微型燃气轮机向心透平性能试验装置与测量系统

1、微型燃气轮机向心透平性能试验装置与测量系统邓清华 ,毛靖儒 ,倪平 ,丰镇平(西安交通大学 叶轮机械研究所 ,西安 710049)摘 要 : 为开发 100 kW 微型燃气轮机 ,自主设计建造了高速高精度向心透平性能试验装置 。对其主体部分的关键问题 ,如转子支撑 、动平衡等 ,进行了深入分析与探讨 。试验台功率吸收装置采用 高速水力测功器 ,最高转速为 50 000 rmin ,最大吸收功率 150 kW。针对水力测功器标定系统的不 足 ,给出了一种简单实用的解决方案 ,并对水力测功器力传感器进行了标定 。对该试验台向心透平 总静效率的测量误差及其影响因子进行了分析 。结果表明 : 效率极限

2、误差为 ±0 . 011 4 ,流量对效 率误差的影响因子要较其它物理量大 ,因而应尽可能提高流量的测量精度 。图 4 表 3 参 11关键词 : 动力机械工程 ; 微型燃气轮机 ; 向心透平 ; 试验装置 ; 水力测功器中图分类号 : TK477文献标识码 : AA Performa nc e Te st Rig a nd it s Me a suring Syste m forCe ntrip etal Turbine s of Micro2Ga s2Turbine sD EN G Qing2hua ,MAO J ing2ru ,FEN G Zhen2pingN IPing ,(

3、 Institute of Turbomachinery , Xian J iaotong University , Xian 710049 , China)Ab stract : For the purpose of developing micro2gas2turbines of 100 kW capacity , a high speed precision performance testrig for centripetal turbines has been designed and built . Intensive analyzing and exploring work ha

4、s been performed concerning key problems of its principal components , like ways of supporting the rotor and their dynamic balancing. A hydraulic dynamometer for a maximal rotational speed of 50000r . p . m and with a maximal power absorbing capacity of 150 kW is provided. A simple and practical way

5、 of calibrating the hydraulic dynamometer , which had been a problem before ,is proposed and has been used. Errors committed in determining the turbines efficiency by using the torque2speedmethod , or by using the calculation method with the help of thermodynamic measurements , are being analyzed to

6、gether with the influencing factors concerned. Results show , that the error of the former method is less than that of the latter ,respectively being (0 . 382 % and 0 . 988 %. Regardless of which method is being used , the efficiency errors influencingfactors of total temperature and of mass flow ar

7、e smaller by an order of one or two than those of physical quantities like pressure , torque and rotational speed. Therefore , endeavors should be made to raise the measuring precision of total temperature and mass flow as much as possible . Figs 4 , tables 3 and refs 11 .Keywo rd s : power and mech

8、anical engineering ; micro2gas2turbine ; centripetal turbine ; test rig ; hydraulic dynamometer微型燃气轮机在某些发达国家已成功应用于分布式发电 、军用车辆辅助动力装置 、车用混合动力装置 、燃料电池 - 燃气轮机联合循环装置等 ,此外在航 空 、航天等领域也能觅见其踪迹1 。向心透平是微 型燃气轮机的核心 ,其气动性能的好坏直接关系到整个系统能否高效 、可靠的运行 。近年来 ,我国相继开展了微型和重型燃气轮机收稿日期 :2006201214基金项目 :国家 863 计划资助项目 ( 2002AA50

9、3020) 和西安交通 大学博士学位论文基金 (DFXJ TU2005202)作者简介 :邓清华 (19752) ,男 ,河南灵宝人 ,博士研究生 ,目前主要从事向心透平气动设计及试验研究 。邓清华 ,等 :微型燃气轮机向心透平性能试验装置与测量系统第 5 期·625 ·技术的研发 ,但燃气轮机总体技术水平与发达国家存在着较大差距 ,因此急需在一些关键技术上迎头 赶上 。在微型燃气轮机向心透平方面 ,我国在涡轮 增压器与空分透平膨胀机向心透平上所开展的一些卓有成效的研究工作2 ,3 ,为其研发打下了良好的基础 。本文基于西安交通大学叶轮机械研究所承担的 国家 863 计划重

