CN113503995B - 一种大功率燃气涡轮性能测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大功率燃气涡轮性能测试装置，其目的是解决现有技术缺乏能够进行涡轮性能测试的测试装置的技术问题。该装置包括涡轮架、支承组件、密封组件、传扭组件和调整垫组件，通过传扭套筒对接推力测量测功器，还可在涡轮壳体上介质入口处安装压力传感器、温度传感器和流量计，并利用转速传感器感应传扭套筒的转速变化，获得涡轮转子的扭矩和轴向力特性、涡轮效率、流通面积、反力度随级速比和压比变化的关系曲线等相关参数，从而获得涡轮的实际性能，为火箭发动机系统参数平衡的调整计算提供相应数据。其中测得的涡轮转子的轴向力，为涡轮泵转子轴向力平衡计算提供轴向力数据。

Description

一种大功率燃气涡轮性能测试装置
技术领域
本发明涉及涡轮性能测试装置，特别涉及一种大功率燃气涡轮性能测试装置。
背景技术
新一代大型运载火箭的液体火箭发动机的主涡轮为反力式结构，其轴向力较大，故准确的涡轮轴向力特性，是进行涡轮转子(涡轮转子包括涡轮盘和转轴)轴向力平衡计算和调整时，必须精确掌握的关键数据，也是保证涡轮可靠工作的重要手段。而对于涡轮来说，实际性能和设计性能通常存在一定的差异。因此，亟需一种燃气涡轮性能测试装置，以便进行涡轮性能测试，从而获得涡轮的实际性能。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术缺乏能够进行涡轮性能测试的测试装置的技术问题，提供一种大功率燃气涡轮性能测试装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种大功率燃气涡轮性能测试装置，其特殊之处在于：包括涡轮架、支承组件、密封组件、传扭组件和调整垫组件；
所述涡轮架的中部设有第一轴向通孔，其左右两端面上均沿轴向设有螺纹孔，分别用于连接试验台和待测涡轮的涡轮壳体；涡轮架上沿其径向设有进油孔，进油孔处设有注油嘴；
所述支承组件包括轴承座、第一滚柱轴承、第二滚柱轴承、密封环、轴承压紧螺母、第一锁紧垫片、压紧环，以及第一轴套和第二轴套；
所述轴承座用于设置于涡轮壳体内且与涡轮壳体固连，其中部设有第二轴向通孔；所述第一滚柱轴承和第二滚柱轴承分别设置于第二轴向通孔的左右两端；所述密封环设置于第二滚柱轴承的外端；所述轴承压紧螺母沿轴向压紧密封环，其外圆壁上设有外螺纹，轴承座右端内壁上设有与轴承压紧螺母的外螺纹配合的内螺纹；所述第一锁紧垫片设置于密封环与轴承压紧螺母之间；所述压紧环设置于第一滚柱轴承外端，其内圆上设有密封篦齿，其边缘与轴承座固连，沿轴向压紧第一滚柱轴承；所述第一轴套设置于密封环内圆内，其一端接触第二滚柱轴承的内圆外端面；所述第二轴套设置于第二轴向通孔内，其两端分别接触第一滚柱轴承和第二滚柱轴承的内圆内端面；
所述密封组件设置于所述第一轴向通孔内且与涡轮架固连，其中心设有可供待测涡轮转子的转轴穿过的通孔，其侧壁上设有与涡轮架的进油孔相连通的径向通孔；
所述传扭组件包括传扭套筒、压紧螺母、锁紧单元和多个定位螺栓；所述传扭套筒内设有台阶通孔，台阶通孔的小孔径端靠近第一滚柱轴承；所述压紧螺母位于台阶通孔的台阶面处，其内圆壁设有密封篦齿；所述锁紧单元由压紧螺母外端面将压紧螺母轴向压紧于台阶面处；传扭套筒靠近第一滚柱轴承的外壁上设有第二环向凸起，第二环向凸起的外周面设有环向凹槽；多个所述定位螺栓用于运输过程中穿过涡轮架将螺栓端部抵住环向凹槽；传扭套筒远离第一滚柱轴承一端的外壁上设有螺纹、内壁上设有花键，用于对接推力测量测功器，获得待测涡轮转子的扭矩和轴向力；
所述传扭套筒依次穿过密封组件和压紧环后，其与密封组件对应部分的内筒壁上设有内花键，用于与待测涡轮转子的转轴相配合；
调整垫组件包括多个不同厚度的调整垫，调整垫设置于传扭套筒与第一滚柱轴承的内圆外端面之间，传扭套筒内端面通过调整垫抵住第一滚柱轴承内圆外端面，调整垫用于调整传扭套筒的轴向位置。
