周恩民，顧蘊(yùn)松，程松，劉愷，張文，王儀田，熊波

(1.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院, 江蘇 南京 210016; 2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000;3.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司, 陜西 西安 710075)

0 引言

風(fēng)洞試驗(yàn)是航空航天飛行器研制過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)?？缏曀亠L(fēng)洞試驗(yàn)作為空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要手段之一，在先進(jìn)飛行器研制日趨精細(xì)化的背景下，正向著模擬真實(shí)化、測(cè)量精細(xì)化、試驗(yàn)高效化方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸大、流場(chǎng)品質(zhì)好、測(cè)量精度高的大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的需求也日趨緊迫[1]。

連續(xù)式風(fēng)洞區(qū)別于常規(guī)暫沖式風(fēng)洞的最顯著特點(diǎn)，是利用軸流壓縮機(jī)代替中壓氣源作為風(fēng)洞的動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞主回路氣流流動(dòng)，連續(xù)地、長(zhǎng)時(shí)間地提供試驗(yàn)段流場(chǎng)建立所需的壓比，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞的連續(xù)式運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。軸流壓縮機(jī)是連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的心臟，具有運(yùn)行范圍寬、轉(zhuǎn)速控制精度高、運(yùn)行工況多變、密封要求嚴(yán)等特點(diǎn)，為機(jī)組的研制帶來(lái)了諸多難度和挑戰(zhàn)，其成功與否影響著風(fēng)洞建設(shè)的成敗。國(guó)內(nèi)連續(xù)式風(fēng)洞建設(shè)起步較晚，技術(shù)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)不足。在此之前，西北工業(yè)大學(xué)通過(guò)多年攻關(guān)，解決了NF-6風(fēng)洞壓縮機(jī)軸承漏油、電機(jī)加增速箱驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵問(wèn)題，研制了國(guó)內(nèi)第1套連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)[3-5]。近年來(lái)，陳振華等[6]開(kāi)展了某低溫風(fēng)洞壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了壓縮機(jī)主軸-輪轂連接、輪轂-葉片連接、軸承潤(rùn)滑、密封結(jié)構(gòu)形式以及軸系熱防護(hù)等關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)可靠性；聶徐慶等[7]建立了某連續(xù)式風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜軸系的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到了軸系的臨界轉(zhuǎn)速和振型，并經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證；張文等[8]為提高連續(xù)式風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行安全性，研究了軸流壓縮機(jī)在風(fēng)洞應(yīng)用中的軸系、運(yùn)行工況和馬赫數(shù)控制的安全特性，得到了壓縮機(jī)軸系運(yùn)行參數(shù)報(bào)警閾值和防喘振曲線設(shè)置依據(jù)；賈赫權(quán)[9]研究確定了0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模方法，完成了橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性仿真分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了建模及分析方法的正確性。

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞是中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心建設(shè)的首座連續(xù)式高速風(fēng)洞，也是后續(xù)大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的引導(dǎo)風(fēng)洞。本文針對(duì)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)對(duì)主回路驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的特殊設(shè)計(jì)要求，對(duì)0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，開(kāi)展的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

1 風(fēng)洞設(shè)計(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的要求

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞布局如圖1所示，其試驗(yàn)段截面尺寸為0.6 m×0.6 m[10]；穩(wěn)定段總壓p0為(0.15～2.50)×105Pa[10]；試驗(yàn)段氣流總溫T0為280～323 K[10]；試驗(yàn)段設(shè)計(jì)馬赫數(shù)為0.2～1.6[10]；馬赫數(shù)控制精度ΔMa≤0.001～0.002[11].

圖1 0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞布局示意圖

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞運(yùn)行范圍寬、工況復(fù)雜、馬赫數(shù)控制精度要求高，對(duì)主回路驅(qū)動(dòng)軸流壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)提出了較高的技術(shù)要求，主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

1.1 運(yùn)行范圍要寬廣

區(qū)別于常規(guī)工業(yè)軸流壓縮機(jī)運(yùn)行工況較為固定，連續(xù)式風(fēng)洞為了滿足在寬廣的試驗(yàn)段馬赫數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行，要求壓縮機(jī)能夠在非常寬廣的范圍內(nèi)正常穩(wěn)定運(yùn)行[1]。0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞各試驗(yàn)馬赫數(shù)下的風(fēng)洞運(yùn)行壓比如圖2所示，要求壓縮機(jī)壓比ε覆蓋的取值范圍為1.040～1.475；風(fēng)洞試驗(yàn)段空氣流量隨總壓和馬赫數(shù)變化的曲線如圖3所示，要求壓縮機(jī)質(zhì)量流量G覆蓋的取值范圍為4.2～210.0 kg/s.

