CN114354203A - 一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，包括：工装，竖直放置且其上安装有喷嘴和涡流器，且工装上设有供气管，以单独测试喷嘴或涡流器的性能，或组合测试喷嘴与涡流器的匹配性能；测试段，上端连接工装，下端设有出口管路；以及检测设备，设置在测试段内或外。本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置将现有技术中分离的试验台相结合，既可以单独对喷嘴或涡流器的性能进行测试，又可对喷嘴和涡流器的匹配性能进行测试，获得喷嘴和涡流器的全部性能参数，推动燃烧室的部件研发。

Description

一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置。

背景技术

涡流器和喷嘴作为燃气轮机燃烧室的重要部件，是实现燃烧室部件功能的核心部件，其工作性能的好坏对于燃烧室的性能具有最为直接的影响，进而影响到燃气轮机的整机稳定运行。

涡流器的功能是使经过扩压器减速扩压后的空气流经涡流器进入火焰筒头部后，由于涡流器叶片的导流作用发生旋转，形成具有径向、轴向和周向速度分量的环形旋转气流，在此过程中，气流的轴向动量降低，径向和周向动量增加。同时，由于空气具有粘性，旋转扩张的气流将火焰筒中心附近气流带走，使得中心区域的气流压力降低，因而在轴向上形成了逆压力梯度，一部分气流由于轴向动量不足以克服逆压力梯度，发生逆流，进而形成稳定的回流区。回流气体在此过程中不断与流进涡流器的气流掺混，然后从回流区外边缘的顺流区向火焰筒出口流出。这一连续过程为燃料在火焰筒内的燃烧组织提供了不可或缺的流场结构，成为了火焰稳定燃烧的手段。

喷嘴的功能从宏观上看是将燃油从燃油总管中供入火焰筒内，供油量的多少直接决定了燃烧室的油气比，油气比的大小决定了燃烧室的温升水平，进而直接影响整个燃气轮机的推力或功率等性能参数。从微观上看，燃油喷嘴使燃油在旋流室内形成复杂的三维高速旋转流体，然后从喷口喷出进入火焰筒，在此过程中，燃油由于受到供油压力和火焰筒内空气气动力的作用发生破碎、雾化，进而与火焰筒内空气掺混形成可燃混气，喷嘴的雾化性能的决定了燃油粒径大小和其在火焰筒内的空间分布，从而影响了燃烧效率和燃烧室出口温度分布等，进而对燃气轮机的整机运行和寿命产生重大影响。

正因为涡流器和喷嘴对于燃气轮机的运行和性能具有重大作用，因此，在燃烧室部件研发过程中，需要投入大量的人力物力完成涡流器和喷嘴的设计、生产及试验。在涡流器和喷嘴的研发过程中，重点关注：涡流器的有效流通面积（ACd）、涡流器的旋流强度（Sn）、涡流器下游三维空间内的流场结构特征、喷嘴流量系数（Cd）、喷嘴雾化锥角、喷嘴周向分布不均匀度、燃油粒径（SMD）以及燃油的空间分布，此外，目前许多型号的燃气轮机燃烧室，喷嘴与涡流器匹配使用，喷嘴和涡流器作为一个整体进行制造，因此，还需要关注涡流器对喷嘴性能的影响。

对于上述参数的研究，由于目前数值仿真技术的局限，仍需要进行大量的试验以验证设计目标值。然而目前投入使用的试验装置，存在以下缺陷：喷嘴试验台和涡流器试验台互相分离，不能评估涡流器对喷嘴的辅助雾化效果以及燃油在实际空气流场中的分布，无法将多种测量设备集成到一个试验台上，造成试验***繁杂、试验周期长、成本高、试验资源利用率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，解决了现有试验装置中只能进行单独进行喷嘴或涡流器性能试验的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，包括：

工装，竖直放置且其上安装有喷嘴和涡流器，且工装上设有供气管，以单独测试喷嘴或涡流器的性能，或组合测试喷嘴与涡流器的匹配性能；

测试段，上端连接工装，下端设有出口管路；以及检测设备，设置在测试段内或外。

在一种可能的设计中，工装包括筒装的外壳和插接在外壳内的整流管，其中，整流管上设有若干个整流孔；相应地，喷嘴位于外壳上端，涡流器位于外壳下端，且喷嘴和涡流器各有部分插接在整流管内。

在一种可能的设计中，整流孔设有若干排，且相邻排之间的整流孔相互交错设置。

在一种可能的设计中，喷嘴通过进油接嘴连接有供油管，供气管固定在外壳上并与整流管连通。

在一种可能的设计中，喷嘴上设有安装边，安装边通过若干个螺栓固定在外壳的上端；外壳下端的内侧设有盖板，涡流器通过若干个螺栓压紧盖板，且所有螺栓上均设有密封用的垫片。

