专利名称：燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置及方法。
背景技术：
在航空发动机和地面燃气轮机的设计中，随着科学技术的不断发展，涡轮透平前的温度也不断提高，这不仅依赖工艺水平的提升，也要求结构设计的改进，因而涡轮透平叶片的冷却设计及冷却效果试验也在不断完善。其专利号为02280657.1的检测涡轮叶片水流量的装置，是用于航空发动机涡轮叶片冷却试验，而地面燃气轮机透平叶片与航空发动机涡轮叶片相比，存在较大的差异，燃气轮机透平叶片尤其是重型燃气轮机透平冷却叶片，叶片尺寸大，要求试验用的水流量比航空发动机涡轮叶片要求用的水流量大得多，水流量值范围为39500g/min～11300g/min；其试验要求的压力比航空发动机涡轮叶片水流量试验时的压力低得多，为0.02MPa，脉动可达到0.002MPa。现有的检测涡轮叶片水流量的装置不能够同时满足上述两点要求，无法进行燃气轮机透平冷却叶片水流量的测量。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置及方法。它是采用高位水箱给试验供水，并通过PLC可编程序控制器对试验进行电气控制和数据采集处理，用打印机打印测试数据，并通过PC监测机组态模拟实施显示。
本发明测量装置的结构包括下水箱、高位水箱、液位计、工作台、进水装置、出水装置、电气控制系统及主体框架，主体框架固定在两水箱的周围，工作台置于下水箱上方，其下部通过管路接于下水箱中，高位水箱内部置有液位计，置于工作台上方，下水箱通过进水装置与高位水箱一侧相连，高位水箱底部开有出水口，通过出水装置接于工作台上方的叶片上，高位水箱另一侧沿固定水位处开有溢流口，通过管路接于下水箱中，进水装置和出水装置及液位计分别与电气控制系统连接。
进水装置包括水泵、电磁阀、进水阀，水泵的进水口与下水箱连接，其出水口通过管路依次与电磁阀、进水阀连接，电磁阀的回水口接于下水箱中；出水装置包括电动阀、电磁流量计、出水阀和压力表，并依次连接，电动阀端连接高位水箱的出水口，与出水阀连接的管路出口与叶片接触处安装压力表；在溢流管路中安装有溢流阀；进水装置中的电磁阀、出水装置中的电动阀和电磁流量计分别与电气控制系统连接。
本发明中水泵的进水口与下水箱之间依次连接有调节阀、过滤器；电磁阀为二位三通电磁阀，电动阀为二位二通电动阀；还可在框架的一侧安装有扶梯。
本发明的电气控制系统包括PLC、电磁流量计、液位计、A/D转换器、PC监测机、操作台、打印机，操作台上设有各种操作按钮，用于试验过程中操作控制、方式选择、状态显示等，各种控制、显示信号通过连接电缆与操作台控制柜内的PLC的输入口、输出口联接，操作台上设有各种指示灯，用于显示测量机的工作状态；PLC分别与PC监测机、操作台及测量装置的执行机构连接，其扩展口通过输出模块与A/D转换器连接，A/D转换器与测量装置的电磁流量计和液位计分别通过屏蔽电缆连接，打印机与PC监测机连接，各元器件分别与各自的电源控制电路连接。其执行机构包括电磁阀、电动阀和水泵电机，水泵电机通过控制水泵电机电路接于电源电路上，电磁阀、电动阀分别通过继电器并联接于24V电源上，其各自的信号灯并联接于24V电源电路上，通过PLC、继电器、24V电源按工艺程序进行控制，各信号灯分别根据程序状态检测结果，进行相应的状态显示。电磁流量计和液位计采集的信号通过A/D转换器输入给PLC，由PLC分析信号，控制执行机构，通过PC监测机显示。
本发明的电源控制电路包括常规的各种电源状态灯光指示电路，控制水泵电机电路，24V直流电源路，PLC电源电路，电磁流量计配置电路，各电路并联在电源电路上，由三相380V电源作为各部分工作电源。设有一个总电源开关QF1，PLC直接连接在总电源开关上，用以保证通电的同时PLC系统首先通电。其它部分的电源分别通过开关QF5、QF2、QF3、QF4连接到总电源开关QF1上，其通电顺序也是按照如此顺序。
由于被测叶片种类不同，相互间流量值变化很大，为保证测试精度，根据叶片的种类选择不同规格型号的电磁流量计，也可采用两台两种不同规格型号的电磁流量计相并联，以满足被测叶片流量值的变化。具体连接结构为在测量装置中设有两个出水装置，在高位水箱底部开有两个出水口，分别通过出水装置并联接于工作台上；在电气控制系统中，两个电磁流量计并联接于电气控制系统的A/D转换器上，两电磁流量计配置电路并联接于电源电路上，两电磁流量计的电动阀控制电路并联接于24V电源电路上。
