CN112414739B - 可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台与试验方法 - Google Patents

可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台与试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，该实验台分为旁通气路、实验气路和排气段，通过同时、快速调整阀门球芯方向，切换旁通气路和实验气路，完成涡轮叶栅通道瞬态和稳态测量试验。本发明的可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，既可实验测量并计算稳态条件下叶栅通道气动、传热特性研究所需数据，又可完成瞬态条件下叶栅通道的测量试验，同时还可以实现叶栅通道流场可视化，通过稳态和瞬态条件下试验测量和计算结果分析，以及两种条件下结果的差异性分析，有助于深入研究和理解涡轮叶栅通道流动规律和传热特性，为先进、高效的涡轮高温部件冷却技术的研发提供依据。

Description

可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台与试验方法
技术领域
本发明属于燃气涡轮气动传热和综合冷却技术领域，特别涉及一种可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台。
背景技术
燃气轮机作为叶轮机械领域主要的热功转换装备之一，提高其热功转换效率对于提高能源转化效率和整体生产力具有十分重要的意义。根据燃气轮机布雷顿循环，保证其他条件不变时，提高燃气涡轮进口温度可直接提高燃气轮机的热效率。现代燃气轮机中，随着耐高温材料和高温陶瓷涂层的应用，燃气涡轮进口温度急剧上升，其中先进重型燃气轮机涡轮进口温度已超过1600℃，军用航空发动机的涡轮进口燃气温度可达2000℃，已远超单晶镍基合金材料的熔点(1000℃)。为保证燃气轮机安全、可靠地运行，必须要结合耐高温材料、高温陶瓷涂层和先进的冷却技术。
目前，环保型燃烧室设计使得燃烧室出口温度径向分布更加均匀，这进一步增加了涡轮叶栅端壁的热负荷。叶栅端壁及通道复杂的流动及强烈的掺混，使得涡轮高温组件极易发生高温热腐蚀，显著影响燃气轮机运行安全和热效率。因此，开展深入研究燃气涡轮叶栅通道流动和传热特性，对发展现代先进燃气涡轮冷却方案设计、保证燃气轮机安全运行和提高热效率具有重要的工业意义。
但目前国内外进行机理性研究的燃气涡轮实验台，大多数是可进行稳态测量试验的实验台，且是通过叶栅壁面敷贴加热膜或使用冷却气体的方式产生温差，从而完成试验叶栅通道传热特性研究，此种稳态测量试验操作繁琐、操作误差大且与真实涡轮运行工况不同；当前可进行瞬态测量试验的涡轮实验台，无法对压缩空气进行持续、稳定的加热，从而产生稳定的温差，完成传热特性研究。
目前尚无既可进行稳态，又可进行瞬态测量试验的涡轮实验台，研究瞬态测量实验数据和稳态测量实验数据差异有助于更深入研究涡轮叶栅通道流动和传热特性，为先进、高效冷却技术研发提供参考。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，可针对燃气涡轮高温部件急需先进、高效冷却技术的要求，深入开展燃气涡轮叶栅通道流动和传热特性的研究，从而为燃气涡轮高温部件先进冷却设计提供依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，包括实验段10，压缩机出口通过带有2#电动阀门2和压力表4的管路连接1#气动三通球阀5的接口一，1#气动三通球阀5的接口二连接实验气路8的一端，接口三连接带有阀门11的旁通气路6的一端，实验气路8的另一端连接实验段10的入口，实验段10的出口连接2#气动三通球阀13的接口一，旁通气路6的另一端连接2#气动三通球阀13的接口二，2#气动三通球阀13的接口三连接排气段14，所述实验段10包括两块具有一定间距的平行的侧板，两侧板的顶部和一侧封闭，另一侧为水平的入口，出口位于底部，两侧板之间安装试验叶栅10f，后侧板上安装有可旋转的圆盘10h，圆盘10h与试验叶栅10f连接，通过转动圆盘10h改变试验叶栅10f的角度，进而改变进气方向。
