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GE—9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析
GE—9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析燃气轮机在工作的过程中，燃烧室出口温度较高，超过透平叶片最大温度承受值，影响透平叶片的正常工作，如何进行透平叶片冷却至关重要。
本文以GE-9FA燃气轮机为例，从其冷却系统组成及原理分析入手，探讨了透平叶片的冷却技术和冷却原理，并指出了其易出现的故障和故障原因，旨在进一步完善GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却技术，促进其应用和发展。
标签：GE-9FA燃气轮机；透平叶片；冷却技术0 前言提升透平进口燃气温度对于提高燃气轮机性能有着重要的作用，但这也对透平叶片的耐温性能提出了更高的要求，采用透平叶片冷却技术来提升其换热效果是保证透平叶片在高温环境下稳定运行的重要手段。
GE公司9FA燃气轮机是国内联合循环机组新型燃机，其采用的透平叶片冷却技术较为先进，冷却效果良好，下面来进行具体分析。
1 GE-9FA燃气轮机透平冷却系统一般来说，保证燃气轮机透平叶片在高温环境下稳定运行的措施有三种，①提升叶片材料耐热性能，例如采取高耐热本体材料，或在叶片表面涂隔热涂层等；②设置超温保护系统来保护叶片，避免其受到高温损坏[1]；③采取叶片冷却技术。
但需要注意的是，叶片材料性能提升毕竟有限，且超温保护系统也已经固化，这两种方式的潜力有限，而透平叶片冷却技术则有着较大发展空间。
在GE-9FA燃气轮机透平冷却系统中，利用压气机内的高压空气能够冷却透平转子、透平叶片及轮盘等相关部件。
其中末级排气冷却第1级静叶，16级抽气冷却沿程轮盘、第1级动叶和第2级动叶，第9级、13级抽气冷却第2级、第3级静叶。
对于第1级静叶来说，其冷却空气流动路径为：燃烧室火焰筒外环腔→前腔、后腔→叶片内部→冷却结构→燃气通道。
对于第2级静叶来说，其冷却空气主要有两股，两股冷气进入叶片路径为：①第一股冷气：前腔→套筒→前缘；②第二股冷气：后腔→套筒→后缘。
需要注意的是，第二股冷气经过后缘之后，一部分由后缘直接排出，另一部分则与冷气进入叶片，从底部排出，在整个排出的过程中对沿路各个部件进行冷却。
透平叶片的气动优化设计系统
第33卷 第1期2004年3月热力透平THER M A L T UR BI NEVol.33No.1Mar.2004透平叶片的气动优化设计系统袁 新1,林智荣1,赖宇阳2,陈志鹏1(1.清华大学热能工程系,北京100084;2.赛特达科技有限公司,北京100080)摘 要: 发展了一个叶轮机械叶片全三维粘性杂交问题的气动优化设计系统。
该系统包括分析技术与组合优化技术的耦合:前者基于高精度、鲁棒型的数值分析方法,已成功地用于蒸汽透平叶片的流动分析,并经详细考核已将其纳入到了实际的叶片气动设计体系;后者基于优秀的iSIGHT商用优化平台,通过对多种优化方法的集成从而发展了组合的叶片全三维气动优化策略。
数值结果与试验数据的比较表明了这一气动优化设计系统真正纳入到工业设计体系是完全可能的。
关键词: 蒸汽透平;CFD;气动优化设计中图分类号:T K263.3 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2004)01-0008-06Aerodynamic Optimization System for Turbine Blade DesignY UA N Xi n1,L IN Zhi2rong1,L A I Y u2yang2,CHEN Zhi2peng1(1.Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China;2.Sightna Corporation,Beijing100080,China)Abstract: An aerodynamic optimization system for the hybrid three2dimensional blade design,coupled with com2 putational fluid dynamic analysis and integrated optimization algorithms,was developed in Tsinghua University.The higher2order accurate robust CFD method has been utilized for develo pment of steam turbine blade flow analysis,its dependability has been validated by comparing the numerical results with model turbine test data.The h ybrid three2 dimensional optimization method based on iSIGHT commercial software has been develo ped for turbine blade design. The overall technical integration is starting to be used for further design optimizations and efficiency enhancement of steam turbines.K ey w ords: steam turbine;CFD;aerodynamic optimization design1 三维粘性杂交问题的气动优化设计蒸汽轮机是现代发电行业的核心动力机械之一。
