骤a：确定目标实验工况；其中，目标实验类型包括降温等落压比实验工况、全温等落压比实验工况；
160.步骤b：响应于目标实验工况为降温等落压比实验工况，获取预设的试验段模块第一燃气初始温度值，将第一燃气初始温度值确定为燃气初始温度值；其中，第一燃气初始温度值小于实际燃气轮机的燃气初始温度值；
161.步骤c：响应于目标实验工况为全温等落压比实验工况，获取预设的试验段模块第二燃气初始温度值，将第二燃气初始温度值确定为燃气初始温度值；其中，第二燃气初始温度值等于实际燃气轮机的燃气初始温度值。
162.作为一种可能的示例，在该系统上开展燃气轮机透平全尺寸静叶片试验件与动叶片试验件的多工况试验，可以包括：降温等落压比试验；全温等落压比试验；
163.在该系统上开展燃气轮机全尺寸静叶片试验件与动叶片试验件的多用途试验，可以包括：全尺寸静叶片试验件与动叶片试验件的降温等落压比冷却效果试验；全尺寸静叶片试验件与动叶片试验件的全温等落压比冷却效果试验；以及全尺寸静叶片试验件与动叶片试验件的热障涂层与基体的全温等落压比的热态寿命试验。
164.在本技术一些实施例中，如图16所示，冷却效果试验的方法包括：
165.步骤161，获取透平静叶片试验件和动叶片试验件的基体表面测点温度和基体材料工作温度的上限值；
166.步骤162，将基体表面测点温度与基体材料工作温度的上限值进行比较，得到比较结果；
167.步骤163，基于试验段模块燃气温度、静叶片试验件和动叶片试验件中间截面基体表面平均温度、试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片平均冷却效率；
168.步骤164，基于试验段模块燃气温度、静叶片试验件和动叶片试验件中间截面基体表面局部温度和试验段模块冷却气体温度，确定透平叶片局部冷却效率；
169.步骤165，基于试验段模块燃气温度、试验段模块冷却气体温度、透平叶片基体表面最大温度和透平叶片基体表面最小温度，确定透平叶片基体表面透平叶片相对温差；
170.步骤166，根据比较结果、透平叶片局部冷却温度效率效果和透平叶片透平叶片相对温差基体表面最小温度，对透平叶片的冷却效果进行评估。
171.实施例一
172.某型号300mw的f级燃气轮透平第1级静叶片和动叶片，该级透平叶片的设计参数列于表1。开展该级叶片降温等落压比的冷却效果试验，工质和冷却气体均为空气，采用图1所示的燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统、图2所示的工质为空气高温气体模块1、图3所示的试验段模块2的5只透平静叶片试验件18、图4所示的工质为空气的冷却气体模块3、图5所示的工质为空气排气模块4、图6所示的冷却水模块5。
173.表1透平叶片的设计参数表
[0174][0175]
如图2所示,高温气体模块1，工质采用空气，高温气体模块1包括离心空气压缩机6、主流进气放空阀7、控制阀8、主流流量喷嘴9、回热器10、进气管道与金属膨胀节11、燃烧器12，离心空气压缩机6提供主流空气，通过调整主流进气放空阀7与控制阀8的开度来控制主流空气的流量与压力，主流流量喷嘴9用来测量主流空气流量，回热器10利用试验段模块2的排气来预热主流空气达到100℃至600℃，金属膨胀节11用来吸收进气管道的膨胀量，主流空气在燃烧器12中与喷入的天然气、或石油、或氢气、或煤气化合成气等燃料相混合并燃烧产生700℃至1800℃的主流高温燃气；
[0176]
如图3所示的试验段模块2，由5只透平静叶片试验件18与10只动叶片试验件19组成，的试验段模块2用来测量透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的基体金属温度，试验段进气来自高温气体模块1的高温燃气，试验段的排气进入排气模块4，透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的材料的化学成分与实际透平叶片基体的化学成分相同，为了缩短透平叶片的研制周期，采用增材制造(3d打印)技术生产静叶片试验件18与动叶片试验件19，在试验段上安装5只全尺寸透平静叶片试验件18与10只全尺寸动叶片试验件19，