壓氣機試驗臺分析

王云龍，雷凱淞，楊騫

（中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

1 壓氣機結構概述

渦扇發(fā)動機中，風扇、壓氣機屬于被帶動的從動部分，由燃燒室后方的渦輪驅動。風扇、壓氣機和渦輪有一級傳動、二級傳動和三級傳動，分別對應單轉子、雙轉子和三轉子。

1.1 單轉子壓氣機

一級傳動系統(tǒng)中，風扇、壓氣機都串在一根動力軸上，具有相同的轉速，此類傳動系統(tǒng)中的壓氣機為單轉子壓氣機。

1.2 雙轉子壓氣機

二級傳動系統(tǒng)是把渦輪分成兩部分，即高壓和低壓渦輪。由于驅動高壓渦輪的是剛從燃燒室排出的高溫高壓燃氣，因此高壓渦輪的轉速非?？臁８邏簻u輪軸穿過環(huán)形燃燒室中間，把高壓渦輪的動力傳遞給緊靠在燃燒室入口前的高壓壓氣機。因此，高壓壓氣機與高壓渦輪轉速相同，并且都是很高的轉速。因為驅動高壓渦輪而消耗掉一部分能量的燃氣繼續(xù)向發(fā)動機后方運動，驅動低壓渦輪。由于在驅動高壓渦輪時已經(jīng)消耗部分能量，低壓渦輪的轉速也就比高壓渦輪低。低壓渦輪軸比高壓渦輪軸更長、更細，套在高壓渦輪軸內部，把低壓渦輪的動力傳遞給風扇和低壓壓氣機。因此，二級傳動系統(tǒng)中，風扇、低壓壓氣機和低壓渦輪的轉速是一樣的，都比較慢。

1.3 三轉子壓氣機

為了進一步提高壓氣機的效率和工作性能，將渦輪按照離燃燒室出口由近到遠的次序，依次分為高壓、中壓和低壓渦輪三級傳動。其中轉速最慢的低壓渦輪通過嵌套在最內部的第三根渦輪軸單獨驅動風扇，這樣風扇和低壓壓氣機就可以在不同轉速下工作。

2 壓氣機控制系統(tǒng)簡介

航空發(fā)動機上多處使用壓氣機級間引氣來對進行相關的控制，如壓氣機主動間隙控制，壓氣機短艙、冒罩除冰系統(tǒng)等。

（1）壓氣機主動間隙控制。盡量減小其葉尖間隙來保證高壓壓氣機的最大性能。在大多數(shù)發(fā)動機中，高壓壓氣機轉子具有不可控的內部冷卻氣流。機匣的膨脹要與轉子的膨脹相匹配，以確保葉尖間隙可以在高轉速和高壓比的情況下變得更小。由于難以控制轉子的冷卻，因此，葉尖間隙就必須擁有一定的裕度來防止碰磨。在爬升和巡航階段，使用該裕度以減小葉尖間隙，從而提高壓氣機效率。這個可以通過使用熱的壓氣機空氣加熱高壓壓氣機轉子，或通過關閉內部冷卻氣流來實現(xiàn)。

（2）壓氣機可調放氣閥控制系統(tǒng)。當風扇增壓級的轉速下降到設計點以下時，氣流的軸向速度也隨著降低，這會導致轉子葉片攻角增加。為了防止攻角到達臨界值，需要開啟VBV，從風扇增壓級出口的氣體流道中放出一定量的空氣。由于這些壓縮空氣的釋放會導致發(fā)動機能量損失，因此僅僅在必要情況下才開啟VBV，允許一部分氣體離開主流道。

該系統(tǒng)通常由一個或兩個液壓作動器操作，由發(fā)動機電子控制器控制。

（3）可調靜子葉片控制系統(tǒng)。在低轉速下，壓氣機前幾級轉子葉片的攻角會增加。為了保持攻角在高壓壓氣機所有運行轉速下都處于最佳狀態(tài)，進口導葉和前面的三到四級靜子會設計成可調靜子葉片。不同類型發(fā)動機的可調靜子葉片系統(tǒng)非常相似。該系統(tǒng)由一個或兩個液壓作動筒驅動，由發(fā)動機電子控制器控制。