圖2 壓縮機(jī)壓比需求

圖3 壓縮機(jī)質(zhì)量流量需求

1.2 氣動(dòng)性能要優(yōu)良

在風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸和試驗(yàn)馬赫數(shù)確定，即軸流壓縮機(jī)流量需求給定的情況下，壓縮機(jī)氣動(dòng)性能的優(yōu)良程度主要體現(xiàn)在壓比、效率等方面。其中，壓比體現(xiàn)了壓縮機(jī)的做功能力，主要影響到壓縮機(jī)運(yùn)行范圍和風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍；效率則體現(xiàn)了壓縮機(jī)中能量轉(zhuǎn)化過(guò)程和流動(dòng)過(guò)程的完善程度，反映了流動(dòng)損失的大小，直接影響著壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，二者呈反比，效率越高，驅(qū)動(dòng)功率即能耗越低。特別是對(duì)后續(xù)大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞而言，由于風(fēng)洞尺寸大、流量高，所需功率巨大，效率的細(xì)微提高都可以帶來(lái)能耗的大幅下降。

因此，為了充分發(fā)揮0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞作為引導(dǎo)風(fēng)洞的作用、節(jié)約能源、提高能效比，壓縮機(jī)要設(shè)計(jì)盡量高的效率，要求壓縮機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)多變效率η≥80%.

1.3 轉(zhuǎn)速控制精度要高

馬赫數(shù)控制精度是衡量風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)好壞的核心指標(biāo)。對(duì)于連續(xù)式風(fēng)洞而言，軸流壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制則是影響風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)控制精度的最關(guān)鍵因素[11]。

為了達(dá)到馬赫數(shù)控制精度ΔMa≤(0.001～0.002)的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)指標(biāo)要求[11]，0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)對(duì)壓縮機(jī)提出了轉(zhuǎn)速控制精度δn≤0.03%的較高要求。

1.4 密封要嚴(yán)密

一方面，軸流壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和軸承箱位于風(fēng)洞內(nèi)流道，其密封性能至關(guān)重要，如果發(fā)生漏油，則油滴會(huì)隨風(fēng)洞內(nèi)的高速氣流一起運(yùn)動(dòng)，污染風(fēng)洞設(shè)施，損壞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，改變?cè)囼?yàn)介質(zhì)，影響風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[4]；另一方面，還要防止漏氣，既要防止風(fēng)洞內(nèi)部氣體向洞體外泄漏，以免影響風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓控制，還要防止風(fēng)洞外部的濕空氣進(jìn)入風(fēng)洞內(nèi)部，以免試驗(yàn)氣體濕度過(guò)大，進(jìn)行0.8以上高馬赫數(shù)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)段起霧，影響試驗(yàn)進(jìn)行。因此，要求對(duì)密封精心設(shè)計(jì)，防止漏油、漏氣，以滿足風(fēng)洞正常運(yùn)行要求。

1.5 喘振預(yù)防要安全可靠

連續(xù)式風(fēng)洞是一種閉環(huán)回路的特殊管網(wǎng)，風(fēng)洞試驗(yàn)中，試驗(yàn)馬赫數(shù)、模型迎角等參數(shù)的改變會(huì)直接引起壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)特別是入口流量的變化，尤其是在最高試驗(yàn)馬赫數(shù)下，壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)靠近喘振區(qū)，容易誘發(fā)喘振[12-13]。因此，除了要求壓縮機(jī)常用工況點(diǎn)效率較高而且喘振裕度較大外，還要求防喘振措施安全、可靠，保證機(jī)組運(yùn)行安全。

2 驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 壓縮機(jī)在風(fēng)洞中的布置位置

連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)通常設(shè)置于第2拐角段下游。一方面，壓縮機(jī)距風(fēng)洞試驗(yàn)段上下游較遠(yuǎn)，可減小壓縮機(jī)對(duì)試驗(yàn)段氣流品質(zhì)的不利影響；另一方面，可以減少整個(gè)軸系的長(zhǎng)度，降低長(zhǎng)軸的設(shè)計(jì)難度[3]。但是，由于后續(xù)大型連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)功率巨大，采用壓縮機(jī)設(shè)置于第2拐角段下游的方案時(shí)，要采用多臺(tái)電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)的布置方式，最后一臺(tái)電機(jī)與壓縮機(jī)連接處的聯(lián)軸器要承受非常大的扭矩，經(jīng)充分調(diào)研，國(guó)產(chǎn)化難度很大。

