CN110389030A - 一种超高速叶片试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速叶片试验台，包括气体压缩结构、动力涡轮结构和轴承箱。其中，气体压缩结构具有进气口和出气口；动力涡轮结构具有涡轮叶片、涡轮轴和排气蜗壳，排气蜗壳具有进气口和出气口，排气蜗壳的进气口通过连接管道与气体压缩结构的出气口相连，涡轮叶片固定于涡轮轴的一端，涡轮轴的另一端用以和试验叶片固定相连；轴承箱与涡轮轴的中部转动相连。与现有技术相比，本发明的试验台采用气体驱动这种软接触的方式，可以有效的保护动力设备，延长设备的使用寿命，同时也便于维护。

Description

一种超高速叶片试验台

技术领域

本发明涉及叶片试验技术领域，特别是涉及一种超高速叶片试验台。

背景技术

透平机械(turbomachinery)是具有叶片的动力式流体机械。透平机械的共同特点是装有叶片的转子作高速旋转运动，流体(气体或液体)流经叶片之间通道时，叶片与流体之间产生力的相互作用，借以实现能量转化。按能量转化方向的不同，透平机械分为原动机和从动机。

原动机将流体的能量(热能、势能或动能)转化为机械能，通过主轴带动发电机或其他从动机。原动机有汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机和风力机等。

从动机由电动机或其他原动机拖动，将机械能转换为流体的能量，即提高流体的压力。从动机有通风机、透平压缩机、离心泵和轴流泵等。

从动机和原动机在原理和结构上基本相同，只是工作过程相反。透平机械的工质可以是气体，如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。

随着我国工业化进程的推进，工业行业正大力开展节能降耗，进行产业升级和整合重组，工业基础设备需要大量更新。透平机械作为工业的重要配套设备，广泛应用于钢铁冶炼、火力发电、新型干法水泥、石油化工、污水处理、余热回收、煤气回收、航空航天、及核电等领域。

随着产业的不断升级，各种应用环境对透平机械提出更高的要求，通常需要更高强度，更耐热耐腐蚀的叶片材料等等。

为了对叶片材料性能拓展研究，通常需要用到超高速叶片试验台。目前超高速叶片试验台通常采用电机带动一级或多级增速齿轮箱，再通过联轴器把齿轮箱高速轴与试验部件相连。但是这种机械连接的方式有个缺点，一旦试验部件因为叶片突然损坏造成系统不平衡，就会出现巨大的振动，进而传导到增速齿轮箱上，造成前端动力设备的损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能够驱动试验叶片高速旋转，又能够有效的保护动力设备的超高速叶片试验台。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种超高速叶片试验台，包括：

气体压缩结构，所述气体压缩结构具有进气口和出气口；

动力涡轮结构，所述动力涡轮结构具有涡轮叶片、涡轮轴和排气蜗壳，所述排气蜗壳具有进气口和出气口，所述排气蜗壳的进气口通过连接管道与所述气体压缩结构的出气口相连，所述涡轮叶片固定于所述涡轮轴的一端，所述涡轮轴的另一端用以和试验叶片固定相连；

轴承箱，所述轴承箱与所述涡轮轴的中部转动相连。

优选地，所述气体压缩结构包括电机、一级离心压缩机、二级离心压缩机和中间管道，所述一级离心压缩机包括一级离心开式叶轮，所述二级离心压缩机包括二级离心开式叶轮，所述电机的转子轴的两端分别与所述一级离心开式叶轮和所述二级离心开式叶轮同轴固定相连，所述一级离心压缩机的出气口通过所述中间管道与所述二级离心压缩机的进气口相连，所述二级离心压缩机的出气口通过所述连接管道与所述排气蜗壳的进气口相连。

优选地，所述一级离心压缩机还包括相对固定的一级叶轮罩壳、一级排气蜗壳、一级扩压器和一级迷宫气体密封，所述一级离心开式叶轮固定于所述电机的转子轴的一端，所述一级迷宫气体密封安装在所述一级离心开式叶轮的靠近所述电机的一侧，所述一级叶轮罩壳安装在所述一级离心开式叶轮的入口处。

优选地，所述二级离心压缩机还包括相对固定的二级叶轮罩壳、二级排气蜗壳、二级扩压器和二级迷宫气体密封，所述二级离心开式叶轮固定于所述电机的转子轴的另一端，所述二级迷宫气体密封安装在所述二级离心开式叶轮的靠近所述电机的一侧，所述二级叶轮罩壳安装在所述二级离心开式叶轮的入口处。

优选地，还包括稀油站，所述稀油站用以为所述轴承箱供给润滑油。

优选地，所述电机为永磁同步高速电机。

优选地，还包括控制系统，所述控制系统包括变频器、温度传感器、振动传感器、压力传感器和处理单元，所述温度传感器、所述振动传感器和所述压力传感器的输出端与所述处理单元的输入端电连接，所述处理单元的输出端与所述变频器的输入端电连接，所述变频器的输出端与所述电机的输入端电连接，所述温度传感器、所述振动传感器和所述压力传感器固定于所述动力涡轮结构上。

