一种可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台
阅读说明：本技术 一种可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台 (Experimental table for measuring aerodynamic performance of exhaust diffuser capable of carrying out steady-state and transition-state experimental measurement ) 是由 李军 董雨轩 李志刚 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台。当实验台中的快速响应气动阀保持常开状态时,可进行排气扩压器稳态实验测量；通过调节快速响应气动阀的动作时间,该实验台可以模拟燃气轮机在启停,加速,减速等过渡态工况下的排气条件,进而进行排气扩压器过渡态实验测量。同时该实验平台中的排气扩压器模型采用模块化设计,可以更换不同的进气导叶和支撑板结构,因此可以测量不同进气旋流条件下,不同结构排气扩压器模型的气动性能。通过对比和分析稳态和过渡态的实验测量结果,有助于深入理解燃气轮机在变工况条件下真实的气动特性,为先进、高效排气扩压器的研发提供参考。(The invention discloses an experimental table for measuring the pneumatic performance of an exhaust diffuser, which can be used for carrying out steady-state and transition-state experimental measurement. When the quick response pneumatic valve in the experiment table is kept in a normally open state, the steady-state experiment measurement of the exhaust diffuser can be carried out; through adjusting the action time of quick response pneumatic valve, this laboratory bench can simulate gas turbine and open and stop, accelerate, the exhaust condition under the transition state operating mode such as speed reduction, and then carries out exhaust diffuser transition state experiment and measure. Meanwhile, the exhaust diffuser model in the experimental platform adopts a modular design, and different air inlet guide vanes and support plate structures can be replaced, so that the aerodynamic performance of the exhaust diffuser model with different structures can be measured under different air inlet rotational flow conditions. Through comparing and analyzing the experimental measurement results of the steady state and the transition state, the method is helpful for deeply understanding the real aerodynamic characteristics of the gas turbine under the variable working condition, and provides reference for the research and development of the advanced and efficient exhaust diffuser.)
