水力測(cè)功機(jī)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)中的應(yīng)用

■ 鄒劍峰 / 中國(guó)航發(fā)研究院

水力測(cè)功機(jī)具有單位質(zhì)量吸功能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、轉(zhuǎn)速功率測(cè)量范圍寬、調(diào)節(jié)便利、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪部件以及帶動(dòng)力渦輪的燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)在開展試驗(yàn)時(shí)功率較大，需要采用耗功裝置進(jìn)行功率吸收。一般來說，電渦流測(cè)功機(jī)、磁滯測(cè)功機(jī)和磁粉測(cè)功機(jī)等均無法滿足耗功需求；電力測(cè)功機(jī)可以滿足大功率耗功需求，但其尺寸、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)更大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，轉(zhuǎn)速相對(duì)較低[1]；而水力測(cè)功機(jī)具有單位質(zhì)量吸功能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、轉(zhuǎn)速功率測(cè)量范圍寬、調(diào)節(jié)便利、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[2]，被廣泛應(yīng)用于相關(guān)的試驗(yàn)中。因此，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)臺(tái)中，水力測(cè)功機(jī)成為吸收功率的主流設(shè)備。

水力測(cè)功機(jī)工作原理

水力測(cè)功機(jī)機(jī)體部分的功能是吸收驅(qū)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)子、定子、軸、外殼等組成。定子直接與外殼鑄造為一體，接受轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的反作用力矩產(chǎn)生擺動(dòng)，轉(zhuǎn)子軸端采用聯(lián)軸器與被測(cè)傳動(dòng)設(shè)備相連接。

圖1 水力測(cè)功機(jī)結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的不同，水力測(cè)功機(jī)主要有葉輪式（見圖2）、孔盤式和光盤式。其中葉輪式的測(cè)功機(jī)比功率（功率與重力之比）最大[1]，同等功率等級(jí)，該形式的測(cè)功機(jī)尺寸更小，轉(zhuǎn)子慣量也小，控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，適用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的加減速試驗(yàn)。由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，水流在殼體內(nèi)部葉輪之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流現(xiàn)象，在將測(cè)功機(jī)的輸入能量轉(zhuǎn)換為水的內(nèi)能過程中，由于水溫的升高和局部壓力的降低容易出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。氣蝕會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲和壓力脈動(dòng)，進(jìn)而引起高速水力測(cè)功機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，直接導(dǎo)致運(yùn)行壽命明顯縮短[2]。

圖2 葉輪式水力測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子

與葉輪式測(cè)功機(jī)相比，孔盤式測(cè)功機(jī)比功率較小，尺寸質(zhì)量相對(duì)較大，其耗功原理與葉輪式類似，但氣蝕風(fēng)險(xiǎn)大大降低?？妆P式測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 孔盤式水力測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子

與葉輪式和孔盤式測(cè)功機(jī)相比，光盤式測(cè)功機(jī)是通過黏性剪切而非湍流作用吸收動(dòng)力，使其在抗氣蝕能力方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，壽命相對(duì)較長(zhǎng)，如圖4所示。由于光盤式吸收功率的原理，使其比功率較小，同等功率等級(jí)的測(cè)功機(jī)，光盤式尺寸更大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，對(duì)外界的控制敏感度相對(duì)較低，控制響應(yīng)較慢。

圖4 光盤式水力測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)子

葉輪式測(cè)功機(jī)通常為單向旋轉(zhuǎn)，對(duì)于存在雙向測(cè)試需求的情況，可選用軸兩端均可連接被測(cè)設(shè)備的測(cè)功機(jī)，通過調(diào)轉(zhuǎn)測(cè)功機(jī)位置[3]，實(shí)現(xiàn)不同旋向的試驗(yàn)需要；也可通過額外配置轉(zhuǎn)盤的方式實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。孔盤式和光盤式測(cè)功機(jī)可用于雙向測(cè)功，不需掉轉(zhuǎn)方向，也無須配置額外的轉(zhuǎn)盤。

