專利名稱：微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺及試驗方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種用于葉輪機械性能測量的裝置，可精確測量壓氣機和渦輪葉輪特性參數(shù)及部分流場參數(shù)的微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺及試驗流程。
背景技術(shù)：
微型渦輪發(fā)動機(MTE)重量輕、功率大、能量密度高，可作為各種微小型導彈、無人機、乃至未來單兵飛行器的推進系統(tǒng)，是一種具有很好應用前景的新興噴氣推進動力裝置； 微型渦輪發(fā)動機也可以發(fā)展為飛機輔助動力系統(tǒng)(即APU)，僅民用航空領域，輔助動力系統(tǒng)就有近百億美元的年產(chǎn)值規(guī)模。葉輪部件(包括壓氣機與渦輪)作為微型發(fā)動機的核心部件，其性能的精確測量對驗證并改進微葉輪設計技術(shù)、提高發(fā)動機總體性能均具有重要意義。然而，微葉輪機械的性能測量與常規(guī)尺度葉輪不同，存在其特殊之處微葉輪機械的轉(zhuǎn)速遠大于常規(guī)尺度葉輪，一般在10萬轉(zhuǎn)/分以上。目前，市面上能夠購買到的電動機、測功機、測扭儀等產(chǎn)品的最高轉(zhuǎn)速一般不超過3萬轉(zhuǎn)/分。在常規(guī)尺度下，壓氣機與渦輪的部件試驗一般單獨進行，電動機可作為壓氣機部件試驗的動力源，驅(qū)動壓氣機達到一定轉(zhuǎn)速，而測功機和測扭儀可作為渦輪部件試驗的負載，測量出渦輪的功率輸出。由于現(xiàn)有產(chǎn)品轉(zhuǎn)速較低，欲實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下的葉輪性能測量，則惟有在葉輪轉(zhuǎn)軸與電動機/測功機等增加齒輪變速系統(tǒng)，這將大大增加系統(tǒng)的復雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺及試驗流程，其目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述缺陷。能夠兼具壓氣機和渦輪部件性能測試功能。該裝置的壓氣機氣路與渦輪氣路獨立，互不干擾，因此可分別調(diào)節(jié)壓氣機與渦輪工況，實現(xiàn)測試葉輪的不同轉(zhuǎn)速流量工況。在開展壓氣機部件試驗時，渦輪作為動力源驅(qū)動壓氣機；在開展渦輪部件試驗時，壓氣機作為負載測量渦輪輸出功率。本發(fā)明的技術(shù)解決方案其特征是包括氣源、加溫器、渦輪組件、壓氣機組件、PC 控制機、測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、扭矩傳感器、振動監(jiān)控系統(tǒng)，其中氣源連接加溫器，氣源為加溫器提供高壓空氣；加溫器連接渦輪組件，加溫器將氣源提供的壓縮空氣加熱成熱燃氣， 由熱燃氣驅(qū)動渦輪組件中的測試渦輪；渦輪組件實現(xiàn)測試渦輪的裝配與參數(shù)測量；渦輪組件中的渦輪轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸連接壓氣機組件中的壓氣機轉(zhuǎn)子，帶動壓氣機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，壓氣機組件實現(xiàn)測試壓氣機的裝配與參數(shù)測量；PC控制機中的A控制信號端與上行電動調(diào)節(jié)閥， PC控制機中的B控制信號端與下行電動調(diào)節(jié)閥相接，PC控制機中的C控制信號端與快速排放閥相接，PC控制機中的D控制信號端與油泵相接；設置在轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳感器的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第一信號輸入端相接，由加溫器加熱得到的熱燃氣通過熱電偶與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第二信號輸入端相接，渦輪組件的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第三信號輸入端相接，壓氣機組件的壓力、溫度信號輸出端和下行流量輸出端、下行管路壓力信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第四信號輸入端相接，上行流量輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第五信號輸入端相接，上行管路壓力信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第六信號輸入端相接，振動監(jiān)控系統(tǒng)的振動信號檢測端與壓氣機組件連接以測量系統(tǒng)振動信號，振動監(jiān)控系統(tǒng)的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第七信號輸入端相接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號輸出端與PC控制機相接。