CN115574348A - 燃气喷淋系统、热冲击疲劳试验器及燃气喷淋降温方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气喷淋系统，属于涡轮叶片热冲击疲劳试验领域，包括连接壳体和雾化喷嘴，雾化喷嘴包括喷嘴本体和冷却水腔体，喷嘴本体包括冷却水通道、喷淋水通道和冷却水出水口，冷却水腔体连通冷却水通道和冷却水出口，冷却水出口连通连接壳体。一种热冲击疲劳试验器，包括燃气喷淋系统和供水系统，其中供水系统包括冷却水泵和喷淋水泵，分别为燃气喷淋系统输出冷却水和喷淋水。一种热冲击疲劳试验的燃气喷淋降温方法，在试验进行过程中对雾化喷嘴进行冷却。本发明降低了燃气喷淋系统中雾化喷嘴承受的热冲击与热应力，延长了热冲击疲劳试验器的使用寿命，降低了热冲击疲劳试验的试验成本，提高了试验可靠性。

Description

燃气喷淋系统、热冲击疲劳试验器及燃气喷淋降温方法

技术领域

本发明属于涡轮叶片热冲击疲劳试验领域，特别是涡轮叶片热冲击疲劳试验的燃气喷淋系统、热冲击疲劳试验器及热冲击疲劳试验器的燃气喷淋降温方法。

背景技术

涡轮叶片热冲击疲劳试验需要试验器能够提供温度快速切换的气体工质。热冲击试验时，大流量气体工质可在5s-10s内降温超过1000℃。

目前常规的方法是在试验器的燃烧室与试验段之间设置燃气喷淋系统，将雾化水喷入燃气流道，利用水的气化吸热过程快速降低气体的温度。由于燃气流道内工质气体温度很高，现有技术还会在燃气喷淋系统中采用夹层水套对试验装置进行降温。试验过程中，夹层水套在一定程度上起到对燃气流道的降温保护作用，但喷嘴的部分结构仍然会直接暴露在气体流道内的高温燃气中。

在高温试验状态下，雾化喷嘴暴露在高温燃气中的部分接近金属的许用温度极限，而与冷却水接触的部分则接近水温，雾化喷嘴的金属结构承受了很大的热应力。同时，雾化喷嘴暴露在气体流道内的部分随着试验温度载荷频谱变化而承受剧烈的热冲击。这些因素导致常规的喷淋降温装置寿命较短无法重复使用，甚至在一组试验完成前喷淋降温装置已经因热冲击而失效，导致试验结果无效。另一方面，冷却水回路与喷淋水回路所需的水压并不相同，而现有文献公开的实施方法中，冷却与喷淋回路的供水压力并没有加以区别，这对相关的水泵、阀组与密封件产生了不利的影响。

以上内容的记载仅仅是为了便于理解后述发明内容，而不是表明其一定属于现有技术。

发明内容

为解决现有技术中涡轮叶片热冲击疲劳试验燃气喷淋系统使用寿命短可靠性不足的问题，本发明提供了一种燃气喷淋系统，一种热冲击疲劳试验器和一种热冲击疲劳试验的燃气喷淋降温方法。

针对以上目的，本发明采取如下的技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种燃气喷淋系统，包括连接壳体和雾化喷嘴。其中，所述连接壳体包括冷却水夹套、夹套进水口和夹套出水口，所述冷却水夹套包括外套和内套，所述外套和所述内套之间充满冷却水，所述内套的内表面围成燃气流道，所述雾化喷嘴用于向所述燃气流道内喷淋雾化水。所述雾化喷嘴包括喷嘴本体，一个冷却水腔体与所述喷嘴本体连接；所述喷嘴本体至少部分嵌置于所述冷却水夹套的所述外套和所述内套之间的容腔内，包括冷却水通道、喷淋水通道、冷却水出水口；所述冷却水腔体至少部分置于所述燃气流道内，所述冷却水腔体内置喷淋管，所述喷淋管的外端与所述喷淋水通道接通，内端设置喷口，用于向所述燃气流道内喷入雾化水进行冷却；所述冷却水腔体与所述冷却水通道接通，并与所述冷却水出水口连通，所述冷却水出水口与所述容腔连通，冷却水自所述冷却水通道流入，流经腔体自所述冷却水出水口排入所述冷却水夹套的所述容腔，以实现对所述雾化喷嘴在所述燃气流道内的部分进行冷却降温。

