CN113932974B - 一种涡轮盘腔封严效率测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮盘腔封严效率测试方法及装置，该测试方法包括在涡轮导叶叶片上的待测样点处布置取样点一，在低半径处的封严气入口处的待测样点处布置取样点二，在主流通道中布置取样点三，同时将取样点一、取样点二、取样点三同构不同的管路及分支管路与气体分析仪连接，管路上设置控制阀，通过控制阀控制并测量各取样点的气体浓度，最终计算得到封严效率。所述装置包括多个取样点以及通过管路和控制阀连接气体分析仪组成的装置。本发明可以有效解决现有的测量方法中采样气排入大气后无法循环使用而导致高压气浪费的问题，并提出了一种封严效率非定常测量的方法。

Description

一种涡轮盘腔封严效率测试方法及装置

技术领域

本发明涉及叶轮机械盘腔封严领域，尤其涉及涡轮盘腔封严效率测试的技术领域。具体涉及一种涡轮盘腔封严效率测试方法及装置。

背景技术

涡轮广泛应用于燃气轮机、航空发动机和压缩空气储能系统等能源装备领域，由于转子和静子系的存在，为了防止二者发生碰撞摩擦，通常在转子轮盘和静子之间留有一定的空隙即为盘腔。考虑到涡轮主流一般为高压甚至高温气体，为防止涡轮主流入侵盘腔，常采用封严气和封严结构进行盘腔封严，从而减少主流气体泄漏提高涡轮效率，同时防止高温主流入侵盘腔造成轮盘热应力过高，但同时人们又不希望采用过多流量的封严气，因此盘腔的封严效率测量则至关重要，以在满足封严效果的前提下选取合适的封严流量。

目前的封严效率测量技术多采用浓度法，即在封严气中掺入特种气体如CO₂作为示踪气体，通过测量主流入口、封严流入口以及盘腔内某处的示踪气体的浓度，即可采用公式获取盘腔内该处的封严效率，通过实时监测即可及时判断动力装置长期运行过程中是否出现主流泄漏情况。然而上述方法存在以下两方面的问题：一方面，由于需要从主流和封严气中提取流量用于测量，因此当进行长期在线测量时会造成积累的高压气体浪费。另一方面，现有文献表明，当盘腔中封严效率较低时，会在封严处出现主流入侵，盘腔内部呈现非定常特征，即盘腔中相同半径处但不同周向位置处的封严效率在不同时刻也不尽相同，目前尚未有针对封严效率的非定常测量方法。

发明内容

本发明提出了一种涡轮盘腔封严效率测试方法及装置，以期用来解决现有的测量方法中采样气排入大气后无法循环使用而导致高压气浪费的问题，并提出了一种封严效率非定常测量的方法。

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种涡轮盘腔封严效率测试装置及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种涡轮盘腔封严效率测试装置及方法，方法包括：

步骤1，设置取样点：

1）在涡轮导叶叶盘上的待测样点处布置取样点一，取样点一处设置管路一与气体分析仪的进气口连接，管路一上设置控制阀三；

2）在低半径处的封严气入口处的待测样点处布置取样点二，取样点二处设置管路二与气体分析仪的出气口连接，管路二上设置控制阀二；

3）在主流通道中布置取样点三，取样点三处设置管路三与气体分析仪的进气口连接，管路三上设置控制阀一；管路三上设置支路管道一与管路二连接，支路管道一上设置有控制阀四；

4）管路二上设置支路管道二，支路管道二与主流通道连通，支路管道二上设置控制阀五，支路管道二出口为排气口；

步骤2，进行主流气（即取样点三）浓度测量：打开控制阀一与控制阀五，关闭其他控制阀，主流气的流动顺序为：取样点三，控制阀一，进气口，气体分析仪，出气口，控制阀五，排气口，测试得到主流气气体浓度，记为；

步骤3，进行封严气体（即取样点二）浓度测量：打开控制阀二、控制阀四和控制阀五，关闭其他控制阀，封严气的流动顺序为：取样点二，控制阀二，控制阀四，进气口，气体分析仪，出气口，控制阀五，排气口，测试得到封严气体浓度，记为；

