王志峰，郝小龍，朱鳳琦，張淑敏，郭軍剛

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京100076)

1 引言

小型沖擊式渦輪泵(以下簡(jiǎn)稱渦輪泵)是航天飛行器伺服系統(tǒng)的核心動(dòng)力元件。渦輪泵內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程主要有三個(gè)：首先是氣體內(nèi)能向氣體動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換過(guò)程發(fā)生于超聲速噴嘴內(nèi)，物理過(guò)程近似于絕熱等熵過(guò)程[1]；其次為氣體動(dòng)能向軸系機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率主要為渦輪的氣動(dòng)效率(實(shí)際上渦輪內(nèi)功還需克服軸承和動(dòng)密封摩擦損耗一部分功[2]，才能輸出軸功率驅(qū)動(dòng)泵做功，但這部分損失相對(duì)很小)；第三個(gè)過(guò)程為通過(guò)泵組件實(shí)現(xiàn)軸系機(jī)械能向液壓能的轉(zhuǎn)換。因此，表征渦輪泵核心單元渦輪做功能力的氣動(dòng)效率，是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)量是研制高性能渦輪泵的基礎(chǔ)。

從目前公開(kāi)的文獻(xiàn)看，大部分關(guān)于渦輪泵的研究中對(duì)于氣動(dòng)效率是先進(jìn)行CFD仿真，再在試驗(yàn)時(shí)測(cè)試流場(chǎng)中典型位置點(diǎn)的氣動(dòng)參數(shù)，然后與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析確定。其過(guò)程實(shí)際是對(duì)仿真得到的氣動(dòng)流場(chǎng)進(jìn)行了一次驗(yàn)證，而氣動(dòng)效率仍然是計(jì)算值。近年來(lái)出現(xiàn)了用電渦流測(cè)功機(jī)對(duì)渦輪軸功率進(jìn)行測(cè)量的方法[3]。該方法通過(guò)測(cè)量軸的扭矩進(jìn)而得到軸功率，再與計(jì)算的等熵功率相比得到渦輪氣動(dòng)效率，準(zhǔn)確度高。但采用該方法時(shí)渦輪產(chǎn)生的功率必須由測(cè)功機(jī)消耗，其耗功形式固定，不適用于渦輪驅(qū)動(dòng)特定負(fù)載形式的情況。對(duì)于渦輪泵，渦輪與泵葉輪同軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，后者是前者的特定負(fù)載，無(wú)法用測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)軸功率測(cè)量。

在渦輪泵產(chǎn)品研制過(guò)程中，由于渦輪與泵結(jié)構(gòu)高度集成，渦輪氣動(dòng)效率的測(cè)試問(wèn)題一直未得到有效解決。傳統(tǒng)的研制手段采取理論計(jì)算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)修正的方式，缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。本研究提出一種試驗(yàn)方法，在維持原負(fù)載形式的情況下通過(guò)測(cè)量軸扭矩這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)，得到軸系運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械功率，進(jìn)而得到渦輪氣動(dòng)效率。

2 渦輪泵氣動(dòng)效率理論分析

渦輪泵工作時(shí)，工質(zhì)通過(guò)超聲速噴嘴膨脹加速，驅(qū)動(dòng)沖擊式渦輪，切線泵葉輪與渦輪同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，將高能氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為液壓油壓力能，為伺服系統(tǒng)提供動(dòng)力能源。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

渦輪氣動(dòng)效率與氣動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，在軸系機(jī)械損失相對(duì)較小的情況下，體現(xiàn)了渦輪輸出軸功的能力和水平。一般而言，不同研究者會(huì)從不同研究角度出發(fā)，使用不同的效率指標(biāo)[4]對(duì)渦輪做功能力進(jìn)行衡量。本文使用的渦輪氣動(dòng)效率，涵蓋了所有與氣動(dòng)過(guò)程有關(guān)的損失，即考慮了除機(jī)械損失(軸承和動(dòng)密封摩擦損耗)以外的所有損失。在葉輪機(jī)械行業(yè)，該效率相當(dāng)于渦輪內(nèi)效率。

定義渦輪氣動(dòng)效率ηi為渦輪有效比焓降hi與理想比焓降(最大可用焓降)的比值：

式中：∑Δhi為渦輪的主要內(nèi)部損失，Δhn為噴嘴能量損失，Δhb為動(dòng)葉能量損失，Δhe為余速損失，Δhδ為二次流損失，Δhf,v為沖擊式渦輪局部進(jìn)氣引起的損失。

對(duì)于沖擊式渦輪，決定氣動(dòng)效率的關(guān)鍵參數(shù)是速比u/c1。其中u為渦輪葉片中徑處的切向速度，c1為噴嘴出口處的氣流速度。氣動(dòng)效率隨速比的變化規(guī)律如圖2所示。由圖可知，氣動(dòng)效率對(duì)應(yīng)的最佳速比范圍為0.4～0.5[5]。

在渦輪泵研制過(guò)程中，渦輪氣動(dòng)效率一般經(jīng)熱力計(jì)算求得。

3 試驗(yàn)技術(shù)方案

3.1 基本原理

渦輪氣動(dòng)效率可表示為：

式中：P為軸功率，Ni為輸入渦輪的總氣動(dòng)功率，ηm為機(jī)械效率，T為軸扭矩，n為軸轉(zhuǎn)速，m為渦輪工質(zhì)質(zhì)量流量。

