變幾何渦輪可靠性試驗研究

寧有智++張龍++勞新力

摘 要：為滿足燃?xì)廨啓C(jī)變工況適應(yīng)性要求，使其在不同環(huán)境和工況下保持最佳性能，采用變幾何動力渦輪是有效手段之一。本文針對變幾何渦輪特點設(shè)計了相關(guān)試驗臺，利用液壓傳動裝置來驅(qū)動可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動，采用不同流量和溫度模擬燃?xì)廨啓C(jī)渦輪運行時的不同工況，通過試驗研究并驗證變幾何渦輪的可靠性。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī) 變幾何渦輪 可靠性 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉

中圖分類號：TK474 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0096-03

燃?xì)廨啓C(jī)工作環(huán)境一般較為復(fù)雜，經(jīng)常需要在變工況條件下進(jìn)行工作；如何保證變工況條件下，燃機(jī)獲得最佳性能成為一項關(guān)鍵性研究課題[1]。目前變幾何技術(shù)是解決該問題的一個有效方法[2]。本文主要通過試驗驗證變幾何渦輪的可靠性。

1 試驗前工作及裝置介紹

1.1 轉(zhuǎn)接段冷卻水套設(shè)計加工

冷卻水套材質(zhì)采用304不銹鋼，外壁厚10mm，內(nèi)壁厚4mm，冷卻空氣管穿過內(nèi)外壁接入，供水管路用高壓軟管連接，轉(zhuǎn)接段與試驗件接口采用石墨纏繞墊密封。冷卻水套結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 液壓泵站測控元件調(diào)試

變幾何渦輪試驗件通過液壓傳動裝置對轉(zhuǎn)動環(huán)施加切向力，進(jìn)而通過聯(lián)動裝置帶動可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動。試驗研究中首先在冷態(tài)條件下完成液壓泵站測控元件的恢復(fù)及液壓行程調(diào)節(jié)。

試驗過程中通過調(diào)整液壓泵出口壓力調(diào)節(jié)向傳動環(huán)傳遞力的大小，通過調(diào)節(jié)活塞上指針與行程開關(guān)的相對位置使活塞桿行程與可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉位移要求相匹配。

刻度盤與可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸圓心重合，并將刻度盤固定在可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸上。試驗中要求可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉在-100～+100之間變化，因此調(diào)試過程中通過調(diào)整活塞桿行程及指針相對位置使可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉位移滿足試驗要求。

1.3 試驗裝置介紹

變幾何渦輪結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)如圖2所示。試驗臺主要包括氣源、穩(wěn)壓箱、燃燒室、試驗段、空氣預(yù)熱器、燃油管路、燃?xì)夤苈?、冷卻空氣管路和冷卻水管路。

按照工質(zhì)分類該試驗臺由燃?xì)庀到y(tǒng)、冷卻空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)四部分組成。燃?xì)庀到y(tǒng)由三級離心空壓機(jī)組作為氣源提供實驗所需的壓縮空氣，空壓機(jī)組流量調(diào)節(jié)范圍1.5～2.7kg/s，額定工況壓比10。壓縮空氣經(jīng)穩(wěn)壓箱進(jìn)入燃燒室燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)夤┤胱儙缀螠u輪試驗段。

（1）試驗臺空氣系統(tǒng)。

試驗中氣源系統(tǒng)由三級離心空壓機(jī)組管路系統(tǒng)組成，試驗中可調(diào)節(jié)空壓機(jī)組出口壓力設(shè)定值，使試驗件進(jìn)口壓力滿足試驗要求，在排氣管路中設(shè)置高溫調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁?，同時在試驗系統(tǒng)中設(shè)置空氣-燃?xì)鈸Q熱器使冷氣溫度達(dá)到試驗要求。

（2）供油燃燒系統(tǒng)。

供油系統(tǒng)將柴油從油罐泵出，首先通過低壓油濾、閥門和燃油流量計，再經(jīng)過高壓油濾和供油閥，最終進(jìn)入試驗燃燒室。在油泵后設(shè)有回油路，供油壓力可由回油閥和供油閥進(jìn)行電動調(diào)節(jié)。

啟動點火用的燃油則直接由設(shè)在實驗間內(nèi)的油箱供給，燃油經(jīng)過低壓油濾、電磁活門后進(jìn)入試驗燃燒室的啟動噴嘴。

（3）測量設(shè)備。

變幾何渦輪結(jié)構(gòu)試驗需要監(jiān)測的試驗參數(shù)包括燃?xì)饬髁?、燃?xì)鉁囟?、燃?xì)鈮毫Α⒗錃鉁囟燃袄錃饬髁?。其中燃?xì)饬髁繛殚g接測量量，需根據(jù)如下公式計算：

因此檢定的儀器儀表包括空氣進(jìn)口壓力傳感器、溫度傳感器、流量計差壓變送器。壓力傳感器、溫度傳感器及差壓變送器由黑龍江省計量院檢定，壓力傳感器檢定結(jié)果為2級精度，溫度傳感器精度為±1.5%，差壓變送器精度為0.5級。

