CN108931380B - 气源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，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。本发明提供的气源驱动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

气源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，尤其涉及一种气源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，所述燃气产生装置包括气源与燃烧室，用于产生燃气；

测试装置，所述测试装置包括试验涡轮，所述试验涡轮与燃烧室连通，且在所述燃气驱动的动力涡轮带动下转动。

动力控制装置，所述动力控制装置包括动力涡轮，所述动力涡轮和燃烧室连通，在燃气的驱动下转动并带动试验涡轮转动。

在其中一个实施例中，所述动力控制装置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提供动力涡轮负载，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还外部电机，该外部电机与所述动力涡轮连接，并驱动试验涡轮转动。

在其中一个实施例中，其特征在于，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，所述试验涡轮和动力涡轮与所述燃烧室直接连通，所述燃烧室产生的燃气直接驱动动力涡轮转动，动力涡轮并带动试验涡轮转动。

在其中一个实施例中，所述燃气产生装置还包括混合室、换热器、空气流量控制器、燃油控制器、压力传感器及温度传感器。

在其中一个实施例中，所述动力控制装置还包括动力涡轮与压气机，所述动力涡轮用于带动试验涡轮；高压来自气源的气体进入混合室，在混合室与压气机提供的空气进行混合，并在混合室中通过换热器与动力涡轮排放的燃气进行热交换。

在其中一个实施例中，进入燃烧室的气体的温度和压力通过压力传感器、温度传感器及流量控制器进行控制。

在其中一个实施例中，所述高压气源与燃烧室为独立设置的两个装置，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气源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

高压气源 12

流量控制器 11,13

燃油控制器 15

燃烧室 14

混合室 16

压力传感器 17

换热器 18

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

压气机 36

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，对本发明提供的基于气源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气源驱动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：高压气源12及燃烧室14。所述测试装置20至少包括试验涡轮22。所述动力控制装置30包括动力涡轮32，所述试验涡轮22及动力涡轮32依次设置于所述燃气产生装置10之后，所述试验涡轮22位于燃烧室14和动力涡轮32之间，与所述燃烧室相连通，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带动试验涡轮22转动。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的出口，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的转动能量由动力控制装置30提供，可通过机械轴与动力控制装置30连接。试验涡轮22的气体压力主要由高压气源12提供，试验涡轮22的转速可通过动力控制装置30调节达到目的。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还可包括混合室16、换热器18、空气流量控制器11、空气流量控制器13、燃油控制器15、压力传感器17及温度传感器19。高压气源12为燃烧室14提供高压气体，高压气源12进入混合室16，在混合室16与动力控制装置30中的压气机36提供的高压空气进行混合，并在混合室16中通过换热器18与动力控制装置30中动力涡轮32排放的高温燃气进行热交换，提高进入燃烧室气体的温度。进入燃烧室的气体的温度和压力通过压力传感器17、温度传感器19及两个空气流量控制器11、13进行控制。当气体温度过高时，通过流量控制器13减少进入换热器的高温燃气流量，反之亦然。当空气压力过高时，可以通过流量控制器11调整进入混合室16的高压补充气体。

具体的，所述高压气源12用于产生高压气体，该高压气体压力一般不低于0.3MPa，可选的大于1.0MPa。所述燃烧室14与高压气源12连通，用于加热高压气源，使高压气源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。所述高压气源12可与燃烧室14为独立设置的两个装置，通过管道等相连通。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，还可通过燃油控制器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动力涡轮32及试验涡轮22转动，即所述燃气产生装置10由高压气源12及燃烧室14组成，所述燃烧室14与试验涡轮22之间无需压气机涡轮等附属设备，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。

试验涡轮22是涡轮高温高速试验台的主要试验段，位于燃烧室14与动力涡轮32之间。在总体布置上，试验涡轮22转子与燃气产生装置10之间不存在机械传动，试验涡轮22的能量通过动力涡轮32提供，与动力涡轮32通过机械轴连接。当转速不够时，通过动力控制装置30使外部负载转变为电机模式补充功率，保障试验涡轮转速。

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是燃机透平全温全速涡轮叶片测试系统100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38，所述转动控制模块38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及动力涡轮32连接，用于消耗动力涡轮32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。由于动力涡轮32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。所述动力涡轮32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与试验涡轮22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试验涡轮22连接。外部负载342和外部电机344可以通过转动控制模块38调节该试验涡轮22的转速。这样设计使得该试验涡轮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燃烧室14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。

具体的，由于试验涡轮22所需功率消耗较少，因此未充分利用动力涡轮32能量，在动力涡轮32后面可通过机械轴连接一个压气机36。动力涡轮32在带动试验涡轮22的同时带动压气机36。压气机36可从辅助进气系统吸入空气，对气体做功压缩，形成高压气体经过的流量控制器11进入混合室16。由于压气机36吸入的空气并不是动力涡轮32排出的气体，而是通过独立的进气装置吸入的空气，因此动力涡轮32和压气机36之间不需要进行共同工作线状态的调整。此处的压气机36起到消耗动力涡轮32多余功率，并对高压气源的空气起到补充作用。

进一步，负载驱动模块34可以具备电机/发电机的自动转换模式，当动力涡轮32转速超过试验要求时，负载驱动模块34转换为发电机模式消耗功率，通过转速控制器调节动力涡轮转速达到试验要求。当动力涡轮32的功率不足以带动试验涡轮22达到试验要求时，负载驱动模块34转换发电机模式为电机模式，为涡轮系统补充功率，通过转动控制模块38调节动力涡轮32的转速达到试验要求。

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，通过燃烧室直接对高压气源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，所述燃气产生装置包括高压气源与燃烧室，用于产生燃气；

测试装置，所述测试装置包括试验涡轮，所述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，所述动力涡轮和燃烧室连通，在燃气的驱动下转动并带动试验涡轮转动；

所述试验涡轮位于燃烧室和动力涡轮之间，所述试验涡轮与动力涡轮连接，以使所述动力涡轮带动试验涡轮转动。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述动力控制装置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提供动力涡轮负载并驱动试验涡轮转动，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3所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述负载驱动模块还包括外部电机，该外部电机与所述动力涡轮连接，并驱动试验涡轮转动。

5.根据权利要求4所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，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，所述试验涡轮和动力涡轮与所述燃烧室直接连通，所述燃烧室产生的燃气直接驱动动力涡轮转动并带动试验涡轮转动。

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混合室、换热器、空气流量控制器、燃油控制器、压力传感器及温度传感器。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述动力控制装置还包括压气机，来自气源的气体进入混合室，在混合室与压气机提供的空气进行混合，并在混合室中通过换热器与动力涡轮排放的燃气进行热交换。

9.根据权利要求7所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，进入燃烧室的气体的温度和压力通过压力传感器、温度传感器及流量控制器进行控制。

10.根据权利要求1所述的涡轮叶片测试系统，其特征在于，所述高压气源与燃烧室为独立设置的两个装置，通过管道相连通。