专利名称：多功能氦气轮机实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种多功能闭式循环试验系统，特别是针对以氦气为工质的布雷顿循环中压气机及透平系统部件的试验测试平台。
背景技术：
闭式布雷顿循环是实现热能——机械能——电能转换的高效热力循环，在余热发电及核电领域发挥着重要作用。在该循环中，氦气以其独特的物性(大比热、高气体常数、 惰性气体)成为循环工质的首选。目前，高温气冷堆与氦气轮机相结合用以高效发电是国际上核电领域的发展热点，我国已将大力发展核电作为新能源发展战略的重要方向之一。氦气轮机(压气机、透平)是闭式循环高温气冷堆的核心部件，其气动性能与结构尺寸是影响整个循环系统性能与稳定运行的关键所在。同传统压气机相比，氦气压气机因氦气的特殊热物性导致其具有级数多、叶片短的特点，从而加大了气动设计难度。另外，由于氦气轮机的工作压力较高，转速较大，其封严、振动及透平叶片冷却问题也比较突出。然而，到目前为止，我国对氦气轮机的研究才刚刚起步，尚缺乏较为完备的氦气轮机设计体系及相应的数据库，这就需要一套较为完善的氦气轮机试验测试平台，以实现对氦气轮机总体性能的检测与优化设计。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种多功能氦气轮机实验系统，可以根据需要进行氦气轮机的多项性能测试。为解决上述技术问题，本实用新型提供的多功能氦气轮机实验系统，包括氦气压气机和氦气透平，所述氦气压气机由电机驱动，其输出端通过一号阀门与第一换热器的冷端进口相连，通过二号阀门与水冷却装置的输入端相连；所述第一换热器的热端出口通过一号阀门的联动阀门与水冷却装置的输入端相连，冷端出口通过加热器与第二换热器的冷端进口相连，第二换热器的冷端出口通过一号阀门的联动阀门与第三换热器的冷端进口相连；所述第三换热器还通过三号阀门与氦气气源相连，热端进口与燃油加热器相连，冷端出口连接至氦气透平的输入端上，热端出口通过一号阀门的联动阀门与第二换热器的热端进口相连；所述氦气透平的输出端通过一号阀门的联动阀门与第一换热器的热端进口相连， 通过三号阀门的联动阀门与水冷却装置的输入端相连，且氦气透平与发电机相连。进一步地，所述水冷却装置的输出端分别通过一号阀门的联动阀门、二号阀门的联动阀门连接至氦气压气机的输入端，通过三号阀门的联动阀门与氦气回收装置相连。进一步地，所述第二换热器的热端出口通过一号阀门的联动阀门连接至余热回收装置上，所述第三换热器的热端出口通过三号阀门的联动阀门连接至余热回收装置上。优选的，所述加热器为电加热器，发电机通过一号阀门的联动阀门输出电能至电加热器。在上述结构中，所述一号阀门闭合时，其联动阀门同时闭合，二号阀门及其联动阀门、三号阀门及其联动阀门均打开；所述二号阀门闭合时，其联动阀门同时闭合，一号阀门及其联动阀门、三号阀门及其联动阀门均打开；所述三号阀门闭合时，其联动阀门同时闭合，一号阀门及其联动阀门、二号阀门及其联动阀门均打开。在上述结构中，所述水冷却装置包括第四换热器、与第四换热器相连的水泵、与水泵和第四换热器相连的冷却塔，所述第四换热器输出换热后的水，通过水泵输入至冷却塔中，冷却塔将冷却水输入至第四换热器中。其中，所述电机和氦气压气机之间设有齿轮增速箱。本实用新型的有益效果在于，不但可以针对氦气压气机进行特性、效率和叶表压力分布的性能测试以及封严系统测试，而且可以针对氦气透平进行冷态/热态、特性和效率的性能测试以及气冷系统测试，此外还可以进行氦气压气机和透平共同工作特性测试， 其结构简单、功能多样，能较为全面地服务于氦气轮机的设计及性能测试。
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明
图1是本实用新型的整体示意图；图2是本实用新型进行氦气压气机性能测试的示意图；图3是本实用新型进行氦气透平性能测试的示意图；图4是本实用新型进行氦气压气机和透平共同工作特性的示意图。其中附图标记说明如下1为电机；2为齿轮增速箱；3为氦气压气机；4为第一换热器；5为电加热器；6为第二换热器；7为第四换热器；8为水泵；9为冷却塔；10为第三换热器；11为氦气透平；12 为发电机；13为燃油加热器；14为余热回收装置；15为氦气气源；16为氦气回收装置；Kl 为一号阀门；KlO为一号阀门的联动阀门；K2为二号阀门；K20为二号阀门的联动阀门；K3 为三号阀门；K30为三号阀门的联动阀门。