（4）高壓壓氣機放氣閥。在發(fā)動機運行和起動過程中，為了防止高壓壓氣機在較低轉速下發(fā)生失速，除了調節(jié)VSV 之外，還有必要使用高壓壓氣機放氣閥。這些閥門被稱為操作放氣閥或高壓放氣閥。

3 壓氣機試驗簡介

壓氣機試驗在航空發(fā)動機研制、改進和發(fā)展中尤為重要。高性能、高可靠性的壓氣機需要大量壓氣機試驗進行驗證和迭代，壓氣機試驗是航空發(fā)動機壓氣機型號研制的基礎。

3.1 壓氣機試驗類型

壓氣機試驗主要分為壓氣機氣動性能試驗和壓氣機機械性能試驗。本文主要討論壓氣機氣動性能試驗。壓氣機起動性能試驗是在專門的試驗設備上，通過試驗的方法求得壓氣機的起動特性；用以評定壓氣機的性能水平和為改進設計提供依據(jù)；積累試驗數(shù)據(jù)，豐富設計數(shù)據(jù)庫，以完善壓氣機設計體系。

壓氣機性能試驗主要目的為錄取壓氣機特性，研究壓氣機內部流動機理，進行壓氣機性能調試和診斷。試驗時進口狀態(tài)可以模擬大氣進氣條件，負壓、加溫加壓和畸變進行等。主要包含全尺寸壓氣機試驗、模型壓氣機試驗和研究性壓氣機試驗等。進行壓氣機性能試驗或性能調試試驗應選用全尺寸壓氣機試驗臺或縮尺模型壓氣機試驗臺。本文主要重點關注壓氣機性能試驗。

3.2 壓氣機性能試驗內容

壓氣機性能試驗主要包括壓氣機總體性能試驗、壓氣機基元葉片性能試驗、壓氣機性能調試試驗、壓氣機進氣畸變試驗、級間引氣對壓氣機性能的影響試驗、低速大尺寸模型壓氣機試驗、風扇雙涵道試驗等。

3.3 測試要求

壓氣機性能試驗時，根據(jù)不同試驗目的，有不同的測量要求。其測試方式和測量精度應按照HB7115 壓氣機氣動性能試驗標準實施。

4 壓氣機試驗臺典型組成

典型壓氣機試驗臺主要包括進氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、試驗器滑油系統(tǒng)、試驗件滑油系統(tǒng)、試驗件液壓系統(tǒng)、輔助空氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。

為滿足環(huán)保部門的相關要求，壓氣機試驗臺還需包含噪聲控制系統(tǒng)?？紤]局部技術方案的不同，例如，排氣降溫方案的不同，壓氣機試驗臺還包含補氣系統(tǒng)或噴水降溫系統(tǒng)。

進氣系統(tǒng)：功能為將環(huán)境大氣過濾后、對進氣壓力和流量進行調節(jié)并測量進氣流量，對進氣流場整流后提供給試驗件，模擬壓氣機的入口環(huán)境。

動力系統(tǒng)：功能為使用變電站提供的電能驅動電機、對轉速進行增速后驅動試驗件運轉，轉速可調、驅動扭矩可測量；配置盤車裝置在試驗前以及準備過程中進行盤軸檢查及調整。以模擬渦輪對壓氣機提供軸功率。

排氣系統(tǒng)：功能為將試驗件排出的高溫高壓氣體引出、對排氣流量及背壓進行調節(jié)，模擬壓氣機工作狀態(tài)下背壓。

引氣系統(tǒng)：功能為實現(xiàn)壓氣機指定位置的引氣和放氣，模擬壓氣機引/放氣條件下的氣動特性。

試驗器滑油系統(tǒng)：功能為所有排氣調節(jié)閥、增速箱、扭矩器、電機等標準元件提供驅動液壓動力或冷卻潤滑滑油。

試驗件滑油系統(tǒng)：向試驗件前后軸承提供冷卻潤滑液壓油。

試驗件液壓系統(tǒng)：功能為向試驗件IGV 、VSV 和VBV 系統(tǒng)提供驅動液壓動力，模擬發(fā)動機可調靜子葉片控制系統(tǒng)、可調放氣閥門控制系統(tǒng)和高壓壓氣機放氣閥的功能。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)：功能為向所有滑油站、液壓系統(tǒng)、電機、變頻器提供冷卻水。