式中：R為工質(zhì)氣體常數(shù)，k為工質(zhì)絕熱指數(shù)，為噴嘴入口總溫，為噴嘴入口總壓，為噴嘴出口總壓。式中各個(gè)壓力和溫度可通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)。

工質(zhì)質(zhì)量流量的計(jì)算式為：

式中：A為喉部面積。

同樣，質(zhì)量流量也可通過(guò)工質(zhì)壓力、溫度的實(shí)測(cè)值和已知的物性參數(shù)計(jì)算求得。注意，公式中沒(méi)有考慮流量系數(shù)修正，實(shí)際流量可能低于計(jì)算流量。本研究暫未進(jìn)行流量標(biāo)定。

綜上，文中氣動(dòng)效率數(shù)據(jù)是結(jié)合軸扭矩測(cè)量和等熵焓降計(jì)算得到，可稱之為準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)該數(shù)據(jù)的獲取，關(guān)鍵在于軸扭矩的測(cè)量。通過(guò)搭建渦輪-扭矩儀-泵試驗(yàn)系統(tǒng)，在渦輪泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)軸扭矩進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值和氣動(dòng)輸入功率計(jì)算值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)效率的間接測(cè)量。

3.2 技術(shù)方案及實(shí)施

渦輪-扭矩儀-泵試驗(yàn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗(yàn)系統(tǒng)中沖擊式渦輪、精密扭矩儀及切線泵共同安裝在一個(gè)T型槽板平臺(tái)上，并通過(guò)T型槽板上導(dǎo)向凸臺(tái)進(jìn)行同軸定位。扭矩儀運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由單獨(dú)的稀油站為其軸系提供潤(rùn)滑冷卻。驅(qū)動(dòng)渦輪與負(fù)載泵軸系共用一套潤(rùn)滑油站，分別對(duì)軸系統(tǒng)及密封進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。驅(qū)動(dòng)渦輪、扭矩儀及負(fù)載泵之間通過(guò)高速花鍵聯(lián)軸器連接，并分別通過(guò)底部墊片進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中，由高壓氣源驅(qū)動(dòng)渦輪高速旋轉(zhuǎn)輸出軸功率，通過(guò)高速花鍵聯(lián)軸器將軸功率傳遞至精密扭矩儀的輸入端，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與扭矩的測(cè)量，再通過(guò)扭矩儀輸出軸及花鍵聯(lián)軸器傳遞給負(fù)載泵端做功。沖擊式渦輪試驗(yàn)件見(jiàn)圖4。

圖5、圖6分別為一次試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速和軸系扭矩?cái)?shù)據(jù)曲線，可見(jiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)在45 000 r/min以上的高轉(zhuǎn)速下可穩(wěn)定運(yùn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用渦輪-扭矩儀-泵組成的氣動(dòng)效率試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了不同工質(zhì)多種工況下的試驗(yàn)測(cè)試。提取所需數(shù)據(jù)信息，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將渦輪氣動(dòng)效率準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值進(jìn)行比較研究。

4.1 壓縮空氣工質(zhì)試驗(yàn)分析

首先利用壓縮空氣做功能力相對(duì)較低的特性，開(kāi)展了較低轉(zhuǎn)速下渦輪氣動(dòng)效率的測(cè)試。對(duì)試驗(yàn)工況按熱力計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，得到氣動(dòng)效率理論值。表1給出了氣動(dòng)效率試驗(yàn)值與理論值的對(duì)比?？梢?jiàn)，試驗(yàn)值與理論值吻合度在95%以上，說(shuō)明在空氣介質(zhì)、低轉(zhuǎn)速下理論計(jì)算方法可以得到較為準(zhǔn)確的效率預(yù)估。

表1 氣動(dòng)效率試驗(yàn)值與理論值的對(duì)比(空氣)Table 1 Comparison between the test data and calculation results of aerodynamic efficiency(air)

4.2 氦氣工質(zhì)試驗(yàn)分析

以氦氣作為驅(qū)動(dòng)渦輪的工質(zhì)，開(kāi)展了較高轉(zhuǎn)速下渦輪氣動(dòng)效率的測(cè)試。對(duì)試驗(yàn)工況按熱力計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，得到氣動(dòng)效率理論值。表2示出了氣動(dòng)效率試驗(yàn)值與理論值的對(duì)比。從表中可看出，渦輪氣動(dòng)效率理論值比試驗(yàn)值高出20%左右，說(shuō)明在氦氣介質(zhì)、較高轉(zhuǎn)速下理論計(jì)算方法存在一定偏差。

表2 氣動(dòng)效率試驗(yàn)值與理論值的比較(氦氣)Table 2 Comparison between the test data and calculation results of aerodynamic efficiency(He)

5 結(jié)論

(1)通過(guò)將渦輪泵中負(fù)載端(泵)與輸出功率端(渦輪)進(jìn)行分體，實(shí)現(xiàn)了小型超高速渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下輸出扭矩的測(cè)量。

(2)通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以初步確定現(xiàn)有熱力計(jì)算程序?qū)u輪氣動(dòng)效率的預(yù)估存在一定偏差，目前可測(cè)出最大偏差在20%左右。

(3)不同工質(zhì)下渦輪氣動(dòng)效率理論值與試驗(yàn)值吻合度有差異，說(shuō)明對(duì)于不同工質(zhì)，理論計(jì)算方法應(yīng)有變化。

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