一种带动力回收涡轮的压气机试验台的制作方法

1.本实用新型涉及压气机技术领域，具体涉及一种带动力回收涡轮的压气机试验台。


背景技术：

2.压气机试验是验证压气机气动性能和结构设计的有效手段，是燃机研发过程中的必要一环。传统的压气机试验台常以单一动力源驱动压气机开展试验，较常见的动力源为静止变频器和变频电机结合，或者是燃气轮机，或者是定频电机和液力变扭器结合。压气机试验过程中，压气机的功率消耗较大，而降低压气机功率消耗的方式通常是依靠进气节流降低压气机的进气流量进而降低压气机的功率消耗，这种方式会伴随由于雷诺数降低而导致的试验压气机性能衰减。
3.中国专利cn108279127b公开了一种压气机综合性能试验台，试验压气机、两用电机、试验涡轮同轴连接，第一系统进气道和第二系统进气道并联后连通试验压气机进气口，第一压气机出口支路连通回热器的冷端进气口，经回热器冷端支路连通回热器的冷端出口，第二压气机出口支路分别连接粗调节支路和微调节支路，粗调节支路、微调节支路以及回热器冷端出口后管路汇合后依次连通电加热器、涡轮进气口，第三压气机出口支路连通排气道，第一涡轮出口支路连通回热器的热端进口，经回热器热端支路连通回热器的热端出口，之后连通排气道，第二涡轮出口支路连通排气道。该试验台不仅能够承担常规的压气机性能试验，还具备了压气机的湿压缩试验，布雷顿循环性能试验能力。但是这种试验台管网布置复杂，且缺少级间放气系统，功能难以满足工业燃机的压气机试验需求，与燃机整机试验台的通用性较低，后续试验台难以改造为燃机整机试验台，不利于开展燃机产品的系列化试验。
4.因此，亟需设计一种带动力回收涡轮的压气机试验台，利用空气涡轮回收试验压气机所排出的高温高压空气，通过与试验压气机同轴布置，有效降低试验压气机的功率消耗，最大程度的满足工业燃机压气机试验的实际需求，尽可能还原压气机在燃机整机中的工作状态，获取最为接近实际应用的压气机试验结果。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本实用新型提供一种带动力回收涡轮的压气机试验台，技术方案如下：
6.一种带动力回收涡轮的压气机试验台，包括全尺寸的试验压气机，所述试验压气机的进口设置有进气室，所述进气室连接进气系统；所述试验压气机的转子前端连接动力系统，由冷端输入动力；所述试验压气机的出口设置有扩压段，所述扩压段连接空气涡轮，用以回收动力；所述空气涡轮的转子前端与所述试验压气机的转子后端同轴连接；所述空气涡轮的出口连接试验台排气道；所述扩压段与所述空气涡轮之间设置有调节部件，用于调节所述试验压气机的排气压力和所述空气涡轮的进气压力。
7.进一步地，所述调节部件为设置在所述扩压段外缸上的旋转隔板节气门，所述旋转隔板节气门与所述试验压气机的转子中心线垂直设置，所述旋转隔板节气门包括转动环和固定环；所述转动环上设置有若干堵板，所述固定环上设置有若干与所述堵板对应的通气窗；所述转动环旋转时，所述堵板与所述通气窗重叠部分不断变化，调节所述试验压气机的排气压力和所述空气涡轮的进气压力。
8.进一步地，所述调节部件也可以为设置在所述空气涡轮进口的可调喷嘴，所述可调喷嘴旋转时，调节所述试验压气机的排气压力和所述空气涡轮的进气压力。
9.进一步地，所述试验压气机内设置有可调静叶，所述可调静叶的数量至少为一列。
10.进一步地，所述试验压气机的级间连接级间放气系统，所述级间放气系统包括防喘放气阀和冷气调节阀，所述防喘放气阀和所述冷气调节阀并联设置，所述防喘放气阀的排气管路连接所述试验台排气道。
11.更进一步地，所述冷气调节阀的排气管路并入所述防喘放气阀的排气管路。
12.更进一步地，所述冷气调节阀的排气管路也可以连接所述空气涡轮的级间位置。
