CN113916542B - 适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统及其方法，包括涡轮试验段、进气系统（含燃烧室）、排气系统（含排气蜗壳）、滑油供给系统、燃油供给系统、负载系统、冷却水系统、测量系统、控制系统，音视频系统和安全警戒系统；本发明可以模拟真实航空发动机涡轮叶片所处的高转速、跨音速等真实的工作环境和工况，实现辐射、激波等影响下涡轮叶片气膜覆盖、换热特性、端壁冷却、内外耦合、叶尖间隙等测量及气动性能考核。

Description

适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮叶片试验测试领域，特别是涉及一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统及其方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一，它处于发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，且数量众多、形状复杂、尺寸要求高、加工难度大，直接影响着航空发动机的性能。

而涡轮叶片从最初设计到最终定型需要进行大量的各种工况下的试验，得到相关数据后进行不断地优化改进，才能保证其能够满足发动机性能、可靠性和寿命的要求，所以急需一种能够模拟真实发动机的综合试验系统，并且能够采用尽可能多的，先进的测量技术对涡轮叶片的各种参数进行全寿命监测和记录。

相对于整机试验台而言，涡轮叶片特性的综合试验系统（下面简称涡轮台）属于高技术含量的部件类试验设施，在国内只有极少数科研院所具备涡轮台的工程级设计及使用能力；传统的涡轮台往往都是通过相似原理降低了工况，与真实工况相去甚远，导致无法得到在高温高转速等极限条件下的试验数据；此外现有的大多数涡轮台受制于投资和运营成本，都只是测量涡轮叶片某些较少的数据，比如申请号202011326136 .3的专利主要是测量叶片壁温和材料性能，无法形成对涡轮叶片工作情况的全面了解和监测，而高工况（主要指的是高温高转速）会全面的考验涡轮台的整体性能，因此亟需一种能覆盖高工况，投资和运营成本低，安全可靠，具备多种测量手段的涡轮叶片特性的综合试验系统。

申请号：CN2019212974489，公告号：CN210690009U，公开一种超高速叶片试验台，包括气体压缩结构、动力涡轮结构和轴承箱。其中，气体压缩结构具有进气口和出气口；动力涡轮结构具有涡轮叶片、涡轮轴和排气蜗壳，排气蜗壳具有进气口和出气口，排气蜗壳的进气口通过连接管道与气体压缩结构的出气口相连，涡轮叶片固定于涡轮轴的一端，涡轮轴的另一端用以和试验叶片固定相连；轴承箱与涡轮轴的中部转动相连。

申请号：CN2009100927384，公开号：CN101699244A，公开一种超跨音对转涡轮试验台，其包括有试验台本体、压缩气源分系统、加温分系统、滑油分系统、水冷分系统、电气控制分系统和数据采集分析分系统，试验件(1)安装在试验台本体上，其特征在于：所述的试验台本体包括有大平台(10)、小平台(20)、高压涡轮测功器(2)、低压涡轮测功器(7)、A叠片联轴器(3a)、B叠片联轴器(3b)、A减速器(4a)、B减速器(4b)、A联轴器(5a)、B联轴器(5b)、进气蜗壳(61)和排气蜗壳(62)。

申请号：CN2018115057354，公开号：CN109682702A，公开一种涡轮叶片热障涂层工况模拟实验测试系统，包括工作状态模拟设备、服役环境模拟设备和检测设备；工作状态模拟设备设置于待测涡轮叶片热障涂层一侧，与待测涡轮叶片热障涂层连接，用于模拟待测涡轮叶片热障涂层的高速旋转工作状态；服役环境模拟设备设置于待测涡轮叶片热障涂层另一侧，用于模拟待测涡轮叶片热障涂层在高速旋转工作状态下的服役环境；检测设备，用于对待测涡轮叶片热障涂层在所述服役环境中高速旋转时产生的损伤进行检测。

申请号：CN2011104601314，公开号：CN102539135A，公开一种空心气冷涡轮叶片热机械疲劳试验系统，包括加载子系统、加温子系统、气冷子系统、水冷子系统和控制子系统；加载子系统在竖直方向上夹持涡轮叶片；加温子系统水平放置于加载子系统中部，对涡轮叶片进行加热；气冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统相连；水冷子系统水平放置，通过管道与加载子系统和加温子系统相连；控制子系统放置于加温子系统上部，通过线缆与加载子系统、加温子系统和气冷子系统相连。

