【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于船用燃气轮机领域，具体涉及一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法。
技术介绍
1、燃气轮机具有功率密度大、起动速度快、燃料灵活等优点，广泛应用于工业及海上平台发电、天然气管线增压、石油化工及冶金等领域，也广泛用作船舶的主动力装置。
2、现代高性能燃气轮机为了获得更高的循环效率、更大的功率，燃气初温(高压涡轮进口温度)不断提高。随着高压涡轮进口温度的不断提高，其运行温度远远超过叶片材料的熔点温度，如目前已投入运行的最先进的燃气轮机涡轮进口燃气温度已经达到1600℃，先进航空发动机的涡轮进口温度更是超过1800℃。确保燃气轮机涡轮叶片在如此高温环境下能够长时间安全可靠地运行主要有三方面的措施：一是不断提高涡轮叶片材料的耐热等级，二是采用先进的冷却技术以降低叶片温度，三是不断提高涡轮叶片隔热涂层的隔热效果。近年来，涡轮进口温度的提高主要归功于涡轮冷却设计水平的提高，其次是由于高性能耐热合金与涂层材料的发展及生产制造工艺水平的进步。显然，涡轮叶片冷却对提高涡轮进口温度，改善燃气轮机性能起到至关重要的作用。但这也导致涡轮叶片热负荷越来越高，给叶片的可靠性带来了较大的挑战。
3、此外，燃驱压缩机组用的燃气轮机在运行使用过程中，启动、加速、减速、停机等操作使得其涡轮叶片(特别是气冷涡轮叶片)承受了较大的温度载荷变化，即热冲击载荷，这种温度载荷变化极易导致气冷涡轮叶片热冲击疲劳，大大降低了高压涡轮叶片的使用寿命，影响了机组的可靠性和安全性。加之长时间在中高工况运行的特殊工作特点，启停更易造成气冷涡轮叶片
4、近年来，尽管国内外学者及科研人员在航空发动机和燃气轮机涡轮叶片高效冷却设计方面已开展了大量的研究工作，在航空发动机涡轮叶片热冲击试验方面也开展了少量研究，对改善涡轮叶片冷却性能、揭示涡轮叶片叶身内部冷却流动机理有了一定的认识，但是这些研究并没有关注如何针对燃驱压缩机组用燃气轮机气冷涡轮叶片开展热冲试验，以改善燃驱压缩机组气冷涡轮叶片的抗热疲劳能力，也鲜有关于燃驱压缩机组冷却涡轮叶片热冲击试验方面的报道。因此，对燃驱压缩机组气冷涡轮叶片进行热疲劳试验考核具有极其重要的实用价值和科学意义，特别是对长时间运行在中高工况且频繁变化负荷使用的燃驱压缩机组气冷涡轮导叶和动叶，如何科学合理且有针对性地开展热疲劳试验考核成为船用燃气轮机研制迫切需要解决的技术难题。
5、目前大多数设计及试验人员将试验对象的气冷涡轮导叶直接装机，在燃驱压缩机组用燃气轮机整机环境下进行考核。但在燃气轮机整机环境下对气冷涡轮导叶热寿命进行考核给整机可靠性带来较大技术风险，气冷涡轮导叶出现故障后整机受损严重，代价过大；且试验过程中需在整机台架对气冷涡轮导叶进行试验，试验后需对机组分解，以便在试验过程中开展导叶叶片状态分析检查工作，整机上下试验台架、分解周期较长，投入较大。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，可以在零件状态下，以较低的技术风险和投入，以及接近真实工作环境条件下，实现对燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命的考核。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，包括以下步骤：
3、步骤1、确定试验叶片气热参数；
4、步骤2、确定单组试验叶片数量；
5、步骤3、确定试验组别数量；
6、步骤4、确定气冷涡轮导叶温度载荷谱；
7、步骤5、进行叶片温度调试试验；
8、步骤6、进行正式热寿命试验；
9、步骤7、气冷涡轮导叶试验叶片状态评估；
10、步骤8、确定气冷涡轮导叶抗热疲劳循环能力；
11、步骤9、气冷涡轮导叶抗热疲劳循环能力仿真计算；
12、步骤10、试验结果有效性分析。
13、优选的，在步骤2中，单组试验叶片数量根据涡轮导叶热冲击试验台最大燃气流量与最高负荷条件下试验叶片气热参数中单个涡轮叶栅通道燃气流量的比值确定。
14、优选的，在步骤3中，试验组别数量根据下式确定：
15、
16、其中，ns,s为单组试验叶片数量，ns,all为需要开展热冲击试验的气冷涡轮导叶总数量。
