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燃气轮机动力系统

燃气轮机动力系统微型实验台

指示书（初稿）

清华大学热能工程系

2011年10月24日

一、实验台简介

二、实验台主要组成部分

三、实验台安全操作指南

四、实验报告要求

一、实验台简介

由美国TurbineTechnologies,LTD公司研制生产的MiniLabTM（以下简

写为MiniLab）燃气轮机动力系统微型实验台是清华大学热能工程系动力机械与工程

研究所最新购置的实验设备。

2005年11月14日购置，2006年3月3日到货并进行安装调试。

该实验台合同编号：

BE25-06445BS2，设备号：

06014272，型号：

MINILAB#0423，规格：

870000RPM0.5Kg/s，单价：

￥343333.29元。

MiniLab动力系统实验台包括SR-30燃气轮机机组和相应的辅助系统。

除个别的外部接口以外，所有的系统均封装在一个整体的机壳中他的全貌如图1-.1。

使得机组小巧、紧凑、便于搬运。

图1-1实验台全貌

二、实验台主要组成部分

SR-30燃气轮机是MiniLab的核心部件，包括进气道、一级离心式压气机、环形回流燃烧室、一级轴流式透平以及尾喷管等。

图2-1是SR-30的一个剖面图，从中我们可以清晰地看到引擎的各个部分。

下面将对这些部分进行简要介绍

图2-1SR-30燃气轮机剖面图

进气道：

进气道是引擎与大气相通的部分，空气通过进气道进入压缩机。

SR-30的进气道为喇叭型，可看作一个渐缩喷管。

离心式压气机：

SR-30的压气机为单级离心式压气机。

空气从轴向进入

压气机动叶，由径向流出进入静叶，当系统达到最大转速90000转/分时，动叶末端的空气速度可达473米/秒。

在静叶中，空气减速增压，且流动方向又由径向变回轴向。

空气经过一级动叶和一级静叶可产生的最大压比为3，远高于相同情况下轴流式压气机单级所能产生的压比。

环形回流燃烧室：

SR-30的燃烧室为环形回流燃烧室，燃烧室内气体流

动方向为从引擎尾部向头部流动，与整体流动方向相反。

在引擎尾部均匀分布着6个雾化喷油嘴，喷嘴喷出的燃料与附近的空气混合（这些空气即为一次空气），启动时由点火器引燃，然后便开始自维持燃烧。

燃烧后的气体向引擎头部方向流动，流动过程中再次与周围未经燃烧的空气（即二次空气）混合，使燃烧和火焰位置都趋于稳定。

燃烧室出口有一过渡段，燃气经过渡段再次改变流动方向，恢复由头向尾的流动。

燃烧室设计成回流构造，使燃烧室与其后的透平、尾喷管可处于同一轴向位置，使得整个引擎的体积大大缩小，结构更为紧凑。

轴流式透平：

SR-30的透平为单级轴流式，从燃烧室过渡段排出的燃气经过透平的导叶环减压增速，形成气流冲击动叶，带动动叶旋转。

由于透平动叶与压气机动叶是同轴的，从而也带动了压气机旋转。

SR-30透平的唯一任务就是带动压气机，使引擎能够持续运转。

燃气经过单级透平后仍具有很大能量。

尾喷管：

燃气经过透平之后到达尾喷管，尾喷管是一个典型的渐缩喷管，

燃气在喷管内加速膨胀，对引擎产生推力。

可以看到，SR-30的基本部件与工业燃气轮机相同，而它的离心式压气机和回流式燃烧室的设计，使整个引擎的结构十分紧凑，对于教学用机和航空发动机来讲十分有利。

消音部件

为了降低引擎运行过程中的噪声，以创造一个相对安静的实验教学环

境，MiniLab还为系统配备了消音部件。

主要为入口消声器和出口消声器（图2-2）。

两个消声器可以分别减少84％（约16分贝）的入口噪声和75％（约12分贝）的出口噪声。

消声器的安装也十分方便：

入口消声器的出口端（即连接进气道的一端）有一个充气橡胶圈，安装时只需先将出口端套在进气道上，再用手捏压气球对其充气即可。

出口消声器则由通过螺栓将4个卡爪，卡在实验台的出口处。

8

图2-2安装了消声器的实验台

其他主要部件

除以上部件外，MiniLab机组还包括燃料油箱、润滑油箱、测量传感器、数据采集卡、控制电路、数据输出计算机。

MiniLab也配有相应的辅助系统。

主要有燃料油系统、润滑油系统、启动系统、控制系统、报警停机系统、数据采集系统等等。

燃料油系统

SR-30的燃料油系统包括燃料油箱，燃料油泵，燃料油过滤器，雾化喷油嘴，燃料流量控制器和燃料进、回油管。

