CN107014618B - 一种燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，包括燃烧室、涡轮静叶盘、涡轮动叶盘等主要部件。工作时，空气和燃料混合气体进入配气室充分混合，经旋流喷嘴喷射入燃烧室；点火后，混合气体在环形燃烧室内被点燃，产生高温热气流；燃烧室内下游为涡轮结构，热气流通过一级静叶后作用在一级动叶上，产生力矩使动叶盘转动；转子轴连接电机以对动叶盘转速进行调控。本装置可进行内部流场的光学测量、燃烧过程声压测量；可通过铺设冷却系统对热载荷分布进行调控；且涡轮部件与燃烧室喷嘴间距可调；可测量不同过渡段长度下随时间变化温度场，该实验装置能够有效应用于燃烧室和涡轮耦合机理研究，特别是耦合系统中高温热气流迁移机理的研究。

Description

一种燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置

技术领域

本发明属于航空发动机和燃气轮机研究领域，更具体地，涉及燃烧室和涡轮耦合热气流迁移作用研究实验领域，尤其涉及到一种综合光学诊断、热学和声学测量的环形燃烧室与涡轮级间耦合作用机理实验研究装置。

背景技术

在航空发动机和燃气轮机的设计过程中，燃烧室和涡轮分属于两个设计子系统，需要将燃烧室的出口高温热气流的参数作为涡轮的入口条件进行关联。高温热气流对涡轮叶片的热冲击是航空发动机和燃气轮机设计需要考虑的首要问题。同时，下游的涡轮也会改变燃烧室的流场和温度场分布，单独燃烧室试验的实验结果往往跟实际工况有较大差别。特别是先进燃烧室设计在向短环和高温升发展趋势中，燃烧室与涡轮的耦合作用显得尤为重要，但常规的实验通常是把两者分开来测试。

工业级的燃烧室和涡轮等部件结构紧凑、集成度高，测量窗口安装困难，很难在实际发动机实验平台上对流场细节、火焰特征与热斑迁移的作用机制进行深入研究。

采用电加热来模拟高温热气流，来研究燃烧室与涡轮耦合作用的实验方式或实验装置，很难模拟燃烧室内实际湍流燃烧过程产生高温烟气温度场的强烈时空不均匀性，也不能捕捉下游涡轮存在对上游燃烧室内流场和燃烧反应的影响机制，无法研究燃烧过程中压力场、温度场和速度场的变动对燃烧室与涡轮耦合作用的影响。

发明内容

为了填补现有上述实验装置和实验技术手段的空缺，本发明的目的在于提供一种燃烧室和涡轮耦合热气流迁移作用机理实验装置，为燃烧室涡轮耦合过程提供温度场、声学和光学测量的实验条件，并可通过一些结构和实验参数的调整对燃烧室和涡轮耦合作用下的热气流迁移机理进行实验研究。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，该装置主要包括底部法兰盘、顶部法兰盘、旋流喷嘴、燃烧室内壁、燃烧室外壁、涡轮静叶盘、涡轮动叶盘、转子转轴、轴支承主部件、轴支承辅部件、下轴承、上轴承、电机、电机支承部件以及承力筒；

底部法兰盘、顶部法兰盘通过螺栓紧固连接，二者之间形成环形的密闭的配气室，配气室侧壁开有若干周向对称分布的混合气体入口，在顶部法兰盘上周向均匀设置有若干旋流喷嘴，承力筒、燃烧室内壁和燃烧室外壁同轴设置于顶部法兰盘上，燃烧室内壁和燃烧室外壁分别为高温不锈钢材质的圆柱筒和石英材质的圆柱筒，顶部法兰盘位于燃烧室内壁和燃烧室外壁之间的区域上设有环形凸台结构，燃烧室内壁和燃烧室外壁与该环形凸台结构进行最大间隙为毫米量级的间隙配合，涡轮静叶盘固定安装于承力筒上，燃烧室内壁、燃烧室外壁、涡轮静叶盘及顶部法兰盘之间的空间形成燃烧室，空气和燃气的混合气体通过混合气体入口进入配气室，再经旋流喷嘴进入燃烧室；点火针从燃烧室外壁上的通孔插入燃烧室用于引燃旋流混合气体；涡轮动叶盘设置于涡轮静叶盘上方，转轴上端与涡轮动叶盘之间键连接，下端通过联轴器连接电机，转轴与轴支承部件之间设有上轴承，与轴支承辅部件之间设有下轴承，且转轴上安装有轴套；轴支承主部件通过螺钉紧固在涡轮静叶盘上，轴支承辅部件、电机支承部件通过螺钉依次紧固于轴支承主部件下方。

