CN112683943B - 一种可调节距的涡轮实验装置 - Google Patents

Abstract

一种可调节距的涡轮实验装置，包括实验段，实验段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，另一侧上方安装有可调节距装置，另一侧下方以及两侧板的底部为实验段的出口，试验叶栅安装于两侧板之间，压缩机出口通过管路连接可调节距装置的进口，可调节距装置的出口朝向试验叶栅，沿气流方向，可调节距装置包括缩口管和调整管，其中缩口管位于进口处，其缩口角度可调，调整管一端连接缩口管，另一端朝向试验叶栅。本发明可以经济、便捷地调整涡轮实验台实验段进口通流面积和气流径向速度分布，满足不同类型叶栅(导叶和动叶)、不同节距叶栅和不同进口气流角度的试验测量要求。

Description

一种可调节距的涡轮实验装置

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，特别涉及一种可调节距的涡轮实验装置。

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。为了提升燃气轮机热效率，燃气涡轮进口温度不断提升，远超当前涡轮叶片材料(单晶镍基合金)的熔点(1000℃)。随着社会对环保的日益重视，环保型燃烧室出口温度径向分布更加均匀，这进一步增加了燃气涡轮叶栅端壁的热负荷。因此，为保证燃气轮机安全可靠运行，必须对燃气涡轮热端部件进行有效冷却。燃气涡轮热端部件主要包括涡轮第一级导叶、第一级动叶、第二级导叶和第二级动叶等，因此，通过实验深入、系统地研究导叶和动叶叶栅通道流动和传热特性，对研发先进、高效的涡轮冷却技术、保证燃气轮机安全性具有重要的工业意义。

目前，国内外进行机理性研究的燃气涡轮实验台，在搭建完成后只能针对某一固定节距的叶栅进行测量试验，而想要更换不同节距叶栅进行测量实验，必须重新设计并更换气路段，以适配新的节距叶栅，这无疑显著增加了时间成本和试验经济成本。此外，现有的燃气涡轮实验台只能针对导叶或者动叶进行测量试验，无法同时满足导叶和动叶叶栅通道的进气要求，以及导叶和动叶叶栅节距不同的试验要求，不能系统地开展燃气涡轮热端部件(导叶和动叶)流动和传热特性的研究。目前，尚无一种实验装置可实现经济、便捷地调整燃气涡轮试验台实验段进口通流面积，以适应不同节距叶栅、导叶和动叶的试验测量要求。

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调节距的涡轮实验装置，通过经济、便捷地调整涡轮实验台实验段进口通流面积和气流径向速度分布，以满足不同节距叶栅、不同类型叶栅(导叶和动叶)、不同进口气流角度的试验要求，为深入、系统地开展燃气涡轮热端部件流动和传热特性的研究提供支撑。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可调节距的涡轮实验装置，包括实验段3，所述实验段3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，另一侧上方为实验段进口，实验段进口前方安装有可调节距装置1，另一侧下方以及两侧板的底部为实验段出口，试验叶栅3d安装于两侧板之间，压缩机出口通过管路连接可调节距装置1的进口，可调节距装置1的出口朝向试验叶栅3d，沿气流方向，所述可调节距装置1包括缩口管和调整管，其中缩口管位于进口处，其缩口角度可调，调整管一端连接缩口管，另一端朝向试验叶栅3d。

所述缩口管由可调上侧板1b、可调下侧板1h、通道前侧板1k以及通道后侧板1l围合组成，其中，可调上侧板1b通过转轴连接在通道前侧板1k和通道后侧板1l之间，可调下侧板1h通过转轴连接在通道前侧板1k和通道后侧板1l之间；所述调整管由可调上平板1d、可调下平板1j、通道前侧板1k以及通道后侧板1l围合组成，其中，可调上平板1d通过铰链与可调上侧板1b相连，可调下平板1j通过铰链与可调下侧板1h相连。

所述可调上侧板1b的顶部连接水平的通道上侧板1a的一端，可调下侧板1h的底部连接水平的通道下侧板1g的一端，所述通道上侧板1a的另一端和通道下侧板1g的另一端均连接在所述两侧板上。

