CN112610520B - 一种惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡轮增压器结构的闭式循环径流式叶轮机特性试验方法，以涡轮增压器作为基本结构，将其原有的向心涡轮或离心压气机替换为试验器，并以涡轮增压器的离心压气机作为耗功装置，或以涡轮增压器的向心涡轮作为动力装置；试验器、加热器、回热器、冷却器通过管路、阀门形成一个以惰性气体为工质的闭式回路，通过协同控制多个试验设备，实现惰性气体的闭式循环利用。本发明具有结构设计巧妙合理、节约资源等显著特征，易于大规模推广和应用。

Description

一种惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法

技术领域

本发明属于发动机性能测试技术领域，涉及一种径流式叶轮机械性能试验方法，特别是涉及一种基于涡轮增压器结构的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法。

背景技术

目前包括氦气、氩气、氙气及其混合物质在内的多种惰性气体作为空气的替代工质，日益广泛地应用于各种闭式和半闭式布雷顿循环系统。作为能量转化系统的关键部件之一，惰性气体叶轮机械通常在多种工况下工作，其气动性能直接影响整个系统的效率。因此，获得所有工况下叶轮机械的气动特性数据对于系统的安全可靠运行是非常必要的。理论分析和数值模拟都有其自身的局限性，无法考虑实际运行环境下的所有影响因素，且现有的损失模型基于空气工质建立，通过二者获得的叶轮机械的气动特性无法保证其准确性。因此，实验研究对于获得具有高精度和高可靠性的叶轮机械气动特性数据是非常必要的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是解决以惰性气体为工质的径流式叶轮机械性能试验问题，其中离心压气机或向心涡轮试验器的进口总压和总温为恒定值，增压或减压后的惰性气体经过节流阀、换热器、离心压气机或向心涡轮的调整后，再次满足试验器的进气条件，实现惰性气体的循环利用，避免造成价格昂贵的惰性气体的浪费，降低性能试验成本。

(二)技术方案

本发明采用的技术方案为：一种惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，所述试验方法基于惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验装置来实施，所述试验装置包括惰性气体储气罐、稳压箱、离心压气机、退喘阀、节流阀1、旁路阀2、回热器、加热器、向心涡轮、节流阀2、节流阀3、旁路阀1、真空泵、电机；惰性气体储气罐连接在稳压箱和回热器之间的连接管路上，为闭式循环回路提供工质，稳压箱一端连接离心压气机上游，离心压气机同轴连接电机，电机同轴连接向心涡轮，向心涡轮的上游连接加热器，向心涡轮的下游连接节流阀2的一端，节流阀2另一端连接节流阀3的一端，节流阀3的另一端连接回热器的热端，退喘阀的另一端和节流阀1的另一端连接回热器的冷端，旁路阀1的一端连接加热器，旁路阀1的另一端和旁路阀2的另一端连接在节流阀2和节流阀3之间的连接管路上，回热器的冷端连接加热器，热端连接稳压箱的另一端；所述惰性气体储气罐的出气口处设置有进气压力调节阀，用于调整通入闭式循环回路的气体工质压力；进气压力调节阀的后方管路上还设置有稳压箱；所述离心压气机的上游和下游分别设置有温度及压力探针，分别测量离心压气机进口和出口的温度及压力。所述向心涡轮的上游和下游分别设置有温度及压力探针，分别测量向心涡轮进口和出口的温度及压力；

离心压气机试验器替换离心压气机，并和稳压箱、真空泵、退喘阀、节流阀1、旁路阀1、回热器、加热器、向心涡轮依次连接组成第一闭式循环回路，由惰性气体储气罐为第一闭式循环回路提供气体工质，进行离心压气机性能试验；向心涡轮试验器替换向心涡轮，并和离心压气机、稳压箱、真空泵、退喘阀、节流阀1、旁路阀2、回热器、加热器、节流阀2、节流阀3依次连接组成第二闭式循环回路，由惰性气体储气罐为第二闭式循环回路提供气体工质，进行向心涡轮性能试验；当进行离心压气机性能试验时，协同控制节流阀1与旁路阀1，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，进行压力与流量调节；当进行向心涡轮性能试验时，协同控制节流阀2、节流阀3与旁路阀2，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，进行压力与流量调节。

