燃气轮机透平叶片参数化设计及优化

三菱M701F4燃机透平冷却系统优化方案的探究摘要：三菱M701F4在机组增大改型中对燃气轮机透平冷却空气系统进行了改进，在对燃机透平冷却系统布置方案进行优化后，节省了设备投资，在燃机项目建设中具有较为普遍的推广价值。

关键词：燃气轮机透平冷却节能优化方案引言日本三菱重工是国内燃气轮机的供货商之一，三菱公司M701F4型燃气轮机是当今世界容量最大、效率最高的机型之一，东方电气是三菱燃机设备的国内技术合作方。

M701F4型燃气-蒸汽联合循环机组的配置型式为：一台燃汽轮机，一台蒸汽轮机，一台发电机，一台余热锅炉，机组频率为50Hz，机组性能保证条件下出力为452.07MW。

燃机燃烧室的高温燃气为1400℃，燃机透平静叶及叶片暴露在高温燃气中，为保证燃机透平的正常工作和使用寿命，必须保证燃机透平冷却系统的可靠运行。

M701F4燃气透平为4级，采用空气冷却。

冷却空气取自压气机抽气口，经燃机空气冷却器（TCA）冷却后送至燃机对透平叶片和静叶等部件进行冷却。

冷却空气系统执行着燃气轮机可靠运行必需的基本的功能，其功能在于引导冷却空气进入热通道构件，冷却回路包括动叶片冷却回路和静叶片冷却回路。

动叶片冷却空气是由从燃气轮机燃烧器外壳抽出的压气机出口空气。

1 M701F4型透平冷却系统的优化三菱M701F4型机组中，对燃机空气冷却系统进行了改进，采用余热锅炉给水对压气机来的空气进行冷却后送至透平对静叶和叶片进行冷却，能够达到更好的冷却效果。

系统采用TCA换热器，利用余热锅炉高压给水对透平冷却空气进行冷却，冷却后空气温度能够由330℃左右的高温冷却到要求的230℃，冷却效果得到了改善，系统的可靠性得到了提高。

压气机出口的高温空气在得到冷却的同时，加热了余热锅炉高压给水，回收了大量的热能，提高了联合循环机组运行的经济性。

1.1 原透平冷却系统的设置图1为三菱重工燃机透平冷却器TCA的冷却水系统图。

如图所示，由高压给水泵来的给水分成两个支路，一路去高压省煤器在余热锅炉受热面中进行换热，一路去TCA冷却器，对燃机透平冷却空气冷却后，给水温度上升后分成两路，一路经调节阀汇入高压省煤器出口管道后经汽包水位调节阀排入高压汽包，在正常运行中投入使用；一路经凝汽器调节阀排入凝汽器，在机组启停机中投入使用。

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。

燃气轮机叶片设计与优化燃气轮机是一种主要应用于能源行业的发电设备，其核心部件之一就是叶片。

燃气轮机叶片设计与优化是一个非常重要的研究课题，本文将深入探讨叶片设计的原理和方法，以及优化的技术手段。

一、燃气轮机叶片的设计原理燃气轮机叶片设计的目标是提高机械效率、降低能量损失，并尽可能减少噪音和振动。

为了实现这些目标，叶片设计需要考虑以下几个方面的因素：1. 流体动力学特性：燃气轮机中气流的流动是叶片设计的基础，需要考虑流动的速度、压力、温度等因素，并根据流体动力学的原理进行叶片的形状和布置设计。

2. 材料力学特性：叶片需要承受高温、高压以及高速气流的冲击和轴向力，因此在设计时需要考虑材料的强度和耐热性能，选择适合的材料以保证叶片的可靠性和耐久性。

3. 振动和噪音特性：叶片的振动和噪音会对燃气轮机的性能和使用寿命产生不利影响，因此在设计时需要考虑振动和噪音特性，采取合适的措施减少振动和噪音的产生。

二、燃气轮机叶片设计的方法燃气轮机叶片设计的方法主要可以分为两个方面：经验设计和计算流体力学（CFD）辅助设计。

1. 经验设计：经验设计是根据以往的设计经验和实验数据进行叶片设计的方法。

通过对类似叶片的性能和工作状况进行研究和分析，总结出一些经验规律和可以应用于实际设计的参数。

经验设计的优点在于简单、快速，但由于缺乏理论支持，不一定能够得到最优的设计方案。

2. CFD辅助设计：计算流体力学是一种通过数值计算方法解决复杂流体流动问题的技术，可以模拟叶片与气流之间的相互作用，预测叶片的流动性能。

CFD辅助设计的优点在于可以更全面、精确地了解气流在叶片上的流动情况，可以对不同设计参数进行优化，并通过参数敏感性分析找出最优的设计方案。

三、燃气轮机叶片优化的技术手段燃气轮机叶片的优化是为了提高燃气轮机的效率和性能，减少能量损失和排放。

以下是几种常用的叶片优化技术手段：1. 气流动态调整：通过改变叶片的几何形状和布局，调整气流的流速和流向，以减小能量损失和阻力，提高燃气轮机的传热效果。

- 69 -工 业 技 术燃机进气系统一般包括了多级过滤，进气系统的压损将造成压气机进口压力低于大气压力，压气机耗功增加，透平的出力将更多的消耗在压气机，其次进气压力降低使空气比体积增加，空气流量减少。

