一种透平膨胀机的性能测试系统及方法与流程

本发明涉及透平膨胀机，更为具体来说，本发明为一种透平膨胀机的性能测试系统及方法。

背景技术：

1、透平膨胀机，作为一种高效的旋转机械，主要通过工质气体的速度能变化来实现能量的传递。在这种设备中，工质气体首先通过喷嘴加速并降压，随后进入高速旋转的叶轮。在叶轮的流道内，气体继续降压并减速，同时其温度也会持续下降。透平膨胀机在低温流程中扮演着关键角色，它是主要的产冷设备，广泛应用于空分产业、化学工业以及液化装置等多个领域。这种膨胀机具有体积小、重量轻、占地面积小、结构简单、工质无污染、操作维护方便等诸多优势，使其成为工业生产中的重要设备。

2、由于透平膨胀机的转速极高，可以达到每分钟几万甚至十几万转，因此在研制过程中，对其运行状态的监测至关重要。这包括准确采集运行状态数据，并确保膨胀机试验过程中的安全稳定性。此外，还需要维持上下游压力和供气的稳定性，以及控制降温速度和升温速度在一定的稳定范围内，以保证设备的正常运行和效率。

3、然而，现有的测试系统存在一定的局限性，它们无法同时对静压轴承透平膨胀机和动压轴承透平膨胀机进行静力学与运行过程中的多性能测试。这意味着，现有的系统无法为透平膨胀机的研制提供全面的运行数据，限制了对设备性能的全面理解和优化。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的技术问题，本发明创新地提供了一种透平膨胀机的性能测试系统及方法，可进行静压轴承透平膨胀机和动压轴承透平膨胀机的静力学和运行过程中的多性能测试，保证了透平膨胀机性能测试过程安全、稳定，维持工质气与轴承气流量和压力稳定，不仅能够帮助工程师更好地理解不同工况下的性能表现，还能够为未来透平膨胀机的设计提供数据支持，从而推动透平膨胀机技术的进步和发展。

2、为实现上述的技术目的，本发明实施例公开了一种透平膨胀机的性能测试系统，包括工质气进气管路、工质气排气管路、轴承气进气管路、轴承气排气管路、密封气进气管路、制动气进气管路和制动气排气管路，所述工质气进气管路的一端与工质气供气管连接，工质气进气管路的另一端与透平膨胀机的工质气进气口连接，所述工质气进气管路上按气体流向依次安装有第一减压阀和第一调节阀；所述工质气排气管路的一端与透平膨胀机的工质气排气口连接，工质气排气管路的另一端与工质气排气管连接，所述工质气排气管路上安装有第二调节阀；所述轴承气进气管路的一端与轴承气供气管连接，轴承气进气管路的另一端与透平膨胀机的轴承气进气口连接，所述轴承气进气管路上按气体流向依次安装有第二减压阀和第三调节阀；所述轴承气排气管路的一端与透平膨胀机的轴承气排气口连接，轴承气排气管路的另一端与轴承气排气管连接，所述轴承气排气管路上安装有第一截止阀；所述密封气进气管路的一端与第二减压阀和第三调节阀之间的轴承气进气管路连接，密封气进气管路的另一端与透平膨胀机的密封气进气口连接，所述密封气进气管路上安装有第四调节阀；所述制动气进气管路的一端与第二减压阀和第三调节阀之间的轴承气进气管路连接，制动气进气管路的另一端与透平膨胀机的制动气进气口连接，所述制动气进气管路上按气体流向依次安装有第五调节阀和第六调节阀；所述制动气排气管路的一端与透平膨胀机的制动气排气口连接，所述制动气排气管路的另一端与第五调节阀和第六调节阀之间的制动气进气管路连接，所述制动气排气管路上安装有换热器。

3、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试系统，其中所述还包括工质气旁通支路，所述工质气旁通支路的一端与第一减压阀和第一调节阀之间的工质气进气管路连接，工质气旁通支路的另一端与工质气排气管和第二调节阀之间的工质气排气管路连接，工质气旁通支路上安装有第七调节阀。

4、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试系统，其中还包括复温旁通支路，所述复温旁通支路的一端与第一调节阀和透平膨胀机工质气进气口之间的工质气进气管路连接，复温旁通支路的另一端与第二调节阀和透平膨胀机工质气排气口之间的工质气排气管连接，复温旁通支路上安装有第二截止阀。

5、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试系统，其中还包括降压旁通支路，所述降压旁通支路的一端与第五调节阀和第六调节阀之间的制动气进气管路连接，降压旁通支路的另一端与第一截止阀和轴承气排气管之间的轴承气排气管路连接，降压旁通支路上安装有第三截止阀。

6、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试系统，其中还包括第一温度传感器、第二温度传感器和第一压力传感器，所述第一温度传感器安装于第一截止阀和透平膨胀机轴承气排气口之间的轴承气排气管路上，所述第二温度传感器安装于透平膨胀机的轴承气排气端，所述第一压力传感器安装于透平膨胀机的工质气排气端，所述第一温度传感器、第二温度传感器和第一压力传感器均与第四调节阀信号连接。

7、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试系统，其中还包括转速传感器，所述转速传感器安装于透平膨胀机的气体轴承处，转速传感器与第一提交阀信号连接。

