國(guó)外典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)式渦輪試驗(yàn)器簡(jiǎn)介

張星

摘要：渦輪試驗(yàn)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵設(shè)備，本文通過收集相關(guān)資料，整理出目前國(guó)外主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位及國(guó)外相關(guān)大學(xué)、研究所的連續(xù)式渦輪試驗(yàn)器的參數(shù)和特點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)渦輪試驗(yàn)和渦輪試驗(yàn)器建設(shè)提供參考。從文中可以看出，雖然目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪效率已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高的水平，但是各研制單位依舊投入了大量人力物力去提高渦輪試驗(yàn)水平，尤其在部分新的研究領(lǐng)域，例如高低壓渦輪匹配、低壓渦輪低Re數(shù)性能，低壓渦輪噪聲等。

Abstract： This article introduced some typical continuous aero-engine turbine test facilities abroad. It can be a reference for the civil turbine test and facility construction. We can have a conclusion from this article that turbine test still plays an important role though the turbine efficiency has reached a relative high level. The western OEMs， universities and institutes are still putting large amount of funds on the turbine test facility especially some new research area such as HPL&LPT matching， LPT low Re test， LPT noise emissions test.

關(guān)鍵詞：國(guó)外;航空發(fā)動(dòng)機(jī);渦輪;試驗(yàn)器;綜述

Key words： foreign;aero-engine;turbine;test facility;overview

0? 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪試驗(yàn)器主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件性能研究，其基本原理如圖1。借助渦輪試驗(yàn)器，可以得到渦輪部件的效率、流通能力、做功能力等特性，根據(jù)這些特性，部件設(shè)計(jì)方可以提升設(shè)計(jì)方法，總體設(shè)計(jì)單位可以修改各部件匹配規(guī)律，因此，渦輪試驗(yàn)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。

由于渦輪試驗(yàn)器是一個(gè)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)備，在供排氣之外還需要解決功率吸收和復(fù)雜的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等問題，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗資大、建設(shè)難度高、建設(shè)周期長(zhǎng)，是一個(gè)試驗(yàn)基地建設(shè)的難點(diǎn)，堪稱試驗(yàn)器建設(shè)領(lǐng)域的明珠。

通常，渦輪試驗(yàn)器還可以進(jìn)行導(dǎo)向器環(huán)吹、過渡段性能、渦輪盤腔旋轉(zhuǎn)換熱等試驗(yàn)，所以，渦輪試驗(yàn)器也常被稱為渦輪綜合試驗(yàn)器。本文所指的渦輪試驗(yàn)器皆指連續(xù)式的渦輪試驗(yàn)器，暫沖式（短周期）渦輪試驗(yàn)器可以參考文獻(xiàn)[1]。

1? 渦輪試驗(yàn)器的分類

作為一種典型的非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備，由于設(shè)計(jì)目的、配套條件的差異，渦輪試驗(yàn)器呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)?？傮w而言，渦輪試驗(yàn)器主要可以從以下兩個(gè)維度進(jìn)行分類：

①?gòu)臍怏w工質(zhì)循環(huán)角度分類，分為開式渦輪試驗(yàn)器和閉式渦輪試驗(yàn)器;

②從試驗(yàn)臺(tái)架部分的結(jié)構(gòu)分類，分為單軸渦輪試驗(yàn)器和雙軸渦輪試驗(yàn)器，或者A/B/C/D/E型。

1.1 開式和閉式

開式渦輪試驗(yàn)器中，工質(zhì)氣體一次性經(jīng)過試驗(yàn)件之后，就排向大氣。閉式渦輪試驗(yàn)器與之不同，工質(zhì)氣體處于循環(huán)流路中，會(huì)反復(fù)經(jīng)過試驗(yàn)件。開式試驗(yàn)器利于調(diào)節(jié)，閉式試驗(yàn)器節(jié)省能源。

