一种高速透平涡轮气动性能测试系统及测试方法与流程

1.本发明涉及离心机技术领域，具体为一种高速透平涡轮气动性能测试系统及测试方法。


背景技术：

2.高速透平涡轮膨胀系统是由涡轮与蜗壳、齿轮传动系统等组成，其是将高温、高压的气体经涡轮膨胀后，将气体的内能与压力势能转化为机械能的装置。目前，高速透平涡轮膨胀系统主要用于余热、余压等能量回收领域，可将废弃的能源转化为电能或机械能，再次回用到生产环节，提高了能源的利用率。
3.高速透平涡轮膨胀系统的能量转化部件为涡轮与蜗壳，实现气体内能和压力势能转化为机械能，然后由机械能再转化为电能。为了准确评估膨胀涡轮的气动性能，需要对涡轮进行性能试验。
4.目前基本采用高速透平涡轮膨胀发电系统进行涡轮与蜗壳的气动性能试验，通过电参数的测量与调整，实现涡轮的载荷变化，以测试完整的涡轮与蜗壳气动性能。
5.高速透平涡轮膨胀发电系统进行涡轮与蜗壳的气动性能试验，具有如下缺点：
6.(1)系统复杂
7.涉及气动系统、机械传动系统、发电系统等，整体比较复杂，各系统的性能匹配较困难。另外，发电系统需要将电能消耗或传输到电网，需要复杂的电气控制系统，若电能不能输入电网，则需要考虑消耗掉所生成的电能，造成能源浪费。
8.(2)负载调整复杂
9.该系统需通过电气控制系统对涡轮膨胀系统进行加载，涉及涡轮转速、发电机转速、发电效率、发电功率等协同变化，不利于涡轮气动性能测试。
10.(3)系统故障率较高
11.因系统复杂，且涉及复杂的电气控制系统，有大量的电子元器件，对环境要求较高，且电气元器件的可靠性受使用环境影响大，故障率相对较高，影响性能试验周期。
12.针对上述问题，本发明提供了一种高速透平涡轮气动性能测试系统及测试方法。


技术实现要素：

13.本发明的目的在于提供一种高速透平涡轮气动性能测试系统，从而解决了背景技术中的问题。
14.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高速透平涡轮气动性能测试系统，包括驱动气源模块、涡轮、齿轮减速传动系统、联轴器、齿轮增速传动系统及离心叶轮；所述涡轮与所述齿轮减速传动系统的高速涡轮轴连接，经减速后通过联轴器与所述齿轮增速传动系统的输入轴连接，所述齿轮增速传动系统的高速叶轮轴与所述离心叶轮连接，所述离心叶轮与所述驱动气源模块连接。
15.较佳地，所述齿轮减速传动系统包括减速齿轮箱箱体及设置于减速齿轮箱箱体上
的高速涡轮轴、涡轮端滑动轴承、涡轮端中间传动轴、输出轴、涡轮端滚动轴承及涡轮端齿轮副；所述高速涡轮轴与所述涡轮连接，该高速涡轮轴的两端由所述涡轮端滑动轴承支承；所述涡轮端中间传动轴的两端采用涡轮端滚动轴承支承，该涡轮端中间传动轴通过2对涡轮端齿轮副分别与所述高速涡轮轴、输出轴连接，传递扭矩；所述输出轴通过涡轮端滚动轴承支承，该输出轴与所述联轴器连接，经联轴器传递扭矩。
16.较佳地，还包括输出轴大齿轮、涡轮端中间传动轴大齿轮及涡轮端中间传动轴小齿轮，所述输出轴大齿轮固连于所述输出轴；所述涡轮端中间传动轴大齿轮与涡轮端中间传动轴小齿轮固连于所述涡轮端中间传动轴。
17.较佳地，所述齿轮增速传动系统包括增速齿轮箱箱体及设置于增速齿轮箱箱体上的输入轴、叶轮端中间传动轴、高速叶轮轴、叶轮端滑动轴承、叶轮端滚动轴承及叶轮端齿轮副，所述输入轴通过联轴器与所述齿轮减速传动系统的输出轴连接，该输入轴通过2对叶轮端齿轮副与所述叶轮端中间传动轴连接，所述叶轮端中间传动轴由叶轮端滚动轴承支承，通过齿轮副与高速叶轮轴连接，高速叶轮轴由叶轮端滑动轴承支承，且该高速叶轮轴的一端与所述离心叶轮相连。
18.较佳地，还包括输入轴大齿轮、叶轮端中间传动轴大齿轮及叶轮端中间传动轴小齿轮，所述输入轴大齿轮固连于所述输入轴；所述叶轮端中间传动轴大齿轮与叶轮端中间传动轴小齿轮固连于所述叶轮端中间传动轴。
