方華　吳支繁　屈彬　付金輝

摘 要：本文以某型發(fā)動機(jī)的1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪為研究對象，開展對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗(yàn)研究，介紹了相關(guān)試驗(yàn)方法，獲取了渦輪的轉(zhuǎn)速、流量、功率等渦輪特性參數(shù)，為該型發(fā)動機(jī)渦輪研制提供試驗(yàn)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪;渦輪特性;試驗(yàn)驗(yàn)證

近年來，隨著對發(fā)動機(jī)及飛行器整體性能要求的提高，1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)以其減重、提高效率、降低陀螺力矩等優(yōu)勢越來越受到各國重視，如美國的F120發(fā)動機(jī)上就嘗試采用了1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)，在JSF項(xiàng)目中GE和羅.羅合作研制的大型軍用渦扇發(fā)動機(jī)F136也采用了1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)^[1]。1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪取消低壓渦輪導(dǎo)向葉片，使得渦輪特別是低壓渦輪的氣動情況更加復(fù)雜，采用理論計(jì)算及分析的方法難以真實(shí)模擬其性能和高、低壓渦輪匹配情況^[2]。國內(nèi)1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪研究起步較晚，設(shè)計(jì)手段相對匱乏，必須通過相應(yīng)的渦輪試驗(yàn)來積累數(shù)據(jù)，校驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件。

本文以某型發(fā)動機(jī)的對轉(zhuǎn)渦輪為研究對象，開展對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗(yàn)研究，獲取渦輪的各特性參數(shù)和高、低壓渦輪匹配特性，反饋和修正計(jì)算結(jié)果，為該型發(fā)動機(jī)渦輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)各類型雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗(yàn)的開展和相關(guān)試驗(yàn)流程、試驗(yàn)手段的完善提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1試驗(yàn)設(shè)備

中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所中溫中壓雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗(yàn)器是我國自主設(shè)計(jì)的適用于中、小型航空發(fā)動機(jī)渦輪性能試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置，具有結(jié)構(gòu)美觀、試驗(yàn)范圍廣、轉(zhuǎn)速控制精度高、試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定、應(yīng)急保護(hù)措施完善等特點(diǎn)。該試驗(yàn)器主要技術(shù)參數(shù)如下：

進(jìn)口流量：≤25kg/s

進(jìn)口溫度：≤823K

進(jìn)口壓力：≤2.0MPa（絕對壓力）

高壓渦輪最高轉(zhuǎn)速：30000r/min，最大吸收功率：1865kW

低壓渦輪最高轉(zhuǎn)速：24000r/min，最大吸收功率：1860kW

2試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象為1+1/2對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗(yàn)件（模型比1：1），主體材料為1Cr11Ni2W2MoV，整個渦輪系統(tǒng)采用懸臂支承結(jié)構(gòu)^[3]。高壓渦輪為一單軸單級渦輪，轉(zhuǎn)動軸功率前輸出，渦輪支承采用1-0-1的雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，低壓渦輪為單級渦輪，轉(zhuǎn)動軸功率后輸出，渦輪分渦輪軸和延長軸兩個軸系支承，均采用1-0-1的雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)件設(shè)計(jì)了熱補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，消除試驗(yàn)時(shí)機(jī)匣受熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力。順氣流方向看，高壓渦輪逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，低壓渦輪順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。

3試驗(yàn)方法

來自氣源站的高溫壓縮空氣通過管網(wǎng)輸送至試驗(yàn)設(shè)備入口，氣體通過試驗(yàn)器管路系統(tǒng)調(diào)壓、節(jié)流、整流后進(jìn)入試驗(yàn)件，渦輪膨脹做功后，出口氣流導(dǎo)入排氣蝸殼、經(jīng)管道節(jié)流后排入消音塔。試驗(yàn)器原理圖見圖1。試驗(yàn)件性能參數(shù)和試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視參數(shù)，經(jīng)測試設(shè)備采集信號轉(zhuǎn)換后接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行錄取、保存和顯示。與設(shè)備安全運(yùn)行有關(guān)的參數(shù)如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩、滑油供油壓力等設(shè)置報(bào)警值和限制值，超過報(bào)警值參數(shù)變色顯示，超過限制值，觸發(fā)試驗(yàn)器進(jìn)氣6#應(yīng)急閥快速關(guān)閉，同時(shí)排氣5#應(yīng)急閥快速打開，使氣源放空，最大限度地保證設(shè)備、試驗(yàn)件和人員的安全。