上述技术方案中，所述的旋流喷嘴上开有中心盲孔作为主喷嘴通道，且侧壁上开有6个切向圆孔通道，气流从切向圆孔通道进入主喷嘴通道形成旋流，主喷嘴通道底部设有螺纹孔用于装配稳流装置进行对比实验。

所述的静叶盘和动叶盘均采用整体叶盘技术加工制造，静叶叶片和动叶叶片进行抛光处理，静叶盘的最大径向尺寸(静叶叶尖处)与燃烧室外壁进行配合，动叶盘的最大径向尺寸(动叶叶尖处)与燃烧室外壁的间隙为毫米量级，静叶盘底部有沉头孔用以装配连接静叶盘和顶部法兰盘的长螺杆。

所述的静叶盘的内部壁面有螺旋布置的冷却水管槽道用以铺设铜制冷却水管，铺设方式为自上而下，通过连接到外部的水泵进行冷却液的驱动以实现涡轮部件的热防护。

所述的上轴承为深沟球轴承，而下轴承为成对的角接触球轴承，能够承受轴向载荷与倾覆力矩；转轴与动叶盘间为键连接以固定径向的相对位置，转轴上端部通过与螺母的螺纹连接和轴支承主部件上端面的压力作用固定了轴向的相对位置，使得动叶盘和静叶盘之间的最小间隙为亚毫米量级；转轴下端部同样通过与螺母的螺纹连接固定下轴承的轴向位置，而轴套能够对转轴起到轴向定位的作用；转轴上端和下端的螺纹的正反牙配置与轴的旋转方向相匹配。

所述的轴支承主部件和辅部件为转轴和轴承的主要定位和承力部件，轴支承主部件有开口结构作为冷却水管连接外部水泵的通道。

所述的燃烧器底部法兰盘的底部开有辐射状通道，且内环进行倒角处理作为冷却水管和电机控制线路进出的通道；配气室侧壁设有阶梯结构用于铺陈防回火纱网装置；除用于配合预混气体入口的螺纹孔外，燃烧器底部法兰盘的侧壁上还开有周向等方位角分布的螺纹孔以配合声学测量设备；燃烧器底部法兰盘的底面与安装台面接触并通过螺钉进行紧固连接，Ⅰ型通孔呈圆周状排布而Ⅱ型通孔呈方形网格状排布可对应装配于光学平台上。

承力筒和燃烧室内壁有多套相对应的高度组合以实现涡轮部件与燃烧喷头间不同的距离组合，用于实验探究涡轮部件与燃烧喷头间距离的影响因素。

本发明通过设计和制造燃烧器和涡轮等主要部件并完成装配，搭建相匹配的流动控制系统和燃烧控制系统，设计过程考虑实验测量窗口和可调整的结构参数，具体地，燃烧器为旋流喷嘴的环形燃烧室，燃烧室外壁为石英材质厚壁圆筒，涡轮部件包括静叶盘和动叶盘及其转动机构，而转动轴与控制电机相连接。

