上面級發(fā)動機小功率沖擊式渦輪性能試驗研究

徐 楠，安 莎，白東安，劉軍年

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

上面級發(fā)動機小功率沖擊式渦輪性能試驗研究

徐 楠，安 莎，白東安，劉軍年

（西安航天動力研究所,陜西西安710100）

設計了一種適用于小功率沖擊式渦輪性能試驗方案，該方案由燃氣路和水路組成，通過酒精發(fā)生器獲取高溫高壓空氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，泵為水介質(zhì)增壓作為負載進行渦輪性能試驗，保證了試驗渦輪狀態(tài)與真實產(chǎn)品狀態(tài)的一致性。以渦輪相似換算準則為基礎在試驗系統(tǒng)能力允許的范圍內(nèi)設計試驗工況。本渦輪性能試驗方案利用泵水力性能核算渦輪輸出功，根據(jù)實測的渦輪壓力、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。通過設計考臺試驗件及考驗方法，確保試驗系統(tǒng)參數(shù)測量的穩(wěn)定可靠。經(jīng)某上面級發(fā)動機渦輪泵作為試驗對象驗證，采用該試驗方案可以獲取渦輪效率。同時3件試驗渦輪轉(zhuǎn)子的性能試驗結(jié)果對比表明該上面級發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子性能一致。

沖擊式渦輪；試驗方案；性能試驗

0 引言

泵壓式上面級發(fā)動機對性能精度控制要求很高，渦輪泵作為發(fā)動機的“心臟”，獲得準確的渦輪泵性能對發(fā)動機性能精度控制至關重要。目前泵的性能通過高速高精度的水力試驗系統(tǒng)獲得，而對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)動試驗方式獲取并通過后繼的發(fā)動機試車數(shù)據(jù)進行修正。

發(fā)生器-渦輪泵聯(lián)動試驗得到渦輪性能，實際是包括渦輪、燃氣發(fā)生器、以及節(jié)流元器件在內(nèi)的整個副系統(tǒng)性能，各組件差異帶來的影響因素不能剝離，不利于單獨評估渦輪的性能及偏差。況且發(fā)生器-渦輪泵聯(lián)動試驗采用真實推進劑，成本昂貴且安全防護要求高，因而對每臺渦輪進行例行性能試驗是不現(xiàn)實的。

傳統(tǒng)的渦輪吹風試驗方案，通常適用于大功率、反力式渦輪性能試驗。為滿足電機負載及測功儀器要求，試驗的渦輪狀態(tài)通常與真實工作狀態(tài)存在較大差異，得到的渦輪性能曲線與發(fā)動機真實狀態(tài)下相差較大，只能相對比較作為參考，并不適用上面級發(fā)動機渦輪性能試驗。

為準確測試小功率沖擊式渦輪性能，本文以某上面級發(fā)動機渦輪為研究對象，結(jié)構上基本保持與渦輪泵產(chǎn)品一致，通過酒精發(fā)生器燃氣驅(qū)動渦輪，以水力試驗過的泵打水作為負載，開展試驗研究工作。

1 試驗渦輪參數(shù)相似換算準則

酒精發(fā)生器驅(qū)動渦輪的原理應滿足渦輪模擬試驗準則，即認為渦輪流道中的氣體流場特性與雷諾數(shù)無關，并假定渦輪流道內(nèi)運動時不存在熱交換，此時的模擬條件為：

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)。

通過上述模擬條件，可以推導出渦輪實際應用工況與試驗工況之間的主要參數(shù)關系，包括渦輪壓比、轉(zhuǎn)速、渦輪流量及渦輪輸出功。

試驗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為燃氣絕熱指數(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M為熱標模擬試驗工況；下標H為渦輪泵設計額定工況。

如公式（1）所示，試驗渦輪工質(zhì)物性一定的條件下，試驗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。在滿足試驗條件的情況下，渦輪入口壓力選擇小一些有利于試驗系統(tǒng)的安全。因此確定渦輪出口壓力時，在保證渦輪出口工質(zhì)流動處于超音速狀態(tài)下，盡量取低。