进一步地，所述密封组件设置于所述第一轴向通孔内，包括密封座、两个挡圈和两个旋转轴唇式密封圈；
所述密封座的边缘与涡轮架固连，中心设有第三轴向通孔，第三轴向通孔的孔壁中央设有第一环向凸起，第一环向凸起的两侧对称设有两个凹槽，两个所述挡圈分别设置于两个凹槽内；每个所述旋转轴唇式密封圈设置于一个挡圈与第一环向凸起的一个侧壁之间；
第一环向凸起上设有所述径向通孔，该径向通孔与涡轮架的进油孔连通。
进一步地，所述锁紧单元包括用于依次安装在待测涡轮转子的转轴上的轴端螺母、第二锁紧垫片和第四轴套；所述第四轴套的内端面顶紧压紧螺母。
进一步地，所述压紧螺母与第二环向凸起之间的传扭套筒内壁上、密封座与涡轮架之间、涡轮架右端面上，均设有密封圈。
进一步地，所述第二轴套的外壁的两端均设有密封篦齿。
进一步地，两个旋转轴唇式密封圈周围均填满润滑脂特221号油膏；
所有螺纹和密封圈处均涂抹润滑脂特221号油膏。
进一步地，所述传扭套筒上环向凹槽的槽宽为8～12mm，槽深为2～4mm。
进一步地，所述涡轮架中段外壁内凹，且内凹区域设有多个加强用肋板，肋板上设有减重孔。
进一步地，所述密封篦齿的齿高为2～3mm、锥角为15～30°、齿距为2～4mm、齿顶厚为0.4～0.6mm、齿数为7～10个、齿顶间隙为1～2mm。
进一步地，还包括安装于涡轮壳体介质入口处的压力传感器、温度传感器和流量计，以及敏感端与传扭套筒接触的转速传感器。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的大功率燃气涡轮性能测试装置，包括涡轮架、支承组件、密封组件、传扭组件和调整垫组件，通过推力测量测功器测得涡轮转子的轴向力，为涡轮泵转子轴向力平衡计算提供轴向力数据，通过计算涡轮泵实际产品的调整垫厚度，调节涡轮泵实际工作时的轴向力，提高涡轮泵的工作可靠性。该装置结构简单、成本低廉，可广泛应用于各类涡轮的性能试验中，具有较高的应用价值。
2、本发明提供的大功率燃气涡轮性能测试装置，通过传扭套筒对接推力测量测功器，还可在涡轮壳体上介质入口处安装压力传感器、温度传感器和流量计，并利用转速传感器感应传扭套筒的转速变化，获得涡轮转子的扭矩和轴向力特性、涡轮效率、流通面积、反力度随级速比和压比变化的关系曲线等相关参数，从而获得涡轮的实际性能，为火箭发动机系统参数平衡的调整计算提供相应数据。
附图说明
图1为本发明大功率燃气涡轮性能测试装置的结构示意图，图中箭头表示吹风模拟试验时试验介质的流向；
图2为本发明大功率燃气涡轮性能测试装置中密封组件的结构示意图；
图3为本发明大功率燃气涡轮性能测试装置中传扭套筒的结构示意图；
图4为图3的A-A面剖面图；
附图标记说明：
1-涡轮架、2-涡轮壳体、4-注油嘴、5-轴承座、6-第一滚柱轴承、7-第二滚柱轴承、8-密封环、9-轴承压紧螺母、10-第一锁紧垫片、11-压紧环、12-第一轴套、13-第二轴套、15-传扭套筒、16-压紧螺母、17-定位螺栓、18-调整垫、19-密封座、20-挡圈、21-旋转轴唇式密封圈、23-轴端螺母、24-第二锁紧垫片、25-第四轴套、26-肋板、27-涡轮盘、28-转轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种大功率燃气涡轮性能测试装置，用于涡轮性能测试，涡轮转子包括涡轮盘27和转轴28。该测试装置包括涡轮架1、支承组件、密封组件、传扭组件和调整垫组件；所述涡轮架1的中部设有第一轴向通孔，其左右两端面上均沿轴向设有螺纹孔，分别用于连接试验台和待测涡轮的涡轮壳体2；涡轮架1上沿其径向设有进油孔，进油孔处设有注油嘴4；所述支承组件包括轴承座5、第一滚柱轴承6、第二滚柱轴承7、密封环8、轴承压紧螺母9、第一锁紧垫片10、压紧环11，以及第一轴套12和第二轴套13；所述轴承座5用于设置于待测涡轮的涡轮壳体2内且与涡轮壳体2固连，其中部设有第二轴向通孔；所述第一滚柱轴承6和第二滚柱轴承7分别设置于第二轴向通孔的左右两端；所述密封环8设置于第二滚柱轴承7的外端，其内圆