13.更进一步地，所述级间放气系统的数量至少为一组。
14.进一步地，所述扩压段的外缸连接旁路排气系统，所述旁路排气系统包括第一退喘调节阀和第二退喘调节阀，所述第一退喘调节阀和所述第二退喘调节阀并联设置，进入所述旁路排气系统的气体经所述第一退喘调节阀和所述第二退喘调节阀之后并入所述试验台排气道。
15.进一步地，所述进气系统包括依次顺序设置的第一稳压箱、进气扩压段和第二稳压箱，所述第一稳压箱内依次顺序设置有液滴分离器、前置过滤器、消音器、导流片、第一蜂窝稳流器和进口流量管，所述进气扩压段内设置有进气节气门，所述第二稳压箱内依次顺序设置有孔板稳流器和第二蜂窝稳流器。
16.更进一步地，所述进气节气门为百叶窗式节流阀或者活塞式减压阀。
17.进一步地，所述动力系统包括动力源、盘车装置和齿轮箱，所述齿轮箱具有第一出轴、第二出轴和第三出轴；所述第一出轴通过联轴器与所述动力源连接，所述第二出轴连接所述盘车装置，所述第三出轴连接所述试验压气机。
18.更进一步地，所述动力源为变频电机，所述变频电机连接静止变频器。
19.更进一步地，所述动力源也可以为定频电机，所述定频电机与所述齿轮箱之间设置有液力变扭器。
20.更进一步地，所述动力源也可以为发电机，所述发电机连接静止变频器。
21.本实用新型的有益效果为：
22.1.本实用新型通过在试验压气机后端同轴设置空气涡轮回收压气机排气的能量。试验压气机输出的高温高压气体进入空气涡轮后使空气涡轮工作，将气体的内能转化为机械能带动涡轮转动，空气涡轮的转子进而带动同轴相连的试验压气机转子转动。此处，空气涡轮输出功率为试验压气机所用，可以视为试验压气机的辅助动力源，降低试验压气机对动力源的功率需求，降低压气机试验台的能源消耗；经三维数值仿真预测，空气涡轮所能回收的功率达到了压气机耗功的35％～50％；进一步结合进气节气门的节流作用，压气机试验的动力源仅需提供实际功率需求的30％左右即可支撑全尺寸压气机性能试验的开展。
23.2.本实用新型的试验压气机和空气涡轮的布置方式可以保证全尺寸的试验压气
机本体有大量零件与燃机整机保持一致，待压气机性能试验完成后，可将部分零件继续沿用至整机试验，降低整机试验的加工成本，缩短整机试验样机的加工周期。
24.3.本实用新型的压气机试验台布置方式可以保证压气机试验台的部分辅助系统可以与燃机整机试验通用，待压气机性能试验完成后，辅助系统经过适当改造即可承担后续的整机试验任务。需要评估后适当改造的系统包括：测试系统、进气系统、级间放气系统、动力系统、润滑油系统、控制油系统、仪表气系统、冷却水系统等。
25.4.本实用新型通过设置旁路排气系统，旁路排气系统包括两个并联设置的退喘调节阀，当压气机发生喘振时，喘振监测系统会在极短的时间内发出开关量信号，控制第一退喘调节阀快速打开，如第一退喘调节阀出现卡滞，控制系统将快速开启第二退喘调节阀以实现试验件的退喘，快速解除压气机的喘振问题。
附图说明
26.图1为本实用新型实施例一的连接示意图。
27.图2为本实用新型实施例二的连接示意图。
28.图3为本实用新型实施例三的连接示意图。
29.图4为本实用新型中所述调节部件为旋转隔板节气门时的试验压气机与空气涡轮的连接结构示意图。
30.图5为本实用新型中所述调节部件为可调喷嘴时的试验压气机与空气涡轮的连接结构示意图。
31.附图标记说明：
32.1-第一稳压箱，2-液滴分离器，3-前置过滤器，4-消音器，5-导流片，6-第一蜂窝稳流器， 7-进口流量管，8-进气扩压段，9-进气节气门，10-孔板稳流器，11-第二蜂窝稳流器，12-第二稳压箱，13-进气室，14-可调静叶，15-试验压气机，16-扩压段，17-防喘放气阀，18-冷气调节阀，19-调节部件，20-空气涡轮，21-第一退喘调节阀，22-第二退喘调节阀，23-联轴器， 24-盘车装置，25-齿轮箱，26-静止变频器，27-变频电机，28-定频电机，29-液力变扭器，30