构成透平4个静叶片试验件18的流道与9个动叶片试验件19的流道，在中间3只全尺寸透平静叶片试验件18与中间8只动叶片试验件19的上安装金属壁温测点，试验段模块2的壳体35设计为双层壳体35，双层壳体35之间加装隔热材料，冷却气体从静叶片试验件18的顶部与动叶片试验件19的根部进入透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的内部冷却通道，冷却气体从静叶片试验件18与动叶片试验件19的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温气体，试验段模块2前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水模块5连接，双层管道之间采用冷却水冷却；
[0177]
如图4所示的冷却气体模块3，冷却气体也采用空气，冷却气体模块3包括冷却气体放空阀20、冷却气体控制阀21、超声波流量计22，冷却空气来自高温气体模块1的回热器10的出口，通过调整却气体放空阀20与冷却气体控制阀21的开度来控制冷却空气的压力和流量，超声波流量计22用来测量冷却空气的流量，冷却气体温度与高温气体模块1进入燃烧器12之前空气温度一致，冷却气体模块3出口空气温度达到100℃至600℃；
[0178]
如图5所示的排气模块4，试验段模块2的排气进入排气模块4后，通过回热气体控制阀24与高温气体模块1的回热器10进行热交换，通过回热气体控制阀24调节回热排汽流量来控制主流空气与冷却气体的温度，离开回热器10的空气进入排气模块4的减温器25，冷却水喷入减温器25来降低排气温度，消音塔27安装排气减温器25后面，排气进入消音塔27以降低高速气流产生的噪音后，再排入大气；
[0179]
如图6所示的冷却水模块5，作为一种可能的示例，补水水泵28为冷却水模块5提供补水，连接于补水水泵28与冷却塔32之间的管路上安装有补水管道阀门29。冷却塔32将补水进行冷却后通过输送管路分别输送至排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道，每条上述输送管道上均安装有进水管道阀门30。排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道分别通过回水管路将换热后的冷却水输送回冷却塔32中，上述每条回水管路上分别安装有回水管道阀门31；
[0180]
的透平叶片的高温气体模块1、冷却气体模块3、排气模块4的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块5的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；
[0181]
的主流流量喷嘴9与超声波流量计22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，以保证流量测量精度；
[0182]
高温气体模块1的回热器10前后的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧器12后的管道上安装压力测点与温度测点；
[0183]
该型号燃气轮机第1级静叶片与动叶片的降温等落压比的静叶片试验件18与动叶片试验件19冷却空气取相同的压力，降温等落压比的试验参数设计方法，包括以下十个步骤：
[0184]
步骤一：选定试验段主流燃气总温
[0185]
步骤二：计算由静叶片与动叶片组成的某级透平叶片级试验段模块背压p1的公式为
[0186]
p1＝101325 δp＝101325 1000＝102325pa
[0187]
式中：δp——排汽模块的排气压损；
[0188]
步骤三：计算该级透平叶片试验段模块落压比π
g,l
的公式为
[0189]
式中：π
g,d
——燃气轮机设计工况某级透平叶片落压比，——燃气轮机设计工况透平静叶片进口总压，p
1,d
——燃气轮机设计工况透平动叶片出口背压；
[0190]
步骤四：计算试验段模块燃气总压的公式为
[0191]
式中：p1——透平叶片试验段模块的背压，π
g,l
