第三章实验装置设计在上一章我们已经详细论述了压气机实验装置的实验原理，方案选择，还有实验装置的动力来源。

在这一章里，我们将详细介绍实验台各个系统的设计过程，整个实验装置包括实验装置总体布局、本体设计、冷却润滑系统、燃烧点火系统等。

§3.1 实验装置总体设计一.实验装置总体布局根据压气机实验原理和我们选择的实验方案，我们设计了如图3-1所示的实验系统原理图，实物图3-2。

由于实验台以压气机的测试为主，同时又可以做燃气透平与零功率燃气轮机特性测试实验，如下阐述我们的总体布局方案。

首先，压气机特性测试过程中，压气机与涡轮透平部分由阀门2切断，也就是上图中阀门2关闭，涡轮透平依靠外部气源作为动力来启动并升速，这样就可以带动压气机运转。

测试过程中，压气机采用出口流量调节，依靠调节阀门1不同的开度来实现不同的工况状态（阀门1直通大气）。

在每一个工况条件下，可以通过调节外风源的流量大小来实现恒转速，也就是调节阀门3的开度。

理论上，这样通过测量压气机进出口空气的温度、压力和流量，以及压气机的转速，压气机的特性曲线就可以完成了。

但是如果仅靠外部气源，需要外部气源提供很高的压力，才能使压气机和涡轮机的转速升高到60000rpm，这样也是很不经济的，而且也不宜实现。

为此，我们是这样来实现的：如图所示，在涡轮机前我们增加了燃烧室，当具有一定压力的空气进入燃烧室后，通过喷油点火燃烧的办法来提高温度变成高温燃气，提供透平膨胀功率，从而提高透平的转速和功率。

通过调节喷油量和改变空气流量我们将比较容易的控制转速等实验参数，如此就可以达到实验的基本条件了，进行压气机的特性实验。

[5]实验装置还可以做另外的一组实验，即燃烧室和零功率燃气轮机特性实验，过程如下：阀门1全开，阀门2全关，开启阀门3使涡轮机开始升速，到一定的转速后，喷油点火燃烧，逐渐开大阀门3增加空气流量，同时逐渐增加喷油量，这样压气机的转速也在逐渐升高，当观测到压气机转速稳定到一定转速而压气机出口压力基本等于外气源的压力时，逐渐关闭阀门1，开阀门2，同时关闭阀门3，这时涡轮增压器就转成自循环工作，而成为零功率燃气轮机。

图3-1压缩机布置方案图和测试系统图图3-2压缩机实验装置实物图二.关于压气机实验喘振的考虑在压气机实验台的设计过程中，压气机实验中对喘振的考虑是尤其要重要的，我们先来了解喘振的发生。

当压缩机在运转过程中，流量不断减小达到Q min值时，就会在压缩机流道中出现严重的旋转脱离，流动严重恶化，使压缩机出口压力突然大大下降。

由于压缩机总是和管网系统联合工作的，这时管网中的压力并不马上减低，于是管网中的气体压力就反大于压缩机出口处的压力，因而管网中的气体就倒流向压缩机，一直到管网中的压力下降至低于压缩机出口压力为止，这时倒流停止，压缩机又开始向管网供气，经过压缩机的流量又增大，压缩机又恢复正常工作，但当管网中的压力也恢复到原来的压力时，压缩机的流量又开始减小，系统中气体又产生倒流，如此周而复始，就在整个系统中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象称为“喘振”。

因此，喘振现象不但和压缩机中严重的旋转脱离有关，还和管网系统密切相关。

管网的容量愈大，则喘振的振幅愈大，频率愈低。

管网的容量愈小，则喘振的振幅愈小，频率愈高。

所以，导致喘振的先决条件，首先在于压缩机越过最小流量值，产生了严重的旋转脱离和脱离区的急剧扩大的情况，但这时是不是会发生喘振现象，则和压缩机与管网联合工作时的性能曲线状况有关。

只有当管网性能曲线与压缩机性能曲线的交点，进入喘振界限之内，才会发生喘振现象。

如图3-3所示，管网性能曲线在1，2，3的位置时都不会发生喘振，当管网性能移到图中4的位置，与压缩机性能曲线相交于s点，而s点已进入喘振界限线之内时，才会出现整个系统的喘振现象。