為了保證0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞對(duì)后續(xù)大型連續(xù)式風(fēng)洞的模擬功能和引導(dǎo)性，經(jīng)反復(fù)論證，決定采用將0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)布置于風(fēng)洞第1、2拐角段之間，由兩臺(tái)電機(jī)雙端同步拖動(dòng)的方案。布置方式如圖4所示。同時(shí)，如果壓縮機(jī)整流尾罩布置在第2拐角段上游位置，則受整個(gè)軸系長(zhǎng)度和空間尺寸限制，會(huì)導(dǎo)致整流尾罩的擴(kuò)開(kāi)角偏大，容易產(chǎn)生氣流分離，增大壓力損失。因此，將整流尾罩延伸至第2拐角段下游位置，采用L型布局，兼顧整流尾罩?jǐn)U開(kāi)角設(shè)計(jì)和整個(gè)軸系長(zhǎng)度兩個(gè)因素。

圖4 壓縮機(jī)布置方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)及性能保證

壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要，如果在風(fēng)洞所需的流量范圍內(nèi)壓比和效率達(dá)不到相應(yīng)需求，將嚴(yán)重影響風(fēng)洞的運(yùn)行范圍和使用效率，出現(xiàn)顛覆性錯(cuò)誤。

設(shè)計(jì)中，采用了成熟可靠的模化設(shè)計(jì)技術(shù)，在保證各工況點(diǎn)效率較高的基礎(chǔ)上，盡量增大壓比富裕量，提高可靠性；同時(shí)，為了滿足風(fēng)洞寬廣的運(yùn)行范圍，將壓縮機(jī)設(shè)計(jì)為靜葉可調(diào)，風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)靜葉角度的調(diào)節(jié)，既可以擴(kuò)大壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，還可以提高不同工況的壓縮機(jī)效率。一旦預(yù)估的風(fēng)洞流量和壓力損失產(chǎn)生偏差，可以通過(guò)改變靜葉角度進(jìn)而改變壓縮機(jī)氣動(dòng)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

經(jīng)反復(fù)迭代優(yōu)化，將壓縮機(jī)型號(hào)確定為西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的AV90-3靜葉可調(diào)、3級(jí)軸流壓縮機(jī)，輪轂直徑900 mm.設(shè)計(jì)最高工作轉(zhuǎn)速3 600 r/min，靜葉角θ在46°～76°范圍可調(diào)(常用設(shè)計(jì)靜葉角66°)。

2.3 壓縮機(jī)與風(fēng)洞拐角一體化設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)布置于風(fēng)洞第1拐角段、第2拐角段之間，采用軸向進(jìn)氣、軸向排氣方式，風(fēng)洞試驗(yàn)段的氣流經(jīng)過(guò)第1拐角段后進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)壓縮增壓后進(jìn)入第2拐角段。為了減少氣流壓力損失，采用一體化設(shè)計(jì)理念，將壓縮機(jī)進(jìn)氣室、排氣室分別與第1拐角段和第2拐角段進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，兩端的長(zhǎng)聯(lián)軸器分別穿過(guò)第1拐角段和第2拐角段，如圖4所示。為了方便安裝維護(hù)，除兩端聯(lián)軸器套筒及整流尾罩外，其余零部件均設(shè)計(jì)為中剖分結(jié)構(gòu)。

以進(jìn)氣室為例，進(jìn)氣軸承箱的下半部分與進(jìn)氣室焊接成一體，軸承箱蓋單獨(dú)和軸承箱下半部分通過(guò)螺栓聯(lián)接。為了減少氣流壓力損失，在拐角段設(shè)有翼型拐角導(dǎo)流片，其中第1拐角段共11片，采取等間距布置。為了減少壓縮機(jī)長(zhǎng)聯(lián)軸器套筒對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)的影響，對(duì)套筒進(jìn)行了整流處理。進(jìn)氣室中剖分效果如圖5所示，排氣室結(jié)構(gòu)與此類(lèi)似。