——燃气轮机某级透平叶片试验段模块落压比；
[0192]
步骤五：计算试验段模块进口的燃气流量g
g,l
的公式为
[0193][0194]
式中：——透平叶片试验段模块主流燃气总压，——燃气轮机设计工况透平静叶片进口总压，——燃气轮机某级透平叶片试验段模块燃气总温，——燃气轮机设计工况透平静叶片进口燃气总温，g
g,d
——燃气轮机设计工况透平静叶片进口燃气流量，z
p
——试验段模块的静叶片试验件流道数，z
p,d
——燃气轮机设计的透平静叶片的设计流道总数；
[0195]
步骤六：计算试验段模块冷却空气进口总温的公式为
[0196]
式中：——透平叶片试验段模块燃气总温，——燃气轮机设计工况透平静叶片进口的燃气总温，——燃气轮机设计工况透平叶片冷却空气进口总温；
[0197]
步骤七：计算静叶片试验件冷却空气流量g
c,l1
的公式为
[0198][0199]
式中：g
g,l
——透平叶片试验段模块燃气进口流量，g
c,d1
——燃气轮机设计工况透平静叶片冷却空气流量，z
b1
——试验段模块的静叶片试验件数量，z
b,d1
——燃气轮机透平设计的该级静叶片总数；
[0200]
步骤八：计算动叶片试验件冷却空气流量g
c,l1
的公式为
[0201][0202]
式中：g
g,l
——透平叶片试验段模块燃气进口流量，g
c,d2
——燃气轮机设计工况透平动叶片冷却空气流量，z
b2
——试验段模块的动叶片试验件数量，z
b,d2
——燃气轮机透平设计的该级动叶片总数；
[0203]
步骤九：计算试验段模块冷却空气流量g
c,l0
的公式为g
c,l0
＝g
c,l1
g
c,l2
＝0.68 0.24＝0.92kg/s。
[0204]
步骤十：计算试验段模块冷却空气总压的公式为
[0205][0206]
式中：p
*c，d
——燃气轮机产品设计的冷却气体总压力。
[0207]
需要说明的是，上述设计工况相关数值是指燃气轮机产品的设计值，是根据需要验证的燃气轮机来确定的。
[0208]
如图3所示，某型号300mw的f级燃气轮机透平第1级5只静叶片试验件18与10只动叶片试验件19构成的试验段模块，透平5只静叶片试验件18构成4个透平静叶片试验件18的
流道，透平10只动叶片试验件19构成9个透平动叶片试验件19的流道，对于该燃气轮机进行第1级静叶片试验件18冷却效果试验与第1级动叶片试验件19的静态冷却效果试验，高温气体模块与冷却气体模块的参数设计方法的步骤一至步骤十的计算结果列于表2。
[0209]
表2透平叶片的设计参数计算结果表
[0210][0211]
该型号燃气轮机第1级静叶片与动叶片降温等落压比，通过在线测量试验段模块燃气温度tg、试验段模块透平叶片中间截面基体表面平均温度t
w,m
、试验段模块透平叶片试验件表面局部温度t
w,i
、试验段模块冷却气体温度tc、试验段模块透平叶片基体表面最大温度t
w,max
、试验段模块透平叶片基体表面最小温度t
w,min
，确定以下四个透平叶片冷却效果的评价指标，包括：
[0212]
(1)透平叶片基体表面测点温度tw，应低于基体材料工作温度的上限值tu；
[0213]
(2)透平叶片平均冷却效果ηm的计算公式为
[0214]
式中：tg——试验段模块燃气温度，t
w,m
——试验段模块透平叶片试验件中间截面基体表面平均温度，tc——试验段模块冷却气体温度；
[0215]
(3)透平叶片局部冷却效果ηi的计算公式为
[0216]
式中：tg——试验段模块燃气温度，t
w,i
——试验段模块透平叶片试验件表面局部温度，tc——试验段模块冷却气体温度；
[0217]
(4)透平叶片相对温差r
δt
的计算公式为
[0218]
式中：t
w,max
——试验段模块透平叶片基体表面最大温度，t
w,min
——试验段模块透平叶片基体表面最小温度。
[0219]
实施例二
[0220]
某型号600mw的h级燃气轮透平第1级静叶片和动叶片，工质和冷却气体均为水蒸气，该级透平叶片的设计参数列于表3。开展该级叶片全温等落压比的冷却效果试验，采用图1所示的燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统、图7所示的工质为水蒸气高温气体模块、图8所示的10只透平静叶片试验段模块、图9所示的工质为水蒸气的冷却气体模块、图10