申请号：CN2017107697104，公开号：CN107421984A，公开一种空心涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统及方法，包括高、低周载荷加载子系统、温度载荷加载子系统、冷却子系统及载荷协调控制子系统；高、低周载荷加载子系统对被专用夹具稳定夹持的涡轮叶片独立地施加高、低周载荷；温度载荷加载子系统对涡轮叶片考核截面进行加热；冷却子系统包括水冷部分和气冷部分，水冷部分用于试验过程中冷却，气冷部分用于协助实现试验中的温度循环及叶片内部冷却情况的模拟；载荷协调控制子系统用于控制各个系统协调工作。

申请号：CN2021101406633，公开号：CN112903276A，公开一种开放式涡轮叶片试验设备，包括拉瓦尔喷管、燃气引射器和工作台；拉瓦尔喷管前端用于与燃烧室的燃气出口连接，后端用于为其正后方的待测试涡轮叶片提供燃气测试环境；燃气引射器用于安装在拉瓦尔喷管正后方，待测试涡轮叶片在燃气引射器与拉瓦尔喷管之间，拉瓦尔喷管喷出的燃气经过待测试涡轮叶片后进入燃气引射器；燃气引射器的外壁和/或壁内部设置有水冷结构，燃气引射器内部在燃气流动方向上从前到后依次设置有喷淋装置和引射风扇；待测试涡轮叶片下方设置有工作台。

申请号：CN2017101876327，公开号：CN108663198A，公开一种涡轮叶片的测试系统，包括：测试单元，用于承载涡轮叶片并形成测试环境；空气压缩单元，用于产生压缩空气；燃气发生器，用于利用压缩空气形成高温高压燃气并输入测试单元；环境模拟单元，用于向燃气发生器输入腐蚀气体原材料以在测试单元中形成腐蚀环境；加载单元，用于向所述涡轮叶片施加机械载荷；控制单元，用于控制空气压缩单元、燃气发生器及环境模拟单元的输出；以及测量单元，用于对测试单元及涡轮叶片进行测量。

申请号：CN2017103891957，公开号：CN108931380A，公开一种涡轮叶片测试系统，其中，所述涡轮叶片测试系统包括：燃气产生装置，所述燃气产生装置包括气源与燃烧室连接，用于产生燃气；测试装置，所述测试装置包括试验涡轮；动力控制装置，所述动力控制装置包括动力涡轮，所述动力涡轮和试验涡轮与燃烧室连通，所述试验涡轮位于燃烧室和动力涡轮之间，且在所述燃气驱动的动力涡轮带动下转动。

申请号：CN2017103892199，公开号：CN108931359A，公开一种涡轮叶片测试系统，包括：燃气产生装置，用于产生燃气，所述燃气产生装置包括压气机、压气机电机以及燃烧室，所述压气机与压气机电机匹配，在压气机电机的驱动下向燃烧室提供气体；测试装置，所述测试装置包括试验涡轮，与燃烧室连通；动力控制装置，所述动力控制装置包括动力涡轮；所述试验涡轮设置于燃烧室与动力涡轮之间，所述试验涡轮和动力涡轮均设置于燃烧室之后，且与燃烧室连通；燃烧室所产生的燃气驱动动力涡轮，试验涡轮在动力涡轮带动下转动。

此外，诸如CN108087549A公开一种航空发动机涡轮叶片冷却试验密封结构，CN109253940A公开一种用于涡轮叶片材料热疲劳的实验装置，CN101403654A用于燃气轮机涡轮叶片的双工质冷却实验系统，CN108458860A涡轮叶片热机械疲劳试验系统，等，虽然都是用于测量涡轮叶片的某种工况特性，但是，都无法全面的测试在高工况下涡轮叶片的各个特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，以解决上述现有技术存在的问题。

