燃气轮机叶片水流量测量机研制

王俊涛++巴晓玉++姜雷++刘淞宁

摘要：燃气轮机叶片水流量测量机是一种燃气轮机透平叶片的内部型腔结构采用水流量测量进行测量检测的装置及方法。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。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叶片水流量的测量。因此，立项进行设计研制了设备燃气轮机透平叶片水流量测量机。

Abstract： Lamina water flux measuring machine of gas turbine is a device and method for measuring and detecting the internal cavity structure of gas turbine by water flow measurement. As the continuous development of science and technology， temperature before the turbine is rising in the design of aero engine and ground gas turbine， which depends on the advance of technical level and design of structure. At the same time， we need to do well in the cooling design of lamina before turbine. Because of unsatisfactory design of current machine， we can not measure gas turbine lamina flow. So design of lamina water flux measuring machine of gas turbine we introduce is very necessary.

关键词：可编程序控制器；电磁流量计；液位传感器

Key words： programmable logic controller；electromagnetism flowmeter；liquid level sensor

中图分类号：TK474.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）36-0114-02

0 引言

燃气轮机透平叶片水流量测量机是一种燃气轮机透平冷却叶片采用水流量测量进行测量检测的装置及方法。尤其重型燃气轮机透平叶片，叶片尺寸大，要求试验用的水流量比其它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其它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。它是采用高位水箱给叶片试验、检测提供水介质，通过可选择品种的各种流量计传感器、PLC可编程序控制器、数据采集系统进行电气控制和数据采集、运算、处理，用打印机打印测试数据，并通过PC监测机及显示器组态模拟实施显示。经过试验、检测投产运行，状态良好，水液压力和流量稳定。该设备控制系统、数据采集系统技术先进、性能指标完全达到生产工艺要求，解决了大型叶片型腔的无法检测的问题，提供了大型叶片型腔结构的检测设备、方式及方法，以及工艺生产检测所需要的技术数据保存、存储、输出显示、打印等设施和手段。

1 研制目标及设备的设计原理

1.1 设计要求

①根据叶片种类要求2种测量类型：Φ15、Φ25。

②每次测量时间（周期）：1min。

③采用上位PC机进行现场设备实时状态模拟动画显示、g/s、g/min实时数据显示。

④操作者数据输入、测量数据打印输出。

⑤流量检测精度：±0.2%。

1.2 系统组成及原理

1.2.1 测量装置机械结构组成及原理

该测量装置机械系统包括高位水箱、下水箱、水泵、液位计、电磁流量计、各种阀门、主体框架及扶梯等。参见图1。

①主体框架的一侧安装有扶梯，用于上部高位水箱结构的处理和操作之用。高位水箱内部安装有液位计，用于测量水位高度，通过计算机数据处理进行模拟显示及数据存储；其高度用来保证试验所需要的压力，并设计成高度可调整结构，精确地调整静态水位的压力，以保证水位压力的精确数值。

②下水箱用于试验存储及供水。下水箱通过水泵、过滤器、各种阀门、电动阀门及管路系统为上水箱提供检测用的水源。

③高位水箱的一侧沿固定水位开有溢流口，并依次通过溢流口、溢流阀与下水箱连接，根据供水速率的大小调整溢流口的高度及大小，使高出水位的水直接流回下水箱，使高位水箱保持水位不变。

④高位水箱底部开有回水口，回水口通过管路、电磁阀、电磁流量计、回水阀及水管、叶片卡具连接被测量的叶片。在卡具的出水口前端安装有压力表，用于测量达到叶片的水的压力，根据此压力调整上水箱的水位高度。

⑤电磁流量计用于测量水的流量，是该系统地关键部件。采用德国E+H公司PROMAG53W系列的电磁流量计。根据叶片行腔大小设计两路独立测量系统，可以根据实际测量物件进行自动选择。流量计获得的水流量数据传送到计算机，经过运算进行数据处理保存，并实时显示。

⑥被测叶片通过工作台上的叶片卡具进行装卡，并通过卡具的回水口连接到下水箱，完成整个工作循环。

1.2.2 电气控制系统结構及工作原理

电气控制系统包括：PLC可编程控制器、电磁流量计、液位计、A/D转换器、主计算机、操作箱、控制柜、打印机等。endprint

操作箱用于操作控制，操作者可以进行方式选择、启动、停止及运行状态显示监测等。各种控制、数据信号分别通过PLC进行数据处理和逻辑控制，并提供给计算机进行状态显示及存储打印。其执行机构包括3个电动阀门、1个水泵电机。3个电动阀门分别是1个进水电动阀（总）、2个回水电动阀，用以控制上水、测量、放水、方式选择等。其中，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，采用两种规格的电磁流量计独立分开测量，通过两个独立的回水电动阀进行两种流量测量的选择。并具有动作状态指示。

该测量装置采用PLC控制器对测量数据进行采集运算、逻辑控制、操作处理、显示、故障状态显示，且能够用打印机测试数据；利用计算机课实时显示出试验数据；包括流量数据的克/秒、克/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。

2 水流量检测工作逻辑流程

该测量系统所用水必须为纯净水，工作环境洁净无尘。开始工作，首先安装好标准叶片，接通电源，电源、PLC控制器及电磁流量计工作正常的情况下，无任何报警信号指示时，启动水泵电机，水泵从下水箱抽水加压，下水箱中的水经第一电动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。

选择叶片种类的测量方式，即“品种1”、“品种2”，启动对应的电动阀——回水阀，水经过电磁流量计和标准叶片流回下水箱。此时检查压力表数值是否达到工艺要求的数据，如有误差，必须对上水箱的溢流阀位置进行反复调整，直到压力达到标准为止，则叶片水压正常。

换下标准叶片，安装待检叶片。按下测试按钮开始计量，通过电磁流量计测量出每秒钟水的流量（g/s）和每分钟的流量（g/min），通过控制系统进行運算处理和存储，由显示器显示这些数据并由打印机打印出来。当一分钟测试完成后，电动阀自动关闭，第一电动阀换向，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，若符合，结束测试，将水泵停止，清理水箱。或者完成一分钟测试后，继续更换叶片，再进行连续测量，开始新的测试工作。测试期间，为便于工人观测，计算机始终监测并模拟显示整个系统工作变化情况。

3 数据采集系统状态模拟显示（图2）

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4 结论

该水流量检测系统采用OMRON可编程序控制器（PLC），利用流量计进行高位水箱检测叶片行腔结构的方法，完全达到工艺指标和生产操作要求，设备结构简单、方便，水流量十分稳定无波动，易于维护修理和操作。同时组态界面模拟状态显示，更加人性化，更具有先进性，其性能也稳定可靠。

参考文献：

[1]电气设计手册[M].科技出版社.

[2]CQMA1H软件编程手册[M].上海OMRON.

[3]别路，陈垦，杜炳锐.集流式电磁流量组合测井的应用[J].价值工程，2012（07）.endprint