所述可调上侧板1b上设置有1#滑轨滑块机构1c，可调下侧板1h上设置有2#滑轨滑块机构1e，可调上平板1d上设置有3#滑轨滑块机构1f，1#滑轨滑块机构1c、2#滑轨滑块机构1e和3#滑轨滑块机构1f的滑轨方向为沿可调上侧板1b、可调下侧板1h和可调上平板1d的长度方向，滑轨分别固定在可调上侧板1b可调下侧板1h和可调上平板1d上，滑块分别与相应滑轨滑块机构的调节杆相连。

所述滑轨滑块机构调节可调上侧板1b和通道上侧板1a之间夹角θ₁与可调下侧板1h和通道下侧板1g之间夹角θ₂，从而改变实验段进口通流面积，达到适应不同种类试验叶栅、不同节距试验叶栅的试验测量要求的目的；通过滑轨滑块机构调节可调上侧板1b和可调上平板1d之间夹角θ₃，从而调整实验段进口气流径向速度分布，达到适应不同进口气流角的试验测量要求的目的。

所述可调下平板1j下方连接可替换平板1i。

所述调整管的下部连接支撑装置2的顶部，支撑装置2的底部与所述侧板相连。

所述支撑装置2包括位于顶部的支撑平台2a，支撑平台2a底部通过旋转螺纹杆2b连接竖直支杆2c，竖直支杆2c底端连接横向支杆2d，通过旋转螺纹杆2b调节支撑平台2a高度。

所述试验叶栅3d与可旋转圆盘3c连接，并整体安装于后侧板3g上，通过旋转可旋转圆盘3c改变试验叶栅3d的进口气流角度。

所述试验叶栅3d后部设置有尾流板4，尾流板4包括平板4a，平板4a的一面位于试验叶栅3d后方，并与试验叶栅3d之间存有一定距离(2～5mm)，另一面设置4#滑轨滑块机构4c，其中滑轨单元固定在平板4a上，滑块单元连接调节杆4d，平板4a两侧通过旋转轴4b连接在所述两侧板之间，滑轨方向与旋转轴4b垂直。

与现有技术相比，本发明可以经济、便捷地调整燃气涡轮试验台实验段进口通流面积以及气流径向速度分布，以适应不同节距叶栅、不同类型叶栅(导叶和动叶)、不同进口气流角度的试验测量要求，为深入、系统开展涡轮热端部件流动和传热特性研究提供支撑。

附图说明

图1是本发明与实验段配合的整体结构剖面示意图。

图2是实验段结构剖面示意图。

图3是实验段结构左视图。

图4是节距调整装置局部剖视图。

图5是节距调整装置的等轴测结构图。

图6是节距调整装置的左视图。

图7是支撑装置结构图。

图8是尾流板结构示意图。

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，本发明一种可调节距的涡轮实验装置，主要包括节距调整装置1和实验段3，可实现经济、快捷地调整实验段进口通流面积，从而满足不同节距叶栅、不同类型叶栅(导叶和动叶)、不同进口气流角度的试验要求。

参考图2和图3，实验段3包括平行且具有一定间距的前侧板3i和后侧板3g，前侧板3i和后侧板3g的顶部以上顶板3a连接，右侧以侧顶板3b连接，底部右侧以下顶板3h连接，左侧上方为实验段3的水平进口，可调节距装置1安装于该水平进口处，前侧板3i和后侧板3g的左侧下方以及底部左侧为实验段出口。试验叶栅3d安装于前侧板3i和后侧板3g之间。

一种优选结构，在后侧板3g上开孔并在开孔处安装可旋转圆盘3c，可旋转圆盘3c的材料可选择聚碳酸酯或其他耐温非金属材料，试验叶栅3d与可旋转圆盘3c连接，可与可旋转圆盘3c一起旋转，通过旋转可旋转圆盘3c可改变试验叶栅3d的进口气流角度，即改变试验叶栅3d的进气方向，以满足不同类型叶栅、不同进口气流角的试验要求。在可旋转圆盘3c上钻有若干壁面引压孔3e，在前侧板3i和后侧板3g之间，位于试验叶栅3d的前部左下方，可设置引流板3f，实现引导气流至实验段3出口的目的。

