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Proceedings of GT2005
ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea and Air
June 6-9, 2005, Reno-Tahoe, Nevada, USA
GT2005-68998
在短周期试验台下的涡轮瞬态轴功率测量
Nicholas R. Atkins [1]
Southwell Laboratory
Department of Engineering Science
University of Oxford
Parks Road
OX1 3PJ
Email: nicholas.atkins@eng.ox.ac.uk
Roger W. Ainsworth
Southwell Laboratory
Department of Engineering Science
University of Oxford
Parks RoadOX1 3PJ
摘要
在短周期试验条件下，可提供涡轮气动性能、非定常流动现象和涡轮级的换热特性的综合研究。 本文介绍了汽轮机在牛津转子设施 (ORF)下，产生的轴功率的精确测量，这是气动性能测试的关键要求之一。
针对风机转速和加速度的精确测量，已经开发了高分辨率编码器系统。 本文概述了该系统所需的精度和频率所相应的规格。 此外另概述了错误签名的编码器光盘，删除其信号的处理方法，以及介绍了光盘风阻和轴承摩擦损失的测量方法。
[关键词: 轴功率、 涡轮转速、 加速度、 气动性能、 效率、 瞬态，短周期测试]
定义
|
C |
电容，损耗转矩系数 |
|
cp |
定压比热容 |
|
Clowast; |
变量的影响系数* |
|
DAQ |
数据采集 |
|
f |
频率 |
|
FFT |
快速傅里叶变换 |
|
FS |
全尺寸 |
|
G(jomega;) |
传递函数 |
|
g |
重力加速度 |
|
I |
惯性极炬 |
|
IFFT |
快速傅里叶反变换 |
ILPT 等熵轻质活塞风洞
k kth FFT的样本
l 行号
m˙ 质量流量
N 编码器线数
n 线、样品
ORF 牛津转子设施
P 总压力
Pr 总压比
R 半径、电阻
RSS 根平方和
S95lowast; 95% 覆盖精度限制变量 *
STFT 短时傅里叶变换
T 扭矩、温度
t 蒂姆
W˙s 轴功率
偏心
效率
角速度的FFT
角加速度
角位置
热容比
气体密度
下标
O 总条件
1 平台入口条件
f 反馈路径值
f0 静态轴承摩擦
fomega; 旋转轴承摩擦
windage 偏差常熟
介绍
高压涡轮机的实际使用性能，耐久性，效率取决于很多相互关联的因素。包括稳态和非稳态的空气动力学，以及传热特性。涡轮进口温度的不断增加意味着，在新的涡轮设计中，可以在热转移方面考虑。传统上，气动性能的新风机设计已经大规模的在稳流钻井平台中经过测试，但这类设施成本高，使用有限。发动机的瞬态测试技术已被低成本的技术替代。发动机代表气体墙温度比的瞬态测试设施使传热研究。性能测试在瞬态设施允许气动性能惩罚/收益的同时研究与几何变化出于热转移因素相关联。
工作部分功能当前 ORF 62%规模、 11/2 阶段，高压无前盘除尘的跨音速透平[1]。与准稳态运行时间大约 100ms年的等熵光活塞隧道 (ILPT) 提供所需的进气流量条件。在发动机代表特定转速、 压比、 气壁温比、 马赫数和雷诺数情况下，进行测试。
水轮机效率或气动性能的测量需要产生的实际气动功率测量。稳流试验设施操作在名义上是恒定的速度和力量吸收一个制动测功机或压缩机的阶段。瞬态测试设施分为两个基本类别，那些在使用制动，名义上是恒速运行，如麻省理工学院排污设施[2]，和 QinetiQ ILPF [3]，和那些涡轮圆盘是免费在测试期间，例如 ORF [1]，VKI 压缩加速管设施[4].