本發(fā)明的優(yōu)點用高溫燃氣驅(qū)動渦輪并帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)，具有獨立的壓氣機氣路和渦輪氣路，可獨立調(diào)節(jié)渦輪或壓氣機工況。在開展壓氣機部件試驗時，渦輪作為動力源驅(qū)動壓氣機；在開展渦輪部件試驗時，壓氣機作為負載調(diào)節(jié)渦輪輸出功率。通過調(diào)節(jié)渦輪進口壓力、溫度，渦輪出口背壓，壓氣機出口背壓，實現(xiàn)渦輪和壓氣機在不同轉(zhuǎn)速、流量工況下的匹配，獲得測試葉輪的等轉(zhuǎn)速特性線。獨立的壓氣機組件和渦輪組件，分別支承壓氣機轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子，中間依靠轉(zhuǎn)軸連接。核心部件采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，提高裝置的通用性和利用率。為防止軸承失效，并改善試驗環(huán)境，裝置具備冷卻潤滑油路并采取隔熱措施。


附圖I是微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺結(jié)構(gòu)框圖。
附圖2是壓氣機組件結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3是渦輪組件結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4是微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺的主體結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖5是試驗臺主體結(jié)構(gòu)潤滑油路及冷卻氣路圖。
附圖6是試驗臺高溫部件隔熱措施示意圖。
附圖7是加溫器結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖8是一種用于測量超高轉(zhuǎn)速葉輪轉(zhuǎn)軸扭矩的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖中的I是壓氣機支座、2是壓氣機進氣整流管路、3是壓氣機轉(zhuǎn)子、4是壓氣機
轉(zhuǎn)子機匣、5是壓氣機靜子機匣、6是擴壓器、7是壓氣機排氣渦殼、8是壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段、 9是壓氣機軸承機匣、10是壓氣機回油盤、11是光柵盤、12是轉(zhuǎn)軸、13是渦輪回油盤、14是渦輪軸承機匣、15是渦輪進氣轉(zhuǎn)接段、16是渦輪進氣渦殼、17是渦輪靜子機匣、18是渦輪導向器、19是封嚴蓖齒、20是渦輪轉(zhuǎn)子、21是渦輪轉(zhuǎn)子機匣、22是堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)、23是渦輪支座、24是壓氣機核心組件、25是渦輪核心組件、26是底座、27是潤滑油、28是冷卻用壓縮空氣、29是封嚴用壓縮空氣、30是隔熱材料、31是微型燃燒室。
具體實施例方式對照附圖1，微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺的結(jié)構(gòu)包括氣源、加溫器、渦輪組件、 壓氣機組件、PC控制機、測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、扭矩傳感器、振動監(jiān)控系統(tǒng)，其中氣源連接加溫器，氣源為加溫器提供高壓空氣；加溫器連接渦輪組件，加溫器將氣源提供的壓縮空氣加熱成熱燃氣，由熱燃氣驅(qū)動渦輪組件中的測試渦輪；渦輪組件實現(xiàn)測試渦輪的裝配與參數(shù)測量；渦輪組件中的渦輪轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸連接壓氣機組件中的壓氣機轉(zhuǎn)子，帶動壓氣機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，壓氣機組件實現(xiàn)測試壓氣機的裝配與參數(shù)測量；PC控制機中的A控制信號端與上行電動調(diào)節(jié)閥，PC控制機中的B控制信號端與下行電動調(diào)節(jié)閥相接，PC控制機中的C控制信號端與快速排放閥相接，PC控制機中的D控制信號端與油泵相接；設置在轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳感器的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第一信號輸入端相接，由加溫器加熱得到的熱燃氣通過熱電偶與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第二信號輸入端相接，渦輪組件的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第三信號輸入端相接，壓氣機組件的壓力、溫度信號輸出端和下行流量輸出端、下行管路壓力信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第四信號輸入端相接， 