CN105738116A - 一种涡轮测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮测试装置，其包括：一燃气发生器，该燃气发生器包括一压气机、一燃烧室和一工作涡轮；一燃油控制模块；进一步还包括一试验器；所述试验器包括：一级间燃烧室和一试验涡轮；所述级间燃烧室设置于所述燃气发生器之后，从而使得所述燃烧室内的高温高压燃气流过所述工作涡轮之后可以进入所述级间燃烧室；所述试验涡轮设置于所述级间燃烧室之后，从而使得所述级间燃烧室的高温高压燃气可以流过该试验涡轮并推动该试验涡轮转动，且所述燃气发生器与所述试验涡轮解耦。

Description

一种涡轮测试装置

技术领域

本发明涉及涡轮发动机领域，特别涉及一种涡轮发动机的涡轮测试装置。

背景技术

涡轮发动机（包括涡轮航空发动机和涡轮燃气轮机）的工作原理是通过压气机把空气压缩到高压状态进入燃烧室，与喷入的燃料在燃烧室混合燃烧形成高温高压燃气，然后推动涡轮旋转做功，从而把燃料化学能转化成为机械能。在做功过程中，燃气轮机涡轮叶片起着重要的作用，其将燃气可用热能转变成涡轮机械功。作为燃气轮机的关键部件之一，涡轮叶片工作环境相当恶劣，在高温、高压条件下做高速旋转运动。叶片高速旋转产生很大的离心力载荷，此外涡轮叶片还受温度梯度、气动载荷等的影响，尤其是非稳定气流产生的压差以及旋转形成的周期性激励振动载荷对叶片的寿命设计和可靠性计算形成了很大的挑战。

随着发动机性能指标的进一步提高，具备更高温度承受能力的叶片材料及其对应的叶片设计成为新型发动机设计的关键。当前，国外发动机公司是基于核心机试验确定涡轮叶片寿命设计，不仅仍然与真实的燃气轮机工作时涡轮叶片环境差异巨大，导致涡轮叶片寿命设计误差大、叶片可靠性低；而且，在核心机试验中需要加工全环叶片，数量多、工期长、造价昂贵，一旦发现叶片问题需要进行修改时影响巨大，造成设计周期延长，消耗大量研制费用。因此，亟需在设计阶段尽早对涡轮叶片进行真实环境（或接近真实环境）的试验测量，及早发现问题进行修改，更为准确地评估叶片寿命，提高叶片可靠性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种真实载荷环境下的涡轮测试装置。

一种涡轮测试装置，其包括：一燃气发生器，该燃气发生器包括一压气机、一燃烧室和一工作涡轮；一燃油控制模块；进一步还包括一试验器；所述试验器包括：一级间燃烧室和一试验涡轮；所述级间燃烧室与所述燃油控制模块连接且设置于所述燃气发生器之后，从而使得所述燃烧室内的高温高压燃气流过所述工作涡轮之后可以进入所述级间燃烧室；所述试验涡轮设置于所述级间燃烧室之后，从而使得所述级间燃烧室的高温高压燃气可以流过该试验涡轮并推动该试验涡轮转动，且所述燃气发生器与所述试验涡轮解耦。

根据本发明的涡轮测试装置，所述燃气发生器为发动机核心机单元体或发动机。

根据本发明的涡轮测试装置，所述级间燃烧室还包括一温度传感器；所述温度传感器与所述燃油控制模块连接，用于对所述级间燃烧室进口处的燃气温度进行监测。

根据本发明的涡轮测试装置，所述级间燃烧室还包括一压力传感器，所述压力传感器与所述燃油控制模块连接，用于监控该级间燃烧室进口处的气流压强。

根据本发明的涡轮测试装置，所述试验器还包括一外部负载，所述外部负载通过一变速箱与所述试验涡轮连接，用以消耗该试验涡轮的功率。

根据本发明的涡轮测试装置，所述外部负载还与一转动控制模块连接，从而可以通过该转动控制模块来调节该试验涡轮的转速。

根据本发明的涡轮测试装置，所述试验器还包括一外部电机，所述外部电机也通过该变速箱与该试验涡轮连接；而且，所述外部电机也与该转动控制模块连接，从而可以通过该转动控制模块来调节该试验涡轮的转速。