所示的工质为水蒸气排气模块、图6所示的冷却水模块。
[0221]
表3透平叶片的设计参数表
[0222][0223]
如图7所示的高温气体模块1，工质采用水蒸气，高温气体模块1包括水箱15、直流电机驱动的给水泵16、第二控制阀33、冷却塔32、主流流量喷嘴9、回热器10，天然气锅炉17、进汽管道与金属膨胀节11、燃烧器12，来自水箱15的水通过直流电机驱动的给水泵16为回热器10和天然气锅炉17提供所需压力给水，通过调整第二控制阀33冷却塔32的开度来控制主流水蒸气的流量，通过调整直流电机的转速来控制主流水蒸气的压力，主流流量喷嘴9用来测量主流给水的流量，回热器10利用试验段模块2的排气来预热给水温度达到100℃，天然气锅炉17把主流给水加热成100℃至600℃的过热蒸汽，金属膨胀节11用来吸收进气管道的膨胀量，主流过热蒸汽在燃烧器12中与喷入的氢气燃料与助燃剂氧气相混合并燃烧产生700℃至1800℃的水蒸气；
[0224]
如图8所示的试验段模块2，由10只透平静叶片试验件18与15只动叶片试验件19组成，试验段模块2用来测量透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的基体金属温度，试验段进气来自高温气体模块1的高温水蒸气，试验段的排气进入排气模块4，透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的材料的化学成分与实际透平叶片基体的化学成分相同，为了缩短透平叶片的研制周期，采用增材制造(3d打印)技术生产静叶片试验件18与动叶片试验件19，在试验段上安装10只全尺寸透平静叶片试验件18与15只全尺寸动叶片试验件19，构成透平9个静叶片试验件18的流道与14个动叶片试验件19的流道，在中间8只全尺寸透平静叶片试验件18与中间13只动叶片试验件19的上安装金属壁温测点，试验段模块2的壳体35设计为双层壳体35，双层壳体35之间加装隔热材料，冷却气体从静叶片试验件18的顶部与动叶片试验件19的根部进入透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的内部冷却通道，冷却气体从静叶片试验件18与动叶片试验件19的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温气体，试验段模块2前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水模块5连接，双层管道之间采用冷却水冷却；
[0225]
如图9所示的冷却气体模块3，冷却气体也采用水蒸气，冷却蒸汽来自的高温气体模块1的天然气锅炉17的出口，冷却气体模块3包括冷却气体放空阀20、冷却气体控制阀21
及控制系统、超声波流量计22，通过调整冷却蒸汽放空阀20与冷却气体控制阀21的开度来控制冷却蒸汽的压力和流量，超声波流量计22用来测量冷却蒸汽的流量，来自天然气锅炉17出口的冷却蒸汽，冷却蒸汽温度与高温气体模块1进入燃烧器12之前的蒸汽温度一致，冷却气体模块3出口蒸汽温度达到100℃至600℃；
[0226]
如图10所示的排气模块4，试验段模块2的排气进入排气模块4后，通过回热气体控制阀24及管道与高温气体模块1的回热器10进行热交换，通过回热气体控制阀24调节回热排汽流量来主流给水的温度，离开回热器10的水蒸气进入减温器25，冷却水喷入减温器25来降低排气温度并冷凝成水后输入高温气体模块1的水箱15；
[0227]
如图6所示的冷却水模块5，作为一种可能的示例，补水水泵28为冷却水模块5提供补水，连接于补水水泵28与冷却塔32之间的管路上安装有补水管道阀门29。冷却塔32将补水进行冷却后通过输送管路分别输送至排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道，每条上述输送管道上均安装有进水管道阀门30。排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道分别通过回水管路将换热后的冷却水输送回冷却塔32中，上述每条回水管路上分别安装有回水管道阀门31；