1）試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)：進(jìn)口壓力通過4#閥、8#閥調(diào)節(jié);進(jìn)口溫度通過氣源站燃油換熱器調(diào)節(jié);排氣壓力通過排氣主路10#閥、旁路11#閥調(diào)節(jié);高壓渦輪轉(zhuǎn)速、低壓渦輪轉(zhuǎn)速通過2臺英國Froude公司HS125和HS150水力測功器分別進(jìn)行控制。

2）試驗(yàn)件測試安排：主要包括測量渦輪進(jìn)口流量、渦輪進(jìn)出口總溫總壓和靜壓、級間靜壓等參數(shù)。靜壓測點(diǎn)除高、低壓渦輪間截面僅布置外壁靜壓外，其余截面沿內(nèi)外壁面均布4點(diǎn)，總溫，總壓測點(diǎn)沿徑向等環(huán)面分布，徑向不少于4點(diǎn)，總溫、總壓探針周向均布不少于4支，參數(shù)測量方法和精度見表1。

3）非直接測量參數(shù)計(jì)算方法：

低壓渦輪進(jìn)口總溫、折合轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

其中：

n_p——低壓渦輪物理轉(zhuǎn)速，r/min;

T_t0——高壓渦輪進(jìn)口截面總溫，K;

T_t2——低壓渦輪進(jìn)口截面總溫，K;

R ——?dú)怏w常數(shù);

W——質(zhì)量流量，kg/s;

k ——絕熱指數(shù);

Ne_g——高壓水力測功器測出的功率，kW;

下標(biāo)des——設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài);

下標(biāo)test——試驗(yàn)狀態(tài)。

4）數(shù)據(jù)處理方法

在本次渦輪特性試驗(yàn)中，數(shù)采系統(tǒng)以5Hz采集頻率對試驗(yàn)過程中的參數(shù)自動進(jìn)行采集存儲。采集到的連續(xù)數(shù)據(jù)存在一定范圍的波動，選用穩(wěn)態(tài)采集點(diǎn)前后5秒內(nèi)50個穩(wěn)態(tài)點(diǎn)平均值來代表一個狀態(tài)點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為高壓渦輪折合轉(zhuǎn)速為1.0時(shí)，雙渦輪的效率特性曲線，從該圖可以看到，試驗(yàn)值在不同折合轉(zhuǎn)速下，效率隨膨脹比的增大而減小，與仿真計(jì)算值趨勢相同。在高折合轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)值與仿真計(jì)算值相差較大，在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，試驗(yàn)值大約為0.883，而仿真計(jì)算值約為0.894，試驗(yàn)值比仿真計(jì)算值低1.1%。而在低折合轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)值與仿真計(jì)算值相當(dāng)。圖3為高壓轉(zhuǎn)速為0.8時(shí)，雙渦輪的效率特性曲線，試驗(yàn)值與仿真計(jì)算值相差較小，從計(jì)算值看，效率變化比較平緩。

考慮到試驗(yàn)中模型渦輪的進(jìn)出口測試探針會對流量造成一定堵塞，產(chǎn)生損失。同時(shí)，高壓出口測試位置離高壓尾緣較遠(yuǎn)，約為30mm。因此，需對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，通過CFX完成對探針和交接面差異的修正后，在整機(jī)環(huán)境下，高壓渦輪效率修正為0.8663，比總體要求的0.865高0.13%。而低壓渦輪修正為0.8804比總體要求的0.87高1.04%。

5結(jié)論

本文通過開展1+1/2對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗(yàn)研究，探索相關(guān)試驗(yàn)方法，獲取了渦輪的各特性參數(shù)，為該型發(fā)動機(jī)渦輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，驗(yàn)證了該型發(fā)動機(jī)渦輪設(shè)計(jì)滿足整機(jī)設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊志.對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)應(yīng)用研究回顧與展望[J].南華動力，2013（1）：196-200.

[2] 施晚霞.對轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)研究概況及特點(diǎn)分析[J].南華動力，2020（1）：87-91.

[3] 宋石平.某型發(fā)動機(jī)對轉(zhuǎn)模型試驗(yàn)件結(jié)果設(shè)計(jì)[J].南華動力，2019（1）：193-196.