专利名称：微型压气机/涡轮联合试验台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种用于叶轮机械性能测量的装置，可精确测量压气机和涡轮叶轮特性参数及部分流场参数的微型压气机/涡轮联合试验台及试验流程。
背景技术：
微型涡轮发动机(MTE)重量轻、功率大、能量密度高，可作为各种微小型导弹、无人机、乃至未来单兵飞行器的推进系统，是一种具有很好应用前景的新兴喷气推进动力装置；微型涡轮发动机也可以发展为飞机辅助动力系统(即APU)，仅民用航空领域，辅助动力系统就有近百亿美元的年产值规模。叶轮部件(包括压气机与涡轮)作为微型发动机的核心部件，其性能的精确测量对验证并改进微叶轮设计技术、提高发动机总体性能均具有重要意义。然而，微叶轮机械的性能测量与常规尺度叶轮不同，存在其特殊之处微叶轮机械的转 速远大于常规尺度叶轮，一般在10万转/分以上。目前，市面上能够购买到的电动机、测功机、测扭仪等产品的最高转速一般不超过3万转/分。在常规尺度下，压气机与涡轮的部件试验一般单独进行，电动机可作为压气机部件试验的动力源，驱动压气机达到一定转速，而测功机和测扭仪可作为涡轮部件试验的负载，测量出涡轮的功率输出。由于现有产品转速较低，欲实现高转速下的叶轮性能测量，则惟有在叶轮转轴与电动机/测功机等增加齿轮变速系统，这将大大增加系统的复杂性。
发明内容本实用新型提出了一种微型压气机/涡轮联合试验台及试验流程，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷。能够兼具压气机和涡轮部件性能测试功能。该装置的压气机气路与涡轮气路独立，互不干扰，因此可分别调节压气机与涡轮工况，实现测试叶轮的不同转速流量工况。在开展压气机部件试验时，涡轮作为动力源驱动压气机；在开展涡轮部件试验时，压气机作为负载测量涡轮输出功率。本实用新型的技术解决方案其特征是包括气源、加温器、涡轮组件、压气机组件、PC控制机、测量与数据采集系统、扭矩传感器、振动监控系统，其中气源连接加温器，气源为加温器提供高压空气；加温器连接涡轮组件，加温器将气源提供的压缩空气加热成热燃气，由热燃气驱动涡轮组件中的测试涡轮；涡轮组件实现测试涡轮的装配与参数测量；涡轮组件中的涡轮转子通过转轴连接压气机组件中的压气机转子，带动压气机转子旋转，压气机组件实现测试压气机的装配与参数测量；PC控制机中的A控制信号端与上行电动调节阀，PC控制机中的B控制信号端与下行电动调节阀相接，PC控制机中的C控制信号端与快速排放阀相接，PC控制机中的D控制信号端与油泵相接；设置在转轴上的扭矩传感器的信号输出端与测量与数据采集系统的第一信号输入端相接，由加温器加热得到的热燃气通过热电偶与测量与数据采集系统的第二信号输入端相接，涡轮组件的信号输出端与测量与数据采集系统的第三信号输入端相接，压气机组件的压力、温度信号输出端和下行流量输出端、下行管路压力信号输出端与测量与数据采集系统的第四信号输入端相接，上行流量输出端与测量与数据采集系统的第五信号输入端相接，上行管路压力信号输出端与数据采集系统的第六信号输入端相接，振动监控系统的振动信号检测端与压气机组件连接以测量系统振动信号，振动监控系统的信号输出端与测量与数据采集系统的第七信号输入端相接，数据采集系统的信号输出端与PC控制机相接。本实用新型的优点用高温燃气驱动涡轮并带动压气机旋转，具有独立的压气机气路和涡轮气路，可独立调节涡轮或压气机工况。