燃烧器底部法兰盘承受包括自重在内的数十千克的载荷，整体结构均采用厚壁设计以保证强度和刚度，进一步地，匹配具有足够强度和刚度实验台以满足整个装置装载要求。

该技术方案中，混合气体入口周向对称布置，这将使得配气室内的压强环境保持一定的对称性，而该压强环境将驱动混合气体以较为均匀的流量进入各个旋流喷嘴内，有利于实现各喷嘴的流动情形与燃烧情形的相似性。

采用旋流喷嘴有效增强湍流度，利于火焰传播，可使得燃烧更加充分。

燃烧器底部法兰盘侧壁开有四个周向对称的声学测量窗口，工作时，内置麦克风且用高温密封胶进行密封的“堵头”通过与声学测量窗口进行螺纹紧密配合，并可将数据传输线通至外部连接数据采集器并进行进一步记录和处理。

此外，可通过配气室侧壁的阶梯结构来铺陈防回火纱网装置，在旋流喷嘴上游的金属纱网可通过淬熄作用防止发生回火时燃烧进入管路结构中。

特别地，燃烧室外壁采用石英材制的厚壁圆筒具有下述三个重要特征：

·耐高温且热膨胀率小，有效适应高温热环境；

·石英管足够厚以保证强度，在安全范围内耐压超过10atm；

·透明的石英管为光学数据采集提供窗口。

燃烧室内壁、静叶盘和动叶盘均为高温不锈钢材质，在燃烧过程的热-结构耦合中，三者均能够满足热应力校核，而热变形也在处于最大限制位移范围内。

静叶叶片和动叶叶片均为三维叶型，其中静叶叶片数量为26，动叶叶片数量为36,静叶盘盘毂为收缩通道，气流被压缩并在静叶处流向偏转作用于动叶叶片。

尤其通过动叶盘的动平衡测试，有效平衡和优化动叶盘质量分布，并进行超转实验(10000r/min)有效校核转动条件下的结构强度。

动叶盘与转轴间通过键与键槽的配合以固定径向的相对位置，而两者轴向的相对位置通过转轴上端部与螺母的螺纹连接和轴支承主部件上端面的压力作用固定。

轴承系统包括上部的深沟球轴承和下部的角接触球轴承，能够有效承受轴向载荷与倾覆力矩。

进一步地，轴套能够对转轴起到轴向定位的作用。

转轴上端和下端的螺纹的正反牙配置与轴的旋转方向相匹配以保证在转动过程中螺母与之更紧密地进行配合。

进一步地，设计电机调控系统以实现对转速的调节，符合尺寸、功率及扭矩要求的电机通过联轴器与旋转轴连接。

有利地，底部冷却水管和电机线路出入通道有较大倒角结构，利于管路弯折，且呈辐射状设计利于结构的承力对称性和外部装置的布置。

本发明的实验装置能够有效应用于燃烧室和涡轮耦合机理研究，特别是耦合系统中高温热气流迁移机理的研究。

附图说明

图1是本发明燃烧室涡轮耦合作用机理性模型实验装置的结构剖视图；

图2是本发明环形燃烧器结构的仰视图与轴测图；

图3是本发明旋流喷嘴的剖视图与旋流通道示意图；

图4是本发明中气流依次经过配气室、旋流喷嘴、燃烧室和涡轮级的流动示意图；

图5是本发明静/动叶叶盘的俯视图与叶型的剖面图；

图6是本发明轴支承主/辅部件的轴测图与剖面图；

图中：1、燃烧器底部法兰盘，2、燃烧器顶部法兰盘，3、燃烧室外壁，4、燃烧室内壁圆筒，5、静叶盘，6、动叶盘，7、混合气体入口管道，8、配气室，9、旋流喷嘴，10、防回火金属纱网置放平台，11、环形燃烧室，12、点火针插孔，13、涡轮静叶，14、冷却水管布置槽道，15、涡轮动叶，16、承力筒，17、电机，18、电机支承部件，19、轴支承主部件，20、轴支承辅部件，21、对角球轴承，22、深沟球轴承，23、动叶盘转轴，24、轴套，25、呈圆周状排布的Ⅰ型通孔，26、呈方形网格状排布的Ⅱ型通孔，27、声学测量窗口，28、旋流喷嘴旋流入口通道，29、稳流装置装配螺纹孔，30、冷却水管开口通道，31、电机控制线路及冷却水管出入通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。