涡轮增压器试验台

1、第三章实验装置设计在上一章我们已经详细论述了压气机实验装置的实验原理，方案选择，还有实验装置的动力来源。在这一章里， 我们将详细介绍实验台各个系统的设计过程，整个实验装置包括实验装置总体布局、本体设计、冷却润滑系统、燃 烧点火系统等。 3.1实验装置总体设计实验装置总体布局根据压气机实验原理和我们选择的实验方案，我们设计了如图3-1所示的实验系统原理图，实物图3-2。由于实验台以压气机的测试为主，同时又可以做燃气透平与零功率燃气轮机特性测试实验，如下阐述我们的总 体布局方案。首先，压气机特性测试过程中，压气机与涡轮透平部分由阀门2切断，也就是上图中阀门2关闭，涡轮透平依 靠外部气源作为动力来启

2、动并升速，这样就可以带动压气机运转。测试过程中，压气机采用出口流量调节，依靠调 节阀门1不同的开度来实现不同的工况状态（阀门1直通大气）。在每一个工况条件下，可以通过调节外风源的流 量大小来实现恒转速，也就是调节阀门3的开度。理论上，这样通过测量压气机进出口空气的温度、压力和流量， 以及压气机的转速，压气机的特性曲线就可以完成了。但是如果仅靠外部气源，需要外部气源提供很高的压力，才 能使压气机和涡轮机的转速升高到60000rpm，这样也是很不经济的，而且也不宜实现。为此，我们是这样来实现的： 如图所示，在涡轮机前我们增加了燃烧室，当具有一定压力的空气进入燃烧室后，通过喷油点火燃烧的办法来提高温

3、度变成高温燃气，提供透平膨胀 功率，从而提高透平的转速和功率。通过调节喷油量和改变空气流量我们将比较容易的控制转速等实验参数，如此 就可以达到实验的基本条件了，进行压气机的特性实验。5实验装置还可以做另外的一组实验，即燃烧室和零功率燃气轮机特性实验，过程如下：阀门1全开，阀门2全 关，开启阀门3使涡轮机开始升速，到一定的转速后，喷油点火燃烧，逐渐开大阀门3增加空气流量，同时逐渐增 加喷油量，这样压气机的转速也在逐渐升高，当观测到压气机转速稳定到一定转速而压气机出口压力基本等于外气 源的压力时，逐渐关闭阀门1，开阀门2,同时关闭阀门3,这时涡轮增压器就转成自循环工作，而成为零功率燃气 轮机。摄片

4、源3-1压缩机布置方案图和测试系统图图3-2压缩机实验装置实物图关于压气机实验喘振的考虑在压气机实验台的设计过程中，压气机实验中对喘振的考虑是尤其要重要的，我们先来了解喘振的发生。当压 缩机在运转过程中，流量不断减小达到Qmin值时，就会在压缩机流道中出现严重的旋转脱离，流动严重恶化，使压缩机出口压力突然大大下降。由于压缩机总 是和管网系统联合工作的，这时管网中的压力并不马上减低，于是管网中的气体压力就反大于压缩机出口处的压力， 因而管网中的气体就倒流向压缩机，一直到管网中的压力下降至低于压缩机出口压力为止，这时倒流停止，压缩机又开始向管网供气，经过压缩机的流量又增大，压缩机又恢复正常工作，但

5、当管网中的压力 也恢复到原来的压力时，压缩机的流量又开始减小，系统中气体又产生倒流，如此周而复始，就在整个系统中产生 了周期性的气流振荡现象，这种现象称为“喘振”。因此，喘振现象不但和压缩机中严重的旋转脱离有关，还和管网系统密切相关。管网的容量愈大，则喘振的振幅 愈大，频率愈低。管网的容量愈小，则喘振的振幅愈小，频率愈高。所以，导致喘振的先决条件，首先在于压缩机越过最小流量值，产生了严重的旋转脱离和脱离区的急剧扩大的情 况，但这时是不是会发生喘振现象，则和压缩机与管网联合工作时的性能曲线状况有关。只有当管网性能曲线与压 缩机性能曲线的交点，进入喘振界限之内，才会发生喘振现象。如图3-3所示，管

