徐 楠，安 莎，白東安，劉軍年

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)小功率沖擊式渦輪性能試驗(yàn)研究

徐 楠，安 莎，白東安，劉軍年

（西安航天動(dòng)力研究所,陜西西安710100）

設(shè)計(jì)了一種適用于小功率沖擊式渦輪性能試驗(yàn)方案，該方案由燃?xì)饴泛退方M成，通過(guò)酒精發(fā)生器獲取高溫高壓空氣驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，泵為水介質(zhì)增壓作為負(fù)載進(jìn)行渦輪性能試驗(yàn)，保證了試驗(yàn)渦輪狀態(tài)與真實(shí)產(chǎn)品狀態(tài)的一致性。以渦輪相似換算準(zhǔn)則為基礎(chǔ)在試驗(yàn)系統(tǒng)能力允許的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況。本渦輪性能試驗(yàn)方案利用泵水力性能核算渦輪輸出功，根據(jù)實(shí)測(cè)的渦輪壓力、溫度等參數(shù)，最終獲得渦輪效率隨渦輪速比變化的性能曲線。通過(guò)設(shè)計(jì)考臺(tái)試驗(yàn)件及考驗(yàn)方法，確保試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量的穩(wěn)定可靠。經(jīng)某上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵作為試驗(yàn)對(duì)象驗(yàn)證，采用該試驗(yàn)方案可以獲取渦輪效率。同時(shí)3件試驗(yàn)渦輪轉(zhuǎn)子的性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明該上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子性能一致。

沖擊式渦輪；試驗(yàn)方案；性能試驗(yàn)

0 引言

泵壓式上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)性能精度控制要求很高，渦輪泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，獲得準(zhǔn)確的渦輪泵性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能精度控制至關(guān)重要。目前泵的性能通過(guò)高速高精度的水力試驗(yàn)系統(tǒng)獲得，而對(duì)于所用的小功率沖擊式渦輪，其性能依靠發(fā)生器-渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)方式獲取并通過(guò)后繼的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

發(fā)生器-渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)得到渦輪性能，實(shí)際是包括渦輪、燃?xì)獍l(fā)生器、以及節(jié)流元器件在內(nèi)的整個(gè)副系統(tǒng)性能，各組件差異帶來(lái)的影響因素不能剝離，不利于單獨(dú)評(píng)估渦輪的性能及偏差。況且發(fā)生器-渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)采用真實(shí)推進(jìn)劑，成本昂貴且安全防護(hù)要求高，因而對(duì)每臺(tái)渦輪進(jìn)行例行性能試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。

傳統(tǒng)的渦輪吹風(fēng)試驗(yàn)方案，通常適用于大功率、反力式渦輪性能試驗(yàn)。為滿足電機(jī)負(fù)載及測(cè)功儀器要求，試驗(yàn)的渦輪狀態(tài)通常與真實(shí)工作狀態(tài)存在較大差異，得到的渦輪性能曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)狀態(tài)下相差較大，只能相對(duì)比較作為參考，并不適用上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪性能試驗(yàn)。

為準(zhǔn)確測(cè)試小功率沖擊式渦輪性能，本文以某上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)上基本保持與渦輪泵產(chǎn)品一致，通過(guò)酒精發(fā)生器燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪，以水力試驗(yàn)過(guò)的泵打水作為負(fù)載，開(kāi)展試驗(yàn)研究工作。

1 試驗(yàn)渦輪參數(shù)相似換算準(zhǔn)則

酒精發(fā)生器驅(qū)動(dòng)渦輪的原理應(yīng)滿足渦輪模擬試驗(yàn)準(zhǔn)則，即認(rèn)為渦輪流道中的氣體流場(chǎng)特性與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，并假定渦輪流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不存在熱交換，此時(shí)的模擬條件為：

1）圓周速度和絕熱速度之比：u/cad=常數(shù)；

2）馬赫數(shù)Ma為常數(shù)。

通過(guò)上述模擬條件，可以推導(dǎo)出渦輪實(shí)際應(yīng)用工況與試驗(yàn)工況之間的主要參數(shù)關(guān)系，包括渦輪壓比、轉(zhuǎn)速、渦輪流量及渦輪輸出功。