圖5 壓縮機(jī)進(jìn)氣室三維效果圖

為了更加準(zhǔn)確地獲得壓縮機(jī)進(jìn)、排氣室與風(fēng)洞第1、2拐角段一體化設(shè)計(jì)后的流動(dòng)情況特別是壓力損失情況，進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。進(jìn)、排氣室的三維造型使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造UG軟件；網(wǎng)格劃分使用計(jì)算機(jī)輔助工程前處理ICEM軟件，采用四面體或六面體混合網(wǎng)格，其中進(jìn)氣室網(wǎng)格數(shù)約760萬(wàn)，排氣室網(wǎng)格數(shù)約710萬(wàn)；湍流模型采用k-ω模型，傳熱采用總能模型；進(jìn)氣室設(shè)置進(jìn)口質(zhì)量流量和總溫、出口靜壓的邊界條件；排氣室設(shè)置進(jìn)口總溫、總壓、出口質(zhì)量流量邊界條件。

計(jì)算結(jié)果表明，一體化設(shè)計(jì)特別是采用翼型拐角導(dǎo)流片和對(duì)長(zhǎng)聯(lián)軸器套筒整流處理后，進(jìn)、排氣室的氣流流動(dòng)均勻性和穩(wěn)定性得到改善，壓力損失降低。其中，進(jìn)氣室在風(fēng)洞設(shè)計(jì)點(diǎn)工況(p0=2.5×105Pa，T0=300 K，Ma=0.9)的流線圖如圖6所示，總壓云圖如圖7所示。

圖6 壓縮機(jī)進(jìn)氣室流線圖

圖7 壓縮機(jī)進(jìn)氣室總壓云圖

2.4 防止漏油設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)容易漏油的地方有3處：軸承箱兩端油封、軸承箱中分面、聯(lián)軸器套筒與軸承箱連接處。為防止?jié)櫥托孤┑綁嚎s機(jī)和風(fēng)洞內(nèi)流道，進(jìn)行了針對(duì)性防漏油設(shè)計(jì)，如圖8所示。

圖8 軸承箱及密封示意圖

圖8中：在油封Ⅰ處設(shè)計(jì)有充氣密封，在其與氣封之間設(shè)計(jì)一個(gè)放空腔，便于密封氣排出；與聯(lián)軸器相連的轉(zhuǎn)子伸出端設(shè)計(jì)有油封Ⅱ；在軸承箱中分面設(shè)置密封條，同時(shí)在外側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)與放空腔相連的通氣槽，始終與大氣聯(lián)通，保持常壓，防止?jié)櫥蛷闹蟹置嫘孤┲羶?nèi)流道；壓縮機(jī)與電機(jī)間的聯(lián)軸器采用套筒結(jié)構(gòu)，套筒與軸承箱端面通過(guò)法蘭連接，采用O型圈進(jìn)行密封。

2.5 防止漏氣設(shè)計(jì)

為防止風(fēng)洞內(nèi)部氣體向洞體外泄漏和風(fēng)洞外部的濕空氣進(jìn)入風(fēng)洞內(nèi)部，對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸端處的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封進(jìn)行了針對(duì)性防漏氣設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 防漏氣密封設(shè)計(jì)示意圖

采用側(cè)齒密封+充氣密封的組合密封方式。在油封充氣口和氣封充氣口分別充干燥密封氣，在油封和氣封之間設(shè)置一個(gè)放空腔，通過(guò)軸承箱的支撐筋板和大氣聯(lián)通。通過(guò)控制程序使密封氣的壓力始終高于內(nèi)流道的氣體壓力，進(jìn)而阻滯內(nèi)流道的氣體向外泄漏，多余的密封氣則通過(guò)放空腔排出。

2.6 高精度變頻調(diào)速設(shè)計(jì)

如果壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度較差，將造成出口氣流大幅波動(dòng)，從而影響到風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流的穩(wěn)定性和風(fēng)洞馬赫數(shù)控制精度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必須保證兩臺(tái)電機(jī)雙端對(duì)拖變頻調(diào)速系統(tǒng)的同步、穩(wěn)定、精確調(diào)速。

設(shè)計(jì)時(shí)采用主從控制模式和矢量控制技術(shù)，使兩臺(tái)各自獨(dú)立變頻器的給定參數(shù)、控制參數(shù)、啟停動(dòng)作實(shí)時(shí)保持一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速一致、功率平衡[11]。

2.7 防喘振控制設(shè)計(jì)