6、网性能曲线在1，2, 3的位置时 都不会发生喘振，当管网性能移到图中4的位置，与压缩机性能曲线相交于s点，而s点已进入喘振界限线之内时， 才会出现整个系统的喘振现象。可以说压缩机达到最小流量点而产生了严重的旋转脱离是内因，管网与压缩机联合 工作时，性能曲线状况和交点的位置是条件，内因只有在条件的促成下，才能发生特有的现象一一喘振。图3-3压气机某转速下喘振示意图相关试验已经表明，在正常工况和喘振工况时，在压缩机出口处测得的气流速度和压力情况有本质的区别。在 正常工况下，压缩机出口压力的平均值高，而压力的变动幅值很小，说明压力场是稳定的。其速度场也是如此。在 喘振工况时，压力的平均值下降很多，且

7、振幅大，而速度的平均值非但下降，而且振幅非常大。这都说明在喘振工 况下，压缩机内气流流动的规律行性已遭破坏，压缩机已不再能正常压送气体了。在喘振点的压缩机性能曲线可能是连续的，也可能是不连续的。目前还无法预知运转中会出现哪一种情况。在 对叶轮进行试验表明，若性能曲线是连续的，一般是当流量减小到快经过Q点时，叶轮流道中先出现了小的脱离团， 再逐渐减小流量时，最初脱离团的数目增多了，然后出现了几个团的联合，以致形成一个大的脱离团（这个大团可 能占据叶栅的一半流通面积），最后才出现流道中完全脱离现象，发生了喘振。假使压缩机性能不是连续的，一般 是在当关小阀门，流量经过q时，在叶道中突然出现了一个大的

8、脱离团，并马上发生喘振现象。在叶轮后装有叶片 扩压器时，发现会使脱离团数目减小，并在流量还较大时，便开始形成一个大脱离团，这时压缩机的性能曲线也容 易出现不连续的情况。5, 8另外，压缩机进口气流的不均匀性，对旋转脱离和喘振界限也有影响。不均匀性愈严重，旋转脱离和喘振发生 的愈早，喘振界限也愈移向大流量。对压缩机，可以在不同转速下用实测法近似的得出各喘振点，如图3-4所示，如图中ABCD各点，将这些喘振 点连接起来，就得到一条喘振界限线，它可以视为通过原点的一条抛物线，该抛物线的的方程式为知=幅（3.1）式中外成为压缩机多变能量头为进口容积流量长为常数 显然，只有具备如下条件，才能保证离心式压

9、缩机在喘振区之外工作。hpdhpd图3-4压气机喘振边界线测试喘振现象对压缩机使十分有害的，喘振时由于气流强烈的脉动和周期性振荡，会使叶片强烈振动，叶轮动应力 大大增加，噪音加剧，使整个机组发生强烈振动，并可能损坏轴承，密封，进而造成严重的事故，但是至今为止， 对离心式压缩机的喘振还掌握的很不够，还不能从里论上比较正确的计算出性能曲线及喘振工况点，只能在压缩机 的性能测试时，根据经验来近似的判断是否已进入喘振工况了，其判断方法大致有下面几点：1.听测压缩机出口管道气流的噪音：离心式压缩机在稳定运转的正常工况下，其噪音较低且是连续性的，而 接近喘振工况时，由于整个系统产生气流周期性的振荡，因而在

10、出气管道中，气流发出的噪音也时高时低，产生周 期性变化，当进入喘振工况时，噪音立即大大增据，甚至暴音出现。 2.观测压缩机进口流量和出口压力的变化：离心式压缩机在稳定工况下运行时，其出口压力和进口流量的变 化是不大的，有规律的，且所测得得数据在平均值附近摆动，比那动得幅度很小，当接近或进入喘振工况时，二者 得变化都很大，发生了周期性大幅度得脉动，有时甚至发现有气体从压缩机进口处被倒推出来。3.观测机体和轴承得振动情况：当接近或进入喘振工况时，机体和轴承都发生强烈得振动，其振幅要比平常 正常运行时大大增加。根据以上对喘振的了解，我们采用的避免喘振的主要措施是在接近喘振点附近，减缓压气机出口节流装