8、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试系统，其中所述第一减压阀和第一调节阀之间的工质气供气管路上安装有第一流量传感器，所述第一调节阀和透平膨胀机的工质气进气口之间的工质气进气管路上安装有第三温度传感器和第二压力传感器，所述透平膨胀机的工质气排气口和第二调节阀之间的工质气排气管路上安装有第三压力传感器和第四温度传感器，所述第二减压阀和第三调节阀之间的轴承气进气管路上安装有第二流量传感器，所述第三调节阀和透平膨胀机的轴承气进气口之间的轴承进气管路上安装有第一过滤器，所述第一过滤器和第三调节阀之间安装有第四压力传感器，所述第二减压阀和第四调节阀之间的密封气进气管路上安装有第三流量传感器，所述第四调节阀和透平膨胀机的密封气进气口之间的密封气进气管路上安装有第二过滤器，所述第二过滤器和第四调节阀之间安装有第五压力传感器，所述第五调节阀和第六调节阀之间的制动气进气管路上安装有第三过滤器，所述换热器的二次侧连接于第三过滤器和第六调节阀之间的制动气进气管路上，所述第六调节阀和透平膨胀机的制动气进气口之间的制动气进气管路上安装有第五温度传感器和第六压力传感器，所述透平膨胀机的制动气排气口和换热器以一次侧之间的制动气排气管路上安装有第七压力传感器、第六温度传感器和第四流量传感器，还包括机上仪表管路和安装于透平膨胀机的气体轴承侧的位移传感器和振动传感器，所述第一压力传感器、第二温度传感器、转速传感器、位移传感器和振动传感器均安装于机上仪表管路上。

9、本发明实施例还提供了一种透平膨胀机的性能测试系统的测试方法，应用于透平膨胀机的性能测试系统，所述测试方法包括测试准备步骤、气体轴承静力学测试步骤、静压运行测试步骤、动压运行测试步骤和测试结束步骤，所述气体轴承静力学测试步骤、静压运行测试步骤、动压运行测试步骤在测试准备步骤之后执行；

10、所述测试准备步骤包括：

11、将第一调节阀和第二调节阀的开度设置为0，并关闭第二截止阀；

12、控制第一减压阀和第七调节阀的开度，使工质气进气管路的压力稳定在第一设定压力值；

13、控制第二减压阀、第四调节阀、第五调节阀和第六调节阀的开度，使密封气进气管路的压力稳定在第二设定压力值，制动气供气管路压力稳定在第三设定压力值；

14、增大第三调节阀的开度，使轴承气进气管路的压力稳定在第四设定压力值；

15、所述气体轴承静力学测试步骤包括：

16、改变第五调节阀或第六调节阀的开度，测试不同制动气压力下透平膨胀机的气体轴承的位移；

17、改变第四调节阀的开度，测试不同密封气压力下透平膨胀机的气体轴承的位移；

18、所述静压运行测试步骤包括：

19、打开第二调节阀；

20、控制第三调节阀的开度，使轴承气进气压力稳定在设定的轴承气进气压力值；

21、将第一调节阀开度设置为初始设定开度值，逐步关闭第七调节阀，并将第一调节阀的开度维持在初始设定开度值，使透平膨胀机在较低转速下运行稳定；

22、逐渐增加第一调节阀开度至工质气静压轴承测试的第一设定开度值，使透平膨胀机达到最大转速并维持透平膨胀机在最大转速运行稳定；

23、所述动压运行测试步骤包括：

24、关闭第四调节阀，打开第二调节阀；

25、调整第三调节阀的开度，使轴承气进气压力稳定在设定的轴承气进气压力值；

26、打开第一调节阀，使透平膨胀机转子具有转速值，并将第三调节阀的开度设置为0；

27、逐渐减小第七调节阀开度，并逐渐增加第一调节阀开度至工质气动压轴承测试的第一设开度定值，使透平膨胀机在临界转速运行；

28、继续增加第一调节阀开度至工质气动压轴承测试的第二设定开度值，使透平膨胀机达到最大转速并维持透平膨胀机在最大转速运行稳定；

29、所述测试结束步骤包括：

30、透平膨胀机以最大转速稳定运转一段时间后，逐渐增大第七调节阀开度并减小第一调节阀开度，使透平膨胀机转速降低，最终使第一调节阀开度为0；

31、将第二减压阀、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀、第六调节阀的开度设置为0，打开第一截止阀，使轴承气管路内的轴承气排出；

32、打开第二截止阀，使透平膨胀机内的工质气排出。

33、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试方法，其中在所述测试准备步骤中还包括：

34、当调节第五调节阀与第六调节阀的开度无法降低制动气进气管路压力时，打开第三截止阀进行制动气进气管路的放气操作。

35、进一步的，本发明一种透平膨胀机的性能测试方法，其中在所述静压运行测试步骤中还包括：

36、通过控制第六调节阀与第一调节阀开度共同控制透平膨胀机的转速；

37、将转速传感器与第一调节阀进行连锁，当透平膨胀机的转速过高时，减小第一调节阀的开度，当透平膨胀机的转速过低时，增大第一调节阀的开度；

38、将第一温度传感器、第二温度传感器和第一压力传感器与第四调节阀进行连锁，当第一温度传感器与第二温度传感器明显低于室温或第一压力传感器过高时，增大第四调节阀的开度。

39、本发明的有益效果为：本发明通过工质气进气管路、工质气排气管路、轴承气进气管路、轴承气排气管路、密封气进气管路、制动气进气管路和制动气排气管路的阀控逻辑，可进行静压轴承透平膨胀机和动压轴承透平膨胀机的静力学和运行过程中的多性能模拟测试，并保证透平膨胀机性能测试过程安全、稳定，维持工质气与轴承气流量和压力稳定。通过多性能的测试不仅能够帮助工程师更好地理解不同工况下的性能表现，评估透平膨胀机气体轴承的静力学性能与运行过程中的性能测试结果，还能够为未来透平膨胀机的设计提供数据支持，从而推动透平膨胀机技术的进步和发展。