进气系统压力损失变大将使燃机的出力和效率将同时下降。

燃机进气系统的功能主要是对进入燃机压气机的空气进行预处理，确保相对洁净的空气进入压气机和燃机透平，未过滤掉的尘粒将冲刷压气机和透平叶片或造成结垢，最终将降低燃机效率和出力。

１　某厂Ｍ７０１Ｆ３型燃机进气系统组成和运行情况燃气轮机采用二级过滤，进气量651 kg/s，初效过滤器运行压差不高于450 Pa，精过滤器运行压差不高于850 Pa，精过滤器设计过滤等级F8，初效过滤器板式过滤器，过滤等级G4。

１．１　运行中精过滤器存在的问题精过滤器使用寿命短，运行压差高，使用寿命约3 000 h，遇到雨雾天气，过滤器压差急剧上升，天气转好后压差也无法恢复初始状态，长期在高压差状态下运行，严重影响机组安全经济运行。

精过滤器过滤精度较低，无法满足低能耗高精度的要求，大量的灰尘颗粒进入燃机内部，易造成燃机叶片积垢，造成压气机效率下降。

１．２　运行中初效过滤器存在的问题初效板式过滤器未对进气系统精过滤器形成有效保护，过滤面积小容尘能力差，运行压差高，经统计过滤器使用寿命约1 500 h。

初效过滤器长期保持在高压差状态下运行，造成进气压力损失增加。

２　进气系统相关分析２．１　进气系统压力损失对燃机的影响燃机压力保持系数Φ= ΦC ×Φr ×Φt 压气机进气压力保持系数ΦC =Pa-△p 1*/Pa， 由以上公式可知，如燃烧室压力保持系数Φr 和排气压力保持系数Φt 不变，进气系统压力损失△p 1*变大将使燃机压力保持系数Φ变小。

曲线说明：除变量外的其他影响因数都是一般技术水平，与M701F3机型不完全一致。

抽气系数μcl =0.04；燃烧效率ηf =0.98。

AE94.3A型燃气轮机透平叶片冷却系统介绍发布时间：2021-08-23T09:49:34.313Z 来源：《当代电力文化》2021年4月12期作者：姚国荣[导读] 提高燃气轮机透平进口温度是提高燃气轮机热效率的有效措施，而先进的透平叶片冷却技术是提高透平进口温度的有效措施之一姚国荣（广东大唐国际肇庆热电有限责任公司，广东肇庆 526000）摘要：提高燃气轮机透平进口温度是提高燃气轮机热效率的有效措施，而先进的透平叶片冷却技术是提高透平进口温度的有效措施之一。

本文介绍了燃气轮机透平叶片冷却的技术，阐明了燃机冷却空气系统在燃气轮机正常运行时的作用。

介绍了安萨尔多AE94.3A燃机运用的冷却技术，冷却空气系统组成、冷却空气的来源。

关键词：燃气轮机、AE94.3A、透平叶片冷却空气1前言某项目机组为安萨尔多AE94.3A型燃气-蒸汽联合循环供热机组，采用分轴联合循环布置。

每套机组由一台燃气轮机、一台余热锅炉、一台蒸汽轮机、一台燃气轮机发电机、一台蒸汽轮机发电机组成。

燃气轮机由上海电气&安萨尔多公司联合设计制造，型号为AE94.3A，燃料为天然气，输出方式为冷端输出。

燃机由压气机、燃烧器、透平和有关辅助系统组成。

压气机采用轴流式，共 15 级，压比为 18.9，进口设有可调导叶(IGV)，同时第一级静叶（CV1）可调，主要用于调节透平排气温度和防止压气机喘振。

透平为 4 级轴流式透平，由气缸和转子组成。

气缸为水平中分面式结构。

转子由透平轮盘、透平轴、工作叶片及联接件等组成。

透平的静叶、动叶由压气机抽气来冷却。

本文通过收集资料认真解读，简单介绍燃气轮机透平冷却空气系统，。

2燃机透平冷却技术介绍燃机透平入口初温对整套机组的热效率有很大的影响，随着燃气轮机技术的发展，透平入口温度已经可以达到1400℃甚至更高，但提高透平初温同时也会影响机组的安全运行。