11、置的调节速 度，如果发现压气机有异常，出现喘振的一些特征，立即开大压气机出口节流阀门的开度，实行放气保护压气机， 避免喘振。 3.2实验装置主体实验台的主体部分主要包括实验用压气机，压气机进气段，压气机出气段，涡轮机进气段，涡轮机出气段。压气机部分在安装时，主要考虑的是振动问题，为了避免压气机运转起来后的振动问题，在地面下1m处浇筑 两座钢筋混凝土柱子，然后把固定压气机的架子用膨胀螺栓锁紧在钢筋混凝土柱子上，这样压气机运转起来后整体 性就会比较稳定。一.压气机进气段的设计压气机进口段主要包括进口消音器、进口文丘里喷嘴、喷嘴前气流整流段、喷嘴下游段和两个连接段，系统图 见3-5，实物图见3-6。

12、1压气机进口连接2软接头 3文丘里喷嘴下游段 4文丘里喷嘴5文丘里喷嘴上游段6消音器连接段7进口消音器图3-5离心式压气机进口段布置图进口消音器的作用：一方面起到减小噪音，降低噪音的功效，另一方面还要过滤空气中的较大的杂质，以免一 些大的碎削进入压气机，损坏高速旋转的压气机叶片。进口文丘里喷嘴：选用ISO文丘里喷管测定流量，由于采用园弧过度，阻力损失小，从而降低流动过程中的压 力损失，还有测量精度比较高。详细的设计过程在下一节中将详细介绍。柔性接头：除了消音器和喷嘴部分外，还有消音器连接段和压气机进口连接段，柔性接头。两段连接段顾名思 义起到的作用仅仅是两个部件之间的联接过渡。柔性接头的作用是

13、一方面衰减由压气机传递过来的振动，一方面起 到热胀冷缩的作用。这样就可以保护压气机，因为整个装置都是刚性连接，有了柔性连接就能使压气机的振动不强 加给管路系统，压气机高速运转起来后，蜗壳温度还是很高的有两三百度，柔性管可以有伸缩补偿温度变化产生的 位移。我们在压气机的进、出口和涡轮机的进、出口分别加上了柔性连接，这样就可以把压气机本体的不利影响与 其它部分分割开来，这对压气机的正常运转是很有利的。3压气机出口段自4压气机出口段4压气机出口段13压气机出口段自4压气机出口段4压气机出口段1连接段 软接头5压气机出口段5E压气机出口段ET压气机出口段T8压气机出口段8弯头图3-6离心式压气机进口段

14、布置图二.压气机出口段的设计压气机出口段管路总图如图3-7,实物图见3-8。这里出口段主要包括出口连接段，柔性连接段，防喘排空段， 阀门连接段，阀门与涡轮机部分的连接弯头。这几段的作用基本上是起到连接的作用，这几段管道考虑的主要是单独做压气机实验时的工况调节和自循环做 实验时的调节。出口段的总长度主要由涡轮机进口的长度决定，因为那一边牵涉到燃烧器的位置和喷嘴的布置。为 了减小管道的阻力，尽量避免管径的突变，压气机出口直徊130mm，图中主干线上的管道直径取为 150mm，排 气管道取 100mm。管道的详细尺寸见附录。图3-7离心式压气机出口段布置图图3-8压气机出口及涡轮机进口实物图涡轮机进

15、口段的设计涡轮机进口段主要包括喷嘴进气上游段、喷嘴、喷嘴下游段、燃烧器、柔性连接、进口连接段。总图见3-9。其中 喷嘴上游段、下游段和喷嘴的设计标准和原理如上节所述。喷嘴的几何尺寸如下。涡轮机进口连接段2.软接管3.燃烧器出口收缩段4.燃烧器5.燃烧器喷油连接段6.喷嘴扩散段7.喷嘴8.喷嘴上游段图3-9涡轮机进口布置图涡轮机出口段的设计涡轮机出口段主要有排气扩散段，柔性连接段和涡轮机出口连接管道。为了使出口的阻力降低，我们采用了扩 散段，管径加粗，使涡轮机排气被压近似为大气压力。这样排出来的烟气压力损失就非常小。总图见3-10。1涡轮机出口联接 z软接头3涡轮机出口连接弯头4出口扩散段图3-

