【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于船用轮机领域，具体涉及一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法。
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、天然气输送、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，船用燃气轮机在运行使用过程中，启动、加速、减速、停机等操作使得高压涡轮叶片承受了较大的温度载荷变化，即热冲击载荷，这种较为频繁且反复的温度载荷变化极易导致高压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。加之特殊的海洋盐雾工作环境，以及燃油中硫元素的影响，已成为船用燃气轮机设计、试验中不
4、近年来，尽管国内外学者及科研人员在涡轮叶片高效冷却设计方面已开展了大量的研究，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船用燃气轮机开展热冲试验，以改善船用燃气轮机高压涡轮叶片的抗热疲劳能力，也鲜有关于船用燃气轮机涡轮叶片热冲击试验方面的报道。因此，对高压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，特别是对全工况频繁变化负荷及启停使用的船用燃气轮机高压涡轮导叶，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。
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船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，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，实现对高压涡轮导叶抗热疲劳性能的考核。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，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、确定高压涡轮导叶温度载荷谱曲线；
7、步骤5、对叶片温度进行调试；
8、步骤6、进行正式加速热冲击试验；
9、步骤7、高压涡轮导叶试验叶片状态评估；
10、步骤8、确定高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力；
11、步骤9、高压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高压涡轮导叶总数量。
17、优选的，在步骤4中，高压涡轮导叶温度载荷谱曲线按照以下规则确定：快速加温持续时间不大于船用燃机从空负荷快速升到满负荷时所用时间，最高温度等于满负荷条件下高压涡轮导叶中截面平均温度，最高温度持续时间根据叶片在满负荷状态下达到稳定最高温度时间确定，快速降温持续时间不大于燃机从满负荷快速降到空负荷所用时间，最低温度取空负荷条件下高压涡轮导叶中截面平均温度与试验台燃烧器在最低稳定燃烧状态下高压涡轮导叶中截面所能达到的最低平均温度的最小值，最低温度持续时间根据叶片在空负荷状态下达到稳定最低温度时间确定。
18、优选的，在步骤5中，叶片温度调试试验包括以下步骤：选取某一高压涡轮导叶，在其叶身中截面布置热电偶作为调试叶片，将调试叶片安装到试验台上，按照步骤4给定的高压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，确保能够实现高压涡轮导叶温度载荷谱中的最高温度和最低温度两种载荷状态，并记录两种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试验状态控制。
19、优选的，在步骤6中，正式加速热冲击试验包括以下步骤：拍照并记录高压涡轮导叶参试叶片试验前的状态；拆下调试叶片，更换为不带热电偶的高压涡轮导叶；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最高温度和最低温度两种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确定的高压涡轮导叶温度载荷谱曲线开展高压涡轮导叶加速热冲击试验。
20、优选的，步骤7中，高压涡轮导叶试验叶片状态评估包括以下步骤：在加速热冲击试验过程中，每经过500次循环后，对高压涡轮导叶试验叶片的表面状态进行检查分析，拍照并记录高压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1mm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；如果表面未出现裂纹，则试验继续，直至出现长度超过1mm裂纹为止。
21、优选的，步骤8中，将步骤6试验前和步骤7试验过程中各次检查分析拍照记录的高压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，综合确定高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力。
22、优选的，在步骤9中，高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力仿真计算包括以下步骤：将步骤4确定的温度载荷谱输入仿真计算模型进行计算，分别获得其峰值温度和谷值温度ttest,min对应的等效应变分布，其中考核截面考核点的峰值温度ttest,max工况下计算的等效应变记为考核截面考核点的谷值温度ttest,min对应的等效应变记为其等效应变范围为将其带入下式中获得循环次数nf，如式(2)所示：
23、
24、式中，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，σf为疲劳强度系数，εf为疲劳延性系数，e为弹性模量，nf为抗热疲劳循环能力。
25、优选的，在步骤10中，将步骤9计算获得的抗热疲劳循环能力nf与步骤8试验获得的ntest相比，若nf/ntest≥5，则ntest即为本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，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所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，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所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤4中，高压涡轮导叶温度载荷谱曲线按照以下规则确定：快速加温持续时间不大于船用燃机从空负荷快速升到满负荷时所用时间，最高温度等于满负荷条件下高压涡轮导叶中截面平均温度，最高温度持续时间根据叶片在满负荷状态下达到稳定最高温度时间确定，快速降温持续时间不大于燃机从满负荷快速降到空负荷所用时间，最低温度取空负荷条件下高压涡轮导叶中截面平均温度与试验台燃烧器在最低稳定燃烧状态下高压涡轮导叶中截面所能达到的最低平均温度的最小值，最低温度持续时间根据叶片在空负