試驗(yàn)條件下渦輪壓比換算方程：

式中：T0為渦輪入口溫度，K；為渦輪入口壓力，Pa；p2為渦輪出口壓力，Pa；k為燃?xì)饨^熱指數(shù)；Neff為渦輪有效輸出功，kW；u為圓周速度，m/s；Cad為理論絕熱速度，m/s；n為轉(zhuǎn)速，r/min；R為氣體常數(shù)，J/（kg·k）；G為渦輪流量，kg/s；下標(biāo)M為熱標(biāo)模擬試驗(yàn)工況；下標(biāo)H為渦輪泵設(shè)計(jì)額定工況。

如公式（1）所示，試驗(yàn)渦輪工質(zhì)物性一定的條件下，試驗(yàn)換算的壓比也就確定了，渦輪入口壓力只與渦輪出口壓力有關(guān)。在滿足試驗(yàn)條件的情況下，渦輪入口壓力選擇小一些有利于試驗(yàn)系統(tǒng)的安全。因此確定渦輪出口壓力時(shí)，在保證渦輪出口工質(zhì)流動(dòng)處于超音速狀態(tài)下，盡量取低。

根據(jù)公式（2）～（6），試驗(yàn)渦輪壓力參數(shù)確定后，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、流量及功率只受試驗(yàn)渦輪入口溫度參數(shù)影響。不同于大推力、大流量的渦輪吹風(fēng)試驗(yàn)選取較低的入口溫度，對(duì)于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪，由于輸出功率小、渦輪工質(zhì)流量低，在選取渦輪燃?xì)馊肟跍囟葏?shù)時(shí)，應(yīng)在試驗(yàn)系統(tǒng)允許的條件下選取高一些，盡量接近實(shí)際工況渦輪的入口溫度，以保證試驗(yàn)過(guò)程具備較高的轉(zhuǎn)速和較大的輸出功率，目的是保證負(fù)載泵可以在較高的轉(zhuǎn)速下工作，保證泵性能與水力試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近。

根據(jù)渦輪試驗(yàn)轉(zhuǎn)速對(duì)所配套的泵水力試驗(yàn)，以獲取不同轉(zhuǎn)速的泵性能，滿足渦輪試驗(yàn)過(guò)程渦輪速比一定范圍的泵負(fù)載功率的準(zhǔn)確核算。

2 性能試驗(yàn)方案

渦輪性能試驗(yàn)方案見(jiàn)圖1，該系統(tǒng)由燃?xì)饴泛退方M成。燃?xì)饴罚和ㄟ^(guò)試驗(yàn)臺(tái)的酒精發(fā)生器燃燒，為渦輪工作提供工質(zhì)流量和壓力，輸出功率。泵水路：使用渦輪泵自身帶的泵在試驗(yàn)渦輪轉(zhuǎn)速下輸送水介質(zhì)作為負(fù)載，經(jīng)過(guò)泵后排出外界。該系統(tǒng)不需額外的測(cè)功設(shè)備，泵負(fù)載功率通過(guò)泵水力試驗(yàn)獲取的效率曲線，以及渦輪性能試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)泵揚(yáng)程、流量及渦輪轉(zhuǎn)速間接計(jì)算得到。其中泵水路結(jié)構(gòu)與渦輪泵產(chǎn)品狀態(tài)完全一致，與水力試驗(yàn)用泵從泵殼體、泵輪、誘導(dǎo)輪及泵腔內(nèi)密封組件均保持同一套產(chǎn)品按同一間隙水平控制，最大程度保證產(chǎn)品一致性。

根據(jù)相似燃?xì)鉁u輪性能試驗(yàn)臺(tái)對(duì)空氣流量、酒精流量及水流量等因素的小偏差敏感性的研究，調(diào)節(jié)渦輪入口壓力時(shí)優(yōu)先通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)渦輪入口溫度時(shí)優(yōu)先通過(guò)調(diào)節(jié)酒精流量進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速時(shí)優(yōu)先通過(guò)調(diào)節(jié)水流量進(jìn)行控制。