如上所述，高工况（主要指的是高温高转速）会全面的考验涡轮台的整体性能。首先涡轮试验段的涡轮转子由高温合金铸造而成，同时采用滚棒轴承和角接触轴承组，加上滑油供给系统的润滑，以及次流气路对前后轴承腔封严，防止燃气倒灌；第二，负载系统加装增速器，并增加旋转轴的直径来增加刚性；第三，冷却水系统对滑油供给系统和负载系统进行冷却；最后，测量系统通过滑环实现同步测量，大幅增加了测量频率，使得在高转速下能够精准测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：包括如下系统：

涡轮试验段（1）：进行涡轮转子或者静子叶片试验，通过更换不同叶片，即可开展不同工况和参数下气膜覆盖、换热特性、端壁冷却、内外耦合、叶尖间隙的试验；

进气系统（2）：包含三条气路，分别为主流气路，次流气路和引射气路；所述主流气路连接进气系统（2）燃烧室的进口，给其供气，模拟高温高压的主流燃气；所述次流气路连接涡轮试验段（1）的涡轮转子，用来模拟冷气，同时还对前后轴承腔封严以及防止燃气倒灌；所述引射气路包括放气电磁阀1，开关阀1和调节阀1与排气系统（3）的引射器连接，通过控制调节阀1的开度来模拟不同的背压；

排气系统（3）：包括排气蜗壳，引射器和消音塔；所述排气蜗壳与涡轮试验段（1）出口相连，用来收集废气；所述引射器与进气系统（2）的引射气路相连，利用引射气路的不同压力，流量的气体产生引射效应，模拟不同的背压环境；

滑油供给系统（4）：连接涡轮试验段（1）和负载系统（6）中的齿轮箱，用于水利测功机及试验件轴承的润滑及冷却，保证测功机及试验件的稳定运行；

燃油供给系统（5）：与进气系统（2）的燃烧室相连,为燃烧室提供满足压力、流量及洁净度要求的燃油；

负载系统（6）：包括联轴器、测扭器和水力测功机,用于吸收试验件产生的功，并通过调整和测量试验件的转速及扭矩对所吸收的功进行测量；

冷却水系统（7）：与负载系统（6）、滑油供给系统（4）相连，用于对负载系统、滑油供给系统的冷却；

测量系统（8）：包括常规测量系统，用于完成常规的温度、压力、流量、转速测量；特殊测量系统包括PSP测试系统、红外测温系统及叶尖间隙测量系统，用于测量叶片全表面温度、气膜覆盖情况以及叶尖间隙；

控制系统（9）：通过信号线与进气系统（2）的各阀门和燃油供给系统（5）、负载系统（6），以及测量系统（8）相连，并配合音视频系统（10），实现远程精确实时操控。

优选为：所述进气系统（2）的三路均设置有开关阀，调节阀，放气阀和喷管，其中次流气路还装有加热器，次流气路和主流气路前还装有过滤器。

优选为：所述排气系统（3）采用排气塔结合消音片的消音形式，所述消音片采用双层微孔板片式，共2层，每层消音20 dB（A）；消声片采用厚片、薄片组合，外形尺寸1.5m（高）*1m（宽）*0.287m（厚），每层布置2片，共4片，排气塔内壁一半面积贴厚片、一半面积贴薄片消声器。

优选为：所述测量系统（8）分为常规测量系统和特殊测量系统两类；所述常规测量系统完成常规的温度、压力、流量、转速等测量；所述特殊测量系统包括PSP测试系统、红外测温系统及叶尖间隙测量系统；该测量系统通过滑环安装在涡轮试验段上，实现高转速下的同步测量。

优选为：所述控制系统（9）负责采集监控试验器运行状态、监控回路所需的全部测量参数，包括试验器全系统的温度、压力、流量，控制系统同时对电气设备进行控制监控。

优选为：还包括音视频系统（10）：由控制系统（9）控制，安装在涡轮试验段（1）的涡轮部分、进气系统（2）的燃烧室和排气系统（3）的消音塔周围,用于完成对试验区域重点部位的视频监控。

优选为：还包括安全警戒系统（11）：由控制系统（9）控制，安装在涡轮试验段（1）的涡轮部分、进气系统（2）的燃烧室和排气系统（3）的消音塔周围，用于对试验区域重点部位的警戒和报警。

