CN114323613A - 一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于叶轮机械技术领域，公开了一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台及试验方法，包括压气机进气系统、压气机和涡轮系统、燃气发生系统、压气机排气系统和涡轮排气系统；其中，压气机和涡轮系统包括可拆卸式轴连的压气机和涡轮，压气机进气系统连接并给压气机供气，燃气发生系统连接并给涡轮提供动力；压气机和涡轮系统的后端分别连接压气机排气系统和涡轮排气系统处理排气。本发明提供了一种能够用于微小型压气机和涡轮综合性能的试验台，一种设备具有两种用途，精简了设备，压缩了成本，提高了试验台重要性能参数与真实工况的接近度，使试验台适用于性能参数更宽广范围内的压气机、涡轮试验。

Description

一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台及试验方法

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，涉及压气机、涡轮的试验台，具体涉及一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台及试验方法。

背景技术

微小型压气机、涡轮作为发动机起动装置、应急动力装置、辅助动力装置、组合动力装置等第二动力装置和航空微小型燃气涡轮发动机的核心部件，其关键技术水平的发展将直接决定第二动力装置和航空微小型燃气涡轮发动机技术领域的进步。而微小型压气机、涡轮关键技术的发展离不开相关试验技术的支撑，没有充分的试验就不可能研制出高性能、高可靠性的微小型压气机、涡轮，也就不可能研制出高性能、高可靠性的第二动力装置和航空微小型燃气涡轮发动机。

现有微小型压气机、涡轮性能试验台大多建设为压气机和涡轮两个单独的性能试验台，且适用的压气机或涡轮范围较小，试验台庞大冗杂、成本高昂；受制于现有技术或经费限制，现有微小型压气机、涡轮性能试验台在一些重要性能参数上会做一定的妥协，导致压气机或涡轮试验与真实工况有较大程度的偏离。因此，建设一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，将压气机、涡轮两个试验台综合为一个试验台，精简设备、压缩成本，提高试验台重要性能参数与真实工况的接近度，使试验台适用于性能参数更宽广范围内的压气机、涡轮试验，对微小型压气机、涡轮技术发展意义重大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台及试验方法，将压气机、涡轮两个试验台综合为一个试验台，精简设备、压缩成本，提高试验台重要性能参数与真实工况的接近度，使试验台适用于性能参数更宽广范围内的压气机、涡轮试验，同时提供了该试验台分别用于压气机、涡轮性能试验的方法，便于得到相关性能参数和曲线。

本发明的技术方案如下：

一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，包括压气机进气系统、压气机和涡轮系统、燃气发生系统、压气机排气系统和涡轮排气系统；其中，压气机和涡轮系统包括可拆卸式轴连的压气机和涡轮，压气机进气系统连接并给压气机供气，燃气发生系统连接并给涡轮提供动力；压气机和涡轮系统的后端分别连接压气机排气系统和涡轮排气系统处理排气。

进一步的，压气机进气系统包括进气过滤器、流量计、调节阀、闸阀和压气机进气测量系统；气流通过进气过滤器进入压气机进气系统，随后分为两路，一路通过流量计和调节阀连接压气机进气测量系统，另一路通过闸阀直接连接压气机进气测量系统；压气机进气测量系统后端连接压气机。

进一步的，压气机和涡轮系统还包括空气轴承和轴承供气装置，压气机通过空气轴承可拆卸地连接涡轮，轴承供气装置连接空气轴承并供气。

进一步的，有多种涡轮备用，根据试验的目的，涡轮包括多种与被测压气机匹配的不同功率级别、不同转向的涡轮，涡轮还包括被试涡轮。

进一步的，空气轴承上装有齿盘和电涡流转速传感器。用于测量被试压气机转速，其他传感器如振动加速度传感器、压力传感器和温度传感器用于监视空气轴承的工作状态和被试压气机的近喘状态。

一种微小型压气机、涡轮综合性能试验方法，使用上述的试验台，包括压气机试验方法和涡轮试验方法；压气机试验时，涡轮为驱动涡轮，驱动涡轮和被试压气机、空气轴承、轴承供气装置组成压气机和涡轮系统，驱动涡轮有多个不同功率级别、不同转向的涡轮，用于驱动不同功率级别、不同转向的被试压气机；涡轮试验时，涡轮为被试涡轮，被试涡轮的传动轴与电力测功机系统相连，组成压气机和涡轮系统。