根據(jù)公式（2）～（6），試驗渦輪壓力參數(shù)確定后，試驗轉(zhuǎn)速、流量及功率只受試驗渦輪入口溫度參數(shù)影響。不同于大推力、大流量的渦輪吹風試驗選取較低的入口溫度，對于上面級發(fā)動機渦輪，由于輸出功率小、渦輪工質(zhì)流量低，在選取渦輪燃氣入口溫度參數(shù)時，應在試驗系統(tǒng)允許的條件下選取高一些，盡量接近實際工況渦輪的入口溫度，以保證試驗過程具備較高的轉(zhuǎn)速和較大的輸出功率，目的是保證負載泵可以在較高的轉(zhuǎn)速下工作，保證泵性能與水力試驗數(shù)據(jù)接近。

根據(jù)渦輪試驗轉(zhuǎn)速對所配套的泵水力試驗，以獲取不同轉(zhuǎn)速的泵性能，滿足渦輪試驗過程渦輪速比一定范圍的泵負載功率的準確核算。

2 性能試驗方案

渦輪性能試驗方案見圖1，該系統(tǒng)由燃氣路和水路組成。燃氣路：通過試驗臺的酒精發(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渦輪轉(zhuǎn)速下輸送水介質(zhì)作為負載，經(jīng)過泵后排出外界。該系統(tǒng)不需額外的測功設備，泵負載功率通過泵水力試驗獲取的效率曲線，以及渦輪性能試驗過程中實測泵揚程、流量及渦輪轉(zhuǎn)速間接計算得到。其中泵水路結(jié)構與渦輪泵產(chǎn)品狀態(tài)完全一致，與水力試驗用泵從泵殼體、泵輪、誘導輪及泵腔內(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)相似燃氣渦輪性能試驗臺對空氣流量、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)渦輪入口壓力時優(yōu)先通過調(diào)節(jié)空氣流量進行控制，調(diào)節(jié)渦輪入口溫度時優(yōu)先通過調(diào)節(jié)酒精流量進行控制，調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速時優(yōu)先通過調(diào)節(jié)水流量進行控制。

試驗工況調(diào)節(jié)過程：在酒精發(fā)生器點火后，吹動渦輪進行性能試驗，通過調(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，達到調(diào)節(jié)渦輪入口溫度、渦輪入口壓力的目的。當溫度、壓力達到目標值，通過調(diào)節(jié)流經(jīng)泵的水流量，達到調(diào)節(jié)負載的目的，使渦輪轉(zhuǎn)速達到目標轉(zhuǎn)速。待工況穩(wěn)定后，開始數(shù)據(jù)采集，采集包括溫度、渦輪工質(zhì)流量、壓力、泵流量及進出口壓力在內(nèi)的測量參數(shù)。在完成額定工況試驗基礎上進行渦輪速比拉偏工況試驗，獲取一定速比范圍內(nèi)的渦輪性能，速比拉偏通過調(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。

由于本研究對象，渦輪殼體與其中一個泵殼體為一體化設計，不能拆分，因此在試驗研究過程中，只能通過調(diào)整渦輪轉(zhuǎn)子的方式進行實現(xiàn)。試驗通過采取用同一套泵產(chǎn)品搭配3個不同渦輪轉(zhuǎn)子裝配成試驗用渦輪泵進行試驗，以達到以下主要目的：

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

2） 對渦輪吹風試驗的性能與發(fā)動機采用的渦輪效率曲線進行對比分析，驗證后續(xù)新型號設計過程采用渦輪性能試驗獲取渦輪性能的可行性提供依據(jù)。

3 性能試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗系統(tǒng)考臺試驗

由于3次渦輪性能試驗并非連續(xù)進行，期間試驗系統(tǒng)穿插了其他的試驗項目，為保證試驗系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定、參數(shù)測量準確，在各次渦輪性能試驗前按要求進行試驗系統(tǒng)考臺試驗。