如何有效地为暴露在高温的燃机本体金属部件提供冷却也是一门重要的研究课题，世界各大燃气轮机生产商在这个课题上成功研究出先进、高效的冷却技术，结合抗高温材料，运用先进的冷却技术，保证了机组安全、高效地运行。

燃气轮机透平叶片旋流冷却技术研究综述目录一、内容综述 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 研究内容与方法 (5)二、燃气轮机透平叶片冷却理论基础 (7)2.1 热传导理论 (8)2.2 热对流理论 (9)2.3 热辐射理论 (10)2.4 综合传热理论 (11)三、旋流冷却技术原理及特点 (12)3.1 旋流冷却技术基本原理 (13)3.2 旋流冷却技术特点分析 (14)四、燃气轮机透平叶片旋流冷却结构设计 (16)4.1 喷孔结构设计 (17)4.2 油气混合物分布设计 (18)4.3 冷却通道设计 (19)4.4 叶片材料选择 (20)五、燃气轮机透平叶片旋流冷却数值模拟研究 (22)5.1 数值模拟方法概述 (23)5.2 仿真结果与分析 (24)5.3 改进措施探讨 (25)六、实验验证与性能评估 (27)6.1 实验设备与方案 (28)6.2 实验结果与分析 (29)6.3 性能评估方法 (30)6.4 与其他冷却技术的比较 (32)七、结论与展望 (33)7.1 研究成果总结 (34)7.2 存在问题与不足 (35)7.3 未来发展方向与展望 (36)一、内容综述作为一种高效、高功率的发电设备，其透平叶片在高温高压工作环境下长期运行，面临着巨大的热负荷和材料挑战。

透平叶片的冷却技术成为了燃气轮机设计中的重要环节，随着航空发动机技术的快速发展，透平叶片的旋流冷却技术也得到了广泛的研究和应用。

旋流冷却技术是一种利用旋转气流对叶片进行冷却的方法，通过形成强烈的旋流场，使冷却空气在叶片表面形成强烈涡流，从而有效地带走叶片表面的热量。

这种技术具有结构简单、冷却效果好、适应性强等优点，能够显著提高燃气轮机透平叶片的运行寿命和工作效率。

冷却空气流量优化：通过调整冷却空气的流量，可以实现对叶片温度的有效控制。

适当增加冷却空气流量可以提高叶片的冷却效果，但过高的流量也会导致风机功耗的增加和热效率的下降。

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。

GE公司F级燃气轮机1 F级燃气轮机产品系列及其性能演变F级燃气轮机已有多种多样的型号可满足不同用户的需要，在MS6000、MS7000、MS9000系列中都有F级的产品，表1列出F级燃气轮机最新机型简单循环的性能，表2列出50Hz的F级燃气表1 F级最新机型燃气轮机简单循环性能基本参数MS9351FA MS7241FA MS6101FA净出力/MW 255.6 171.7 70.1效率/% 36.9 36.4 34透平进口温度/℃1327 1327 1288压比15.4 15.5 14.9质量流量/kg·s-1624 432 198排气温度/℃609 602 597频率/Hz 50 60 50/60表2 50HzF级燃气轮机联合循环性能基本参数S109FA S209FA S106FA S206FA净出力/MW 390.8 786.9 107.4 218.7净热耗率/kJ·（kWh）-16350 6305 6767 6654净效率/% 56.7 57.1 53.2 54.1MS9001FA、MS7001FA、MS6001FA型燃气轮机都有18级的压气机和3级的涡轮机，以冷端驱动和轴向排气为特点，有利于联合循环布置。

F级燃气轮机采用GE公司传统可靠的分管式燃烧系统，并可配备双燃料燃烧系统，如在以天然气为主燃料时，可以轻油为辅助燃料。

当天然气供应发生故障时，机组可自动切换到轻油燃烧，使燃机不因燃料供应故障而停机，进一步保证了机组的可靠性和可用性。

机组也可根据要求，在一定条件下使用双燃料混合燃烧。

此外，F级燃气轮机可燃用低热值燃料，从而扩大了发电厂的燃料使用范围和灵活性。

F级燃气轮机应用于IGCC电厂，可GE公司在其制造MS6000型、MS7000型和MS9000型机组的基础上，发展完善了底盘部套、控制和辅机组合一体的快装模块结构，这种标准化布置可减少管道、布线及其他现场相关联接的工F级燃气轮机还显示出不同寻常的环保特点。

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。