如图1-6所示，一种燃烧室涡轮耦合作用机理性模型实验装置，包括环形旋流燃烧室(主要由法兰盘1和2、燃烧室外壁3和内壁4及旋流喷嘴9构成)、涡轮(主要由静/动叶盘5和6、轴23及其支承部件19与16等构成)与电机系统(主要由电机17及支承部件18构成)三部分。

如图1、2所示，配气室8的主体结构由法兰盘1和法兰盘2通过螺栓紧固连接构成，空气和燃气的混合气体通过周向对称的混合气体入口7进入配气室8中，预混气入口7与法兰盘1的侧壁之间通过螺纹进行紧固和密封。

如图1、2、3、4所示，配气室8中的混合气体通过旋流喷嘴9后形成旋流射流进入燃烧室11中，燃烧器顶部法兰盘2的上表面在旋流喷嘴阵列的位置有环形凸台结构，燃烧室内壁4和燃烧室外壁3与该环形凸台结构进行配合，点火针从燃烧室外壁3上的通孔12插入可引燃旋流混合气体，燃烧室11内的燃后高温气体在静叶盘5处进入收缩段且在一级静叶13的作用下发生流向偏转，进而作用于一级动叶15并在动叶盘6上产生转动力矩。

如图1、5、6所示，转轴23与涡轮动叶盘6通过键和键槽结构进行连接，轴支承主部件19通过螺钉紧固在涡轮静叶盘5上，而轴支承辅部件20通过螺钉紧固于轴支承主部件19上并为轴承部件21提供支撑。

如图1、6所示，在转速调控工作模式下，与轴23通过联轴器连接的电机17及其支承部件18和控制系统能够对转速进行调控，而电机17的支承结构18通过螺钉紧固于轴支承主部件19上，电机电源及控制部件与电机通过控制线路连接。

如图1所示，承力筒16作为主要承力结构支撑起涡轮和电机部件，在燃烧器顶部法兰盘2的上表面有环形凹槽结构与其进行配合，且涡轮静叶盘5底部端面也对应着环形凹槽结构与其进行配合，承力筒16限制了涡轮静叶盘5等部件向下的运动，起主要的定位作用。

如图1、5所示，涡轮静叶盘5底部有沉头孔用以装配连接静叶盘5和燃烧器法兰盘1和法兰盘2的长螺杆以消除涡轮动叶盘6及轴23发生旋转运动时静叶盘等部件受到的反向力矩作用，同时长螺杆也限制了涡轮静叶盘5与支承筒16等部件向上的运动。

如图1、6所示，静叶盘5的内部壁面有螺旋布置的冷却水管槽道14用以铺设铜制冷却水管，且轴支承主部件19开有开口结构30以保证水管的进出，工作时外部水泵用以驱动冷却液在管道内的流动，管路按从上向下的螺旋方式嵌入槽道14，该方式将有利于涡轮盘整体的传热效果。

如图1、2所示,燃烧器底部法兰盘1的底部开有辐射状通道并进行倒角处理31,用于冷却水管和电机控制线路进出的通道；

如图1、2、4所示，燃烧器底部法兰盘1的侧壁开有声学测量窗口27，燃烧室外壁石英管3提供了光学测量窗口，在燃烧、转动等过程中不同的测量手段将用以捕捉各物理场的细节特征，为燃烧室涡轮耦合作用的研究提供实验数据。

工作时，包括但不局限于以下调整：

·燃烧器底部法兰盘1侧壁开孔27加装堵头或声学测量“堵头”；

·通过电机控制系统调节实现不同转速工况；

·改变支撑筒16和燃烧室内壁筒4的高度组合，以实现涡轮部件与燃烧喷头间不同的距离组合。

Claims (10)