在开展压气机部件试验时，涡轮作为动力源驱动压气机；在开展涡轮部件试验时，压气机作为负载调节涡轮输出功率。通过调节涡轮进口压力、温度，涡轮出口背压，压气机出口背压，实现涡轮和压气机在不同转速、流量工况下的匹配，获得测试叶轮的等转速特性线。独立的压气机组件和涡轮组件，分别支承压气机转子与涡轮转子，中间依靠转轴连接。核心部件采用�？榛峁股杓疲岣咦爸玫耐ㄓ眯院屠寐�。为防止轴承失效，并改善试验环境，装置具备冷却润滑油路并采取隔热措施。
附图I是微型压气机/涡轮联合试验台结构框图。
·[0007]附图2是压气机组件结构示意图。附图3是涡轮组件结构示意图。附图4是微型压气机/涡轮联合试验台的主体结构示意图。附图5是试验台主体结构润滑油路及冷却气路图。附图6是试验台高温部件隔热措施示意图。附图7是加温器结构示意图。附图8是一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置的结构示意图。附图中的I是压气机支座、2是压气机进气整流管路、3是压气机转子、4是压气机转子机匣、5是压气机静子机匣、6是扩压器、7是压气机排气涡壳、8是压气机排气转接段、9是压气机轴承机匣、10是压气机回油盘、11是光栅盘、12是转轴、13是涡轮回油盘、14是涡轮轴承机匣、15是涡轮进气转接段、16是涡轮进气涡壳、17是涡轮静子机匣、18是涡轮导向器、19是封严蓖齿、20是涡轮转子、21是涡轮转子机匣、22是堵锥调节机构、23是涡轮支座、24是压气机核心组件、25是涡轮核心组件、26是底座、27是润滑油、28是冷却用压缩空气、29是封严用压缩空气、30是隔热材料、31是微型燃烧室。
具体实施方式
对照附图1，微型压气机/涡轮联合试验台的结构包括气源、加温器、涡轮组件、压气机组件、PC控制机、测量与数据采集系统、扭矩传感器、振动监控系统，其中气源连接加温器，气源为加温器提供高压空气；加温器连接涡轮组件，加温器将气源提供的压缩空气加热成热燃气，由热燃气驱动涡轮组件中的测试涡轮；涡轮组件实现测试涡轮的装配与参数测量；涡轮组件中的涡轮转子通过转轴连接压气机组件中的压气机转子，带动压气机转子旋转，压气机组件实现测试压气机的装配与参数测量；PC控制机中的A控制信号端与上行电动调节阀，PC控制机中的B控制信号端与下行电动调节阀相接，PC控制机中的C控制信号端与快速排放阀相接，PC控制机中的D控制信号端与油泵相接；设置在转轴上的扭矩传感器的信号输出端与测量与数据采集系统的第一信号输入端相接，由加温器加热得到的热燃气通过热电偶与测量与数据采集系统的第二信号输入端相接，涡轮组件的信号输出端与测量与数据采集系统的第三信号输入端相接，压气机组件的压力、温度信号输出端和下行流量输出端、下行管路压力信号输出端与测量与数据采集系统的第四信号输入端相接，上行流量输出端与测量与数据采集系统的第五信号输入端相接，上行管路压力信号输出端与数据采集系统的第六信号输入端相接，振动监控系统的振动信号检测端与压气机组件连接以测量系统振动信号，振动监控系统的信号输出端与测量与数据采集系统的第七信号输入端相接，数据采集系统的信号输出端与PC机相接。