CN111487061A - 一种闭式循环涡轮特性试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭式循环涡轮特性试验装置，其包括：与涡轮试验器进气口和出气口连接形成的闭式循环回路，以及连接涡轮试验器的第一开式循环回路；闭式循环回路包括惰性混合气体储气罐、稳压箱、流量计、第一加热器、增压设备、换热器；惰性混合气体储气罐提供惰性混合气体工质，惰性混合气体工质依次通过稳压箱、流量计、第一加热器后进入涡轮试验器进气口，涡轮试验器出气口与稳压箱之间的连接管路上依次设置增压设备、换热器；第一开式循环回路包括离心压气机和第二节流阀，离心压气机与涡轮试验器同轴连接，离心压气机的进气口连接空气气源，出气口连接第二节流阀。本发明结构设计合理、节约能源等显著特征，易于大规模推广与应用。

Description

一种闭式循环涡轮特性试验装置

技术领域

本发明属于涡轮特性试验技术领域，涉及一种以惰性混合气体为工质的闭式循环涡轮特性试验装置。

背景技术

目前，包括氦气、超临界CO₂等工质在内的许多气体作为空气或燃气的替代工质用于闭式和半闭式布雷顿循环。相似理论分析表明，对于理想气体，叶轮机的气动特性是折合速度参数、折合流量参数、雷诺数和绝热指数的无量纲函数。显然，当叶轮机使用替代工质时，工质的绝热指数随之改变，传统的叶轮机模化准则将不再适用，那么无法通过空气工质压气机特性的试验数据模化得到替代工质叶轮机特性。为了获得以惰性混合气体作为闭式循环工质的涡轮气动特性，必须对其展开试验研究。基于上述现状，本发明提出一种闭式循环涡轮特性试验装置。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种闭式循环涡轮特性试验装置，解决以惰性混合气体为工质的涡轮性能试验问题，其中涡轮试验器的进口总压、总温为恒定值，膨胀后的气体经过增压设备、换热器、稳压箱和加热器的多次调整，再次满足涡轮试验器的进气条件，形成闭式回路，实现工质的循环利用，避免浪费价格昂贵的惰性混合气体，降低涡轮性能试验成本。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种闭式循环涡轮特性试验装置，其包括：与涡轮试验器进气口和出气口连接形成的闭式循环回路，以及连接涡轮试验器的第一开式循环回路；闭式循环回路包括惰性混合气体储气罐、稳压箱、流量计、第一加热器、增压设备、换热器；惰性混合气体储气罐提供惰性混合气体工质，惰性混合气体工质依次通过稳压箱、流量计、第一加热器后进入涡轮试验器进气口，涡轮试验器出气口与稳压箱之间的连接管路上依次设置增压设备、换热器；第一开式循环回路包括离心压气机和第二节流阀，离心压气机与涡轮试验器同轴连接，离心压气机的进气口连接空气气源，出气口连接第二节流阀。

其中，所述增压设备包括依次连接的增压压气机、向心涡轮、第二加热器、流量调节阀、空气气源，增压压气机与向心涡轮同轴连接，形成第二开式循环回路，增压压气机的进气口连接第一节流阀，出气口连接换热器。

其中，所述增压设备包括电动压缩机和减压阀，电动压缩机的进气口连接第一节流阀，电动压缩机的出气口连接减压阀一端口，减压阀另一端口连接换热器。

其中，所述惰性混合气体储气罐的出气口和稳压箱之间的连接管路上设置进气压力调节器，用于调节进入稳压箱的气体压力。

其中，所述第一加热器与涡轮试验器之间的连接管路上设置进气温度和压力探针，用于测量进入涡轮试验器的混合气体的温度和压力。

其中，所述涡轮试验器与增压设备之间的连接管路上依次设置排气温度和压力探针、高温排气阀和第一节流阀，排气温度和压力探针用于测量涡轮试验器排出的混合气体的温度和压力，高温排气阀用于调整管路中混合气体的物理流量，第一节流阀用于调整涡轮试验器出口背压。

其中，所述换热器上设置有冷却水进排水装置。

其中，所述换热器与稳压箱之间的连接管路上设置有气体成分分析仪，用于采集涡轮试验器出口的惰性混合气体，并对其进行色谱分析，确保闭式循环回路中惰性混合气体的浓度与成分均满足性能试验需求。