17、优选的，在步骤4中，气冷涡轮导叶温度载荷谱根据以下规则确定：根据步骤1确定的长时间运行负荷条件下试验气冷涡轮导叶中截面平均温度，各负荷工况持续时间根据叶片在各负荷状态下达到稳定中截面平均温度时间确定，快速升降温持续时间不大于燃驱压缩机组变工况时所用时间。
18、优选的，在步骤5中，将某一气冷涡轮导叶叶身中截面布置热电偶，作为调试叶片安装到试验台上，按照步骤4给定的各负荷条件下气冷涡轮导叶温度载荷谱曲线，调整试验台燃烧器供油流量、燃烧器供气流量、燃烧器供气压力、冷却空气供气压力、冷却空气供气流量，确保能够实现气冷涡轮导叶温度载荷谱中各工况下的温度载荷状态，并记录各载荷状态下试验台燃烧器供油流量、燃烧器供气流量、燃烧器供气压力、冷却空气供气压力、冷却空气供气流量参数，后续正式试验时按此参数进行各载荷工况条件下试验状态控制。
19、优选的，在步骤6中，拍照并记录燃驱压缩机组气冷涡轮导叶参试叶片试验前的状态；将步骤5安装的带有热电偶的调试叶片拆下，更换为不带热电偶的气冷涡轮导叶；在步骤5完成叶片温度调试试验基础上，根据调试试验所确定的气冷涡轮导叶温度载荷谱中各工况下的温度载荷状态下燃烧器供油流量、燃烧器供气流量、燃烧器供气压力、冷却空气供气压力、冷却空气供气流量参数，按照步骤4确定的气冷涡轮导叶温度载荷谱曲线开展气冷涡轮导叶热冲击试验。
20、优选的，在步骤7中，步骤6试验过程中，每经过50次循环后，对气冷涡轮导叶试验叶片的表面状态进行检查分析，拍照并记录气冷涡轮导叶参试叶片当前循环次数后的状态，如果表面出现长度超过1.5mm裂纹，则试验结束，当前已完成的循环次数即为试验叶片的抗热疲劳循环能力；如果表面未出现长度超过1.5mm裂纹，则试验继续，直至出现长度超过1.5mm裂纹为止，循环次数即为试验叶片的抗热疲劳循环能力。
21、优选的，在步骤8中，将步骤6试验前、步骤7试验过程中各次检查分析拍照记录的气冷涡轮导叶参试叶片状态进行对比分析，结合步骤7试验过程中检查分析确定的试验叶片抗热疲劳循环能力，最终确定高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力ntest。
22、优选的，在步骤9中，将步骤4确定的温度载荷谱输入仿真计算模型进行计算，分别计算t0.5，t0.6，t0.7，t0.8和t0.9条件下对应的第一主应力和第一主应变分布，各工况下的第一主应力和第一主应变分别记为σ10.5、ε10.5，σ10.6、ε10.6，σ10.7、ε10.7，σ10.8、ε10.8，σ10.9、ε10.9，计算0℃条件下对应的第一主应力、第一主应变和第3主应变分布，考核本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤2中，单组试验叶片数量根据涡轮导叶热冲击试验台最大燃气流量与最高负荷条件下试验叶片气热参数中单个涡轮叶栅通道燃气流量的比值确定。
3.如权利要求1所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤3中，试验组别数量根据下式确定：
4.如权利要求1所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤4中，气冷涡轮导叶温度载荷谱根据以下规则确定：根据所述步骤1确定的长时间运行负荷条件下试验气冷涡轮导叶中截面平均温度，各负荷工况持续时间根据叶片在各负荷状态下达到稳定中截面平均温度时间确定，快速升降温持续时间不大于燃驱压缩机组变工况时所用时间。
5.如权利要求4所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤5中，将某一气冷涡轮导叶叶身中截面布置热电偶，作为调试叶片安装到试验台上，按照所述步骤4给定的各负荷条件下气
6.如权利要求5所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤6中，拍照并记录燃驱压缩机组气冷涡轮导叶参试叶片试验前的状态；将所述步骤5安装的带有热电偶的调试叶片拆下，更换为不带热电偶的气冷涡轮导叶；在所述步骤5完成叶片温度调试试验基础上，根据调试试验所确定的气冷涡轮导叶温度载荷谱中各工况下的温度载荷状态下燃烧器供油流量、燃烧器供气流量、燃烧器供气压力、冷却空气供气压力、冷却空气供气流量参数，按照所述步骤4确定的气冷涡轮导叶温度载荷谱曲线开展气冷涡轮导叶热冲击试验。