在一种可能的设计中，测试段设置为透明的方形筒，且方形筒的两端各设有一安装孔。

在一种可能的设计中，检测设备包括分别放置在测试段外的高速摄影机、粒子测速仪和激光粒度仪，且至少选用高速摄影机、粒子测速仪和激光粒度仪中的一者。

在一种可能的设计中，检测设备包括放置在测试段内的集液器，集液器包括集液槽、圆板和支架，圆板的两侧分别设有集液槽和支架，集液槽设有若干个并以圆板的轴线为中心均布在中间板上，每个集液槽上分别设有漏液孔，漏液孔上设有穿设至测试段外的漏液管。

在一种可能的设计中，集液槽倾斜设置，集液槽的高端相交于圆板的轴线处，集液槽的低端与圆板的边缘相连，漏液孔位于集液槽的底部。

在一种可能的设计中，集液槽设有10-20个。

有益效果：

本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置将现有技术中分离的试验台相结合，既可以单独对喷嘴或涡流器的性能进行测试，又可对喷嘴和涡流器的匹配性能进行测试，获得喷嘴和涡流器的全部性能参数，推动燃烧室的部件研发，拓展和丰富了本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置的功能和使用范围，极大提高了实用性。

此外，本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置结构简单，对材料的要求较低，建设周期短、成本低；进行试验时，操作快捷、安全性高、试验周期短，可以有效降低试验费用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置的结构示意图。

图2为图1中A处的局部放大结构示意图。

图3为图1的透视结构示意图。

图4为工装的剖视结构示意图。

图5为第一视角下，集液器的结构示意图。

图6为第二视角下，集液器的结构示意图。

图中：

1、工装；11、外壳；12、整流管；101、整流孔；102、盖板；2、测试段；3、检测设备；31、集液器；311、集液槽；312、圆板；313、支架；301、漏液管；41、喷嘴；42、涡流器；401、进油接嘴；402、螺栓；403、静压接嘴；5、供气管；6、出口管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施例1：

如图1-图6所示，一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，包括：工装1，竖直放置且其上安装有喷嘴41和涡流器42，且工装1上设有供气管5，以单独测试喷嘴41或涡流器42的性能，或组合测试喷嘴41与涡流器42的匹配性能；测试段2，上端连接工装1，下端设有出口管路6；以及检测设备3，设置在测试段2内或外。

本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置中设有两个安装位，安装位上分别放置喷嘴41和涡流器42，喷嘴41和涡流器42的安装顺序与连接关系按照实际工作进行连接，以达到对实际工作的模拟。其中，喷嘴41连接有供油管，测试用的流体分别通过供油管和供气管5流入工装1内，同时，喷嘴41和涡流器42中至少一者进行测试，流体将流过进行测试的元器件并喷射至测试段2内，并经过出口管路6流出。流体流经测试段2内时，通过检测设备3对流体进行观测，根据测量结果、供气和供油的相关参数，获得喷嘴41和涡流器42的全部性能参数，即获得喷嘴41和涡流器42各自的性能参数，以及喷嘴41和涡流器42的匹配性能。

基于上述设计，本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置将现有技术中分离的试验台相结合，既可以单独对喷嘴41或涡流器42的性能进行测试，又可对喷嘴41和涡流器42的匹配性能进行测试，获得喷嘴41和涡流器42的全部性能参数，推动燃烧室的部件研发，拓展和丰富了本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置的功能和使用范围，极大提高了实用性。

此外，本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置结构简单，对材料的要求较低，建设周期短、成本低；进行试验时，操作快捷、安全性高、试验周期短，可以有效降低试验费用。

工作时，将喷嘴41和涡流器42分别固定在安装位上并进行连接。安装完成后进行测试，测试模式包括单独测试和组合测试，其中，单独测试模式即通过供油管或供气管5向进行测试的元器件供应流体；组合测试模式时，供油管或供气管5同时供应流体。流体流经进行测试的元器件后喷射至测试段2内，进而通过出口管路6流出测试段2。最后，在流体流经测试段2时，利用检测设备3对流体进行观测并获得测量结果。多次进行测试，同时调节供气和供油参数，从而获得多组数据。

下面结合本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置的具体结构对测试过程进行说明：

在本实施例中，工装1的结构包括但不限于：工装1包括筒装的外壳11和插接在外壳11内的整流管12，其中，整流管12上设有若干个整流孔101；相应地，喷嘴41位于外壳11上端，涡流器42位于外壳11下端，且喷嘴41和涡流器42各有部分插接在整流管12内。