进一步的，压气机试验方法具体为：

涡轮、空气轴承和压气机同轴安装，燃气发生器产生高温高压的燃气或电加热器产生的热气驱动涡轮，涡轮再驱动压气机运转。压气机通过其进气系统从环境抽气并进行压缩，最后将压缩空气通过压气机排气系统排入总排气道；调节压气机的工作状态点，测量某一个压气机工作状态点的转速、进出口的温度、压力以及流过压气机的流量来计算压气机性能参数；试验中保持选定的相似换算转速不变，在压气机的喘振点和堵塞点之间合理选择一定数量的不同压比和流量的工作状态点，测量这些状态点的性能参数；在压比—流量图上连接这些点就形成一条等转速压气机特性线，在压比—流量图上连接不同相似换算转速的喘振点就形成一条压气机稳定工作边界线,在在压比—流量图上连接效率相同的拟合点，形成等效率线。

进一步的，涡轮试验的具体方法是：

压气机不安装，相关管路连接断开，涡轮为被试涡轮；根据涡轮工作温度切换选择燃气发生系统，燃气推动涡轮旋转，涡轮的转动通过传动轴带动电力测功机系统转动，通过电力测功机系统施加不同大小的扭矩来改变涡轮的工作状态；首先拟定涡轮的转速范围并选定多个涡轮试验转速，进而确定每个涡轮转速的落压比试验范围和试验点；试验中保持选定的相似换算转速不变，开大调节阀开度，增加涡轮的进口流量，到达设定压比试验点并保持工作状态稳定的情况下，测量涡轮进出口压力和温度参数，计算出涡轮的落压比、相似换算流量、涡轮的效率和功率等参数；试验中保持选定的相似换算转速不变，关小调节阀开度，减小涡轮的进口流量，到达设定压比试验点并保持工作状态稳定的情况下，测量涡轮进出口压力和温度参数，计算出涡轮的落压比、相似换算流量、涡轮的效率和功率等参数；在压比—流量图上，连接等相似换算转速下测得试验点流量参数就形成一条等转速涡轮特性线。

本发明的优点是：

1、本发明提供了一种能够用于微小型压气机和涡轮综合性能的试验台，一种设备具有两种用途，精简了设备，压缩了成本。

2、本发明提高了试验台重要性能参数与真实工况的接近度，使试验台适用于性能参数更宽广范围内的压气机、涡轮试验。

3、使用本发明的方法，可以有效开展压气机与涡轮的试验，并且均能通过一个试验完成两个试验内容。

附图说明

图1是本发明的系统总体示意图；

其中，1-压气机进气系统，2-压气机和涡轮系统，3-燃气发生系统，4-压气机排气系统，5-涡轮排气系统，11-进气过滤器，12-流量计，13-调节阀，14-闸阀，15-压气机进气测量系统，21-压气机，22-空气轴承，23-轴承供气装置，24-涡轮，25-电力测功机系统，31-气源，32-气源阀门，33-过滤器，34-流量计，35-调节阀，36-闸阀，37-第一阀门，38-燃烧器，39-第二阀门，310-涡轮进气测量系统，311-燃油供给系统，312-第三阀门，313-电加热器，314-第四阀门，41-压气机排气测量系统，42-调节阀，43-快速退喘阀，44-闸阀，51-涡轮排气测量系统，52-排气冷却器，53-总排气道。

具体实施方式

本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。

一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，主要包括压气机进气系统1、压气机和涡轮系统2、燃气发生系统3、压气机排气系统4、涡轮排气系统5等。

压气机进气系统1主要包括进气过滤器11、流量计12、调节阀13、闸阀14、压气机进气测量系统15等。压气机进气系统主要功能是将环境空气进行过滤，并调节至被试压气机要求的进气压力，测量被试压气机的进气流量、温度和压力等热力参数。压气机进气管路上装有流量计和调节阀，被试压气机的进气压力可以通过调节阀在一定范围内调节。另外还有一个小管径的支路用于将来扩展压气机进气的最低流量范围，该管路可用闸阀封闭。被试压气机的进口附近设有压气机进气测量系统，用于测量温度和压力参数。

压气机和涡轮系统2分为两套系统。进行压气机性能试验时，涡轮24为驱动涡轮，驱动涡轮和被试压气机21、空气轴承22、轴承供气装置23等组成压气机和涡轮系统，驱动涡轮有多个不同功率级别、不同转向的涡轮，用于驱动不同功率级别、不同转向的被试压气机，使得试验台能适用于性能参数更宽广范围内的压气机试验；进行涡轮性能试验时，涡轮24为被试涡轮，被试涡轮的传动轴与电力测功机系统25相连，组成压气机和涡轮系统，电力测功机系统包括电机、减速齿轮箱、扭矩测量仪、连接轴、水冷机等。