根据本发明的其中一个实施方式，所述燃气喷淋系统还包括集水环。所述集水环安装在连接壳体上，包括冷却水集水环和喷淋水集水环；多个所述的雾化喷嘴呈环状布置在所述冷却水集水环与所述喷淋水集水环之间。所述冷却水集水环连通所述雾化喷嘴的所述冷却水通道，冷却水经过所述冷却水集水环流入各所述雾化喷嘴；所述喷淋水集水环连通所述雾化喷嘴的所述喷淋水通道，喷淋水经过所述喷淋水集水环流入各所述雾化喷嘴。

根据本发明的另一个实施方式，所述燃气喷淋系统还包括多个热电偶。所述热电偶安装在所述连接壳体的所述燃气流道内表面和所述雾化喷嘴的所述冷却水腔体位于所述燃气流道内的部分。所述热电偶能够采集所述燃气流道内表面和所述雾化喷嘴位于燃气流道内的部分的温度信息。

根据本发明的另一方面，提供一种热冲击疲劳试验器。所述热冲击疲劳试验器包括供水系统和燃气喷淋系统。其中，所述燃气喷淋系统包括连接壳体和雾化喷嘴。其中，所述连接壳体包括冷却水夹套、夹套进水口和夹套出水口，所述冷却水夹套包括外套和内套，所述外筒和所述内套之间充满冷却水，所述内套的内表面围成燃气流道，所述雾化喷嘴用于向所述燃气流道内喷淋雾化水。所述雾化喷嘴包括喷嘴本体，一个冷却水腔体与所述喷嘴本体连接；所述喷嘴本体至少部分嵌置于所述冷却水夹套的所述外套和所述内套之间，包括冷却水通道、喷淋水通道、冷却水出水口；所述冷却水腔体内置喷淋管，所述喷淋管的外端与所述喷淋水通道接通，内端设置喷口，用于向所述燃气流道内喷入雾化水进行冷却；所述冷却水腔体与所述冷却水通道接通，并与所述冷却水出水口连通，冷却水自所述冷却水通道流入，流经腔体自所述冷却水出水口排入所述冷却水夹套，以实现对所述雾化喷嘴在所述燃气流道内的部分进行冷却降温。

所述供水系统包括水泵和阀组。其中所述水泵包括冷却水泵和喷淋水泵，所述冷却水泵向所述燃气喷淋系统的所述冷却水夹套和所述雾化喷嘴输送冷却水，所述喷淋水泵向所述燃气喷淋系统的所述雾化喷嘴输送喷淋水；所述阀组包括喷嘴冷却水阀组、夹套阀组和喷嘴喷淋水阀组，通过调节所述阀组的开度，控制对应的所述雾化喷嘴冷却水、夹套冷却水和雾化喷嘴喷淋水的供水参数。

根据本发明的一个实施方式，所述热冲击疲劳试验器的所述供水系统的所述冷却水泵和所述喷淋水泵配置为并联结构，以不同的水压进行供水。通常，所述连接壳体和所述雾化喷嘴的冷却水所需水压较低，所述雾化喷嘴的喷淋水所需水压较高。在这一实施例中，能够为冷却水管路和喷淋水管路根据供水压力配置相匹配的阀组和密封件。

根据本发明的另一个实施方式，所述热冲击疲劳试验器的所述燃气喷淋系统还包括热电偶，所述热电偶安装在所述连接壳体的所述燃气流道内表面和所述雾化喷嘴位于所述燃气流道内的部分，所述热电偶能够采集所述燃气流道内表面和所述雾化喷嘴位于燃气流道内的部分的温度信息；所述供水系统还包括控制装置，所述控制装置与所述热电偶信号连接，能够采集热电偶输出的温度信息，根据预设的热电偶目标温度范围，所述控制装置能够控制阀组的开度，根据不同的热冲击频谱调节燃气喷淋系统的冷却与降温效果，降低所述雾化喷嘴承受的热冲击。