上行流量輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第五信號輸入端相接，上行管路壓力信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第六信號輸入端相接，振動監(jiān)控系統(tǒng)的振動信號檢測端與壓氣機組件連接以測量系統(tǒng)振動信號，振動監(jiān)控系統(tǒng)的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第七信號輸入端相接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號輸出端與PC機相接。所述的PC控制機采用的是TMS320F28027芯片，主要控制量包括加溫器上游閥門開度、壓氣機下游閥門開度、燃油供應量及渦輪轉(zhuǎn)子下游堵錐錐位，以系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為調(diào)節(jié)目標，當實測轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速不一致時，通過調(diào)節(jié)兩個閥門的開度和堵錐錐位調(diào)整壓氣機和渦輪的空氣流量，通過調(diào)節(jié)油泵供油電壓調(diào)整燃油流量以改變渦輪進口溫度，以此調(diào)節(jié)壓氣機與渦輪的功率匹配關(guān)系，獲得所需轉(zhuǎn)速、流量狀態(tài)。所述的測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速傳感器、壓力掃描閥、溫度巡檢儀、差壓式V錐流量計、光電扭矩傳感器、總/靜壓探針、熱電偶、動態(tài)壓力傳感器等測量設備以及NI PXI采集系統(tǒng)，完成本試驗臺各截面的氣動參數(shù)(包括穩(wěn)態(tài)總/靜壓、動態(tài)靜壓、穩(wěn)態(tài)總/靜溫)、轉(zhuǎn)速、壓氣機/渦輪空氣流量、轉(zhuǎn)軸扭矩等的測量，并利用PXI采集系統(tǒng)將采集到的試驗數(shù)據(jù)按照需要的采樣頻率統(tǒng)一存儲，方便后續(xù)試驗結(jié)果分析。所述的振動監(jiān)控系統(tǒng)主要包括加速度傳感器、振動監(jiān)測儀，在壓氣機轉(zhuǎn)子機匣垂直方向和水平方向各設置一個加速度傳感器，檢測系統(tǒng)的徑向振動及軸向振動，并將檢測結(jié)果在監(jiān)測儀上實時顯示。對照附圖2，其結(jié)構(gòu)包括壓氣機支座、壓氣機軸承機匣、進氣整流管路2、壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段8、壓氣機排氣渦殼7、壓氣機轉(zhuǎn)子3、擴壓器6、壓氣機轉(zhuǎn)子機匣4、壓氣機靜子機匣 5、轉(zhuǎn)軸12，其中進氣整流管路2與壓氣機轉(zhuǎn)子機匣4、壓氣機靜子機匣5、擴壓器6、壓氣機軸承機匣9、壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段8順序連接，壓氣機排氣渦殼與壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段連接，轉(zhuǎn)軸12與壓氣機轉(zhuǎn)子依靠軸承支撐在壓氣機軸承機匣內(nèi)，該部分組件全部安置在壓氣機支座上。環(huán)境氣體經(jīng)進氣整流管路2整流后流入流經(jīng)壓氣機轉(zhuǎn)子3、擴壓器6、壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段8和排氣渦殼，在渦殼下游安裝流量計測量壓氣機空氣流量，在流量計下游安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓氣機背壓改變壓氣機工況。在壓氣機靜子機匣5上設置測點測量壓氣機轉(zhuǎn)子出口總溫、總壓和靜壓，在壓氣機轉(zhuǎn)子機匣上設置測點測量壓氣機流場內(nèi)動態(tài)壓力信號。