供油管向喷嘴41供应燃油，供气管向工装1内注入气体，上述两种流体流经进行测试的元器件后将喷射至测试段2内。具体来说，两种流体的流动路径并不一致，燃油直接进入喷嘴41并依次流经喷嘴41和涡流器42；而气体通过外壳11流入整流管12，进而流入涡流器42，且流过整流管12时通过整流孔101对气体进行整流，改善气体流动性能。

此时，工装1的结构更为简单，设计制造的成本低，且无附加元件，整流管12的整流效果更好。

因此，工装1构造为双层筒状结构，其中，外壳11既提供安装空间，又起到封闭作用，避免液体蒸发至测试环境中；整流管12通过整流孔101的设置对气体性能进行改善，以达到更好的实验效果。

优选地，喷嘴41和涡流器42大致沿外壳11的轴线分布的，如此一来，减少了外壳11内的遮挡物，最大化了整流管12的整流效果。

可选地，整流孔101设有若干排，且相邻排之间的整流孔101相互交错设置。此外，根据实际测试设备的不同，调整整流孔101的孔径、相邻整流孔101之间的间距等参数，以达到最佳的试验效果。在一种可能的实现方式中，如图3-图4所示，整流孔设有四排。

在一种可能的实现方式中，喷嘴41通过进油接嘴401连接有供油管，供气管5固定在外壳11上并与整流管12连通。如此一来，符合实际测试要求，此外，供液管可输送清水或者其他任意合适的液体，供气管可以供应空气或其他任意合适的气体，则实际使用过程中，具有灵活方便、实用性好的优点。

以输送燃油为例，现有的试验台是开放式的，测试过程中部分燃油将蒸发至周围环境中，试验环境中出现空气污染，并且会影响工作人员的身体健康。工装1为双层筒状结构，外壳11的封闭有效缩小了燃油蒸发后逸散的范围，避免出现空气污染现象，保障了工作人员的健康。

外壳11上设有喷嘴41和涡流器42，则用于测试的元器件与外壳之间不可避免存在影响外壳11密封性能的缝隙，在此对二者的连接形式进行说明：喷嘴41上设有安装边，安装边通过若干个螺栓402固定在外壳11的外露端上；外壳11连接端的内侧设有盖板102，涡流器42通过若干个螺栓402压紧盖板102，且所有螺栓402上均设有密封用的垫片。

基于上述设计，在达到良好密封效果的基础上，简化了结构，降低了成本；且螺栓402和垫片均为标准件，可以根据工作本体的尺寸选择相适配规格的产品，实用性好。

检测设备3根据设置位置不同，可以分为两种，即位于测试段2内的设备和位于测试段2外的设备。那么，在测试时，位于测试段2内的设备可与流体直接接触，观测更为直接，所获取的数据量也更大；位于测试段2外的设备不能与流体直接接触，只能透过测试段2观测流体，因此，测试段2优选设置为透明的。

可选地，位于测试段2外的设备包括但不限于高速摄影机、粒子测速仪和激光粒度仪，其中，高速摄影机拍摄流体即可；粒子测速仪通过拍摄示踪粒子即可获取不同截面处流体的速度和流场的分布；激光粒度仪则需要将测试用的激光射入测试段2内，进而获取液体的粒度数据，测试段2的形状对激光粒度仪测试的结果有影响，故测试段2优选设置为方形筒，以保证激光粒度仪达到理想的测试效果。容易理解的，至少选用高速摄影机、粒子测速仪和激光粒度仪中的一者，即根据测试目的选择合适的设备。

那么，优选地，测试段2设置为透明的方形筒，且方形筒的两端各设有一安装孔。

在本实施例中，检测设备3包括放置在测试段2内的集液器31。具体来说，集液器31针对于液体使用，利用集液器31收集的液量可以判断液体周向分布均匀程度，进而获取喷嘴41的流量特性和流量周向分布不均匀度。

集液器31的结构包括但不限于：集液器31包括集液槽311、圆板312和支架313，圆板312的两侧分别设有集液槽311和支架313，集液槽311设有若干个并以圆板312的轴线为中心均布在中间板上，每个集液槽311上分别设有漏液孔，漏液孔上设有穿设至测试段2外的漏液管301。