技术领域
本发明属于燃气轮机气动技术领域，特别涉及一种可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台。
背景技术
排气扩压器作为燃气轮机的核心部件之一，自身的气动效率对燃气轮机整体的功率输出有着重要的影响，其静压恢复能力可以将涡轮出口燃气的部分动能转化为排气扩压器出口静压，由于排气扩压器出口静压一般为固定值(环境压力)，因此排气扩压器可以降低涡轮出口背压，提升涡轮的膨胀比，增加涡轮功率输出。研究表明，排气扩压器的静压恢复系数每增加0.1，燃气轮机的整机输出功率可提升0.8％。现如今，诸如燃烧室，涡轮等部件已具有非常高的效率，进一步提升这些部件效率的成本和难度较大，而排气扩压器的改进却仍有相当大的余地，因此，对燃气轮机排气扩压器气动性能的探究具有十分重要的意义。
目前国内外进行机理性研究的排气扩压器气动性能测量实验台，大多数是可进行稳态测量试验的实验台，无法模拟出真实燃气轮机在变工况下排气扩压器气动性能的变化。且排气扩压器模型多采用一体化设计，可进行测量的进气条件及排气扩压器结构比较单一。
发明内容
为了克服当前排气扩压器气动性能测量实验台的不足，本发明的目的在于提供一种可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台，既可进行稳态实验，又可进行过渡态实验，且进气旋流条件及支撑板结构方便调节。通过研究过渡态测量实验数据和稳态测量实验数据的差异，更深入和真实的探究燃气轮机变工况运行过程中排气扩压器气动性能的变化规律，为排气扩压器的优化、改进提供参考，进而提升燃气轮机整体的运行效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台，包括排气扩压器模型，所述排气扩压器模型的入口端连接实验管路，出口端设置移动测量平台，沿气流方向，所述实验管路上依次设置有热式流量计、快速响应气动阀和稳压腔室，所述移动测量平台用于遍历测量排气扩压器模型出口压力场和速度场。
进一步地，所述排气扩压器模型包括壳体以及位于壳体中的轴向的内轮毂，内轮毂通过支撑板结构安装于壳体内，在内轮毂与壳体壁面之间设置湍流栅格结构和进气导叶结构，其中湍流栅格结构位于排气扩压器模型的入口端，进气导叶结构位于湍流栅格结构的后方，用于模拟真实燃气轮机中动力涡轮产生的尾迹流和旋流。
进一步地，所述排气扩压器模型采用模块化设计，湍流栅格结构、进气导叶结构和支撑板结构均为可更换的模块化单元。
进一步地，所述排气扩压器模型的壳体壁面材料及内轮毂材料为7系航空铝，湍流栅格结构为不锈钢，进气导叶结构和支撑板结构采用韧性树脂材料，由3D打印制造。
进一步地，所述排气扩压器模型内位于进气导叶结构后方沿周向均匀布置若干三孔探针测量孔，后方三孔探针由探针夹固定，沿径向移动测量进气导叶结构后方的压力场和速度场，在排气扩压器模型壳体壁面布置有壁面静压测点。
进一步地，所述热式流量计响应频率小于100ms，质量流量信号由NI-9234采集卡采集，所述快速响应气动阀由气泵通过气泵供气管路单独供气，快速响应气动阀的动作时间在1-10s范围内调节，从而在其下游形成不同变化速率的压力场，模拟燃气轮机在启停，加速，减速等过渡态工况下的压力场；且快速响应气动阀的阀门开关触发信号由专用控制箱进行控制，快速响应气动阀动作开始和动作完成时输出脉冲电压信号，以此精确定位阀门开始动作和结束动作的时间。
进一步地，所述稳压腔室内固定有稳流蜂窝，稳流蜂窝的芯格直径为3mm，用于为下游提供均匀稳定的实验气流。
进一步地，所述实验管路中位于稳压腔室与排气扩压器模型入口端之间布置有能够沿径向方向进行移动的入口三孔探针，用于测量出管路中流体的速度和压力沿径向分布的曲线。
进一步地，当快速响应气动阀保持全开状态时，整个实验平台管路形成一个通路，压缩机气流经流量计、快速响应气动阀、稳压腔室流入排气扩压器模型，利用入口三孔探针、后方三孔探针、壁面静压测点、出口移动测量平台对排气扩压器模型进、出口压力和速度场及内部压力和速度场进行测量。