所述压缩机出口连接L形的水平管路的一端，水平管路的另一端设置有1#电动阀门1，水平管路的管身与带有所述2#电动阀门2的竖直管路的上端连接。
所述旁通气路6中还设置有流量计7和调压阀门12。
所述实验气路8中还设置有蜂窝稳流器9，所述蜂窝稳流器9包括带有安装螺栓孔9a的蜂窝紧固圈9b，蜂窝紧固圈9b内安装有蜂窝网结构9c。
所述圆盘10d上设置有实验观察窗10c，并在外部朝向实验观察窗10c设置红外相机，在前侧板设置总静压探针10b，总静压探针10b伸入两侧板内，测量实验段10入口压缩空气总、静压，所述实验段10还设置有用于获取试验叶栅通道内静压数据的压力扫描阀。
所述前侧板为金属铝板10a，所述圆盘10d的材料为聚碳酸酯，金属铝环10e与圆盘10d连接，然后整体安装在金属铝板10a上。
本发明还提供了基于所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台的试验方法，包括：
打开2#电动阀门2，压缩空气通过电加热器3加热，与环境温度产生温差；
进行稳态测量试验时，通过调整1#气动三通球阀5的球芯方向，关闭旁通气路6，高温压缩空气通过实验气路8，完成燃气涡轮叶栅通道流动和传热特性研究；
进行瞬态测量试验时，通过调整1#气动三通球阀5的球芯方向，关闭实验气路8，高温压缩空气通过旁通气路6。
通过压力表4测量高温压缩空气压力，通过流量计7测量高温压缩空气流量。
通过调整旁通气路6上的调压阀门12的开度，调整旁通气路6流动阻力与实验气路8大致相等，保证调整1#气动三通球阀5球芯方向前后压力表4数值大致相等，从而实现调整1#气动三通球阀5阀芯前后压缩空气温度和流量大致相等。
通过同时快速(动作时间<1.5S，两阀门动作差异时间<0.5S)调整1#气动三通球阀5和2#气动三通球阀13球芯方向，关闭旁通气路6，打开实验气路8；
温度稳定的压缩空气通过蜂窝稳流器，实现对进入实验段的气流进行整流和稳定的目的；
旁通气路6和实验气路8切换完成后，通过短时间(10S)内试验叶栅10f的压力、温度等实验参数测量，完成瞬态测量试验。
与现有技术相比，本发明可以快速同时调整气动三通球阀球芯的方向，既能实现燃气涡轮叶栅通道瞬态测量试验，又能实现涡轮叶栅通道稳态测量试验，从而深入研究叶栅通道流动和传热特性，为涡轮高温部件先进冷却设计提供参考。
附图说明
图1是本发明的整体示意图。
图2是实验段结构图。
图3是实验段内部结构图。
图4是蜂窝稳流器结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明为一种可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，可进行涡轮叶栅通道流动流动可视化、气动性能和传热特性瞬态和稳态测量试验。其包括实验段10，压缩机出口连接L形的水平管路的一端，水平管路的另一端设置有1#电动阀门1，水平管路的管身与竖直管路的上端连接，竖直管路中设置有2#电动阀门21，竖直管路的下端通过带电加热器3和压力表4的管路连接1#气动三通球阀5的接口一，，压缩空气通过电加热器3可实现持续、稳定加热。1#气动三通球阀5的接口二连接实验气路8的一端，接口三连接带有阀门11的旁通气路6的一端，旁通气路6中设置有流量计7和调压阀门12。实验气路8的另一端连接实验段10的入口，实验段10的出口连接2#气动三通球阀13的接口一，旁通气路6的另一端连接2#气动三通球阀13的接口二，2#气动三通球阀13的接口三连接排气段14。
如图2和图3所示，实验段10包括两块具有一定间距的平行的侧板，两侧板的顶部和一侧封闭，另一侧为水平的入口，出口位于底部，两侧板之间安装试验叶栅10f，前侧板为金属铝板10a，前侧板上开孔并在开孔处安装金属铝环10e，圆盘10d与金属铝环10e连接并整体安装在前侧板10a中，并且整体能够旋转，后侧板10i安装方式与前侧板10a相同。圆盘10d与圆盘10h的材料可选择聚碳酸酯或其他耐温非金属材料，圆盘10h与试验叶栅10f连接，当进行不同叶栅试验时，尤其静叶和动叶叶栅，通过转动圆盘10h可改变试验叶栅10f的角度，进而改变进气方向，满足叶栅通道对进口气流角度的要求。