燃气轮机透平叶片参数化设计及优化
析和方差分析。直观分析就是根据试验的结果分析试验
值随着因素水平的变化而变化的趋势，直观的找出使得
试验目标最优的因素水平的组合
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透平叶片优化设计
响应面方法（RSM）
RSM就是寻求响应和因子集合之间的真实函数关系的一个合适的逼近式。 如果响应适合于因子的线性函数模型，则近似函数是一阶模型: 如果响应非线性，则必须用更高阶的多项式，例如二阶模型:
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透平叶片优化设计
案例
参与正交试验设计的变量为: 其余参数L，a1，和a2取值与原始叶型相同。
和叶片数z，它们的水平设置如表所示，
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透平叶片优化设计
案例
①任一列的所有水平的重复数 相同;②任两列的所有可能的水 平组合的重复数相同。凡满足 这两个条件的表就可以称为正 交表。
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透平叶片参数化表达
二维叶形
控制厚度分布的各参数意义如下: —前缘厚度，定义为中弧线前缘
点圆半径尺与L的比值; —尾缘厚度，定义为中弧线尾缘
点圆半径凡与L的比值; —最大厚度，定义为中弧线上最
大圆的半径凡与L的比值; —最大厚度位置，定义为前缘点
到最大圆圆心的轴向距离瓜与轴向弦 长L的比值;
叶片设计及优化
正问题法
己知叶栅的几何参数，要求解出流场，求得叶片表面的速度、压力等分布。 正问题方法设计叶片，就是利用正问题的计算结果修改几何参数，反复进 行正问题计算直到获得满意的气动参数分布为止。
反问题法
给定叶片表面的压力分布，通过数值方法反求得叶片的几何形状。
数值优化设计 通常需要在某种叶片参数化表达基础之上，通过流场模拟及优化算法，确
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燃气透平叶片表面流动与换热的数值计算与验证
燃气透平叶片表面流动与换热的数值计算与验证杨玉骏;戴韧【摘要】The wall temperature of the gas turbine blade depends on the ability of heat transfer on the internal and external the blade surfaces.Accurate prediction of the heat transfer coefficient on the external surface is the basis for the design of blade cooling structure. Commercial CFD software Fluent was used to simulate the flow and heat transfer of VKI-LS89 turbine guide vane in this paper.CFD re-sults were compared with the VKI experimental data.Steady RANS with the transition model gives reliable solutions when the wall's normal grid dimension y+is less than 5.Solutions of LES with near wall viscosity WALE model agree with experiment data at subsonic flow conditions when the grid normaly+reaches near one.However at transonic conditions, LES solutions contain a postponed transi-tion.Heat transfer coefficient is evidently lower than test data and worse than that from RANS.Simulation with proper transition RANS flow model is of larger value for engineering purposes than a LES one with insufficient meshing quality.%燃气透平叶片表面温度决定于叶片内外表面的换热能力，准确预测叶片外表面换热系数是冷却结构设计的基础。
透平叶片的多学科设计优化系统
透平叶片的多学科设计优化系统王婧超1李立州2岳珠峰1西北工业大学透平叶片的多学科设计优化系统王婧超1李立州2岳珠峰1（1 西北工业大学工程力学系，陕西西安 710072）（2 西北工业大学航空学院，陕西西安 710072）摘要：本文建立了一个全三维透平叶片多学科设计优化系统，并对某叶片进行涉及四个学科的优化分析。
在一体化多学科优化系统中，采用五次多项式方法进行三维透平叶片的参数化建模，直接插值法完成学科间载荷及信息的传递，多岛遗传算法及二次序列规划法进行问题的寻优。
实例分析结果表明，该系统稳定可靠，优化算法选择合理，能够使透平叶片性能得到提高，具有应用于工程实践的可行性及可靠性。