本发明采用PLC对试验进行数据采集运算、逻辑控制、操作处理显示、故障处理状态显示，并用打印机打印测试数据；采用PC监测机对试验进行数据实时显示包括重量/秒、重量/分、时间，现场实时动态模拟，操作数据输入包括叶片零件号、批次号、操作者，并通过打印机打印。
本发明的测量方法，包括以下步骤1、开始；2、装夹叶片；
3、接通总电源；4、接通控制电源、电机、电磁流量计电源；5、电源正常否？如果电源不正常，则系统继续检测电源；6、如果电源正常，则系统进行初始化；7、PLC、电磁流量计系统正常否？如果不正常，则系统继续检测PLC、电磁流量计系统；8、如果正常，启动水泵；9、开始测量；10、计量液位数据并动态检测；11、液位OK否？即液位是否达到设定值，如果液位没有达到设定值，则系统返回到上一步，继续进行计量液位数据并动态检测；12、如果液位达到设定值，则液位计发出信号；13、叶片出水正常否？如果叶片出水不正常，则调整进水阀及出水阀；14、如果叶片出水正常，则开始计量；15、计量1秒钟电磁流量计的流量g/s；16、系统判断时间是否为1秒，如果不到1秒钟，系统继续计量；17、计量时间为1秒时，系统存储第1秒流量数据并显示；18、系统累计存储每1秒的流量数据；19、系统判断时间是否为1分钟，如果不到1分钟，系统返回到上一步，继续累计计量数据；20、时间为1分钟时，系统存储60秒流量数据，并显示、打印输出，计量停止；21、系统复位否？如果是，则返回到第九步的计量液位数据并动态检测；22、如果不复位，则停止测量；23、停止水泵；24、水箱清理否，如果不清理，系统继续询问；25、如果清理，则系统显示水箱液位是否等于0，如果水箱液位不等于0，则继续清理；26、如果水箱液位等于0，则系统工作结束。
其工作过程系统开始工作，首先安装好标准叶片，接通电源，电源、PLC及电磁流量计工作正常的情况下，启动水泵电机，水泵从下水箱抽水加压，下水箱中的水经电磁阀和进水阀进入上水箱，当上水箱的水位的水压达到设定值时，液位计发出信号，表示系统可以开始测量，打开电动阀，水经过电磁流量计和标准叶片流回下水箱。通过压力表检验水压，通过进水阀和出水阀进行调节，使水压达到设定值。按下测试按钮开始计量，通过电磁流量计测量出水每秒钟的流量(g/s)和每分钟的流量(g/min)，通过控制系统存储，由PC监测机显示这些数据并由打印机打印出来。当一分钟测试完成后，电动阀关闭，电磁阀换向，水直接流回下水箱，上水箱的水位保持不变。检验被测数据是否符合标准叶片标定值，如果符合，测试结束，停止水泵，清理水箱。也可在一分钟测试完成后，换装待测叶片，重新开始新的测试工作。测试过程中，PC监测机演示出一分钟内水位变化情况，便于工人观测。
本发明的优点是该装置结构简单，具有先进性、通用性及广泛的经济效益；应用该测量装置测量，方法简便、有效、可靠，适用于测量各种燃气轮机透平冷却叶片的水流量；试验中的水流量值范围达到39500g/min～11300g/min；试验时水流量的压力达到0.02MPa，脉动可达到0.002MPa。
图1是本发明测量装置的结构示意图；图2是本发明的电气系统原理框图；图3是本发明测量装置中电动阀、电磁阀的控制电路原理图；图4是本发明的电源控制电路原理图；图5是本发明的控制流程图；图6是本发明实施例2的电气系统原理框图；图7是本发明实施例2的测量装置中电动阀、电磁阀的控制电路原理图；图8是本发明实施例2的电源控制电路原理图；图中1.下水箱，2.过滤器，3.调节阀，4.水泵，5.水泵电机，6.电磁阀，7.压力表，8.进水阀，9.出水口，10.电动阀，11.电磁流量计，12.出水阀，13.叶片，14.工作台，15.溢流口，16.高位水箱，17.液位计，18.溢流阀，19.第二电磁流量计的电动阀，QF1～QF5为电源开关，KM为接触器，KH为热集电器，当电路中电流超过额定值时，自动断开，起保护作用，HL1～HL13为指示灯，FU1～FU8为电阻，FIL1、FIL2、FIL3为电源，POW为滤波器，消除各种环境及电网干扰，控制电压转换成24V电压，LDG1、LDG2为电磁流量计，A0～A4、B0～B5、C0～C2、L1～L4、N、N1为线路，CON1、CON2为电源插座，IN1、IN2为电磁流量计的电压输入端，COM1、COM2为电磁流量计的公共接线端，KA1～KA3为继电器，BC1～BC3、B01～B03、SLS1～SLS3、OLS1～OLS3L、L1、N、N1、E、GR、LG为线号，I为工作状态灯光指示电路，II为控制水泵电机电路，III为24V直流电源电路，IV为PLC电源电路，V和VII均为电磁流量计配置电路，VI为电源开关电路。