圆盘10d上可设置实验观察窗10c，并在外部朝向实验观察窗10c设置红外相机，利用红外相机获取试验叶栅通道温度数据。在前侧板设置总静压探针10b，总静压探针10b伸入两侧板内，获取实验段10入口压缩空气总、静压数据，实验段10还可设置有压力扫描阀，通过引压孔10g并利用压力扫描阀获取试验叶栅通道内静压数据。通过上述数据，经数据处理可获取叶栅通道压力分布云图和传热系数分布云图等实验结果。
本发明还提供了基于所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台的试验方法，包括：
首先，关闭1#电动阀门1，打开2#电动阀门2，使压缩空气通过电加热器3加热，与环境温度产生温差，从而实现实验段试验叶栅10f的传热特性研究。
进行稳态测量试验时，通过调整1#气动三通球阀5和2#气动三通球阀13的球芯方向，关闭旁通气路6，高温压缩空气通过实验气路8。进一步地，参考图4，实验气路8中还可设置蜂窝稳流器9，蜂窝稳流器9包括带有安装螺栓孔9a的蜂窝紧固圈9b，蜂窝紧固圈9b内安装有蜂窝网结构9c。温度稳定的压缩空气通过蜂窝稳流器9，实现对进入实验段的气流进行整流和稳定的目的。高温压缩空气通过蜂窝整流器9进入实验段10，实现燃气涡轮叶栅通道流动和传热特性研究。
进行瞬态测量试验时，通过调整1#气动三通球阀5和2#气动三通球阀13的球芯方向，关闭实验气路8，使高温压缩空气通过旁通气路6，通过压力表4测量高温压缩空气压力，通过流量计7测量高温压缩空气稳定后流量。
通过调整旁通气路6上的调压阀门12的开度，调整旁通气路6流动阻力与实验气路8大致相等，保证调整1#气动三通球阀5球芯方向前后压力表数值大致相等，从而实现调整1#气动三通球阀5阀芯前后压缩空气温度和流量大致相等。
通过同时快速(动作时间<1.5S，两阀门动作差异时间<0.5S)调整1#气动三通球阀5和2#气动三通球阀13球芯方向，关闭旁通气路6，打开实验气路8。
旁通气路6和实验气路8切换完成后，通过短时间(10S)内叶栅通道压力、温度等实验参数测量，完成瞬态测量试验，从而降低固体导热对测量试验的影响和使试验工况更符合半无限大平板导热的实验要求。
本发明的技术原理如下：
在燃气涡轮流动和传热特性实验测量研究中，壁面热流率作为传热特性研究非常重要的参数，是非常难以直接测量获得的。因此，需要借助实验测量数据和理论模型加以计算得到。在一维半无限大平板理论中，短时间(10S)内传热只沿径向进行，而不向其他方向传热，并忽略了热源本身导热，因此，目前在传热特性研究中实验材料多采用低导热系数材料(如树脂、ABS塑料等)，使实验工况更符合一维半无限大平板理论。
在稳态实验测量中，在等待实验气流稳定过程中，由于高温压缩空气持续通过实验段10，实验段10中低导热系数材料被持续加热，从而增强了材料本身导热，使实验测量数据以及计算结果产生误差。但由于该稳态实验过程较容易实现，因此多数测量试验依然在稳态实验条件下开展。在瞬态实验中，高温压缩空气先进入旁通气路6，待实验气流稳定后，通过同时、快速调整气动三通球阀球芯方向，使实验气流通过实验气路8，并在短时间(<10S)内完成实验测量，从而使得通过理论模型计算的结果更准确。瞬态测量实验数据和稳态测量实验数据差异有助于更深入研究涡轮叶栅通道流动和传热特性。