所述的PC控制机采用的是TMS320F28027芯片，主要控制量包括加温器上游阀门开度、压气机下游阀门开度、燃油供应量及涡轮转子下游堵锥锥位，以系统转速为调节目标，当实测转速与目标转速不一致时，通过调节两个阀门的开度和堵锥锥位调整压气机和涡轮的空气流量，通过调节油泵供油电压调整燃油流量以改变涡轮进口温度，以此调节压气机与涡轮的功率匹配关系，获得所需转速、流量状态。所述的测量与数据采集系统主要包括转速传感器、压力扫描阀、温度巡检仪、差压式V锥流量计、光电扭矩传感器、总/静压探针、热电偶、动态压力传感器等测量设备以及NIPXI采集系统，完成本试验台各截面的气动参数(包括稳态总/静压、动态静压、稳态总/静温)、转速、压气机/涡轮空气流量、转轴扭矩等的测量，并利用PXI采集系统将采集到的试验数据按照需要的采样频率统一存储，方便后续试验结果分析。所述的振动监控系统主要包括加速度传感器、振动监测仪，在压气机转子机匣垂直方向和水平方向各设置一个加速度传感器，检测系统的径向振动及轴向振动，并将检测结果在监测仪上实时显示。对照附图2，其结构包括压气机支座、压气机轴承机匣、进气整流管路2、压气机排气转接段8、压气机排气涡壳7、压气机转子3、扩压器6、压气机转子机匣4、压气机静子机匣5、转轴12，其中进气整流管路2与压气机转子机匣4、压气机静子机匣5、扩压器6、压气机轴承机匣9、压气机排气转接段8顺序连接，压气机排气涡壳与压气机排气转接段连接，转轴12与压气机转子依靠轴承支撑在压气机轴承机匣内，该部分组件全部安置在压气机支座上。环境气体经进气整流管路2整流后流入流经压气机转子3、扩压器6、压气机排气转接段8和排气涡壳，在涡壳下游安装流量计测量压气机空气流量，在流量计下游安装调节阀调节压气机背压改变压气机工况。在压气机静子机匣5上设置测点测量压气机转子出口总温、总压和静压，在压气机转子机匣上设置测点测量压气机流场内动态压力信号。对照附图3，其结构主要包括涡轮支座23、涡轮轴承机匣14、涡轮进气涡壳16、涡轮进气转接段15、涡轮导向器18、涡轮转子20、转轴12、涡轮转子机匣21、涡轮静子机匣17、堵锥调节机构22，其中涡轮进气涡壳16与涡轮进气转接段15连接，涡轮进气转接段15与涡轮轴承机匣14、导向器18、涡轮静子机匣17、涡轮转子机匣21顺序连接，转轴12与涡轮转子20依靠轴承支撑在涡轮轴承机匣14内，堵锥调节机构22连接在涡轮转子机匣21下游，该部分组件全部安置在涡轮支座23上。压缩空气在加温器内燃烧升温后流经进气涡壳、进气转接段、导向器进入涡轮转子，冲击叶轮旋转，再流经堵锥调节机构排入大气。在加温器上游安装流量计测量涡轮空气流量，在流量计上游安装调节阀调节涡轮供气压力改变涡轮工况。堵锥调节机构安装在涡轮转子下游，通过改变堵锥锥位实现涡轮不同出口背压工况。在导向器机匣上设置测点测量导向器进口总温、总压和静压，在涡轮转子机匣上设置测点测量涡轮转子出口总温、总压和静压。对照附图4，联合试验台主体结构由压气机组件和涡轮组件两大部分构成，主要包括压气机支座I、压气机核心组件24、压气机排气涡壳7、底座26、涡轮支座23、涡轮进气涡壳16、堵锥调节机构22，其中压气机核心组件24与压气机排气涡壳7均安装于压气机支座I上组成压气机组件；涡轮核心组件25、涡轮进气涡壳16与堵锥调节机构22均安装于涡轮支座I上组成涡轮组件；压气机组件与涡轮组件同时安装于底座26上，构成试验台的主体结构部分。压气机组件与涡轮组件支承了整套转子系统并布置了绝大部分的测点，以完成压气机与涡轮性能的测量。由于压气机气路与涡轮气路独立，压气机增压后的气体并不输入涡轮端，因此压气机组件与涡轮组件作为两个独立的�？