上设有7道密封篦齿，能减少泄漏到支承组件中的热空气；所述轴承压紧螺母9沿轴向压紧密封环8，其外圆壁上设有外螺纹，轴承座5右端内壁上设有与轴承压紧螺母9的外螺纹配合的内螺纹；所述第一锁紧垫片10设置于密封环8与轴承压紧螺母9之间；所述压紧环11设置于第一滚柱轴承6外端，其内圆上设有9道密封篦齿，用于进一步降低泄漏，其边缘与轴承座5固连，沿轴向压紧第一滚柱轴承6；所述第一轴套12设置于密封环8内圆内，其一端接触第二滚柱轴承7的内圆外端面；所述第二轴套13设置于第二轴向通孔内，其两端分别接触第一滚柱轴承6和第二滚柱轴承7的内圆内端面；所述密封组件设置于所述第一轴向通孔内且与涡轮架1固连，其中心设有可供待测涡轮转子的转轴28穿过的通孔，其侧壁上设有与涡轮架1的进油孔相连通的径向通孔。
所述传扭组件包括传扭套筒15、压紧螺母16、锁紧单元和3个定位螺栓17；所述传扭套筒15内设有台阶通孔，台阶通孔的小孔径端靠近第一滚柱轴承6；所述压紧螺母16位于台阶通孔的台阶面处，其内圆壁上设有密封篦齿；所述锁紧单元由压紧螺母16外端面将压紧螺母16轴向压紧于台阶面处；传扭套筒15靠近第一滚柱轴承6的外壁上设有第二环向凸起，第二环向凸起的外周面设有环向凹槽，环向凹槽的槽宽为8～12mm，槽深为2～4mm；3个所述定位螺栓17，用于运输过程中穿过涡轮架1将螺栓端部沿圆周均均抵住环向凹槽，与试验台对接好后，即可松开3个定位螺栓17开展试验；传扭套筒15远离第一滚柱轴承6一端的外壁上设有螺纹、内壁上设有花键，用于对接推力测量测功器，获得被测涡轮转子的扭矩和轴向力；所述传扭套筒15依次穿过密封组件和压紧环11，其与密封组件对应部分的内筒壁上设有内花键，用于与待测涡轮转子的转轴28相配合，用于实现与被测涡轮转子间的传扭；调整垫组件包括多个不同厚度的调整垫18，调整垫18设置于传扭套筒15与第一滚柱轴承6的内圆外端面之间，传扭套筒15内端面通过调整垫18抵住第一滚柱轴承6内圆外端面，调整垫18用于调整传扭套筒15的轴向位置，保证涡轮架1上的定位螺栓17能够顺利插入传扭套筒15的环向凹槽中，确保定位螺栓17能够有效固定被测涡轮的转子。压紧螺母16将整个轴系轴向压紧，再由锁紧单元将压紧螺母16轴向锁紧。该装置的支承组件采用了涡轮转子的转轴28端部和传扭套筒15位于两个轴承之外的双悬臂支承方案；为了缩短结构空间尺寸，支承组件的两个支承均采用滚柱轴承，两个轴承不承受轴向力，被测涡轮转子的转轴28可沿轴向移动，涡轮轴向力通过放置在试验台上的推力测量测功器获得。
所述密封组件设置于所述第一轴向通孔内，包括密封座19、两个挡圈20和两个旋转轴唇式密封圈21；所述密封座19的边缘与涡轮架1固连，中心设有第三轴向通孔，第三轴向通孔的孔壁中央设有第一环向凸起，第一环向凸起的两侧对称设有两个凹槽，两个所述挡圈20分别设置于两个凹槽内；每个所述旋转轴唇式密封圈21设置于一个挡圈20与第一环向凸起的一个侧壁之间；第一环向凸起上均匀分布有4个所述径向通孔
Figure BDA0003148248900000051
该径向通孔与涡轮架1的进油孔连通，以便于从涡轮架1的注油嘴4补充润滑脂。
所述锁紧单元包括用于依次设置于待测涡轮转子的转轴28上的轴端螺母23、第二锁紧垫片24和第三轴套；所述第三轴套的内端面顶紧压紧螺母16。第二锁紧垫片24、轴端螺母23和第三轴套共同作用于压紧螺母16，用于锁紧轴系，防止试验过程中压紧螺母16由于震动松脱，轴端螺母23同时起保护待测涡轮转子的转轴28轴端螺纹的作用。
所述压紧螺母16与第二环向凸起之间的传扭套筒15内壁上、密封座19与涡轮架1之间、涡轮架1右端面上，均设有密封圈。密封座19与涡轮架1之间设置的密封圈，用于防止密封座19与涡轮架1之间发生泄漏，即有效阻止轴端发生泄漏。压紧螺母16与第二环向凸起之间的传扭套筒15内壁上设置的密封圈，用于阻止外界空气从转轴28上的间隙进入测试装置。所述第二轴套13的外壁上设有密封篦齿，该密封篦齿分为两部分，分别位于第二轴套13的两端，作为补充密封，进一步降低热介质进入下游，当然所述第二轴套13也可以拆分为左右两段的形式。两个旋转轴唇式密封圈21周围均填满润滑脂特221号油膏，所有螺纹和密封圈处均涂抹润滑脂特221号油膏，润滑脂特221号油膏用于提供润滑冷却功能。
