CN108931359A - 压气机驱动的涡轮叶片测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供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。本发明提供的涡轮叶片的测试系统能够模拟真实环境的情况下对涡轮叶片进行测试。

Description

压气机驱动的涡轮叶片测试系统

技术领域

本发明涉及涡轮发动机领域，尤其涉及一种压气机驱动的涡轮叶片的测试系统。

背景技术

涡轮叶片是燃气轮机的关键零部件之一，其工作环境相当恶劣，在高温、高压条件下做高速旋转运动。叶片不仅承受高速旋转中产生的很大的离心力载荷，还要承受温度梯度、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来确定涡轮叶片寿命设计，不仅仍然与燃气轮机涡轮叶片的真实工况差异巨大，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，且一旦发现问题需要进行修改时影响巨大，造成设计周期延长，消耗大批研制费用。因此，亟需在设计阶段尽早对涡轮叶片进行真实环境的试验测量，以期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

综上所述，确有必要提供一种在真实环境作用下涡轮叶片的测试系统。

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，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，与燃烧室和动力涡轮连通；

动力控制装置，所述动力控制装置包括动力涡轮；所述试验涡轮和动力涡轮均设置于燃烧室之后，且与燃烧室连通，试验涡轮位于燃烧室与动力涡轮之间；所述燃气主要驱动动力涡轮，试验涡轮在动力涡轮带动下转动。

在其中一个实施例中，还包括动力控制装置，所述动力控制装置还包括负载驱动模块及转动控制模块，所述负载驱动模块用于消耗动力涡轮负载，并在试验涡轮转速不足时补充能量驱动试验涡轮转动，所述转动控制模块用于控制负载驱动模块以控制试验涡轮的转速。

在其中一个实施例中，所述负载驱动模块包括外部负载，所述外部负载与所述动力涡轮连接，用于消耗所述动力涡轮的功率。

在其中一个实施例中，所述负载驱动模块包括外部电机，该外部电机与所述动力涡轮连接，并驱动动力涡轮转动。

在其中一个实施例中，进一步包括转动控制模块，所述外部负载和外部电机通过转动控制模块调节所述试验涡轮的转速。

在其中一个实施例中，所述试验涡轮与所述燃烧室相邻设置且直接连通，所述燃烧室产生的燃气直接驱动动力涡轮转动，试验涡轮在动力涡轮带动下转动。

在其中一个实施例中，所述燃气产生装置还包括转速传感器、压力传感器、温度传感器和燃油控制器；所述压力传感器用于测量压气机出口压力，所述转速传感器用于测量压气机转速，所述转速控制器用于控制电机转速，所述温度传感器用于测量燃烧室出口气体温度，所述燃油控制器用于控制燃烧室的喷油量。

在其中一个实施例中，所述试验涡轮包括涡轮导叶和涡轮转子，所述涡轮导叶可拆卸并可进行可调导叶试验。

在其中一个实施例中，所述涡轮转子的叶片可拆卸和更换。

在其中一个实施例中，所述试验涡轮与燃气产生装置独立设置，通过管道相连通。

相对于传统技术，本发明提供的涡轮叶片测试系统，通过建立全温全速涡轮测试装置，利用燃气室的燃气驱动动力涡轮带动试验涡轮转动，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。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的压气机驱动的涡轮叶片测试系统。

主要元件符号说明

涡轮叶片测试系统 100

燃气产生装置 10

压气机 12

转速传感器 13

燃油控制器 15

燃烧室 14

压气机电机 16

压力传感器 17

温度传感器 19

测试装置 20

试验涡轮 22

动力控制装置 30

动力涡轮 32

负载驱动模块 34

外部负载 342

外部电机 344

转动控制模块 38

如下具体实施例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，对本发明提供的压气机驱动的涡轮叶片测试系统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叶片测试系统100包括：燃气产生装置10、测试装置20及动力控制装置30。所述燃气产生装置10包括：压气机12、燃烧室14及压气机电机16，所述压气机电机16用于驱动压气机12，所述压气机12用于向燃烧室14供应气体。所述测试装置20至少包括试验涡轮22。动力控制装置30可包括动力涡轮32。所述试验涡轮22设置于所述燃烧室14之后，且与所述燃烧室14相连通，从而使得所述燃烧室14内的高温高压燃气流可以流过该试验涡轮22和动力涡轮32并推动该动力涡轮32转动，从而带动试验涡轮22转动。所述涡轮叶片测试系统100还可包括动力控制装置30所述动力控制装置30可用于调节试验涡轮22的转速。

图1中虚线表示气体流动方向，粗直线表示机械轴连接。试验涡轮22紧挨燃烧室14出口，高温燃气经燃烧室14燃烧后直接进入试验涡轮22，保证获得最高的工作温度。试验涡轮22的转动能量由动力涡轮32提供，通过机械轴与动力涡轮32连接。动力控制装置30还可包括转动控制模块38。试验涡轮22的气体压力通过改变压气机12的转速调节压气机压比实现控制，气体温度通过燃油控制器15来调节燃烧室喷油量进行控制，试验涡轮22的转速通过转动控制模块38实现调节。这样设计使得试验涡轮转速和燃气产生装置完全解耦，试验气体的温度、压力与试验涡轮的转速可以独立进行调节，可为试验涡轮创造不同的高温、高压、高转速环境的组合，增大了系统的灵活性。

燃气产生装置10包括转速传感器13、压力传感器17、温度传感器19和燃油控制器15。压气机12的动力由压气机电机16提供，压气机12转速只取决于要实现的气体压力，而燃烧室22出口气流温度只取决于要实现的试验气体温度，二者相互无关，且与后面的动力涡轮32也无关，因此压气机12和燃烧室14可分别使用成熟发动机的部件设计方案，为试验台提供高温高压燃气。