根据本发明的另一方面，提供一种热冲击疲劳试验的燃气喷淋降温方法，具体包括使用热冲击疲劳试验器，所述热冲击疲劳试验器包括供水系统和燃气喷淋系统，所述供水系统为所述燃气喷淋系统供水，所述燃气喷淋系统包括连接壳体和雾化喷嘴，所述连接壳体包括燃气流道，所述雾化喷嘴将雾化的喷淋水喷入所述燃气流道内，利用水的气化吸热过程降低流道内气体的温度。其中，所述的热冲击疲劳试验器为本发明上述实施方式中所描述的热冲击疲劳试验器。在喷淋降温的同时，所述供水系统为所述雾化喷嘴提供冷却水进行冷却降温，降低所述雾化喷嘴位于所述燃气流道内的部分所承受的热冲击，以延长零件的使用寿命。

根据本发明的另一实施方式，所述热冲击疲劳试验的燃气喷淋降温方法还包括控制方法，所述控制方法包括：对所述热冲击疲劳试验器中的所述燃气喷淋系统的所述雾化喷嘴冷却水、所述喷淋水、所述连接壳体的冷却水的供给分别进行控制。

通过上述技术方案，本发明能够有效降低涡轮叶片热冲击疲劳试验中热冲击试验器燃气喷淋系统的雾化喷嘴在试验过程中所承受的热应力与热冲击，延长相关零件的实用寿命，提高试验方法的可靠性，减少了重复设计加工燃气喷淋系统以及重复因零件失效导致结果无效的试验所消耗的时间与成本。

附图说明

图1为燃气喷淋系统结构图。

图2A为燃气喷淋系统的雾化喷嘴剖面图。

图2B为沿图2A中A-A线的剖视图。

图3为燃气喷淋系统局部剖面图。

图4为热冲击疲劳试验器供水系统示意图。

上述附图是为了对本发明做出更详细的描述，仅提供了与本发明有关的结构，并未严格按照实际比例画出完整的设备与系统结构，附图的内容也不作为对本发明实施方式的具体限制。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。以下说明所描述的具体内容是为了充分解释本发明的原理和技术方案，而非对本发明的限定。为了便于描述，附图仅包括与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供了一种燃气喷淋系统。在涡轮叶片的热冲击疲劳试验中，通过热冲击疲劳试验器完成对被试样品的测试，热冲击疲劳试验器包括燃烧室，燃气喷淋系统，试验段，以及配套的供水系统等。在测试过程中，试验样品置于试验段内，由燃烧室输出高温气体工质，根据试验预设温度载荷谱，由燃气喷淋系统对气体工质进行喷淋降温施加相应的热冲击。由于燃气喷淋系统的雾化喷嘴一部分与冷却水接触保持较低的温度，一部分直接暴露在高温气体工质中，其金属结构承受了很大的热应力和热冲击，导致燃气喷淋系统使用寿命短，可靠性差。本发明实施例提供了一种新的燃气喷淋系统以解决上述问题，该系统包括连接壳体和雾化喷嘴。

本发明提供的燃气喷淋系统如图1所示，包括雾化喷嘴1和连接壳体2。连接壳体2包括冷却水夹套21，夹套进水口22和夹套出水口23，冷却水夹套21围成燃气流道24，连接壳体2的两端为法兰结构25，分别用于与图中未示出的燃烧室与试验段连接。冷却水集水环31与喷淋水集水环32并排安装在连接壳体2上，多个雾化喷嘴1呈环状安装在冷却水集水环31和喷淋水集水环32之间。

如图2A和图2B所示，雾化喷嘴1包括喷嘴本体11、冷却水腔体12，其中喷嘴本体11包括冷却水通道13、喷淋水通道14、冷却水出口15，其中冷却水通道13连通冷却水集水环31，喷淋水通道14连通喷淋水集水环32。冷却水腔体12内置有喷淋内管17，喷淋内管17一端与喷淋水通道14相连，一端为喷口16，冷却水腔体12环绕喷淋内管17。

如图3所示，冷却水夹套21包括外套26、内套27，内套27内表面围成燃气流道24。喷嘴本体11部分嵌置于外套26与内套27之间，冷却水腔体12部分位于燃气流道24内。