集液器31通过支架313放置在测试段2上，且支架313的结构包括但不限于图5-图6中所示的三个支柱，也可以构造为任意合适的结构。集液槽311朝向液体喷射方向，以便于收集液体；集液槽311设有若干个并沿圆板312的周向均布在圆板312上，以使每个集液槽311对应于液体周向上的一定弧度，测量集液槽311内的液量对应于液体在该弧度范围内的液量，则对比所有集液槽311的液量可以获取液体在周向上分布的均匀程度。

同时，通过漏液孔和漏液管301搭配，使集液槽311内的液体及时排出，避免集液槽311出现液体溢出现象；且可以在不取出集液器31的情况下获得集液槽311所收集的液体，减少了测试过程中拆装集液器31的频率，简化了试验步骤。

进一步，对集液槽311的结构进行限制，即集液槽311倾斜设置，集液槽311的高端相交于圆板312的轴线处，集液槽311的低端与圆板312的边缘相连，漏液孔位于集液槽311的底部。如此一来，液体可以在重力作用下流动至集液槽311的底部并通过漏液孔流出，避免了设置排液设备，有效降低了成本。

此外，在一种可能的实施方式中，圆板312上设有10-20个集液槽311。具体地，集液槽311的个数可以是10、12、14、16、18或20中的任一者。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，结合一实际测试场景对实施例1中的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置的使用和所达到的技术效果进行说明：

参见图1-图6所示，当所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置用于燃气轮机的喷嘴和涡流器时，所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置竖直放置，喷嘴41和涡流器42通过安装位安装在工装1上，且如图4所示，喷嘴位于外壳11上端，涡流器位于外壳11下端，且喷嘴与涡流器相连通。同时，以喷嘴为中心，喷嘴外设有一周静压接嘴403，通过静压接嘴403测得外壳11内的气流静压。

相应地，供油管通过进油接嘴401连通喷嘴41，供气管5固定在外壳11上并与整流管12连通，可选地，参见图2，进油接嘴401设置为两个。那么，喷射至测试段2内的流体为燃油、空气或燃油与空气的混合物。

测试段2和检测设备3已经在实施例1中进行了说明，在此不再赘述。可选地，集液器31上集液槽311设置为20个。

本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置具有以下测试模式：

1、涡流器42性能测试

此时，供油管关闭而供气管打开，出口管路6连通排气***，集液器31无需放置在测试段2内。供气***通过供气管向工装1供气，并获得进气流量、温度和压力。通过静压接嘴403测量外壳11内的气流静压，且根据进气流量、温度和压力可获得涡流器42的有效流通面积（ACd）。

供气***提供的空气中加入示踪粒子，在测试段2外架设粒子测速仪，示踪粒子流过测试段2时启动粒子测速仪，以拍摄测试段2内的空气流场，进而获得涡流器42出口不同位置截面的速度和流场分布，最终获得涡流器42的旋流强度（Sn）。

2、喷嘴41性能测试

此时，供油管打开而供气管关闭，出口管路6连接抽气泵和油气分离器，并将集液器31放置于测试段2内。供油***通过供油管向喷嘴41供油，燃油进入测试段2内，集液器31可测量一定时间内通过喷嘴41的燃油流量，将总流量和供油压力拟合可以获得喷嘴流量特性曲线和流量系数（Cd）；分别收集各个漏油孔的流量值，比较与平均值的偏差，获得喷嘴流量周向分布不均匀度。

同时，在测试段2外架设高速摄影机，利用高速摄影可以在测试段2拍摄喷嘴41在不同油压下的雾化锥角，利用激光粒度仪测量不同供油压力下测试段2内燃油粒径（SMD）。

3、喷嘴41和涡流器42匹配试验

此时，供油管和供气管均打开，即供油***通过供油管向喷嘴41供油，供气***通过供气管向工装1供气，出口管路6连接抽气泵和油气分离器，且无需放置集液器31。测试段2外架设高速摄影机、粒子测速仪和激光粒度仪，高速摄影机拍摄测试段2内的雾化锥角，粒子测速仪拍摄测试段2内的流场，激光粒度仪测量测试段2的燃油粒径（SMD）。进一步，改变空气和燃油的进口参数，获得不同空气来流条件对喷嘴41雾化性能的影响规律和燃油在整个流场中的浓度分布和速度分布情况。

容易理解的，所述的供气***、供油***、抽气泵和油气分离器等辅助设备均选用任意合适的市售型号，在此不再赘述。

在应用于燃气轮机的涡流器42和喷嘴41时，现有试验装置中只能进行单独测试，进而不能评估涡流器42对喷嘴41的辅助雾化效果以及燃油在实际空气流场中的分布。除此以外，还存在以下缺陷：