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述实施例1本发明如图1所示，其中电磁阀6为二位三通电磁阀，电动阀10为二位二通电动阀，电磁流量计为一个，厂家为德国E+H，型号为53W15-UA0B1，直径为15mm。PLC型号为CPM2A-40CDR-A，与其连接的输出模块型号为CPM1A-8ER，A/D转换器型号为CPM1A-AD041，产地皆为日本OMRON。其机械结构包括下水箱1、高位水箱16、液位计17、工作台14、电气控制系统及主体框架，主体框架固定在两水箱的周围，工作台14置于下水箱1上方，其下部通过管路接于下水箱1中，高位水箱16内部置有液位计17，并置于工作台14上方，液位计17为DC24V，用于测量水位，高位水箱16用于试验供水，高位水箱的高度用来保证试验所需要的压力，其容量用来保证试验用水量，下水箱1通过进水装置与高位水箱16一侧相连，高位水箱16底部开有出水口9，通过出水装置接于工作台14上方的叶片13上，高位水箱16另一侧沿固定水位处开有溢流口15，通过管路接于下水箱1中，高出水位的水直接流回下水箱1，使高位水箱16保持水位不变，进水装置和出水装置及液位计17分别与电气控制系统连接。
进水装置包括水泵4、电磁阀6、进水阀8，水泵4的进水口与下水箱1连接，其出水口通过管路依次与电磁阀6、进水阀8连接，电磁阀6的回水口接于下水箱1中；出水装置包括电动阀10、电磁流量计11、出水阀12和压力表7，并依次连接，电动阀10端连接出水口9，与出水阀12连接的管路出口与叶片13接触处安装压力表7；在与溢流口15连接的溢流管路中安装有溢流阀18；进水装置中的电磁阀6、进水阀8、出水装置中的电动阀10和电磁流量计11分别与电气控制系统连接。
电气控制系统，如图2所示，包括PLC、电磁流量计、液位计、A/D转换器、PC监测机、操作台、打印机。操作台上设有各种操作按钮，用于试验过程中操作控制、方式选择、状态显示等，各种控制、显示信号通过连接电缆与操作台控制柜内的PLC的输入口、输出口联接，操作台上设有各种指示灯，用于显示测量机的工作状态；PLC分别与PC监测机、操作台及测量装置的执行机构连接，其扩展口通过输出模块与A/D转换器连接，A/D转换器与测量装置的电磁流量计和液位计分别通过屏蔽电缆连接，打印机与PC监测机连接，各元器件分别与各自的电源控制电路连接。其执行机构包括电磁阀6、电动阀10和水泵电机，水泵电机5通过控制水泵电机电路II接于电源电路上，电磁阀6、电动阀10分别通过继电器并联接于24V电源上，其各自的信号灯并联接于24V电源电路上，通过PLC、继电器、24V电源按工艺程序进行控制，各信号灯分别根据程序状态检测结果，进行相应的状态显示。电磁流量计和液位计采集的信号通过A/D转换器输入给PLC，由PLC分析信号，控制执行机构，通过PC监测机显示。
其电源控制电路，如图4所示，包括常规的工作状态灯光指示电路I，控制水泵电机电路II，24V直流电源电路III，PLC电源电路IV，电磁流量计配置电路V，电源开关电路VI，各电路并联在电源电路上。接通总电源开关QF1，电源指示灯亮，接通水泵电机开关QF5，接触器KM吸合，水泵电机旋转，接触器KM常开触点闭合，由PLC控制电磁阀及电动阀的开/关及显示过滤器堵塞、电磁流量计、液位计故障。
其测量控制方法，按以下步骤操作1、开始；2、装夹叶片；3、接通总电源QF1；4、接通控制电源、电机、电磁流量计电源QF2、QF3、QF4、QF5；5、电源正常否？如果电源不正常，则系统继续检测电源；6、如果电源正常，则系统进行初始化；7、PLC、电磁流量计系统正常否？如果不正常，则系统继续检测PLC、电磁流量计系统；8、如果正常，启动水泵；9、开始测量，打开电磁阀6；10、计量液位数据并动态检测；11、液位OK否？即液位是否达到设定值，如果液位没有达到设定值，则系统返回到上一步，继续进行计量液位数据并动态检测；12、如果液位达到设定值，则液位计发出信号；13、叶片出水正常否？如果叶片出水不正常，则调整进水阀8及出水阀12；14、如果叶片出水正常，则开始计量；15、计量1秒钟电磁流量计的流量g/s；16、系统判断时间是否为1秒，如果不到1秒钟，系统继续计量；17、计量时间为1秒时，系统存储第1秒流量数据并显示；18、系统累计存储每1秒的流量数据；19、系统判断时间是否为1分钟，如果不到1分钟，系统返回到上一步，继续累计计量数据；20、时间为1分钟时，系统存储60秒流量数据，并显示、打印输出，计量停止；显示器实施显示每分钟流量，停止计量可自动或手动进行；21、系统复位否？如果是，则返回到第九步的计量液位数据并动态检测；22、如果不复位，则停止测量；