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转动环，31-固定环，32-发电机，33-可调喷嘴。
具体实施方式
33.下面将结合附图说明对本实用新型的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本实用新型的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”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实用新型和简化描述，并不是指示或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实用新型的限制。
34.实施例一
35.如图1所示，本实用新型提供一种带动力回收涡轮的压气机试验台，包括试验压气机15，所述试验压气机15的进口设置有进气室13，所述进气室13连接进气系统；所述试验压气机 15的转子前端连接动力系统；所述试验压气机15的出口设置有扩压段16，所述扩压段16连接空气涡轮20，所述空气涡轮20的转子前端与所述试验压气机15的转子后端同轴连
接；所述空气涡轮20的出口连接试验台排气道；所述扩压段16与所述空气涡轮20之间设置有调节部件19，用于调节所述试验压气机15的排气压力和所述空气涡轮20的进气压力。
36.如图4所示，所述调节部件19为设置在所述扩压段16外缸上的旋转隔板节气门，所述旋转隔板节气门与所述试验压气机15的转子中心线垂直设置，所述旋转隔板节气门由转动环 30和固定环31组成；所述转动环30上设置有若干堵板，所述固定环31上设置有若干与所述堵板对应的通气窗；所述转动环30与所述固定环31通过球轴承连接，保证转动环30旋转顺畅；所述转动环30旋转时，所述堵板与所述通气窗重叠部分不断变化，调节所述试验压气机15的排气压力和所述空气涡轮20的进气压力。
37.如图5所示，所述调节部件19也可以为设置在所述空气涡轮20进口的可调喷嘴33，同样能够调节所述试验压气机15的排气压力和空气涡轮20的进气压力。
38.进一步地，所述试验压气机15内设置有可调静叶14，所述可调静叶14至少为一列，所述可调静叶14的开度可调。
39.进一步地，所述试验压气机15的级间连接级间放气系统，所述级间放气系统包括防喘放气阀17和冷气调节阀18，所述防喘放气阀17和所述冷气调节阀18并联设置，所述冷气调节阀18的排气管路并入所述防喘放气阀17的排气管路，所述防喘放气阀17的排气管路连接所述试验台排气道。在试验过程中，通过调节所述防喘放气阀17和所述冷气调节阀18的开度可以实现对防喘放气量和冷却空气量的调节；同时，冷气调节阀18可以作为防喘放气阀 17的精调阀，达到更高精度的防喘放气量调节目的。
40.依据试验压气机15的级间防喘放气需求和试验压气机所对应的燃气轮机中的燃气涡轮的冷却空气需求确定所述级间放气系统的数量，所述级间放气系统的数量不局限于一套。