具体实施方式
本实用新型提供的多功能氦气轮机实验系统，如图1所示，包括氦气压气机3和氦气透平11，所述氦气压气机3由电机1驱动，所述电机1和氦气压气机3之间设有齿轮增速箱2。氦气压气机3的输出端通过一号阀门Kl与第一换热器4的冷端进口相连，通过二号阀门K2与水冷却装置的输入端相连。所述第一换热器4的热端出口通过一号阀门的联动阀门KlO与水冷却装置的输入端相连，冷端出口通过加热器与第二换热器6的冷端进口相连，第二换热器6的冷端出口通过一号阀门的联动阀门KlO与第三换热器10的冷端进口相连。所述第三换热器10还通过三号阀门K3与氦气气源15相连，热端进口与燃油加热器 13相连，冷端出口连接至氦气透平11的输入端上，热端出口通过一号阀门的联动阀门KlO 与第二换热器6的热端进口相连。所述氦气透平11的输出端通过一号阀门的联动阀门KlO 与第一换热器4的热端进口相连，通过三号阀门的联动阀门K30与水冷却装置的输入端相连，且氦气透平11与发电机12相连。其中，所述水冷却装置的输出端分别通过一号阀门的联动阀门K10、二号阀门的联动阀门K20连接至氦气压气机3的输入端，通过三号阀门的联动阀门K30与氦气回收装置16相连。所述水冷却装置包括第四换热器7、与第四换热器7相连的水泵8、与水泵8和第四换热器7相连的冷却塔9，所述第四换热器7输出换热后的水，通过水泵8输入至冷却塔 9中，冷却塔9将冷却水输入至第四换热器7中。所述加热器为电加热器5，发电机12通过一号阀门的联动阀门KlO输出电能至电加热器5。所述第二换热器6的热端出口通过一号阀门的联动阀门KlO连接至余热回收装置 14上，所述第三换热器10的热端出口通过三号阀门的联动阀门K30连接至余热回收装置 14上。当一号阀门Kl闭合时，其联动阀门KlO同时闭合，二号阀门K2及其联动阀门K20、 三号阀门K3及其联动阀门K30均打开，此时氦气压气机3和氦气透平11同时工作，系统如图4所示，可以进行氦气压气机/透平共同工作特性试验。此时，循环回路中的氦气通过由电机1驱动的氦气压气机3获得足够压力，进入第一换热器4，与从氦气透平11进入第一换热器4中的高温氦气进行换热，提高温度。换热后的氦气进入第四换热器7中，与冷却水进行换热，换热之后的氦气重新进入氦气压气机3，冷却水在第四换热器7、水泵8和冷却塔9 中循环使用。低温氦气经过第一换热器4后，进入电加热器5进一步提升温度，所述电加热器5利用氦气透平11带动发电机12产生的电力。经电加热器5的低温氦气进入第二换热器6，与燃油加热器13的燃气尾气进行换热提高温度，剩余热量被余热回收装置14(如锅炉)回收。经过一系列换热的氦气最终进入第三换热器10直接将温度提升至所需温度，推动氦气透平11做功。当二号阀门K2闭合时，其联动阀门K20同时闭合，一号阀门Kl及其联动阀门K10、 三号阀门K3及其联动阀门K30均打开，此时氦气压气机3单独工作，系统如图2所示，可以进行氦气压气机性能测试(特性、效率、叶表压力分布)和氦气压气机封严系统测试。此时， 循环回路中的氦气通过由电机1驱动的氦气压气机3获得足够压力，直接进入第四换热器 7中与冷却水换热，换热之后的低温氦气重新进入氦气压气机3，冷却水在第四换热器7、水泵8和冷却塔9中循环使用。当三号阀门K3闭合时，其联动阀门K30同时闭合，一号阀门Kl及其联动阀门KlO、 二号阀门K2及其联动阀门K20均打开，此时氦气透平11单独工作，系统如图3所示，可以进行氦气透平性能测试(冷态/热态，特性、效率)和氦气透平气冷系统测试。此时，由氦气气源15提供一定压力的低温氦气，然后再通过燃油加热器13和第三换热器10达到一定的温度，然后突然释放，令其推动氦气透平11做功，带动发电机12发电，低温氦气同时经过第四换热器7温度降至室温后回收至氦气回收装置16中。本实用新型的实验系统不但可以针对氦气压气机进行特性、效率和叶表压力分布的性能测试以及封严系统测试，而且可以针对氦气透平进行冷态/热态、特性和效率的性能测试以及气冷系统测试，此外还可以进行氦气压气机和透平共同工作特性测试，其结构简单、功能多样，能较为全面地服务于氦气轮机的设计及性能测试。