气动性能测量瞬态的设施中的目标是实现精准的不确定性程度类似于传统稳态测试，不确定性通常报告范围内，说plusmn;0 . .2minus;0 . .5 [5]。在 ORF [6]的初步工作表明，气动性能精度不确定度 plusmn;0. 3%是可以实现的。为了达到这一目标，轴功率测量需要一个精密的不确定性，在该地区的 plusmn;0. 2%。这一目标已应用于本文所述的系统规格发展。
瞬态设施的特点是微妙振荡的准稳态工作点。这意味着气动性能测试在一个瞬变的设施需要两个精度和频率响应，呈现稳态测试从根本上不同的测量问题。
准确的气动性能测试在提交日期瞬态设施的唯一结果是那些基奥等人[7]，在麻省理工学院排污设施[2]。汽轮机转速保持使用涡流制动器安装在环形轴承，使转子转矩负载细胞准确测量。不介绍了转速测量系统的详细信息。
对作者所知，没有其他的轴功率测量系统或精确的气动性能结果从一个瞬变的设施已经发布到日期。
轴功率测量理论
由于各种各样的损耗，在涡轮轴测量的力量将略低于由涡轮机产生的实际气动功率。涡轮轴净扭矩是由涡轮叶片，产生的气动扭矩的总和T航空，制动力矩轴、 T刹车，由于T轴承，轴承摩擦阻力扭矩和气动阻力或脸上的转子盘， T偏差的偏差。免费
Figure 1. Free body diagram of a rotor disc
图 1。自由体图的转子盘
转子盘受力体图如图 1 所示。考虑旋转平衡的光盘运动方程是
sum; T 净额= =我Omega;˙= = T 航空minus; T 刹车minus; T 偏差minus; T 轴承() 1
这个方程可以重新给由涡轮，产生的气动扭矩
T 航空= =我Omega;˙ T 刹车 T 偏差 T 轴承() 2
由涡轮产生的实际气动功率然后给出下面的情商 3 了。
iexcl; cent;
W ˙ s = = T 航空Omega;= =我Omega;˙ T 刹车 T 偏差 T 轴承Omega;() 3
在稳态测试的设施制动力矩用于吸收由涡轮产生的功率和保持一个恒定的速度。惯性的力量一词，我omega;˙ 在情商 3 接近零和产生的实际功率可从测量的制动力矩和光盘的速度，和拖扭矩测量的产物。瞬态测试设施例如 ORF 的涡轮中自由地加速在测试过程中，没有制动力矩和实际气动功率，可计算出测量的速度、 加速度、 惯性，拖扭矩。瞬态水轮机试验设施与刹车涡轮机惯性一词会小，但涡轮的运行点的微妙变化意味着，它必须考虑到效率测量。
惯性矩整个 ORF 旋转组件转动惯量测定了三线悬浮技术[8]。它在 1.64 kgm2不确定性测量 plusmn;1. 2%。旋转的大会是不变的测试程序这是纯的偏置误差，并不影响精度的不确定性或决议的效率测量。例子包括参数研究效率与比转速、 压比、 特定的质量流量或套管或 NGV 几何改性的研究。但是，如果任何旋转的部件发生了改变，精度惯性测量变化的不确定性将影响整体效率测量精度不确定度。
损失它将显示在下一节中的损失，轴承拖盘偏差，测量的不确定性减毒的由于他们与由涡轮机产生的总功率的相对大小两个数量级。这意味着，他们只需要测量的不确定度 plusmn;以确保他们对总体效率测量不确定度的影响是微不足道的 5%。损失的测量讨论本文末尾。
旋转的速度和加速度在典型测试涡轮盘加速从大约 7100 rpm 到 9900 rpm 在 230 女士在这段时间的运行，发电机产生的平均气动功率约为 2.1 兆瓦。下一节概述了发展的高分辨率编码器系统来测量速度，和因此涡轮加速椎间盘手术的 ORF。
编码器系统规格
在引言中，需要解决汽轮机效率精度在该区域的不确定性变化所述plusmn;0 . .3%设置目标精度不确定性的实际功率测量， S95 W ˙s ，在大约plusmn;0 . .2%。这一节这个整体的轴功率精度不确定性目标转化为更详细规范编码器系统已应用于设计系统。
精密的不确定性
如下有关单点测量精度不确定度的分析。功率测量不确定度的主要来源是转速信号的频率依赖性衰减。与不同的压力或温度测量的物理频率响应应该指出本文所述的信号处理例程的 acausality 使精确零相位误差。在对应的微妙的振荡中准稳态工况点的频率的信号分量衰减将跨一套测量有高度的相关性。错误的分布是不太可能是正常的所以单点测量不确定度，虽然最坏的估计，是最适合的设计目标。为了确定目标不确定性的限制， S95lowast;，对于每个测量变量，分析了最后通过误差传播。
每个被测变量的影响系数计算使用的标准程序是阿伯内西等人[9]和他们摘要列于表 1。
表 1。功率测量的影响系数
Table 1. Power measurement influence coefficients
|
Measurement |
Influence Coefficient Clowast; |
Value |
|
|
0.98 |
|
|
<em 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</em 资料编号：[147799]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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