燃料油箱位于机体后方，容积约7加仑（26.5升）；运行时，油泵将燃料油从油箱中泵出，通过进油管经过滤器到达流量控制器。

燃料油泵的泵油压力是不变的，因此每次泵出的油量都近似相等，进入燃烧室的油量则由流量控制器通过控制回油流量来调节，使之随运行工况变化而变化。

通往燃烧室的燃料油经雾化喷油嘴雾化成小液滴，均匀喷入燃烧室，与气体混合燃烧。

余下的燃料油则通过回油管回到油箱中。

润滑油系统

SR-30的润滑油系统包括润滑油箱，润滑油泵、润滑油过滤器和润滑油进、回油管。

润滑油箱位于机体后方，与燃料油箱相邻，容积约1加仑（3.8升）。

润滑油泵的泵油压力随着运行工况的改变而改变，润滑油经过过滤器进入引擎，通过润滑油道流过压气机－透平的轴承，对轴承起润滑和冷却的作用，之后再经过回油管回到润滑油箱中。

与燃料油不同，润滑油是重复多次使用的。

启动系统

SR-30的启动系统由启动用压气机、输气管和相应的控制阀组成。

MiniLab没有配备启动用压气机，需由实验室自备。

由于启动过程中系统需要启动压力保持在80psi（550kPa），MiniLab系统的启动压力不可低于100psi（690kPa）。

启动过程中，高压空气沿输气管切向进入压气机，吹动压气机动叶使之旋转，从而带动整个机组。

当机组启动完毕后，控制阀将启动气压切断，此后压气机由透平带动旋转，维持机组运行。

控制系统与报警停机系统

便捷的“一键”控制系统是MiniLab的一大特色，控制系统安装在操作面板液晶屏幕下的自动启动控制盒中，控制盒由一个专用的可编程电子计算器和一个专门设计的控制版及自带电源组成，所有采集到的信号最终都进入这个控制盒。

系统经过对不同信号的处理，发出不同的指令：

维持当前运行、改变运行状态或紧急停机。

几乎所有对引擎的操作都可以仅通过一次按键或一次调节来完成：

启动：

在接好电源、启动用压缩空气，打开开关，确认其他一切措施无误的情况下，按下绿色按钮，系统即能够按照程序自动启动。

停机：

无论系统处于何种状态，只需按下红色按钮，系统便会立即停止工作。

当机组的温度值和转速参数等回到允许范围内时，若无其他警报等因素，系统又能够再次启动。

转速调节：

通过对操作面板上油门杆的操作，即可以实现对引擎转速在50000转/分到90000转/分之间无限制的调节。

空气轻吹：

这是一个用于诊断和吹扫的系统，平常一般不使用。

即使这样，启动它也仅需按两次按键。

除此之外，保障机组安全运行的报警并自动停机系统，也是控制系统的组成部分：

在机组启动和运行过程中，如果某些参数超出系统能承受的界限或者出现一些本不该出现的问题，系统就会发出报警并立即紧急停机，以保护机组，紧急停机是由系统自动控制的，无需人为的操作。

报警总体上可以分为两类：

“注意”（CAUTION）类警报和“警告”（WARNING）类警报。

“注意”类警报对应一些小故障，这些故障可以立即被修复。

“警告”类警报则说明出现了一个较为严重的问题，在机组再次运行之前，必须对此问题进行调查。

系统自带的各个警报及与其相关的原因和解决方法详见“实验台安全操作指南”。

数据采集系统

MiniLab配备了DigiDAQ数据采集系统，该系统几乎涵盖了所有系统参数的采集。

系统通过各种传感器、励磁源、信号转换器等将各个参数汇集到数据采集卡中，再通过一条与装有igiDAQ系统的计算机相连的USB线，将数据传输到计算机中。

DigiDAQ系统的操作界面简单明了，各个参数都能够在屏幕上实时显示，使操作者不用花费时间和精力去研究如何测量和记录数据，而将重点放在研究系统运行和分析上。

我们可以看到SR-30的各个测点的位置及它们的测量对象，包括：

压气机进口压力P1、温度t1、出口压力P2、温度t2；透平进口压力P3、温度t3，出口压力P4，温度t4；排气压力P5、温度t5；以及转速RPM、燃料流量FuelFlow和推力Thrust。

数据采集的具体步骤可参考“实验台安全操作指南”

润滑油系统

SR-30的润滑油系统包括润滑油箱，润滑油泵、润滑油过滤器和润滑油进、回油管。

润滑油箱位于机体后方，与燃料油箱相邻，容积约1加仑（3.8升）。

润滑油泵的泵油压力随着运行工况的改变而改变，润滑油经过过滤器进入引擎，通过润滑油道流过压气机－透平的轴承，对轴承起润滑和冷却的作用，之后再经过回油管回到润滑油箱中。