1.一种燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：该装置主要包括底部法兰盘（1）、顶部法兰盘（2）、旋流喷嘴（9）、燃烧室内壁（4）、燃烧室外壁（3）、涡轮静叶盘（5）、涡轮动叶盘（6）、转子转轴（23）、轴支承主部件（19）、轴支承辅部件（20）、下轴承（21）、上轴承（22）、电机（17）、电机支承部件（18）以及承力筒（16）；

底部法兰盘（1）、顶部法兰盘（2）通过螺栓紧固连接，二者之间形成环形的密闭的配气室（8），配气室（8）侧壁开有若干周向对称分布的混合气体入口（7），在顶部法兰盘（2）上周向均布有若干旋流喷嘴（9），承力筒（16）、燃烧室内壁（4）和燃烧室外壁（3）同轴设置于顶部法兰盘（2）上，燃烧室内壁（4）和燃烧室外壁（3）分别为高温不锈钢材质的圆柱筒和石英材质的圆柱筒，顶部法兰盘（2）位于燃烧室内壁（4）和燃烧室外壁（3）之间的区域上设有环形凸台结构，燃烧室内壁（4）和燃烧室外壁（3）与该环形凸台结构进行最大间隙为毫米量级的间隙配合，涡轮静叶盘（5）固定安装于承力筒（16）上，燃烧室内壁（4）、燃烧室外壁（3）、涡轮静叶盘（5）及顶部法兰盘（2）之间的空间形成燃烧室（11），空气和燃气的混合气体通过混合气体入口（7）进入配气室（8），再经旋流喷嘴（9）进入燃烧室（11）；点火针从燃烧室外壁（3）上的通孔（12）插入燃烧室用于引燃旋流混合气体；涡轮动叶盘（6）设置于涡轮静叶盘上方，转子转轴（23）上端与涡轮动叶盘（6）之间键连接，下端通过联轴器连接电机（17），转子转轴与轴支承主部件（19）之间设有上轴承（22），与轴支承辅部件（20）之间设有下轴承（21），且转子转轴上安装有轴套（24）；轴支承主部件（19）通过螺钉紧固在涡轮静叶盘（5）上，轴支承辅部件（20）、电机支承部件（18）通过螺钉依次紧固于轴支承主部件（19）下方。

2.根据权利要求1 所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：所述的旋流喷嘴（9）上开有中心盲孔作为主喷嘴通道，且侧壁上开有6个切向圆孔通道（28），气流从切向圆孔通道（28）进入主喷嘴通道形成旋流，主喷嘴通道底部设有螺纹孔（29）用于装配稳流装置进行对比实验。

3.根据权利要求1 所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：所述的涡轮静叶盘（5）和涡轮动叶盘（6）均采用整体叶盘技术加工制造，静叶叶片（13）和动叶叶片（15）进行抛光处理，涡轮静叶盘（5）的最大径向尺寸即静叶叶尖处与燃烧室外壁（3）进行配合， 涡轮动叶盘（6）的最大径向尺寸即动叶叶尖处与燃烧室外壁（3）的间隙为毫米量级，涡轮静叶盘（5）底部有沉头孔用以装配连接涡轮静叶盘（5）和顶部法兰盘（2）的长螺杆。

4.根据权利要求3所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：所述的静叶叶片和动叶叶片均为三维叶型，其中静叶叶片数量为26，动叶叶片数量为36，静叶盘盘毂为收缩通道，气流被压缩并在静叶处流向偏转作用于动叶叶片。

5.根据权利要求1 所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：所述的涡轮静叶盘（5）的内部壁面有螺旋布置的冷却水管槽道（14）用以铺设铜制冷却水管，铺设方式为自上而下，通过连接到外部的水泵进行冷却液的驱动以实现涡轮部件的热防护。