可以说压缩机达到最小流量点而产生了严重的旋转脱离是内因，管网与压缩机联合工作时，性能曲线状况和交点的位置是条件，内因只有在条件的促成下，才能发生特有的现象——喘振。

图3-3压气机某转速下喘振示意图相关试验已经表明，在正常工况和喘振工况时，在压缩机出口处测得的气流速度和压力情况有本质的区别。

在正常工况下，压缩机出口压力的平均值高，而压力的变动幅值很小，说明压力场是稳定的。

其速度场也是如此。

在喘振工况时，压力的平均值下降很多，且振幅大，而速度的平均值非但下降，而且振幅非常大。

这都说明在喘振工况下，压缩机内气流流动的规律行性已遭破坏，压缩机已不再能正常压送气体了。

在喘振点的压缩机性能曲线可能是连续的，也可能是不连续的。

目前还无法预知运转中会出现哪一种情况。

在对叶轮进行试验表明，若性能曲线是连续的，一般是当流量减小到快经过Q点时，叶轮流道中先出现了小的脱离团，再逐渐减小流量时，最初脱离团的数目增多了，然后出现了几个团的联合，以致形成一个大的脱离团（这个大团可能占据叶栅的一半流通面积），最后才出现流道中完全脱离现象，发生了喘振。

假使压缩机性能不是连续的，一般是在当关小阀门，流量经过q时，在叶道中突然出现了一个大的脱离团，并马上发生喘振现象。

在叶轮后装有叶片扩压器时，发现会使脱离团数目减小，并在流量还较大时，便开始形成一个大脱离团，这时压缩机的性能曲线也容易出现不连续的情况。

[5, 8]另外，压缩机进口气流的不均匀性，对旋转脱离和喘振界限也有影响。

不均匀性愈严重，旋转脱离和喘振发生的愈早，喘振界限也愈移向大流量。

对压缩机，可以在不同转速下用实测法近似的得出各喘振点，如图3-4所示，如图中ABCD各点，将这些喘振点连接起来，就得到一条喘振界限线，它可以视为通过原点的一条抛物线，该抛物线的的方程式为（3.1）式中为压缩机多变能量头为进口容积流量为常数显然，只有具备如下条件，才能保证离心式压缩机在喘振区之外工作。

图3-4压气机喘振边界线测试喘振现象对压缩机使十分有害的，喘振时由于气流强烈的脉动和周期性振荡，会使叶片强烈振动，叶轮动应力大大增加，噪音加剧，使整个机组发生强烈振动，并可能损坏轴承，密封，进而造成严重的事故，但是至今为止，对离心式压缩机的喘振还掌握的很不够，还不能从里论上比较正确的计算出性能曲线及喘振工况点，只能在压缩机的性能测试时，根据经验来近似的判断是否已进入喘振工况了，其判断方法大致有下面几点：1．1．听测压缩机出口管道气流的噪音：离心式压缩机在稳定运转的正常工况下，其噪音较低且是连续性的，而接近喘振工况时，由于整个系统产生气流周期性的振荡，因而在出气管道中，气流发出的噪音也时高时低，产生周期性变化，当进入喘振工况时，噪音立即大大增据，甚至暴音出现。

2．2．观测压缩机进口流量和出口压力的变化：离心式压缩机在稳定工况下运行时，其出口压力和进口流量的变化是不大的，有规律的，且所测得得数据在平均值附近摆动，比那动得幅度很小，当接近或进入喘振工况时，二者得变化都很大，发生了周期性大幅度得脉动，有时甚至发现有气体从压缩机进口处被倒推出来。

3．3．观测机体和轴承得振动情况：当接近或进入喘振工况时，机体和轴承都发生强烈得振动，其振幅要比平常正常运行时大大增加。

根据以上对喘振的了解，我们采用的避免喘振的主要措施是在接近喘振点附近，减缓压气机出口节流装置的调节速度，如果发现压气机有异常，出现喘振的一些特征，立即开大压气机出口节流阀门的开度，实行放气保护压气机，避免喘振。