(三)有益效果

1、针对惰性气体价格昂贵及以其作为工质的叶轮机械部件性能试验成本难以承受等问题，通过节流阀、旁路阀、退喘阀、回热器和加热器等设备建立闭式循环回路，实现惰性气体的循环利用，具有节约能源、降低性能试验成本等显著优点，易于大规模推广与利用。

2、试验器基于涡轮增压器结构设计，电机和试验器同轴布置，为无联轴器的组合转子系统。离心压气机和向心涡轮同轴，位于同一闭式回路内，离心压气机性能试验时以向心涡轮作为动力装置，而向心涡轮性能试验时以离心压气机作为测功装置。这种试验器设计思路无需购置专门的动力设备或测功装置，且简单易行，降低了试验的建造成本。

3、基于本发明提出的试验方法，只需要更换性能试验器及其对应的动力或测功装置，而不需要再对试验装置本身进行适应性改造，就能够完成离心压气机和向心涡轮性能试验，降低了试验建造与改造成本。

4、通过协同控制旁路阀1、2与电机，实现了试验器的流量和功率与向心涡轮或离心压气机的解耦，大幅降低了闭式循环惰性气体叶轮机械部件性能试验调节控制系统的复杂程度。

5、当进行离心压气机性能试验时，通过协同控制节流阀1与旁路阀1，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，实现较大范围的压力与流量调节。当进行向心涡轮性能试验时，通过协同控制节流阀2、3与旁路阀2，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，实现较大范围的压力与流量调节。

6、当试验器在不同折合转速之间切换时，根据闭式回路内的压力变化情况，向其中注入惰性气体，保证试验器进口总温和总压不变，并通过协同控制旁路阀和电机，实现试验器折合流量与折合转速的匹配变化。

附图说明

图1是闭式循环叶轮机械性能试验装置原理图。

图2是离心压气机性能试验调节示意图。

图3是向心涡轮性能试验调节示意图。

具体实施方式

本发明惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法基于图1所示的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验装置来完成。试验装置包括惰性气体储气罐、稳压箱、离心压气机、退喘阀、节流阀1、旁路阀2、回热器、加热器、向心涡轮、节流阀2、节流阀3、旁路阀1、真空泵、电机；惰性气体储气罐连接在稳压箱和回热器之间的连接管路上，为闭式循环回路提供工质，稳压箱一端连接离心压气机上游，离心压气机同轴连接电机，电机同轴连接向心涡轮，向心涡轮的上游连接加热器，向心涡轮的下游连接节流阀2的一端，节流阀2另一端连接节流阀3的一端，节流阀3的另一端连接回热器的热端，退喘阀的另一端和节流阀1的另一端连接回热器的冷端，旁路阀1的一端连接加热器，旁路阀1的另一端和旁路阀2的另一端连接在节流阀2和节流阀3之间的连接管路上，回热器的冷端连接加热器，热端连接稳压箱的另一端；当进行离心压气机性能试验时，离心压气机试验器替换离心压气机，并和稳压箱、真空泵、退喘阀、节流阀1、旁路阀1、回热器、加热器、向心涡轮依次连接组成闭式循环回路；当进行向心涡轮性能试验时，向心涡轮试验器替换向心涡轮，并和离心压气机、稳压箱、真空泵、退喘阀、节流阀1、旁路阀2、回热器、加热器、节流阀2、节流阀3依次连接组成闭式循环回路，由惰性气体储气罐为上述闭式循环回路提供气体工质。

所述惰性气体储气罐的出气口处设置有进气压力调节阀，用于调整通入闭式循环回路的气体工质压力。所述离心压气机的上游和下游分别设置有温度及压力探针，分别测量离心压气机进口和出口的温度及压力。所述向心涡轮的上游和下游分别设置有温度及压力探针，分别测量向心涡轮进口和出口的温度及压力。

本实施例中，试验器及其测功或动力装置借鉴涡轮增压器结构，电机与试验器同轴布置，设计为无联轴器的组合转子系统。当进行离心压气机性能试验时，向心涡轮作为试验器的动力装置，其流量和压比应足以覆盖试验器的工作范围。当进行向心涡轮性能试验时，离心压气机作为试验器的测功装置，其喘振和堵塞边界应当远离试验器的工作范围。

加热器用于加热回热器冷端流出的惰性气体，保证性能试验期间向心涡轮的进口总温恒定，并避免膨胀后的气体在其出口结冰。同时，通过对向心涡轮进气温度的高精度控制，使得向心涡轮试验中经过循环的气体再次满足试验器的进气温度条件，为实现惰性气体的循环利用提供温度调节基础。

