大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級低壓渦輪試驗(yàn)技術(shù)研究

安兆強(qiáng)，陳 強(qiáng)，郝晟淳，馬永峰，才彥雙，劉 宇

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

近年來，國內(nèi)大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展較快。與軍用小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)相比，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)需要具有更高的可靠性和更長的使用壽命，同時(shí)需要進(jìn)一步提高部件效率[1]和進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，多級低壓渦輪作為大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件[2]，其效率直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率，在起飛點(diǎn)附近，低壓渦輪效率1%的變化使耗油率增加約1.2%[3]，同時(shí)，國外研究表明，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使低壓渦輪部件的質(zhì)量和制造成本大幅度降低[4]。目前國內(nèi)針對大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多級低壓渦輪的研究主要集中在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，也就是如何選取多級低壓渦輪的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面[5-6]。目前已經(jīng)開展的大型發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪試驗(yàn)基本上集中于單級低壓渦輪試驗(yàn)，其特點(diǎn)是膨脹比較低[7]，針對工程級的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級（4～7級）、大膨脹比低壓渦輪的性能試驗(yàn)驗(yàn)證方面幾乎是空白，國外針對大涵道比多級低壓渦輪的研究基本集中在流場測量領(lǐng)域[8-9]，對試驗(yàn)技術(shù)的研究涉及較少。

本文針對某型大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多級低壓渦輪部件試驗(yàn)，對試驗(yàn)狀態(tài)估算方法、試驗(yàn)設(shè)備匹配性、試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法等關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 多級低壓渦輪的特點(diǎn)

多級低壓渦輪為大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。多級低壓渦輪部件的特點(diǎn)是膨脹比大、功率高、轉(zhuǎn)速低、扭矩大、流量大、軸向力平衡難度大。

目前國內(nèi)現(xiàn)有試驗(yàn)器的性能指標(biāo)不能滿足試驗(yàn)件的需求，試驗(yàn)件的流量、扭矩、功率等參數(shù)已經(jīng)超過了試驗(yàn)器的試驗(yàn)范圍，需要在現(xiàn)有條件下通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備改造滿足多級低壓渦輪試驗(yàn)件的需求。

2 多級低壓渦輪試驗(yàn)狀態(tài)估算

2.1 低壓渦輪試驗(yàn)狀態(tài)估算依據(jù)

渦輪氣動(dòng)性能的模擬試驗(yàn)方法基于相似原理，即試驗(yàn)渦輪與原型渦輪需要滿足以下3個(gè)相似條件：幾何相似，即對應(yīng)點(diǎn)模型比相等；運(yùn)動(dòng)相似，即對應(yīng)點(diǎn)速度三角形相似；動(dòng)力相似，即對應(yīng)點(diǎn)馬赫數(shù)相等、雷諾數(shù)相等或自模。在不考慮比熱比k、氣體常數(shù)R以及模型比m等參數(shù)修正的情況下，為保持試驗(yàn)渦輪與原型渦輪的工作狀態(tài)相似應(yīng)滿足

式中：π為渦輪膨脹比；n為渦輪轉(zhuǎn)速；T為渦輪進(jìn)口溫度；W為渦輪流量；P為渦輪進(jìn)口壓力；N為渦輪功率；下標(biāo)t和p代表試驗(yàn)件和原型渦輪參數(shù)。

根據(jù)原型渦輪膨脹比、轉(zhuǎn)速、溫度、流量和功率參數(shù)，可以得到模擬試驗(yàn)狀態(tài)下試驗(yàn)渦輪的膨脹比、轉(zhuǎn)速、溫度、流量和功率等參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)耦合關(guān)系分析

試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)之間互相影響，存在一定的耦合關(guān)系，在估算試驗(yàn)件的試驗(yàn)參數(shù)時(shí)，需要先輸入初始條件，針對渦輪部件試驗(yàn)，一般先給試驗(yàn)件進(jìn)口溫度和出口壓力分別賦1個(gè)初始值。

通過式（1）可知，試驗(yàn)件的膨脹比和原型渦輪的膨脹比保持一致，結(jié)合試驗(yàn)件出口壓力，可以得到試驗(yàn)件的進(jìn)口壓力；

通過式（2）和試驗(yàn)件進(jìn)口溫度可以得到試驗(yàn)狀態(tài)下試驗(yàn)件的物理轉(zhuǎn)速；

通過式（3）、試驗(yàn)件進(jìn)口壓力和試驗(yàn)件進(jìn)口溫度，可以得到試驗(yàn)件的進(jìn)口流量；

通過式（4）、試驗(yàn)件進(jìn)口流量和試驗(yàn)件進(jìn)口溫度，可以得到試驗(yàn)件的功率，結(jié)合試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速，可以得到試驗(yàn)件的扭矩。