§3.2 实验装置主体实验台的主体部分主要包括实验用压气机，压气机进气段，压气机出气段，涡轮机进气段，涡轮机出气段。

压气机部分在安装时，主要考虑的是振动问题，为了避免压气机运转起来后的振动问题，在地面下1m处浇筑两座钢筋混凝土柱子，然后把固定压气机的架子用膨胀螺栓锁紧在钢筋混凝土柱子上，这样压气机运转起来后整体性就会比较稳定。

一. 压气机进气段的设计压气机进口段主要包括进口消音器、进口文丘里喷嘴、喷嘴前气流整流段、喷嘴下游段和两个连接段，系统图见3-5，实物图见3-6。

图3-5 离心式压气机进口段布置图1．进口消音器的作用：一方面起到减小噪音，降低噪音的功效，另一方面还要过滤空气中的较大的杂质，以免一些大的碎削进入压气机，损坏高速旋转的压气机叶片。

2．进口文丘里喷嘴：选用ISO文丘里喷管测定流量，由于采用园弧过度，阻力损失小，从而降低流动过程中的压力损失，还有测量精度比较高。

详细的设计过程在下一节中将详细介绍。

3．柔性接头：除了消音器和喷嘴部分外，还有消音器连接段和压气机进口连接段，柔性接头。

两段连接段顾名思义起到的作用仅仅是两个部件之间的联接过渡。

柔性接头的作用是一方面衰减由压气机传递过来的振动，一方面起到热胀冷缩的作用。

这样就可以保护压气机，因为整个装置都是刚性连接，有了柔性连接就能使压气机的振动不强加给管路系统，压气机高速运转起来后，蜗壳温度还是很高的有两三百度，柔性管可以有伸缩补偿温度变化产生的位移。

我们在压气机的进、出口和涡轮机的进、出口分别加上了柔性连接，这样就可以把压气机本体的不利影响与其它部分分割开来，这对压气机的正常运转是很有利的。

图3-6 离心式压气机进口段布置图二．压气机出口段的设计压气机出口段管路总图如图3-7，实物图见3-8。

这里出口段主要包括出口连接段，柔性连接段，防喘排空段，阀门连接段，阀门与涡轮机部分的连接弯头。

这几段的作用基本上是起到连接的作用，这几段管道考虑的主要是单独做压气机实验时的工况调节和自循环做实验时的调节。

出口段的总长度主要由涡轮机进口的长度决定，因为那一边牵涉到燃烧器的位置和喷嘴的布置。

为了减小管道的阻力，尽量避免管径的突变，压气机出口直径φ130mm，图中主干线上的管道直径取为φ150mm，排气管道取φ100mm。

管道的详细尺寸见附录。

图3-7离心式压气机出口段布置图图3-8压气机出口及涡轮机进口实物图三．涡轮机进口段的设计涡轮机进口段主要包括喷嘴进气上游段、喷嘴、喷嘴下游段、燃烧器、柔性连接、进口连接段。

总图见3-9。

其中喷嘴上游段、下游段和喷嘴的设计标准和原理如上节所述。

喷嘴的几何尺寸如下。

1.涡轮机进口连接段2.软接管3.燃烧器出口收缩段4.燃烧器5.燃烧器喷油连接段6.喷嘴扩散段7.喷嘴8.喷嘴上游段图3-9涡轮机进口布置图四．涡轮机出口段的设计涡轮机出口段主要有排气扩散段，柔性连接段和涡轮机出口连接管道。

为了使出口的阻力降低，我们采用了扩散段，管径加粗，使涡轮机排气被压近似为大气压力。

这样排出来的烟气压力损失就非常小。

总图见3-10。

图3-10离心式压气机示意图§3.3流量测量装置的设计在热力机械实验中，被测流体的流量通常是指单位时间内的流体的量。

流量可用质量单位表示，也可用体积流量表示，它们之间的关系为：（3.1）式中G表示单位时间内流过的流体质量，Q单位时间内流过的流体体积ρ流过的流体密度由于ρ随流体的其他状态参数变化，因此在说明体积流量时，必须同时指出流体的参数。