一种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台及方法
阅读说明：本技术 一种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台及方法 (Small gas turbine power measurement test bed and method based on two-stage speed change ) 是由 陈强峰 俞李斌 汤敏华 马聪 宋玉彩 孙士恩 胡卿 林钢 于 2021-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台,包括小型燃气轮机、两级变速齿轮箱、启动电机和水力测功器；小型燃气轮机包括小型燃气轮机压气机、小型燃气轮机燃烧室和小型燃气轮机透平,小型燃气轮机压气机空气出口连通至小型燃气轮机燃烧室空气入口,小型燃气轮机燃烧室出口连通至小型燃气轮机透平入口,小型燃气轮机透平排气口通过消音器连接至排气烟囱；小型燃气轮机压气机通过两级变速齿轮箱连接至水力测功器入口。本发明的有益效果是：本发明设置了两级变速齿轮箱、水力测功器等设备,可实现小型燃气轮机的测功试验、性能试验、耐久试验等一系列研发试验,综合测定和分析小型燃气轮机的动力性能。(The invention relates to a small gas turbine power measuring test bed based on two-stage speed change, which comprises a small gas turbine, a two-stage speed change gear box, a starting motor and a hydraulic power tester; the small gas turbine comprises a small gas turbine compressor, a small gas turbine combustion chamber and a small gas turbine, an air outlet of the small gas turbine compressor is communicated to an air inlet of the small gas turbine combustion chamber, an outlet of the small gas turbine combustion chamber is communicated to a turbine inlet of the small gas turbine, and a turbine exhaust port of the small gas turbine is connected to an exhaust chimney through a silencer; the compressor of the small gas turbine is connected to the inlet of the hydraulic dynamometer through a two-stage speed change gear box. The invention has the beneficial effects that: the invention is provided with two-stage speed change gear boxes, a hydraulic dynamometer and other equipment, can realize a series of research and development tests such as a dynamometer test, a performance test, a durability test and the like of the small gas turbine, and comprehensively measures and analyzes the power performance of the small gas turbine.)
技术领域
本发明涉及燃气轮机测功试验台，具体涉及一种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台及方法。
背景技术
小型燃气轮机主要适用于小规模分布式能源领域，如有一定蒸汽需求量的中小型工业园区和工业企业，目前是天然气锅炉简单地替代燃煤锅炉，后续可进一步采用联合循环(小型燃机+余热锅炉)替代，通过能源梯级利用以提高能源利用效率。此外，还可以用于机场和火车站等大型交通枢纽，数据中心(IDC)、医院、办公楼和综合商业体等公共建筑体分布式能源，也可以提供应急备用电源，建设低碳应用示范社区，也可以与风光发电组成区域低碳排放清洁能源区。小型燃气轮机的NOx排放较低，在环保要求更高的办公楼、综合商业体等场所，小型燃气轮机可以发挥其NOx排放低和噪音低等优势。