回热器用于精确控制离心压气机的进口总温，确保性能试验期间各工况下的进口总温精度均达到±2K。同时，通过对离心压气机进口总温的高精度控制，使得离心压气机性能试验中经过循环的气体再次满足试验器的进气温度条件，为实现惰性气体的循环利用提供温度调节基础。

在某一待测转速的性能试验调节过程中，离心压气机或向心涡轮的功率可能发生变化，通过电机载荷的调整保证二者功率平衡，实现试验器的物理转速保持恒定。结合回热器或加热器对试验器进口总温的高精度控制，可以实现该转速下录取的性能数据始终处于同一折合转速特性线。

节流阀1用于调节离心压气机出口背压，实现离心压气机性能试验期间对试验器运行工况的控制，或实现向心涡轮性能试验期间试验器的进口总压保持恒定。节流阀2和3用于调节向心涡轮出口背压，即离心压气机进口压力，避免回路内出现惰性气体循环增压的情况，为实现惰性气体在闭式回路内的循环利用提供压力调节基础。结合加热器对向心涡轮进口总温的调节，实现向心涡轮性能试验中惰性气体在闭式回路内的循环利用。

旁路阀1用于调节离心压气机性能试验中的向心涡轮进气流量，并改变其膨胀比，避免闭式回路内出现惰性气体循环增压的情况，为实现惰性气体在闭式回路内的循环利用提供压力调节基础。结合回热器对离心压气机进口总温的调节，实现离心压气机性能试验中惰性气体在闭式回路内的循环利用。旁路阀1还用于离心压气机性能试验期间与电机的协同控制，实现离心压气机的流量和功率与向心涡轮的解耦，降低试验装置调节控制系统的复杂程度，并实现对流量、功率和转速等参数的独立控制。旁路阀2用于向心涡轮性能试验期间与电机的协同控制，实现离心压气机的流量和功率与向心涡轮的解耦，降低试验装置调节控制系统的复杂程度，并实现对流量、功率和转速等参数的独立控制。

当进行离心压气机性能试验时，通过协同控制节流阀1与旁路阀1，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，实现较大范围的压力与流量调节。当进行向心涡轮性能试验时，通过协同控制节流阀2、节流3与旁路阀2，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，实现较大范围的压力与流量调节。当试验器在不同折合转速之间转换时，根据闭式回路内的压力变化情况，向其中注入惰性气体，保证试验器进口总温和总压不变，同步调整旁路阀和电机功率，实现试验器折合流量与折合转速的匹配变化。

由于惰性气体可能通过轴承或管路连接处泄漏，为保证闭式回路中的循环压力稳定且符合性能试验要求，通过惰性气体储气罐将工质持续注入闭式回路，并通过稳压箱和节流阀等设备将闭式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工质。

基于上述描述，离心压气机性能试验的具体步骤为：

(1)关闭退喘阀和旁路阀2，完全打开旁路阀1以及节流阀1、2和3。开启真空泵，闭式回路抽真空后打开进气压力调节阀，向其中注入惰性气体，直至稳压箱内气体压力达到0.1MPa，关闭进气压力调节阀，停止向闭式回路内注气。

(2)开启回热器和加热器，将加热器调整至最小功率。开启电机，拖动离心压气机试验器(以下简称试验器)和向心涡轮，提高电机功率，使试验器转速逐步提高至20％～30％设计值。

(3)提高加热器功率，同步调整电机功率，保证向心涡轮进口总温达到设定值，且试验器转速不超过50％设计值。

(4)调整电机功率，使试验器转速逐步提高至最小待测量工况。根据该工况特性线右侧边界点对应的压比(图2)，将节流阀1的前后压差调整至合适值。调整旁路阀1，使试验器工作在最小工况特性线右侧边界点附近，即该转速下的最大流量点。

(5)调整节流阀1，使试验器由大流量工况向小流量工况过渡。同步调整旁路阀1(阀门开度减小，涡轮流量增大)，保证试验器进口总压不变，且试验器工作点仅在该转速对应的特性线上移动。当试验器工作状态稳定以后，测量其进、出口温度和压力等热力学参数，保证每条特性线录取的数据点不少于6个。在试验器接近喘点时需要特别注意，通过微调节流阀1逐渐逼近喘振点。如果试验器发生喘振，立即打开退喘阀，如此反复，找到即将发生喘振的工况点并测取相关参数。