10、大专项“100 kW 微型燃气轮机设计 研制”向心透平子课题的研发工作4 26 ,在完成向心透平设计分析后 ,为开展部件特性试验研究 ,验证设 计能否达到预定目标 ,建造了以研究 100 kW 级微型 燃气轮机向心透平为主要目标的国内唯一的高速高 精度向心透平总体性能及部件特性试验台 。本文是该项目的阶段性研究报告 。表 1向心透平设计参数Ta b. 1Design para meters of the centripetal turbine参数数值进口总压kPa进口温度 出口静压kPa 转速r·min - 1叶轮进口直径mm360 . 0900 . 0106 . 861 00018

11、6 . 018. 5叶轮进口宽度mm叶轮出口轮毂直径mm叶轮出口轮壳直径mm40. 0140 . 0数相似以及斯特鲁哈数相似 。因本试验中雷诺数处于自模化区 ,马赫数相似可以派生出压比或流量相 似 ,斯特鲁哈数相似则派生出折合转速相似 ,因此 , 本模化试验最终需要保证的是几何相似与折合转速 相似 。对于几何相似条件 ,由于是自主设计的新叶轮 ,为给其后的微型燃气轮机验证机叶轮加工提供确切 的真空熔模精密铸造工艺路线 ,试验叶轮采用全尺 寸加工 ,因而导向器与蜗壳也相应采用全尺寸加工 。 而对折合转速相似则是要保证在试验与设计两种状 况下转速与进口温度平方根的比值的相等 。图 1 给出了该向心

12、透平气动性能及部件特性试试验台系统设计试验台系统设计主要针对 100 kW 微型燃气轮 机向心透平 ,这也是我国首台自行设计研制的微型 燃气轮机向心透平 ,其主要技术参数示于表 1 。众所周知 ,叶轮机械的性能试验一般需要在相 似理论的指导下进行模化试验 ,尤其是在研发初期 。 因此 ,鉴于研发经费与周期等因素的限制 ,该试验装置是按照模化试验的要求进行设计的 。 按照相似理论 ,进行模化试验要保证几何相似 、运动相似以及动力相似 ,而对于具体的向心透平性 能模化试验则是要保证几何相似 、马赫数相似 、雷诺13验系统简图 。压缩气源的供气能力为 50 m min ( 标准状况下) ,表压 70

13、0 . 0 kPa ,由 1 台 10 m3 min 两级图 1 向心透平气动性能及部件特性试验系统简图Fig 1 Simplified drawing of the testing system for the centripetal turbines aerodynamic performance and characteristics of its components动力工程·626 ·第 26 卷活塞式压缩机与 2 台 20 m3 的螺杆压缩机通过并联供气获得 。燃烧室 为 自 行 设 计 建 造 的 单 管 结 构 形 式 ,由专门设计的供油系统为其提供燃油 。

14、燃气经 过向心透平试验台后 ,直接排入大气 。在总体气动性能试验时 ,向心透平轴端输出功的消耗问题是须首先解决的问题 。目前一般有 2 种 方法 :一种是利用离心压气机来耗功 ,这种方法相对 简单可靠 ,但是鉴于压气机本身存在阻塞与喘振问 题 ,要获得比较完整的向心透平性能试验曲线有时 需要好几个不同的压气机叶轮 ,而且采用热力参数法换算效率 , 精度 较 低 ; 另 一 种 是 利 用 测 功 器 来 耗 功 ,测功器设计精巧 ,测量精度高 ,但价格昂贵 ,而且 其辅助系统较为复杂 ,对高速水力测功器尤其如此 。 通过比较并考虑到试验台的通用性 ,本试验台采用 后一种方法 ,即扭矩转速法 ,

15、其中水力测功器采用美国 KAHN 公司生产的 E401201324 型 ,最高转速 50000 rmin ,最大吸收功率 150 kW。需要指出的是 :水力测功器虽然具有转速高 、精 度高等特点 ,但是其缺点是辅助的水系统与控制系 统比较复杂 ,从图 1 左上部可以清楚地看到这一点 。对于这种转速高且转动惯量相对较小的向心透平转 子 来 说 , 水 力 测 功 器 供 水 的 压 力 波 动 要 求 为±1 . 75 kPa 。因此 ,水系统采用图示的两级水泵 、自立式压力调节阀与无塔供水相结合的供水方式 。水力测功器的进排水控制阀为气动式 ,需要洁 净 、干燥的压缩空气进行控制 。