榻峁梗屑淇孔崃�。对照附图5，其结构包括涡轮导向器18、涡轮轴承机匣14、封严蓖齿19、涡轮转子20、转轴12、涡轮回油盘13、光栅盘11，其中涡轮导向器18安装于涡轮轴承机匣14上，转轴12安置于涡轮轴承机匣14中心孔内，涡轮转子20和光栅盘11安装于转轴12上，涡轮回油盘13与涡轮轴承机匣14连接，上述部件构成一个环腔。由于测试叶轮转速高达10万 转/分以上，因此轴承在运转过程中产生大量热量，影响其正常运转，因此为轴承设计了润滑油路，以降低轴承工作温度，其结构为通过涡轮轴承机匣14上的斜孔采用油泵供入润滑油27，润滑油27经轴承流入涡轮轴承机匣14中心孔，顺着转轴12流到涡轮回油盘13内，积聚在光栅盘11端面侧，用回油泵抽出，实现润滑油的循环。由于光栅盘11与涡轮回油盘13之间存在间隙，为防止部分润滑油自该间隙内漏出，因此在涡轮回油盘周向3个气孔内供入高压空气，在光栅盘与涡轮回油盘之间的间隙内形成高压气膜，封堵润滑油的泄漏。同时为涡轮组件设置冷却气路，降低涡轮组件核心温度，其结构为通过涡轮轴承机匣14背面的4个气孔通入冷却空气，冷却空气积聚在轴承机匣和封严蓖齿19构成的环腔内，再从封严蓖齿19背面的36个小孔喷射到涡轮转子盘背，以减少涡轮导向器18内高温燃气向涡轮转子盘背腔体内的泄漏，并降低涡轮核心组件的温度。对照附图6，由于涡轮组件在试验过程中温度较高，向外界散发大量热量，恶化试验环境，易造成电子元器件失效，因此在涡轮进气涡壳16外壁面敷设隔热材料30，减少高温部件向环境的散热。对照附图7，本装置采用高温燃气驱动涡轮来带动压气机高速旋转，高温燃气主要在加温器内产生，因此加温器是本装置的动力源。加温器的核心是一台微型蒸发管式环形直流燃烧室31，此外还包括点火器、供油系统等组件。通过控制供油量调节燃气温度，满足试验不同功率需求。该加温器系统可将压缩空气加温至1200K。叶轮效率作为其性能的重要指标，是本装置设计时关注的重点，为实现高速叶轮效率的精确测量，依靠目前的功率测量产品是不现实的。为此，本装置的扭矩测量系统采用一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置，可实现12. 5万转/分的高速转轴扭矩测量，精度高达±1%。该扭矩测量装置在转轴两侧布置等宽的光栅，光源发出的光线经光栅被光敏元件接收转化为电信号输出，利用转轴受扭矩发生扭转变形造成两侧光栅发生偏转，光路宽度变窄，电信号发生变化的原理，精确测量转轴扭矩。该装置属非接触式测量，电磁干扰�。哂薪细叩南煊λ俣龋苁迪指咂敌藕诺牟杉�。微型压气机/润轮联合试验台试用以测量直径78mm向心润轮和直径84mm离心压气机的叶轮特性。试验台调试结果表明系统运转正常，各�？楣δ芑揪苷７⒒樱酶蒙璞竿瓿闪酥本�78mm向心涡轮的部份冷、热态性能测试。对照图8，一种用于测量超高转速叶轮转轴扭矩的装置的结构包括转轴、A光栅盘、B光栅盘、光源、光敏兀件和信号放大数据米集系统,其中A光栅盘、B光栅盘对称布置并固定连接在转轴上，A光栅盘、B光栅盘周向对应位置的一组栅槽构成一条光路,光源发出的光线通过该光路被光敏元件接收，转化为周期性占空比信号输出给信号放大数据采集系统，由信号放大数据采集系统将放大的信号传输给PC机进行数据处理、显示、保存；当转轴接受扭矩作用时产生扭转变形，A光栅盘、B光栅盘栅槽重合部分变�。