喘振是軸流壓縮機(jī)的固有特性，一旦進(jìn)入深度喘振，特別是發(fā)展為逆流、持續(xù)逆流，就會(huì)發(fā)生毀機(jī)的嚴(yán)重后果[2，11-15]，因此必須在壓縮機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)安全可靠的防喘振控制子系統(tǒng)。

為了既要有效防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，又要保證壓縮機(jī)在防喘振動(dòng)作線右方的安全運(yùn)行范圍能夠滿足風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，在實(shí)測(cè)喘振邊界線上的右方分別預(yù)留6%和12%的流量喘振裕度[11]，設(shè)置相應(yīng)的防喘振動(dòng)作線和防喘振報(bào)警線，如圖10所示。

圖10 防喘振控制示意圖

風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)控系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)嚴(yán)密監(jiān)控壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的位置。一旦工況點(diǎn)觸碰防喘振報(bào)警線，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警聲音，提醒崗位人員注意；如果工況點(diǎn)繼續(xù)向左上方移動(dòng)并觸碰防喘振動(dòng)作線，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)防喘振旁路上的防喘振閥(見(jiàn)圖1)，迅速增大壓縮機(jī)入口流量，使工況點(diǎn)向右下方移動(dòng)，遠(yuǎn)離喘振區(qū)，避免喘振發(fā)生。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了全面檢驗(yàn)0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)效果，在機(jī)組制造、安裝完成后，先后進(jìn)行機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、轉(zhuǎn)速控制精度測(cè)試試驗(yàn)、熱力性能試驗(yàn)、喘振預(yù)防試驗(yàn)[10]。

3.1 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

為防止壓縮機(jī)振動(dòng)過(guò)大、影響風(fēng)洞其他設(shè)備，采用壓縮機(jī)不與風(fēng)洞合攏連接的開(kāi)口試驗(yàn)方式，壓縮機(jī)入口為常溫、常壓環(huán)境大氣工況。

試驗(yàn)結(jié)果[15]表明：機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，軸振動(dòng)最大29.4 μm，軸位移最大0.16 mm，分別遠(yuǎn)小于其報(bào)警值108.0 μm和0.40 mm，表明壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)械性能良好。

3.2 氣密性試驗(yàn)

先進(jìn)行靜態(tài)氣密性試驗(yàn)，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)氣密性試驗(yàn)。靜態(tài)氣密性試驗(yàn)時(shí)，用盲法蘭把氣封、油封口全部封住，停供密封氣，啟動(dòng)真空泵，在負(fù)壓和壓縮機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下檢驗(yàn)機(jī)組各連接部位(如中分面)有無(wú)漏點(diǎn)。動(dòng)態(tài)氣密性試驗(yàn)時(shí)，正常供密封氣，啟動(dòng)真空泵，在負(fù)壓和壓縮機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下檢驗(yàn)機(jī)組密封性能，特別是要重點(diǎn)關(guān)注有無(wú)潤(rùn)滑油泄漏至內(nèi)流道。

試驗(yàn)結(jié)果[10]表明：壓縮機(jī)密封設(shè)計(jì)合理可靠，密封效果良好，即使在穩(wěn)定段總壓p0=0.15×105Pa的最低負(fù)壓工況也未發(fā)生潤(rùn)滑油泄漏到內(nèi)流道的現(xiàn)象。

3.3 轉(zhuǎn)速控制精度測(cè)試試驗(yàn)

將電機(jī)非傳動(dòng)端原有的12位單圈1/4096分辨率編碼器的脈沖信號(hào)(含有正交的A、B兩相脈沖，相位差90°)復(fù)制分接成兩路，一路仍用于高壓變頻器的轉(zhuǎn)速控制，另一路用于外接轉(zhuǎn)速測(cè)量。采用自主研制的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置[16-17]對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度進(jìn)行測(cè)試。該裝置基于編碼器正交輸出4倍頻和M/T測(cè)速法原理，脈沖采樣周期30 ms，標(biāo)定后相對(duì)額定最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min的理論測(cè)速精度為0.003 4%[10].