23、停止水泵；关闭电磁阀6，即关闭继电器KA3；24、水箱清理否，如果不清理，系统继续询问；25、如果清理，则系统显示水箱液位是否等于0，如果水箱液位不等于0，则继续清理；26、如果水箱液位等于0，则系统工作结束；关闭电磁流量计、水泵电源、控制电源、24V控制电源、总电源。
实施例2本发明如图1所示，其中电磁流量计为两台，厂家为德国E+H，型号为53W25-UAOB1，直径分别为15mm和25mm；电磁阀6为二位三通电磁阀，电动阀10和第二电磁流量计的电动阀19均为二位二通电动阀；PLC型号为CPM2A-40CDR-A，与其连接的输出模块型号为CPM1A-8ER，A/D转换器型号为CPM1A-AD041，产地皆为日本OMRON。其机械结构包括下水箱1、高位水箱16、液位计17、工作台14、进水装置、两个出水装置、电气控制系统及主体框架，主体框架固定在两水箱的周围，工作台14置于下水箱1上方，其下部通过管路接于下水箱1中，高位水箱16内部置有液位计17，并置于工作台14上方，液位计17为DC24V，用于测量水位，高位水箱16用于试验供水，高位水箱的高度用来保证试验所需要的压力，其容量用来保证试验用水量，下水箱1通过进水装置与高位水箱16一侧相连，高位水箱16底部开有两个出水口，分别通过出水装置接于工作台14上方的叶片13上，高位水箱16另一侧沿固定水位处开有溢流口15，通过管路接于下水箱1中，高出水位的水直接流回下水箱1，使高位水箱16保持水位不变，进水装置和出水装置及液位计17分别与电气控制系统连接。
其电气控制系统，如图6所示，其连接关系与实施例1相同，两电磁流量计并联接于A/D转换器上。其电源控制电路，如图7所示包括常规的工作状态灯光指示电路I，控制水泵电机电路II，24V直流电源电路III，PLC电源电路IV，第一电磁流量计配置电路V，电源开关电路VI，第二电磁流量计配置电路VII，各电路并联在电源电路上。在工作过程中，其中一台电磁流量计工作，另一台电磁流量计不工作，根据测量的叶片种类选择。电磁阀6、第一电磁流量计的电动阀10、第二电磁流量计的电动阀19控制电路为如图8所示，电磁阀6、第一电磁流量计的电动阀10，第二电磁流量计的电动阀19分别通过继电器并联接于24V电源上，其各自的信号灯并联接于24V电源电路上，通过PLC、继电器、24V电源按工艺程序进行控制，各信号灯分别根据程序状态检测结果，进行相应的状态显示。其测量方法与实施例1相同。
权利要求
1.一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，其特征在于包括下水箱、高位水箱、液位计、工作台、进水装置、出水装置、电气控制系统及主体框架，主体框架固定在两水箱的周围，工作台置于下水箱上方，其下部通过管路接于下水箱中，高位水箱内部置有液位计，并置于工作台上方，下水箱通过进水装置与高位水箱一侧相连，高位水箱底部开有出水口，通过出水装置接于工作台上方的叶片上，高位水箱另一侧沿固定水位处开有溢流口，通过管路接于下水箱中，进水装置和出水装置及液位计分别与电气控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，其特征在于所述的进水装置包括水泵、电磁阀、进水阀，水泵的进水口与下水箱连接，其出水口通过管路依次与电磁阀、进水阀连接，电磁阀的回水口接于下水箱中；出水装置包括电动阀、电磁流量计、出水阀和压力表，并依次连接，电动阀端连接高位水箱的出水口，与出水阀连接的管路出口与叶片接触处安装压力表；在与溢流口连接的溢流管路中安装有溢流阀；进水装置中的电磁阀、出水装置中的电动阀、电磁流量计分别与电气控制系统连接。