試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速和功率可以確定試驗(yàn)件狀態(tài)點(diǎn)的分布，也就是可以確認(rèn)試驗(yàn)件狀態(tài)點(diǎn)是否分布在試驗(yàn)設(shè)備包線內(nèi)。依據(jù)試驗(yàn)件的狀態(tài)參數(shù)之間的耦合關(guān)系，通過調(diào)整試驗(yàn)件的進(jìn)口溫度和出口壓力，使試驗(yàn)件的試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)落入試驗(yàn)設(shè)備的包線內(nèi)，滿足設(shè)備的使用條件。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備介紹

本次試驗(yàn)在某全尺寸渦輪試驗(yàn)器上進(jìn)行，該試驗(yàn)器主要通過改變試驗(yàn)件進(jìn)口壓力和流量來改變試驗(yàn)件的膨脹比，再通過水力測功器[10]改變試驗(yàn)件的轉(zhuǎn)速，使試驗(yàn)件的狀態(tài)達(dá)到試驗(yàn)要求，該渦輪試驗(yàn)器進(jìn)氣管路上配備了加溫裝置，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)試驗(yàn)件的進(jìn)口溫度。

經(jīng)過初步估算，在現(xiàn)有條件下，試驗(yàn)件的狀態(tài)參數(shù)超出試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以需要在試驗(yàn)器出口進(jìn)行設(shè)備改造，增加出口引射裝置，降低試驗(yàn)件的出口壓力，從而降低試驗(yàn)件的進(jìn)口壓力、流量、功率和扭矩，使試驗(yàn)件狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入試驗(yàn)設(shè)備的包線范圍。

試驗(yàn)器流量測量裝置安排在進(jìn)氣直管段上，試驗(yàn)件的功率通過齒輪箱和水力測功器測得，試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速通過扭軸進(jìn)行測量。

2.4 低壓渦輪試驗(yàn)狀態(tài)估算和軸系配置

給試驗(yàn)件進(jìn)口溫度賦值Tt=T1、出口壓力P2t=Pt，根據(jù)第2.1節(jié)敘述可得試驗(yàn)件試驗(yàn)狀態(tài)下的進(jìn)口壓力 P1、物理轉(zhuǎn)速 n1、物理流量W1、功率N1和扭矩M1，得到試驗(yàn)件狀態(tài)點(diǎn)的分布如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)分布

從圖中可見，如果繼續(xù)調(diào)整試驗(yàn)件進(jìn)口溫度和試驗(yàn)件出口壓力，試驗(yàn)件狀態(tài)點(diǎn)還是無法全部滿足測功器包線范圍和扭軸邊界線，此時(shí)需要引入齒輪箱，保證試驗(yàn)件狀態(tài)點(diǎn)區(qū)域全部進(jìn)入設(shè)備包線內(nèi)。增加齒輪箱后試驗(yàn)件端為低速段，測功器段為高速端，需要分別對低速端和高速端進(jìn)行評估，保證試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)在低速端和高速端分別滿足設(shè)備包線范圍，此外，還應(yīng)考慮試驗(yàn)件出口溫度不要過低，防止結(jié)露結(jié)霜，對測試參數(shù)造成影響。低速端和高速端評估結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 低速端試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)分布

圖3 高速端試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)分布

確定試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)和主要試驗(yàn)設(shè)備后，需要選擇合適的聯(lián)軸器（軸），將試驗(yàn)件和試驗(yàn)設(shè)備連接起來，形成試驗(yàn)軸系，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)軸系

2.5 試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)評估

該試驗(yàn)件級數(shù)較多，膨脹比大，本次試驗(yàn)為國內(nèi)首次使用引射裝置開展大涵道比多級低壓渦輪性能試驗(yàn)，可借鑒的試驗(yàn)設(shè)備過程數(shù)據(jù)較少，為了保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，需要在以下方面進(jìn)行細(xì)致的風(fēng)險(xiǎn)評估[11]。

2.5.1 軸向力

由于低壓渦輪試驗(yàn)件級數(shù)較多，軸向力較大，需要在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測軸向力，同時(shí)實(shí)時(shí)通過腔壓調(diào)整保證軸向力在軸承承受范圍內(nèi)，并結(jié)合軸溫變化來判斷試驗(yàn)件的運(yùn)行情況。

2.5.2 振動(dòng)監(jiān)測

由于試驗(yàn)軸系較長，且試驗(yàn)狀態(tài)較大，在試驗(yàn)件運(yùn)行過程中根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備振動(dòng)限制值嚴(yán)密監(jiān)測試驗(yàn)軸系的振動(dòng)情況，注意試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的臨界轉(zhuǎn)速情況。

2.5.3 火情監(jiān)控

如現(xiàn)場出現(xiàn)火情，各崗位應(yīng)立即按照預(yù)案進(jìn)行操作并疏散，現(xiàn)場指揮根據(jù)火情是否可控判斷是否撥打救火電話。