参考图4、图5和图6，节距调整装置1包括缩口管和调整管，其中缩口管左端为气流进口，与压缩机出口通过管路连接，调整管的左端连接缩口管的右端，右端朝向试验叶栅3d，缩口管的缩口角度可调。

具体地，缩口管由可调上侧板1b、可调下侧板1h、通道前侧板1k以及通道后侧板1l围合组成，其中，可调上侧板1b通过转轴连接在通道前侧板1k和通道后侧板1l之间，可调下侧板1h通过转轴连接在通道前侧板1k和通道后侧板1l之间。可调上侧板1b的顶部连接水平的通道上侧板1a的一端，可调下侧板1h的底部连接水平的通道下侧板1g的一端，通道上侧板1a的另一端和通道下侧板1g的另一端均连接在前侧板3i和后侧板3g的左侧。

调整管由可调上平板1d、可调下平板1j、通道前侧板1k以及通道后侧板1l围合组成，其中，可调上平板1d通过铰链与可调上侧板1b相连，可调下平板1j通过铰链与可调下侧板1h相连。

可调上侧板1b上设置有1#滑轨滑块机构1c，可调下侧板1h上设置有2#滑轨滑块机构1e，可调上平板1d上设置有3#滑轨滑块机构1f，1#滑轨滑块机构1c、2#滑轨滑块机构1e和3#滑轨滑块机构1f的滑轨方向为沿可调上侧板1b、可调下侧板1h和可调上平板1d的长度方向，滑轨分别固定在可调上侧板1b可调下侧板1h和可调上平板1d上，滑块分别于相应滑轨滑块机构的调节杆相连。滑轨滑块机构的调节杆分别通过在通道上侧板1a、通道下侧板1g和上顶板3a上打的孔，伸出可调节距装置1外和实验段3外。

通过滑轨滑块机构调节可调上侧板1b和通道上侧板1a之间夹角θ₁与可调下侧板1h和通道下侧板1g之间夹角θ₂，从而改变实验段进口通流面积，达到适应不同种类试验叶栅(导叶和动叶)、不同节距试验叶栅的试验测量要求的目的；通过滑轨滑块机构调节可调上侧板1b和可调上平板1d之间夹角θ₃，从而调整实验段进口气流径向速度分布，达到适应不同进口气流角的试验测量要求的目的。

在本发明的优选实施例中，还包括支撑装置2，调整管的下部连接支撑装置2的顶部，支撑装置2的底部与前侧板3i和后侧板3g相连。

具体地，本发明可在可调下平板1j下方连接一块可替换平板1i，可实现便捷更换，此时参考图7，支撑装置2包括位于顶部的支撑平台2a，支撑平台2a的上部和可更换平板1i相连，支撑平台2a的下部和螺纹支杆2b的一端相连，螺纹支杆2b的另一端和竖直支杆2c通过螺纹连接，竖直支杆2c底端连接横向支杆2d，横向支杆2d和实验段3相连，其两端直径不同，一侧略小于另一侧0.2mm，方便与实验段3配合和拆卸。通过旋转螺纹杆2b，可调节支撑平台2a高度。

在本发明的更进一步优选实施例中，还包括尾流板4，尾流板4设置在试验叶栅3d后部参考图8，其包括平板4a，平板4a的一面位于试验叶栅3d后方，并与试验叶栅3d之间存有一定距离(2～5mm)，另一面设置4#滑轨滑块机构4c，其中滑轨单元固定在平板4a上，滑块单元连接调节杆4d一端，调节杆4d另一端通过在侧顶板3b上打孔，伸出实验段3。平板4a两侧通过旋转轴4b连接在前侧板3i和后侧板3g之间，滑轨方向与旋转轴4b垂直，可通过伸缩调节杆4d长度改变尾流板倾斜角度，从而调整试验叶栅3d出口气流的角度，保证试验叶栅具有良好的周期性，并可利用4#滑轨滑块机构4c实现多角度调节气流方向。