16、另外 ,水力测功器的 轴承以及向心透平转子轴承的 润 滑 也 需 要 压 缩 空 气 ,因此 ,向心透平试验台控制及润滑用气由单独的活塞式压缩机供气 ,如图 1 右上所示 。2试验台主体结构关键问题本试验台建设从最初的方案设计 ,部件加工 ,至目前已成功运行至 30000 rmin ,历时近 2 年 ,以下重点分析在方案设计时考虑到的以及后来遭遇到的试 验台主体结构的主要关键问题 。2. 1 转子对中问题向心透平是高速旋转机械 ,因此 ,试验台上转子 的对中问题显得非常重要 。水力测功器转子端为外花键 ,向心透平试验转子端也为相同尺寸的外花键 , 两者利用内花键套连接并啮合传递扭矩 ( 图 2

17、) 。水 力测功器与向心透平试验转子壳体在花键端的法兰 通过止口定心分别连接于主支架的左右两侧 ,充分 保证了测功器转子与试验转子的同心 。另外 ,采用内花键连接两转子可以部分消除由于加工或装配带 来的不同心 。图 2 向心透平试验台主体结构Fig 2 Construction of the centripetal turbine test rigs principal part向心透平试验转子沿用了高速主轴的结构 ,其前后支撑均采用整套高速精密角接触球轴承 ,并带 有一定的预负荷 ,以保证高的旋转精度 。2. 2轴承隔热与冷却问题向心透平叶轮采用高温合金真空熔模精密铸造 而成 ,重约 3 .

18、 5 kg ,处于试验转子的悬臂端 。对于这邓清华 ,等 :微型燃气轮机向心透平性能试验装置与测量系统第 5 期·627 ·类转子的支撑结构 ,叶轮端支撑距离叶轮越近 ,转子的动力学稳定性越好 ,且两支撑中间应具有足够重 量的配重 ,因此叶轮后的轴封应尽量短 。同时 ,为了 抑止试验时高温燃气经过密封盘上封严篦齿与蜂窝 之间的间隙泄漏使轴承受热 ,以及热量经过密封盘传导给轴承 ,以保证轴承能正常工作 ,我们提出了一 种新型的带有隔热与冷却作用 的 高 温 燃 气 密 封 结 构 ,其主要部分结构如图 3 所示 。刚性转子是比较适合的 ,但是对于柔性或一临界转速相对较高的柔性

19、转子来说 ,滚动轴承则不太适合 。 目前采用滚动轴承支撑的柔性转子一般需要增加阻 尼 ,即在滚动轴承外圈与支撑壳体之间布置弹性体 , 以达到减振的效果 。通常有 3 种类型 : 金属橡胶 ,它使用金属丝制成的多孔材料 ,因类似橡胶而得名 , 目前在航空航天等领域有部分应用 ,国内北京航空 航天 大 学 与 哈 尔 滨 工 业 大 学 等 做 过 这 方 面 的 研究8; 挤压油膜阻尼器 ,利用油膜力这种很强的非线性力来达到减振的作用 ,目前在航空航天的滚动轴承以及高转速的透平机械中有部分应用9 ; 弹 簧垫组 ,它是将多层具有弹性的垫片组合在一起 ,吸 收滚动轴承的振动 ,目前在涡轮增压器上有

20、部分应 用 ,但是整个组件需依靠从国外进口 。向心透平气动性能试验所用的转子是单件加工 ,而非批量生产的产品 ,因此对滚动轴承支撑的柔 性转子减振部件进行研制也是不现实的 。目前在涡 轮增压器上常用的三油楔全浮动或半浮动液体动压 滑动轴承 ,以及离心透平压缩机上常用的 5 块可倾 瓦液体动压滑动轴承 ,对于高速轻载转子来说 ,均是非常适合的 。据目前试验台的运行情况来看 ,叶轮重量对转 子的一临界转速影响比较大 ,我们对其也采取过其 它措施 。另外 ,水力测功器功率吸收特性的要求向 心透平性能试验转速也应尽可能高一些 ,因此 ,三油楔全浮动或半浮动液体动压滑动轴承可能是试验台 转子能升速至水力

21、测功器最高工作转速 50000 rmin 的最好选择 。目前该试验台二期向心透平高速高温下的性能 试验工作已全面展开 ,采用三油楔全浮动液体动压滑动轴承支撑方案的轴系已加工完成 ,现正在安装 调试中 ,将随后对其进行详细报道 。图 3 密封结构Fig 3 Sealings construction压缩空气经过蜂窝支撑体上径向小孔进入两组 蜂窝中间形成的环形空间 ,再取道下方封严盘上两 组封严篦齿间的环形空间 ,经其内侧密封盘上布置 的楔型气道的压缩作用顺利进入转子内部 ,并沿叶 轮端的中心孔排出 ,因而对叶轮背面间隙燃气泄漏 及密封盘的热传导起到隔热与冷却效果 ,关于这部 分更为详细的信息可以

