CN111238785A - 航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法及系统，包括：气源供应单元、测试主单元；所述气源供应单元，提供充足的所需压力的测试用气，包括：真空泵1、过滤器2、关断阀3以及储气罐4；所述真空泵1与过滤器2相连；所述过滤器2与关断阀3相连；所述关断阀3与储气罐4相连；所述测试主单元包括：调压阀5、关断阀单元、进气集管7、层流元件8、出气集管10、静压箱11、待测透平动叶14以及排放管道15；所述调压阀5与所述气源供应单元相连接。本发明能够及时有效地检测透平动叶的运行状况，维持航改型燃机发动机的正常运行，延长热部件的使用寿命。

Description

航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法及系统

技术领域

本发明涉及航天设备检测技术领域，具体地，涉及一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法及系统。

背景技术

航改型燃机是采用航空发动机改型后用于地面燃机而得名，透平是航空发动机的三大核心部件之一，将燃烧室的高温燃烧气体蕴含的热能转换为机械能，从而维持发动机的正常运转。透平是由若干级喷嘴和动叶组成，工作温度可达1000℃以上。动叶的冷却非常重要，一种常见的冷却方式是抽取航空发动机最前端的压气机中相对较冷的空气通过内部流道进入动叶以热对流和传导的方式来冷却。然而由于冷却空气源于大气，其中或多或少含有颗粒物，如盐、工业灰烬和烟雾、矿物沉积物或昆虫等，在经过压气机以高压比压缩后会进一步增加颗粒物密度，一路通过燃烧高温排气进入透平动叶，另一路通过冷却空气通道进入透平动叶，大颗粒物直接堵塞动叶上的小冷却孔，小颗粒则会在高温环境下发生微粒熔化而粘附在动叶表面并充当绝缘材料，减小热传导，影响冷却效果，进而大为缩短透平动叶的使用寿命。因此需要定期对透平动叶进行流量测试，确定其使用后的有效冷却面积，筛选出堵塞或损伤严重的进行清洗或维修，保证发动机的正常工作。

由于航改型燃机发动机是引进国外先进技术，加之透平动叶上冷却孔多且小，属于小孔气体流道，流量测试难度大，国内对此的研究甚少，文献“燃气轮机燃料喷嘴流量测试及流量检测装置设计”提到用文丘里流量计来测量燃料喷嘴的流量，但流量计存在测量气体时精度不高、结构中含运动部件会因磨损累积很难长期保证精度，需定期标定，自身尺寸大及前后直管段要求长等不足；文献“某重型燃气轮机双燃料喷嘴组试验器研制及流量试验”提到用孔板来测量燃料喷嘴的流量，但孔板不仅测试精度差，压损大，孔板会因节流孔结垢和磨损导致精度下降，而最大的问题在于单孔板测试的流量范围窄，通常每种孔板只适用一种流道，而透平动叶含多种孔径的冷却流道。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法及系统。

根据本发明提供的一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，包括：气源供应单元、测试主单元；所述气源供应单元，提供充足的所需压力的测试用气，包括：真空泵1、过滤器2、关断阀3以及储气罐4；所述真空泵1与过滤器2相连；所述过滤器2与关断阀3相连；所述关断阀3与储气罐4相连；所述测试主单元包括：调压阀5、关断阀单元、进气集管7、层流元件8、出气集管10、静压箱11、待测透平动叶14以及排放管道15；所述调压阀5与所述气源供应单元相连接；所述关断阀单元与进气集管7的上游相连接；所述关断阀单元与出气集管10的上游相连接；所述层流元件8设置于进气集管7的下游和二级关断阀9的上游之间；所述静压箱11与出气集管10的下游相连接；所述静压箱11与待测透平动叶14相连接；所述待测透平动叶14与排放管道15相连接。

优选地，所述层流元件8采用一种或者多种规格；层流元件8规格多，满足不同透平动叶14的流量测试需求，根据待测透平动叶14的设计冷却流量选择。即所述层流元件含有多种规格，连接在进气集管下游和第二级关断阀上游，一种规格只适用一种孔径的透平动叶。

