CN114720145A - 一种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，所述方法包括：步骤一、在涡轮各状态点性能录取试验前，开展低压涡轮试验件进口整流叶片损失特性吹风试验，分别利用位于整流叶片前侧和后侧且具有滞止室的径向多点总压管和周向多点总压耙以及整流叶片前侧的壁面静压测量获得不同进口马赫数下的整流叶片进口总压损失系数；步骤二、拆除整流叶片后侧的周向多点总压耙，利用整流叶片前侧总压、静压和之前获取的整流叶片进口总压损失系数，得到整流叶片后侧的总压，并以此控制状态开展单级涡轮各状态点性能录取试验。本申请的方法可以完全规避掉***式探针对涡轮进口流场的影响，测量及试验精度更高。

Description

一种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法

技术领域

本申请属于燃气轮机试验技术领域，特别涉及一种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法。

背景技术

低压涡轮是航空发动机或燃气轮机等涡轮机械的关键部件，其气动性能水平直接决定着涡轮机械的性能和可靠性。涡轮部件内部的流动和换热过程极为复杂，依赖数值仿真难以准确获取其特性。因此在低压涡轮的研制及优化过程中，试验验证具有不可或缺的重要地位。

涡轮气动性能试验的方法是基于相似原理，涡轮进出口总压膨胀比(涡轮导向叶片进口总压与涡轮转子出口总压之比)是涡轮试验过程中控制的主要参数之一。因此，涡轮进口总压测取的准确性直接决定了涡轮总压膨胀比的准确性，而航空发动机及燃气轮机匹配的低压涡轮为单级涡轮，其设计膨胀比较小(大约在1.7～2.0左右)，进口总压的极小测量偏差就会给涡轮总性能评估带来极大的误差。

对于单级低压涡轮气动性能试验，由于上游高压涡轮的存在，低压涡轮进口气流一般为非轴向，因此在试验中为模拟高压涡轮的出气角度，通常会在低压涡轮进口布置一排整流叶片，带整流叶片的低压涡轮试验件10主流道布局如图1所示，依次为试验件进口11、整流叶片12、涡轮进口13、涡轮导向叶片14、涡轮转子叶片15及涡轮出口16。

现有技术的带整流叶片的低压涡轮性能试验中，涡轮进口总压的测取方法主要有以下两种：

1)忽略整流叶片12对总压的影响，直接由整流叶片12前平直段径向多点总压管17测量的总压代表涡轮进口总压，径向多点总压管17形式见图2，径向多点总压管17末端具有滞止室172及径向设置的引压管171。在该方法中，由于整流叶片12的存在，气体流经整流叶12后总压会产生一定的损失，整流叶片12前后总压具有差异，具体损失的大小因设计难度的不同有很大差异。尤其对于小膨胀比涡轮来说，直接忽略整流叶片12的影响，采用试验件进口平直段的总压作为涡轮进口总压是不准确的，将会给涡轮效率评价带来极大影响。例如整流叶片总压损失系数0.985，涡轮设计膨胀比1.8，考虑该损失与不考虑该损失得到的涡轮效率偏差近1.1个百分点。

2)在整流叶片12后均布径向多点总压管17直接测量涡轮进口总压。在该方法中，整流叶片12的主要目的是改变涡轮试验件进口的气流角度，其与涡轮导向叶片14之间的距离较小，达不到涡轮进口平直段长度的要求，而且整流叶片12出口具有强三维特征(如尾迹等)，用整流叶片12出口直接布置的径向多点总压管得到的总压代表涡轮进口总压也很不准确。例如，某试验总压管、总压耙两种测量方式得到的整流叶片出口某径向高度总压如图3所示，两者测量偏差近0.5％，而且明显总压耙更能代表该截面的流场特征。

上述两种方法都没有很好考虑整流叶片对涡轮进口总压测量带来的较大影响，因此需要种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法以克服上述问题。

发明内容

本申请的目的是提供了一种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

本申请的技术方案是：一种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，所述方法包括：

步骤一、在涡轮各状态点性能录取试验前，开展低压涡轮试验件进口整流叶片损失特性吹风试验，分别利用位于整流叶片前侧和后侧且具有滞止室的径向多点总压管和周向多点总压耙以及整流叶片前侧的壁面静压测量获得不同进口马赫数下的整流叶片进口总压损失系数；

步骤二、拆除整流叶片后侧的周向多点总压耙，利用整流叶片前侧总压、静压和之前获取的整流叶片进口总压损失系数，得到整流叶片后侧的总压，并以此控制状态开展单级涡轮各状态点性能录取试验。

进一步的，所述步骤一具体包括：

步骤1.1、在低压涡轮试验件的试验件进口处布置径向多点总压管以测量整流叶片的进口总压P_0t；

步骤1.2、在低压涡轮试验件进口的内外壁面沿周向布置多个壁面静压测量点，以此测量整流叶片进口的壁面静压P_0s；

步骤1.3、根据测取的整流叶片的进口总压P_0t和壁面静压P_0s构建关系式得到低压涡轮试验件的进口马赫数M₀；

步骤1.4、在整流叶片与涡轮导向叶片之间的多个径向位置布置周向多点总压耙，其中，所述周向多点总压耙在周向上具有多个引压小管，通过多个引压小管获取包含上游整流叶片尾迹特征的涡轮进口总压P_1t；