以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，但这些并非构成对本实用新型的限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员可对实验系统等做出许多变形和等效置换，这些也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种多功能氦气轮机实验系统，其特征在于包括氦气压气机(3)和氦气透平(11)， 所述氦气压气机(3)由电机(1)驱动，其输出端通过一号阀门与第一换热器的冷端进口相连，通过二号阀门与水冷却装置的输入端相连；所述第一换热器的热端出口通过一号阀门的联动阀门与水冷却装置的输入端相连，冷端出口通过加热器与第二换热器(6) 的冷端进口相连，第二换热器(6)的冷端出口通过一号阀门的联动阀门与第三换热器(10) 的冷端进口相连；所述第三换热器(10)还通过三号阀门与氦气气源(1 相连，热端进口与燃油加热器(1 相连，冷端出口连接至氦气透平(11)的输入端上，热端出口通过一号阀门的联动阀门与第二换热器(6)的热端进口相连；所述氦气透平(11)的输出端通过一号阀门的联动阀门与第一换热器的热端进口相连，通过三号阀门的联动阀门与水冷却装置的输入端相连，且氦气透平(11)与发电机(1 相连。
2.根据权利要求1所述的多功能氦气轮机实验系统，其特征在于所述水冷却装置的输出端分别通过一号阀门的联动阀门、二号阀门的联动阀门连接至氦气压气机(3)的输入端，通过三号阀门的联动阀门与氦气回收装置(16)相连。
3.根据权利要求1所述的多功能氦气轮机实验系统，其特征在于所述第二换热器(6) 的热端出口通过一号阀门的联动阀门连接至余热回收装置(14)上，所述第三换热器(10) 的热端出口通过三号阀门的联动阀门连接至余热回收装置(14)上。
4.根据权利要求1所述的多功能氦气轮机实验系统，其特征在于所述加热器为电加热器(5)，发电机(12)通过一号阀门的联动阀门输出电能至电加热器(5)。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的多功能氦气轮机实验系统，其特征在于所述一号阀门闭合时，其联动阀门同时闭合，二号阀门及其联动阀门、三号阀门及其联动阀门均打开；所述二号阀门闭合时，其联动阀门同时闭合，一号阀门及其联动阀门、三号阀门及其联动阀门均打开；所述三号阀门闭合时，其联动阀门同时闭合，一号阀门及其联动阀门、 二号阀门及其联动阀门均打开。
6.根据权利要求1至4中任何一项所述的多功能氦气轮机实验系统，其特征在于所述水冷却装置包括第四换热器(7)、与第四换热器(7)相连的水泵(8)、与水泵(8)和第四换热器(7)相连的冷却塔(9)，所述第四换热器(7)输出换热后的水，通过水泵(8)输入至冷却塔(9)中，冷却塔(9)将冷却水输入至第四换热器(7)中。
7.根据权利要求1所述的多功能氦气轮机实验系统，其特征在于所述电机(1)和氦气压气机( 之间设有齿轮增速箱O)。
专利摘要本实用新型公开了一种多功能氦气轮机实验系统，氦气压气机通过一号阀门与第一换热器冷端进口相连，通过二号阀门与水冷却装置相连；第一换热器热端出口通过一号联动阀门与水冷却装置相连，冷端出口通过电加热器与第二换热器冷端进口相连，第二换热器冷端出口通过一号联动阀门与第三换热器冷端进口相连；第三换热器通过三号阀门与氦气气源相连，热端进口与燃油加热器相连，冷端出口连接氦气透平，热端出口通过一号联动阀门与第二换热器热端进口相连；氦气透平通过一号联动阀门与第一换热器热端进口相连，通过三号联动阀门与水冷却装置相连。本实用新型结构简单，能全面地服务于氦气轮机的设计及性能测试。
文档编号G01M15/00GK202281695SQ20112037238
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者孔巧玲, 庄晓杰, 张宏武, 张靖煊, 朱郁波, 柯婷凤, 黄伟光 申请人:上海中科高等研究院