[0228]
的透平叶片的高温气体模块1、冷却气体模块3、排气模块4的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块5的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；
[0229]
的主流流量喷嘴9与超声波流量计22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，以保证流量精度；
[0230]
高温气体模块1的回热器10前后的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧器12后的管道上安装压力测点与温度测点；
[0231]
该型号燃气轮机全温等落压比的静叶片试验件18与动叶片试验件19冷却水蒸气取相同的压力，全温等落压比的试验参数设计方法，包括以下十个步骤：
[0232]
步骤一：试验段模块透平静叶片进汽参总温
[0233]
步骤二：按照式(1)计算试验段模块的背压为p1＝101325 δp＝101325 1000＝102325pa
[0234]
步骤三：计算透平叶片试验段模块落压比π
g,h
的公式为
[0235]
式中：π
g,d
——燃气轮机设计工况透平叶片级设计落压比，——燃气轮机设计工况透平叶片进口总压，p
1,d
——燃气轮机设计工况透平叶片出口背压；
[0236]
步骤四：计算试验段模块进汽总压的公式为
[0237][0238]
式中：p1——透平叶片试验段模块背压，π
g,h
——透平叶片试验段模块落压比；
[0239]
步骤五：计算试验段模块进口的进汽流量g
g,h
的公式为
[0240]
[0241]
式中：——试验段模块进汽总压，——燃气轮机设计工况透平静叶片进汽总压，——试验段模块进汽总温，——燃气轮机设计工况透平静叶片进汽总温，g
g,d
——燃气轮机设计工况的透平静叶片进汽流量，z
p
——试验段模块的静叶片流道数，z
p,d
——燃气轮机透平静叶片设计流道总数；
[0242]
步骤六：透平叶片试验段模块冷却蒸汽总温取设计工况参数830k；
[0243]
步骤七：计算静叶片试验件冷却蒸汽流量g
c,h1
的公式为
[0244][0245]
式中：g
g,h
——透平叶片试验段模块进汽流量，g
c,d1
——燃气轮机设计工况透平静叶片冷却蒸汽流量，z
b1
——试验段模块的静叶片试验件数量，z
b,d1
——燃气轮机透平设计的该级静叶片总数；
[0246]
步骤八：计算动叶片试验件冷却蒸汽流量g
c,h2
的公式为
[0247][0248]
式中：g
gh
——试验段模块进汽流量，g
c,d2
——燃气轮机设计工况透平动叶片冷却蒸汽流量，z
b2
——试验段模块的动叶片试验件数量，z
b,d2
——燃气轮机透平设计的该级动叶片总数；
[0249]
步骤九：计算试验段模块冷却蒸汽流量g
c,h0
的公式为
[0250]gc,h0
＝g
c,h1
g
c,h2
＝0.053 0.020＝0.073kg/s
[0251]
步骤十：计算试验段模块冷却蒸汽总压的公式为
[0252][0253]
如图8所示，该型号燃气轮机透平第1级10只静叶片试验件18与15只动叶片试验件19构成的试验段模块，透平10只静叶片试验件18构成9个透平静叶片试验件18的流道，透平15只动叶片试验件19构成14个透平动叶片试验件19的流道，对于该燃气轮机进行第1级静叶片试验件18冷却效果试验与第1级动叶片试验件19的静态冷却效果试验，高温气体模块与冷却气体模块的参数设计方法的步骤一至步骤十的计算结果列于表4。
[0254]
表4透平叶片的设计参数计算结果表
[0255][0256]
该型号燃气轮机第1级静叶片与动叶片全温等落压比上，通过在线测量试验段模块燃气温度tg、试验段模块透平叶片中间截面基体表面平均温度t
w,m
、试验段模块透平叶片试验件表面局部温度t
w,i
、试验段模块冷却气体温度tc、试验段模块透平叶片基体表面最大温度t
w,max
、试验段模块透平叶片基体表面最小温度t
w,min