1.2 單軸和雙軸

從渦輪試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)分類，主要指從可試渦輪試驗(yàn)件的功率輸出軸的數(shù)量來劃分，渦輪試驗(yàn)器可以分為單軸和雙軸渦輪試驗(yàn)器。最初，渦輪試驗(yàn)器都是單軸渦輪試驗(yàn)器，近些年來，由于研究高低壓渦輪匹配問題的需要，國(guó)外誕生了一大批雙軸渦輪試驗(yàn)器。在單軸和雙軸渦輪試驗(yàn)器基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)形式還可以繼續(xù)細(xì)分為A/B/C/D/E型，如圖3所示。

不同結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)器具有不同的優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

2? 國(guó)外主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位渦輪試驗(yàn)器狀況

2.1 俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）

CIAM是俄羅斯的主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)基地。其渦輪試驗(yàn)器代號(hào)TC-2，為單軸A型，供氣1300K，1MPa，60kg/s;排氣不低于20kPa;最大可吸收功率15MW，16000rpm。TC-2的最大特點(diǎn)在于率先使用了在試驗(yàn)件進(jìn)口增加燃燒室進(jìn)行加溫的方式。這樣的加溫方式可以使渦輪試驗(yàn)進(jìn)口溫度達(dá)到1300K以上，這樣試驗(yàn)器不但能夠完成氣動(dòng)性能試驗(yàn)，還可以進(jìn)行很多換熱試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)。（圖4）

2.2 通用電氣公司航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)（GEAE）

GE公司主要有兩臺(tái)渦輪試驗(yàn)器，A7和LSRT，其中，A7主要用于型號(hào)驗(yàn)證，LSRT主要用于基礎(chǔ)理論研究。

2.2.1 A7[3]

A7試驗(yàn)器在GE公司的地位非常重要。它采用開式B型布局，其供氣能力為922K，2.1MPa，45kg/s;排氣不低于25kPa;測(cè)功能力11.4MW，15000rpm。A7是70年代少有的對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)口流場(chǎng)品質(zhì)進(jìn)行控制的試驗(yàn)器，這樣的特點(diǎn)在渦輪試驗(yàn)進(jìn)入精細(xì)化時(shí)代的今天優(yōu)勢(shì)更加明顯。（圖5）

2.2.2 LSRT[4]

LSRT（Low Speed Research Turbine）是一個(gè)很特別的試驗(yàn)器，它主要用于基礎(chǔ)理論研究，放大尺寸的試驗(yàn)件更加便于測(cè)試系統(tǒng)的安裝，而它并不完全循所謂的“相似理論”，進(jìn)口Ma數(shù)與真實(shí)工況相差很遠(yuǎn)，試驗(yàn)結(jié)果需要修正。但是它降低了運(yùn)行成本低，非常適合進(jìn)行一些三維效應(yīng)、端壁流動(dòng)的基礎(chǔ)研究。（圖6）

2.3 普拉特·惠特尼公司（PW）[3]

PW公司主要有兩臺(tái)渦輪試驗(yàn)器：X-203以及X-212，建設(shè)于上世紀(jì)70年代，位于willgoose試驗(yàn)基地，借助基地龐大而豐富的氣源系統(tǒng)，可以提供多種工況的供抽氣選擇，最高可達(dá)700K，0.7MPa，68kg/s，通過試驗(yàn)件前增加燃燒室還可以進(jìn)一步提高溫度，但是由于試驗(yàn)件的制造成本，振動(dòng)控制，試驗(yàn)的過程中幾乎不使用高溫狀態(tài)。（圖7、圖8）

2.4 羅爾斯·羅伊斯公司（RR）[5]

RR公司的雙軸渦輪試驗(yàn)器名為TSTF（Twin Shaft Test Facility），可以進(jìn)行雙軸高低壓渦輪匹配試驗(yàn)，也可進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，它本身也屬于Derby基地的高空臺(tái)的CELL-2部分。（圖9）

2.5 玻羅利航空協(xié)會(huì)（Polonia Aero）[6]