其中，所述气体成分分析仪与稳压箱之间的连接管路上设置有真空泵，用于性能试验的前期准备阶段，将闭式循环回路中的空气完全排出，保证管路中惰性混合气体的成分与浓度均满足涡轮性能试验的需求。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的闭式循环涡轮特性试验装置，具有以下优点：

1、具有多功能性，既可以进行径流涡轮性能试验，也可以进行轴流涡轮性能试验。

2、针对惰性混合气体价格昂贵、部件性能试验成本难以接受等问题，通过节流阀、增压设备、换热器和加热器等设备建立闭式循环回路，实现惰性混合气体的循环利用，具有节约能源、降低试验成本等显著优点，易于大规模推广和利用。

3、针对闭式回路中需要循环增压的问题，本发明提供了两种增压解决解决方案，降低试验装置的难度。

4、采用离心压气机作为涡轮试验器的测功装置，无需购置测功器等专用设备，不仅降低了试验装置的成本，还降低了整个试验系统的调节控制难度。

附图说明

图1是闭式循环涡轮特性试验装置的原理示意图。

图2为两种增压方案的原理示意图。其中，a图为压气机增压方案，b图为电动压缩机增压方案。

图3为涡轮性能试验调原理节示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本实施例闭式循环涡轮特性试验装置包括惰性混合气体储气罐、进气压力调节器、稳压箱、流量计、第一加热器、进气温度及压力探针、涡轮试验器、排气温度及压力探针、高温排气阀、第一节流阀、增压设备、换热器、气体成分分析仪、真空泵、离心压气机和第二节流阀等。其中，惰性混合气体储气罐、进气压力调节器、稳压箱、流量计、第一加热器、进气温度及压力探针、涡轮试验器、排气温度及压力探针、高温排气阀、第一节流阀、增压设备、换热器、气体成分分析仪和真空泵依次连接，真空泵连接稳压箱组成闭式循环回路，以惰性混合气体作为工质；离心压气机和第二节流阀依次连接组成开式循环回路1，以空气作为工质。

如图2所示，增压设备共包括两种方案：压气机增压方案和电动压缩机增压方案。其中，压气机增压方案形成的增压设备包括依次连接的增压压气机、向心涡轮、第二加热器、流量调节阀、空气气源，增压压气机与向心涡轮同轴连接，形成图示的开式循环回路2，增压压气机的进气口连接第一节流阀，出气口连接换热器；压气机增压方案通过增压压气机提高涡轮试验器出口管路中气体的压力，增压压气机以开式循环回路2中与其同轴的向心涡轮作为动力，以空气作为工质。电动压缩机增压方案形成的增压设备包括电动压缩机和减压阀，电动压缩机的进气口连接第一节流阀，电动压缩机的出气口连接减压阀一端口，减压阀另一端口连接换热器；电动压缩机增压方案直接通过电动压缩机提高涡轮试验器出口管路中惰性混合气体的压力。

在本发明中，闭式循环回路中的稳压箱用于削弱管路中的气流压力脉动，起到稳定气流的作用，保证涡轮试验器进口气流流场的稳定性和均匀性。闭式循环回路中的第一加热器用于对惰性混合气体进行加热，避免膨胀后的气体在涡轮出口结冰。冷却水及进排水装置、闭式循环回路中的气体成分分析仪用于采集涡轮试验器出口的惰性混合气体，并对其进行色谱分析，确保闭式循环回路中惰性混合气体的浓度与成分均满足性能试验需求。将气体成分分析仪布置在涡轮试验器出口主要基于以下两点考虑：一、靠近涡轮试验器出口，可以获取离心力作用下惰性混合气体在管路中的径向分布情况，研究离心力作用下惰性混合气体的分层现象；二、膨胀后的惰性混合气体的温度降低，减弱了对气体成分分析仪的耐温要求，降低了试验装置成本。

闭式循环回路中的高温排气阀用于调整管路中惰性混合气体的物理流量。当性能试验开展流量特性研究时，可以通过直接打开高温排气阀将管路中的工质排入大气环境。虽然浪费了部分惰性混合气体，但是减少了从闭式循环回路中抽取气体所需要的抽真空装置，降低了试验装置的复杂程度。

闭式循环回路中的第一节流阀用于调整涡轮试验器出口背压。当性能试验开展涡轮压比特性研究时，可通过增大或减小节流阀的开度来改变涡轮试验器出口背压，在其进口压力保持不变的条件下，实现落压比的变化。