試驗(yàn)工況調(diào)節(jié)過(guò)程：在酒精發(fā)生器點(diǎn)火后，吹動(dòng)渦輪進(jìn)行性能試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)酒精發(fā)生器內(nèi)酒精與空氣的混合比，即調(diào)節(jié)酒精流量和空氣流量，達(dá)到調(diào)節(jié)渦輪入口溫度、渦輪入口壓力的目的。當(dāng)溫度、壓力達(dá)到目標(biāo)值，通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)泵的水流量，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載的目的，使渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。待工況穩(wěn)定后，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，采集包括溫度、渦輪工質(zhì)流量、壓力、泵流量及進(jìn)出口壓力在內(nèi)的測(cè)量參數(shù)。在完成額定工況試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行渦輪速比拉偏工況試驗(yàn)，獲取一定速比范圍內(nèi)的渦輪性能，速比拉偏通過(guò)調(diào)節(jié)泵流量或調(diào)節(jié)酒精發(fā)生器混合比的方式完成。

由于本研究對(duì)象，渦輪殼體與其中一個(gè)泵殼體為一體化設(shè)計(jì)，不能拆分，因此在試驗(yàn)研究過(guò)程中，只能通過(guò)調(diào)整渦輪轉(zhuǎn)子的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)通過(guò)采取用同一套泵產(chǎn)品搭配3個(gè)不同渦輪轉(zhuǎn)子裝配成試驗(yàn)用渦輪泵進(jìn)行試驗(yàn)，以達(dá)到以下主要目的：

1）渦輪個(gè)體性能偏差比較，通過(guò)用同一套泵與不同渦輪轉(zhuǎn)子組合試驗(yàn)，比較在相同試驗(yàn)工況參數(shù)下的渦輪轉(zhuǎn)速及渦輪效率的相對(duì)偏差；

2） 對(duì)渦輪吹風(fēng)試驗(yàn)的性能與發(fā)動(dòng)機(jī)采用的渦輪效率曲線進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證后續(xù)新型號(hào)設(shè)計(jì)過(guò)程采用渦輪性能試驗(yàn)獲取渦輪性能的可行性提供依據(jù)。

3 性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)考臺(tái)試驗(yàn)

由于3次渦輪性能試驗(yàn)并非連續(xù)進(jìn)行，期間試驗(yàn)系統(tǒng)穿插了其他的試驗(yàn)項(xiàng)目，為保證試驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定、參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，在各次渦輪性能試驗(yàn)前按要求進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)考臺(tái)試驗(yàn)。

考慮試驗(yàn)對(duì)象渦輪為單噴嘴局部進(jìn)氣式?jīng)_擊渦輪，燃?xì)馔ㄟ^(guò)噴嘴后為超音速燃?xì)猓瑖娮烨叭細(xì)釸T值一定時(shí)，渦輪工質(zhì)流量?jī)H與噴嘴前壓力相關(guān)，不受?chē)娮旌蟓h(huán)境影響?；诖?，考臺(tái)件設(shè)計(jì)為噴嘴組件，采用產(chǎn)品的渦輪噴嘴結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行適應(yīng)性改制。在渦輪性能試驗(yàn)前，先用該噴嘴試驗(yàn)件進(jìn)行吹風(fēng)考臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程保持噴嘴前溫度不變，得到燃?xì)饬髁颗c渦輪入口壓力之間的變化關(guān)系。

根據(jù)3次渦輪性能試驗(yàn)前的系統(tǒng)考臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果，額定渦輪入口壓力附近實(shí)測(cè)渦輪流量情況見(jiàn)圖2。數(shù)據(jù)表明：在相同的渦輪溫度、壓力下渦輪工質(zhì)流量一致，偏差在1 g/s以內(nèi)，表明試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，試驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)滿足渦輪性能試驗(yàn)要求。

3.2 渦輪性能結(jié)果分析

3.2.1 渦輪轉(zhuǎn)速的差異對(duì)比

本次研究試驗(yàn)共完成了3臺(tái)渦輪的性能測(cè)試。每臺(tái)渦輪在試驗(yàn)過(guò)程中，分別完成一次額定工況性能試驗(yàn)和一次速比拉偏工況試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)判讀，同一臺(tái)渦輪產(chǎn)品2次點(diǎn)火試驗(yàn)在同一工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定性很好。

采用同一套泵作負(fù)載的超音速燃?xì)鉀_擊式渦輪性能試驗(yàn)，在渦輪入口溫度保持穩(wěn)定的條件下，渦輪入口壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖3所示，表明二者呈線性關(guān)系，且3次試驗(yàn)變化趨勢(shì)一致。