本发明还公开一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统试验方法。

本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，包括涡轮试验段、进气系统、排气系统、滑油供给系统、燃油供给系统、负载系统、冷却水系统、测量系统、控制系统、音视频系统和安全警戒系统，能够测量高温高转速下涡轮叶片的气膜覆盖、换热特性、端壁冷却、内外耦合、叶尖间隙等测量及气动性能考核。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统示意图；

图2为本发明各系统连接关系示意图；

图3(a)为涡轮试验段的具体组成示意图；图3(b)为前后承力机匣结构示意图。

其中：1-涡轮试验段，2-进气系统，3-排气系统，4-燃油供给系统，5-滑油供给系统，6-负载系统，7-冷却水系统，8-测量系统，9-控制系统，10-音视频系统，11-安全警戒系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1和图2，本发明提供一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，包括涡轮试验段（1）、进气系统（2）、排气系统（3）、滑油供给系统（4）、燃油供给系统（5）、负载系统（6）、冷却水系统（7）、测量系统（8）、控制系统（9）、音视频系统（10）和安全警戒系统（11）；

参照图2，其中进气系统（2），涡轮试验段（1），排气系统（3）和负载系统（6）沿相同轴线方向安装相连；此外涡轮试验段（1）还与滑油供给系统（4）和燃油供给系统（5）相连；滑油供给系统（4）还与负载系统（6）相连；冷却水系统（7）与滑油供给系统（4）和负载系统（6）相连；控制系统（9）通过信号线与涡轮试验段（1）、进气系统（2）、燃油供给系统（5）、负载系统（6）、测量系统（8）相连；

所述进气系统（2）包含三条气路，分别充当主流气路，次流气路和引射气路。参照图1，电动开关阀1和2互为备份，降低故障概率，经过这两个阀门后，气流分为两路，一路设有过滤器，为涡轮试验段主流和次流供气，一路为引射器供气。过滤器用以保证涡轮试验段用气的清洁度，避免试验件损伤。主流经开关阀2、调节阀2、安全阀、喷管和燃烧室，为涡轮试验段供气。试验件次流通过开关阀3后，也分成两路，第一路通过调节阀3、安全阀1和临界喷管1进入涡轮试验段的前后承力机匣，充当封严用气，第二路通过调节阀4，安全阀2，流量计，临界喷管2和电加热器进入涡轮转子叶片，充当冷却气，同时为了更好的调节流量，次流还设置有放气电磁阀2，这样可以实现涡轮试验件次流工况的模拟。引射气路包括放气电磁阀1、开关阀1、调节阀1、喷管，用以调节引射器的流量。

其中调节阀保证空气调节精度，安全阀用于保证管道设计的本质安全，开关阀控制管道的开闭，放气电磁阀通过控制放气量，来更好的控制流量，以及管道发生壅塞时及时排气。临界喷管主要用来控制气体流速和压力。

所述涡轮试验段包含涡轮转子、涡轮静子、前后承力机匣、前后轴承座等，其中涡轮转子由高温合金铸造而成，同时采用滚棒轴承和角接触轴承组，加上滑油供给系统的润滑，以及次流气路对前后轴承腔封严，防止燃气倒灌。

为了满足排放标准，所述排气系统包括排气蜗壳，引射器和消音塔，其中排气蜗壳与所述涡轮试验段出口相连，引射器与所述进气系统的引射气路相连。

所述滑油供给系统连接所述涡轮试验段和所述负载系统中的齿轮箱。

所述燃油供给系统与所述进气系统的燃烧室相连。

为了吸收试验件产生的功，并通过调整和测量试验件转速及扭矩对所吸收的功进行测量，所述负载系统包括联轴器、测扭器、增速器和水力测功机，其中增速器有利于保证水力测功机在安全转速范围内工作，并增加旋转轴的直径来增加刚性。

为了保证热量被及时带走，所述冷却水系统与所述负载系统、所述滑油供给系统相连。

所述测量系统分为常规测量系统和特殊测量系统两类，常规测量系统主要完成常规的温度、压力、流量、转速等测量；特殊测量系统包括PSP测试系统、红外测温系统及叶尖间隙测量系统。测量系统通过滑环实现同步测量，大幅增加了测量频率，使得在高转速下能够精准测量。温度由布置在叶片表面和端壁附近的热电偶测量，压力测点布置在涡轮试验段前后，可以测量经过叶片前后的压损，流量由进气系统中的流量计测量；红外测温通过红外摄像机实现叶片全表面测温，设备测量精度：±1%FS；PSP测量系统完成叶片表面气膜覆盖特性测试，分辨率不低于1mm,实现全叶片表面测量；叶尖间隙测量通过在机匣布置间隙传感器实现叶片与机匣间隙测量，精度±40μm。