7.如权利要求6所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤7中，所述步骤6试验过程中，每经过50次循环后，对气冷涡轮导叶试验叶片的表面状态进行检查分析，拍照并记录气冷涡轮导叶参试叶片当前循环次数后的状态，如果表面出现长度超过1.5mm裂纹，则试验结束，当前已完成的循环次数即为试验叶片的抗热疲劳循环能力；如果表面未出现长度超过1.5mm裂纹，则试验继续，直至出现长度超过1.5mm裂纹为止，循环次数即为试验叶片的抗热疲劳循环能力。
8.如权利要求7所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤8中，将所述步骤6试验前、所述步骤7试验过程中各次检查分析拍照记录的气冷涡轮导叶参试叶片状态进行对比分析，结合所述步骤7试验过程中检查分析确定的试验叶片抗热疲劳循环能力，最终确定高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力Ntest。
9.如权利要求8所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤9中，将所述步骤4确定的温度载荷谱输入仿真计算模型进行计算，分别计算T0.5，T0.6，T0.7，T0.8和T0.9条件下对应的第一主应力和第一主应变分布，各工况下的第一主应力和第一主应变分别记为σ10.5、ε10.5，σ10.6、ε10.6，σ10.7、ε10.7，σ10.8、ε10.8，σ10.9、ε10.9，计算0℃条件下对应的第一主应力、第一主应变和第3主应变分布，考核点值分别为σ10、ε10和ε30；
10.如权利要求9所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤10中，将所述步骤9计算获得的抗热疲劳循环能力Neq与步骤8试验获得的Ntest相比，若Neq/Ntest≥4，则即为涡轮导叶抗热疲劳循环能力；若Neq/Ntest小于4，则需要重新调整试验方案进行试验。
...【技术特征摘要】
1.一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤2中，单组试验叶片数量根据涡轮导叶热冲击试验台最大燃气流量与最高负荷条件下试验叶片气热参数中单个涡轮叶栅通道燃气流量的比值确定。
3.如权利要求1所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤3中，试验组别数量根据下式确定：
4.如权利要求1所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤4中，气冷涡轮导叶温度载荷谱根据以下规则确定：根据所述步骤1确定的长时间运行负荷条件下试验气冷涡轮导叶中截面平均温度，各负荷工况持续时间根据叶片在各负荷状态下达到稳定中截面平均温度时间确定，快速升降温持续时间不大于燃驱压缩机组变工况时所用时间。
5.如权利要求4所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤5中，将某一气冷涡轮导叶叶身中截面布置热电偶，作为调试叶片安装到试验台上，按照所述步骤4给定的各负荷条件下气冷涡轮导叶温度载荷谱曲线，调整试验台燃烧器供油流量、燃烧器供气流量、燃烧器供气压力、冷却空气供气压力、冷却空气供气流量，确保能够实现气冷涡轮导叶温度载荷谱中各工况下的温度载荷状态，并记录各载荷状态下试验台燃烧器供油流量、燃烧器供气流量、燃烧器供气压力、冷却空气供气压力、冷却空气供气流量参数，后续正式试验时按此参数进行各载荷工况条件下试验状态控制。
6.如权利要求5所述的一种燃驱压缩机组气冷涡轮导叶热寿命试验方法，其特征在于：所述步骤6中，拍照并记录燃驱压缩机组气冷涡轮导叶参试叶片试验前的状态；将所述步骤5安装的带有热电偶的调试叶片拆下，更换为不带热电偶的气冷涡轮导叶；在所述步骤5完成叶片温度调试试验基础上，根据调试试验所确定的气冷涡轮导叶温度载荷谱中各工况下的温度载荷状态下燃烧器供油流量、燃烧器供气流量、燃烧器供气...
【专利技术属性】
技术研发人员：牛夕莹，孙彦博，梁晨，徐波，李国强，宋惠华，李翔宇，候隆安，高春祥，王靖超，刘晗，毛冬岩，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇三研究所，
类型：发明
国别省市：
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