2.5.4 其他風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

除了以上3方面的風(fēng)險(xiǎn)外，還應(yīng)制定針對試驗(yàn)件飛轉(zhuǎn)、滑油溫度異常、廠區(qū)異常停電等緊急情況的應(yīng)急預(yù)案。

3 試驗(yàn)過程控制

本次試驗(yàn)的難點(diǎn)主要在于試驗(yàn)過程控制，要解決這個(gè)難點(diǎn)就要詳細(xì)分析試驗(yàn)狀態(tài)的參數(shù)，在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)件和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，在保證試驗(yàn)設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下錄取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)狀態(tài)控制過程如圖5所示。

具體過程如下：試驗(yàn)件開始運(yùn)轉(zhuǎn)后，在低轉(zhuǎn)速和小膨脹比的狀態(tài)點(diǎn)1停留，確認(rèn)試驗(yàn)件和設(shè)備運(yùn)行正常，開啟試驗(yàn)器引射系統(tǒng)，降低試驗(yàn)件出口壓力，調(diào)整試驗(yàn)件進(jìn)口壓力和測功器進(jìn)水量[12]，保持試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速不變，試驗(yàn)件膨脹比增大，由狀態(tài)點(diǎn)1過渡到狀態(tài)點(diǎn)2，保持試驗(yàn)件和引射系統(tǒng)的進(jìn)氣量，調(diào)整測功器的進(jìn)水量，調(diào)節(jié)試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速，將試驗(yàn)狀態(tài)由狀態(tài)點(diǎn)2過渡到狀態(tài)點(diǎn)3，重復(fù)以上過程，直到試驗(yàn)件設(shè)計(jì)點(diǎn)，在此過程中，可以視情安排其他狀態(tài)點(diǎn)的錄取。當(dāng)試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)點(diǎn)錄取完成后，應(yīng)通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)件和引射系統(tǒng)的進(jìn)氣量及測功器進(jìn)水量，逐步降低試驗(yàn)狀態(tài)，直至試驗(yàn)件停止運(yùn)行，在試驗(yàn)過程中要重點(diǎn)關(guān)注試驗(yàn)件軸向力，以及試驗(yàn)件和設(shè)備的振動(dòng)情況、滑油的溫度等參數(shù)。

圖5 試驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)控制過程

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理參考航標(biāo)[13]進(jìn)行，但是需要補(bǔ)充渦輪功率的計(jì)算公式

式中：M為測功器的扭矩；a和b為常數(shù)；m為齒輪箱滑油流量；Tg為齒輪箱供油溫度；Th為齒輪箱回油溫度；ηm為機(jī)械效率。

渦輪功率的不確定度根據(jù)式（5）和相關(guān)算法確定[14]。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

針對某多級低壓渦輪性能試驗(yàn)件分別開展了相對換算轉(zhuǎn)速為0.6～1.1范圍內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)錄取，獲取了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，渦輪效率特性趨勢如圖6所示。從圖中可見，在相對換算轉(zhuǎn)速為0.8～1.1下，低壓渦輪效率隨著膨脹比增大而提高，最終保持在一定區(qū)間，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，渦輪效率最終可以保持在較高水平，渦輪效率指標(biāo)良好。

圖6 某多級低壓渦輪性能試驗(yàn)效率特性趨勢

5 總結(jié)

（1）通過分析多級低壓渦輪的狀態(tài)參數(shù)耦合關(guān)系，詳細(xì)描述了試驗(yàn)狀態(tài)估算過程，并根據(jù)估算結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)軸系的配置和風(fēng)險(xiǎn)評估，可為后續(xù)類似試驗(yàn)參考；

（2）通過詳細(xì)描述試驗(yàn)控制過程以及試驗(yàn)件、試驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)監(jiān)控重點(diǎn)，對多級低壓渦輪的試驗(yàn)方法進(jìn)行了補(bǔ)充；

（3）該試驗(yàn)件級數(shù)較多，本試驗(yàn)為國內(nèi)首次使用引射裝置開展的多級低壓渦輪性能試驗(yàn)，補(bǔ)充了相關(guān)數(shù)據(jù)處理依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：低壓渦輪的性能指標(biāo)良好，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)多級低壓渦輪性能試驗(yàn)領(lǐng)域的空白；

（4）本試驗(yàn)屬于常規(guī)性能試驗(yàn)，主要工作重點(diǎn)為試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過程控制方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的探索和驗(yàn)證，后期可以開展級間流場測量、間隙[15]、噪聲[16]等多種測量以及低雷諾數(shù)對低壓渦輪性能影響的試驗(yàn)研究[17]，以利于低壓渦輪的性能驗(yàn)證和優(yōu)化。