步骤4，进行盘腔内（即取样点一）气体浓度测量：打开控制阀三和控制阀五，关闭其他控制阀，气体流动顺序为取样点一，控制阀三，进气口，气体分析仪，出气口，控制阀五，排气口，测试得到盘腔内气体浓度，记为；

可选地，将控制阀三、控制阀二打开，其它阀门关闭，此时由于取样点一处的静压高于取样点二，因此也可获得取样点一处的浓度，流动顺序为取样点一，控制阀三，进气口，气体分析仪，出气口，控制阀二，取样点二，取样气可以实现重复使用，避免高压气浪费；

步骤5，通过以下公式计算封严效率ε_c：

。

可选地，测量取样点一的气体浓度时，将控制阀三、控制阀二打开，其它阀门关闭，此时由于取样点一处的静压高于取样点二，因此也可获得取样点一处的浓度，流动顺序为取样点一，控制阀三，进气口，气体分析仪，出气口，控制阀二，取样点二，取样气可以实现重复使用，避免高压气浪费。

进一步地，采用以上所述的涡轮盘腔封严效率的检测方法用于检测涡轮盘腔瞬态封严效率，包括以下步骤：

步骤一，在待检测瞬态封严效率的待测点处设置一储气囊，所述储气囊通过支路管道三与取样点一处的管路一连接，所述支路管道三上设置有控制阀六，所述储气囊设置在涡轮导叶叶盘内部的一个腔体内，该腔体与主流通道连通；

步骤二，设置储气囊为排空状态，然后测量与待测点相同半径处的动态压力，获得压力随时间变化，通过频谱分析，获得主频对应的周期ΔT ；

步骤三，为获得t时刻的封严效率，从t时刻开始，将控制阀六打开Δt时间，捕获相应的时间段内的采样气体；

步骤四，再次每通过1个周期，将控制阀六打开Δt时间，通过n个周期后，捕获n*Δt个时段待内测点的气体；

步骤五，将气囊取出，接入气体分析仪入口即可获得t时刻的瞬时浓度。

以上方法中，储气囊设置于导叶叶盘内，位于待测点的取样点附近，与该取样点通过管路连接，用于储存某一时间段内从取样点处取出的气体，储气囊外部设置通道，通过导叶叶片和导叶与外界大气连通，因此储气囊外与大气压力相等，又由于储气囊无弹性变形，因此取样结束后的储气囊内压力与外界大气相同。导叶叶盘与动叶叶盘之间的间隙即为盘腔区域。红外气体分析仪用于测量待测气体中特种工质气体的体积浓度。

本发明又提供了一种用于检测涡轮盘腔封严效率的装置，包括气体分析仪，所述气体分析仪的进气口连接有第一分支管路和第三分支管路，所述第一分支管路的入口作为第一取样点，所述第三分支管路的入口作为第三取样点；所述第一分支管路上设置有第三控制阀，所述第三分支管路上设置有第一控制阀；所述气体分析仪的出气口设置有第二分支管路和第四分支管路，所述第二分支管路的入口作为第二取样点，第四分支管路的入口作为排气口；其中第二分支管路上设置有第二控制阀，第四分支管路上设置有第五控制阀；其中所述第二分支管路和第三分支管路之间通过第五分支管路连接，第五分支管路上设置有第四控制阀。

进一步地，所述的用于检测涡轮盘腔封严效率的装置，第一控制阀与进气口之间的第三分支管路和第二控制阀与出气口之间的第二分支管路之间通过所述第五分支管路连接。

本发明提供的用于检测涡轮盘腔封严效率的装置，气体分析仪可以采用红外气体分析仪，控制阀用于控制管路中气体的流通与截断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用流动式气体分析仪，相比非流动式气体分析仪可快速获得采样气浓度值，但考虑到流动式气体分析仪需要有压差存在，因此利用涡轮做功和盘腔流动特点，在取样点选取上进行综合考虑。利用径向两个不同位置处的取样点天然形成的静压差，可将高半径处的气体引至气体分析仪，进而可以省略掉泵的使用，同时取样气可以实现重复使用，避免高压气浪费。而且考虑到非定常不均匀封严效率测试的需求，采用储气囊实现当地气体的快速采集。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的涡轮盘腔封严效率的检测方法示意图；