小型燃气轮机研发在国内仍在起步阶段，相关试验台搭建方案并不成熟。因此，亟需设计一种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台，可实现小型燃气轮机的测功试验、性能试验、耐久试验等一系列研发试验，综合测定和分析小型燃气轮机的动力性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台及方法。
这种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台，包括小型燃气轮机、两级变速齿轮箱、启动电机和水力测功器；小型燃气轮机包括小型燃气轮机压气机、小型燃气轮机燃烧室和小型燃气轮机透平，小型燃气轮机压气机空气出口连通至小型燃气轮机燃烧室空气入口，小型燃气轮机燃烧室出口连通至小型燃气轮机透平入口，小型燃气轮机透平排气口通过消音器连接至排气烟囱；小型燃气轮机压气机通过两级变速齿轮箱连接至水力测功器入口，其中两级变速齿轮箱包括第一级齿轮箱和第二级齿轮箱，小型燃气轮机压气机连接第一级齿轮箱，第一级齿轮箱连接至第二级齿轮箱，第二级齿轮箱连接至水力测功器入口，其中第一级齿轮箱还连接有启动电机；水力测功器出水口通过流量计和第二截止阀连接至地下水池入口，地下水池出口通过回水泵、第一止回阀、第三截止阀、第四截止阀和第五截止阀连接至机力冷却塔入口，机力冷却塔出口连接至泵前水池入口，泵前水池出口依次通过循环水泵、第二止回阀和第六截止阀连接至高位水箱入口，高位水箱出口通过第一截止阀连接至水力测功器进水口。
作为优选：小型燃气轮机压气机顶部连接空气进气过滤器。
作为优选：小型燃气轮机燃烧室连通燃料气通道。
作为优选：高位水箱和水力测功器均留有溢流管道连接至地下水池。
作为优选：小型燃气轮机压气机、小型燃气轮机燃烧室和小型燃气轮机透平之间通过流道连通成一体。
作为优选：小型燃气轮机、两级变速齿轮箱、启动电机和水力测功器放置于试验室内，试验室一侧设有集控室。
作为优选：空气进气过滤器位于试验室顶部；高位水箱位于集控室顶部；排气烟囱和消音器位于试验室外壁处，排气烟囱位于消音器上部。
这种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台的工作方法，包括以下步骤：
S1、小型燃气轮机在测定其动力性能的试验时，空气经过空气进气过滤器进入小型燃气轮机压气机，空气被压缩提升至一定的压力，同时燃料气进入小型燃气轮机燃烧器和空气混合后燃烧推动小型燃气轮机透平转动；做完功的排气通过消音器和排气烟囱排至大气；
S2、小型燃气轮机产生的转动机械能通过两级变速齿轮箱传递至水力测功器，测定其输出功率；水力测功器测定小型燃气轮机输出功率时，水力测功器吸收小型燃气轮机通过两级变速齿轮箱传递过来的机械能，转化为水的热能，水力测功器内水温升高；再通过流量计算出小型燃气轮机的输出功率；
S3、水力测功器内的水通过流量计和第二截止阀流向地下水池，再通过回水泵、第一止回阀、第三截止阀、第四截止阀和第五截止阀将升温后的水打至机力冷却塔进行冷却；
S4、机力冷却塔的排水先流入泵前水池，再经由循环水泵、第二止回阀和第六截止阀打至高位水箱；高位水箱的水通过势能经由第一截止阀流至水力测功器内。
作为优选：步骤S1中，当小型燃气轮机试验启动时，通过启动电机先将小型燃气轮机带至70％-80％的额定转速。
作为优选：步骤S4中，当高位水箱和水力测功器的水位过高时，水通过溢流管道溢流至地下水池。
本发明的有益效果是：
1、本发明设置了两级变速齿轮箱、水力测功器等设备，可实现小型燃气轮机的测功试验、性能试验、耐久试验等一系列研发试验，综合测定和分析小型燃气轮机的动力性能。
2、本发明采用两级变速齿轮箱，小型燃气轮机的过高转速可通过两级变速可调转速至水力测功器通用的低转速；同时也可在第一级齿轮箱上挂上启动电机；两级变速使本试验台的灵活性大大提升。
3、本发明采用水力测功器测试小型燃气轮机功率，水力测功器体积相对较小，且工作平稳，对不同转速、扭矩和功率的适应性强，用作小型燃气轮机的测试试验比较合适。
附图说明
图1为基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台工作流程示意图；
图2为基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台平面示意图；
图3为基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台剖面示意图。