(6)完全打开旁路阀1。

(7)调整电机功率，将试验器调整至其他待测转速，重复第4、5步操作，依次完成全部待测转速线的测量。需要注意的是，性能试验期间应根据闭式回路内的压力变化情况，视情向其中注入惰性气体，保证不同转速下的试验器进口总压不变。

向心涡轮性能试验的具体步骤为：

(1)关闭退喘阀和旁路阀1，完全打开旁路阀2及节流阀1、2和3。开启真空泵，闭式回路抽真空后打开进气压力调节阀，向其中注入惰性气体，直至稳压箱内气体压力达到0.35MPa，关闭进气压力调节阀，停止向闭式回路注气。

(2)开启换热器和加热器，将加热器调整至最小功率。开启电机，拖动向心涡轮试验器(以下简称试验器)和离心压气机，提高电机功率，使试验器转速逐步提高至20％～30％设计值。

(3)提高加热器功率，同步调整电机功率，保证试验器进口总温达到设定值且转速不超过50％设计值。

(4)调整电机功率，使试验器转速逐步提高至最小待测量工况。根据该工况特性线右侧边界点对应的压比(图3)，将节流阀2的前后压差调整至合适值。调整旁路阀2，使试验器工作在最小工况特性线右侧边界点附近，即该转速下的最大流量点。

(5)调整节流阀2，使试验器由大流量工况向小流量工况过渡。同步调整节流阀3，保证试验器进口总压不变，且试验器工作点仅在该转速对应的特性线上移动。当试验器工作状态稳定以后，测量其进、出口温度和压力等热力学参数，保证每条特性线录取的数据点不少于6个。性能试验期间应尽量避开离心压气机的喘振边界，如果离心压气机发生喘振，应立即完全打开退喘阀进行退喘。

(6)完全打开旁路阀2。

(7)调整电机功率，将试验器转速调整至其他待测值，重复第4、5步操作，依次完成全部转速特性线的测量。需要注意的是，性能试验期间应根据闭式回路内的压力变化情况，视情向其中注入惰性气体，保证不同转速下试验器进口总压不变。

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)

1.一种惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述试验方法基于惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验装置来实施，所述试验装置包括惰性气体储气罐、稳压箱、离心压气机、退喘阀、节流阀1、旁路阀2、回热器、加热器、向心涡轮、节流阀2、节流阀3、旁路阀1、真空泵、电机；惰性气体储气罐连接在稳压箱和回热器之间的连接管路上，为闭式循环回路提供气体工质，稳压箱一端连接离心压气机上游，离心压气机同轴连接电机，电机同轴连接向心涡轮，向心涡轮的上游连接加热器，向心涡轮的下游连接节流阀2的一端，节流阀2另一端连接节流阀3的一端，节流阀3的另一端连接回热器的热端，退喘阀的一端和节流阀1的一端连接旁路阀2的一端，退喘阀的另一端和节流阀1的另一端连接回热器的冷端，旁路阀1的一端连接加热器，旁路阀1的另一端和旁路阀2的另一端连接在节流阀2和节流阀3之间的连接管路上，回热器的冷端连接加热器，热端连接稳压箱的另一端；所述惰性气体储气罐的出气口处设置有进气压力调节阀，用于调整通入闭式循环回路的气体工质压力；进气压力调节阀的后方管路上还设置有稳压箱；所述离心压气机的上游和下游分别设置有温度及压力探针，分别测量离心压气机进口和出口的温度及压力；所述向心涡轮的上游和下游分别设置有温度及压力探针，分别测量向心涡轮进口和出口的温度及压力；

离心压气机试验器替换离心压气机，并和稳压箱、真空泵、退喘阀、节流阀1、旁路阀1、回热器、加热器、向心涡轮依次连接组成第一闭式循环回路，由惰性气体储气罐为第一闭式循环回路提供气体工质，进行离心压气机性能试验；向心涡轮试验器替换向心涡轮，并和离心压气机、稳压箱、真空泵、退喘阀、节流阀1、旁路阀2、回热器、加热器、节流阀2、节流阀3依次连接组成第二闭式循环回路，由惰性气体储气罐为第二闭式循环回路提供气体工质，进行向心涡轮性能试验；当进行离心压气机性能试验时，协同控制节流阀1与旁路阀1，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，进行压力与流量调节；当进行向心涡轮性能试验时，协同控制节流阀2、节流阀3与旁路阀2，在闭式回路内惰性气体总量不变的条件下，进行压力与流量调节。