关键词：三维透平叶片多学科设计优化一体化优化方法Multidisciplinary Design Optimization Systemfor Turbine BladeWang Jingchao1, Li Lizhou2, Yue Zhufeng1（1 School of Mechanics Civil Engineering and Architecture,Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072）（2 School of Aviation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072）Abstract: This paper presents a Multidisciplinary Design Optimization (MDO) system for turbo-machinery blade design which involves four disciplines: aerodynamics, heat transfer, stress and modal. The blade profile of a three-dimensional blade is built using quintic polynomial method. The load transferring from aerodynamics analysis results to the structural model is done by an interpolation method. Multi-island Genetic Algorithm (MIGA) together with Sequential Quadratic Programming (NLPQL) optimization technique is used as optimization searching method. The All-At-Once (AAO) method is used to set up the MDO system. The procedure of optimization shows that this system is stable and feasible, and can be used to optimize turbine blades. And the result of optimizing a true blade shows that the overall performance of the blade is improved remarkably, and proves the optimization procedure implemented in this paper is effective.Key words: three-dimensional Turbine Blade Multidisciplinary DesignOptimization (MDO) the All-At-Once (AAO) method1 三维透平叶片的多学科设计优化发动机透平叶片作为航空发动机的重要关键部件，由于其问题本身的复杂性，需要考虑的学科及因素较多，始终是国内外航空领域研究的重点。
某型燃气轮机透平盘优化设计
发生这样严重的事故后，研发和测试人员对事故原因进行深入分析，有限元分析结果表明该型燃机透平轮盘周向破裂裕度严重不足，设计点状态下存在许多位置应力水平超过材料屈服极限，部分开孔位置甚至局部应力水平超过材料断裂极限。
事故中破裂的第二级透平转子为整体叶盘式，子整圈共计有36个叶片，由于外委设计方设计经验不足，未能按流程进行完整设计，为了确保后续机型安全运行，对该型燃机透平转子进行结构优化势在必行。
有限元网格见图3，边界条件为第一级盘前的端齿连接面施加轴向固支，模型内部各零件间采用标准接触，摩擦系数设置为0.15，叶片离心载荷和气动载荷分别在相应位置建立mass21单元的质量点上施加。
通过有限元分析，可以得到原始设计的两级透平转子等效应力分布，示意见图4。
————————————————————作者简介:顾明恒（1989-），男，江苏盐城人，强度工程师，研究方向为航空发动机与燃气轮机结构强度研究。
图1事故后现场破坏情况图2稳态温度载荷分布/℃2.3盘体参数敏感性分析几何全约束的透平盘参数化模型中的变量较多，本文在优化设计之初进行了灵敏度分析，以便捷的筛选出了对透平盘强度影响较大的关键几何尺寸参数，便于有针对性的提高后期优化设计效率。
进行透平盘盘体几何参数灵敏度计算时，各几何参数的范围选取为原始设计尺寸的±1%。
首先，基于拉丁超立方抽样法构造响应面，每组抽样156次；其次使用随机抽样进行误差分析，每组误差检验的抽样为12次；最后以透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板最大径向应力作为灵敏度分析的目标函数。
对透平盘体最大等效应力、盘心最大周向应力与幅板如果未观察到明显异常发生，则转速进一步缓慢提升至110%设计转速，维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速进一步缓慢提升至115%设计转速维持五分钟，如果未观察到明显异常，则转速继续缓慢提升，直至某级转子发生破裂。
（图6）试验中二级透平盘先发生破裂，与理论分析一致，破裂转速与理论分为，试验论分析的准确，结微型燃气轮机透平轮盘超转破裂能力满足设计要求，具备产品应用条件。
燃气轮机叶片制造技术
燃气轮机叶片制造技术摘要:叶片是燃气轮机中极为重要的零件，其质量的好坏对燃机整体性能和使用安全有重要的影响。