与燃料油不同，润滑油是重复多次使用的。

启动系统

SR-30的启动系统由启动用压气机、输气管和相应的控制阀组成。

MiniLab没有配备启动用压气机，需由实验室自备。

由于启动过程中系统需要启动压力保持在80psi（550kPa），MiniLab系统的启动压力不可低于100psi（690kPa）。

启动过程中，高压空气沿输气管切向进入压气机，吹动压气机动叶使之旋转，从而带动整个机组。

当机组启动完毕后，控制阀将启动气压切断，此后压气机由透平带动旋转，维持机组运行。

控制系统与报警停机系统

便捷的“一键”控制系统是MiniLab的一大特色，控制系统安装在操作面板液晶屏幕下的自动启动控制盒中，控制盒由一个专用的可编程电子计算器和一个专门设计的控制版及自带电源组成，所有采集到的信号最终都进入这个控制盒。

系统经过对不同信号的处理，发出不同的指令：

维持当前运行、改变运行状态或紧急停机。

几乎所有对引擎的操作都可以仅通过一次按键或一次调节来完成：

启动：

在接好电源、启动用压缩空气，打开开关，确认其他一切措施无误的情况下，按下绿色按钮，系统即能够按照程序自动启动。

停机：

无论系统处于何种状态，只需按下红色按钮，系统便会立即停止工作。

当机组的温度值和转速参数等回到允许范围内时，若无其他警报等因素，系统又能够再次启动。

转速调节：

通过对操作面板上油门杆的操作，即可以实现对引擎转速在50000转/分到90000转/分之间无限制的调节。

三、实验台安全操作指南

（一）、准备

1.场地检查：

确保实验场所有足够空间，能够使操作者和观测者自由活动，且进气通常；所有人必须遵守实验室相关安全守则，牢记安全通道、火警和急救电话；操作人员必须熟悉操作步骤，建议多人一组进行操作，一人检查，一人确认安全清单，以提高安全系数。

2.实验时须备有灭火器，出现一场情况时，要立即关机并灭火。

3.确保实验台的4个脚轮已经锁紧。

4.插钥匙的总开关（KeyedMasterSwitch）处于关闭状态。

5.油门杆处于最小功率档，即最靠近操作者处。

6.用小辊或手轻轻波动压气机叶片使之旋转，确认旋转时流畅，无明显阻滞或间断现象。

7.安装进气消音装置。

8.整体观察确认：

（1）玻璃罩无划伤，无裂痕；

（2）进、出口通道无阻塞，完整干净，无杂物；

（3）再次进行整体环境检查，确保一切均已妥当。

9.启动计算机，打开DigiDAQ数据采集系统。

10.确认压缩机已经启动，DigiDAQ操作面板上启动空气压力表的数值超过120psi

11.确认实验台进、排气口无人。

12.最终检查：

查看该指南，检查上述检查项目是否逐一完成。

（二）、启动

1.钥匙插入总开关锁孔，打开总开关。

2.检查TIT、EGT、RPM表是否已亮，且显示出实时数据。

（RPM显示0，TIT、EGT显示环境温度）。

3.推动油门杆至最大功率档，同时检查油门杆推动时是否灵活，离开最小功率档时液晶显示屏上是否显示“THROTPOSITION”标记。

4.将油门杆拉回最小功率档，同时检查拉回时油门杆是否灵活。

5.拉回油门杆至最小功率档后，检查液晶显示屏是否显示“RDY”标记，若有显示，则表示实验台已准备好启动。

6.此时可开始数据采集，在计算机DigiDAQ界面上点击“ArmTriggerforDiskRecording”键（工具栏左数第四个），即启动数据采集程序，再点击各个面板上的黑色三角形“Play”键，即开始采集并显示实时数据。

7.按绿色按钮，启动。

8.机器自动启动，正常启动过程约为25秒，其间引擎尾部会出现的喷射状火焰，稳定运行后即会消失。

若出现非正常情况例如TIT长时间超过上限、喷射状火焰持续很长时间而系统又不自动停机时，应立即按红色按钮手动停机。

9.启动后，引擎以怠速旋转，此时液晶屏显示“RUN”标记，表示机器已经启动成功。

（三）、运行

1.状态确认：

此时机器已经启动成功，液晶屏显示“RUN”标记。

2.调节油门杆，使之离开怠速工况，此时操作者可通过油门杆调节引擎到由50000转/分到87000转/分之间的任意转速。

3.调节至某一转速之后，系统立即达到对应工况，保持在该工况下运行足够长的时间（>1分钟），直到工况完全稳定，才可继续调节至另一转速。

4.可逐步调节至最大转速，亦可调节回怠速。

5.调节时，需注意TIT、EGT和RPM变化，注意不要让这些值超过上限。

（四）、停机

1.状态确认：

此时系统处于正常运行状态，液晶屏显示“RUN”标记。

2.按下红色按钮，系统开始自动停机，“RUN”标记变为“AIR”标记。

3.当温度和转速回到启动限以下后，“AIR”标记重新变回“RDY”标记，此时可再次进行启动。

4.确认数据采集完毕后，点击“ArmTriggerforDiskRecording”键，保存数据，须注意每次保存数据均会覆盖原来的数据，因此保存数据之后要立即对文件进行重命名。