被试压气机包括压气机叶轮、径向轴向扩压器和传动轴，为保证试验还需要轴向连接段、集气箱和相关的附属装置。在压气机和径向轴向扩压器前罩壳上布置静压测量点，测量沿程静压，用于级间压比计算。轴向连接段用于平顺气流并测量压气机排气的总压和总温。集气箱用于收集压气机的轴向排气并跨过传动轴转换成径向气流，便于连接压气机排气系统。

采用空气轴承，可以用一套轴承系统来适应0～80000rpm甚至更高转速的被试压气机，而且轴承的附属装备只要一套气源过滤、减压稳压的轴承供气装置就可以保证轴承的可靠工作。空气轴承高转速时功率损失较大的缺点也可通过采用较大功率的涡轮满足其驱动要求(因高转速压气机的功率较小，故较大功率的驱动涡轮方便选择)。相较于采用油润滑轴承，为适应宽范围内的传递功率，一般需要数套功率级别的轴承，还需配备滑油的恒温恒压循环系统，这将大大增加试验台的复杂性和建设成本。

另外，当前测扭装置产品不能同时满足大功率和高转速的要求，要满足宽适应范围压气机试验件的要求，至少需要大功率中转速和高转速小功率两套测扭装置产品，价格非常昂贵，通过取消测扭装置，采用焓差法(通过测量压气机进出口的温度和压力，计算压气机耗功)来测量压气机功率，一方面可得到满足要求的压气机功率，另一方面进一步降低了试验台的复杂性和建设成本。

空气轴承上装有齿盘和两只电涡流转速传感器，用于测量被试压气机转速，其他传感器如振动加速度传感器、压力传感器和温度传感器用于监视空气轴承的工作状态和被试压气机的近喘状态，保证设备运行安全。

燃气发生系统3主要包括气源31、阀门32、过滤器33、流量计34、调节阀35、闸阀36、第一阀门37、燃烧器38、第二阀门39、涡轮进气测量系统310、燃油供给系统311、第三阀门312、电加热器313、第四阀门314等。燃气发生系统可提供0～900℃甚至更宽广温度范围内驱动涡轮的高温高压燃气，这大大提高了试验台燃气温度、压力等重要性能参数与真实工况的接近度，使涡轮试验结果更具可信度和参考意义。涡轮进气测量系统主要用于测量涡轮进气总温和静压。

燃气发生系统通过阀门的关闭、打开可进行两套燃气发生系统的切换。第一阀门37、第二阀门39关闭，第三阀门312、第四阀门314打开，驱动涡轮的为经电加热器产生的0～400℃左右的热气。从气源来的压缩空气经过过滤、流量测量和流量调节后进入电加热器，电加热器根据设定的热气温度和流量需求，调节电加热功率，得到出口温度0～400℃、压力0～1.0MPa的热气，电加热器出口温度波动不高于1℃。第一阀门37、第二阀门39打开，第三阀门312、第四阀门314关闭，驱动涡轮的为经燃烧器产生的400～900℃左右的高温高压燃气，从气源来的压缩空气经过过滤、流量测量和流量调节后进入燃烧器，燃烧器根据设定的燃气温度需求和进入燃烧器的压缩空气流量，调节燃油供给，使燃油在燃烧器中稳定燃烧，通过调节助燃空气和掺混空气的比例来调节燃气出口温度，在一定空气流量变化范围内，燃烧器具有产生温度400℃～900℃、压力0～1.0MPa的燃气的能力，并且可以在空气流量变化时保持设定的燃气温度基本不变，在流量调节过程中燃气温度波动小于40℃，在试验状态稳定阶段燃气温度波动小于10℃。

压气机排气系统4主要包括压气机排气测量系统41，调节阀42，快速退喘阀43，闸阀44等。压气机排气系统主要功能是调节被试压气机的排气压力，测量被试压气机出口截面热力参数，最后将被试压气机排气排入总排气道。被试压气机的出口首先连接参数测量管段来测量其出口的温度、压力参数。在参数测量段后面分为三路带调节阀的管路，用于被试压气机的出口压力调节。第一路管径为大管径，安装有调节阀，用于压气机规定流量范围内的试验工况；第二路管径为小管径，安装有快速退喘阀，用于快速退喘，即在被试压气机发生喘振时该路阀门快速开启，增加压气机流量，降低压气机压比，使试验设备退出危险状态；第三路的管径为小管径，可用闸阀封闭，用于扩展压气机小流量范围的试验工况。

