CN108332975B - 一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台，包括1.5级涡轮、制动及增压压气机、掺混器、冷气系统，1.5级涡轮与制动及增压压气机同轴，一次空气第一进气管路直接连通掺混器，一次空气第二进气管路连通制动及增压压气机，制动及增压压气机的出口连通压气机第一出口管路和压气机第二出口管路，压气机第一出口管路连通掺混器，压气机第二出口管路通过排气引风扇连通排气管路，掺混器的出口管路连通1.5级涡轮的进口，1.5级涡轮的出口通过排气引风扇连通排气管路。本发明不仅可以进行涡轮气体动力学方面的长周期、大流量试验研究，还可以进行富含大量气动力学、传热学、多场耦合以及多相流动等方面的机理性问题的研究。

Description

一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台

技术领域

本发明涉及的是一种试验台，具体地说是涡轮试验台。

背景技术

我国燃气轮机设计水平与世界先进水平之间存在着巨大差距，不仅是热端部件技术落后，关于二次空气系统的高效热管理技术也仍处在较低水平，不仅面临着气热设计水平严重低下的问题，还面临着燃机长期稳定安全运行的问题。燃气轮机二次空气系统的自身结构、运行工况以及内部流动传热异常复杂，设计难度高，富含大量气动力学、传热学、多场耦合以及多相流动等方面的机理性问题，是国外燃机发达国家主要技术封锁内容之一，严重限制我国燃机自主发展，成为最重要的瓶颈技术之一。

目前现有的1.5级涡轮试验台功能相对单一，只能进行涡轮气动试验，无法进行高温涡轮二次空气系统旋转盘腔流动传热试验。针对我国燃气轮机在二次空气系统基础研究方面严重不足等问题，提高我国燃机自主研发能力，必须积累大量的相关设计技术、设计经验和实验数据。

因此，急需建设1.5级涡轮试验台，开展1.5级涡轮旋转盘腔流动传热试验，这对开发适用于燃气轮机二次空气系统的热管理技术是既有基础又十分必要的任务。

发明内容

本发明的目的在于提供不仅可以进行涡轮气体动力学方面的长周期、大流量试验研究，还可以进行富含大量气动力学、传热学、多场耦合以及多相流动等方面的机理性问题研究的一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台，其特征是：包括1.5级涡轮、制动及增压压气机、掺混器、冷气系统，1.5级涡轮与制动及增压压气机同轴，一次空气第一进气管路直接连通掺混器，一次空气第二进气管路连通制动及增压压气机，制动及增压压气机的出口连通压气机第一出口管路和压气机第二出口管路，压气机第一出口管路连通掺混器，压气机第二出口管路通过排气引风扇连通排气管路，掺混器的出口管路连通1.5级涡轮的进口，1.5级涡轮的出口通过排气引风扇连通排气管路，1.5级涡轮的动静叶片之间为可调换旋转盘腔结构试验段，所述冷气系统包括依次连通螺杆压缩机、气体干燥器和储气罐，气体经螺杆压缩机、气体干燥器和储气罐后通过冷气系统进气管路连通1.5级涡轮的带有冷气流路的可调换旋转盘腔结构试验段。

本发明还可以包括：

1、掺混器的出口管路通过涡轮旁通管路连通排气引风扇前的压气机第二出口管路，压气机第一出口管路上设置第一压力感应阀门，压气机第二出口管路上设置第二压力感应阀门，涡轮旁通管路上设置第三压力感应阀门，1.5级涡轮和制动及增压压气机的轴上设置扭矩测量仪。

2、掺混器内设置组合式单管燃烧室作为其加热系统。

3、制动及增压压气机连接辅助动力电动机。

本发明的优势在于：本发明所提出的试验台不仅可以进行涡轮气体动力学方面的长周期、大流量试验研究，还可以进行富含大量气动力学、传热学、多场耦合以及多相流动等方面的机理性问题的研究，是新一代多功能1.5级涡轮试验台领域中最为先进的试验台之一。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明冷气系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明主体系统具体包括进气管路11、压气机进气系统10、制动和增压压气机9、掺混器8、1.5级涡轮试验段3、支承系统4、冷气系统5、涡轮旁通装置7、制动压气机旁路6、排气引风机2、排气管路1。附属系统包括加热系统、测量监控系统等。1.5级涡轮内部采用新型带有冷气流路的盘腔结构，与试验台冷气系统相连接，1.5级涡轮试验段包括静动叶片和有冷气流路的轮盘等部件。机匣外径为500mm，叶栅径高比约为4，动静叶片之间为可调换旋转盘腔结构试验段。