所述涡轮架1中段外壁内凹，且内凹区域设有6个加强用肋板26，提升了涡轮架1的结构强度，以适应大功率燃气涡轮性能测试时的强度要求，肋板26上设有减重孔。
所有密封篦齿的齿高为2～3mm、锥角为15～30°、齿距为2～4mm、齿顶厚为0.4～0.6mm、齿数为7～10个、齿顶间隙为1～2mm。
所述进油孔为台阶形进油孔，其外孔孔径大于内孔孔径，所述注油嘴4设置于进油孔的外孔处，进油孔用于润滑油的注入，以便于冷却润滑密封组件，保证轴端密封的密封效果。
大功率燃气涡轮性能测试装置在装配时，所述转轴28上的各零件的轮毂端面需涂抹薄薄一层润滑脂特221号油膏。此外，所有螺纹、密封面和橡胶密封圈均需涂抹润滑脂特221号油膏。除锁紧垫片和滚柱轴承必须为新品外，其他零件在外观无明显缺陷的情况下均可重复使用。
该装置采用了多重密封方案，简化了密封结构，降低了成本，且在热空气朝向涡轮架1端的泄漏通道上设置多道密封篦齿。同时，为避免轴端密封与转轴28直接发生干摩擦，在涡轮架1上开设专门的进油孔，保证在测试过程中轴端密封能进行充分润滑，改善了采用旋转轴唇式密封圈21的唇式密封的工作环境，提高了旋转轴唇式密封圈21的工作寿命和工作可靠性。
本发明通过传扭套筒15对接推力测量测功器，还可在涡轮壳体2上介质入口处安装压力传感器、温度传感器和流量计，并利用转速传感器感应传扭套筒15的转速变化，获得涡轮转子的扭矩和轴向力特性、涡轮效率、流通面积、反力度随级速比和压比变化的关系曲线等相关参数，这些数据是进行涡轮系统参数平衡调整计算的必要条件。
利用该大功率燃气涡轮性能测试装置可开展吹风模拟试验，试验介质为热空气，转速为5000～15000r/min，入口温度为30～60℃，入口压力为0.4～1.0MPa，流量为0～10kg/s。
经大量涡轮吹风试验证明，该装置能够有效、准确地测量出涡轮性能，对于涡轮的研制设计具有重要意义，可在类似的涡轮产品中推广应用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：包括涡轮架(1)、支承组件、密封组件、传扭组件和调整垫组件；
所述涡轮架(1)的中部设有第一轴向通孔，其左右两端面上均沿轴向设有螺纹孔，分别用于连接试验台和待测涡轮的涡轮壳体(2)；涡轮架(1)上沿其径向设有进油孔，进油孔处设有注油嘴(4)；
所述支承组件包括轴承座(5)、第一滚柱轴承(6)、第二滚柱轴承(7)、密封环(8)、轴承压紧螺母(9)、第一锁紧垫片(10)、压紧环(11)，以及第一轴套(12)和第二轴套(13)；
所述轴承座(5)用于设置于涡轮壳体(2)内且与涡轮壳体(2)固连，其中部设有第二轴向通孔；所述第一滚柱轴承(6)和第二滚柱轴承(7)分别设置于第二轴向通孔的左右两端；所述密封环(8)设置于第二滚柱轴承(7)的外端；所述轴承压紧螺母(9)沿轴向压紧密封环(8)，其外圆壁上设有外螺纹，轴承座(5)右端内壁上设有与轴承压紧螺母(9)的外螺纹配合的内螺纹；所述第一锁紧垫片(10)设置于密封环(8)与轴承压紧螺母(9)之间；所述压紧环(11)设置于第一滚柱轴承(6)外端，其内圆上设有密封篦齿，其边缘与轴承座(5)固连，沿轴向压紧第一滚柱轴承(6)；所述第一轴套(12)设置于密封环(8)内圆内，其一端接触第二滚柱轴承(7)的内圆外端面；所述第二轴套(13)设置于第二轴向通孔内，其两端分别接触第一滚柱轴承(6)和第二滚柱轴承(7)的内圆内端面；
所述密封组件设置于所述第一轴向通孔内且与涡轮架(1)固连，其中心设有可供待测涡轮转子的转轴(28)穿过的通孔，其侧壁上设有与涡轮架(1)的进油孔相连通的径向通孔；
