全尺寸吸附式壓氣機(jī)部件試驗(yàn)技術(shù)芻議

張健新，張國(guó)旺

全尺寸吸附式壓氣機(jī)部件試驗(yàn)技術(shù)芻議

張健新，張國(guó)旺

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

為了深入探討吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)方法，簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外吸附式壓氣機(jī)葉柵試驗(yàn)和全尺寸部件級(jí)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀和成果。通過解析大流量氣體抽吸和大流量氣體測(cè)量2項(xiàng)吸附式風(fēng)扇/壓氣機(jī)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合已有吸附式葉柵試驗(yàn)成果，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有壓氣機(jī)試驗(yàn)器上開展全尺寸吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)研究，并完成階段試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：增加真空泵組進(jìn)行大流量氣體抽吸，能夠在現(xiàn)有壓氣機(jī)試驗(yàn)器上完成全尺寸吸附式風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件試驗(yàn)。為了提高試驗(yàn)效率、節(jié)省試驗(yàn)資源，針對(duì)全尺寸部件級(jí)吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)研究，給出進(jìn)一步結(jié)合吸附式葉柵試驗(yàn)結(jié)果完成對(duì)比試驗(yàn)的建議。

吸附式壓氣機(jī);全尺寸;附面層抽吸;試驗(yàn);真空泵

0 引言

國(guó)外對(duì)吸附式風(fēng)扇/壓氣機(jī)的研究工作始于20世紀(jì)50年代，美國(guó)空軍科研局在麻省理工學(xué)院實(shí)施的1項(xiàng)葉輪機(jī)先進(jìn)流動(dòng)控制技術(shù)研究項(xiàng)目。在系列研究后，1993年NASA格林研究中心與麻省理工學(xué)院合作提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)蜂巢式吸附式風(fēng)扇級(jí)的概念，進(jìn)行了機(jī)理、設(shè)計(jì)技術(shù)、應(yīng)用研究，并采用吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)件進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

國(guó)外在附面層抽吸的整級(jí)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)。而中國(guó)在吸附式風(fēng)扇/壓氣機(jī)方面的研究起步較晚，關(guān)于抽吸設(shè)計(jì)與機(jī)理性研究的公開資料主要集中在數(shù)值計(jì)算方面，擴(kuò)壓葉柵試驗(yàn)方面的資料較少，關(guān)于吸氣設(shè)備的資料少之又少。因此，需要進(jìn)行更多的探索和研究，補(bǔ)足這方面的短板可為設(shè)計(jì)更高性能風(fēng)扇/壓氣機(jī)提供有益幫助。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

MIT是第1個(gè)完成吸附式壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)調(diào)試工作的研究機(jī)構(gòu)。2002年12月NASAGlenn研究中心成功地進(jìn)行了1次吸附式風(fēng)扇級(jí)的試驗(yàn)，在動(dòng)靜葉吸力面、動(dòng)葉機(jī)匣、靜葉輪轂等7處位置設(shè)置了抽吸孔。在相同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)扇級(jí)的壓比比傳統(tǒng)風(fēng)扇的高出50%，葉尖速度為457 m/s時(shí)壓比達(dá)到3.4[1]。但其試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)過程鮮有資料報(bào)道，能查到的文獻(xiàn)很少。

經(jīng)過對(duì)文獻(xiàn)的仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)：MIT吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)不是采用連續(xù)式氣源，而是采用暫沖式風(fēng)洞（Blow down Tunnel）。其試驗(yàn)是在非穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的，且時(shí)間非常短。試驗(yàn)器不用建設(shè)大功率氣源，節(jié)省了建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用。因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)間短，試驗(yàn)過程中氣流來不及和葉片、機(jī)匣發(fā)生充分熱交換，可以認(rèn)為后者仍能保持室溫，為模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主燃?xì)夂徒饘俚臏囟缺龋约斑M(jìn)行表面熱流率的測(cè)量創(chuàng)造了有利條件[2-3]。這種試驗(yàn)方式主要應(yīng)用于機(jī)理性的研究，尚不能用于級(jí)性能試驗(yàn)。此外，因效率的不確定度是由溫升決定的，如何保證和提高如此短時(shí)間內(nèi)測(cè)量?jī)x表和測(cè)試的精度成為該試驗(yàn)廣泛應(yīng)用前必須解決的關(guān)鍵問題，該試驗(yàn)器的效率不確定度目標(biāo)為0.5%。