冷气系统主要由螺杆压缩机15、气体干燥器14、储气罐13和冷气系统进气管路12组成，冷气系统进气管路12为不锈钢管路。螺杆压缩机将空气压缩，经气体干燥器除湿后进入储气罐，经不锈钢管路最终进入涡轮动静叶片间旋转盘腔结构，为其提供冷却气体。

附属系统中：测量监控系统包括压力传感器、温度变送器、V锥流量计、激光多普勒测量仪、温度校准仪、压力控制/校准仪、耐高温动态压力传感器、超声波流量计、无线式压力动态测量仪、高速试验数据记录仪、快速响应气动探针、CO2浓度分析仪、红外热像仪。支承系统采用单轴形式，制动及增压压气机采用简支结构，1.5级涡轮试验段采用悬臂式结构，二者同轴连接，轴上分布有四套轴承及两套扭矩测量仪。加热系统为组合式单管燃烧室，位于掺混器内。

其中各系统详细工作流程如下：

一次空气系统(非冷气系统)由进气管路吸入空气，一部分经制动压气机和增压压气机9压缩进入掺混器8，另一部分直接进入掺混器8，其流量分配比例经实验条件及实验目的进行折算后由两支路阀门进行控制；掺混器内部燃烧室加热器的燃油量控制同理；高温高压燃气进入1.5级涡轮试验段充分膨胀做功，为制动及增压压气机提供全部或部分功率，当涡轮试验段功率不足以提供制动及增压压气机功率时，采用电动机提供辅助动力；做功后燃气经排气引风机抽吸后由排气管路排出。

二次空气系统(冷气系统)由进气管吸入空气至螺杆压缩机，经螺杆压缩机增压后进入气体干燥器，此处可以实现使空气除湿及冷却的作用，而后储存于储气罐，按冷气需求量分配进入1.5级涡轮试验段的冷气用量。

另外，试验台系统还包括涡轮旁通装置及制动及增压压气机旁路，属于试验台安全防护系统。当试验台发生故障时，如涡轮试验段超转超载、掺混器出口超温等，各支路压力感应阀门将自动改变开关状态，一次空气系统中空气将由制动及增压压气机、掺混器直接进入排气引风机，不再流经涡轮试验段，起到保护作用。

1.5级涡轮试验段为主要工作部分，主要用于气冷涡轮的冷却机理试验研究，包括冷气和主流掺混的过程，冷却气膜的形成和撕裂过程，不同冷却结构的冷却性能研究，冷却结构优化等。该试验台主要有冲角调节机构、上下端壁冷却流道和附面层抽吸等设备构成。主要参数为：冲角调节范围±30°，冷气和主流的流量比不大于10％，试验台耐温500℃。同时还可以用于气冷涡轮的热动态试验研究，包括上游静叶尾迹对动叶冷却特性的影响，尾迹和动叶气膜的作用机理等。该试验段有带冷却流路的机匣、带冷却流路的转子和轮盘等部件组成。机匣外径500mm，叶栅径高比约为4，动静叶栅间采用迷宫密封。第1、2级静叶栅冷气由机匣进入叶栅，动叶栅冷气由转子经轮盘进入动叶叶根。

冷气系统为试验台提供冷却气体，主要由螺杆压缩机、气体干燥器、储气罐和不锈钢管路组成。螺杆压缩机将空气压缩，经气体干燥器除湿后进入储气罐存储，经不锈钢管路最终进入气冷涡轮叶栅内的冷却通道。