3.根据权利要求2所述的一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，其特征在于所述的水泵的进水口与下水箱之间依次连接有调节阀、过滤器。
4.根据权利要求1至3任何一项所述的一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，其特征在于所述的电气控制系统包括PLC、A/D转换器、电磁流量计、液位计、显示器、PC监测机、操作台、打印机，PLC分别与PC监测机、操作台及测量装置的执行机构连接，其扩展口通过输出模块与A/D转换器连接，A/D转换器与测量装置的电磁流量计和液位计分别通过屏蔽电缆连接，打印机与PC监测机连接，各元器件分别与各自的电源控制电路连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，其特征在于所述的出水装置设有两个，电磁流量计为两台，在高位水箱底部开有两个出水口，分别通过出水装置并联接于工作台上，在电气控制系统中，出水装置的两台电磁流量计并联接于电气控制系统的A/D转换器上，两电磁流量计配置电路并联接于电源电路上，两电磁流量计的电动阀控制电路并联接于24V电源电路上。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，其特征在于所述的电磁阀为二位三通电磁阀，电动阀为二位二通电动阀。
7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，其特征在于在该装置主体框架的一侧安装有扶梯。
8.采用权利要求1所述的燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤(1)开始；(2)装夹叶片；(3)接通总电源；(4)接通控制电源、电机、电磁流量计电源；(5)电源正常否？如果电源不正常，则系统继续检测电源；(6)如果电源正常，则系统进行初始化；(7)PLC、电磁流量计系统正常否？如果不正常，则系统继续检测PLC、电磁流量计系统；(8)如果正常，启动水泵；(9)开始测量；(10)计量液位数据并动态检测；(11)液位OK否？即液位是否达到设定值，如果液位没有达到设定值，则系统返回到上一步，继续进行计量液位数据并动态检测；(12)如果液位达到设定值，则液位计发出信号；(13)叶片出水正常否？如果叶片出水不正常，则调整进水阀及出水阀；(14)如果叶片出水正常，则开始计量；(15)计量1秒钟电磁流量计的流量g/s；(16)系统判断时间是否为1秒，如果不到1秒钟，系统继续计量；(17)计量时间为1秒时，系统存储第1秒流量数据并显示；(18)系统累计存储每1秒的流量数据；(19)系统判断时间是否为1分钟，如果不到1分钟，系统返回到上一步，继续累计计量数据；(20)时间为1分钟时，系统存储60秒流量数据，并显示、打印输出，计量停止；(21)系统复位否？如果是，则返回到第九步的计量液位数据并动态检测；(22)如果不复位，则停止测量；(23)停止水泵；(24)水箱清理否，如果不清理，系统继续询问；(25)如果清理，则系统显示水箱液位是否等于0，如果水箱液位不等于0，则继续清理；(26)如果水箱液位等于0，则系统工作结束。
全文摘要
一种燃气轮机透平冷却叶片水流量测量装置，包括下水箱、高位水箱、液位计、工作台、进水装置、出水装置、电气控制系统及主体框架，主体框架固定在两水箱的周围，工作台置于下水箱上方，其下部通过管路接于下水箱中，高位水箱内部置有液位计，并置于工作台上方，下水箱通过进水装置与高位水箱一侧相连，高位水箱底部开有出水口，通过出水装置接于工作台上方的叶片上，高位水箱另一侧沿固定水位处开有溢流口，通过管路接于下水箱中，进水装置和出水装置及液位计分别与电气控制系统连接，由电气控制系统其运行。本发明结构简单，具有先进性、通用性及广泛的经济效益；该装置测量方法简便、有效、可靠，适用于测量各种燃气轮机透平冷却叶片的水流量。
文档编号G01F1/58GK1858560SQ20061004639
公开日2006年11月8日 申请日期2006年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者徐玮, 张凤云, 任玺圭, 赵正君, 王俊涛, 李景波, 李伟, 刘国庆 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司