為分析各次試驗(yàn)轉(zhuǎn)速隨渦輪入口壓力變化的差異，對(duì)各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，并插值比較相同入口壓力下，不同次試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的差異，如表1所示。

由表1中3次試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同的渦輪轉(zhuǎn)子在相同入口壓力下的轉(zhuǎn)速差異在±100 r/ min左右，即偏差約±0.4%。

3.2.2 渦輪效率差異分析

3次試驗(yàn)結(jié)果的u/c范圍內(nèi)，以額定速比下渦輪經(jīng)驗(yàn)公式得到渦輪效率作為基準(zhǔn)，比較實(shí)測(cè)渦輪效率與經(jīng)驗(yàn)公式得到渦輪效率，見(jiàn)圖4。不同轉(zhuǎn)子間試驗(yàn)得到的性能非常接近，并且試驗(yàn)結(jié)果與該渦輪的效率經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果也很吻合，如表2所示，在相同的渦輪速比下3臺(tái)轉(zhuǎn)子通過(guò)性能試驗(yàn)測(cè)量得到結(jié)果極差小于1%。將3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)綜合進(jìn)行擬合，可以看出渦輪試驗(yàn)擬合曲線與經(jīng)驗(yàn)公式曲線，趨勢(shì)一致，同一速比點(diǎn)的偏差約0.5%。

鑒于目前用調(diào)整計(jì)算用渦輪效率經(jīng)驗(yàn)公式，已經(jīng)過(guò)了多臺(tái)次的發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)考驗(yàn)，因此可認(rèn)為采用本試驗(yàn)方案獲取的渦輪性能是準(zhǔn)確、可信的。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)系統(tǒng)能力、試驗(yàn)測(cè)量精度滿足上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵試驗(yàn)要求的條件下，采用本文試驗(yàn)研究方案可以獲得準(zhǔn)確的渦輪性能，能識(shí)別出渦輪個(gè)體性能差異，這對(duì)控制上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪性能精度有著重要意義。對(duì)于后續(xù)類似新型號(hào)研制，通過(guò)渦輪性能熱標(biāo)試驗(yàn)的方法獲取渦輪，相比于通過(guò)渦輪泵-發(fā)生器聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)等方法，其實(shí)現(xiàn)成本和周期會(huì)大大縮減。

4 結(jié)論

1） 本文的渦輪性能試驗(yàn)方案，適用于小功率、高轉(zhuǎn)速高壓比沖擊式渦輪性能測(cè)試，結(jié)果準(zhǔn)確、可信，試驗(yàn)便捷，經(jīng)濟(jì)性好，非常適用于新型號(hào)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制獲取、評(píng)估、分析渦輪性能；

2）對(duì)于本文研究的渦輪，經(jīng)渦輪性能試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，目前所采用渦輪效率經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。3臺(tái)不同渦輪轉(zhuǎn)子比較試驗(yàn)表明，性能一致性很好，渦輪轉(zhuǎn)子個(gè)體差異不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生明顯的影響。

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（編輯：馬 杰）

Performance test for low-power impact turbo of upper stage liquid rocket engine

XU Nan,AN Sha,BAI Dongan,LIU Junnian
（Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China）

A test scheme suitable for performance test of the low-power impact turbo was designed.This scheme is composed of gas and water paths,by which high pressure and high temperature gas is obtained to drive the turbo by an air/alcohol generator,and a pump increases the water pressure as load for the turbo performance test to ensure that the state of the turbo under test is in conformity with the state of the actual turbopump products.The operating condition of test is designed in the allowable range of the testing system capacity based on the turbo similarity conversion criterion. The output work of the turbo can be calculated with the pump hydraulic experimental data,and the correlation of the turbo efficiency and the turbo speed ratio can be obtained according to the measured turbo pressure,temperature and other parameters.The calibration test pieces and methods are designed to ensure the stability and the reliability of test parameters.Taking the turbopump of a certain type of upper stage liquid rocket engine as the test object,the turbo efficiency is got with this test scheme.The test results of the three testing turbo rotors also show that the performances of the turbo rotors are consistent.

impact turbo;test scheme;performance test

V433.9-34

A

1672-9374(2016)06-0043-05

2016-04-25；

2016-06-21

徐楠（1981—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵設(shè)計(jì)