饴房矶缺湔饷粼邮艿降墓馇啃藕偶跞酰伎毡刃藕偶跣。伎毡刃藕庞肱ぞ馗涸卮嬖谙咝怨叵担üぞ馗涸乇甓ㄊ匝槿范ㄕ庖幌咝怨叵担纯墒迪指咚僮岬呐ぞ鼐凡饬�。试验方法包括压气机试验方法和涡轮试验方法，其中压气机试验方法启动空压机，压缩空气经过滤、干燥后输送到稳压罐中稳定压力，打开加温器上游调节阀门，压缩空气流经流量计测定空气流量后进入加温器，在加温器内点火燃烧，达到一定温度后，输送到涡轮进气涡壳经涡轮进气转接段流入导向器，在导向 器内加速后冲击涡轮转子，使其带动压气机转子一起旋转。通过安装在压气机盘背的一对磁珠利用电磁效应测量叶轮转速，并在监视屏上实时显示出来，若叶轮转速高于目标转速，则适当减小加温器上游阀门开度降低空气流量，或减小加温器供油量降低涡轮进口总温，使叶轮转速降低至目标值；反之，则适当加大加温器上游阀门开度增加空气流量，或增大加温器供油量提高涡轮进口总温，使叶轮转速增加至目标值。维持目标转速3(T60s，采集涡轮和压气机的空气流量，进出口截面的压力、温度，转轴扭矩等参数。完成该状态点压气机性能测量后，调节压气机下游阀门开度，压气机背压发生变化，流量、转速均随之变化，若压气机转速低于目标转速，则增加涡轮流量或提高涡轮进口温度，增大涡轮输出功率，使叶轮转速增至目标值；反之，则减小涡轮流量或降低涡轮进口温度，减小涡轮输出功率，使叶轮转速减至目标值。维持目标转速3(T60s，采集各项参数，完成该转速、流量状态点的压气机性能测量。同理，不断调节压气机背压和涡轮输出功率，使叶轮转速维持在目标值，即可获得该转速状态下的压气机特性线。涡轮试验方法启动空压机，压缩空气经过滤、干燥后输送到稳压罐中稳定压力，打开加温器上游调节阀门，压缩空气流经流量计测定空气流量后进入加温器，在加温器内点火燃烧，达到一定温度后，输送到涡轮进气涡壳经涡轮进气转接段流入导向器，在导向器内加速后冲击涡轮转子，使其带动压气机转子一起旋转。通过安装在压气机盘背的一对磁珠利用电磁效应测量叶轮转速，并在监视屏上实时显示出来，若叶轮转速高于目标转速，则适当减小加温器上游阀门开度降低空气流量，或减小加温器供油量降低涡轮进口总温，使叶轮转速降低至目标值；反之，则适当加大加温器上游阀门开度增加空气流量，或增大加温器供油量提高涡轮进口总温，使叶轮转速增加至目标值。维持目标转速3(T60s，采集涡轮和压气机的空气流量，进出口截面的压力、温度，转轴扭矩等参数。完成该状态点涡轮性能测量后，调节涡轮下游堵锥锥位，涡轮背压发生变化，流量、转速均随之变化，若涡轮转速低于目标转速，则减小压气机下游阀门开度，降低负载压气机所需功率，使叶轮转速增至目标值；反之，增大压气机下游阀门开度，增加负载压气机所需功率，使叶轮转速增至目标值。维持目标转速3(T60s，采集各项参数，完成该转速、流量状态点的涡轮性能测量。同理，不断调节涡轮背压和负载压气机所需功率，使叶轮转速维持在目标值，即可获得该转速状态下的涡轮特性 线。