5.若发现系统的任何异常，可立即按下红色按钮，系统会立即停机。

附件一采集软件介绍

MiniLab实验台配备了DigiDAQ数据采集系统，其通过各种传感器、励磁源、信号转换器等将各参数传送到采集卡中，采集卡通过USB线与计算机相连，将数据传送给计算机。

下文简单介绍一下一般的采集操作。

下图为DigiDAQ系统的操作界面，各个参数都能在屏幕上实时显示。

图5.1DigiDAQ系统界面

其中主菜单为图5.2所示的小窗口。

图5.2DigiDAQ主窗口

一般情况下进入采集系统后即为如图5.1所示的界面。

如果不是则需要先打开设置文件。

具体操作如图5.3，点击主菜单最左边的打开按钮，在弹出的窗口中选中myconfig文件打开,即可重新载入设置文件进入相应的系统界面。

如果载入失败，估计是文件有问题，可以参照说明书重新建立设置文件。

图5.3打开设置文件

进入正常的系统界面后，可以先命名采集文件名。

点击主窗口中的configuredatadestination图标（从左向右数第七个），进入相应界面，如图5.4。

修改文件名，选择目标文件夹即可。

图5.4命名文件

随后当确认一切准备妥当后即可进行数据采集。

点击主窗口的ArmTriggerfordiskRecording图标（左数第四个），随后此图标处于按下状态，即进行数据采集。

如图5.5所示。

图5.5采集数据

采集过程中可进行实时观测。

可选择主菜单中Indicators菜单下的startallIndicator选项，使所有的仪表开始显示。

或者可以逐个点击各个仪表菜单中的三角形的开始按钮。

实验结束后再次点击ArmTriggerfordiskRecording图标即可停止数据采集，然后退出程序。

相应的数据可以在之前选择好的存储目录中找到。

默认的数据的格式为txt文件，建议使用Excel打开。

上述步骤仅仅介绍了最简单的实验采集过程，方便初次接触本实验的人员参考。

另外本软件还可以选择电子仪表的格式（条形、波形、数字等），调整采样频率，取平均值显示，将采集数据转变为二进制，查看实验数据……在此不一一罗列。

附件二、实验主要参数

—实验台体积：

—SR-30体积：

—压气机最大压比：

3

—最大设计推力：

40lbf（178N）

—燃料消耗率（SFC）：

1.2（中等推力下）

—SR-30最大转速：

87000rod/min

—SR-30最低转速：

50000rod/min

—最高透平前温（TIT）：

870℃

—最高排气温度（EGT）：

720℃

—润滑油压范围：

10~30psi（70~207kPa）

—启动空气压力范围：

100~160psi（690~1103kPa）

—大气温度范围：

0~41℃

清吹;当出现某些警报时，可能会用到空气吹扫程序，该程序可以将引擎中残

留的燃料吹出，可以对引擎进行冷却，是实验中经常用到的一种非正常运行

操作。

运行空气吹扫程序时，先确认启动空气管已与机组连接上。

1..转速为0。

2.将油门杆拉离最下方

3.在液晶屏上显示“CAUTION-THROTPOSITION”标记后，

4.按下红色停止按钮，此时显示屏会显示“AIR&IGNIGIONareOFF”字样。

5.按下绿色按钮，空气启动程序即开始运行.

压缩空气像正常启动过程一样冲转压气机。

此过程会持续运行5秒钟，然后恢

复到“AIR&IGNIGIONareOFF”状态。

空气吹扫程序可以多次反复运行，

达到吹扫或降温的目的。

四、实验报告要求

实验目的：

通过此实验，使学生了解真正的燃气轮机的启动过程、以及燃气轮机的运行特点和有关参数的变化规律。

试验内容：

1、燃气轮机装置与试验台介绍；

2、燃气轮机性能监测的关键参数与测量；

3、燃气轮机的启动与停机操作与过程分析；

4、燃气轮机的加速与减速过程操作与运行分析；

5、燃气轮机的稳定运行与稳定状态的确定与性能参数的采集；

6、燃气轮机热力性能计算与运行过程参数变化整理与分析。

要求：

根据上述实验内容，撰写相应的实验报告。