Polonia Aero是由Avio航空和華沙的一些大學(xué)組成的航空協(xié)會(huì)。CFTTF（Cold Flow Turbine Test Facility）2005年左右啟動(dòng)，由Avio發(fā)起，初期準(zhǔn)備建設(shè)在意大利，后改建于波蘭華沙，2015年完工，總花費(fèi)1.88億茲羅提（3.86億RMB）。該試驗(yàn)器試驗(yàn)器為開式A型，供氣最高600K，750kPa，80kg/s;排氣最低24kPa，最大可吸收功率13MW。其特殊的進(jìn)氣蝸殼設(shè)計(jì)保證了進(jìn)口流場(chǎng)的品質(zhì)，同時(shí)能夠噪聲測(cè)量，也為后續(xù)改造為雙軸試驗(yàn)器預(yù)留了空間。（圖10）

2.6 NASA劉易斯中心

2.6.1 SECTF[7]

NASA劉易斯中心非常重視航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪試驗(yàn)，在80年代建設(shè)了一個(gè)用于小發(fā)部件試驗(yàn)的試驗(yàn)器SECTF（the Small Engine Components Test Facility），它有兩個(gè)艙，一個(gè)用于渦輪試驗(yàn)（Turbine Testing Cell），一個(gè)用于壓氣機(jī)試驗(yàn)。該渦輪試驗(yàn)器尺寸功率都較小，它已經(jīng)開始大量使用自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如設(shè)置閥門后的壓力，不再需要手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，只需要設(shè)置相應(yīng)的值即可。這大大降低了試驗(yàn)器的操作難度，同時(shí)也節(jié)省了運(yùn)行時(shí)間和能源，該試驗(yàn)器只需要兩人就能操作，一個(gè)人負(fù)責(zé)設(shè)備控制，一個(gè)人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。

2.6.2 DSTF

進(jìn)入21世紀(jì)，NASA策劃了一個(gè)雙軸渦輪試驗(yàn)器項(xiàng)目DSTF（Dual Spool Turbine Facility），它利用NASA已有的氣源系統(tǒng)，主要用于全尺寸對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)，供氣能力810K，1.0MPa，70kg/s，排氣不低于7kPa，高壓端可試5590kW，4000rpm，低壓端可試5590kW，7500kW。該試驗(yàn)器在策劃期間征詢了美國(guó)各主要發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位的試驗(yàn)需求，包括軍方和各OEM，試驗(yàn)?zāi)芰Ω采w了未來很長(zhǎng)一段時(shí)間的潛在機(jī)型。但是后來由于經(jīng)費(fèi)問題，該試驗(yàn)器在完成最終設(shè)計(jì)之后并沒能進(jìn)入工程實(shí)施階段。

2.7 德國(guó)宇航院（DLR）[8]

2.7.1 RGG

DLR在70年代建設(shè)了一臺(tái)渦輪試驗(yàn)器RGG，該試驗(yàn)器最初的設(shè)計(jì)目的是用于旋轉(zhuǎn)葉柵試驗(yàn)，但后來運(yùn)行中改為以渦輪試驗(yàn)為主。它屬于閉式B型試驗(yàn)器，供氣最高430K，150kPa，可試Re數(shù)5×104～1×106，最大測(cè)功能力1200kW，14000rpm。它利用一個(gè)水冷的冷卻器來調(diào)節(jié)溫度，試驗(yàn)件前有一個(gè)整流室來調(diào)節(jié)流場(chǎng)品質(zhì)，由于是閉式試驗(yàn)器，使用成本較低，頻率高。（圖13）