涡轮排气系统5主要包括涡轮排气测量系统51，排气冷却器52，总排气道53等。涡轮排气测量系统主要测量涡轮排气总温和静压，连接总排气道和涡轮排气测量系统的管路上装有水喷雾冷却的排气冷却器。

压气机试验方法：

进行压气机试验时，涡轮、空气轴承和压气机同轴安装，燃气发生器产生高温高压的燃气或电加热器产生的热气驱动涡轮，涡轮再驱动压气机运转。压气机通过其进气系统从环境抽气并进行压缩，最后将压缩空气通过压气机排气系统排入总排气道。

压气机的进气压力、排气压力和流量可以通过其进气系统和排气系统上安装的调节阀来进行调节，也就是调节压气机的工作状态点。通过测量某一个压气机工作状态点的转速、进出口的温度、压力以及流过压气机的流量来计算压气机性能参数。试验中保持相似换算转速不变，不断调节压气机的出口压力，当压气机的背压波动等于2％时，认为其工作在近喘状态，也就是处于稳定工作边界线上，记录为该工作状态点为压气机的喘振点。试验中保持选定的相似换算转速不变，不断调节压气机的出口压力，当压气机的绝热效率等于50％时，认为其工作在堵塞状态，记录为该工作状态点为压气机的堵塞点。试验中保持选定的相似换算转速不变，在压气机的喘振点和堵塞点之间合理选择一定数量的不同压比和流量的工作状态点，测量这些状态点的性能参数。在压比—流量图上连接这些点就形成一条等转速压气机特性线。在压比—流量图上连接不同相似换算转速的喘振点就形成一条压气机稳定工作边界线。在在压比—流量图上连接效率相同的拟合点，形成等效率线。这样可以完成压气机性能试验的两项试验内容：

a)录取各相似换算转速时压气机的总性能参数，绘制压气机特性线；

b)录取各相似换算转速上喘振(或失速)点的流量和总压增压比，绘制压气机稳定工作边界线；

试验中，在压气机外罩壳上测量一定数量的压气机和扩压器的沿程静压分布(最多6点)，可以完成一项试验内容：

c)录取不同换算转速时壁面静压沿流程分布随流量变化的曲线，并求得各级静压增压比。

涡轮试验方法：

进行涡轮性能试验时，压气机不安装，相关管路连接断开，涡轮为被试涡轮。根据涡轮工作温度切换选择燃气发生系统。热气/高温高压燃气从蜗壳进入形成周向均匀的气流，推动涡轮旋转，涡轮的转动通过传动轴带动电力测功机系统转动，通过电力测功机系统施加不同大小的扭矩来改变涡轮的工作状态。热气/高温高压燃气推动涡轮做功后从蜗壳出口流出，最后通过排气管路排至试验室外。

涡轮试验一般都是在等转速下的情况下进行的，因此在涡轮工作状态改变时，需要调节电加热器/燃烧器前的阀门来调节涡轮进口的压力和流量来维持涡轮转速。试验前首先拟定涡轮的转速范围并选定多个涡轮试验转速，进而确定每个涡轮转速的落压比试验范围和试验点。试验中保持选定的相似换算转速不变，开大调节阀开度，增加涡轮的进口流量，到达设定压比试验点并保持工作状态稳定的情况下，测量涡轮进出口压力和温度参数，计算出涡轮的落压比、相似换算流量、涡轮的效率和功率等参数，当开大阀门开度，而涡轮的流量不变时，进入涡轮流动自相似流动工况。试验中保持选定的相似换算转速不变，关小调节阀开度，减小涡轮的进口流量，到达设定压比试验点并保持工作状态稳定的情况下，测量涡轮进出口压力和温度参数，计算出涡轮的落压比、相似换算流量、涡轮的效率和功率等参数。在压比—流量图上，连接等相似换算转速下测得试验点流量参数就形成一条等转速涡轮特性线。将多条等转速流量特性线绘制在一张图上，形成涡轮流量压比特性图。在在压比—效率图上，连接等相似转速下测得的试验点效率参数，形成一条等转速涡轮效率特性线。将多条等转速效率特性线绘制在一张图上，形成涡轮效率压比特性图。这样可以完成涡轮性能试验的两个试验内容：

a)功率特性测试：测量不同工况下涡轮的功率与转速、膨胀比之间的关系；

b)效率特性测试：测控不同工况下涡轮的效率与转速、膨胀比之间的关系。

Claims (8)