6.根据权利要求1 所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：所述的上轴承（22）为深沟球轴承，而下轴承（21）为成对的角接触球轴承，能够承受轴向载荷与倾覆力矩；转子转轴（23）与涡轮动叶盘（6）间为键连接以固定径向的相对位置，转子转轴（23）上端部通过与螺母的螺纹连接和轴支承主部件（19）上端面的压力作用固定了轴向的相对位置，使得涡轮动叶盘（6）和涡轮静叶盘（5）之间的最小间隙为亚毫米量级；转子转轴（23）下端部同样通过与螺母的螺纹连接固定下轴承（21）的轴向位置，而轴套（24）能够对转子转轴（23）起到轴向定位的作用；转轴上端和下端的螺纹的正反牙配置与轴的旋转方向相匹配。

7.根据权利要求1 所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：所述的轴支承主部件（19）和轴支承辅部件（20）为转子转轴（23）和下轴承（21）、上轴承（22）的主要定位和承力部件，轴支承主部件（19）有开口结构（30）作为冷却水管连接外部水泵的通道。

8.根据权利要求1 所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：所述的底部法兰盘（1）的底部开有辐射状通道，且内环进行倒角处理作为冷却水管和电机控制线路进出的通道；配气室（8）侧壁设有阶梯结构（10）用于铺陈防回火纱网装置；除用于配合混合气体入口（7）的螺纹孔外，底部法兰盘（1）的侧壁上还开有周向等方位角分布的螺纹孔（27）以配合声学测量设备；底部法兰盘（1）的底面与安装台面接触并通过螺钉进行紧固连接，Ⅰ型通孔（25）呈圆周状排布而Ⅱ型通孔（26）呈方形网格状排布可对应装配于光学平台上。

9.根据权利要求1 所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置，其特征在于：承力筒（16）和燃烧室内壁（4）有多套相对应的高度组合以实现涡轮部件与燃烧喷头间不同的距离组合，用于实验探究涡轮部件与燃烧喷头间距离的影响因素。

10.一种用来装配根据权利要求1所述的燃烧室和涡轮耦合作用机理实验研究装置的装配方法，其特征在于包括如下步骤：

- 将底部法兰盘（1）固定于安装平台并旋入混合气体入口（7）和声学测量部件，将旋流喷嘴（9）装配到顶部法兰盘（2）后整体装配到底部法兰盘（1）上，

- 将燃烧室外壁（3）、燃烧室内壁（4）和承力筒（16）依次放置在顶部法兰盘（2）上并完成相应配合，后将涡轮静叶盘（5）放入燃烧室外壁（3）内并与燃烧室内壁（4）和承力筒（16）配合，再用长螺杆连接涡轮静叶盘（5）和底部法兰盘（1）、顶部法兰盘（2）；

- 将轴套（24）和下轴承（21）套入转子转轴（23）并装配到轴支承主部件（19）上后用螺母加以固定，并在另一端将上轴承（22）装配到轴支承主部件（19）上，通过沉头螺钉连接电机支承部件（18）、轴支承主部件（19）、轴支承辅部件（20）并通过螺钉上的螺母紧固轴支承辅部件（20）和轴支承主部件（19），将电机（17）装配到电机支承部件（18）上后通过螺钉将轴支承主部件（19）固定到涡轮静叶盘（5）上；

- 在涡轮静叶盘（5）内壁的冷却水管槽道（14）上铺设冷却水管并将进出管道通过轴支承主部件的开口结构（30）引至安装台面，并通过夹持机构将冷却水进出口管道和电机线路从底部不同通道（31）取出并分别连接冷却液驱动及回收系统和电机驱动及控制模块，再将涡轮动叶盘（6）放入燃烧室外壁（3）中并与转子转轴（23）进行键连接后通过螺母加以固定，最后在通孔（12）插入点火针并将混合气体入口（7）与气站连接。