考慮試驗對象渦輪為單噴嘴局部進氣式?jīng)_擊渦輪，燃氣通過噴嘴后為超音速燃氣，噴嘴前燃氣RT值一定時，渦輪工質(zhì)流量僅與噴嘴前壓力相關，不受噴嘴后環(huán)境影響?；诖耍寂_件設計為噴嘴組件，采用產(chǎn)品的渦輪噴嘴結(jié)構為基礎進行適應性改制。在渦輪性能試驗前，先用該噴嘴試驗件進行吹風考臺試驗，試驗過程保持噴嘴前溫度不變，得到燃氣流量與渦輪入口壓力之間的變化關系。

根據(jù)3次渦輪性能試驗前的系統(tǒng)考臺試驗結(jié)果，額定渦輪入口壓力附近實測渦輪流量情況見圖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)，表明試驗系統(tǒng)穩(wěn)定，試驗系統(tǒng)狀態(tài)滿足渦輪性能試驗要求。

3.2 渦輪性能結(jié)果分析

3.2.1 渦輪轉(zhuǎn)速的差異對比

本次研究試驗共完成了3臺渦輪的性能測試。每臺渦輪在試驗過程中，分別完成一次額定工況性能試驗和一次速比拉偏工況試驗，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)判讀，同一臺渦輪產(chǎn)品2次點火試驗在同一工況下的試驗數(shù)據(jù)一致，說明試驗狀態(tài)穩(wěn)定性很好。

采用同一套泵作負載的超音速燃氣沖擊式渦輪性能試驗，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)速的關系，如圖3所示，表明二者呈線性關系，且3次試驗變化趨勢一致。

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

由表1中3次試驗結(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次試驗結(jié)果的u/c范圍內(nèi)，以額定速比下渦輪經(jīng)驗公式得到渦輪效率作為基準，比較實測渦輪效率與經(jīng)驗公式得到渦輪效率，見圖4。不同轉(zhuǎn)子間試驗得到的性能非常接近，并且試驗結(jié)果與該渦輪的效率經(jīng)驗公式結(jié)果也很吻合，如表2所示，在相同的渦輪速比下3臺轉(zhuǎn)子通過性能試驗測量得到結(jié)果極差小于1%。將3次試驗數(shù)據(jù)點綜合進行擬合，可以看出渦輪試驗擬合曲線與經(jīng)驗公式曲線，趨勢一致，同一速比點的偏差約0.5%。

鑒于目前用調(diào)整計算用渦輪效率經(jīng)驗公式，已經(jīng)過了多臺次的發(fā)動機試車考驗，因此可認為采用本試驗方案獲取的渦輪性能是準確、可信的。

試驗結(jié)果表明，在試驗系統(tǒng)能力、試驗測量精度滿足上面級發(fā)動機渦輪泵試驗要求的條件下，采用本文試驗研究方案可以獲得準確的渦輪性能，能識別出渦輪個體性能差異，這對控制上面級發(fā)動機的渦輪性能精度有著重要意義。對于后續(xù)類似新型號研制，通過渦輪性能熱標試驗的方法獲取渦輪，相比于通過渦輪泵-發(fā)生器聯(lián)動試驗等方法，其實現(xiàn)成本和周期會大大縮減。

4 結(jié)論

1） 本文的渦輪性能試驗方案，適用于小功率、高轉(zhuǎn)速高壓比沖擊式渦輪性能測試，結(jié)果準確、可信，試驗便捷，經(jīng)濟性好，非常適用于新型號上面級發(fā)動機研制獲取、評估、分析渦輪性能；

2）對于本文研究的渦輪，經(jīng)渦輪性能試驗結(jié)果驗證，目前所采用渦輪效率經(jīng)驗公式結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。3臺不同渦輪轉(zhuǎn)子比較試驗表明，性能一致性很好，渦輪轉(zhuǎn)子個體差異不會對發(fā)動機性能產(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，研究領域為液體火箭發(fā)動機渦輪泵設計