2.如权利要求1所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述离心压气机性能试验包括以下步骤：

S1：关闭退喘阀和旁路阀2，完全打开旁路阀1以及节流阀1、节流阀2和节流阀3；开启真空泵，第一闭式循环回路抽真空后打开进气压力调节阀，注入惰性气体，直至稳压箱内气体压力达到设定压力值，关闭进气压力调节阀，停止向第一闭式循环回路内注气；

S2：开启回热器和加热器，将加热器调整至最小功率；开启电机，拖动离心压气机试验器和向心涡轮，提高电机功率和离心压气机试验器转速；

S3：提高加热器功率，同步调整电机功率，使向心涡轮进口总温达到设定值，且离心压气机试验器转速不超过50％设计值；

S4：调整电机功率，使离心压气机试验器转速逐步提高至最小待测量工况；根据该工况特性线右侧边界点对应的压比，将节流阀1的前后压差调整至选定值；调整旁路阀1，使离心压气机试验器工作靠近最小工况特性线右侧边界点，即该转速下的最大流量点；

S5：调整节流阀1，使离心压气机试验器由大流量工况向小流量工况过渡；同步调整旁路阀1，使离心压气机试验器进口总压不变，且离心压气机试验器工作点仅在该转速对应的特性线上移动；当离心压气机试验器工作状态稳定以后，测量其进、出口温度和压力热力学参数，使每条特性线录取的数据点不少于6个；在试验器接近喘点时，微调节流阀1逐渐逼近喘振点；

S6：完全打开旁路阀1；

S7：调整电机功率，将离心压气机试验器调整至其他待测转速，重复步骤S4、S5操作，依次完成全部待测转速线的测量。

3.如权利要求2所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述向心涡轮性能试验包括以下步骤：

S11：关闭退喘阀和旁路阀1，完全打开旁路阀2及节流阀1、节流阀2和节流阀3；开启真空泵，第二闭式循环回路抽真空后打开进气压力调节阀，向其中注入惰性气体，直至稳压箱内气体压力达到设定值，关闭进气压力调节阀，停止向闭式回路注气；

S22：开启换热器和加热器，将加热器调整至最小功率；开启电机，拖动向心涡轮试验器和离心压气机，提高电机功率和向心涡轮试验器转速；

S33：提高加热器功率，同步调整电机功率，使向心涡轮试验器进口总温达到设定值且转速不超过50％设计值；

S44：调整电机功率，使向心涡轮试验器转速逐步提高至最小待测量工况；根据该工况特性线右侧边界点对应的压比，将节流阀2的前后压差调整至选定值；调整旁路阀2，使向心涡轮试验器工作靠近最小工况特性线右侧边界点，即该转速下的最大流量点；

S55：调整节流阀2，使向心涡轮试验器由大流量工况向小流量工况过渡；同步调整节流阀3，使向心涡轮试验器进口总压不变，且向心涡轮试验器工作点仅在该转速对应的特性线上移动；当向心涡轮试验器工作状态稳定以后，测量其进、出口温度和压力热力学参数，使每条特性线录取的数据点不少于6个；

S66：完全打开旁路阀2；

S77：调整电机功率，将试验器转速调整至其他待测值，重复步骤S44、S55操作，依次完成全部转速特性线的测量。

4.如权利要求3所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，稳压箱内气体压力达到0.1MPa时，关闭进气压力调节阀，停止向第一闭式循环回路内注气。

5.如权利要求4所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，提高电机功率，使离心压气机试验器转速逐步提高至20％～30％的设计值。

6.如权利要求5所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述步骤S5中，如果离心压气机试验器发生喘振，立即打开退喘阀，如此反复，找到即将发生喘振的工况点并测取工况参数。

7.如权利要求6所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述步骤S11中，稳压箱内气体压力达到0.1MPa时，关闭进气压力调节阀，停止向第二闭式循环回路内注气。

8.如权利要求7所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述步骤S22中，提高电机功率，使向心涡轮试验器转速逐步提高至20％～30％的设计值。

9.如权利要求8所述的惰性气体闭式循环径流式叶轮机械性能试验方法，其特征在于，所述步骤S55中，如果离心压气机发生喘振，立即完全打开退喘阀进行退喘。

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