22、参考文献 7 。另外 ,在每组 轴承间设有强制冷却水腔 ,对轴承周围的壳体进行 冷却 。2. 3 转子动平衡问题按照国际标准化 组 织 ( ISO) 的 ISO1940 平 衡 等 级 ,将转子平衡等级分为 11 个级别 ,每个级别间以2 . 5 倍 为 增 量 , 从 要 求 最 高 的 G0 . 4 到 要 求 最 低 的 G4000 。推荐燃气轮机转子的动平衡标准为 G2 . 5 , 据此计算得向心透平试验转子允许的残余不平衡量 为 6 . 0 g·mm ,实际动平衡时将残余不平衡量均降在2 . 0 g·mm 以下 ,即实际达到了 G1 . 0 等级 。另外 ,值 得

23、提及的是 ,这类转子在动平衡时 ,需要进行整体动 平衡 ,平衡完成后不再拆卸 ,直接安装使用 。2. 4 转子支撑问题滚动轴承的支撑刚度很高 ,对于微型或小型的3水力测功器力传感器的标定试验台采用美国 KAHN 公司生产的 E401201324型水力测功器来耗功 。鉴于水力测功器是精密测量仪器 ,为保证其测量数据的可靠性 ,参考随机手册进 行了标定 。水力测功器的标定原理如图 4 所示 ,为能更好 理解作者对标定系统的改造 ,先简述一下水力测功器的工作原理 :试验时 ,向心透平转子带动水力测功 器转子旋转 ,使得其上光盘在水室中转动 ,并将动能 传递给水 ,使水以一定的速度在水室中同方向转动

24、, 水给测功器壳体 以 摩 擦 力 , 使 壳 体 具 有 运 动 趋 势 。 图 4 中距离壳体中心 127 mm 地方布置有一个力传动力工程·628 ·第 26 卷感器 ,可以感受拉力或压力 ,力传感器上部固定在测功器壳体上 ,下部间接固定在主支架上 ,按照图 4 所 示的方向 ,力传感器在工作时受压力作用 。二乘法得到修正系数为 1 . 034 。表 2水力测功器标定数据Ta b . 2Calibrated data of the hydra ulic dyna mometer实际扭矩Nm加重显示扭矩Nm去重显示扭矩Nm显示均值Nm显示偏差%00 . 0550 . 1

25、200. 088-6 . 756 86 . 3756 . 6806. 5280 . 035113 . 534 412. 89513. 27513 . 0850 . 034320 . 303 019. 50019. 78019 . 6400 . 033823 . 683 822. 81023. 01522 . 9250 . 033127 . 064 828 . 418 426. 12527. 28526. 24527. 52526 . 18527 . 4880 . 03360 . 03391 测功器壳体 2 力传感器 3 标定臂 4 定滑轮 5 钢丝6 砝码托盘7 标定砝码8 进水口9 排水口效

26、率误差分析试验台数据测量与采集系统本试验台有两套 , 一套负责静态数据采集 ,如性能的压力 、温度 、流量 、 转速 、扭矩等 ,另一套负责动态数据采集 ,如转速 、振 动等 。动态数据采集不属本文论述范围 ,不在此赘 述 。试验所用的主要传感器相关参数如表 3 所示 。表 3主要传感器的相关参数4图 4 水力测功器标定原理Fig 4 Calibration principle of the hydraulic dynamometer在标定时 ,要求力传感器与工作时的受力方向一致 ,即承受压力 , 但 是 如 果 在 标 定 臂 下 直 接 加 砝 码 ,则力传感器承受拉力 ,与要求不符 。按

27、照随机手册给出的力传感器受压时的标定方法 ,则是需要将进排水管等拆除 ,把排水口从 6 点方 向旋转至 12 点方向 ,然后进行标定 。这种标定方法显然是非常繁琐的 ,首先需要将测功器的管路拆除 , 并且旋转 180°后重新固定好 ,其次是在力传感器标 定过程中 ,不能把测功器管路对标定结果的影响计算在内 。鉴于上述标定方法的缺陷 ,本文给出了一种简 单实用的方法 ,在砝码托盘与标定臂之间用一段细钢丝连接 ,绕过定滑轮 ,改变标定力的方向 ,唯一需 要注意的是定滑轮右侧钢丝应保证与测功器水平中 心线垂直 。该方法不需要对水力测功器本身及管路进行任何拆装工作 ,使得试验时与标定时状况一