本发明还提供了基于该涡轮叶栅实验装置的操作方法：

如图1～图8所示，可调节距装置1中，通道上侧板1a和可调上侧板1b之间夹角为θ₁、通道下侧板1g和可调下侧板1h之间夹角为θ₂、可调上侧板1b和可调上平板1d之间夹角为θ₃。通过1#滑轨滑块机构1c可调节θ₁角度(0°<θ₁<90°)、2#滑轨滑块机构1e可调节θ₂角度(0°<θ₂<90°)、3#滑轨滑块机构1f可调节θ₃角度(调节范围与侧板、平板长度有关)。支撑装置2中可通过旋转2b调整支撑装置2高度。尾流板机构4中可通过4#滑块滑轨机构4d和调节杆4d调整尾流板方向。

实验段3中，可旋转圆盘3c可以通过旋转不同角度，来满足或改变试验叶栅3d的进口气流角。当可旋转圆盘3c中安装不同节距试验叶栅、不同种类试验叶栅(导叶和动叶)或改变进口气流角角度时，可通过1#滑轨滑块机构1c和2#滑轨滑块机构1e，同时或单独调节θ₁角度和θ₂角度，已达到改变实验段3进口通流面积的目的，使压缩空气尽可能多的通过试验叶栅通道，3#滑轨滑块机构1f可调节θ₃角度，已达到调整气流径向速度分布的目的，使压缩空气尽可能同时到达试验叶栅。

当调节完成θ₁、θ₂和θ₃角度后，通过旋转2b调整支撑装置2的高度，使支撑平台2a的上部和可调节距装置1中可更换平板1i相连，起到支撑可更换平板1i和可调下平板1j的作用。尾流板机构4通过调节杆4d，在实验段3外部调整尾流板方向，使试验叶栅保持良好的周期性结果。

本发明的技术原理如下：

为深入、系统地开展燃气涡轮热端部件流动和传热特性的研究，同时为先进、高效的冷却技术研发提供参考，进行不同种类叶栅(导叶和动叶)、不同节距叶栅和不同进口气流角度的试验测量研究是十分必要的。本发明通过节距调整装置1和支撑装置2，适配实验段3和尾流板机构4，实现经济、快捷地调整实验段进口通流面积和实验气流径向速度分布的目的，从而满足不同种类叶栅(导叶和动叶)、不同节距叶栅和不同进口气流角度的试验测量要求。

实验段3中，可旋转圆盘3c可以通过旋转不同角度，使试验叶栅3d的进口气流角度发生改变，从而进行不同进口气流角度的测量试验。当可旋转圆盘3c中安装不同节距试验叶栅、不同种类试验叶栅(导叶和动叶)时，为使压缩空气尽可能多的通过试验叶栅通道，需要改变实验段进口的通流面积，本发明通过滑轨滑块机构同时或单独调节θ₁角度和θ₂角度，改变压缩空气的通流面积，从而满足测量试验要求。可旋转圆盘3c旋转一定角度后，为使压缩空气尽可能同时到达试验叶栅，需要增加试验段进口上部气流速度，本发明通过调整θ₃角度，使实验段进口通道成为一个上部渐缩进口通道，气流压力能转换成动能，实现增加试验段进口上部气流速度、使压缩空气尽可能同时到达试验叶栅的目的。当进行不同种类叶栅(导叶和动叶)、不同节距叶栅和不同进口气流角度的测量试验时，为使试验叶栅保持良好的周期性，通过尾流板机构4调整试验叶栅3d出口的气流方向，从而达到调整试验叶栅3d通道中气流的目的。

综上所述，本发明提供的一种可调节距的涡轮实验装置，可通过经济、便捷地调整涡轮实验台实验段进口通流面积和气流径向速度分布，以满足不同类型叶栅(导叶和动叶)、不同节距叶栅、不同进口气流角度的试验测量要求，为深入、系统地开展燃气涡轮热端部件流动和传热特性的研究提供支撑，同时为先进、高效的冷却技术研发提供参考。

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 (5)