19.较佳地，还包括第一放空消音器及连接法兰，所述涡轮包括涡轮蜗壳，所述涡轮蜗壳上设置有涡轮蜗壳进气口及涡轮蜗壳出气口，所述驱动气源模块与所述涡轮蜗壳进气口连接，所述涡轮蜗壳出气口连接第一放空消音器，所述蜗壳通过连接法兰与所述齿轮减速传动系统连接。
20.较佳地，还包括第二消音器，所述离心叶轮包括叶轮蜗壳，所述叶轮蜗壳上设置有叶轮蜗壳进气口及叶轮蜗壳出气口，所述叶轮蜗壳与所述齿轮增速传动系统连接，所述叶轮蜗壳进气口通过第二消音器与大气连通，
21.较佳地，所述驱动气源模块包括储气罐i、压缩机及储气罐ii，所述储气罐i与所述叶轮蜗壳出气口连接，所述储气罐i通过压缩机与所述储气罐ii连接，所述储气罐ii与所述涡轮蜗壳进气口连接。
22.较佳地，还包括输出轴及输入轴，所述齿轮减速传动系统减速后通过输出轴与所述联轴器连接，所述联轴器通过输入轴与所述齿轮增速传动系统。
23.本发明还提供一种高速透平涡轮气动性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：
24.(1)驱动测试：在涡轮蜗壳进气口处测试气流的压力、温度及质量流量，在涡轮蜗壳出气口处测试气流的压力及温度；
25.(2)转动测试：在齿轮减速传动系统的输出轴位置，设置转速传感器，测试涡轮的转速及离心叶轮的转速；
26.(3)气动负载测试：在叶轮蜗壳出气口测试压力及温度；在叶轮蜗壳进气口测试压力、温度及质量流量；
27.(4)运行状态参数监测：分别对齿轮减速传动系统及齿轮增速传动系统的振动、轴承温度、滑油压力进行监测。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
29.(1)本发明简化了涡轮气动性能测试系统，将发电系统更换为离心叶轮气动系统，则性能测试系统只包括气动系统、齿轮传动系统，无需复杂的电气控制系统。
30.(2)本发明的调节方式精准，高速透平涡轮气动性能测试系统可以通过叶轮蜗壳出气口阀门进行出口压力调节，压力又可以按照叶轮性能map图进行变化，进而改变涡轮的负载，此调节方式可以精准的调节涡轮的负载。另外，离心叶轮气动系统的压缩空气，又可以回送到驱动气源系统，降低驱动能耗，提升系统运行效率。
31.(3)本发明的高速透平涡轮气动性能测试系统，采用气动系统与机械系统相结合，以机械系统为主，运行可靠，环境适应性好，避免了复杂电气控制系统的故障。
附图说明
32.图1为本发明的原理框图；
33.图2是本发明齿轮减速传动系统的立体图；
34.图3是本发明齿轮减速传动系统的俯视图；
35.图4是本发明齿轮增速传动系统的立体图；
36.图5是本发明齿轮增速传动系统的俯视图；
37.其中，1-涡轮端油箱，2-减速齿轮箱箱体，3-输出轴大齿轮，4-输出轴，5-联轴器，6-滚动轴承iii，7-滚动轴承i，8-涡轮端中间传动轴大齿轮，9-涡轮端中间传动轴小齿轮，10-滑动轴承ii，11-高速涡轮轴，12-滑动轴承i，13-涡轮蜗壳，14-高速涡轮，15-滚动轴承ii，16-涡轮端定量齿轮泵，17-滚动轴承iv，18-涡轮端中间传动轴，20-叶轮端油箱，21-增速齿轮箱箱体，22-高速叶轮轴，23-滑动轴承iii，24-离心叶轮，25-导流盘，26-叶轮蜗壳，27-滚动轴承v，28-叶轮端中间传动轴小齿轮，29-叶轮端中间传动轴大齿轮，30-叶轮端定量齿轮泵，31-滚动轴承vi，32-输入轴大齿轮，33-输入轴，34-滚动轴承vii，36-滚动轴承viii，37-滑动轴承iv，38-叶轮端中间传动轴。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