對照附圖3，其結(jié)構(gòu)主要包括渦輪支座23、渦輪軸承機匣14、渦輪進氣渦殼16、渦輪進氣轉(zhuǎn)接段15、渦輪導向器18、渦輪轉(zhuǎn)子20、轉(zhuǎn)軸12、渦輪轉(zhuǎn)子機匣21、渦輪靜子機匣 17、堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)22，其中渦輪進氣渦殼16與渦輪進氣轉(zhuǎn)接段15連接，渦輪進氣轉(zhuǎn)接段 15與渦輪軸承機匣14、導向器18、渦輪靜子機匣17、渦輪轉(zhuǎn)子機匣21順序連接，轉(zhuǎn)軸12與渦輪轉(zhuǎn)子20依靠軸承支撐在渦輪軸承機匣14內(nèi)，堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)22連接在渦輪轉(zhuǎn)子機匣21 下游，壓縮空氣在加溫器內(nèi)燃燒升溫后流經(jīng)進氣渦殼、進氣轉(zhuǎn)接段、導向器進入渦輪轉(zhuǎn)子， 沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，再流經(jīng)堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)排入大氣。在加溫器上游安裝流量計測量渦輪空氣流量，在流量計上游安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)渦輪供氣壓力改變渦輪工況。堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在渦輪轉(zhuǎn)子下游，通過改變堵錐錐位實現(xiàn)渦輪不同出口背壓工況。在導向器機匣上設置測點測量導向器進口總溫、總壓和靜壓，在渦輪轉(zhuǎn)子機匣上設置測點測量渦輪轉(zhuǎn)子出口總溫、總壓和靜壓。對照附圖4，聯(lián)合試驗臺主體結(jié)構(gòu)由壓氣機組件和渦輪組件兩大部分構(gòu)成，主要包括壓氣機支座I、壓氣機核心組件24、壓氣機排氣渦殼7、底座26、渦輪支座23、渦輪進氣渦殼16、堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)22，其中壓氣機核心組件24與壓氣機排氣渦殼7均安裝于壓氣機支座I上組成壓氣機組件；渦輪核心組件25、渦輪進氣渦殼16與堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)22均安裝于渦輪支座I上組成渦輪組件；壓氣機組件與渦輪組件同時安裝于底座26上，構(gòu)成試驗臺的主體結(jié)構(gòu)部分。壓氣機組件與渦輪組件支承了整套轉(zhuǎn)子系統(tǒng)并布置了絕大部分的測點，以完成壓氣機與渦輪性能的測量。由于壓氣機氣路與渦輪氣路獨立，壓氣機增壓后的氣體并不輸入渦輪端，因此壓氣機組件與渦輪組件作為兩個獨立的模塊結(jié)構(gòu)，中間靠轉(zhuǎn)軸連接。對照附圖5，其結(jié)構(gòu)包括渦輪導向器18、渦輪軸承機匣14、封嚴蓖齒19、渦輪轉(zhuǎn)子 20、轉(zhuǎn)軸12、渦輪回油盤13、光柵盤11，其中渦輪導向器18安裝于渦輪軸承機匣14上，轉(zhuǎn)軸12安置于渦輪軸承機匣14中心孔內(nèi)，渦輪轉(zhuǎn)子20和光柵盤11安裝于轉(zhuǎn)軸12上，渦輪回油盤13與渦輪軸承機匣14連接，上述部件構(gòu)成一個環(huán)腔。由于測試葉輪轉(zhuǎn)速高達10萬轉(zhuǎn)/分以上，因此軸承在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生大量熱量，影響其正常運轉(zhuǎn)，因此為軸承設計了潤滑油路，以降低軸承工作溫度，其結(jié)構(gòu)為通過渦輪軸承機匣14上的斜孔采用油泵供入潤滑油27，潤滑油27經(jīng)軸承流入渦輪軸承機匣14中心孔，順著轉(zhuǎn)軸12流到渦輪回油盤13 內(nèi)，積聚在光柵盤11端面?zhèn)?，用回油泵抽出，實現(xiàn)潤滑油的循環(huán)。由于光柵盤11與渦輪回油盤13之間存在間隙，為防止部分潤滑油自該間隙內(nèi)漏出，因此在渦輪回油盤周向3個氣孔內(nèi)供入高壓空氣，在光柵盤與渦輪回油盤之間的間隙內(nèi)形成高壓氣膜，封堵潤滑油的泄漏。同時為渦輪組件設置冷卻氣路，降低渦輪組件核心溫度，其結(jié)構(gòu)為通過渦輪軸承機匣 14背面的4個氣孔通入冷卻空氣，冷卻空氣積聚在軸承機匣和封嚴蓖齒19構(gòu)成的環(huán)腔內(nèi)， 再從封嚴蓖齒19背面的36個小孔噴射到渦輪轉(zhuǎn)子盤背，以減少渦輪導向器18內(nèi)高溫燃氣向渦輪轉(zhuǎn)子盤背腔體內(nèi)的泄漏，并降低渦輪核心組件的溫度。對照附圖6，由于渦輪組件在試驗過程中溫度較高，向外界散發(fā)大量熱量，惡化試驗環(huán)境，易造成電子元器件失效，因此在渦輪進氣渦殼16外壁面敷設隔熱材料30，減少高溫部件向環(huán)境的散熱。對照附圖7，本裝置采用高溫燃氣驅(qū)動渦輪來帶動壓氣機高速旋轉(zhuǎn)，高溫燃氣主要在加溫器內(nèi)產(chǎn)生，因此加溫器是本裝置的動力源。加溫器的核心是一臺微型蒸發(fā)管式環(huán)形直流燃燒室31，此外還包括點火器、供油系統(tǒng)等組件。通過控制供油量調(diào)節(jié)燃氣溫度，滿足試驗不同功率需求。該加溫器系統(tǒng)可將壓縮空氣加溫至1200K。葉輪效率作為其性能的重要指標，是本裝置設計時關(guān)注的重點，為實現(xiàn)高速葉輪效率的精確測量，依靠目前的功率測量產(chǎn)品是不現(xiàn)實的。