闭式循环回路中的增压设备用于提升膨胀后的惰性混合气体的压力，使其再次满足涡轮试验器的进气条件，形成闭式循环回路。其中，增压设备包括两种方案：压气机增压方案和电动压缩机增压方案。对于压气机增压方案，需要为离心压气机配套同轴的向心涡轮，采用高温、高压气源驱动向心涡轮做功，并带动离心压气机工作，达到闭式循环回路增压的目的。然而，该增压方案带来的复杂控制措施，使得性能试验控制系统的难度大幅增加。图3给出了某发动机压气机和涡轮的级流量-压比特性曲线，其中带有五角星标记的曲线表示二者的共同工作线。如图3所示，当进行涡轮性能试验时，增压压气机以及同轴向心涡轮的共同工作线必须匹配到该图所示的共同工作线，而增压压气机的转速与涡轮试验器并不相等，但要求其流量、压比必须与涡轮试验器相同，大幅增加了增压压气机的调节控制难度。对于电动压缩机增压方案，可以有效降低试验装置控制系统的难度，但对电动压缩机也提出了苛刻要求，需要满足大流量、持续工作、无油润滑、密封性好等条件。

闭式循环回路中的换热器通过冷却水与高温惰性混合气体对流换热，将其提高到常温，经过第一加热器的再次调整以后满足涡轮试验器进气条件，实现惰性混合气体的循环利用。

闭式循环回路中的真空泵主要用于性能试验的前期准备阶段，将闭式循环回路中的空气完全排出，保证管路中惰性混合气体的成分与浓度均满足涡轮性能试验的需求。

在本发明中，开式循环回路2中的低压气源所供空气推动向心涡轮做功，带动与其同轴的增压压气机工作，提高涡轮试验器出口管路中气体的压力，建立惰性混合气体的闭式循环回路。开式循环回路2中的第二加热器用于加热低压气源所供空气，避免膨胀后的气体在向心涡轮出口结冰。流量调节阀用于调整该回路的空气流量，改变向心涡轮的转速，实现涡轮性能试验期间对增压压气机不同增压比的需求。

在本发明中，涡轮试验器在不同折合转速之间调节时，保证涡轮试验器进口总温、总压不变，通过高温排气阀、惰性混合气体储气罐阀门的开关来减小或增加闭式循环回路中惰性混合气体的物理流量，实现折合流量和折合转速的匹配变化，满足涡轮性能试验的变工况需求。

在试验装置运行期间，通过闭式循环回路中的气体成分分析仪采集惰性混合气体，并对其进行色谱分析，保证闭式循环回路中惰性混合气体的成分与浓度均满足涡轮性能试验需求。

在本发明中，由于存在惰性混合气体从轴承或管路连接处泄漏的风险，在涡轮性能试验期间，通过惰性混合气体储气罐将工质持续注入闭式循环回路，并通过稳压箱和节流阀等设备将回路中的压力稳定在一定水平，从而在试验段形成工况稳定的惰性混合气体。

基于上述闭式循环涡轮特性试验装置，本发明的闭式循环涡轮特性试验方法包括以下步骤：

(1)关闭开式循环回路1中的第二节流阀，关闭开式循环回路1中的流量调节阀，打开闭式循环回路中的第一节流阀。开启闭式循环回路中的真空泵将管路中的空气排空，通过惰性混合气体储气罐向闭式循环回路注入惰性混合气体，直至稳压箱内的压力达到0.36MPa；

(2)打开开式循环回路1中的节流阀，开启闭式循环回路中的换热器，开启闭式循环回路和开式循环回路2中的第二加热器至最小功率，同步逐渐打开闭式循环回路中的节流阀和开式循环回路2中的流量调节阀，实现涡轮试验器和增压压气机的匹配工作，建立惰性混合气体在管路中的闭式循环，并将涡轮试验器转速逐步提高至20％～30％设计值；