39.如图1所示，一种高速透平涡轮气动性能测试系统，包括驱动气源模块、涡轮、齿轮减速传动系统、联轴器、齿轮增速传动系统及离心叶轮；所述涡轮与所述齿轮减速传动系统的高速涡轮轴连接，经减速后通过联轴器与所述齿轮增速传动系统的输入轴连接，所述齿轮增速传动系统的高速叶轮轴与所述离心叶轮连接，所述离心叶轮与所述驱动气源模块连接；还包括第一放空消音器及连接法兰，所述涡轮包括涡轮蜗壳，所述涡轮蜗壳上设置有涡轮蜗壳进气口及涡轮蜗壳出气口，所述驱动气源模块与所述涡轮蜗壳进气口连接，所述涡轮蜗壳出气口连接第一放空消音器，所述蜗壳通过连接法兰与所述齿轮减速传动系统连接；还包括第二消音器，所述离心叶轮包括叶轮蜗壳，所述叶轮蜗壳上设置有叶轮蜗壳进气口及叶轮蜗壳出气口，所述叶轮蜗壳与所述齿轮增速传动系统，所述叶轮蜗壳进气口通过第二消音器与大气连通，还包括输出轴及输入轴，所述齿轮减速传动系统减速后通过输出
轴与所述联轴器连接，所述联轴器通过输入轴与所述齿轮增速传动系统。
40.如图2及图3所示，齿轮减速传动系统包括减速齿轮箱箱体及设置于减速齿轮箱箱体上的高速涡轮轴11、涡轮端滑动轴承、涡轮端中间传动轴18、输出轴4、涡轮端滚动轴承及涡轮端齿轮副；所述高速涡轮轴11与高速涡轮14连接，该高速涡轮轴14的两端由所述涡轮端滑动轴承支承；所述涡轮端中间传动轴18的两端采用涡轮端滚动轴承支承，该涡轮端中间传动轴18通过2对涡轮端齿轮副分别与所述高速涡轮轴11、输出轴4连接，传递扭矩；所述输出轴4通过涡轮端滚动轴承支承，该输出轴4与所述联轴器5连接，经联轴器5传递扭矩；还包括输出轴大齿轮3、涡轮端中间传动轴大齿轮8及涡轮端中间传动轴小齿轮9，所述输出轴大齿轮3固连于所述输出轴4；所述涡轮端中间传动轴大齿轮8与涡轮端中间传动轴小齿轮9固连于所述涡轮端中间传动轴18。其中，涡轮端滑动轴承包括滑动轴承i12及滑动轴承ii10，涡轮端滚动轴承包括滚动轴承i 7、滚动轴承ii 15、滚动轴承iii 6、滚动轴承iv 17。
41.本发明的齿轮减速传动系统的工作原理为：气流流经涡轮蜗壳13流道，带动高速涡轮14和高速涡轮轴11旋转做功，转速经涡轮端中间传动轴小齿轮9、涡轮端中间传动轴大齿轮8减速传递至输出轴大齿轮3与输出轴4，最终由联轴器5输出；高速涡轮轴由滑动轴承i12和滑动轴承ii 10承托并固定；涡轮端中间传动轴18由滚动轴承i 7和滚动轴承ii 15承托并固定；输出轴4由滚动轴承iii 6和滚动轴承iv 17承托并固定；三轴及其轴承均由减速齿轮箱箱体2承托并固定；涡轮端定量齿轮泵16与输出轴4通过联轴器5连接同步运转，为三轴转动提供滑油润滑，减速齿轮箱自带涡轮端油箱1，通过管道就近连接涡轮端定量齿轮泵16。
42.如图4及图5所示，所述齿轮增速传动系统包括增速齿轮箱箱体及设置于增速齿轮箱箱体21上的输入轴33、叶轮端中间传动轴38、高速叶轮轴22、叶轮端滑动轴承、叶轮端滚动轴承及叶轮端齿轮副，所述输入轴33通过联轴器5与所述齿轮减速传动系统的输出轴4连接，该输入轴33通过2对叶轮端齿轮副与所述叶轮端中间传动轴38连接，所述叶轮端中间传动轴38由叶轮端滚动轴承支承，通过齿轮副与高速叶轮轴22连接，高速叶轮轴22由叶轮端滑动轴承支承，且该高速叶轮轴22的一端与所述离心叶轮24相连；还包括输入轴大齿轮32、叶轮端中间传动轴大齿轮29及叶轮端中间传动轴小齿轮28，所述输入轴大齿轮32固连于所述输入轴33；所述叶轮端中间传动轴大齿轮29与叶轮端中间传动轴小齿轮28固连于所述叶轮端中间传动轴38。其中，叶轮端滑动轴承包括滑动轴承iii 23及滑动轴承iv 37；叶轮端滚动轴承包括滚动轴承v27、滚动轴承vi 31、滚动轴承vii 34、滚动轴承viii 36。
43.本发明的齿轮增速传动系统的工作原理为：转速和扭矩通过联轴器5输入，带动输入轴33和输入轴大齿轮32旋转，经叶轮端中间轴小齿轮28、叶轮端中间传动轴大齿轮29增速传递至高速叶轮轴22和离心叶轮24；离心叶轮24高速旋转抽吸空气，空气经由导流盘25吸入，通过叶轮蜗壳26流道排出；高速叶轮轴由滑动轴承iii23和滑动轴承iv37承托并固定；叶轮端中间传动轴38由滚动轴承v27和滚动轴承viii 36承托并固定；输入轴33由滚动轴承vi31和滚动轴承vii34承托并固定；三轴及其轴承均由增速齿轮箱箱体21承托并固定。叶轮端定量齿轮泵30与输入轴33通过联轴器5连接同步运转，为三轴转动提供滑油润滑；增速齿轮箱箱体21自带叶轮端油箱20，通过管道就近连接叶轮端定量齿轮泵30。