為此，本裝置的扭矩測量系統(tǒng)采用一種用于測量超高轉(zhuǎn)速葉輪轉(zhuǎn)軸扭矩的裝置，可實現(xiàn)12. 5萬轉(zhuǎn)/分的高速轉(zhuǎn)軸扭矩測量， 精度高達±1%。該扭矩測量裝置在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)布置等寬的光柵，光源發(fā)出的光線經(jīng)光柵被光敏元件接收轉(zhuǎn)化為電信號輸出，利用轉(zhuǎn)軸受扭矩發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形造成兩側(cè)光柵發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光路寬度變窄，電信號發(fā)生變化的原理，精確測量轉(zhuǎn)軸扭矩。該裝置屬非接觸式測量，電磁干擾小，具有較高的響應速度，能實現(xiàn)高頻信號的采集。微型壓氣機/潤輪聯(lián)合試驗臺試用以測量直徑78mm向心潤輪和直徑84mm離心壓氣機的葉輪特性。試驗臺調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，各模塊功能基本均能正常發(fā)揮，用該設備完成了直徑78mm向心渦輪的部份冷、熱態(tài)性能測試。對照圖8，一種用于測量超高轉(zhuǎn)速葉輪轉(zhuǎn)軸扭矩的裝置其結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)軸、A光柵盤、B光柵盤、光源、光敏兀件和信號放大數(shù)據(jù)米集系統(tǒng),其中A光柵盤、B光柵盤對稱布置并固定連接在轉(zhuǎn)軸上，A光柵盤、B光柵盤周向?qū)恢玫囊唤M柵槽構(gòu)成一條光路,光源發(fā)出的光線通過該光路被光敏元件接收，轉(zhuǎn)化為周期性占空比信號輸出給信號放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由信號放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將放大的信號傳輸給PC機進行數(shù)據(jù)處理、顯示、保存；當轉(zhuǎn)軸接受扭矩作用時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，A光柵盤、B光柵盤柵槽重合部分變小，光路寬度變窄，光敏元件接受到的光強信號減弱，占空比信號減小，占空比信號與扭矩負載存在線性關(guān)系，通過扭矩負載標定試驗確定這一線性關(guān)系，即可實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)軸的扭矩精確測量。試驗方法包括壓氣機試驗方法和渦輪試驗方法，其中
壓氣機試驗方法啟動空壓機，壓縮空氣經(jīng)過濾、干燥后輸送到穩(wěn)壓罐中穩(wěn)定壓力，打開加溫器上游調(diào)節(jié)閥門，壓縮空氣流經(jīng)流量計測定空氣流量后進入加溫器，在加溫器內(nèi)點火燃燒，達到一定溫度后，輸送到渦輪進氣渦殼經(jīng)渦輪進氣轉(zhuǎn)接段流入導向器，在導向器內(nèi)加速后沖擊渦輪轉(zhuǎn)子，使其帶動壓氣機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。通過安裝在壓氣機盤背的一對磁珠利用電磁效應測量葉輪轉(zhuǎn)速，并在監(jiān)視屏上實時顯示出來，若葉輪轉(zhuǎn)速高于目標轉(zhuǎn)速，則適當減小加溫器上游閥門開度降低空氣流量，或減小加溫器供油量降低渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速降低至目標值；反之，則適當加大加溫器上游閥門開度增加空氣流量，或增大加溫器供油量提高渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速增加至目標值。維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集渦輪和壓氣機的空氣流量，進出口截面的壓力、溫度，轉(zhuǎn)軸扭矩等參數(shù)。完成該狀態(tài)點壓氣機性能測量后，調(diào)節(jié)壓氣機下游閥門開度，壓氣機背壓發(fā)生變化，流量、轉(zhuǎn)速均隨之變化，若壓氣機轉(zhuǎn)速低于目標轉(zhuǎn)速，則增加渦輪流量或提高渦輪進口溫度，增大渦輪輸出功率，使葉輪轉(zhuǎn)速增至目標值；反之，則減小渦輪流量或降低渦輪進口溫度，減小渦輪輸出功率，使葉輪轉(zhuǎn)速減至目標值。維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集各項參數(shù)，完成該轉(zhuǎn)速、流量狀態(tài)點的壓氣機性能測量。同理，不斷調(diào)節(jié)壓氣機背壓和渦輪輸出功率，使葉輪轉(zhuǎn)速維持在目標值，即可獲得該轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的壓氣機特性線。