，确定以下四个透平叶片冷却效果的评价指标，包括：
[0257]
(1)透平叶片基体表面测点温度tw，应低于基体材料工作温度的上限值tu；
[0258]
(2)透平叶片平均冷却效果ηm的计算公式为
[0259]
式中：tg——试验段模块燃气温度，t
w,m
——试验段模块透平叶片试验件中间截面基体表面平均温度，tc——试验段模块冷却气体温度；
[0260]
(3)透平叶片局部冷却效果ηi的计算公式为
[0261]
式中：tg——试验段模块燃气温度，t
w,i
——试验段模块透平叶片试验件表面局部温度，tc——试验段模块冷却气体温度；
[0262]
(4)透平叶片相对温差r
δt
的计算公式为
[0263]
式中：t
w,max
——试验段模块透平叶片基体表面最大温度，t
w,min
——试验段模块透平叶片基体表面最小温度。
[0264]
实施例三
[0265]
某型号30补水管道阀门0mw二氧化碳燃气轮机透平第1级静叶片和动叶片。开展该级叶片全温等落压比的热态寿命试验，工质和冷却气体均为二氧化碳，采用图1所示的燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统、图11所示的工质为二氧化碳高温气体模块1、图12所示的7只透平静叶片试验段模块2、图13所示的工质为二氧化碳的冷却气体模块3、图14所示的工质为二氧化碳的排气模块4、图6所示的冷却水模块5和图15所示的热态寿命试验的流程图。
[0266]
如图11所示的高温气体模块1，工质采用二氧化碳，高温气体模块1包括二氧化碳储气罐131进水管道阀门30、二氧化碳压缩机14、第三控制阀34第二控制阀、主流流量喷嘴
9、回热器10、进气管道与金属膨胀节11、燃烧器12，来自二氧化碳储气罐131进水管道阀门30的工质，通过二氧化碳压缩机14提供主流二氧化碳，通过调整第三控制阀34第二控制阀的开度来控制主流二氧化碳的流量与压力，主流流量喷嘴98用来测量主流二氧化碳的流量，来自二氧化碳储气罐131进水管道阀门30的工质，在回热器10中利用试验段模块2的排气加热达二氧化碳到100℃至600℃，金属膨胀节11用来吸收进气管道的膨胀量，主流二氧化碳在燃烧器12中与喷入的天然气或氢气等燃料与助燃剂氧气相混合并燃烧产生700℃至1800℃的主流高温燃气；
[0267]
如图12所示的试验段模块2，由7只透平静叶片试验件18与10只动叶片试验件19组成，的试验段模块2用来测量透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的基体金属温度，试验段进气来自高温气体模块1的高温二氧化碳，试验段的排气进入排气模块4，透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的材料的化学成分与实际透平叶片基体的化学成分相同，为了缩短透平叶片的研制周期，采用增材制造(3d打印)技术生产静叶片试验件18与动叶片试验件19，在试验段上安装7只全尺寸透平静叶片试验件18与10只全尺寸动叶片试验件19，构成透平6个静叶片试验件18的流道与9个动叶片试验件19流道，在中间5只全尺寸透平静叶片试验件18与8只动叶片试验件19的上安装金属壁温测点，试验段模块2的壳体35设计为双层壳体35，双层壳体35之间加装隔热材料，冷却二氧化碳从静叶片试验件18的顶部与动叶片试验件19的根部进入透平静叶片试验件18与动叶片试验件19的内部冷却通道，冷却二氧化碳从静叶片试验件18与动叶片试验件19的表面气膜冷却孔、叶顶冷却孔和叶片尾缘缝隙流入主流高温气体，试验段模块2前后的进气管道与排气管道设计为双层管道，双层管道与冷却水模块5连接，双层管道之间采用冷却水冷却；
[0268]
如图13所示的冷却气体模块3，冷却气体也采用二氧化碳，冷却气体模块3包括冷却气体放空阀20、冷却气体控制阀21、超声波流量计22，冷却二氧化碳来自高温气体模块1的回热器10的出口，通过调整却二氧化碳放空阀20与冷却二氧化碳控制阀21的开度来控制冷却二氧化碳的压力和流量，超声波流量计22用来测量冷却二氧化碳的流量，冷却二氧化碳温度与高温气体模块1进入燃烧器12之前二氧化碳温度一致，冷却气体模块3出口二氧化碳温度达到100℃至600℃；