步骤1.5、在涡轮性能录取试验前进行涡轮试验件吹风试验，通过采集低压涡轮试验件进口马赫数与总压恢复系数数据进行拟合，得到整流叶片进出口总压恢复系数与试验件进口马赫数的关系式σ＝f(M₀)。

进一步的，所述试验件进口为平直段，通过在平直段的试验件进口处布置径向多点总压管即能够测量整流叶片的进口总压。

进一步的，所述整流叶片的进口总压P_0t和壁面静压P_0s与低压涡轮试验件的进口马赫数M₀满足如下关系：

式中，k为系数。

进一步的，所述周向多点总压耙的径向布置位置大于一倍整流叶片的栅距。

进一步的，所述步骤二具体包括：

步骤2.1、在涡轮性能录取试验中将整流叶片后的周向多点总压耙拆除，通过测量低压涡轮试验件的进口总压P_0t、壁面静压P_0s，结合低压涡轮试验件吹风试验中得到的关系式σ＝f(M₀)，得到涡轮进口总压P_1t的关系式P_1t＝f(P_0t,M₀)；

步骤2.2、以得到的涡轮进口总压P_1t控制涡轮试验状态并录取涡轮总特性；

步骤2.3、测量涡轮出口总压P_2t，通过涡轮进、出口总压比P_1t/P_2t得到涡轮性能。

本申请的方法由于总压耙的周向测量范围要大于1倍整流叶片栅距，这样获取的总压可以包含整流叶片的尾迹特征。相对于无法考虑尾迹效应的径向多点带套总压管测试方法，多个径向位置布置的总压耙获得的整流叶片出口总压准确性更高；此外，该方法在涡轮性能录取试验时整流叶片与涡轮导向器之间不需要布置任何***式的测试探针，这样可以完全规避掉***式探针对涡轮进口流场的影响，测量及试验精度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为典型结构的带整流叶片的低压涡轮试验件示意图。

图2为现有技术中使用的径向多点带套总压管示意图。

图3为总压管和总压耙单一径向高度测量结果对比示意图。

图4为本申请的低压涡轮性能试验方法流程图。

图5为本申请中的多点总压耙结构示意图。

图6为本申请一实施例中的整流叶片损失特性曲线。

附图标记：

10-低压涡轮试验件

11-试验件进口

12-整流叶片

13-涡轮进口

14-涡轮导向叶片

15-涡轮转子叶片

16-涡轮出口

17-径向多点总压管

18-周向多点总压靶

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

本申请旨在解决带整流叶片的低压涡轮试验件涡轮进口总压测量不准确的问题，从而提高带整流叶片的低压涡轮试验件涡轮总压膨胀比的测量准确性。

针对带整流叶片的低压涡轮性能试验中整流叶片给涡轮进口总压测量带来影响的问题，本申请提供的方法通过使用试验件进口总压测量结合整流叶片损失特性来准确获取涡轮进口总压的方法，该方法包括：

步骤一、首先在单级涡轮各状态点性能录取试验前，开展低压涡轮试验件进口整流叶片损失特性吹风试验，利用分别处于整流叶片前侧后侧且具有滞止室的径向多点总压管和周向多点总压耙以及整流叶片前侧的壁面静压测量获得不同进口马赫数下的整流叶片进口总压损失系数；

步骤二、然后拆除整流叶片后侧的周向多点总压耙，避免周向多点总压耙对涡轮性能产生影响，利用整流叶片前侧总压、静压和之前获取的整流叶片进口总压损失系数，反求整流叶片后侧的涡轮进口总压，并以此控制状态开展单级涡轮各状态点性能录取试验。

上述方法具体步骤包括：

步骤1.1、在低压涡轮试验件10的试验件进口11处布置径向多点总压管17以测量整流叶片12的进口总压P_0t。

一般情况下，试验件进口11为一段满足规范要求的平直段，在该平直段上布置径向多点总压管17即可以准确测量整流叶片12的进口总压。

步骤1.2、在试验件进口11的内、外壁面沿周向布置多个壁面静压测量点，以此准确测量整流叶片12进口的壁面静压P_0s。

步骤1.3、构建低压涡轮试验件10的进口总压P_0t、壁面静压P_0s与低压涡轮试验件10的进口马赫数M₀的关系式，根据测取的低压涡轮试验件10的进口总压P_0t和壁面静压P_0s计算得到低压涡轮试验件10的进口马赫数M₀。

其中，构建的低压涡轮试验件10的进口总压P_0t、壁面静压P_0s与低压涡轮试验件10的进口马赫数M₀的关系式为：

式中，k为工质比热比。

步骤1.4、在整流叶片12与涡轮导向叶片14之间的多个径向位置布置大于一倍整流叶片12栅距的周向多点总压耙18，周向多点总压耙18结构见图4所示，周向多点总压耙18在周向上具有多个引压小管181，多个引压小管182经靶身182汇聚后从径向管183伸出，这样就可以准确获取包含上游整流叶片12尾迹特征的涡轮进口总压P_1t。