渦輪試驗方法啟動空壓機，壓縮空氣經(jīng)過濾、干燥后輸送到穩(wěn)壓罐中穩(wěn)定壓力， 打開加溫器上游調(diào)節(jié)閥門，壓縮空氣流經(jīng)流量計測定空氣流量后進入加溫器，在加溫器內(nèi)點火燃燒，達到一定溫度后，輸送到渦輪進氣渦殼經(jīng)渦輪進氣轉(zhuǎn)接段流入導向器，在導向器內(nèi)加速后沖擊渦輪轉(zhuǎn)子，使其帶動壓氣機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。通過安裝在壓氣機盤背的一對磁珠利用電磁效應測量葉輪轉(zhuǎn)速，并在監(jiān)視屏上實時顯示出來，若葉輪轉(zhuǎn)速高于目標轉(zhuǎn)速，則適當減小加溫器上游閥門開度降低空氣流量，或減小加溫器供油量降低渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速降低至目標值；反之，則適當加大加溫器上游閥門開度增加空氣流量，或增大加溫器供油量提高渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速增加至目標值。維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集渦輪和壓氣機的空氣流量，進出口截面的壓力、溫度，轉(zhuǎn)軸扭矩等參數(shù)。完成該狀態(tài)點渦輪性能測量后，調(diào)節(jié)渦輪下游堵錐錐位，渦輪背壓發(fā)生變化，流量、轉(zhuǎn)速均隨之變化，若渦輪轉(zhuǎn)速低于目標轉(zhuǎn)速，則減小壓氣機下游閥門開度，降低負載壓氣機所需功率，使葉輪轉(zhuǎn)速增至目標值；反之，增大壓氣機下游閥門開度，增加負載壓氣機所需功率，使葉輪轉(zhuǎn)速增至目標值。維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集各項參數(shù)，完成該轉(zhuǎn)速、流量狀態(tài)點的渦輪性能測量。同理，不斷調(diào)節(jié)渦輪背壓和負載壓氣機所需功率，使葉輪轉(zhuǎn)速維持在目標值，即可獲得該轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的渦輪特性線。
權(quán)利要求
1.微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺，其特征是包括氣源、加溫器、渦輪組件、壓氣機組件、 PC控制機、測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、扭矩傳感器、振動監(jiān)控系統(tǒng)，其中氣源連接加溫器，氣源為加溫器提供高壓空氣；加溫器連接渦輪組件，加溫器將氣源提供的壓縮空氣加熱成熱燃氣，由熱燃氣驅(qū)動渦輪組件中的測試渦輪；渦輪組件實現(xiàn)測試渦輪的裝配與參數(shù)測量；渦輪組件中的渦輪轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸連接壓氣機組件中的壓氣機轉(zhuǎn)子，帶動壓氣機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，壓氣機組件實現(xiàn)測試壓氣機的裝配與參數(shù)測量；PC控制機中的A控制信號端與上行電動調(diào)節(jié)閥相接，PC控制機中的B控制信號端與下行電動調(diào)節(jié)閥相接，PC控制機中的C控制信號端與快速排放閥相接，PC控制機中的D控制信號端與油泵相接；設置在轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳感器的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第一信號輸入端相接，由加溫器加熱得到的熱燃氣通過熱電偶與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第二信號輸入端相接，渦輪組件的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第三信號輸入端相接，壓氣機組件的壓力、溫度信號輸出端和下行流量輸出端、下行管路壓力信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第四信號輸入端相接，上行流量輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第五信號輸入端相接，上行管路壓力信號輸出端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第六信號輸入端相接，振動監(jiān)控系統(tǒng)的振動信號檢測端與壓氣機組件連接以測量系統(tǒng)振動信號，振動監(jiān)控系統(tǒng)的信號輸出端與測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的第七信號輸入端相接