优选地，所述涡轮叶片、所述一级离心开式叶轮和所述二级离心开式叶轮均为五轴联动机床铣削成型。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的试验台主要用于叶片的破坏性试验，通过采用气体驱动这种软接触的方式，可以有效的保护动力设备，延长设备的使用寿命，同时也便于维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为气体压缩结构的纵剖面结构示意图；

图2为动力涡轮结构、轴承箱及试验叶片的纵剖面结构示意图；

图3为本实施例超高速叶片试验台的俯视图；

图4为本实施例超高速叶片试验台的流程图；

附图标记说明：1.一级叶轮罩壳；2.一级离心开式叶轮；3.一级排气蜗壳；4.一级扩压器；5.一级迷宫气体密封；6.永磁同步高速电机；7.二级迷宫气体密封；8.二级扩压器；9.二级排气蜗壳；10.二级离心开式叶轮；11.二级叶轮罩壳；12.涡轮叶片；13.驱动涡轮排气壳；14.轴承箱；15.试验叶片；16.连接管道；17.稀油站。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种既能够驱动试验叶片高速旋转，又能够有效的保护动力设备的超高速叶片试验台。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-4所示，本实施例提供一种超高速叶片试验台，包括气体压缩结构、动力涡轮结构和轴承箱14。

其中，气体压缩结构具有进气口和出气口，用以吸收气体并对气体进行压缩，将机械能转换为压缩气体的内能；动力涡轮结构具有涡轮叶片12、涡轮轴和排气蜗壳13，涡轮叶片12固定于涡轮轴的一端，排气蜗壳13具有进气口和出气口，排气蜗壳13的进气口通过连接管道16与气体压缩结构的出气口相连，压缩气体经过涡轮叶片12时体积膨胀，带动涡轮叶片12和涡轮轴快速旋转，将压缩气体的内能转换为涡轮叶片12和涡轮轴转动的机械能；涡轮轴的另一端用以和试验叶片15固定相连，通过涡轮轴将动力传递至试验叶片15，使试验叶片15高速旋转，试验叶片15的型号可以根据实际需要的不同快速更换，可扩展性强且便于维护；轴承箱14与涡轮轴的中部转动相连，用以支撑涡轮轴，使其平稳转动。

使用时，气体压缩结构作为动力系统产生高压气体，高压气体进入动力涡轮结构驱动试验叶片15转动，由于动力系统和动力涡轮结构是气动连接，不是机械传动连接，能保持完整的机械独立特性，避免因为试验叶片15突然损坏造成的振动沿机械传动链传导到动力系统处使动力系统损坏。动力涡轮结构优选为混流涡轮，其具有惯量小、效率高、响应快、结构稳定等优点。

本实施例的气体压缩结构为二级压缩结构，包括电机、一级离心压缩机、二级离心压缩机和中间管道。电机优选为永磁同步高速电机6，其具有效率高、功率密度大、转速稳定等优点。一级离心压缩机包括一级离心开式叶轮2，二级离心压缩机包括二级离心开式叶轮10，电机的转子轴的两端分别与一级离心开式叶轮2和二级离心开式叶轮10同轴固定相连，由电机同时为一级离心压缩机和二级离心压缩机提供压缩动力。一级离心压缩机的出气口通过中间管道与二级离心压缩机的进气口相连，二级离心压缩机的出气口通过连接管道16与排气蜗壳13的进气口相连，通过双级增压的方式来提高动力涡轮结构驱动气源的压力，从而使电机在相对较低的设计转速下(15000RPM)即可实现气体的高效压缩，保证了电机的可靠性和寿命。为了提高效率，本实施例在一级离心压缩机、二级离心压缩机间不设计级冷凝器，让高温度的气体直接进入二级压缩机，最终动力涡轮结构的驱动气体温度较高，可以输出更多的机械功。该实验台可考核试验叶片15在高温高线速度下的强度性能，其转速可达到6万转/分，试验温度可达1000℃。

具体的，本实施例中一级离心压缩机还包括相对固定的一级叶轮罩壳1、一级排气蜗壳3、一级扩压器4和一级迷宫气体密封5，一级离心开式叶轮2固定于电机的转子轴的一端，一级迷宫气体密封5安装在一级离心开式叶轮2的靠近电机的一侧，一级叶轮罩壳1安装在一级离心开式叶轮2的入口处。一级叶轮罩壳1保证气体从外侧沿轴向高效进入一级离心开式叶轮2，在离心作用下气体与离心开式叶轮分离，在一级扩压器4处减速增压，经一级排气蜗壳3收集导向后，由中间管道输送至二级离心压缩机处，进行二次压缩。一级迷宫气体密封5用以防止气体泄漏至一级离心开式叶轮2的的靠近电机的一侧，从而提高气体的压缩效率。