輔助空氣系統(tǒng)：主要包含儀表氣和平衡盤用氣（視軸向力平衡方案而定）。

電氣控制系統(tǒng)：功能為對整個試驗臺的供電、供水、供氣及試驗作動元件實現(xiàn)控制、對試驗狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當出現(xiàn)試驗參數(shù)超過設定值時，可根據(jù)預設條件判斷自動報警或自動緊急停車。同時，具備緊急情況下手動應急操作。

測試系統(tǒng)：功能為對試驗臺所有測量狀態(tài)進行測量采集、對試驗數(shù)據(jù)進行存儲和后期處理。

輔助系統(tǒng)：功能為在試驗臺日常保養(yǎng)檢修、試驗準備、實驗過程中提供輔助作用。

噪聲控制系統(tǒng)：確保試驗器在工作過程中的噪聲得到控制，滿足環(huán)保部門的要求。

補氣系統(tǒng)：功能為向試驗臺內補充空氣，用于向排氣系統(tǒng)引射器及引氣系統(tǒng)引射器提供引射空氣以達到摻混降溫的目的。

噴淋系統(tǒng)：在排氣塔內向排氣系統(tǒng)排出的高溫空氣噴水，以達到噴淋降溫的目的。

5 壓氣機試驗臺主要分系統(tǒng)方案選型

壓氣機試驗臺主要分系統(tǒng)方案包含進排氣方案比選、動力系統(tǒng)變頻器方案比選、應急響應方案比選和排氣冷卻方案比選等方面。每個分系統(tǒng)方案的不同，影響著相關專業(yè)的專業(yè)方案，影響著壓氣機試驗廠房的工藝布局和面積方案，甚至影響整個園區(qū)的供配電方案。本文以動力系統(tǒng)變頻器方案為例進行描述。

目前，市面上主流變頻器有兩種：電壓源變頻器及電流源變頻器。變頻器型式的選擇，決定了壓氣機試驗器對園區(qū)、對區(qū)域電網(wǎng)注入諧波電流的情況，決定了園區(qū)變配電方案，以及壓氣機試驗器驅動系統(tǒng)是否需要配備復雜的諧波治理設備，嚴重影響電氣專業(yè)設計方案，以及相應的廠房工藝布局和面積方案。

以某項目60MW 電機驅動功率為例，針對電壓源變頻器及電流源變頻器進行方案對比驗證，兩種變頻器方案對比情況詳見表1。

此外，電流源變頻器還需要配置功率因數(shù)補償及濾波裝置，上述兩裝置將占用電氣設備間一定空間，而且，無論采用進口還是國產(chǎn)設備，均需要一套運行維護備件、技術人員，額外增加損耗和空調制冷功率，增加了運行費用；同時，增加設備就會增加設備故障點，加大了整個試驗器的不穩(wěn)定因素。并且電流源變頻器功率因數(shù)補償和濾波裝置都是按照額定轉速、額定負載設計制造的，在其他運行工況都不能充分滿足諧波要求和功率因數(shù)要求，限制了壓氣機試驗臺的轉速與扭矩等參數(shù)的設置，限制了未來試驗的內容。

綜上所述電壓源型變頻器是變頻器最優(yōu)方案，當采用電壓源型變頻器時，對變頻器來說，都是成熟應用的標準配置，不存在技術風險，設備可靠性較高。

6 結語

本文對試驗需求、建設方案等進行系統(tǒng)性分析，為壓氣機試驗臺的設計提供了參考依據(jù)。