1.一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，其特征在于，包括压气机进气系统(1)、压气机和涡轮系统(2)、燃气发生系统(3)、压气机排气系统(4)和涡轮排气系统(5)；其中，压气机和涡轮系统(2)包括可拆卸式轴连的压气机(21)和涡轮(24)，压气机进气系统(1)连接并给压气机(21)供气，燃气发生系统(3)连接并给涡轮(24)提供动力；压气机和涡轮系统(2)的后端分别连接压气机排气系统(4)和涡轮排气系统(5)处理排气。

2.根据权利要求1所述的一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，其特征在于，压气机进气系统(1)包括进气过滤器(11)、流量计(12)、调节阀(13)、闸阀(14)和压气机进气测量系统(15)；气流通过进气过滤器(11)进入压气机进气系统(1)，随后分为两路，一路通过流量计(12)和调节阀(13)连接压气机进气测量系统(15)，另一路通过闸阀(14)直接连接压气机进气测量系统(15)；压气机进气测量系统(15)后端连接压气机(21)。

3.根据权利要求1所述的一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，其特征在于，压气机和涡轮系统(2)还包括空气轴承(22)和轴承供气装置(23)，压气机(21)通过空气轴承(22)可拆卸地连接涡轮(24)，轴承供气装置(23)连接空气轴承(22)并供气。

4.根据权利要求3所述的一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，其特征在于，有多种涡轮(24)备用，根据试验的目的，涡轮(24)包括多种与被测压气机(21)匹配的不同功率级别、不同转向的涡轮，涡轮(24)还包括被试涡轮。

5.根据权利要求4所述的一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，其特征在于，空气轴承(22)上装有齿盘和电涡流转速传感器。用于测量被试压气机转速，其他传感器如振动加速度传感器、压力传感器和温度传感器用于监视空气轴承的工作状态和被试压气机的近喘状态。

6.一种微小型压气机、涡轮综合性能试验方法，使用如权力要其1至5所述的任意一种微小型压气机、涡轮综合性能试验台，其特征在于，包括压气机试验方法和涡轮试验方法；压气机试验时，涡轮为驱动涡轮，驱动涡轮和被试压气机、空气轴承、轴承供气装置组成压气机和涡轮系统，驱动涡轮有多个不同功率级别、不同转向的涡轮，用于驱动不同功率级别、不同转向的被试压气机；涡轮试验时，涡轮为被试涡轮，被试涡轮的传动轴与电力测功机系统相连，组成压气机和涡轮系统。

7.根据权利要求6所述的一种微小型压气机、涡轮综合性能试验方法，其特征在于，压气机试验方法具体为：

涡轮、空气轴承和压气机同轴安装，燃气发生器产生高温高压的燃气或电加热器产生的热气驱动涡轮，涡轮再驱动压气机运转。压气机通过其进气系统从环境抽气并进行压缩，最后将压缩空气通过压气机排气系统排入总排气道；调节压气机的工作状态点，测量某一个压气机工作状态点的转速、进出口的温度、压力以及流过压气机的流量来计算压气机性能参数；试验中保持选定的相似换算转速不变，在压气机的喘振点和堵塞点之间合理选择一定数量的不同压比和流量的工作状态点，测量这些状态点的性能参数；在压比—流量图上连接这些点就形成一条等转速压气机特性线，在压比—流量图上连接不同相似换算转速的喘振点就形成一条压气机稳定工作边界线,在在压比—流量图上连接效率相同的拟合点，形成等效率线。

8.根据权利要求6所述的一种微小型压气机、涡轮综合性能试验方法，其特征在于，涡轮试验的具体方法是：

压气机不安装，相关管路连接断开，涡轮为被试涡轮；根据涡轮工作温度切换选择燃气发生系统，燃气推动涡轮旋转，涡轮的转动通过传动轴带动电力测功机系统转动，通过电力测功机系统施加不同大小的扭矩来改变涡轮的工作状态；首先拟定涡轮的转速范围并选定多个涡轮试验转速，进而确定每个涡轮转速的落压比试验范围和试验点；试验中保持选定的相似换算转速不变，开大调节阀开度，增加涡轮的进口流量，到达设定压比试验点并保持工作状态稳定的情况下，测量涡轮进出口压力和温度参数，计算出涡轮的落压比、相似换算流量、涡轮的效率和功率等参数；试验中保持选定的相似换算转速不变，关小调节阀开度，减小涡轮的进口流量，到达设定压比试验点并保持工作状态稳定的情况下，测量涡轮进出口压力和温度参数，计算出涡轮的落压比、相似换算流量、涡轮的效率和功率等参数；在压比—流量图上，连接等相似换算转速下测得试验点流量参数就形成一条等转速涡轮特性线。

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