1.一种可调节距的涡轮实验装置，包括实验段(3)，其特征在于，所述实验段(3)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，另一侧上方为实验段进口，实验段进口前方安装有可调节距装置(1)，另一侧下方以及两侧板的底部为实验段出口，试验叶栅(3d)安装于两侧板之间，压缩机出口通过管路连接可调节距装置(1)的进口，可调节距装置(1)的出口朝向试验叶栅(3d)，沿气流方向，所述可调节距装置(1)包括缩口管和调整管，其中缩口管位于进口处，其缩口角度可调，调整管一端连接缩口管，另一端朝向试验叶栅(3d)，其中，所述缩口管由可调上侧板(1b)、可调下侧板(1h)、通道前侧板(1k)以及通道后侧板(1l)围合组成，其中，可调上侧板(1b)通过转轴连接在通道前侧板(1k)和通道后侧板(1l)之间，可调下侧板(1h)通过转轴连接在通道前侧板(1k)和通道后侧板(1l)之间；所述调整管由可调上平板(1d)、可调下平板(1j)、通道前侧板(1k)以及通道后侧板(1l)围合组成，其中，可调上平板(1d)通过铰链与可调上侧板(1b)相连，可调下平板(1j)通过铰链与可调下侧板(1h)相连，所述可调上侧板(1b)的顶部连接水平的通道上侧板(1a)的一端，可调下侧板(1h)的底部连接水平的通道下侧板(1g)的一端，所述通道上侧板(1a)的另一端和通道下侧板(1g)的另一端均连接在所述两侧板上，所述可调上侧板(1b)上设置有1#滑轨滑块机构(1c)，可调下侧板(1h)上设置有2#滑轨滑块机构(1e)，可调上平板(1d)上设置有3#滑轨滑块机构(1f)，1#滑轨滑块机构(1c)、2#滑轨滑块机构(1e)和3#滑轨滑块机构(1f)的滑轨方向为沿可调上侧板(1b)、可调下侧板(1h)和可调上平板(1d)的长度方向，滑轨分别固定在可调上侧板(1b)、 可调下侧板(1h)和可调上平板(1d)上，滑块分别与相应滑轨滑块机构的调节杆相连，通过滑轨滑块机构调节可调上侧板(1b)和通道上侧板(1a)之间夹角θ₁与可调下侧板(1h)和通道下侧板(1g)之间夹角θ₂，从而改变实验段进口通流面积，达到适应不同种类试验叶栅、不同节距试验叶栅的试验测量要求的目的；通过滑轨滑块机构调节可调上侧板(1b)和可调上平板(1d)之间夹角θ₃，从而调整实验段进口气流径向速度分布，达到适应不同进口气流角的试验测量要求的目的，所述试验叶栅(3d)后部设置有尾流板(4)，尾流板(4)包括平板(4a)，平板(4a)的一面位于试验叶栅(3d)后方，并与试验叶栅(3d)之间存有2～5mm的距离，另一面设置4#滑轨滑块机构(4c)，其中滑轨单元固定在平板(4a)上，滑块单元连接调节杆(4d)，平板(4a)两侧通过旋转轴(4b)连接在所述两侧板之间，滑轨方向与旋转轴(4b)垂直。

2.根据权利要求1所述可调节距的涡轮实验装置，其特征在于，所述可调下平板(1j)下方连接可替换平板(1i)。

3.根据权利要求1所述可调节距的涡轮实验装置，其特征在于，所述调整管的下部连接支撑装置(2)的顶部，支撑装置(2)的底部与所述侧板相连。

4.根据权利要求3所述可调节距的涡轮实验装置，其特征在于，所述支撑装置(2)包括位于顶部的支撑平台(2a)，支撑平台(2a)底部通过旋转螺纹杆(2b)连接竖直支杆(2c)，竖直支杆(2c)底端连接横向支杆(2d)，通过旋转螺纹杆(2b)调节支撑平台(2a)高度。

5.根据权利要求1所述可调节距的涡轮实验装置，其特征在于，所述试验叶栅(3d)与可旋转圆盘(3c)连接，并整体安装于后侧板(3g)上，通过旋转可旋转圆盘(3c)改变试验叶栅(3d)的进口气流角度。

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