[0269]
如图14所示的排气模块4，试验段模块2的排气进入排气模块4后，通过回热气体控制阀24及管道与高温气体模块1的回热器10进行热交换，通过回热气体控制阀24调节回热排汽流量来条件主流二氧化碳与冷却二氧化碳的温度，离开回热器10的二氧化碳进入排气模块4的预冷器26，与冷却水换热后输入高温气体模块1的进水管道阀门30；
[0270]
如图6所示的冷却水模块5，作为一种可能的示例，补水水泵28为冷却水模块5提供补水，连接于补水水泵28与冷却塔32之间的管路上安装有补水管道阀门29。冷却塔32将补水进行冷却后通过输送管路分别输送至排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道，每条上述输送管道上均安装有进水管道阀门30。排气模块4的减温器25以及试验段模块2前后的双层管道分别通过回水管路将换热后的冷却水输送回冷却塔32中，上述每条回水管路上分别安装有回水管道阀门31；
[0271]
的透平叶片的高温气体模块1、冷却气体模块3、排气模块4的全部进气管道及排气管道以及冷却水模块5的回水管道，外侧加装石棉保温套，保温套外的壁温不超过50℃；
[0272]
高温气体模块1的回热器10前后的管道上安装压力测点与温度测点、燃烧器12后
的管道上安装压力测点与温度测点；该级透平叶片的设计参数列于表5。
[0273]
表5透平叶片的设计参数表
[0274][0275]
该型号燃气轮机全温等落压比的静叶片试验件18与动叶片试验件19冷却二氧化碳取相同的压力，全温等落压比热态寿命试验参数设计方法，包括以下十个步骤：
[0276]
步骤一：试验段模块主流燃气总温取一级透平叶片设计工况参数
[0277]
步骤二：试验段模块的背压为p1＝101325 δp＝101325 1000＝102325pa
[0278]
步骤三：计算透平叶片试验段模块落压比π
g,h
的公式为
[0279]
式中：π
g,d
——燃气轮机设计工况透平静叶片级设计落压比；——燃气轮机设计工况透平动叶片进口总压；p
1,d
——燃气轮机设计工况透平叶片出口背压；
[0280]
步骤四：计算试验段模块进口燃气总压的公式为
[0281][0282]
式中：p1——透平叶片试验段模块背压，π
g,h
——透平叶片试验段模块落压比；
[0283]
步骤五：计算试验段模块进口的燃气流量g
g,h
的公式为
[0284][0285]
式中：——试验段模块进口燃气总压，——燃气轮机设计工况透平静叶片进口燃气总压，
[0286]
——试验段模块进口燃气总温，——燃气轮机设计工况透平静叶片口燃气总温，g
g,d
——燃气轮机设计工况的透平静叶片口燃气流量，z
p
——试验段模块的静叶片流道数，z
p,d
——燃气轮机透平静叶片设计流道总数；
[0287]
步骤六：透平叶片试验段模块冷却二氧化碳总温取设计工况参数990k；
[0288]
步骤七：计算静叶片试验件冷却二氧化碳流量g
c,h1
的公式为
[0289][0290]
式中：g
g,h
——透平叶片试验段模块进汽流量，g
c,d1
——燃气轮机设计工况透平静叶片冷却二氧化碳流量，z
b1
——试验段模块的静叶片试验件数量，z
b,d1
——燃气轮机透平设计的该级静叶片总数；
[0291]
步骤八：计算动叶片试验件冷却二氧化碳流量g
c,h2
的公式为
[0292][0293]
式中：g
gh
——试验段模块进口燃气流量，g
c,d2
——燃气轮机设计工况透平动叶片冷却二氧化碳流量，z
b2
——试验段模块的动叶片试验件数量，z
b,d2
——燃气轮机透平设计的该级动叶片总数；
[0294]
步骤九：计算试验段模块冷却二氧化碳流量g
c,h0
的公式为
[0295]gc,h0
＝g
c,h1
g
c,h2
＝0.011 0.004＝0.015kg/s
[0296]
步骤十：计算试验段模块冷却二氧化碳总压的公式为
[0297][0298]
如图12所示，该型号燃气轮机透平第1级7只静叶片试验件18与10只动叶片试验件19构成的试验段模块，透平7只静叶片试验件18构成6个透平静叶片试验件18的流道，透平10只动叶片试验件19构成9个透平动叶片试验件19的流道，对于该燃气轮机第1级静叶片试验件18与第1级动叶片试验件19进行热态寿命试验，高温气体模块与冷却气体模块4的参数设计方法的步骤一至步骤十的计算结果列于表6。
