[发明专利]一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法

说明书

本发明提供一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，是一种综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，本发明涉及的是一种能够综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法。本发明的目的是为了提供可有效减少高压涡轮导叶叶片数量，降低冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，而且还可减少叶片生产成本的高压涡轮导叶综合设计方法。从而解决现有设计方法难以进一步提升燃气轮机效率，机组成本较高的问题。本发明用于减少冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，及降低燃气轮机成本领域。

技术领域

本发明涉及的是一种综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法，更具体地说，本发明涉及的是一种不仅能够考虑气动性能又能够考虑冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶设计方法。

背景技术

因燃气轮机具有功率密度大、启动速度快等优点，广泛应用于工业及海上平台发电、燃驱压缩及作为船舶的主要动力装置。现代燃气轮机随着高性能材料及冷却技术的不断应用，涡轮进口温度不断提升，效率已达到较高的水平，进一步提升燃气轮机整机效率存在较大难度。另外，燃气轮机高温部件，特别是高压涡轮叶片大量采用价格昂贵的镍基高温合金，如何降低燃气轮机机组生产制造成本成为燃气轮机进一步推广应用的又一难题。

在涡轮气动方面，近年来，随着设计技术的不断进步以及计算流体力学的不断发展，全三维优化设计手段不断在涡轮气动设计过程中得到应用，以Clocking effect(时序效应)为代表的非定常计算及设计技术在提高涡轮效率方面起到了较大作用，涡轮气动设计体系、设计手段及方法不断丰富与完善，先进的设计技术及叶型不断推动着涡轮气动性能的提升，涡轮叶片形状也由传统的直叶片向扭叶片、弯扭叶片、弯扭掠叶片等复杂形状发展。

在涡轮叶片冷却方面，近年来，随着材料、涂层及冷却技术的不断进步，涡轮进口温度不断提高，为机组性能提升做出了重大贡献。材料方面，由涡轮叶片材料等轴晶、定向结晶向一代单晶、二代单晶、三代单晶及陶瓷基复合材料发展；涂层方面，涡轮叶片所用隔热涂层隔热效果也在不断进步，涂层可靠性逐步提高；冷却设计技术方面，低维度冷却空气量预估精度不断提高，全三维分析及优化设计手段不断在涡轮叶片冷却设计过程中得到应用，对涡轮叶片内部冷却流动及换热机理认识不断深入，推动着涡轮叶片冷却效果不断提升。

为满足节能减排要求，现代燃气轮机不断追求性能的提升，要求涡轮进口温度不断提高，涡轮气动性能不断提高，涡轮叶片冷却空气用量不断降低。然而，涡轮进口温度提高与冷却空气用量降低、涡轮气动性能提高是矛盾的。传统单一考虑涡轮气动性能、冷却叶片冷却空气用量的设计方法难以进一步提高燃气轮机整机效率，因此，如何解决这对矛盾成为提升燃气轮机效率的关键。

尽管国内外学者及科研人员在高性能涡轮气动及冷却设计、高温叶片材料及涂层方面已开展了大量的研究，对改善涡轮气动性能及冷却效果、提升叶片工作温度有了一定的认识，但是这些研究并没有关注从综合考虑气动性能与冷却空气用量角度提升燃气轮机整机效率，也鲜有关于通过大幅减少导叶叶片数量改善燃气轮机整机效率方面的报道。科研人员希望有一种能够综合考虑气动性能与冷却空气用量的燃气轮机高压涡轮导叶先进设计方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供可有效减少高压涡轮导叶叶片数量，降低冷却空气用量，改善燃气轮机整机性能，而且还可减少叶片生产成本的高压涡轮导叶综合设计方法。从而解决现有设计方法难以进一步提升燃气轮机效率，机组成本较高的问题。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一、根据燃气轮机整机总体性能参数，采用传统涡轮气动设计方法、涡轮叶片冷却空气用量评估方法，完成高压涡轮一维气动设计、导叶造型、冷却空气量评估，得到高压涡轮气动效率动叶进口气流角、高压涡轮导叶冷却空气用量采用燃气轮机整机总体性能传统计算方法，得到减少高压涡轮导叶叶片数前的整机效率数据值；