本文以燃气轮机压气机叶片为例，针对燃机压气机叶片生产中存在的加工质量不稳定等问题，以压气机叶片加工的几个关键环节（榫头压力面和型面数控加工工艺）为突破口，通过对该类叶片材料、结构特性的分析，从毛坯的控制、刀具材料的选择、切削参数及走刀方式的设置、工装夹具的设计思路等多个方面进行研究，以提高燃机压气机叶片的合格率和加工效率。
关键词：燃气轮机压气机叶片榫头型面叶盆叶背1燃气轮机压气机叶片榫头难点加工技术1.1 压气机叶片榫头特性分析压气机转子叶片榫头以燕尾形榫头为主，静子叶片中也有一部分是方榫头。
转子叶片通过榫头与轮盘外缘的榫槽相连，起到将作用在叶身上的载荷传到轮盘上的作用；静子叶片则通过榫头与压气机机匣或环相连，改变气流方向。
榫头与榫槽之间的配合可以是过渡配合，也可以是小间隙配合。
由于在工作时叶片上受到巨大的离心力、气动力和振动等载荷，为确保在连接处有足够的强度和适宜的刚性、稳定性，叶片整体的强度以及和轮盘的配合是非常重要的。
为保证榫头和榫槽间的配合关系，榫头的精度，特别是装配处榫头压力面的精度要求很高，面轮廓度公差在±0.015mm左右，还有严格的角度公差限制。
同时叶片榫头作为叶身型面加工和检测的基准，榫头的质量直接决定了叶身型面加工的质量和叶片最终的性能。
1.2 榫头难点加工工艺分析相对于方形榫头，燕尾形榫头型面更复杂，精度要求也更高，切削性也较差，从质量上较难控制。
此文重点对燕尾形榫头进行分析。
在榫头加工中，压力面的加工既是重点也是难点。
因为压力面是叶片装配面的设计基准，型面的加工和检测是通过压力面定位来实现的，压力面质量的好坏直接影响到叶片的质量；同时压力面精度要求高、涉及尺寸多、形状相对复杂、切削加工性不好、不易检测等。
在榫头压力面的精加工过程中，存在叶盆、叶背余量不易控制的问题，因为叶盆、叶背、进、排气边余量分布不均，给后续的叶型加工造成很大的困难。
燃机透平叶片带肋直通道结构优化策略
燃机透平叶片带肋直通道结构优化策略龚建英;高铁瑜;吴伟烽;李真【摘要】在不降低换热能力的基础上,提出了新的带肋通道优化策略,以降低流动阻力,改善壁面温度的不均匀性.采用Kriging代理模型和遗传算法对宽高比为1、带有45°肋片直通道进行了优化计算,获得了良好的优化效果.得到以下结论:在带肋直通道切除部分肋片效率为负的肋片,可以降低通道的流动阻力且提升换热强度,优化后的通道换热性能因子可提高2.8％;通过寻优计算,获得了宽高比为1肋片倾斜角度45°直通道最优参量范围.【期刊名称】《压缩机技术》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】5页(P13-17)【关键词】燃气轮机;带肋冷却直通道;结构优化;强化换热【作者】龚建英;高铁瑜;吴伟烽;李真【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院,陕西西安710049【正文语种】中文【中图分类】TH451 引言燃气轮机以其结构紧凑、功率密度大的优点被广泛应用于航空、航海和工业驱动等领域。
目前，燃气轮机的透平进口燃气温度已突破1500℃，该温度远远超过了叶片金属材料所能长期稳定安全工作的温度上限。
因此，叶片冷却技术的进一步发展迫在眉睫。
针对内部通道的冷却，目前主流的强化换热措施按照叶片区域及其通道宽高比可分为两类：叶片中部的通道宽高比较低，往往采取的方式是在叶片吸力面和压力面一侧的冷却通道表面放置扰流肋片[1]；而叶片尾缘区域的通道宽高比较大，一般采用柱状绕流肋[2]强化传热。
其中，放置扰流肋片的方式几乎被所有的叶片采用，成为叶片内部冷却系统的关键强化换热措施。
肋片扰流结构增强叶片内冷通道与冷却工质之间换热的主要机理是壁面邻近的流体流经肋片前后会发生流体与壁面的分离和再附着现象。
燃气轮机透平叶片涂层技术
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燃气轮机及其内部透平叶片
根据燃气轮机型号用途不同，每一级的叶片数量和材料也不一 样，其中高压燃气室工作条件恶劣，叶片由于腐蚀寿命短于其 疲劳寿命，使用一段时间后必须修复表面抗腐蚀涂层，保证叶 片的服役寿命。
2015/3/20 中国科学院金属研究所 表面工程叶片工作在温度最高、环境最恶劣的高压燃气室内， 对材料要求严格，主要由单晶高温合金、粘结层和陶瓷层组成。 为提高其使用温度，叶片还配有冷却系统。
燃气轮机透平叶片涂层技术
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
1
燃气轮机应用
发电 舰艇 航空器
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
2
世界上主要的航空发动机生产商
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
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燃气轮机及其内部透平叶片
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
2015/3/20 中国科学院金属研究所 表面工程研究部 10
冷却系统
高压燃气室温度 1700~1850℃
空气冷却后叶片工作温度 1400~1500℃
高温合金工作温度
1000~1100℃
通过空心叶片冷却系统可以将叶片工作温度降低到1400~1500℃ ，而陶瓷隔热层可以进一步将其降低到高温合金允许的工作温 度 1000~1100 ℃ 2015/3/20 11 中国科学院金属研究所 表面工程研究部
三级高压燃气室叶片 四代航空设计: 效率高 空心冷却: 服役寿命长 单晶材料：力学性能优越 耐腐蚀粘结层：良好韧性和耐腐蚀性能 陶瓷涂层：隔热性能良好
2015/3/20
中国科学院金属研究所 表面工程研究部