[0299]
表6透平叶片的设计参数计算结果表
[0300][0301][0302]
如图17所示，在本技术一些实施例中，该燃气轮机透平叶片级全温等落压比的热态寿命试验的流程图，试验方法包括：
[0303]
步骤171，基于当前供给工质的类型，控制工质供给单元将当前供给工质分别输送至回热器和冷却气体模块；
[0304]
作为一种可能实施的示例，若当前供给工质为空气，控制第一控制阀8打开，供给空气；若当前供给工质为水蒸气，控制第二控制阀33打开，供给水蒸气；若当前供给工质为二氧化碳，控制第三控制阀34打开，供给二氧化碳。
[0305]
步骤172，控制冷却气体模块3的冷却气体控制阀21打开；
[0306]
步骤173，控制冷却水模块3的补水水泵28开启；
[0307]
步骤174，控制高温气体模块1的燃烧器12点火；
[0308]
步骤175，获取燃烧器12当前出口燃气温度值和目标温度值；
[0309]
步骤176，响应于燃烧器12的当前出口燃气温度值达到目标温度值，控制燃烧器12在当前出口燃气温度值下保持预设时长；
[0310]
举例来说，逐渐提升燃烧器12出口燃气温度至设计值1423k，通过排气进入回热器10来提升冷却气体温度至设计值990k，保持工作温度δτ秒钟，保持在燃烧器12出口燃气温度和冷却气体温度到达透平静叶片和动叶片预设的工作温度情况下，保持δτ＝30补水管道阀门秒钟。
[0311]
步骤177，控制燃烧器12熄灭；
[0312]
步骤178，获取冷却气体温度、预设温度差值、动叶片试验件和静叶片试验件的基体测量温度；
[0313]
步骤179，将基体测量温度与冷却气体温度进行比较，得到比较结果，响应于比较结果为基体测量温度与冷却气体温度之差小于预设温度差值，重复执行步骤174；
[0314]
举例来说，冷却静叶片试验件18与动叶片试验件19，燃烧器12熄火，来自回热器10主流工质通过试验段模块2进入排气模块4，冷却气体模块3回水管道阀门继续提供冷却气体，在叶片基体测量温度tw与冷却气体温度tc之差绝对值不超过温度变化至δt＝30补水管道阀门时，重新控制高温气体模块的燃烧器点火。
[0315]
响应于燃烧器12点火次数大于预设点火次数，停止执行控制高温气体模块1的燃烧器12点火的步骤。
[0316]
举例来说，重复试验n次，重复试验n＝500次后，停止热态寿命试验，检查静叶片试验件和动叶片试验件的热障涂层的脱离情况以及叶片基体的损伤情况。
[0317]
本技术提出的燃气轮机透平叶片多工质多用途试验系统及参数设计方法可以完成空气、二氧化碳、水蒸气的多种工质的燃气轮机的高温透平叶片的降温等落压比与全温等落压比的多工况高温透平叶片的冷却效果验证试验和全温等落压比的热态寿命试验的多用途验证试验，实现了燃气轮机高温透平叶片的多工质多工况多用途的验证试验；一次试验，可以同时完成燃气轮机透平静叶片与动叶片的冷却效果验证试验或热态寿命试验，相对于分别进行静叶片或动叶片的冷却效果验证试验或热态寿命试验，有效降低了验证试验的费用；的试验段模块、冷却气体模块和冷却水模块具有通用性，提高了高温透平叶片的利用率，可以大幅度降低试验台重复建设费用，产生巨大的经济效益。
[0318]
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。
[0319]
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。
[0320]
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。
[0321]
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。
[0322]
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。
[0323]
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。