压力传感器17测量压气机12出口压力，转速传感器13测量压气机12转速，当压力达不到试验要求时，可以通过转速控制器13提高电机转速，从而提高压气机12转速增大压气机压比，使试验气体压力达到要求。反之亦然。

温度传感器19测量燃烧室14出口气体温度，当温度达不到试验要求时，通过燃油控制器15增大燃烧室喷油量，从而提高燃烧室14出口温度；反之亦然。

具体的，所述压气机12用于产生高压气体，该高压气体的压力大于等于1.0MPa。所述压气机12与所述压气机电机16匹配且间隔设置，且在压气机电机16的驱动下压缩气体。所述燃烧室14与压气机12连通，用于加热压气机12产生的高压气体，使高压气体的温度达到试验涡轮22的测试温度，以形成高温高压的燃气。所述压气机12可与燃烧室14为独立设置的两个装置，可通过管道等相连通。燃气产生装置10可由控制系统控制，以保证燃气产生装置10正常稳定运转。进一步，还可通过燃油控制模块15对所述燃烧室14内喷油量进行控制，从而精确控制经过该试验涡轮22的燃气温度、燃气压力和燃气流速。

所述试验涡轮22设置与燃烧室14与涡轮16之间，且与所述燃烧室14相连，从燃烧室14产生的高温高压燃气流可驱动动力涡轮32并带动试验涡轮22转动。进一步，所述试验涡轮22可与所述燃气产生装置10独立设置，即所述试验涡轮22与所述燃气产生装置10完全解耦，从而使得所述试验涡轮22的存在不会对所述压气机12和所述压气机电机16的匹配产生干扰。因此，所述燃气产生装置12可直接采用现有的成熟发动机单元而无需更改。进一步，所述试验涡轮22可与所述燃烧室14相邻设置，且所述燃烧室14直接连通，所述燃烧室14产生的高温高压燃气流可直接驱动试验涡轮22转动，即所述燃烧室14与试验涡轮22之间无需压气机电机等附属设备，使得试验涡轮22能够直接利用燃烧室14产生的高温高压燃气流，从而能够减少或避免中间元件对于温度和压力的限制，并减少温度和压力损失。

所述试验涡轮22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22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22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22是全温全速涡轮叶片测试系统10的主要试验段。在总体布置上，所述试验涡轮22的转子与所述燃气产生装置10之间不存在机械传动。

进一步，所述动力控制装置30还可以包括负载驱动模块34及转动控制模块36，所述转动控制模块36用于控制负载驱动模块34以控制试验涡轮22的转速。该负载驱动模块34与试验涡轮22连接，用于消耗动力涡轮32及试验涡轮22的负载，并驱动试验涡轮22转动。该负载驱动模块34可包括外部负载342、外部电机344。由于试验涡轮22没有带动压气机，需要该外部负载342用以消耗动力涡轮32的功率。所述试验涡轮22的动力通过连接外部负载342进行输出。另外，该外部负载342还具备调节该试验涡轮22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344与动力涡轮32转动连接，用以提高该试验涡轮22的转速。具体地，所述外部负载342和所述外部电机344可分别通过变速箱与该动力涡轮32连接。外部负载342和外部电机344可以通过转动控制模块36调节该试验涡轮22的转速。

上述涡轮叶片测试系统使得该试验涡轮22和燃气产生装置10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22创造不同的高温、高转速环境，且该试验涡轮22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342的阻力或外部电机344的动力进行控制。

本发明提供的涡轮叶片测试系统，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。首先，本发明全温、全压、全转速的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。其次，在产品设计早期即可以通过在该测试装置上测量，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。再次，在真实的燃气环境中和转动条件下测得叶片的动载荷、静载荷、温度分布、振动频率等；最后，通过燃烧室直接对压气机进行加热后对试验涡轮进行测试，可以使试验涡轮的叶片环境温度达到真实的工作温度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述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，所述试验涡轮和动力涡轮均设置于燃烧室之后，且与燃烧室连通，试验涡轮位于燃烧室与动力涡轮之间，所述燃气驱动动力涡轮，试验涡轮在动力涡轮带动下转动。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，还包括动力控制装置，所述动力控制装置还包括负载驱动模块及转动控制模块，所述负载驱动模块用于消耗动力涡轮负载，并在试验涡轮转速不足时补充能量驱动试验涡轮转动，所述转动控制模块用于控制负载驱动模块以控制试验涡轮的转速。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述负载驱动模块包括外部负载，所述外部负载与所述动力涡轮连接，用于消耗所述动力涡轮的功率。

4.根据权利要求2所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述负载驱动模块包括外部电机，该外部电机与所述动力涡轮连接，并驱动动力涡轮转动。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，进一步包括转动控制模块，所述外部负载和外部电机通过转动控制模块调节所述试验涡轮的转速。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述试验涡轮与所述燃烧室相邻设置且直接连通，所述燃烧室产生的燃气直接驱动动力涡轮，带动试验涡轮转动。

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述燃气产生装置还包括转速传感器、压力传感器、温度传感器和燃油控制器；所述压力传感器用于测量压气机出口压力，所述转速传感器用于测量压气机转速，所述转速控制器用于控制电机转速，所述温度传感器用于测量燃烧室出口气体温度，所述燃油控制器用于控制燃烧室的喷油量。

8.根据权利要求1所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述试验涡轮包括涡轮导叶和涡轮转子，所述涡轮导叶可拆卸并可进行可调导叶试验。

9.根据权利要求8所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述涡轮转子的叶片可拆卸和更换。

10.根据权利要求1所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述试验涡轮与燃气产生装置独立设置，通过管道相连通。