(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210595222.7 (22)申请日 2022.05.29 (71)申请人 中国船舶重 工集团公司第七0三研 究所 地址 150078 黑龙江省哈尔滨市道里区洪 湖路35号 (72)发明人 牛夕莹　林枫　李越　王靖超　 李国强　傅琳　李宗全　 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) F01D 9/02(2006.01) G06F 113/06(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种燃气轮 机高压涡轮导叶设计方法 (57)摘要 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。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 115098959 A 2022.09.23 CN 115098959 A 1.一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法， 其特 征在于， 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； 步骤二、 保持高压涡轮动叶不变， 按照燃气轮机整机总体性能参数， 将高压涡轮导叶叶 片数量减少一定数量， 重新调整高压涡轮导叶出 口几何角、 弦长、 轴向弦长后， 开展高压涡 轮气动计算， 使高压涡轮进口流 量满足燃气轮机整机总体要求； 步骤三、 根据步骤二高压涡轮气动计算结果， 分析得到高压涡轮动叶进口气流角， 并将 高压涡轮动叶进口气流角与步骤一得到的数据进 行对比， 根据高压涡轮动叶进口气流角对 比变化情况， 重新调整高压涡轮动叶进口几何角， 改善高压涡轮动叶进口攻角； 步骤四、 基于步骤二得到的高压涡轮导叶气动 参数及叶型参数以及步骤三得到的高压 涡轮动叶气动参数及叶型参数， 按照燃气轮机整机总体性能参数， 采用与步骤二相同的边 界条件， 开展高压涡轮气动计算， 得到减少高压涡轮导叶 叶片数后的初步气动参数； 步骤五、 根据步骤二得到的高压涡轮导叶叶型参数以及步骤四得到的高压涡轮导叶气 动参数， 采用涡轮叶片冷却空气用量传统评估方法， 评估减少高压涡轮导叶叶片数后的高 压涡轮导叶冷却空气用量， 并将该冷却空气用量数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡 轮导叶冷却空气用量进行对比， 记录冷却空气用量减少数值； 步骤六、 保持步骤四计算模型及边界条件不变， 根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却 空气用量， 重新开展高压涡轮气动计算， 得到减少高压涡轮导叶叶片数后的高压涡轮气动 效率数值， 并将该效率数值与步骤一采用传统方法设计的高压涡轮气动效率进行比对， 记 录气动效率降低数值； 步骤七、 根据步骤五得到的高压涡轮导叶冷却空气用量、 步骤六得到的高压涡轮效率， 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后的整机效率数 据值； 步骤八、 若减少高压涡轮导叶叶片数后的整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导 叶对应的整机效率相比增加值不符合不小于0.2％的预定标准， 则进一步减少2片导叶， 重 复执行步骤二～ 步骤七， 直至整机效率较采用传统方法设计的高压涡轮导叶对应的整机效 率相比增长值数据达 到不小于 0.2％的预定标准。 2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法， 其特征在于： 步骤二具 体为： 将高压涡轮导叶 叶片数量减少15％。 3.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法， 其特征在于： 所述 导叶叶片造型采用前缘积叠 。 4.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法， 其特征在于： 所述 高压涡轮气动设计软件为 NREC软件。 5.根据权利要求4所述的一种燃气轮机高压涡轮导叶设计方法， 其特征在于： 所述叶片 造型软件为UG、 NUM ECA软件。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115098959 A 2一种燃气轮机高压涡轮 导叶设计方 法 技术领域 [0001]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 [0002]因燃气轮机具有功率密度大、 起动速度快等优点， 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。 [0003]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。 [0004]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。 [0005]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 。 [0006]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。说　明　书 1/5 页 3 CN 115098959 A 3