暫沖式風(fēng)洞主要由儲(chǔ)氣罐、快開閥、試驗(yàn)段和真空罐組成[4]，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)前，首先向儲(chǔ)氣罐內(nèi)充入試驗(yàn)用的空氣直至達(dá)到初始?jí)毫σ?，?chǔ)氣罐和快開閥由罐殼夾層內(nèi)的加熱器加熱到預(yù)期溫度，其余的設(shè)備由真空泵抽成粗真空。試驗(yàn)時(shí)，打開快開閥，由氣罐排出的氣體經(jīng)過試驗(yàn)段，完成試驗(yàn)。

圖1 暫沖式風(fēng)洞

NASA在很早就對(duì)吸附式壓氣機(jī)技術(shù)開展了系統(tǒng)研究。2002年，NASA對(duì)1臺(tái)4級(jí)壓比12的先進(jìn)壓氣機(jī)進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究[5]；2005年，GE公司在4級(jí)壓氣機(jī)上對(duì)靜子進(jìn)行采用吸附式壓氣機(jī)技術(shù)來提高靜葉載荷的研究[6]，該技術(shù)得到工程設(shè)計(jì)單位，如GE和RR德國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司RRD的重視，設(shè)計(jì)思想和部分試驗(yàn)研究結(jié)果為進(jìn)一步提升更高負(fù)荷的壓氣機(jī)提供了技術(shù)指導(dǎo)，指引了發(fā)展方向。

中國(guó)在吸附式風(fēng)扇/壓氣機(jī)研究方面起步較晚，公開發(fā)表資料主要集中在數(shù)值計(jì)算方面，試驗(yàn)研究還僅限于葉柵試驗(yàn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳紹文、郭爽[7-12]等，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)推進(jìn)理論與技術(shù)研究所大尺度低速矩形葉柵風(fēng)洞上，在附面層抽吸對(duì)高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵流動(dòng)及負(fù)荷的影響方面做了大量的數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵中采用附面層抽吸可以有效改善葉柵的氣動(dòng)性能，角區(qū)分離明顯減小，且隨吸氣量的增加改善程度也越大。還得到最佳的吸氣位置和吸氣量組合的有效數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)葉柵葉片內(nèi)腔在下端通過管路與水環(huán)式真空泵連接，在試驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)真空泵進(jìn)氣閥開度得到要求的吸氣量，從而實(shí)現(xiàn)附面層的定量抽吸。附面層抽吸系統(tǒng)采用2BVA型水環(huán)式真空泵，單臺(tái)最大抽氣量為400 m3/h，極限壓力為3300 Pa。

根據(jù)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，將耕地劃分為3個(gè)類別，將無污染的耕地劃為優(yōu)先保護(hù)類，低風(fēng)險(xiǎn)和中度風(fēng)險(xiǎn)的耕地劃為安全利用類，高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)的耕地劃為嚴(yán)格管控類。稻田土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見表2。根據(jù)現(xiàn)階段Cd污染治理技術(shù)水平，以0.5為間隔劃分農(nóng)產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

西北工業(yè)大學(xué)劉波等也開展了大量關(guān)于壓氣機(jī)附面層抽吸的相關(guān)數(shù)值研究，認(rèn)為表面附面層抽吸可以明顯提高壓氣機(jī)性能，改善局部流動(dòng)情況[13-16]。該試驗(yàn)研究在西北工業(yè)大學(xué)的高亞聲連續(xù)式平面葉柵風(fēng)洞上進(jìn)行，抽吸系統(tǒng)采用H150型滑閥油封機(jī)械泵（簡(jiǎn)稱滑閥泵），也是1種變?nèi)菔綒怏w傳輸泵，功率為15 kW?，F(xiàn)有滑閥泵的最大抽速為300 L/s，極限壓力為1 Pa。

此外，中國(guó)科學(xué)院熱物理研究所對(duì)吸附式壓氣機(jī)平面葉柵試驗(yàn)研究的試驗(yàn)風(fēng)洞和完成附面層抽吸的設(shè)備，與上述研究的類似，不再贅述。