41.进一步地，所述扩压段16的外缸连接旁路排气系统，所述旁路排气系统包括第一退喘调节阀21和第二退喘调节阀22，所述第一退喘调节阀21和所述第二退喘调节阀22并联设置，所述第一退喘调节阀21和所述第二退喘调节阀22均具有可调和快开功能；所述第二退喘调节阀22的排气管路并入所述第一退喘调节阀21的排气管路，所述第一退喘调节阀21的排气管路连接所述试验台排气道。所述第一退喘调节阀21的功能为实现试验压气机15的快速退喘，在试验启动过程中，第一退喘调节阀21处于关闭状态，当试验压气机15出现喘振现象时，第一退喘调节阀21接收到信号后快速开启以快速排出高压气体；第二退喘调节阀22具有两方面的功能，其一，在试验初始，可以通过调节第二退喘调节阀22改变试验压气机15 的工况点，此时，第二退喘调节阀22主要实现其试验压气机15工况调节的功能；其二，当第二退喘调节阀22调节至全闭状态后，第二退喘调节阀22主要实现其备用退喘的功能：当第一退喘调节阀21出现卡滞时，快速开启第二退喘调节阀22以实现试验件的退喘。
42.第一退喘调节阀21和第二退喘调节阀22的功能可以灵活互换，互为备份：可以由第一退喘调节阀21承担压气机试验工况调节和备用退喘的功能，第二退喘调节阀22承担主退喘功能；也可以由第一退喘调节阀21承担压气机试验工况调节和主退喘的功能，第二退喘调节阀22承担备用退喘功能。
43.具体地，所述进气系统包括依次顺序设置的第一稳压箱1、进气扩压段8和第二稳压箱 12，所述第一稳压箱1内依次顺序设置有液滴分离器2、前置过滤器3、消音器4、导流片5、第一蜂窝稳流器6和进口流量管7，所述进气扩压段8内设置有进气节气门9，所述第二稳
压箱12内依次顺序设置有孔板稳流器10和第二蜂窝稳流器11。进气节气门9为百叶窗式节流阀或者活塞式减压阀，实现对试验压气机15进气的节流，从而减少试验的功率需求。所述第一稳压箱1和所述第二稳压箱12内的整流器布置方案并不唯一，通过简单替换或调整以能够满足压气机进口不均匀度和湍流度要求为目标的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。
44.具体地，所述动力系统包括动力源、盘车装置24和齿轮箱25，所述齿轮箱25具有第一出轴、第二出轴和第三出轴；所述第一出轴通过联轴器23与所述动力源连接，所述第二出轴连接所述盘车装置24，所述第三出轴连接所述试验压气机15。所述动力源为变频电机27，所述变频电机27连接静止变频器26。
45.上述的压气机试验台还需要其他辅助系统，包括：测试系统、润滑油系统、控制油系统、仪表气系统、冷却水系统等。
46.实施例二
47.如图2所示，实施例二与实施例一的不同之处在于：所述冷气调节阀18的排气管路连接所述空气涡轮20的级间位置，所述动力源为定频电机28，所述定频电机28与所述齿轮箱25 之间设置有液力变扭器29。
48.实施例三
49.如图3所示，实施例三与实施例一的不同之处在于：所述动力源为发电机32，所述发电机32连接静止变频器26。
50.上述压气机试验台的工作过程为：空气经进气系统依次进入进气室13、试验压气机15 进行压缩，试验压气机15的动力来源于动力系统，部分空气经试验压气机15压缩后经扩压段16和旋转隔板节气门排入空气涡轮20内，高温高压的空气进入空气涡轮20内膨胀做功，空气涡轮20的运转为试验压气机15提供了一部分动力，根据试验压气机15和空气涡轮20 的功率关系，空气涡轮20在试验启动过程中始终可以回收35％～50％的试验压气机15的耗功，结合一定的进气节流，动力源提供的动力仅占试验压气机15实际功率需求的30％左右，降低了整体试验台的能量消耗。试验过程中，通过先后调节第一退喘调节阀21或第二退喘调节阀 22的开度和旋转隔板节气门的开度，调节试验压气机15的排气压力和空气涡轮20的进气压力，从而实现对压气机试验工况的调节，以测取一定转速下的压气机特性线。
51.以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。