16、10离心式压气机示意图 3.3流量测量装置的设计在热力机械实验中，被测流体的流量通常是指单位时间内的流体的量。流量可用质量单位表示，也可用体积流量表 示，它们之间的关系为：G = PQ（3.1）式中G表示单位时间内流过的流体质量，Q单位时间内流过的流体体积p流过的流体密度由于p随流体的其他状态参数变化，因此在说明体积流量时，必须同时指出流体的参数。特别对于气体，为了 便于比较，常需要把它在工作条件时的体积流量折算为标准状态下的体积流量，用标准体积流量QN表示。流量的测量方法有直接测量和间接测量法。用标准容积（或标准质量砝码）和标准时间（频率计时装置）作为标准， 准确的测量出某一时间间隔内流过的

17、总量，推算出单位时间内的平均流量，这就是直接测量方法。这种方法常用作 为校验其他形式流量计的标准装置及燃油、滑油等消耗的计量，如测定液体体积的体积法。流量测量的另一种方法 就是通过测量和流量（或流速）有对应关系的物理量的变化得出流量，这就是间接测量方法。目前工程上或科学实 验中多采用这种方法，常用的间接测量方法有：节流差压式，变面积式、涡轮机械式、旋涡式等等。这里我们着重介绍标准节流装置。流体通过装置在管道中节流件时，流束造成局部收缩，其流速提高，压力减 小，这个节流件两侧的压差与通过的流量有关，流量越大，压差越大，所以能以此压差作为流量度量的尺度，这种 利用压力差的原理来测量流量的方法称为节

18、流压差法。把改变流束截面的节流元件、其取压装置和前后一定距离内 的管道（包括一部分阻流件）总称为测量流量的节流装置。节流装置中所用的节流件形式很多，有孔板、喷嘴等。它们的理论和基本方程都是相同的，不同的只是这些方 程中由实验所得的某些系数。目前，其中几种节流装置在我国和国际上都已标准化。它们在完全符合国家已定的设 计、安装和使用规程的各项条件时，流量和压差之间的关系可不经个别校准，而在规程中规定的误差范围之内直接 用计算方法确定。这种完全能用计算的方法确定其流量和压差之间关系的节流件称标准节流件，其成套装置称标准 节流装置。根据我国现有标准（草案），对于标准节流件的形状和取压方式规定有如下几种

19、：角接取压标准孔板装置；法 兰取压孔标准孔板装置；角接取压标准喷嘴。按照我国标准规程，标准节流装置的使用是有条件的，这些条件除上 面叙述的外，还有如下几点：各种计算和安装使用不适用脉动流和临界流的流量测量；流体必须充满节流装置，流 体在流进节流件前，其流束必须与管道轴线平行，不得有旋转流。9, 10,11,12此外，上述这些标准节流装置除具体结构参数外，它们的基本原理、安装要求等都类似。经过比较我们选用ISO 文丘里喷管测定流量，相对于孔板形式的流量测量其优点在于收缩段采用圆弧过渡，减小阻力，从而降低流动过程 中的阻力损失，且测量精度高。参照GB/T2624-1993的8.1和9.2喷管设计如

20、下：考虑到压气机进口直径130mm，为了使喷嘴下游的流动损失最小，气流经过喷嘴候部后管路不再扩张或收缩， 所以喷嘴的喉部尺寸取为130mm。确定流量系数a与喷嘴直径比6流量系数a在下列限制内与雷诺数无关： 直径比：与，5们喉部直径：=%顼，喉部雷诺数：篁闻式中为喷嘴上游的空气动力黏度，D上游风道的直径d喷嘴喉部直径a和6之间的关系有下列经验表达式给定：0.9858 0.196月牝 以=d n s（3.2）喷管形式为管道内的文丘里喷管，其流量系数a的误差ua （以表示）如下:膨胀系数:(3.3)(膨胀系数:(3.3)(3.4)(3.5)式中p流过喷嘴的压差，根据压气机最大流量反算， p最大约15