1、涡流器42无专门的试验台，现有的涡流器42性能测试方法为：在（燃气轮机）燃烧室单头部试验中进行光学测量以获得涡流器42的旋流强度（Sn）、涡流器42下游三维空间内的流场结构特征，存在试验成本高、试验难度大等问题。

2、喷嘴试验台功能单一，仅测量喷嘴41流量特性，获得喷嘴41的流量系数（Cd），忽略了喷嘴41周向分布不均匀度的测量，且试验精度低，试验结果可靠性差。

3、缺少高精度的光学测量设备，无法完成喷嘴41雾化锥角、燃油粒径（SMD）以及燃油的空间分布的测量。

4、喷嘴试验台置于开放空间，存在燃油蒸发污染空气，影响试验操作人员健康。

本涡流器和喷嘴一体化性能试验装置有效解决了上述的技术问题，达到了以下技术效果：

1、通过合理的结构设计，实现了在同一试验装置上，既可以单独进行涡流器42性能试验和喷嘴41的性能试验，获得喷嘴41和涡流器42性能参数，也可以同时进行涡流器42和喷嘴41试验，改变空气和燃油的进口参数，获得不同空气来流条件对喷嘴41雾化性能的影响规律和燃油在整个流场中的浓度分布和速度分布情况。

2、进行涡流器42性能测试时，通过吹风试验获得涡流器有效流通面积（ACd）；同时，可以采用示踪粒子测速仪，进行流动可视化测试，获得涡流器42下游不同位置的轴向截面和周向截面流场结构特征和速度场分布，进而获得旋流强度（Sn）。

3、集液槽311所收集的燃油重量可称重获得，则利用称重法试验获得喷嘴41流量系数（Cd），此外，考虑了燃油在周向上存在分布不均匀的情况，采用集液器31测量了喷嘴41周向分布不均匀度；同时，可以采用高速摄影机和激光粒度仪，实现对多种类型的喷嘴雾化锥角、燃油粒径（SMD）以及燃油的速度分布的测量。

4、在量产过程中用于涡流器42和喷嘴41的性能检测，通过涡流器42和喷嘴41的组合试验，获得的喷嘴41和涡流器42性能参数，筛选出合格的产品。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，包括：

工装（1），竖直放置且其上安装有喷嘴（41）和涡流器（42），且工装（1）上设有供气管（5），以单独测试喷嘴（41）或涡流器（42）的性能，或组合测试喷嘴（41）与涡流器（42）的匹配性能；

测试段（2），上端连接工装（1），下端设有出口管路（6）；以及检测设备（3），设置在测试段（2）内或外。

2.根据权利要求1所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，工装（1）包括筒装的外壳（11）和插接在外壳（11）内的整流管（12），其中，整流管（12）上设有若干个整流孔（101）；相应地，喷嘴（41）位于外壳（11）上端，涡流器（42）位于外壳（11）下端，且喷嘴（41）和涡流器（42）各有部分插接在整流管（12）内。

3.根据权利要求2所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，整流孔（101）设有若干排，且相邻排之间的整流孔（101）相互交错设置。

4.根据权利要求2或3所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，喷嘴（41）通过进油接嘴（401）连接有供油管，供气管（5）固定在外壳（11）上并与整流管（12）连通。

5.根据权利要求4所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，喷嘴（41）上设有安装边，安装边通过若干个螺栓（402）固定在外壳（11）的上端；外壳（11）下端的内侧设有盖板（102），涡流器（42）通过若干个螺栓（402）压紧盖板（102），且所有螺栓（402）上均设有密封用的垫片。

6.根据权利要求1所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，测试段（2）设置为透明的方形筒，且方形筒的两端各设有一安装孔。

7.根据权利要求1所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，检测设备（3）包括分别放置在测试段（2）外的高速摄影机、粒子测速仪和激光粒度仪，且至少选用高速摄影机、粒子测速仪和激光粒度仪中的一者。

8.根据权利要求1所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，检测设备（3）包括放置在测试段（2）内的集液器（31），集液器（31）包括集液槽（311）、圆板（312）和支架（313），圆板（312）的两侧分别设有集液槽（311）和支架（313），集液槽（311）设有若干个并以圆板（312）的轴线为中心均布在中间板上，每个集液槽（311）上分别设有漏液孔，漏液孔上设有穿设至测试段（2）外的漏液管（301）。

9.根据权利要求8所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，集液槽（311）倾斜设置，集液槽（311）的高端相交于圆板（312）的轴线处，集液槽（311）的低端与圆板（312）的边缘相连，漏液孔位于集液槽（311）的底部。

10.根据权利要求8或9所述的涡流器和喷嘴一体化性能试验装置，其特征在于，集液槽（311）设有10-20个。

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