权利要求1.微型压气机/涡轮联合试验台，其特征是包括气源、加温器、涡轮组件、压气机组件、PC控制机、測量与数据采集系统、扭矩传感器、振动监控系统，其中气源连接加温器，气源为加温器提供高压空气；加温器连接涡轮组件，涡轮组件中的涡轮转子通过转轴连接压气机组件中的压气机转子，PC控制机中的A控制信号端与上行电动调节阀相接，PC控制机中的B控制信号端与下行电动调节阀相接，PC控制机中的C控制信号端与快速排放阀相接，PC控制机中的D控制信号端与油泵相接；设置在转轴上的扭矩传感器的信号输出端与測量与数据采集系统的第一信号输入端相接，由加温器加热得到的热燃气通过热电偶与測量与数据采集系统的第二信号输入端相接，涡轮组件的信号输出端与測量与数据采集系统的第三信号输入端相接，压气机组件的压力、温度信号输出端和下行流量输出端、下行管路压カ信号输出端与測量与数据采集系统的第四信号输入端相接，上行流量输出端与測量与数据采集系统的第五信号输入端相接，上行管路压カ信号输出端与数据采集系统的第六信号输入端相接，振动监控系统的振动信号检测端与压气机组件连接以测量系统振动信号，振动监控系统的信号输出端与測量与数据采集系统的第七信号输入端相接，数据采集系统的信号输出端与PC机相接。
2.根据权利要求I所述的微型压气机/涡轮联合试验台，其特征是压气机组件包括压气机支座、压气机轴承机匣、进气整流管路、压气机排气转接段、压气机排气涡壳、压气机转子、扩压器、压气机转子机匣、压气机静子机匣、转轴，其中进气整流管路与压气机转子机匣、压气机静子机匣、扩压器、压气机轴承机匣、压气机排气转接段顺序连接，压气机排气涡壳与压气机排气转接段连接，在涡壳下游安装測量压气机空气流量的流量计，在该流量计下游安装调节压气机背压改变压气机エ况的调节阀；在压气机静子机匣上设置测量压气机转子出口总温、总压和静压的测点，在压气机转子机匣上设置测量压气机流场内动态压カ信号的测点。
3.根据权利要求I所述的微型压气机/涡轮联合试验台，其特征是涡轮组件包括涡轮支座、涡轮轴承机匣、涡轮进气涡壳、涡轮进气转接段、涡轮导向器、涡轮转子、转轴、涡轮转子机匣、涡轮静子机匣、堵锥调节机构，其中涡轮进气涡壳与涡轮进气转接段连接，涡轮进气转接段与涡轮轴承机匣、涡轮导向器、涡轮静子机匣、涡轮转子机匣顺序连接，转轴与涡轮转子依靠轴承支撑在涡轮轴承机匣内，堵锥调节机构连接在涡轮转子机匣下游，在加温器上游安装测量涡轮空气流量的流量计，在该流量计上游安装调节阀；堵锥调节机构安装在涡轮转子下游，在导向器机匣上设置测量导向器进ロ总温、总压和静压的测点，在涡轮转子机匣上设置测量涡轮转子出口总温、总压和静压的测点。
4.根据权利要求3所述的微型压气机/涡轮联合试验台，其特征是涡轮进气涡壳外壁面敷设隔热材料。
专利摘要本实用新型是微型压气机/涡轮联合试验台，包括气源、加温器、涡轮组件、压气机组件、PC控制机、测量与数据采集系统、扭矩传感器、振动监控系统，优点用高温燃气驱动涡轮并带动压气机旋转，具有独立的压气机气路和涡轮气路，可独立调节涡轮或压气机工况。在开展压气机部件试验时，涡轮作为动力源驱动压气机；在开展涡轮部件试验时，压气机作为负载调节涡轮输出功率。通过调节涡轮进口压力、温度，涡轮出口背压，压气机出口背压，实现涡轮和压气机在不同转速、流量工况下的匹配，获得测试叶轮的等转速特性线。独立的压气机组件和涡轮组件，分别支承压气机转子与涡轮转子，中间依靠转轴连接。模块化结构设计，提高通用性和利用率。
文档编号G01M15/14GK202582906SQ20122007247
公开日2012年12月5日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者夏晨, 黄国平, 陈杰, 傅鑫, 朱剑锋 申请人:南京航空航天大学
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