优选地，关断阀单元包括：一级关断阀6、二级关断阀9；所述一级关断阀6与进气集管7的上游相连接；所述二级关断阀9与出气集管10的上游相连接。

优选地，还包括：压力表单元12、温度表单元13；所述压力表单元12包括：第一压力表、第二压力表、第三压力表以及第四压力表；所述温度表单元12包括：第一温度表、第二温度表、第三温度表以及第四温度表；所述第一压力表设置于进气集管7、第二压力表设置于出气集管10、第三压力表设置于静压箱11；第四压力表设置于排放管道15；所述第一温度表设置于进气集管7、第二温度表设置于出气集管10、第三温度表设置于静压箱11；第四温度表设置于排放管道15；两组压力表及温度表用于辅助层流元件测量质量流量，另外两组则用于辅助计算透平动叶的有效面积。

根据本发明提供的一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法，采用航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，包括：步骤S1：打开关断阀，开启真空泵，向储气罐内充气至指定压力后关闭真空泵与关断阀；步骤S2：打开第一级关断阀和相应测试回路上的第二级关断阀；步骤S3：调节调压阀使待测透平动叶前和后的压力比在指定范围内；步骤S4：利用层流元件测量质量流量并作记录；步骤S5：记录后两组压力表和温度表的值，计算有效面积；步骤S6：与设计值或新的透平动叶作比较，确定待测透平动叶的堵塞情况，获取航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试结果信息。

优选地，所述步骤S5包括：步骤S5.1：记录后两组压力表和温度表的值，代入有效面积计算公式计算有效面积；

所述有效面积计算公式如下：

其中，G_c为引力常数，所述R为气体常数，所述γ为测试用气体的比热比，所述质量流量m由所述层流元件测得，所述P₄为第四压力表测得的压力数值，所述P₄非常接近大气压力，所述P₃为第三压力表测得的压力数值，所述T₃为第三温度表测得的温度数值，所述A_e为有效面积。

优选地，所述步骤2包括：步骤2.1：采用第一级关断阀控制测试总进气，采用第二级关断阀控制测试某孔径透平动叶所需相应规格层流元件的进气路径。

优选地，所述步骤4包括：步骤4.1：采用层流元件使气体流动处于层流态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中，层流元件气体流量测试精度高达0.7～0.8％，测试流量范围相对孔板大，无运动部件，压损小，尺寸小，安装方便；

2、本发明中，有多种规格的层流元件，适用于各种冷却孔径的透平动叶的流量测试；

3、本发明中，气体测试系统充分考虑了压力、温度和动压的影响，测试精度高；

4、本发明中，测试系统可设计成便携式或大型固定式的流量测试台，满足各种应用需求；

5、本发明中，及时有效地检测透平动叶的运行状况，维持航改型燃机发动机的正常运行，延长热部件的使用寿命。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的原理示意图。

图中：

真空泵1 二级关断阀9

过滤器2 出气集管10

关断阀3 静压箱11

储气罐4 压力表单元12

调压阀5 温度表单元13

一级关断阀6 待测透平动叶14

进气集管7 排放管道15

层流元件8

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，包括：气源供应单元、测试主单元；所述气源供应单元，提供充足的所需压力的测试用气，包括：真空泵1、过滤器2、关断阀3以及储气罐4；所述真空泵1与过滤器2相连；所述过滤器2与关断阀3相连；所述关断阀3与储气罐4相连；所述测试主单元包括：调压阀5、关断阀单元、进气集管7、层流元件8、出气集管10、静压箱11、待测透平动叶14以及排放管道15；所述调压阀5与所述气源供应单元相连接；所述关断阀单元与进气集管7的上游相连接；所述关断阀单元与出气集管10的上游相连接；所述层流元件8设置于进气集管7的下游和二级关断阀9的上游之间；所述静压箱11与出气集管10的下游相连接；所述静压箱11与待测透平动叶14相连接；所述待测透平动叶14与排放管道15相连接。

优选地，所述层流元件8采用一种或者多种规格；层流元件8规格多，满足不同透平动叶14的流量测试需求，根据待测透平动叶14的设计冷却流量选择。即所述层流元件含有多种规格，连接在进气集管下游和第二级关断阀上游，一种规格只适用一种孔径的透平动叶。