所述控制系统通过信号线与所述进气系统的各阀门和所述燃油供给系统、所述负载系统，以及所述测量系统相连，并配合所述音视频系统，实现远程精确实时操控。

为了实现对重点系统的远距离实时观测，所述音视频系统由所述控制系统控制，主要安装在所述涡轮试验段的涡轮部分、所述进气系统的燃烧室和所述排气系统的消音塔周围。

为了保证试验的安全，所述安全警戒系统通过单独的线路测量所述进气系统的燃烧室温度、所述涡轮试验段的振动和所述涡轮试验段的涡轮转子转速，一旦超过警戒值，报警灯就闪烁并发出警报。

参照图3，涡轮试验段由涡轮转子、涡轮静子、前后承力机匣、前后轴承座等组成，主要有以下特点：涡轮转子、涡轮静子均由高温合金整体铸造而成；涡轮转子为简支结构，前支点滑动、后支点固支，前后支点分别固定在前后承力机匣上，前支点为滚棒轴承，后支点为背向安装的角接触轴承组，涡轮的轴向力由后支点传递至机匣上。前后承力机匣共设有滑油通风、涡轮叶片冷却引气、封严引气、滑油供油、滑油回油、两路测试引线等6个支板。

下面对涡轮叶片气膜覆盖、换热特性、端壁冷却、内外耦合、叶尖间隙等测量及气动性能考核试验的过程进行详细说明。

一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统试验方法，包括如下步骤：

步骤一：打开电动开关阀1，如果工作正常，就保持电动开关阀2处于闭合状态，然后依次打开开关阀1.2.3，确认安全打开后，再慢慢打开调节阀1.2.3.4，最后确认放气电磁阀1.2和安全阀1.2工作正常。

步骤二：保持排气通畅，确定滑油和冷却水循环参数正常，确认测功机设定在转速控制模式，并预先设定一个较低的控制转速；

步骤三：确认燃油处于点火供油标定开度，然后缓慢调节主流，达到点火空气流量，依次启动点火和供油；

步骤四：观察燃烧室燃烧正常后，逐步调节空气流量和燃油流量，使燃烧室逐步升温升压；燃烧室的温度由以下公式决定，其中为热效率，为增压比，k为比热容比，L_TS为循环功，R为气体常数，T₃ ^*为涡轮前温度：

，

步骤五：在燃烧室升温升压过程中，涡轮试验件在气流作用下开始旋转，不断提升转速，直至达到测功机预设定控制转速时，测功机开始接管涡轮试验件转速；

步骤六：当涡轮试验件达到试验工况点要求的转速后，通过控制系统（9）调节进气系统（2）引射气路的阀门，使涡轮试验件出口压力，逐渐趋近背压设计参数，达到模拟落压比的目的；

步骤七：待各参数稳定，各系统正常工作后，控制系统（9）调节测量系统（8）进行测量；

步骤八：热电偶测量的温度数据可以通过公式 计算得到绝热冷却效率，其中Tg代表燃气温度，Tw代表绝热壁面温度，Tc代表冷气温度；此参数就能反应气膜覆盖情况以及换热特性；此外通过红外相机测量端壁表面的温度，获得端壁在不同工况下的冷却效果；由于有了红外相机，所以叶片表面不要再做绝热处理或者使用瞬态法测量绝热冷却效率，而可以直接得到综合冷效，该参数就能反应叶片内外耦合的效果；