5.如权利要求4所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤5中，叶片温度调试试验包括以下步骤：选取某一高压涡轮导叶，在其叶身中截面布置热电偶作为调试叶片，将调试叶片安装到试验台上，按照所述步骤4给定的高压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，确保能够实现高压涡轮导叶温度载荷谱中的最高温度和最低温度两种载荷状态，并记录两种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试验状态控制。
6.如权利要求5所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤6中，正式加速热冲击试验包括以下步骤：拍照并记录高压涡轮导叶参试叶片试验前的状态；拆下调试叶片，更换为不带热电偶的高压涡轮导叶；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最高温度和最低温度两种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确定的高压涡轮导叶温度载荷谱曲线开展高压涡轮导叶加速热冲击试验。
7.如权利要求6所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤7中，高压涡轮导叶试验叶片状态评估包括以下步骤：在加速热冲击试验过程中，每经过500次循环后，对高压涡轮导叶试验叶片的表面状态进行检查分析，拍照并记录高压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1mm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；如果表面未出现裂纹，则试验继续，直至出现长度超过1mm裂纹为止。
8.如权利要求7所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤8中，将所述步骤6试验前和所述步骤7试验过程中各次检查分析拍照记录的高压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，综合确定高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力。
9.如权利要求8所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤9中，高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力仿真计算包括以下步骤：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，分别获得其峰值温度和谷值温度Ttest,min对应的等效应变分布，其中考核截面考核点的峰值温度Ttest,max工况下计算的等效应变记为考核截面考核点的谷值温度Ttest,min对应的等效应变记为其等效应变范围为将其带入下式中获得循环次数Nf，如式(2)所示：
10.如权利要求9所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，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Nf与步骤8试验获得的Ntest相比，若Nf/Ntest≥5，则Ntest即为高压涡轮导叶抗热疲劳循环能力；若Nf/Ntest＜5，则需要重新调整试验方案进行试验。
...【技术特征摘要】
1.一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，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所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，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所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤4中，高压涡轮导叶温度载荷谱曲线按照以下规则确定：快速加温持续时间不大于船用燃机从空负荷快速升到满负荷时所用时间，最高温度等于满负荷条件下高压涡轮导叶中截面平均温度，最高温度持续时间根据叶片在满负荷状态下达到稳定最高温度时间确定，快速降温持续时间不大于燃机从满负荷快速降到空负荷所用时间，最低温度取空负荷条件下高压涡轮导叶中截面平均温度与试验台燃烧器在最低稳定燃烧状态下高压涡轮导叶中截面所能达到的最低平均温度的最小值，最低温度持续时间根据叶片在空负荷状态下达到稳定最低温度时间确定。
5.如权利要求4所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤5中，叶片温度调试试验包括以下步骤：选取某一高压涡轮导叶，在其叶身中截面布置热电偶作为调试叶片，将调试叶片安装到试验台上，按照所述步骤4给定的高压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，确保能够实现高压涡轮导叶温度载荷谱中的最高温度和最低温度两种载荷状态，并记录两种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试验状态控制。
6.如权利要求5所述的一种船用燃气轮机高压涡轮导叶加速热冲击试验方法，其特征在于：所述步骤6中，正式加速热冲击试验包括以下步骤：拍照并记录高压涡轮导叶参试叶片试验前的状态；拆下调试叶片，更换为不带热...
【专利技术属性】
技术研发人员：牛夕莹，李国强，孙彦博，徐波，宋惠华，李翔宇，候隆安，高春祥，王靖超，傅琳，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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