本实施例中二级离心压缩机还包括相对固定的二级叶轮罩壳11、二级排气蜗壳9、二级扩压器8和二级迷宫气体密封7，二级离心开式叶轮10固定于电机的转子轴的另一端，二级迷宫气体密封7安装在二级离心开式叶轮10的靠近电机的一侧，二级叶轮罩壳11安装在二级离心开式叶轮10的入口处。二级叶轮罩壳11保证气体从外侧沿轴向高效进入二级离心开式叶轮10，在离心作用下气体与离心开式叶轮分离，在二级扩压器8处减速增压，经二级排气蜗壳9收集导向后，由连接管道16输送至动力涡轮结构处，驱动涡轮叶片12和涡轮轴转动，经排气蜗壳13排出。二级迷宫气体密封7用以防止气体泄漏至二级离心开式叶轮10的的靠近电机的一侧，从而提高气体的压缩效率。

为了更好地对轴承箱14进行维护和保养，保证其正常运行，本实施例还包括稀油站17，稀油站17用以为轴承箱14供给润滑油。

为了便于对电机的转速进行控制，本实施例还包括控制系统，控制系统包括变频器、温度传感器、振动传感器、压力传感器和处理单元，温度传感器、振动传感器和压力传感器的输出端与处理单元的输入端电连接，处理单元的输出端与变频器的输入端电连接，变频器的输出端与电机的输入端电连接，温度传感器、振动传感器和压力传感器固定于动力涡轮结构的排气蜗壳13上。温度传感器、振动传感器和压力传感器检测到相应位置的气体温度、排气蜗壳13振动情况和气体压强后，将电信号传递至处理单元，处理单元根据其内部预设的程序调整发出控制信号至变频器，由变频器对电机的转速进行控制，从而控制二级离心压缩机出口处气体的温度、压力，进而控制涡轮轴的转速。

本实施例中，涡轮叶片12、一级离心开式叶轮2和二级离心开式叶轮10均为五轴联动机床铣削成型。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种超高速叶片试验台，其特征在于，包括：

气体压缩结构，所述气体压缩结构具有进气口和出气口；

动力涡轮结构，所述动力涡轮结构具有涡轮叶片、涡轮轴和排气蜗壳，所述排气蜗壳具有进气口和出气口，所述排气蜗壳的进气口通过连接管道与所述气体压缩结构的出气口相连，所述涡轮叶片固定于所述涡轮轴的一端，所述涡轮轴的另一端用以和试验叶片固定相连；

轴承箱，所述轴承箱与所述涡轮轴的中部转动相连。

2.根据权利要求1所述的超高速叶片试验台，其特征在于，所述气体压缩结构包括电机、一级离心压缩机、二级离心压缩机和中间管道，所述一级离心压缩机包括一级离心开式叶轮，所述二级离心压缩机包括二级离心开式叶轮，所述电机的转子轴的两端分别与所述一级离心开式叶轮和所述二级离心开式叶轮同轴固定相连，所述一级离心压缩机的出气口通过所述中间管道与所述二级离心压缩机的进气口相连，所述二级离心压缩机的出气口通过所述连接管道与所述排气蜗壳的进气口相连。

3.根据权利要求2所述的超高速叶片试验台，其特征在于，所述一级离心压缩机还包括相对固定的一级叶轮罩壳、一级排气蜗壳、一级扩压器和一级迷宫气体密封，所述一级离心开式叶轮固定于所述电机的转子轴的一端，所述一级迷宫气体密封安装在所述一级离心开式叶轮的靠近所述电机的一侧，所述一级叶轮罩壳安装在所述一级离心开式叶轮的入口处。

4.根据权利要求2所述的超高速叶片试验台，其特征在于，所述二级离心压缩机还包括相对固定的二级叶轮罩壳、二级排气蜗壳、二级扩压器和二级迷宫气体密封，所述二级离心开式叶轮固定于所述电机的转子轴的另一端，所述二级迷宫气体密封安装在所述二级离心开式叶轮的靠近所述电机的一侧，所述二级叶轮罩壳安装在所述二级离心开式叶轮的入口处。

5.根据权利要求1所述的超高速叶片试验台，其特征在于，还包括稀油站，所述稀油站用以为所述轴承箱供给润滑油。

6.根据权利要求2所述的超高速叶片试验台，其特征在于，所述电机为永磁同步高速电机。

7.根据权利要求2所述的超高速叶片试验台，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括变频器、温度传感器、振动传感器、压力传感器和处理单元，所述温度传感器、所述振动传感器和所述压力传感器的输出端与所述处理单元的输入端电连接，所述处理单元的输出端与所述变频器的输入端电连接，所述变频器的输出端与所述电机的输入端电连接，所述温度传感器、所述振动传感器和所述压力传感器固定于所述动力涡轮结构上。

8.根据权利要求2所述的超高速叶片试验台，其特征在于，所述涡轮叶片、所述一级离心开式叶轮和所述二级离心开式叶轮均为五轴联动机床铣削成型。