进一步地，所述移动测量平台包括探针，探针固定在滑块上，滑块设置于丝杆上，由控制器控制伺服电机驱动滑块沿丝杆滑动，进而带动探针在排气扩压器模型出口的往复移动测量，移动测量平台的重复定位精度为0.05mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
当前关于排气扩压器气动性能测量的实验平台多只能进行稳态工况下的测量实验，但在真实的燃气轮机运行过程中，燃气轮机会经历减速，加速，启停等过渡态运行过程。在这些过程中，燃气轮机排气扩压器内部的气动参数会发生剧烈变化，排气扩压器作为燃气轮机出口部分的关键部件，其气动性能影响着动力涡轮的排气环境，进而对燃气轮机整体运行产生影响。本实验台不仅可以进行常规稳态工况下排气扩压器气动性能的测量，还能通过可调节阀门动作时间的快速响应气动阀模拟出不同变化速率的压力场，以及配套的多物理量同步触发采集系统，获得排气扩压器在过渡态工况下随进气条件变化的气动数据。这有利于深入理解过渡态工况下排气扩压器气动性能的变化规律，及其对燃气轮机整体的影响，增强燃气轮机运行安全性，同时为排气扩压器的优化设计，先进排气扩压器的研发提供参考，最终提升燃气轮机整体的运行效率。
附图说明
图1是本发明实验台整体示意图。
图2是本发明排气扩压器实验模型。
图3是本发明稳压腔室内湍流栅格。
图4是本发明移动测量平台示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台，包括实验管路3、排气扩压器模型6和移动测量平台7，其中沿气流方向，实验管路3上依次设置有热式流量计1、快速响应气动阀2和稳压腔室4，实验管路3的出口端与排气扩压器模型6的入口端连接，移动测量平台7设置在排气扩压器模型6的出口端，用于遍历测量排气扩压器模型6出口压力场和速度场。
如图2所示，本发明的一个实施例，排气扩压器模型6包括壳体，在壳体内沿轴向安装有内轮毂，内轮毂通过支撑板结构6c安装于壳体内。在内轮毂与壳体壁面之间设置湍流栅格结构6a和进气导叶结构6b，其中湍流栅格结构6a位于排气扩压器模型6的入口端，沿气流方向，进气导叶结构6b位于湍流栅格结构6a的后方，用于模拟真实燃气轮机中动力涡轮产生的尾迹流和旋流。进气导叶结构6b一般位于支撑板结构6c的前方。
示例地，在本发明中，排气扩压器模型6采用了模块化设计，湍流栅格结构6a、进气导叶结构6b和支撑板结构6c均为可快捷拆卸更换的模块化单元。因此本实验台可测量不同湍流度，不同气流预旋，不同支撑板结构下的排气扩压器气动性能。
作为工艺的一部分，本发明排气扩压器模型6的壳体壁面及内轮毂材料采用了7系航空铝，湍流栅格结构6a采用了不锈钢，进气导叶结构6b和支撑板结构6c采用了韧性树脂材料，由3D打印制造。显然，其它适宜材料亦可被用于上述部件中。
本发明的一个实施例中，排气扩压器模型6内位于进气导叶结构6b后方沿周向均匀布置若干三孔探针测量孔6d，后方三孔探针由探针夹固定，可沿径向在三孔探针测量孔6d中移动，测量进气导叶结构6b后方的压力场和速度场。在排气扩压器模型6壳体壁面布置有壁面静压测点6e。
本发明的一个实施例中，热式流量计1安装在实验管路3上游，用来监测实验过程中管路中流体的质量流量。热式流量计1响应频率小于100ms，质量流量信号由NI-9234采集卡采集，该采集卡具有102dB动态范围，同时以每通道高达51.2kHz的速率对信号进行数字化。
本发明的一个实施例中，快速响应气动阀2由气泵8通过气泵供气管路9单独供气，快速响应气动阀2的动作时间(阀门由开到关或由关到开的时间)可在1-10s范围内调节，从而在其下游形成不同变化速率的压力场，模拟燃气轮机在启停，加速，减速等过渡态工况下的压力场。且快速响应气动阀2的阀门开关触发信号由专用控制箱进行控制，动作时间可由NI-9234采集卡采集。快速响应气动阀2动作开始和动作完成时可以输出脉冲电压信号，以此精确定位阀门开始动作和结束动作的时间。
如图3所示，本发明的一个实施例中，稳压腔室4内固定有稳流蜂窝4a，稳流蜂窝4a由紧固圈4b进行固定。稳流蜂窝的芯格直径为3mm，用于为下游提供均匀稳定的实验气流。
本发明的一个实施例中，实验管路3中位于稳压腔室4与排气扩压器模型6入口端之间布置有能够沿径向方向进行移动的入口三孔探针5，用于测量出管路中流体的速度和压力沿径向分布的曲线。