2 吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

作為國(guó)家大中型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總設(shè)計(jì)師單位，沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所早在“十一五”期間就對(duì)吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行立項(xiàng)，是目前國(guó)內(nèi)惟一進(jìn)行過全尺寸部件級(jí)吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)研究的單位。開展全尺寸部件級(jí)吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)，除了大量?jī)?chǔ)備常規(guī)壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)外，與近年來沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所一直強(qiáng)調(diào)的預(yù)先技術(shù)研究密不可分。全部試驗(yàn)內(nèi)容在沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所的單軸雙涵壓氣機(jī)試驗(yàn)器上進(jìn)行，該試驗(yàn)器由動(dòng)力、進(jìn)氣、排氣、燃滑油、操作、電氣、測(cè)試等系統(tǒng)組成。針對(duì)幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究，例如大流量氣體抽除技術(shù)、大流量氣體流量測(cè)量和風(fēng)扇級(jí)間流場(chǎng)診斷技術(shù)，每項(xiàng)都能作為獨(dú)立課題進(jìn)行深入細(xì)致研究。但受篇幅限制，下面僅就關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)和解決方案作簡(jiǎn)要介紹。

2.1 大流量氣體抽吸裝置

要完成吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)，抽吸裝置是技術(shù)研究的關(guān)鍵。這方面的資料較少，需要進(jìn)行更多的探索和研究。試驗(yàn)件在設(shè)計(jì)狀態(tài)下通常具有高壓比、高效率等特點(diǎn)，同時(shí)具有軸向力大、單位級(jí)負(fù)荷高及扭矩大等特點(diǎn)，因此直接在現(xiàn)有壓氣機(jī)試驗(yàn)器上直接開展試驗(yàn)存在諸多困難。此外，為滿足上述試驗(yàn)環(huán)境，必須不斷進(jìn)行配套試驗(yàn)設(shè)備的補(bǔ)充和完善，如廠房、道路、試驗(yàn)用氣源能力及水、電、油、氣等基礎(chǔ)配套設(shè)施[17-18]。要保證試驗(yàn)器以及試驗(yàn)件軸承等部件運(yùn)行安全，必須進(jìn)行進(jìn)口節(jié)流。在節(jié)流狀態(tài)下，進(jìn)行靜子附面層抽吸試驗(yàn)，有時(shí)甚至是負(fù)壓狀態(tài)兼大流量的氣體抽吸。

要完成如此大的氣體抽吸（后文會(huì)提到），前期論證時(shí)有真空獲得設(shè)備和風(fēng)機(jī)2種方案?jìng)溥x，最終選擇了真空獲得設(shè)備方案。該方案主要依靠水環(huán)式真空泵組運(yùn)轉(zhuǎn)營(yíng)造負(fù)壓流動(dòng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)氣體抽除。經(jīng)過調(diào)試試驗(yàn)，表明該方案可以滿足現(xiàn)有以及未來一段時(shí)期內(nèi)的吸附式壓氣機(jī)部件試驗(yàn)要求。

2.2 大流量氣體流量測(cè)量

在壓氣機(jī)平面葉柵試驗(yàn)中，附面層抽吸過程及流量測(cè)量相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)橐龤饬啃?，一般的渦街流量計(jì)就可以滿足。全尺寸吸附式壓氣機(jī)部件試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)狀況下進(jìn)口換算流量一般超過100 kg/s，完成進(jìn)口3%～5%的引氣量，不考慮氣流增壓升溫的影響，僅如此大的氣流測(cè)量本身就很麻煩。3～5 kg/s的流量已經(jīng)超過渦街流量計(jì)的最大測(cè)量范圍。而傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)流量測(cè)量通過采用測(cè)量同一測(cè)量截面的總壓和壁面靜壓計(jì)算質(zhì)量流量的方法，必須要考慮附面層特性測(cè)量、計(jì)算以及對(duì)空氣流量計(jì)算結(jié)果的修正，且流量管壁面鑄造和加工的質(zhì)量往往不能得到很好地控制，導(dǎo)致這一方法不可行。要完成如此大的流量準(zhǔn)確測(cè)量只有2種可選設(shè)備：壓差流量計(jì)或質(zhì)量流量計(jì)。