步骤九：通过涡轮试验段前后的压力传感器测得压力数据，即可算出压损，该参数可以考核叶片气动性能。

此外，通过在机匣布置间隙传感器实现叶尖间隙测量试验；通过PSP压敏漆测量氧分压，通过公式就能计算得到绝热冷却效率，其中M为摩尔质量，P代表分压，

最后，通过涡轮试验段前后的压力传感器测得压力数据，即可算出压损，该参数可以考核叶片气动性能。

结合图1，工作过程如下：

首先是进气系统，压缩气进入电动开关阀门组，阀门组将进气分为三路，分别为主流气路，次流气路和引射气路，由于各路的流量和压力要求各不相同，需要各路再加装相应的过滤器，开关阀，调节阀，放气阀，安全阀，喷管，流量计，加热器和燃烧室等，主流气路从燃烧室出来，模拟真实发动机的高温主流燃气，进入涡轮试验段，次流气路用来模拟涡轮转子的冷却气，通过加热器进行加热以满足真实发动机主流与次流的温度比，同时对前后轴承腔封严，防止燃气倒灌，引射气路主要是用来给排气系统模拟真实发动机在不同高度的背压（包括负压和正压，负压和正压是相对于大气压而言）。涡轮试验段又由涡轮转子、涡轮静子、前后承力机匣、前后轴承座等组成，其中这些部件均可根据不同试验要求和工况进行调整和更换。然后进入排气系统，排气系统包括排气蜗壳，引射器和消音塔，主要功能是模拟背压，收集燃气，达到排放要求。滑油供给系统为涡轮试验件供给滑油，在满足设备滑油供给流量的同时，确保滑油的供给温度在设计要求范围内。同时回收润滑设备后的滑油，冷却后，循环供给润滑设备使用。燃油供给系统为燃烧室提供满足压力、流量及洁净度要求的燃油。负载系统主要用于吸收试验件产生的功，并通过调整和测量试验件的转速及扭矩对所吸收的功进行测量。冷却水系统主要为负载系统、滑油供给系统等提供足够流量的循环水。测量系统分为常规测量系统和特殊测量系统两类，常规测量系统主要完成常规的温度、压力、流量等测量；特殊测量系统包括PSP测试系统、红外测温系统及叶尖间隙测量系统。控制系统用于控制、反馈试验系统各类状态参数，通过调节进口流量、进口温度、转速等参数实现工况的模拟。音视频系统主要用于完成对试验区域重点部位的视频监控。安全警戒系统对关键参数进行单独测量，一旦超过警戒值就发出警报。

总结：本发明提供了一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，包括涡轮试验段、进气系统、排气系统、滑油供给系统、燃油供给系统、负载系统、冷却水系统、测量系统、控制系统、音视频系统和安全警戒系统，针对高工况做了相应地改进和应对措施后，能够模拟真实航空发动机涡轮叶片所处的高转速、跨音速等工作环境和工况，实现辐射、激波等影响下涡轮叶片气膜覆盖、换热特性、端壁冷却、内外耦合、叶尖间隙等测量及气动性能考核。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：包括如下系统：

涡轮试验段（1）：进行涡轮转子或者静子叶片试验，通过更换不同叶片，即可开展不同工况和参数下气膜覆盖、换热特性、端壁冷却、内外耦合、叶尖间隙的试验；

进气系统（2）：包含三条气路，分别为主流气路，次流气路和引射气路；所述主流气路连接进气系统（2）燃烧室的进口，给其供气，模拟高温高压的主流燃气；所述次流气路连接涡轮试验段（1）的涡轮转子，用来模拟冷气，同时还对前后轴承腔封严以及防止燃气倒灌；所述引射气路包括放气电磁阀一，开关阀一和调节阀一与排气系统（3）的引射器连接，三个阀门巧妙配合，当总流量过大时，通过放气电磁阀一进行泄气，防止管道壅塞；开关阀直接决定管道的开和闭，最后通过控制调节阀一的开度来精确调控流量，模拟不同的背压；

排气系统（3）：包括排气蜗壳，引射器和消音塔；所述排气蜗壳与涡轮试验段（1）出口相连，用来收集废气；所述引射器与进气系统（2）的引射气路相连，利用引射气路的不同压力，流量的气体产生引射效应，模拟不同的背压环境；