附图标记说明：小型燃气轮机压气机1、小型燃气轮机燃烧室2、小型燃气轮机透平3、排气烟囱4、消音器5、空气进气过滤器6、第一级齿轮箱7、第二级齿轮箱8、水力测功器9、高位水箱10、启动电机11、地下水池12、回水泵13、机力冷却塔14、循环水泵15、第一截止阀16、流量计17、第二截止阀18、第三截止阀19、第一止回阀20、第四截止阀21、第五截止阀22、第六截止阀23、第二止回阀24、泵前水池25、集控室26、小型燃气轮机101。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供一种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台，如图1-3所示，包括小型燃气轮机101、两级变速齿轮箱、启动电机11、水力测功器9、相关辅助设备和系统。小型燃气轮机101包括小型燃气轮机压气机1、小型燃气轮机燃烧室2和小型燃气轮机透平3，小型燃气轮机压气机1空气出口连接至小型燃气轮机燃烧室2空气入口，小型燃气轮机燃烧室2出口连接至小型燃气轮机透平3入口，小型燃气轮机透平3排气口通过消音器5连接至排气烟囱4，其中小型燃气轮机压气机1顶部连通空气进气过滤器6，小型燃气轮机燃烧室2连通燃料气通道。小型燃气轮机压气机1通过两级变速齿轮箱连接至水力测功器9入口，其中两级变速齿轮箱包括第一级齿轮箱7和第二级齿轮箱8，小型燃气轮机压气机1连接第一级齿轮箱7，第一级齿轮箱7连接至第二级齿轮箱8，第二级齿轮箱8连接至水力测功器9入口，其中第一级齿轮箱7连接有另一种转速(相对于的小型燃气轮机压气机的另一种转速)的启动电机11。水力测功器9出水口通过流量计17和第二截止阀18连接至地下水池12入口，地下水池12出口通过回水泵13、第一止回阀20、第三截止阀19、第四截止阀21和第五截止阀22连接至机力冷却塔14入口，机力冷却塔14出口连接至泵前水池25入口，泵前水池25出口依次通过循环水泵15、第二止回阀24和第六截止阀23连接至高位水箱10入口，高位水箱10出口通过第一截止阀16连接至水力测功器9进水口，其中高位水箱10和水力测功器9都留有溢流管道连接至地下水池12。
在小型燃气轮机启动时，必须要通过外力达到一定转速，才能启动，因此需通过启动电机达到这个目的。
小型燃气轮机的额定转速约为25000转/分钟，第一级齿轮箱将转速降至12000转/分钟左右，第二级齿轮箱再将转速降至3000转/分钟。将启动电机挂在第一级齿轮箱上，可以少通过一级齿轮箱，减少机械损失，提高效率。同时在第一级齿轮箱上还可以挂发电机，模拟燃机发电机组发电试验等后续试验，使试验台的供能更具拓展性和灵活性。
现有技术中一般通过电涡流测功器和水力测功器去实现小型燃气轮机的测功试验。电涡流测功器在功率较大时体积较大。水力测功器相对体积较小，且安全性相对较高。水力测功器的加载反应时间为秒级，电涡流测功器的加载反应时间为ms级，电涡流测功器的加载反应更快，但作为测试试验，对加载反应时间要求不高。因此，体积相对较小、且工作平稳的水力测功器更适用于本试验台。
实施例二
本申请实施例二提供一种基于两级变速的小型燃气轮机测功试验台的测功方法，包括以下步骤：
1)小型燃气轮机在测定其动力性能的试验时，空气经过空气进气过滤器6进入小型燃气轮机压气机1，空气被压缩提升至一定的压力，同时燃料气进入小型燃气轮机燃烧器2和空气混合后燃烧推动小型燃气轮机透平3转动。做完功的排气通过消音器5和排气烟囱4排至大气。小型燃气轮机产生的转动机械能通过两级变速齿轮箱(即第一级齿轮箱7和第二级齿轮箱8)传递至水力测功器9，测定其输出功率。当小型燃气轮机试验启动时，需要通过启动电机11先将小型燃气轮机带至70％-80％的额定转速，以满足启动条件。
2)水力测功器9测定小型燃气轮机输出功率时，水力测功器9吸收小型燃气轮机通过两级变速齿轮箱传递过来的机械能，转化为水的热能，即水力测功器内水温升高。再通过水流流量计算出小型燃气轮机的输出功率。水力测功器9内的水通过流量计17和第二截止阀18流向地下水池12，再通过测功的回水泵13、第一止回阀20、第三截止阀19、第四截止阀21、第五截止阀22将升温后的水打至机力冷却塔14冷却。机力冷却塔14的排水先流入泵前水池25，再经由循环水泵15、第二止回阀24、第六截止阀23打至高位水箱10。高位水箱10的水通过势能经由第一截止阀16流至水力测功器9内，其势能可保证水力测功器9入口处的水压保持稳定。同时高位水箱10和水力测功器9都留有溢流管道接至地下水池12，可防止水位过高。
本专利可实现小型燃气轮机的测功试验、性能试验、耐久试验等一系列研发试验，其中性能试验与测功试验的方法类似，耐久试验即连续重复测试一段时间，试验耐久性能，相对较简单，此处不做赘述。
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