优选地，关断阀单元包括：一级关断阀6、二级关断阀9；所述一级关断阀6与进气集管7的上游相连接；所述二级关断阀9与出气集管10的上游相连接。

优选地，还包括：压力表单元12、温度表单元13；所述压力表单元12包括：第一压力表、第二压力表、第三压力表以及第四压力表；所述温度表单元12包括：第一温度表、第二温度表、第三温度表以及第四温度表；所述第一压力表设置于进气集管7、第二压力表设置于出气集管10、第三压力表设置于静压箱11；第四压力表设置于排放管道15；所述第一温度表设置于进气集管7、第二温度表设置于出气集管10、第三温度表设置于静压箱11；第四温度表设置于排放管道15；两组压力表及温度表用于辅助层流元件测量质量流量，另外两组则用于辅助计算透平动叶的有效面积。

具体地，在一个实施例中，一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，包括：

气源供应系统，提供充足的所需压力的测试用气，包括真空泵1、过滤器2、关断阀3和储气罐4。

测试主系统，包括调压阀5、一级关断阀6、二级关断阀9、进气集管7、层流元件8、出气集管10、静压箱11、排放管道15和若干压力表12及温度表13，所述调压阀5连接所述气源供应系统，所述一级关断阀6连接于进气集管上游，所述二级关断阀9连接于排气集管上游，所述层流元件8置于进气集管7下游和二级关断阀9上游之间，所述静压箱11连接于出气集管10下游，所述静压箱11后连接待测透平动叶14，所述待测透平动叶14连接排放管道15。

层流元件8规格多，满足不同透平动叶14的流量测试需求，根据待测透平动叶14的设计冷却流量选择。

根据本发明提供的一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法，采用航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，包括：步骤S1：打开关断阀，开启真空泵，向储气罐内充气至指定压力后关闭真空泵与关断阀；步骤S2：打开第一级关断阀和相应测试回路上的第二级关断阀；步骤S3：调节调压阀使待测透平动叶前和后的压力比在指定范围内；步骤S4：利用层流元件测量质量流量并作记录；步骤S5：记录后两组压力表和温度表的值，计算有效面积；步骤S6：与设计值或新的透平动叶作比较，确定待测透平动叶的堵塞情况，获取航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试结果信息。

优选地，所述步骤S5包括：步骤S5.1：记录后两组压力表和温度表的值，代入有效面积计算公式计算有效面积；

所述有效面积计算公式如下：

其中，Gc为引力常数，所述R为气体常数，所述γ为测试用气体的比热比，所述质量流量m由所述层流元件测得，所述P4为第四压力表测得的压力数值，所述P4非常接近大气压力，所述P3为第三压力表测得的压力数值，所述T3为第三温度表测得的温度数值，所述Ae为有效面积。

优选地，所述步骤2包括：步骤2.1：采用第一级关断阀控制测试总进气，采用第二级关断阀控制测试某孔径透平动叶所需相应规格层流元件的进气路径。

优选地，所述步骤4包括：步骤4.1：采用层流元件使气体流动处于层流态。

具体地，在一个实施例中，一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法，即通过所述流量测试系统测得使用后的透平动叶冷却流道的有效面积，与设计值或新的透平动叶所测得的有效面积值比较，若前者小10％以上，则相应的透平动叶需清洗，若前者大，则相应的透平动叶需维修，有效面积计算公式如下：