28、致 ,保证了标定结果的可靠性 。 标定前对各标定砝码在精度为 0 . 1g 的电子天平上进行质量测定 。海平面重力加速度随纬度变化关系为10 :Ta b. 3Some para meters of ma in sensors仪 器精 度量 程厂 家压力变送器±0 . 075 %0100 kPaROSEMOUNT热电阻温度传感器西安电自控系统 ±1 080 均速管流量计( 威力巴)西安航联智能传感器公司I 级01 . 0 kgs扭矩传感器转速传感器±0 . 1 %±0 . 1 %028 . 0 Nm050 krminKAHNKAHN进口总压探针与进口温度传

29、感器布置在距离蜗壳 0°截面 500 mm 位置处的来流管道上 ,均速管流量 计安装在来流管道的直管段上 ,出口静压测量位置则是布置在距离叶轮排气边 300 mm 远的截面上 。所有测量一次元件的安装符合其相应的安装要 求 。一次元件所测信号经二次元件转换成电信号进入 IMP 采集板 ,最后进入计算机 。 值得说明的是最终温度数据是根据系统测得的静温数据与管道内流速按照等熵关系得到 ,以保证测量精度 。 转速与扭矩的测量是采用测功器自带的测量元件 ,其信号经过转换电路进入采集板与计算机 。试验台测量向心透平总静效率计算公式如下 :2= 9. 780 327 (1 + 0 . 005

30、302sin < -0. 000 005 85sin2 2 <)另外 ,海拔高度每增加 1 m ,重力值减少 3 . 09 ×10 - 6g< ,1980ms2 10。根据 西 安 地 区 纬 度 为 34°16, 海 拔 高 度 为 340m ,最终计算得 :2= 9. 795 388 msg西安标定结果如表 2 所示 。因此 ,水力测功器矩显示仪显示值偏小 ,按最小邓清华 ,等 :微型燃气轮机向心透平性能试验装置与测量系统第 5 期·629 · 1 M ·n (2) 分析探讨了试验台主体结构设计建造中的转子对中 、轴承隔热

31、与冷却 、转子动平衡 、转子支撑 等关键技术问题 ,给出了相应的解决方案 。(3) 针对 KAHN 公司 E401201324 型水力测功器 标定系统的不足 ,提出了一种简单可行的标定系统改造方案 ,实践证明该方法不仅减少了标定工作量 ,而且使标定状况更加接近其实际工作状况 。(4) 对该试验台的总静效率误差分析表明 ,向 心透平总静效率标准误差为 ±0 . 003 8 ,极限误差为±0 . 011 4 ,且流量对效率误差的影响因子要较其它物理量高 。因此 ,需尽可能提高流量的测量精度 。t - s=9549. 3 ·k - 1p2G ·Cp ·

32、;Tt0 · 1 -pt0对于该试验 ,比较典型的数据为 :pt0 = 162 . 06 kPa , Tt0 = 333. 32 K ,p2 = 97 . 83 kPa , G = 0 . 734 3 kgs , M = 12 . 89 N·m , n = 20050 rmin , Cp = 1 . 004 kJ( kgK) , k = 1 . 4 。根据误差传递理论11,各量的影响系数如下 :5t - s5t - s- 6- 3= -9. 32 ×10,= - 2. 46 ×105 pt05 Tt05t - s- 5 5t - s= 1. 54 

33、15;10,= -1 . 12参考文献 :5 p25 G5t - s- 2 5t - s1丰镇平 . 微型燃气轮机技术进展及应用展望 J . 燃气轮机发电技术 , 2001 , 3 (1) :916.李燕生 , 陆桂林 . 向心透平与离心压气机 M . 北京 :机械工业出版社 , 1987.叶 芳 , 径流式透平叶轮的气动设计与特性分析方- 5= 6. 36 ×10,= 4. 09 ×105 M5 n各 量 误 差 范 围 为 :p = ±0 . 075 kPa ,T = ±1,G = ±0 . 01 kgs ,M = ±0 . 028 Nm ,n = ±50 rmin 。23法的研究 D ,西安交通大学 , 1991.相 应 标 准 误 差 为 : p= ±0 . 025 kPa , T =4邓清华 . 100 kW 微型燃气轮机向心透平气动设计与±0 . 33 ,G = ±0 . 003 3 kgs ,M =n = ±17 rmi