文丘里管流量計(jì)（Venturi nozzle Flowmeter）作為最常見的壓差流量計(jì)，因其測(cè)量范圍寬、安裝方便，特別適合于低壓、大管徑、低流速的各類氣體流量測(cè)量。但其缺點(diǎn)是壓力損失比較大，且對(duì)安裝管路有要求，前直管段長(zhǎng)度要求大于5倍直徑，后直管段長(zhǎng)度要求大于2倍直徑。

質(zhì)量流量計(jì)的出現(xiàn)，使流量測(cè)量技術(shù)有了飛躍性提升。其利用流體的質(zhì)量是1個(gè)不隨任何時(shí)間、空間溫度、壓力的變化而變化的量，這種原理直接測(cè)量質(zhì)量流量。按測(cè)量方法的不同，質(zhì)量流量計(jì)可分為間接和直接2種。直接式質(zhì)量流量計(jì)通過輸出信號(hào)直接反映出所測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量流量，溫度、壓力、密度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有任何影響，主要有差壓式質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)3種形式。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（Coriolis Mass Flowmeter）簡(jiǎn)稱科氏力流量計(jì)，利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高精度的直接質(zhì)量流量測(cè)量,具有抗磨損、抗腐蝕、可測(cè)量多種介質(zhì)及多個(gè)參數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn), 現(xiàn)已在石油化工、制藥、食品及其他工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，對(duì)外界振動(dòng)干擾較敏感，對(duì)安裝固定有較高要求。這也是本試驗(yàn)最終選用文丘里管流量計(jì)，而不是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的重要原因。

3 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)研制需要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、修改設(shè)計(jì)、再制造、再驗(yàn)證直到設(shè)計(jì)定型的反復(fù)迭代過程。開展吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù)研究，得到以下結(jié)論：

（1）在技術(shù)成熟度較低的層級(jí)，充分發(fā)揮壓氣機(jī)/渦輪平面葉柵、扇形葉柵試驗(yàn)器能力，開展充分研究和廣泛論證，做好技術(shù)儲(chǔ)備，能降低成熟度更高級(jí)別時(shí)技術(shù)研制風(fēng)險(xiǎn)。

（2）利用水環(huán)式真空泵組進(jìn)行大流量氣體抽吸，能在現(xiàn)有壓氣機(jī)試驗(yàn)器上開展吸附式風(fēng)扇試驗(yàn)技術(shù)研究。但考慮到該項(xiàng)目工程造價(jià)不菲，且涉及到基建技改、環(huán)評(píng)降噪等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用尚有困難。

（3）后續(xù)開展全尺寸部件級(jí)吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)研究，應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合吸附式葉柵試驗(yàn)結(jié)果，以期在較短的試驗(yàn)周期內(nèi)，完成不同抽吸比、抽吸位置以及二者的組合優(yōu)化等對(duì)壓氣機(jī)性能影響試驗(yàn)內(nèi)容，提高壓氣機(jī)試驗(yàn)效率、節(jié)省試驗(yàn)資源。

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Humble Opinion on Fully-Scaled Aspirated Compressor Test

ZHANG Jian-xin,ZHANG Guo-wang
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015）

In order to further investigate the method of aspirated compressor test,both full-scaled aspirated compressor test and aspirated compressor cascades test at home and abroad were briefly presented.By analyzing two key technologies of aspirated compressor test,mass flow air's aspiration and measurement,combined with the results of the aspirated compressor cascades test,full-scaled aspirated compressor test was studied on an existence compressor test rig,and a phase test was completed.Results show that it is feasible of carrying on full-scaled aspirated compressor test on an existence compressor test rig by adding vacuum pumps carrying on mass flow boundary layer suction.In order to improve the test efficiency and save resource,aiming at full-scaled aspirated compressor test,a proposal is provide on furlher contrast test combining with the results of the aspirated compressor cascades test.

aspirated compressor;fully-scaled;boundary layer suction;test;vacuum pump

V 21 1.1

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.01 7

2016-10-29 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

張健新（1982），男，高級(jí)工程師，主要從事葉片機(jī)試驗(yàn)技術(shù)研究工作；E-mail:mmzjxcom@126.com。

張健新，張國(guó)旺.全尺寸吸附式壓氣機(jī)部件試驗(yàn)技術(shù)芻議[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（2）：99-102.ZHANG Jianxin，ZHANG Guowang.Humble opinion on fully-scaled aspirated compressortest[J].Aeroengine，2017，43（2）：99-102.

（編輯：趙明菁）