(3)逐步提高闭式循环回路和开式循环回路2中第二加热器的功率，同步调节开式循环回路中的第二节流阀，保证涡轮试验器进口温度不超过规定值，且转速不超过50％设计值；

(4)通过调节闭式循环回路中第一节流阀和流量调节阀的开度，将涡轮试验器转速提高至图3所示工况1(图中五角星对应的工况点)；通过调节开式循环回路1中第二节流阀的开度，减小离心压气机流量，实现降低涡轮试验器负载的目的。根据工况1对应的涡轮试验器落压比，调节第一节流阀的开度，使其前后压差达到合适值(一般为92％～97％设计落压比)。调节开式循环回路2中流量调节阀的开度，改变向心涡轮的转速，使得增压压气机的压比随之同步调整，从而保证涡轮试验器的进口总压稳定在设定工况。调节第一加热器的功率，将涡轮试验器的进口总温稳定在设定工况。基于上述措施，使涡轮试验器工作在图3所示的工况1附近。

(5)调节闭式循环回路中第一节流阀的开度，改变涡轮试验器出口背压；同步调节开式循环回路2中流量调节阀的的开度，改变增压压气机的压比，保证涡轮试验器的进口总压不变。与此同时，调节换热器和第一加热器的功率，保证涡轮试验器的进口总温不变，使得涡轮试验器的工作点仅在该转速对应的特性线上移动。当涡轮试验器的进出口气流参数稳定以后，测量其进出口热力学参数，并保证每条特性线录取的数据点不少于6个。

(6)重复前述第4、5步操作，调整开式循环回路中第二节流阀的开度，通过增加或减小离心压气机的流量，改变涡轮试验器的负载，实现涡轮试验器的变工况运行。将涡轮试验器调整至其他待测转速，依次完成全部特性线数据点的测量、录取工作。此外，根据闭式循环回路中的压力变化情况，通过开关高温排气阀或惰性混合气体储气罐的阀门，向其中注入或从中排出惰性混合气体，保证不同转速下的涡轮试验器均工作在图3所示的设计工况点附近时，且闭式循环回路中稳压箱的压力在0.36MPa附近。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，包括：与涡轮试验器进气口和出气口连接形成的闭式循环回路，以及连接涡轮试验器的第一开式循环回路；闭式循环回路包括惰性混合气体储气罐、稳压箱、流量计、第一加热器、增压设备、换热器；惰性混合气体储气罐提供惰性混合气体工质，惰性混合气体工质依次通过稳压箱、流量计、第一加热器后进入涡轮试验器进气口，涡轮试验器出气口与稳压箱之间的连接管路上依次设置增压设备、换热器；第一开式循环回路包括离心压气机和第二节流阀，离心压气机与涡轮试验器同轴连接，离心压气机的进气口连接空气气源，出气口连接第二节流阀。

2.如权利要求1所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述增压设备包括依次连接的增压压气机、向心涡轮、第二加热器、流量调节阀、空气气源，增压压气机与向心涡轮同轴连接，形成第二开式循环回路，增压压气机的进气口连接第一节流阀，出气口连接换热器。

3.如权利要求1所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述增压设备包括电动压缩机和减压阀，电动压缩机的进气口连接第一节流阀，电动压缩机的出气口连接减压阀一端口，减压阀另一端口连接换热器。

4.如权利要求2或3所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述惰性混合气体储气罐的出气口和稳压箱之间的连接管路上设置进气压力调节器，用于调节进入稳压箱的气体压力。

5.如权利要求4所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述第一加热器与涡轮试验器之间的连接管路上设置进气温度和压力探针，用于测量进入涡轮试验器的混合气体的温度和压力。

6.如权利要求5所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述涡轮试验器与增压设备之间的连接管路上依次设置排气温度和压力探针、高温排气阀和第一节流阀，排气温度和压力探针用于测量涡轮试验器排出的混合气体的温度和压力，高温排气阀用于调整管路中混合气体的物理流量，第一节流阀用于调整涡轮试验器出口背压。

7.如权利要求6所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述换热器上设置有冷却水进排水装置。

8.如权利要求7所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述换热器与稳压箱之间的连接管路上设置有气体成分分析仪，用于采集涡轮试验器出口的惰性混合气体，并对其进行色谱分析，确保闭式循环回路中惰性混合气体的浓度与成分均满足性能试验需求。

9.如权利要求8所述的闭式循环涡轮特性试验装置，其特征在于，所述气体成分分析仪与稳压箱之间的连接管路上设置有真空泵，用于性能试验的前期准备阶段，将闭式循环回路中的空气完全排出，保证管路中惰性混合气体的成分与浓度均满足涡轮性能试验的需求。

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