所述传扭组件包括传扭套筒(15)、压紧螺母(16)、锁紧单元和多个定位螺栓(17)；所述传扭套筒(15)内设有台阶通孔，台阶通孔的小孔径端靠近第一滚柱轴承(6)；所述压紧螺母(16)位于台阶通孔的台阶面处，其内圆壁设有密封篦齿；所述锁紧单元由压紧螺母(16)外端面将压紧螺母(16)轴向压紧于台阶面处；传扭套筒(15)靠近第一滚柱轴承(6)的外壁上设有第二环向凸起，第二环向凸起的外周面设有环向凹槽；多个所述定位螺栓(17)用于运输过程中穿过涡轮架(1)将螺栓端部抵住环向凹槽；传扭套筒(15)远离第一滚柱轴承(6)一端的外壁上设有螺纹、内壁上设有花键，用于对接推力测量测功器，获得待测涡轮转子的扭矩和轴向力；
所述传扭套筒(15)依次穿过密封组件和压紧环(11)，其与密封组件对应部分的内筒壁上设有内花键，用于与待测涡轮转子的转轴(28)相配合；
调整垫组件包括多个不同厚度的调整垫(18)，调整垫(18)设置于传扭套筒(15)与第一滚柱轴承(6)的内圆外端面之间，传扭套筒(15)内端面通过调整垫(18)抵住第一滚柱轴承(6)内圆外端面，调整垫(18)用于调整传扭套筒(15)的轴向位置。
2.根据权利要求1所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
所述密封组件设置于所述第一轴向通孔内，包括密封座(19)、两个挡圈(20)和两个旋转轴唇式密封圈(21)；
所述密封座(19)的边缘与涡轮架(1)固连，中心设有第三轴向通孔，第三轴向通孔的孔壁中央设有第一环向凸起，第一环向凸起的两侧对称设有两个凹槽，两个所述挡圈(20)分别设置于两个凹槽内；每个所述旋转轴唇式密封圈(21)设置于一个挡圈(20)与第一环向凸起的一个侧壁之间；
第一环向凸起上设有所述径向通孔，该径向通孔与涡轮架(1)的进油孔连通。
3.根据权利要求2所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
所述锁紧单元包括用于依次安装在待测涡轮转子的转轴(28)上的轴端螺母(23)、第二锁紧垫片(24)和第四轴套(25)；所述第四轴套(25)的内端面顶紧压紧螺母(16)。
4.根据权利要求3所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
所述压紧螺母(16)与第二环向凸起之间的传扭套筒(15)内壁上、密封座(19)与涡轮架(1)之间、涡轮架(1)右端面上，均设有密封圈。
5.根据权利要求4所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
所述第二轴套(13)的外壁的两端均设有密封篦齿。
6.根据权利要求5所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
两个旋转轴唇式密封圈(21)周围均填满润滑脂特221号油膏；
所有螺纹和密封圈处均涂抹润滑脂特221号油膏。
7.根据权利要求6所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
所述传扭套筒(15)上环向凹槽的槽宽为8～12mm，槽深为2～4mm。
8.根据权利要求7所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
所述涡轮架(1)中段外壁内凹，且内凹区域设有多个加强用肋板(26)，肋板(26)上设有减重孔。
9.根据权利要求1至8任一所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
所述密封篦齿的齿高为2～3mm、锥角为15～30°、齿距为2～4mm、齿顶厚为0.4～0.6mm、齿数为7～10个、齿顶间隙为1～2mm。
10.根据权利要求9所述的大功率燃气涡轮性能测试装置，其特征在于：
还包括安装于涡轮壳体(2)介质入口处的压力传感器、温度传感器和流量计，以及敏感端与传扭套筒(15)接触的转速传感器。
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