在试验中，燃气流道24内充满高温气体工质，喷淋水由喷淋水集水环进水口34进入喷淋水集水环32，进而流入各雾化喷嘴1的喷淋水通道14，雾化的喷淋水通过喷嘴16喷入燃气流道24实现对工质气体的降温。冷却水由冷却水集水环进水口33进入冷却水集水环31，进而流入各雾化喷嘴1的冷却水通道13，冷却水进入冷却水腔体12，以图2B中箭头19的方向在腔体内流动，通过冷却水出水口15流入外套26与内套27之间的容腔28，同时部分冷却水也经夹套进水口22进入容腔28，容腔28内的冷却水由夹套出水口23排出，实现对燃气喷淋系统的冷却保护，特别是对燃气流道24内的冷却水腔体12和喷嘴16的冷却保护，降低其承受的热应力与热冲击，达到延长使用寿命，提高可靠性的技术效果。

在另一实施例中，燃气喷淋系统取消了集水环，独立的供水管线分别为多个螺旋状布置在连接壳体上的雾化喷嘴供水，燃气流道内能够安装更多的雾化喷嘴。

在又一实施例中，燃气喷淋系统有多组集水环，多组呈环状布置的雾化喷嘴平行布置在连接壳体上，控制不同的组的集水环能够对工质气体分级降温，使工质气体的降温过程具有了更灵活的调节范围。

本发明实施例还提供一种热冲击疲劳试验器，该试验器包括供水系统和燃气喷淋系统。燃气喷淋系统包括连接壳体和雾化喷嘴。

其中，燃气喷淋系统如图1所示，其雾化喷嘴具有单独的冷却水回路。

对于供水系统，供水管路如图4所示，包括水泵和阀组，其中水泵包括并联的冷却水泵41和喷淋水泵42。冷却水泵41连接雾化喷嘴冷却水调节阀组43和喷嘴冷却水开关阀44，为雾化喷嘴提供冷却水；同时冷却水泵41连接夹套冷却水调节阀组45和夹套冷却水开关阀46为夹套提供冷却水。喷淋水泵42连接喷淋水开关阀47，为雾化喷嘴提供喷淋水。在冷却水泵41和喷淋水泵42上分别配置有并联的回流阀48。通过调节水泵和阀组，能够分别控制雾化喷嘴冷却水、连接壳体冷却水和雾化喷嘴喷淋水的供水量和供水参数。冷却水泵41和喷淋水泵42能够为冷却水和喷淋水输出不同的水压。根据水压不同，冷却水路和喷淋水路能够分别配置相应的阀组与密封件，提高供水系统的可靠性。

在另一实施例中，热冲击疲劳试验器的供水系统的喷淋水泵串联在冷却水泵之后，对冷却水泵输出的冷却水进一步加压后输送到喷淋水回路。

在另一实施例中，热冲击疲劳试验器的燃气喷淋系统包括热电偶18，如图2A和图3所示热电偶18安装在燃气流道24内壁和冷却水腔体12位于燃气流道24内的部分。供水系统包括控制装置，控制装置与热电偶18信号连接。根据预设的热电偶18目标温度范围，控制装置分别控制雾化喷嘴冷却水调节阀43、连接壳体冷却水调节阀45、雾化喷嘴冷却水开关阀44、连接壳体冷却水开关阀46、喷淋水开关阀47的开度，控制降温与冷却的程度，使雾化喷嘴的温度保持在较为稳定的范围内，以达到进一步延长使用寿命的效果。

本发明实施例还提供一种热冲击疲劳试验的燃气喷淋降温方法，具体包括使用热冲击疲劳试验器，该试验器包括如图1所示的燃气喷淋系统和供水回路结构如图4所示的供水系统。在试验过程中供水系统向雾化喷嘴输出喷淋水，雾化喷嘴向试验器的燃气流道内喷入雾化的喷淋水，利用喷淋水蒸发吸热降低所述燃气流道内的温度；同时供水系统为雾化喷嘴提供冷却水，冷却水对雾化喷嘴位于燃气流道内的部分进行冷却。供水系统根据预先设定，对冷却水和喷淋水分别进行控制。

以上根据实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围不限制于此。在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行各种改进，可以用等效结构对本发明涉及的系统与装置中的部件进行替换，也可以用等效的步骤或操作对本发明涉及的方法进行变动。

Claims (8)

1.一种燃气喷淋系统，包括连接壳体、雾化喷嘴，所述连接壳体包括冷却水夹套、夹套进水口和夹套出水口，所述冷却水夹套包括外套和内套，所述内套的内表面围成燃气流道，所述雾化喷嘴用于向所述燃气流道进行喷淋冷却，其特征在于：