試驗(yàn)結(jié)果[10-11]表明：壓縮機(jī)1 500 r/min、1 800 r/min、2 400 r/min、3 000 r/min、3 600 r/min下的轉(zhuǎn)速控制精度分別達(dá)到了0.013 6%、0.010 3%、0.023 8%、0.016 9%、0.028 9%的較高水平，滿足δn≤0.03%的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.4 熱力性能試驗(yàn)

通過(guò)緩慢調(diào)節(jié)風(fēng)洞二喉道通流面積，逐步減小壓縮機(jī)進(jìn)氣流量，采用“逼喘”方式測(cè)試出等轉(zhuǎn)速線。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量壓縮機(jī)進(jìn)、排氣側(cè)的壓力波動(dòng)情況判別喘振。最后，將各等轉(zhuǎn)速線上的喘振點(diǎn)相連，得到喘振邊界線[10-11]。

采用熱平衡法，在壓縮機(jī)進(jìn)、排氣口分別設(shè)置的2個(gè)總溫、總壓組合式一字型排架，通過(guò)測(cè)量達(dá)到熱平衡后的壓縮機(jī)壓比和進(jìn)、排氣溫度，計(jì)算得出壓縮機(jī)多變效率[10]。

試驗(yàn)獲得了完整的壓縮機(jī)性能曲線，如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果[10]表明：壓縮機(jī)常用設(shè)計(jì)靜葉角(θ=66°)最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min下實(shí)測(cè)喘振點(diǎn)壓比1.74，可以覆蓋風(fēng)洞運(yùn)行包絡(luò)線；設(shè)計(jì)點(diǎn)多變效率81.5%；能夠滿足風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)壓縮機(jī)性能的需求。

圖11 壓縮機(jī)性能曲線測(cè)試結(jié)果

3.5 喘振預(yù)防試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，正常運(yùn)行壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)洞二喉道通流面積，實(shí)施“逼喘”，以此檢驗(yàn)防喘振系統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警和防喘振功能是否正常。

試驗(yàn)結(jié)果[10]表明：防喘振控制設(shè)計(jì)安全可靠，壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)觸碰防喘振報(bào)警線后，系統(tǒng)能夠立即自動(dòng)聲音報(bào)警；觸碰防喘振動(dòng)作線后，系統(tǒng)能夠立即自動(dòng)打開(kāi)防喘振閥，有效避免了喘振發(fā)生。

4 結(jié)論

本文針對(duì)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞對(duì)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的特殊設(shè)計(jì)要求，克服了經(jīng)驗(yàn)少、難度大等困難，成功完成了0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。得到主要結(jié)論如下：

1)采用一體化設(shè)計(jì)理念，將壓縮機(jī)進(jìn)氣室、排氣室分別與第1拐角段和第2拐角段進(jìn)行一體化氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)整流尾罩延伸至第2拐角段下游位置，整個(gè)機(jī)組采用L型布局，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，有效減小軸系長(zhǎng)度。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)、排氣室的氣流流動(dòng)均勻性和穩(wěn)定性得到改善，壓力損失降低。一體化設(shè)計(jì)后，有效解決了為充分發(fā)揮0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞的模擬功能和引導(dǎo)作用，將主回路驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)布置于風(fēng)洞第1拐角段、第2拐角段之間帶來(lái)的壓縮機(jī)氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題。

2)采用模化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，通過(guò)熱力性能試驗(yàn)實(shí)測(cè)出了壓縮機(jī)完整的性能曲線，設(shè)計(jì)靜葉角(θ=66°)下實(shí)測(cè)喘振點(diǎn)最高壓比1.74，設(shè)計(jì)點(diǎn)多變效率81.5%，能夠滿足風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)壓縮機(jī)性能的需求。

3)采用充氣密封、設(shè)置放空腔、密封條、O型圈等設(shè)計(jì)，解決了壓縮機(jī)的動(dòng)密封和靜密封問(wèn)題，有效防止了潤(rùn)滑油泄漏到風(fēng)洞內(nèi)流道，以及風(fēng)洞內(nèi)部試驗(yàn)氣體向洞體外泄漏和風(fēng)洞外部濕空氣進(jìn)入風(fēng)洞內(nèi)部，密封效果良好。

4)采用主從控制模式和矢量控制技術(shù)，獲得了媲美直流調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能，壓縮機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速控制精度優(yōu)于0.03%，達(dá)到了較高的水平，為風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)控制精度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了保證。

5)采用在實(shí)測(cè)喘振邊界線的基礎(chǔ)上設(shè)置防喘振動(dòng)作線和防喘振報(bào)警線的方法，通過(guò)控制程序自動(dòng)進(jìn)行喘振預(yù)防，避喘效果較好，防喘振控制安全可靠。