44.驱动气源模块包括储气罐i、压缩机及储气罐ii，所述储气罐i与所述叶轮蜗壳出气口连接，所述储气罐i通过压缩机与所述储气罐ii连接，所述储气罐ii与所述涡轮蜗壳进
气口连接。
45.驱动气源模块的气源通过管道接入涡轮蜗壳进气口，涡轮蜗壳出气口接放空消音器，涡轮蜗壳通过连接法兰与齿轮减速传动系统相连；涡轮通过锁紧螺母与高速轴连接，经齿轮减速传动系统减速后通过输出轴输出扭矩；输出轴通过联轴器与离心叶轮气动系统的齿轮增速传动系统的输入轴连接，实现扭矩传递；离心叶轮与高速齿轮轴通过锁紧螺母连接；离心叶轮的叶轮蜗壳连接在齿轮增速传动系统的箱体上，叶轮蜗壳进气口通过消音器与大气连通，叶轮蜗壳出气口经出气调节阀门后，并入驱动气源。
46.本发明还提供一种高速透平涡轮气动性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：
47.(1)驱动测试：在涡轮蜗壳进气口处测试气流的压力、温度及质量流量，在涡轮蜗壳出气口处测试气流的压力及温度，以评估涡轮的膨胀比、输出功率、气动效率；
48.(2)转动测试：在齿轮减速传动系统的输出轴位置，设置转速传感器，测试涡轮的转速及离心叶轮的转速；
49.(3)气动负载测试：在叶轮蜗壳出气口测试压力及温度；在叶轮蜗壳进气口测试压力、温度及质量流量，获得相关参数，以评估离心叶轮的压比、气动功率、气动效率；
50.(5)运行状态参数监测：分别对齿轮减速传动系统及齿轮增速传动系统的振动、轴承温度、滑油压力进行监测，获得相关参数。
51.通过对齿轮传动系统的振动、轴承温度、滑油压力等进行数据监测，并根据数据对系统进行相应调节，以确保各子系统正常运行，进而保障系统的稳定运行。相应的调节方式为：
52.(1)驱动调节
53.通过调节气源阀门，可以控制流量，即控制输出功率；也可以通过气源阀门，控制涡轮的转速，同时改变离心叶轮的转速。
54.(2)负载调节
55.通过离心叶轮蜗壳出气调节阀门的控制，可改变离心叶轮的压比与流量，即改变涡轮负载。
56.本发明的高速透平涡轮气动性能测试系统，采用离心叶轮气动系统作为涡轮气动系统的加载系统，整个系统以齿轮传动系统和气动系统为主；根据涡轮端蜗壳进出口气动参数的监测与离心叶轮端蜗壳进出口气动参数的监测数据，评估涡轮的膨胀比、输出功率、气动效率等气动参数；再根据高速透平涡轮气动性能的测试方案，调节方式主要为驱动端调节和负载端调节，驱动端调节采用调节阀门，控制气体质量流量，以控制涡轮的输出功率和转速等参数，负载端调节采用调节阀门，控制出气压力和流量，以改变涡轮的负载条件。本发明的测试系统及测试方法具有简单便捷、调节精准及可靠性强的优点。
57.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：包括驱动气源模块、涡轮、齿轮减速传动系统、联轴器、齿轮增速传动系统及离心叶轮；所述涡轮与所述齿轮减速传动系统的高速涡轮轴连接，经减速后通过联轴器与所述齿轮增速传动系统的输入轴连接，所述齿轮增速传动系统的高速叶轮轴与所述离心叶轮连接，所述离心叶轮与所述驱动气源模块连接。2.根据权利要求1所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：所述齿轮减速传动系统包括减速齿轮箱箱体及设置于减速齿轮箱箱体上的高速涡轮轴、涡轮端滑动轴承、涡轮端中间传动轴、输出轴、涡轮端滚动轴承及涡轮端齿轮副；所述高速涡轮轴与所述涡轮连接，该高速涡轮轴的两端由所述涡轮端滑动轴承支承；所述涡轮端中间传动轴的两端采用涡轮端滚动轴承支承，该涡轮端中间传动轴通过2对涡轮端齿轮副分别与所述高速涡轮轴、输出轴连接，传递扭矩；所述输出轴通过涡轮端滚动轴承支承，该输出轴与所述联轴器连接，经联轴器传递扭矩。3.