所述Gc为引力常数，所述R为气体常数，所述γ为测试用气体的比热比，所述质量流量m由所述层流元件测得，所述P4非常接近大气压力，所述P3、T3由相应仪表测得。

具体的流量测试执行包括如下步骤：

S1、打开关断阀，开启真空泵，向储气罐内充气至指定压力后关闭真空泵与关断阀；

S2、打开第一级关断阀和相应测试回路上的第二级关断阀；

S3、调节调压阀使待测透平动叶前和后的压力比在指定范围内；

S4、利用层流元件测量质量流量并作记录；

S5、记录后两组压力表和温度表的值，代入上述公式计算有效面积；

S6、与设计值或新的透平动叶作比较，确定待测透平动叶的堵塞情况。

较佳的，步骤S1中，所述真空泵与关断阀待储气罐压力下降到一定程度后将再次开启。

较佳的，步骤S2中，所述第一级关断阀用于控制测试总进气，所述第二级关断阀用于控制测试某孔径透平动叶所需相应规格层流元件的进气路径。

较佳的，步骤S4中，所述层流元件使气体流动处于层流态，保证其上、下游压力的准确性。

较佳的，步骤S4中，所述层流元件有多种规格，根据待测动叶透平冷却流道的设计流量选取。

较佳的，步骤S5中，所述静压箱结构特殊设计，用于降低气体流速，保证待测透平动叶上游压力的准确性。

本发明中，层流元件气体流量测试精度高达0.7～0.8％，测试流量范围相对孔板大，无运动部件，压损小，尺寸小，安装方便；本发明中，有多种规格的层流元件，适用于各种冷却孔径的透平动叶的流量测试；本发明中，气体测试系统充分考虑了压力、温度和动压的影响，测试精度高；本发明中，测试系统可设计成便携式或大型固定式的流量测试台，满足各种应用需求；本发明中，及时有效地检测透平动叶的运行状况，维持航改型燃机发动机的正常运行，延长热部件的使用寿命。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，其特征在于，包括：气源供应单元、测试主单元；

所述气源供应单元包括：真空泵(1)、过滤器(2)、关断阀(3)以及储气罐(4)；

所述真空泵(1)与过滤器(2)相连；

所述过滤器(2)与关断阀(3)相连；

所述关断阀(3)与储气罐(4)相连；

所述测试主单元包括：调压阀(5)、关断阀单元、进气集管(7)、层流元件(8)、出气集管(10)、静压箱(11)、待测透平动叶(14)以及排放管道(15)；

所述调压阀(5)与所述气源供应单元相连接；

所述关断阀单元与进气集管(7)的上游相连接；

所述关断阀单元与出气集管(10)的上游相连接；

所述层流元件(8)设置于进气集管(7)的下游和二级关断阀(9)的上游之间；

所述静压箱(11)与出气集管(10)的下游相连接；

所述静压箱(11)与待测透平动叶(14)相连接；

所述待测透平动叶(14)与排放管道(15)相连接。

2.根据权利要求1所述的航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，其特征在于，所述层流元件8采用一种或者多种规格。

3.根据权利要求1所述的航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，其特征在于，所述关断阀单元包括：一级关断阀(6)、二级关断阀(9)；

所述一级关断阀(6)与进气集管(7)的上游相连接；

所述二级关断阀(9)与出气集管(10)的上游相连接。

4.根据权利要求1所述的航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，其特征在于，还包括：压力表单元(12)、温度表单元(13)；

所述压力表单元(12)包括：第一压力表、第二压力表、第三压力表以及第四压力表；

所述温度表单元(12)包括：第一温度表、第二温度表、第三温度表以及第四温度表；

所述第一压力表设置于进气集管(7)、第二压力表设置于出气集管(10)、第三压力表设置于静压箱(11)；第四压力表设置于排放管道(15)；

所述第一温度表设置于进气集管(7)、第二温度表设置于出气集管(10)、第三温度表设置于静压箱(11)；第四温度表设置于排放管道(15)。

5.一种航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试系统，包括：

步骤S1：打开关断阀，开启真空泵，向储气罐内充气至指定压力后关闭真空泵与关断阀；

步骤S2：打开第一级关断阀和相应测试回路上的第二级关断阀；

步骤S3：调节调压阀使待测透平动叶前和后的压力比在指定范围内；

步骤S4：利用层流元件测量质量流量并作记录，获取质量流量记录信息；

步骤S5：记录后两组压力表和温度表的值，计算有效面积，获取有效面积信息；

步骤S6：与设计值或新的透平动叶作比较，确定待测透平动叶的堵塞情况，获取航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试结果信息。

6.根据权利要求5所述的航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

步骤S5.1：记录后两组压力表和温度表的值，代入有效面积计算公式计算有效面积；

所述有效面积计算公式如下：

其中，Gc为引力常数，所述R为气体常数，所述γ为测试用气体的比热比，所述质量流量m由所述层流元件测得，所述P4为第四压力表测得的压力数值，所述P4非常接近大气压力，所述P3为第三压力表测得的压力数值，所述T3为第三温度表测得的温度数值，所述Ae为有效面积。

7.根据权利要求5所述的航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：采用第一级关断阀控制测试总进气，采用第二级关断阀控制测试某孔径透平动叶所需相应规格层流元件的进气路径。

8.根据权利要求5所述的航改型燃机发动机透平动叶冷却流道的流量测试方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：采用层流元件使气体流动处于层流态。

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