21、15pa，pu喷嘴上游大气压力，膨胀系数的误差u （以表示）如下：虬=（4 + 10。4）箜孔（3.6）当进口流量管的流量系数和膨胀系数一定时，便可以算出标准状态下的质量流量，Go =as J $ 后4 （3.7）根据上述公式，具体参数如下，取d = 0.13）= 0.20y? = 0.65 0.67喉部雷诺数R%:pe _4x0.8xl.885x10 x0.13=4.16X 106105空气流量系数G0.9858-0.196y?4J= 1.0134经计算 =0.985, k=1.4, P =0.1785同理可以计算涡轮机进口流量测量喷嘴 =0.985, k=1.4, P =0.1785根据上

22、面的计算和GB/T2624-1993，压气机进口流量测试喷嘴和涡轮机进口流量喷嘴的几何尺寸见附录。喷嘴上测压孔的位置和大小分别按国标来取，喷嘴法兰片和喉部分别各取四个均布静压孔，因为每个静压孔的 直径都是很小的，四个孔可以防止个别的被堵塞，然后每处四个静压孔用导压管相连，这样可以得到比较均匀稳定 的压力。根据标准，喷嘴上游应该有一段稳流段，一般取6-10d，我们取10d，在管道里加整流栅。下游段不采用扩 散段，但是下游段根据标准也是应该有一段稳流段的，我们均取3d。9,10,11,12,13,14 3.4油冷却润滑系统润滑系统对整个压气机实验台是至关重要的，因为整个实验装置要想正常运转起来，首

23、先要保证压气机轴承能正常 润滑。由于采用轴承选用的是高速油膜滑动轴承，需要润滑油在一定压力和温度的条件下油膜才比较容易形成，同 时轴承产生的大量热量也可以通过流动的润滑油带走，一旦润滑失常，压气机的轴承就会由于发热温度过高而被烧 毁。所以我们应该根据压气机润滑的要求来设计一套完整、合理的润滑体系。一.压气机润滑的基本要求滑油系统采用外供油的方式，供油管道的油孔直径不的小于压气机上的进油孔直径。滑油滤清，为避免轴承严重磨损，必须在压气机前安装滑油精滤器，滤清器的过滤精度必须小于35p m,过滤 效率必须大于99%，滤清器的滤芯在滤清器上的报警器报警时及时更换。润滑油，所有适合于柴油机的润滑油均适

24、用于本压气机，其粘度范围为：所有润滑油的杂质成分必须满足上述 要求。润滑油应经常更换，以保证润滑质量，要求初运转后，100小时后，应清洁或更换滑油滤清片，正常运转1000 小时后更换润滑油。压气机进油压力为4八6bar （表压），润滑油流量为25l/min。滑油压力和流量测量以压气机滑油进口处压力、 流量为准。油温，在正常运转情况下，润滑油粘度在允许的粘度范围内，允许的进油温度为tso=408（ C。满负荷时，最 大温度升高值为1=45 C,在启动时进油温度不低于10 C。6 .使用时，只有在润滑油的流量和压力达到规定的范围，压气机才能启动，在压气机停止运转后，才能停止供油。二.润滑系统的设计

25、根据以上对润滑系统的要求，我们的润滑系统主要要达到的目标是：一方面给压气机提供的润滑油压力和流量 要达到要求，一方面还有润滑油的温度要控制在所要求的范围内，还要保证润滑油的清洁。我们设计了润滑系统的 原理图如3-9。U ip林间断电源图3-11压气机润滑方案图润滑油的运行过程如下，首先油泵将润滑油从储油箱打出，通过调节阀门1和阀门2调节润滑油的压力和流量， 一部分润滑油通过旁通管路返回油箱，直至压力和流量达到要求为止，润滑油接着流经冷油器，在这里热的润滑油 经过热交换冷却，然后流经滑油细滤器，过滤后的滑油直接进入压气机进行润滑和冷却，经过压气机后，滑油直接 回到储油箱，完成一个循环。下面是各部