透平静叶的多参数气动优化设计方法
参数 的透平 静 叶进 行优化 。这个 方法包 括叶 型坐标 与参数 的 变换 、 数化 叶片 与 网格 生 成 、 参 Ｎ—Ｓ方程 数值求解 、 化策 略 四个部 分 。在 优化过 程 中 ， 优 改变
叶片 的设 计参 数 ， 通过 三 维 叶 片造 型与 网格 生成 程 序重 构 叶 片 ， 到 一 系 列 叶 片 和 网 格 数 据 。 采 用 得
厚度 Ｒ 和最 大厚 度相 对 位 置 Ｘ ＾ ｍ ／ 前／ ～ ＝Ｘｔ Ｓ， 后 ｈ
缘半径 Ｒ ， ２前 ／ 缘 厚 度 梯 度 角 ａ 、 ２ 叶 片人 。Ｒ 。如果把 对 叶 ２ １ ２ １ ， ， 片弯 、 掠设 计 考 虑 在 内 ， 要 再 增 加 相 应 的设 计 参 需
转换 的重要任 务 ， 其气 动 性 能在 很 大程 度 上 决 定 于
它 的造型 。因此 ， 高叶轮 机械 的性能 ， 提 必须 重视 叶 片优化设 计技 术 的研 究 。叶 片 设计 是 一个 复杂 、 反 复 的过程 ， 它包括许 多不 同的 目标 与参数 ， 以及 来 自
叶片 参数 化 造型 是指 对 叶 片建 模 ， 为优 化设 并
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第２ 期
透 平 静 叶 的 多 参 数 气 动 优 化 设 计 方 法
２ ３
模 拟辐射 热传 导等 。本 文采 用 Ｓｇｅａ ｄｓｌ ｒ和 ｋ ｅｒｇｔ ｏ ｅ ｅ ｖ
计过程 提供设 计变量 ［ ¨。叶片形 状可 以用 叶片表 面
上点坐标 表示 ， 是 用 较 少 的 坐标 点 很难 精 确表 达 但 出叶片形 状 ， 而且 极易 构 造 出 不 合理 叶 型。 本 方 法 用叶片 的几何参 数作 为设 计 变 量来 构 造 叶 片 ， 设 使
汽轮机叶片参数化设计关键技术研究
第12卷第10期计算机集成制造系统Vol.12No.102006年10月Computer Integrated Manufacturing SystemsOct .2006文章编号:1006-5911(2006)10-1537-06收稿日期:2005-08-16;修订日期:2005-12-02。
Received 16Aug.2005;accepted 02Dec.2005.作者简介:于红英(1968-),女,满族,黑龙江勃利人,哈尔滨工业大学机电工程学院副教授,博士,主要从事机械CAD 及仿真技术、参数化设计、智能控制等的研究。
E -mail :mcadyhy @ 。
汽轮机叶片参数化设计关键技术研究于红英,唐德威,伞红军(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:为提高汽轮机叶片的设计质量和设计效率,以Access 数据库为核心,利用VC ++语言开发了一套基于U G 平台的汽轮机叶片参数化设计软件。
研究了叶片3维造型及2维工程图绘制的关键技术,给出了叶身造型的关键步骤。
为了生成参数化的叶片2维工程图,给出了工程图布局的算法,提出了用优化与样条插值相结合求相贯线的方法和工程图尺寸函数开发的旋转法。
应用该项技术开发的叶片设计系统已在某汽轮机厂的叶片设计中得到应用。
关键词:汽轮机叶片;参数化设计;旋转法中图分类号:T K26313 文献标识码:AK ey technologies of steam -turbine -blade ’s parametric designYU Hong -ying ,TA N G De -wei ,S A N Hong -j un(Sch.of Mechatronics Eng.,Harbin Inst.of Tech.,Harbin 150001,China )Abstract :To improve design efficiency and quality of a steam -turbine -blade ,an Access database -centered para 2metric design software was developed by using VC ++language ,which was based on U G platform.Key technolo 2gies of three -dimension modeling and two -dimension drawing were studied and key steps of blade -body modeling were given.In order to generate parametric blade ’s drawing ,drawing layout algorithm was provided and a method to solve a phase inertial line was put forward ,which combined optimization with B -spline interpolation method.To satisfy the parametric dimension requirements ,a rotation method to develop dimension f unction was presented.The developed software has been applied to the blade design in a steam turbine corporation.K ey w ords :steam -turbine -blade ;parametric design ;rotation method0 引言叶片在工程中的应用较广泛,如用在航空发动机、搅拌机、水泵及汽轮机上。