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號輸出端與PC機相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺，其特征是壓氣機組件包括壓氣機支座、壓氣機軸承機匣、進氣整流管路、壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段、壓氣機排氣渦殼、壓氣機轉(zhuǎn)子、擴壓器、壓氣機轉(zhuǎn)子機匣、壓氣機靜子機匣、轉(zhuǎn)軸，其中進氣整流管路與壓氣機轉(zhuǎn)子機匣、壓氣機靜子機匣、擴壓器、壓氣機軸承機匣、壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段順序連接，壓氣機排氣渦殼與壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段連接，轉(zhuǎn)軸與壓氣機轉(zhuǎn)子依靠軸承支撐在壓氣機軸承機匣內(nèi)，環(huán)境氣體經(jīng)進氣整流管路整流后流入流經(jīng)壓氣機轉(zhuǎn)子、擴壓器、壓氣機排氣轉(zhuǎn)接段和排氣渦殼， 在渦殼下游安裝流量計測量壓氣機空氣流量，在流量計下游安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓氣機背壓改變壓氣機工況；在壓氣機靜子機匣上設置測點測量壓氣機轉(zhuǎn)子出口總溫、總壓和靜壓，在壓氣機轉(zhuǎn)子機匣上設置測點測量壓氣機流場內(nèi)動態(tài)壓力信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺，其特征是渦輪組件包括渦輪支座、渦輪軸承機匣、渦輪進氣渦殼、渦輪進氣轉(zhuǎn)接段、渦輪導向器、渦輪轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、渦輪轉(zhuǎn)子機匣、渦輪靜子機匣、堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)，其中渦輪進氣渦殼與渦輪進氣轉(zhuǎn)接段連接，渦輪進氣轉(zhuǎn)接段與渦輪軸承機匣、渦輪導向器、渦輪靜子機匣、渦輪轉(zhuǎn)子機匣順序連接，轉(zhuǎn)軸與渦輪轉(zhuǎn)子依靠軸承支撐在渦輪軸承機匣內(nèi)，堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)連接在渦輪轉(zhuǎn)子機匣下游，壓縮空氣在加溫器內(nèi)燃燒升溫后流經(jīng)進氣渦殼、進氣轉(zhuǎn)接段、導向器進入渦輪轉(zhuǎn)子，沖擊葉輪旋轉(zhuǎn)，再流經(jīng)堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)排入大氣；在加溫器上游安裝流量計測量渦輪空氣流量，在流量計上游安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)渦輪供氣壓力改變渦輪工況；堵錐調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在渦輪轉(zhuǎn)子下游，通過改變堵錐錐位實現(xiàn)渦輪不同出口背壓工況；在導向器機匣上設置測點測量導向器進口總溫、總壓和靜壓，在渦輪轉(zhuǎn)子機匣上設置測點測量渦輪轉(zhuǎn)子出口總溫、總壓和靜壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺，其特征是以微型蒸發(fā)管式環(huán)形燃燒室為核心的加溫器，采用燃燒加溫方式獲得高溫燃氣驅(qū)動渦輪，燃氣溫度通過改變供油量調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺，其特征是渦輪進氣渦殼外壁面敷設隔熱材料。
6.微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺的壓氣機試驗方法如下啟動空壓機，壓縮空氣經(jīng)過濾、干燥后輸送到穩(wěn)壓罐中穩(wěn)定壓力，打開加溫器上游調(diào)節(jié)閥門，壓縮空氣流經(jīng)流量計測定空氣流量后進入加溫器，在加溫器內(nèi)點火燃燒加溫后，輸送到渦輪進氣渦殼經(jīng)渦輪進氣轉(zhuǎn)接段流入導向器，在導向器內(nèi)加速后沖擊渦輪轉(zhuǎn)子，使其帶動壓氣機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)；通過安裝在壓氣機盤背的一對磁珠利用電磁效應測量葉輪轉(zhuǎn)速，并在監(jiān)視屏上實時顯示出來，若葉輪轉(zhuǎn)速高于目標轉(zhuǎn)速，則適當減小加溫器上游閥門開度降低空氣流量，或減小加溫器供油量降低渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速降低至目標值；反之，則適當加大加溫器上游閥門開度增加空氣流量，或增大加溫器供油量提高渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速增加至目標值，維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集渦輪和壓氣機的空氣流量，進出口截面的壓力、溫度，轉(zhuǎn)軸扭矩等參數(shù); 