26、件的选择。油箱的尺寸见附录。对于油箱，为了满足脱气要求以及停车时能容纳所有系统的全部回 油量，储油箱的容积应保证油能停留5至8分钟。我们要求的流量25l/min，按8分钟算，我们油箱至少应有200的 容量，考虑到油箱不能全部装满，而且进入油箱回油速度很快，为防止溢出，我们的油箱总的容量设计为3001，而 且在油箱内设置了三层高低不同的挡板，一方面可以避免滑油在油箱里的过度波动，使滑油可以以波浪的形式翻滚 前进，从油箱的一端到另一端，到出油端后，润滑油已经不会象油箱下油端那样波动了，另一方面挡板还可以挡住 沉淀下来的杂质。在油箱的出油口处，安装粗滤器，过滤掉较大的杂质。为了启动方便，油箱内还安装

27、了预热设 备，如果温度较低，可以开启加热器，加热器为两根3千瓦的加热棒。冷油器的选择。润滑油经压气机的进出口最大温差为40度，出口温度最高125度，流量为25升/每分钟，由 此可以算得每小时润滑油带走的最大热量，Q = 40 x 25 x 60 x 0.9 x0.5 = 27000?(3/ th选择冷却水的流速4米每秒钟，管径25mm，由此每小时通过冷油器的水量为= 4x3.14x0.025x0.025/4x3600 = 7.0/b&t冷油器需要具有的换热能力通过这些循环水把压气机轴承产生的热量带走，当冷油器进出口水的温差大于5度时， 就可以这些热量全部带走。这对换热器来说是很容易达到的。16

28、,17,18,19值得注意的是，润滑系统的正常运转是非常重要的，一般情况下重要设备的润滑都有备用润滑方案，以便在紧 急情况下启动保证机器的正常运转。在这里，也考虑了两套备用方案，一种可以另外备用一套油泵电机，与原来的 电机油泵连锁，如果原来电机停止运转至使润滑油压下降，则备用油泵自动启动保证润滑；再有可以备用高位油箱， 或者将油箱与高压气体连接利用高压气体的压力增加备用油箱内的压力，电磁阀也与原来电机油泵连锁控制，一旦 原来润滑系统不能正常工作，所有备用方案就自动启动。 3.5实验装置燃烧系统设计实验装置的燃烧系统在实验装置中起着举足轻重的作用，它是唯一能使压气机迅速升速到极高转速的动力源。

29、燃烧系统主要包括如下几个部分：如燃烧器，燃油泵，燃油流量调节装置，燃油箱，还有高能点火装置等。一.燃烧系统原理设计燃油系统的工作过程简述如下：当启动阀门打开后，压气机达到一定转速，适合于点火后，启动高能点火器， 使点火枪处于放电点火状态，同时使燃油调节阀门处于全关状态，然后启动油泵电机，这时燃油被油泵出口阀门节 流，不能从油嘴喷出，缓慢调节燃油调节阀门的开度，提高油嘴前的油压，当油嘴前的油压达到7公斤以上时，根 据油嘴的特性可以知道，此时通过油嘴进入燃烧器的燃油已经达到很好的雾化状态，高能点火器就可以把燃油点燃， 由于油嘴连续喷油，火焰可以在燃烧器内形成稳定燃烧状态这时应该关闭点火器。实验过程

30、中通过调节油量调节阀 门可以调节同一转速条件下不同工况所需要的燃油量。燃烧系统原理图如图3-8所示。燃油量调节的机理：燃油量的调节主要由喷油嘴的特性决定，以3USgal/h的油嘴为例来说明其特性。从图中可 以看到在一定压力范围内，油嘴的流量变化是比较小的，由公式3.8可以知道油嘴流量的变化基本与压力的平方根 成正比。而我们所需要的流量调节范围远远大于同一油嘴所能承受的流量调节范围，这就限制了我们在实验中各种 转速和工况下连续调节。从现有的条件来看，可以更换不同型号的油嘴来做不同转速下压气机特性实验。在同一转 速下做实验，通过调节喷油嘴前的压力，改变喷油量的变化，根据我们给定的油嘴前压力变化范围，油嘴的喷油量 可以增加40%的范围调节，这样还是可以维持转速变，即使压气机调节工况稍有变化。4,5,6（3.8）V如0伏图3-12燃烧系统示意图21图3-13 3.5加仑喷油嘴喷油特性示意图10567 S 9 10 111213 14 1516 17 V如0伏图3-12燃烧系统示意图21图3-13 3.5加仑喷油嘴喷油特性示意图1