滑油供给系统（4）：连接涡轮试验段（1）和负载系统（6）中的齿轮箱，用于水利测功机及试验件轴承的润滑及冷却，保证测功机及试验件的稳定运行；

燃油供给系统（5）：与进气系统（2）的燃烧室相连,为燃烧室提供满足压力、流量及洁净度要求的燃油；

负载系统（6）：包括联轴器、测扭器和水力测功机,用于吸收试验件产生的功，并通过调整和测量试验件的转速及扭矩对所吸收的功进行测量；

冷却水系统（7）：与负载系统（6）、滑油供给系统（4）相连，用于对负载系统、滑油供给系统的冷却；

测量系统（8）：包括常规测量系统，用于完成常规的温度、压力、流量、转速测量；特殊测量系统包括PSP测试系统、红外测温系统及叶尖间隙测量系统，用于测量叶片全表面温度、气膜覆盖情况以及叶尖间隙；

控制系统（9）：通过信号线与进气系统（2）的各阀门和燃油供给系统（5）、负载系统（6），以及测量系统（8）相连，并配合音视频系统（10），实现远程精确实时操控。

2.根据权利要求1所述的一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：所述进气系统（2）的三路均设置有开关阀，调节阀，放气阀和喷管，其中次流气路还装有加热器，次流气路和主流气路前还装有过滤器。

3. 根据权利要求1所述的一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：所述排气系统（3）采用排气塔结合消音片的消音形式，所述消音片采用双层微孔板片式，共2层，每层消音20 dB；消声片采用厚片、薄片组合，外形尺寸1.5m*1m*0.287m，每层布置2片，共4片，排气塔内壁一半面积贴厚片、一半面积贴薄片消声器。

4.根据权利要求1所述的一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：所述控制系统（9）负责采集监控试验器运行状态、监控回路所需的全部测量参数，包括试验器全系统的温度、压力、流量，控制系统同时对电气设备进行控制监控。

5.根据权利要求1所述的一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：还包括音视频系统（10）：由控制系统（9）控制，安装在涡轮试验段（1）的涡轮部分、进气系统（2）的燃烧室和排气系统（3）的消音塔周围,用于完成对试验区域重点部位的视频监控。

6.根据权利要求1所述的一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：还包括安全警戒系统（11）：由控制系统（9）控制，安装在涡轮试验段（1）的涡轮部分、进气系统（2）的燃烧室和排气系统（3）的消音塔周围，用于对试验区域重点部位的警戒和报警。

7.一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统测试方法，基于权利要求1-6任意一项所述的一种适用于测试高工况下涡轮叶片特性的综合试验系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：打开电动开关阀一，如果工作正常，就保持电动开关阀二处于闭合状态，然后依次打开开关阀一，二，三；确认安全打开后，再慢慢打开调节阀一，二，三，四，最后确认放气电磁阀一，二和安全阀一，二工作正常；

步骤二：保持排气通畅，确定滑油和冷却水循环参数正常，确认测功机设定在转速控制模式，并预先设定一个较低的控制转速；

步骤三：确认燃油处于点火供油标定开度，然后缓慢调节主流，达到点火空气流量，依次启动点火和供油；

步骤四：观察燃烧室燃烧正常后，逐步调节空气流量和燃油流量，使燃烧室逐步升温升压；燃烧室的温度由以下公式决定，其中为n _t 热效率，π为增压比，k为比热容比，L_TS为循环功，R为气体常数，T₃ ^*为涡轮前温度：

，

步骤五：在燃烧室升温升压过程中，涡轮试验件在气流作用下开始旋转，不断提升转速，直至达到测功机预设定控制转速时，测功机开始接管涡轮试验件转速；

步骤六：当涡轮试验件达到试验工况点要求的转速后，通过控制系统（9）调节进气系统（2）引射气路的阀门，使涡轮试验件出口压力，逐渐趋近背压设计参数，达到模拟落压比的目的；

步骤七：待各参数稳定，各系统正常工作后，控制系统（9）调节测量系统（8）进行测量；

步骤八：热电偶测量的温度数据可以通过公式

计算得到绝热冷却效率，其中T_g代表燃气温度，T_w代表绝热壁面温度，T_c代表冷气温度； 通过PSP压敏漆测量氧分压，通过公式就能计算得到绝热冷却效率，其中M为摩尔质量，P代表分压，

；

步骤九：通过涡轮试验段前后的压力传感器测得压力数据，即可算出压损，该参数可以考核叶片气动性能。

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