完成該狀態(tài)點壓氣機性能測量后，調(diào)節(jié)壓氣機下游閥門開度，壓氣機背壓發(fā)生變化，流量、 轉(zhuǎn)速均隨之變化，若壓氣機轉(zhuǎn)速低于目標轉(zhuǎn)速，則增加渦輪流量或提高渦輪進口溫度，增大渦輪輸出功率，使葉輪轉(zhuǎn)速增至目標值；反之，則減小渦輪流量或降低渦輪進口溫度，減小渦輪輸出功率，使葉輪轉(zhuǎn)速減至目標值；維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集各項參數(shù)，完成該轉(zhuǎn)速、流量狀態(tài)點的壓氣機性能測量；同理，不斷調(diào)節(jié)壓氣機背壓和渦輪輸出功率，使葉輪轉(zhuǎn)速維持在目標值，即可獲得該轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的壓氣機特性線。
7.微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺的渦輪試驗方法如下啟動空壓機，壓縮空氣經(jīng)過濾、 干燥后輸送到穩(wěn)壓罐中穩(wěn)定壓力，打開加溫器上游調(diào)節(jié)閥門，壓縮空氣流經(jīng)流量計測定空氣流量后進入加溫器，在加溫器內(nèi)點火燃燒，將壓縮空氣加熱為熱燃氣后，輸送到渦輪進氣渦殼經(jīng)渦輪進氣轉(zhuǎn)接段流入導向器，在導向器內(nèi)加速后沖擊渦輪轉(zhuǎn)子，使其帶動壓氣機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)；通過安裝在壓氣機盤背的一對磁珠利用電磁效應測量葉輪轉(zhuǎn)速，并在監(jiān)視屏上實時顯示出來，若葉輪轉(zhuǎn)速高于目標轉(zhuǎn)速，則適當減小加溫器上游閥門開度降低空氣流量，或減小加溫器供油量降低渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速降低至目標值；反之，則適當加大加溫器上游閥門開度增加空氣流量，或增大加溫器供油量提高渦輪進口總溫，使葉輪轉(zhuǎn)速增加至目標值；維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集渦輪和壓氣機的空氣流量，進出口截面的壓力、 溫度，轉(zhuǎn)軸扭矩等參數(shù)；完成該狀態(tài)點渦輪性能測量后，調(diào)節(jié)渦輪下游堵錐錐位，渦輪背壓發(fā)生變化，流量、轉(zhuǎn)速均隨之變化，若渦輪轉(zhuǎn)速低于目標轉(zhuǎn)速，則減小壓氣機下游閥門開度， 降低負載壓氣機所需功率，使葉輪轉(zhuǎn)速增至目標值；反之，增大壓氣機下游閥門開度，增加負載壓氣機所需功率，使葉輪轉(zhuǎn)速增至目標值；維持目標轉(zhuǎn)速3(T60s，采集各項參數(shù)，完成該轉(zhuǎn)速、流量狀態(tài)點的渦輪性能測量；同理，不斷調(diào)節(jié)渦輪背壓和負載壓氣機所需功率，使葉輪轉(zhuǎn)速維持在目標值，即可獲得該轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的渦輪特性線。
全文摘要
本發(fā)明是微型壓氣機/渦輪聯(lián)合試驗臺，包括氣源、加溫器、渦輪組件、壓氣機組件、PC控制機、測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、扭矩傳感器、振動監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)點用高溫燃氣驅(qū)動渦輪并帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)，具有獨立的壓氣機氣路和渦輪氣路，可獨立調(diào)節(jié)渦輪或壓氣機工況。在開展壓氣機部件試驗時，渦輪作為動力源驅(qū)動壓氣機；在開展渦輪部件試驗時，壓氣機作為負載調(diào)節(jié)渦輪輸出功率。通過調(diào)節(jié)渦輪進口壓力、溫度，渦輪出口背壓，壓氣機出口背壓，實現(xiàn)渦輪和壓氣機在不同轉(zhuǎn)速、流量工況下的匹配，獲得測試葉輪的等轉(zhuǎn)速特性線。獨立的壓氣機組件和渦輪組件，分別支承壓氣機轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子，中間依靠轉(zhuǎn)軸連接。模塊化結(jié)構(gòu)設計，提高通用性和利用率。
文檔編號G01M15/14GK102589894SQ20121005079
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者傅鑫, 夏晨, 朱劍鋒, 陳杰, 黃國平 申請人:南京航空航天大學