燃气主流温度100℃～550℃，冷气温度50℃～100℃，主流和冷气温差最大可达500度，主流最大流量10.5kg/s，冷气与主流流量比可达15％，动叶转速10000r/min。螺杆压缩机提供压力0.7MPa的冷却气体压力，保证经各部件的压力损失和压力调节后能够有足够压力进入气冷涡轮叶栅。气体干燥器将来自螺杆压缩机的压缩气体中的大部分水分除掉并冷却，保证进入气冷涡轮叶栅冷却流道的气体中不含水滴或水雾，避免水滴阻塞冷却流道。储气罐容积为5m3，能够起到部分稳压和气体存储功能，能够在一定程度上调节冷气和主流的气体流量比。不锈钢管路和不锈钢弯头起到连接储气罐和试验台冷却流路的作用。由于试验台周围没有足够的空间布置冷气系统，冷气系统的安装位置距离较远，需要较长的管路连接。

热流场综合测量系统主要进行热流场的温度测量、压力动态测量和流量测量。温度测量包括接触式测量，即热电偶或热电阻测量。热电偶和热电阻测温的元器件已有，不需要增加，但其测量准确度很难知道。目前所采用的方法是用冰水混合物来标定温度元器件的0℃，用沸水来标定其100℃。该方法一方面比较麻烦，标定比较粗糙，另一方面不能说明在500℃是否准确。因此增加建设温度测量元器件的校准设备高精度干式计量炉，校准温度范围50℃～660℃，误差不超过±0.5℃。

非接触温度测量设备将增加建设红外热像仪，主要对气冷涡轮的动、静叶栅表面温度和端壁壁面温度进行非接触测量。红外热像仪的分辨率为640×480像素，测温范围：-20～+650℃，准确性：±2℃或读数的±2％。

压力测量一方面选用快速响应气动探针测量叶栅内流场的压力分布，另一方面采用在叶片表面和壁面上开静压孔，引流或直接埋入压力传感器进行压力测量。快速响应气动探针要求探头直径不大于6mm，压力采样频率不低于10kHz。压力传感器的量程为0-300kPa，分不同的量程范围，以增加测量的精度，响应频率不低于10kHz测量精度1％。为了保证传感器的测量精度，增加建设压力控制器/校准器，校准范围0-2MPa，精度0.01％，在试验前对压力传感器进行校准，使其精度满足试验需求。

流量测量在现有的V锥流量计基础上增加移动式超声波气液体流量计，可对管路系统不同位置进行流量测量。该超声波流量计能够测量直径在60-500mm内管道；测量速度：0.01-35m/s；精度：±0.5％。

高速试验数据采集仪每组16个通道，数据采用频率100kHz，通过通道叠加可满足所有温度和压力的试验数据采集和存储。综合测控系统主要是建立一个同一数据分析平台，将稳态测量系统和动态测量集成到一起，同时满足温度和压力的在线数据分析。

Claims (5)

1.一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台，其特征是：包括1.5级涡轮、制动及增压压气机、掺混器、冷气系统，1.5级涡轮与制动及增压压气机同轴，一次空气第一进气管路直接连通掺混器，一次空气第二进气管路连通制动及增压压气机，制动及增压压气机的出口连通压气机第一出口管路和压气机第二出口管路，压气机第一出口管路连通掺混器，压气机第二出口管路通过排气引风扇连通排气管路，掺混器的出口管路连通1.5级涡轮的进口，1.5级涡轮的出口通过排气引风扇连通排气管路，1.5级涡轮的动静叶片之间为可调换旋转盘腔结构试验段，所述冷气系统包括依次连通的螺杆压缩机、气体干燥器和储气罐，气体经螺杆压缩机、气体干燥器和储气罐后通过冷气系统进气管路连通1.5级涡轮的带有冷气流路的可调换旋转盘腔结构试验段。

2.根据权利要求1所述的一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台，其特征是：掺混器的出口管路通过涡轮旁通管路连通排气引风扇前的压气机第二出口管路，压气机第一出口管路上设置第一压力感应阀门，压气机第二出口管路上设置第二压力感应阀门，涡轮旁通管路上设置第三压力感应阀门，1.5级涡轮和制动及增压压气机的轴上设置扭矩测量仪。

3.根据权利要求1或2所述的一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台，其特征是：掺混器内设置组合式单管燃烧室作为其加热系统。

4.根据权利要求1或2所述的一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台，其特征是：制动及增压压气机连接辅助动力电动机。

5.根据权利要求3所述的一种1.5级涡轮旋转盘腔流动传热基础试验台，其特征是：制动及增压压气机连接辅助动力电动机。

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