综上所述，该燃气涡轮实验台既可实验测量稳态条件下叶栅通道流动和传热特性研究所需的数据，又可完成瞬态条件下叶栅通道的测量试验，通过稳态和瞬态条件下试验测量和计算结果分析，以及两种条件下计算结果的差异性分析，有助于深入研究和理解涡轮叶栅通道流动规律和传热特性，为先进、高效的涡轮高温部件冷却技术的研发提供依据，为燃气轮机安全、可靠地运行提供参考。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明技术原理前提下，可做若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，包括实验段(10)，其特征在于，压缩机出口通过带有2#电动阀门(2)和压力表(4)的管路连接1#气动三通球阀(5)的接口一，1#气动三通球阀(5)的接口二连接实验气路(8)的一端，接口三连接带有阀门(11)的旁通气路(6)的一端，实验气路(8)的另一端连接实验段(10)的入口，实验段(10)的出口连接2#气动三通球阀(13)的接口一，旁通气路(6)的另一端连接2#气动三通球阀(13)的接口二，2#气动三通球阀(13)的接口三连接排气段(14)，所述实验段(10)包括两块具有一定间距的平行的侧板，两侧板的顶部和一侧封闭，另一侧为水平的入口，出口位于底部，两侧板之间安装试验叶栅(10f)，后侧板上安装有可旋转的圆盘(10h)，圆盘(10h)与试验叶栅(10f)连接，通过转动圆盘(10h)改变试验叶栅(10f)的角度，进而改变进气方向。
2.根据权利要求1所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，其特征在于，所述压缩机出口连接L形的水平管路的一端，水平管路的另一端设置有1#电动阀门(1)，水平管路的管身与带有所述2#电动阀门(2)的竖直管路的上端连接。
3.根据权利要求1所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，其特征在于，所述旁通气路(6)中还设置有流量计(7)和调压阀门(12)。
4.根据权利要求1所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，其特征在于，所述实验气路(8)中还设置有蜂窝稳流器(9)，所述蜂窝稳流器(9)包括带有安装螺栓孔(9a)的蜂窝紧固圈(9b)，蜂窝紧固圈(9b)内安装有蜂窝网结构(9c)。
5.根据权利要求1所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，其特征在于，所述圆盘(10d)上设置有实验观察窗(10c)，并在外部朝向实验观察窗(10c)设置红外相机，在前侧板设置总静压探针(10b)，总静压探针(10b)伸入两侧板内，测量实验段(10)入口压缩空气总、静压，所述实验段(10)还设置有用于获取试验叶栅通道内静压数据的压力扫描阀。
6.根据权利要求5所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台，其特征在于，所述前侧板为金属铝板(10a)，所述圆盘(10d)的材料为聚碳酸酯，金属铝环(10e)与圆盘(10d)连接，然后整体安装在金属铝板(10a)上。
7.基于权利要求1所述可进行瞬态和稳态测量试验的燃气涡轮实验台的试验方法，其特征在于：
打开2#电动阀门(2)，压缩空气通过电加热器(3)加热，与环境温度产生温差；
进行稳态测量试验时，通过同时快速调整1#气动三通球阀(5)和2#气动三通球阀(13)球芯方向，关闭旁通气路(6)，打开实验气路(8)，高温压缩空气通过实验气路(8)，温度稳定的压缩空气通过蜂窝稳流器(9)，达到对进入实验段的气流进行整流和稳定的目的，完成燃气涡轮叶栅通道流动和传热特性研究；
进行瞬态测量试验时，通过调整1#气动三通球阀(5)的球芯方向，关闭实验气路(8)，高温压缩空气通过旁通气路(6)，旁通气路(6)和实验气路(8)切换完成后，通过短时间内试验叶栅(10f)压力、温度实验参数测量，完成瞬态测量试验。
8.根据权利要求7所述试验方法，其特征在于，通过压力表(4)测量高温压缩空气压力，通过流量计(7)测量高温压缩空气流量。
9.根据权利要求7所述试验方法，其特征在于，通过调整旁通气路(6)上的调压阀门(12)的开度，调整旁通气路(6)流动阻力与实验气路(8)大致相等，保证调整1#气动三通球阀(5)球芯方向前后压力表(4)数值大致相等，从而实现调整1#气动三通球阀(5)阀芯前后压缩空气温度和流量大致相等。
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