图2为本发明实施例1中提供的盘腔内非定常封严效率随时间变化趋势图；

图3为本发明实施例2中提供的用于检测涡轮盘腔封严效率的装置示意图；

以上图3中，1为气体分析仪，11为第一分支管路，101为第一控制阀，1001为第一取样点，12为第二分支管路，102为第二控制阀，1002为第二取样点，13为第三分支管路，103为第三控制阀，1003为第三取样点，14为第四分支管路，104为第四控制阀，1004为排气口，15为第五分支管路，105为第五控制阀，2为导叶叶片。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。

实施例

本实施例提供了一种涡轮盘腔封严效率测试方法（参见图1），包括以下步骤：

步骤1，设置取样点：

1）在涡轮导叶叶片上的待测样点处布置取样点一，取样点一处设置管路一与气体分析仪的进气口连接，管路一上设置控制阀三；

2）在低半径处的封严气入口处的待测样点处布置取样点二，取样点二处设置管路二与气体分析仪的出气口连接，管路二上设置控制阀二；

3）在主流通道中布置取样点三，取样点三处设置管路三与气体分析仪的进气口连接，管路三上设置控制阀一；管路三上设置支路管道一与管道二连接，支路管道一上设置有控制阀四；

4）管路二上设置支路管道二，支路管道二与主流通道连通，支路管道二上设置控制阀五，支路管道二出口为排气口；

步骤2，进行主流气即取样点三浓度测量：打开控制阀一与控制阀五，关闭其他控制阀，测试得到主流气气体浓度，记为；

步骤3，进行封严气体即取样点二浓度测量：打开控制阀二、控制阀四和控制阀五，关闭其他控制阀，测试得到封严气体浓度，记为；

步骤4，进行盘腔内即取样点一气体浓度测量：打开控制阀三和控制阀五，关闭其他控制阀，测试得到盘腔内气体浓度，记为；

步骤5，通过以下公式计算封严效率ε_c：

。

可选地，在需要进行盘腔内不同位置处的封严效率瞬态测量时，首先在待测点下方布置相应的阀（控制阀六），并保证储气囊处于排空状态；然后进行与待测点相同半径处的动态压力测量，获得压力随时间的变化，通过频谱分析，获得主频对应的周期ΔT，该周期与封严浓度变化周期一致；其次为获得t时刻的封严效率，从t时刻开始，将相应的控制阀六打开Δt时间，即可捕获相应的时间段内的采样气体；再次每通过1个周期，即将控制阀六打开Δt时间，通过n个周期后，即可捕获n*Δt个时段待内测点的气体，从而保证采样气量足够；最后将气囊取出，接入气体分析仪入口即可获得t时刻的瞬时浓度，类似的可进行不同时刻的瞬时浓度测量。盘腔内非定常封严效率随时间变化趋势参见图2。

实施例

本实施例提供一种用于检测涡轮盘腔封严效率的装置，如图3所示，包括气体分析仪1，所述气体分析仪1的进气口连接有第一分支管路11和第三分支管路13，所述第一分支管路11的入口作为第一取样点1001，所述第三分支管路13的入口作为第三取样点1003；所述第一分支管路11上设置有第三控制阀103，所述第三分支管路13上设置有第一控制阀101；所述气体分析仪1的出气口设置有第二分支管路12和第四分支管路14，所述第二分支管路12的入口作为第二取样点1002，第四分支管路14的入口作为排气口1004；其中第二分支管路12上设置有第二控制阀102，第四分支管路14上设置有第五控制阀105；其中所述第二分支管路12和第三分支管路13之间通过第五分支管路15连接，第五分支管路15上设置有第四控制阀104。