步骤1.5、整流叶片12叶栅的总压恢复系数σ＝P_0t/P_1t，其与试验件进口11的马赫数M₀满足某一定固定关系，通过在涡轮性能录取试验前进行涡轮试验件吹风试验，可以获得整流叶片12的进口总压恢复系数与试验件进口马赫数的关系式σ＝f(M₀)。

如图5所示本申请一实施例中得到的试验件进口马赫数与总压恢复系数采集点与拟合关系示意图，通过拟合采集点数据可以得到整流叶片12进出口总压恢复系数与试验件进口马赫数的关系式。

步骤2.1、由于周向多点总压耙18的迎风面积要大于径向多点总压管17，而且周向宽度较大，周向多点总压耙18的存在会对下游的涡轮导向叶片14(也称涡轮导向器)性能会产生一定影响，从而给低压涡轮性能带来不确定性，因此在涡轮性能录取试验中将整流叶片12后侧的周向多点总压耙18拆除。

在涡轮性能录取过程中，通过测量涡轮试验件10的进口总压P_0t、壁面静压P_0s，结合低压涡轮试验件吹风试验中得到的整流叶片12进口总压恢复系数与试验件进口马赫数关系式σ＝f(M₀)，可以得出关系式P_1t＝f(P_0t,M₀)，即可准确得到涡轮进口总压P_1t。

步骤2.2、根据步骤2.1中得到的涡轮进口总压P_1t控制涡轮试验状态并录取涡轮总特性。

步骤2.3、涡轮性能通过涡轮进、出口总压比P_1t/P_2t来评价，其中，涡轮出口总压P_2t可直接测量。

本申请的方法由于总压耙的周向测量范围要大于1倍整流叶片栅距，这样获取的总压可以包含整流叶片的尾迹特征。相对于无法考虑尾迹效应的径向多点带套总压管测试方法，多个径向位置布置的总压耙获得的整流叶片出口总压准确性更高；此外，该方法在涡轮性能录取试验时整流叶片与涡轮导向器之间不需要布置任何***式的测试探针，这样可以完全规避掉***式探针对涡轮进口流场的影响，测量及试验精度更高。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、在涡轮各状态点性能录取试验前，开展低压涡轮试验件进口整流叶片损失特性吹风试验，分别利用位于整流叶片前侧和后侧且具有滞止室的径向多点总压管和周向多点总压耙以及整流叶片前侧的壁面静压测量获得不同进口马赫数下的整流叶片进口总压损失系数；

步骤二、拆除整流叶片后侧的周向多点总压耙，利用整流叶片前侧总压、静压和之前获取的整流叶片进口总压损失系数，得到整流叶片后侧的总压，并以此控制状态开展单级涡轮各状态点性能录取试验。

2.如权利要求1所述的带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

步骤1.1、在低压涡轮试验件的试验件进口处布置径向多点总压管以测量整流叶片的进口总压P_0t；

步骤1.2、在低压涡轮试验件进口的内外壁面沿周向布置多个壁面静压测量点，以此测量整流叶片进口的壁面静压P_0s；

步骤1.3、根据测取的整流叶片的进口总压P_0t和壁面静压P_0s构建关系式得到低压涡轮试验件的进口马赫数M₀；

步骤1.4、在整流叶片与涡轮导向叶片之间的多个径向位置布置周向多点总压耙，其中，所述周向多点总压耙在周向上具有多个引压小管，通过多个引压小管获取包含上游整流叶片尾迹特征的涡轮进口总压P_1t；

步骤1.5、在涡轮性能录取试验前进行涡轮试验件吹风试验，通过采集低压涡轮试验件进口马赫数与总压恢复系数数据进行拟合，得到整流叶片进出口总压恢复系数与试验件进口马赫数的关系式σ＝f(M₀)。

3.如权利要求2所述的带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，其特征在于，所述试验件进口为平直段，通过在平直段的试验件进口处布置径向多点总压管即能够测量整流叶片的进口总压。

4.如权利要求2所述的带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，其特征在于，所述整流叶片的进口总压P_0t和壁面静压P_0s与低压涡轮试验件的进口马赫数M₀满足如下关系：

式中，k为系数。

5.如权利要求2所述的带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，其特征在于，所述周向多点总压耙的径向布置位置大于一倍整流叶片的栅距。

6.如权利要求1所述的带整流叶片的低压涡轮性能试验方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

步骤2.1、在涡轮性能录取试验中将整流叶片后的周向多点总压耙拆除，通过测量低压涡轮试验件的进口总压P_0t、壁面静压P_0s，结合低压涡轮试验件吹风试验中得到的关系式σ＝f(M₀)，得到涡轮进口总压P_1t的关系式P_1t＝f(P_0t,M₀)；

步骤2.2、以得到的涡轮进口总压P_1t控制涡轮试验状态并录取涡轮总特性；

步骤2.3、测量涡轮出口总压P_2t，通过涡轮进、出口总压比P_1t/P_2t得到涡轮性能。

Images