如图4所示，本发明的一个实施例中，移动测量平台7包括探针7a，探针7a可为五孔探针。探针7a固定在滑块7b上，滑块7b设置于丝杆7c上，由控制器控制伺服电机驱动滑块7b沿丝杆7c滑动，进而带动探针7a在排气扩压器模型6出口的往复移动测量，移动测量平台7的重复定位精度为0.05mm，可覆盖300×300mm的平面范围，可对排气扩压器模型6出口压力场和速度场进行遍历测量。示例地，热式流量计1的流量信号及阀门触发信号均由NI-9234采集卡采集后经Labview程序进行处理。移动测量平台7的控制程序也嵌入Labview程序。
测量时，压缩机气流经流量计1、快速响应气动阀2、稳压腔室4流入排气扩压器模型6，利用入口三孔探针5、进气导叶结构6b后方三孔探针、壁面静压测点6e、出口移动测量平台7对排气扩压器模型6进、出口压力和速度场及内部压力和速度场进行测量，实验台所有的压力信号由PSI9216压力扫描阀进行处理，仪器测量精度为0.05％，完成排气扩压器气动性能测量。
本发明还提供了基于可进行稳态和过渡态实验测量的排气扩压器气动性能测量实验台的实验方法，包括：
进行稳态实验时，布置好相关测量仪器及信号采集装置后启动气泵8，使气泵8的储气罐压力达到设定值。然后打开气泵供气管路9上的阀门，使气泵8对快速响应气动阀2保持供气状态。触发快速响应气动阀2控制箱的“开”信号，快速响应气动阀2阀门打开且保持全开状态，此时实验平台管路形成一个通路，可开展稳态测量实验。
启动压缩机，压缩机开始为实验台提供气源，利用热式流量计1和入口三孔探针5监测实验管路3中的气体流量及压力，通过旁通阀调节压缩机出口气体的流量和压力大小，直至达到稳态实验所需的入口压力，流量大小。待热式流量计1和入口三孔探针5监测到的流量和压力稳定后，开始进行实验测量。其中入口三孔探针5可沿径向方向移动，获取排气扩压器模型6入口流体的速度和压力分布，后方三孔探针可测量进气导叶结构6b后方的流场状态。在排气扩压器模型6壁面上布置有壁面静压测点6e，可测量排气扩压器壁面压力分布特点。并可利用Labview控制移动测量平台7，移动测量平台上固定的五孔探针7a，在Labview程序的控制下对出口流场进行测量，直至所有测量结束。
通过更换不同结构的湍流栅格结构6a、进气导叶结构6b或支撑板结构6c，重复上述操作，可进行不同湍流情况，不同进气旋流情况，不同支撑板结构下，排气扩压器模型6气动性能的测量。
进行过渡态实验时，布置好相关测量仪器及信号采集装置后启动气泵8，使气泵8的储气罐压力达到设定值。然后打开气泵供气管路9上的阀门，使气泵8对快速响应气动阀2保持供气状态。根据需要的压力变化速率设定好快速响应气动阀2的阀门动作时间，首先触发快速响应气动阀2控制箱的“开”信号，快速响应气动阀2阀门打开且保持全开状态，此时实验平台管路形成一个通路。
启动压缩机，压缩机开始为实验台提供气源，利用热式流量计1和入口三孔探针5监测实验管路3中的气体流量及压力，通过旁通阀调节压缩机出口气体的流量和压力大小，直至达到过渡态实验所需的初始入口压力，流量大小。
根据所需的过渡态压力变化情况调节快速响应气动阀2控制旋钮。触发快速响应气动阀2控制箱的“关”信号，快速响应气动阀2会根据设定的阀门动作时间关闭，快速响应气动阀2关闭过程中，实验管路3中流量、压力动态变化，此时可开展过渡态测量。
同理，最开始也可让快速响应气动阀2保持关闭状态，根据所需的过渡态压力变化情况调节快速响应气动阀2控制旋钮。触发快速响应气动阀2控制箱的“开”信号，快速响应气动阀2会根据设定的阀门动作时间启动直至全开，快速响应气动阀2开启过程中，实验管路3中流量、压力动态变化，此时可开展过渡态测量。
快速响应气动阀2动作开始的同时发出脉冲电压，采集卡采集到脉冲电压后，Labview程序触发PSI压力扫描阀、NI9234采集卡同步进行压力数据与流量数据的记录，待快速响应气动阀2动作结束的同时，再次发出脉冲电压，Labview程序停止PSI压力扫描阀、NI9234采集卡进行压力数据与流量数据的记录，完成一次快速响应气动阀2由“开”到“关”或由“关”到“开”对应的过度态实验工况测量。改变入口三孔探针5，后方三孔探针及出口移动测量平台7上探针7a的位置，重复上述操作，直至记录下所有测点的过渡态压力变化过程。
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