根据权利要求2所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：还包括输出轴大齿轮、涡轮端中间传动轴大齿轮及涡轮端中间传动轴小齿轮，所述输出轴大齿轮固连于所述输出轴；所述涡轮端中间传动轴大齿轮与涡轮端中间传动轴小齿轮固连于所述涡轮端中间传动轴。4.根据权利要求2所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：所述齿轮增速传动系统包括增速齿轮箱箱体及设置于增速齿轮箱箱体上的输入轴、叶轮端中间传动轴、高速叶轮轴、叶轮端滑动轴承、叶轮端滚动轴承及叶轮端齿轮副，所述输入轴通过联轴器与所述齿轮减速传动系统的输出轴连接，该输入轴通过2对叶轮端齿轮副与所述叶轮端中间传动轴连接，所述叶轮端中间传动轴由叶轮端滚动轴承支承，通过齿轮副与高速叶轮轴连接，高速叶轮轴由叶轮端滑动轴承支承，且该高速叶轮轴的一端与所述离心叶轮相连。5.根据权利要求4所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：还包括输入轴大齿轮、叶轮端中间传动轴大齿轮及叶轮端中间传动轴小齿轮，所述输入轴大齿轮固连于所述输入轴；所述叶轮端中间传动轴大齿轮与叶轮端中间传动轴小齿轮固连于所述叶轮端中间传动轴。6.根据权利要求1所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：还包括第一放空消音器及连接法兰，所述涡轮包括涡轮蜗壳，所述涡轮蜗壳上设置有涡轮蜗壳进气口及涡轮蜗壳出气口，所述驱动气源模块与所述涡轮蜗壳进气口连接，所述涡轮蜗壳出气口连接第一放空消音器，所述蜗壳通过连接法兰与所述齿轮减速传动系统连接。7.根据权利要求6所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：还包括第二消音器，所述离心叶轮包括叶轮蜗壳，所述叶轮蜗壳上设置有叶轮蜗壳进气口及叶轮蜗壳出气口，所述叶轮蜗壳与所述齿轮增速传动系统连接，所述叶轮蜗壳进气口通过第二消音器与大气连通。8.根据权利要求6所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统，其特征在于：所述驱动气源模块包括储气罐i、压缩机及储气罐ii，所述储气罐i与所述叶轮蜗壳出气口连接，所述储气罐i通过压缩机与所述储气罐ii连接，所述储气罐ii与所述涡轮蜗壳进气口连接。9.根据权利要求1至8任一项所述的一种高速透平涡轮气动性能测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)驱动测试：在涡轮蜗壳进气口处测试气流的压力、温度及质量流量，在涡轮蜗壳出气口处测试气流的压力及温度；(2)转动测试：在齿轮减速传动系统的输出轴位置，设置转速传感器，测试涡轮的转速及离心叶轮的转速；(3)气动负载测试：在叶轮蜗壳出气口测试压力及温度；在叶轮蜗壳进气口测试压力、温度及流量；(3)运行状态参数监测：分别对齿轮减速传动系统及齿轮增速传动系统的振动、轴承温度、滑油压力进行监测。

技术总结
本发明公开了一种高速透平涡轮气动性能测试系统，包括驱动气源模块、涡轮、齿轮减速传动系统、联轴器、齿轮增速传动系统及离心叶轮，所述涡轮与所述齿轮减速传动系统的高速涡轮轴连接，经减速后通过联轴器与所述齿轮增速传动系统的输入轴连接，所述齿轮增速传动系统的高速叶轮轴与所述离心叶轮连接，所述离心叶轮与所述驱动气源模块连接。本发明采用气动系统与机械系统相结合，以机械系统为主，具有简单便捷、调节精准、运行可靠及环境适应性好的优点，有效避免了复杂电气控制系统的故障。有效避免了复杂电气控制系统的故障。有效避免了复杂电气控制系统的故障。


技术研发人员：张勇 卢璋 李毅 葛玉柱 方志翔 张正华 易钿 莫天洋
受保护的技术使用者：湖南泛航智能装备有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/7