所述雾化喷嘴包括喷嘴本体和连接该喷嘴本体的冷却水腔体；

所述喷嘴本体至少部分位于所述冷却水夹套的所述内套和所述外套之间，包括冷却水通道、喷淋水通道、冷却水出水口；

所述冷却水腔体至少部分位于所述燃气流道内，内置有喷淋内管，所述喷淋内管的外端与所述喷淋水通道接通，内端设置喷口，用于向所述燃气流道喷入喷淋水进行冷却；

其中，所述冷却水腔体与所述冷却水通道接通，并与所述冷却水出水口接通，进而容许冷却水经所述冷却水通道进入所述冷却水腔体，再从所述冷却水出水口排出到所述冷却水夹套。

2.根据权利要求1所述的燃气喷淋系统，其特征在于：还包括集水环，所述集水环安装在连接壳体上，所述集水环包括冷却水集水环和喷淋水集水环；

所述冷却水集水环与所述雾化喷嘴的所述冷却水通道连通，以容许冷却水经所述冷却集水环流入所述雾化喷嘴；所述喷淋水集水环与所述雾化喷嘴的所述喷淋水通道连通，以容许喷淋水经所述喷淋集水环流入所述雾化喷嘴；

多个所述雾化喷嘴呈环状分布，布置在所述冷却水集水环和所述喷淋水集水环之间。

3.根据权利要求1或2所述的燃气喷淋系统，其特征在于：还包括热电偶，在所述连接壳体的所述燃气流道内表面和所述冷却水腔体位于所述燃气流道内的部分分别安装有所述热电偶。

4.一种热冲击疲劳试验器，包括供水系统和燃气喷淋系统，其特征在于：

所述燃气喷淋系统为权利要求1至3中任一项所述的燃气喷淋系统；

所述供水系统包括水泵和阀组，所述水泵包括冷却水泵和喷淋水泵，所述冷却水泵向所述燃气喷淋系统的所述冷却水夹套和所述雾化喷嘴输送冷却水，所述喷淋水泵向所述的燃气喷淋系统的所述雾化喷嘴输送喷淋水；

所述阀组包括喷嘴冷却水阀组、夹套阀组和喷嘴喷淋水阀组，分别控制所述燃气喷淋系统的所述雾化喷嘴的所述冷却水通道、所述连接壳体的所述进水嘴和所述雾化喷嘴的所述喷淋水通道的供水。

5.根据权利要求4所述的热冲击疲劳试验器，其特征在于，所述热冲击疲劳试验器的所述冷却水泵和所述喷淋水泵配置为输出不同水压的并联结构。

6.根据权利要求4所述的热冲击疲劳试验器，其特征在于：

所述热冲击疲劳试验器的所述燃气喷淋系统还包括多个热电偶，所述多个热电偶安装在所述连接壳体的所述燃气流道内表面和所述雾化喷嘴位于所述燃气流道内的部分；

所述热冲击疲劳试验器还包括控制装置，所述控制装置配置为能够与所述燃气喷淋系统的所述热电偶信号连接，根据预设的热电偶目标温度范围，控制所述喷嘴冷却水阀组、夹套阀组和喷嘴喷淋水阀组的开度，以调节所述燃气喷淋系统的冷却与降温效果的装置。

7.一种热冲击疲劳试验的燃气喷淋降温方法，使用热冲击疲劳试验器，所述热冲击疲劳试验器包括供水系统和燃气喷淋系统，在试验过程中通过所述供水系统为所述燃气喷淋系统供水，所述燃气喷淋系统包括连接壳体和雾化喷嘴，所述连接壳体包括燃气流道，在试验过程中通过所述雾化喷嘴向所述燃气流道内喷入雾化的喷淋水，利用喷淋水蒸发吸热降低所述燃气流道内的温度，其特征在于：在试验过程中还通过所述供水系统提供冷却水，使冷却水流经所述雾化喷嘴位于所述燃气流道的部分，对该部分进行冷却。

8.如权利要求7所述的燃气喷淋降温方法，其特征在于，对冷却所述雾化喷嘴的冷却水、所述喷淋水、所述连接壳体的冷却夹套内的冷却水的供给分别进行控制。

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