以上用于检测涡轮盘腔封严效率的装置的检测方法（结合图3所示），包括以下步骤：

步骤1，将第三取样点1003和排气口1004均设置在主流通道中；

步骤2，将第一取样点1001设置在涡轮导叶叶盘的待测点，将第二取样点1002设置在低半径处的封严气入口的待测点；

步骤3，测量第三取样点1003的气体浓度：将第一控制阀101和第五控制阀105打开，其他控制阀关闭，测试得到第三取样点1003的气体浓度；

步骤4，测量第二取样点1002的气体浓度：打开第二控制阀102、第四控制阀104和第五控制阀105，其他控制阀关闭，测试得到第二取样点1002的气体浓度；

步骤5，测量第一取样点1001的气体浓度：打开第三控制阀103和第五控制阀105，其他控制阀关闭，测试得到第一取样点1001的气体浓度；

步骤6，通过以下公式计算得到封严效率ε_c：

，

其中，表示第一取样点1001的浓度；/>表示第三取样点1003的浓度；/>表示第二取样点1002的浓度。

Claims (2)

1.一种涡轮盘腔瞬态封严效率的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设置取样点：

1）在涡轮导叶叶盘上的待测样点处布置取样点一，取样点一处设置管路一与气体分析仪的进气口连接，管路一上设置控制阀三；

2）在低半径处的封严气入口处的待测样点处布置取样点二，取样点二处设置管路二与气体分析仪的出气口连接，管路二上设置控制阀二；

3）在主流通道中布置取样点三，取样点三处设置管路三与气体分析仪的进气口连接，管路三上设置控制阀一；管路三上设置支路管道一与管路二连接，支路管道一上设置有控制阀四；

4）管路二上设置支路管道二，支路管道二与主流通道连通，支路管道二上设置控制阀五，支路管道二出口为排气口；

步骤2，进行主流气浓度测量：打开控制阀一与控制阀五，关闭其他控制阀，测试得到主流气气体浓度，记为；

步骤3，进行封严气体浓度测量：打开控制阀二、控制阀四和控制阀五，关闭其他控制阀，测试得到封严气体浓度，记为；

步骤4，在待检测瞬态封严效率的待测点处设置一储气囊，所述储气囊通过支路管道三与取样点一处的管路一连接，所述支路管道三上设置有控制阀六，所述储气囊设置在涡轮导叶叶盘内部的一个腔体内，该腔体与主流通道连通；设置储气囊为排空状态，然后测量与待测点相同半径处的动态压力，获得压力随时间变化，通过频谱分析，获得主频对应的周期ΔT ；为获得t时刻的封严效率，从t时刻开始，将控制阀六打开Δt时间，捕获相应的时间段内的采样气体；再次每通过1个周期，将控制阀六打开Δt时间，通过n个周期后，捕获n*Δt个时段待内测点的气体；将气囊取出，接入气体分析仪入口即可获得t时刻的瞬时浓度，记为；

步骤5，通过以下公式计算封严效率ε_c：

。

2.一种用于检测涡轮盘腔瞬态封严效率的装置，其特征在于，包括气体分析仪（1），所述气体分析仪（1）的进气口连接有第一分支管路（11）和第三分支管路（13），所述第一分支管路（11）的入口作为第一取样点（1001），所述第三分支管路（13）的入口作为第三取样点（1003）；所述第一分支管路（11）上设置有第三控制阀（103），所述第三分支管路（13）上设置有第一控制阀（101）；所述气体分析仪（1）的出气口设置有第二分支管路（12）和第四分支管路（14），所述第二分支管路（12）的入口作为第二取样点（1002），第四分支管路（14）的入口作为排气口（1004）；其中第二分支管路（12）上设置有第二控制阀（102），第四分支管路（14）上设置有第五控制阀（105）；其中所述第二分支管路（12）和第三分支管路（13）之间通过第五分支管路（15）连接，第五分支管路（15）上设置有第四控制阀（104）；

在待检测瞬态封严效率的待测点处设置一储气囊，所述储气囊通过支路管道三与取样点一处的管路一连接，所述支路管道三上设置有控制阀六，所述储气囊设置在涡轮导叶叶盘内部的一个腔体内，该腔体与主流通道连通。