2.7.2 NG-Turb

進(jìn)入21世紀(jì)，考慮到RGG可試膨脹比較小，且未來存在這對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)需求，DLR建設(shè)了新一代的渦輪試驗(yàn)器NG-Turb（Next Generation Turbine Test Facility），該試驗(yàn)器為閉式C型試驗(yàn)器，供氣能力700K，0.2MPa，9kg/s，最大膨脹比12，可試Re數(shù)為1×105～1×106，最大測(cè)功能力1.0MW，13000rpm，于2013年建成。該試驗(yàn)器為閉式試驗(yàn)器，需要更好地進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。同時(shí)，它還使用了很多新的設(shè)備，例如增加燃燒室出口模擬器，靜子葉片和燃燒室模擬器可以旋轉(zhuǎn)以模擬“時(shí)鐘效應(yīng)”，可以進(jìn)行聲學(xué)試驗(yàn)，大量使用光學(xué)溫、PSP、遙測(cè)等先進(jìn)測(cè)試設(shè)備等，代表了國(guó)際雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗(yàn)器的最新水平。（圖14）

2.8 格拉茲大學(xué)（Graz University）

2.8.1 TTTF[4]

TTTF（Transonic Turbine Test Facility）建設(shè)于1999年，最初是一個(gè)單軸渦輪試驗(yàn)器，現(xiàn)已改造為一個(gè)雙軸渦輪試驗(yàn)器，開展高低壓渦輪帶過渡段的匹配試驗(yàn)。其供氣能力為458K，0.5MPa，16kg/s，最大膨脹比12，排氣不低于77kPa，高壓端吸功能力2.8MW，11550rpm，低壓端0.7MW，3500rpm。TTTF最大的創(chuàng)新在于它使用了一個(gè)壓氣機(jī)取代測(cè)功器作為負(fù)載，吸收功率的同時(shí)又提升了供氣能力。這樣節(jié)約了能源，擴(kuò)大了試驗(yàn)范圍，這樣的設(shè)計(jì)理念后來被很多大學(xué)所采納，包括美國(guó)的Notre Dame大學(xué)和中國(guó)的哈爾濱工程大學(xué)等。（圖15）

2.8.2 STTF[9]

STTF（Subsonic Turbine Test Facility）是借助歐盟VITAL（Environmentally Friendly Aero Engine）項(xiàng)目而建設(shè)，2007年完工，采用了A型布局，最大流量：16kg/s，最高溫度：140℃，最大膨脹比：1.6，最高轉(zhuǎn)速6800rpm。主要目的用于承擔(dān)低壓渦輪及其后機(jī)匣的聲學(xué)試驗(yàn)。（圖16）

2.9 斯圖加特大學(xué)（Stuttgart University）[10]

斯圖加特大學(xué)的試驗(yàn)器ATRD（Advanced Turbine Research and Demonstration）主要借用了ILA的高空臺(tái)氣源設(shè)備，主要用于低壓渦輪試驗(yàn)。該試驗(yàn)器采用了B型布局，最高供氣能力480K，0.24MPa，120kg/s，最低排氣壓力為5kPa，測(cè)功能力隨著租用的測(cè)功器而改變。該試驗(yàn)器進(jìn)段口有一個(gè)巨大整流室，非常便于提高試驗(yàn)器進(jìn)口流場(chǎng)品質(zhì)，同時(shí)借助高空臺(tái)的強(qiáng)大抽吸能力，非常利于開展低壓渦輪低Re數(shù)試驗(yàn)。（圖17）

2.10 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）[11]

ETH在2000年左右建設(shè)了一個(gè)用于基礎(chǔ)研究的渦輪試驗(yàn)器Lisa（他們按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)，給試驗(yàn)器賦予了一個(gè)女性名稱）。由于是一個(gè)基礎(chǔ)理論研究的試驗(yàn)器，它并不針對(duì)某個(gè)對(duì)應(yīng)機(jī)型的渦輪。該試驗(yàn)器主要用于渦輪非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的研究，兩級(jí)渦輪同時(shí)也是試驗(yàn)器的一部分。其進(jìn)口壓力可到0.15MPa，最大流量16kg/s，最高轉(zhuǎn)速3000rpm。該試驗(yàn)器擁有很多獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)，其中最特別的一點(diǎn)是該渦輪試驗(yàn)器的兩級(jí)渦輪最后都安裝在同一個(gè)軸上，卻有著獨(dú)立的測(cè)扭計(jì)，以此可以得到功率到兩級(jí)渦輪上的分配規(guī)律。（圖18）