燃?xì)鉁囟燃皦毫Φ臏y量布置在試驗件過渡段前的測量段上，溫度傳感器采用上海儀表三廠生產(chǎn)熱電偶（精度0.5%），冷氣流量采用旋進(jìn)流量計（精度1%）測量，所有的測量參數(shù)都可由計算機(jī)實時采集并記錄。

（4）試驗件介紹。

變幾何渦輪（整環(huán)）結(jié)構(gòu)驗證件由機(jī)匣組件、可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉、護(hù)板、聯(lián)動裝置、柔性石墨墊片及軸套、冷卻空氣系統(tǒng)、操控系統(tǒng)等裝置組成。整套裝置通流部分燃?xì)鉁囟葹?00℃，外部壁面溫度為400℃左右，零部件在高溫作用下要產(chǎn)生變形，導(dǎo)致高溫氣體泄漏或轉(zhuǎn)動部件受阻，試驗?zāi)康氖菧y試渦輪可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)在高溫高壓條件下的密封結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的可靠性。

2 試驗的步驟及方法

2.1 試驗前檢查工作

（1）進(jìn)行渦輪可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉試驗件外部檢查并檢查維護(hù)場地，試驗場地內(nèi)不應(yīng)有不相干的物體。

（2）檢查試驗件與試驗臺聯(lián)接是否牢固無泄露。

（3）開啟可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)和泵站冷卻風(fēng)機(jī)，檢查冷態(tài)下導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動是否正常。

（4）開啟冷卻水系統(tǒng)，檢查試驗件水套能否正常工作。

（5）檢查其他管路和閥門的工作狀態(tài)。

（6）檢查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作狀態(tài)（包括漏氣測量流量計、燃?xì)膺M(jìn)氣流量測量裝置、壓力測試儀表等）。

（7）檢查渦輪可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉試驗件在底座上的固定，檢查螺栓連接，證實它們完全被擰緊。

2.2 試驗系統(tǒng)啟動順序

（1）啟動可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉水套冷卻水裝置，并將閥門打到全開位置。

（2）啟動可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)，按油泵啟動按鈕-油泵啟動-按油缸工作按鈕-油缸活塞桿開始工作-按冷卻器按鈕-冷卻器開始工作。

（3）開啟空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉試驗件冷吹，持續(xù)1～5min。

（4）開啟燃?xì)獍l(fā)生系統(tǒng)，緩慢推升工況，并按要求進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

2.3 試驗停止

（1）關(guān)閉點火油路電磁閥。

（2）關(guān)閉可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉控制系統(tǒng)，按冷卻器停止按鈕，冷卻器停止，按油缸停止工作按鈕，油缸停止工作，按油泵停止按鈕，油泵停止。

（3）對試驗管路系統(tǒng)冷吹，待管路系統(tǒng)溫度降至100℃以下，關(guān)閉空壓機(jī)組。

（4）關(guān)閉冷卻水系統(tǒng)。

3 試驗記錄

本次變幾何渦輪結(jié)構(gòu)驗證試驗共分5次完成，試驗工作壓力0.4MPa，起始燃?xì)饬髁?.0kg/s。每次試驗啟動時調(diào)整燃油流量使燃?xì)鉁囟壬咧?00℃、600℃、700℃在各溫度點穩(wěn)定30min，最后將燃?xì)鉁囟忍嵘?90℃，記錄轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)往復(fù)運動次數(shù)直至關(guān)機(jī)。每次試驗停機(jī)冷卻后隨機(jī)選取可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動，檢查是否有由于熱應(yīng)力咬死現(xiàn)象。

4 試驗件分解檢查

試驗后對渦輪可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉試驗件進(jìn)行了分解檢查對關(guān)鍵的配合尺寸進(jìn)行了復(fù)測，經(jīng)檢查渦輪可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉機(jī)匣內(nèi)外表面狀態(tài)良好，可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉葉頂和葉根處無摩擦痕跡，陶瓷轉(zhuǎn)軸和陶瓷軸套無磨損痕跡，柔性石墨軸套和柔性石墨墊片狀態(tài)良好，關(guān)節(jié)軸承上有輕微磨痕，試驗件整體狀態(tài)良好。

5 試驗結(jié)論

（1）在操控系統(tǒng)控制下變幾何渦輪可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉共進(jìn)行往復(fù)運動2656次，渦輪可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉在高溫高壓條件下轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動靈活無卡死現(xiàn)象發(fā)生。

（2）試驗件無燃?xì)庑孤?/p>

（3）試驗中應(yīng)用點溫計測量試驗件表面溫度約340℃。

（4）液壓控制系統(tǒng)的行程開關(guān)設(shè)計精度為：±0.2mm，折合成導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角度誤差為0.2°。

（5）試驗結(jié)果表明變幾何渦輪總體結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。

參考文獻(xiàn)

[1] 惠宇，宋華芬.可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉級對多級軸流渦輪特性的影響[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2008，21（3）：36-39.

[2] 潘波，白創(chuàng)軍，趙洪雷，等.變幾何渦輪對渦輪氣動性能的影響研究[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2012（3）：40-43.endprint