根据本发明的涡轮测试装置，所述试验涡轮包括涡轮导叶和涡轮转子两部分。

根据本发明的涡轮测试装置，所述涡轮导叶可拆卸并可进行可调导叶试验。

根据本发明的涡轮测试装置，所述涡轮转子的叶片可拆卸和更换。

本发明首次建立全温全速涡轮测试装置，采用本发明的涡轮测试装置，可以在真实环境下（或接近真实环境下）开展涡轮叶片测试，确定涡轮叶片寿命和可靠性设计所需的真实载荷和边界条件，从根本上改变目前涡轮强度设计依赖经验数据和事后修正的现状。

本发明具有以下有益效果。其一、在产品设计早期即可以通过在该涡轮测试装置上测量，避免了直到核心机试验阶段才能获得更为准确的涡轮叶片强度设计边界，便于提前发现设计问题进行修改，减少了产品迭代次数，节约了研发成本。其二、在真实的燃气环境中和转动条件下测试叶片的动载荷、静载荷、温度分布、振动频率等，测试数据更准确，参考价值更高。其三、通过级间燃烧室补燃，可以使试验涡轮的叶片环境温度达到真实的工作温度。其四、通过调节外部负载和外部电机，可以使试验涡轮叶片的离心载荷达到真实工作时的状态，简单易行。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的涡轮测试装置的结构示意图。

主要元件符号说明

涡轮测试装置	10
		燃气发生器	12
压气机	120
		燃烧室	122
工作涡轮	124
		试验器	14
级间燃烧室	140
		试验涡轮	142
外部负载	144
		变速箱	145
转动控制模块	146
		温度传感器	147
压力传感器	148
		外部电机	149
燃油控制模块	16

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的涡轮测试装置作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施例提供的涡轮测试装置10包括：一燃气发生器12、一试验器14以及一燃油控制模块16。所述燃气发生器12包括：一压气机120、一燃烧室122以及一工作涡轮124。所述试验器14至少包括：一级间燃烧室140以及一试验涡轮142。所述级间燃烧室140设置于所述燃气发生器12之后，从而使得所述燃烧室122内的高温高压燃气流过所述工作涡轮124之后可以进入所述级间燃烧室140。所述试验涡轮142设置于所述级间燃烧室140之后，从而使得所述级间燃烧室140的高温高压燃气可以流过该试验涡轮142并推动该试验涡轮142转动。所述燃油控制模块16分别与所述燃烧室122和级间燃烧室140连接，并控制整个涡轮测试装置10的工作。

所述燃油控制模块16可以采用现有发动机原装控制系统控制燃气发生器12，保证燃气发生器12正常稳定运转。该燃油控制模块16可以对所述燃烧室122和级间燃烧室140内喷油量进行控制，从而精确控制经过该试验涡轮142的燃气温度、燃气压力和燃气流速。

所述燃气发生器12可使用现有的发动机核心机单元体或发动机，其用于为整个涡轮测试装置10提供动力和高温高压燃气。采用涡轮发动机的核心机作为燃气发生器12提供高温高压高速燃气，避免了建造、使用高温高压气源。所述燃气发生器12与所述试验涡轮142解耦，从而使得所述试验涡轮142的存在不会对所述压气机120和所述工作涡轮124的匹配产生干扰。因此，所述燃气发生器12可直接采用现有的成熟发动机单元而无需更改。

所述级间燃烧室140用于弥补高温高压燃气通过所述工作涡轮124之后的温度和压力损失，提高该级间燃烧室140内燃气温度到试验需要的水平，从而提高该试验涡轮142的工作温度。可以理解，某型涡轴发动机中高温高压燃气在通过所述工作涡轮124的涡轮叶片通道时做功，燃气温度和压力必然降低，无法满足对于该试验涡轮142高温高压透平试验环境的要求，因此，需要在该试验涡轮142增加级间燃烧室140。

进一步，所述级间燃烧室140还可以包括有温度传感器147。所述温度传感器147与所述燃油控制模块16连接，用于对流过该级间燃烧室140进口处的燃气温度进行监测，并反馈到所述燃油控制模块16，用以调节所述燃烧室122或/和级间燃烧室140内的喷油量，达到调节该试验涡轮142段温度的目的。

进一步，所述级间燃烧室140还可以包括一压力传感器148。所述压力传感器148与所述燃油控制模块16连接，用于监控该级间燃烧室140进口处的燃气压强，并反馈到所述燃油控制模块16，以保证模拟气流压力和速度接近真实环境。本实施例中，所述压力传感器148为总压传感器。