2.11 法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)室（ONERA）[12]

ONERA是法國(guó)重要的航空試驗(yàn)基地。其渦輪試驗(yàn)器代號(hào)TRUMA，為雙軸C型，供氣條件為450K，0.4MPa，11kg/s;排氣壓力不低于25kPa;高壓端最大可吸收功率2MW，轉(zhuǎn)速12500rpm，低壓端最大可吸收功率0.57MW，轉(zhuǎn)速9000rpm。TRUMA試驗(yàn)器建設(shè)周期很長(zhǎng)，1996年啟動(dòng)，直到2007年才開始高壓轉(zhuǎn)子的調(diào)試，但是該試驗(yàn)器顯示出了符合預(yù)期的良好進(jìn)口均勻流場(chǎng)，以及良好的控制穩(wěn)定性。（圖19）

3? 總結(jié)

從以上收集的國(guó)外渦輪試驗(yàn)器資料可以看出，雖然目前渦輪的設(shè)計(jì)效率已經(jīng)處于一個(gè)較高的水平，但是各研制單位依舊投入了很多精力進(jìn)行渦輪的試驗(yàn)研究，包括新建一些新的試驗(yàn)器，這也反映出渦輪試驗(yàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的重要性。

同時(shí)，從以上整理的信息可以看出，渦輪試驗(yàn)器是一個(gè)非常典型的非標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備，每個(gè)試驗(yàn)器都有很大的個(gè)體差異性。試驗(yàn)需求（建設(shè)目的）對(duì)于試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)和參數(shù)有非常大的影響，筆者在資料整理的過程中了解到，包括Graz University、Polonia Aero、NASA等單位的試驗(yàn)器，在建設(shè)過程中都曾出現(xiàn)過由于試驗(yàn)需求更改導(dǎo)致試驗(yàn)器設(shè)計(jì)更改的事情，因此，國(guó)內(nèi)在試驗(yàn)器建設(shè)之初，做好全面、細(xì)致的試驗(yàn)器建設(shè)需求的論證和分析，是非常重要的工作，將會(huì)直接影響試驗(yàn)器的最終使用效果。

從近來新建的渦輪試驗(yàn)器中，也可以間接看出目前渦輪性能研究的一些新的方向，例如：

①高低壓渦輪帶過渡段的匹配尤其對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的研究（如DLR的NG-Turb和ONERA的TRUMA）;

②低Re數(shù)條件下低壓渦輪的性能研究（如Polonia和Stuttgart大學(xué)的試驗(yàn)器）;

③低壓渦輪的噪聲研究（如Polonia和Graz大學(xué)的STTF）。

國(guó)內(nèi)在渦輪研究及試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)的過程也應(yīng)適當(dāng)考慮這些研究方向的需求。

另外，從國(guó)外近年來的試驗(yàn)器建設(shè)中還可以看到一個(gè)較為明顯的趨勢(shì)：渦輪試驗(yàn)在精細(xì)化上的要求越來越高，這也是由于渦輪效率本身已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高水平之后的必然要求，因?yàn)闉榱俗非鬁u輪性能和效率的“微小”提升，必然需要試驗(yàn)精度達(dá)到足夠高的水平。例如Stuttgart大學(xué)的渦輪試驗(yàn)器，為了進(jìn)行低壓渦輪低Re數(shù)試驗(yàn)，它的進(jìn)口就設(shè)計(jì)了一個(gè)很大的整流室，以提高進(jìn)口流場(chǎng)的高品質(zhì)，進(jìn)而得到精確的試驗(yàn)結(jié)果。而為進(jìn)口流場(chǎng)品質(zhì)花費(fèi)如此大的代價(jià)，在早期的試驗(yàn)器建設(shè)中很少出現(xiàn)。

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