所述试验涡轮142包括涡轮导叶和涡轮转子两部分。所述涡轮导叶可根据需要拆卸并可调。所述涡轮转子的叶片可根据试验进行拆卸和更换。所述试验涡轮142的动叶只需要保证周向均匀布置，数量没有限制。所述试验涡轮142可以根据试验要求，选择对静叶或者动叶，或者同时对二者进行试验测量。所述试验涡轮142是燃机透平全温全速涡轮测试装置10的主要试验段，位于所述级间燃烧室140的后端。在总体布置上，所述试验涡轮142的转子与所述燃气发生器12之间不存在机械传动。所述试验涡轮142的动力通过连接外部负载144进行输出。

进一步，所述试验器14还可以包括一外部负载144和一外部电机149。由于试验涡轮142没有带动压气机，需要该外部负载144用以消耗试验涡轮142的功率。另外，该外部负载144还具备调节该试验涡轮142转速的作用，可模拟真实燃气轮机涡轮运转时的转速情况。所述外部电机149用以提高该试验涡轮142的转速。具体地，所述外部负载144和所述外部电机149分别通过一变速箱145与该试验涡轮142连接。而且，所述外部负载144和所述外部电机149分别与一转动控制模块146连接，从而可以通过该转动控制模块146来调节该试验涡轮142的转速。这样设计使得该试验涡轮142和燃气发生器12完全解耦，在压气机-涡轮系统正常工作的情况下可为该试验涡轮142创造不同的高温、高转速环境，且该试验涡轮142的工作温度和转速可分别通过调节该级间燃烧室140内的喷油量、该外部负载144的阻力或外部电机149的动力进行控制。

本发明首次建立全温全速涡轮测试装置10，采用本发明的涡轮测试装置10，可以在真实环境下开展涡轮叶片测试，确定涡轮叶片寿命和可靠性设计所需的真实载荷和边界条件，从根本上改变目前涡轮强度设计依赖经验数据和事后修正的现状。本发明具有以下有益效果。其一、在产品设计早期即可以通过在该涡轮测试装置10上测量，避免了直到核心机试验阶段才能获得更为准确的涡轮叶片强度设计边界，便于提前发现设计问题进行修改，减少了产品迭代次数，节约了研发成本。其二、在真实的燃气环境中和转动条件下测试叶片的动载荷、静载荷、温度分布、振动频率等，测试数据更准确，参考价值更高。其三、通过级间燃烧室补燃，可以使试验涡轮的叶片环境温度达到真实的工作温度。其四、通过调节外部负载和外部电机，可以使试验涡轮叶片的离心载荷达到真实工作时的状态，简单易行。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮测试装置，其包括：一燃气发生器，该燃气发生器包括一压气机、一燃烧室和一工作涡轮；一燃油控制模块；其特征在于，进一步包括一试验器；所述试验器包括：

一级间燃烧室，所述级间燃烧室与所述燃油控制模块连接且设置于所述燃气发生器之后，从而使得所述燃烧室内的高温高压燃气流过所述工作涡轮之后可以进入所述级间燃烧室；以及

一试验涡轮，所述试验涡轮设置于所述级间燃烧室之后，从而使得所述级间燃烧室的高温高压燃气可以流过该试验涡轮并推动该试验涡轮转动，且所述燃气发生器与所述试验涡轮解耦。

2.根据权利要求1所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述燃气发生器为发动机核心机单元体或发动机。

3.根据权利要求1所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述级间燃烧室还包括一温度传感器；所述温度传感器与所述燃油控制模块连接，用于对所述级间燃烧室进口处的燃气温度进行监测。

4.根据权利要求1所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述级间燃烧室还包括一压力传感器，所述压力传感器与所述燃油控制模块连接，用于监控该级间燃烧室进口处气流的压强。

5.根据权利要求1所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述试验器还包括一外部负载，所述外部负载通过一变速箱与所述试验涡轮连接，用以消耗该试验涡轮的功率。

6.根据权利要求5所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述外部负载还与一转动控制模块连接，从而可以通过该转动控制模块来调节该试验涡轮的转速。

7.根据权利要求6所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述试验器还包括一外部电机，所述外部电机也通过该变速箱与该试验涡轮连接；而且，所述外部电机也与该转动控制模块连接，从而可以通过该转动控制模块来调节该试验涡轮的转速。

8.根据权利要求1所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述试验涡轮包括涡轮导叶和涡轮转子两部分。

9.根据权利要求8所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述涡轮导叶可拆卸并可进行可调导叶试验。

10.根据权利要求8所述的涡轮测试装置，其特征在于，所述涡轮转子的叶片可拆卸和更换。