水力測(cè)功機(jī)產(chǎn)品

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，國(guó)外的水力測(cè)功機(jī)制造商主要有美國(guó)卡恩公司、英國(guó)佛羅德公司，其中卡恩公司的產(chǎn)品以孔盤式和光盤式為主，佛羅德公司的產(chǎn)品以葉輪式為主。國(guó)內(nèi)的制造商主要為江蘇聯(lián)測(cè)公司，產(chǎn)品以葉輪式和孔盤式水力測(cè)功機(jī)為主，也可生產(chǎn)光盤式測(cè)功機(jī)。

佛羅德公司產(chǎn)品

佛羅德水力測(cè)功機(jī)根據(jù)使用轉(zhuǎn)速和功率范圍的不同，主要分為F系列、LS系列和HS系列，均為葉輪式測(cè)功機(jī)，其扭矩測(cè)量精度為額定扭矩的±0.25%，轉(zhuǎn)速精度為±1r/min，轉(zhuǎn)盤可進(jìn)行雙向配置，以達(dá)到雙向旋轉(zhuǎn)的目的。

F系列測(cè)功機(jī)設(shè)計(jì)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定且易于維護(hù)，該系列測(cè)功機(jī)適用750kW～25MW的功率范圍，轉(zhuǎn)速最高可達(dá)10000r/min。F系列測(cè)功機(jī)工作艙由特殊的半圓形葉片鑄造成，采用不銹鋼轉(zhuǎn)子和定子。水在葉片周圍以環(huán)形渦流模式流動(dòng)，通過測(cè)功機(jī)外殼產(chǎn)生扭矩反作用力，由精密測(cè)力傳感器抵抗和測(cè)量。測(cè)功機(jī)負(fù)荷由蝶形出水閥控制，由閉環(huán)電液伺服系統(tǒng)操作。F系列測(cè)功機(jī)主要應(yīng)用在以下場(chǎng)合：工業(yè)和船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，渦槳、渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪發(fā)電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

LS系列測(cè)功機(jī)主要用于蒸汽輪機(jī)及艦用燃?xì)廨啓C(jī)等低速、大功率應(yīng)用場(chǎng)合，該系列測(cè)功機(jī)適用8950kW～100MW的功率范圍，可提供串聯(lián)機(jī)器。其外殼固定在3個(gè)球鉸基座上，基座包含測(cè)力傳感器和液壓作動(dòng)缸，使測(cè)功機(jī)能夠快速地直接連接到發(fā)動(dòng)機(jī)，消除了對(duì)中間聯(lián)軸器的需要。由于測(cè)功機(jī)可以自由跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向推力減小，因此沒有特殊的推力軸承需求。

HS系列水力測(cè)功機(jī)適用1680kW～30MW的功率范圍，轉(zhuǎn)速最高可達(dá)30000r/min，可提供串聯(lián)機(jī)器。HS型號(hào)測(cè)功機(jī)具有以下特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速高達(dá)30000r/min，快速反應(yīng)，運(yùn)行穩(wěn)定，具有高可靠性。

卡恩公司產(chǎn)品

卡恩水力測(cè)功機(jī)產(chǎn)品有50多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，根據(jù)測(cè)功機(jī)類型的不同和使用功率、轉(zhuǎn)速的不同，主要有100系列、101系列、102系列、301系列、400系列、404系列，其中100系列、101系列、102系列、301系列為孔盤式，400系列、404系列為光盤式。同一系列下，又分為法蘭安裝式和基座安裝式兩種，法蘭安裝式測(cè)功機(jī)體積小、質(zhì)量輕，可直接安裝在被測(cè)設(shè)備上。法蘭安裝式測(cè)功機(jī)普遍功率較低，基本在5MW以內(nèi)，但轉(zhuǎn)速較高，最高可到60000r/min。基座安裝式測(cè)功機(jī)的質(zhì)量和體積相對(duì)較大，須安裝在地基平臺(tái)上，基座安裝式測(cè)功機(jī)普遍功率高，最高60MW，但轉(zhuǎn)速較低，基本在18000r/min以內(nèi)。

100系列水力測(cè)功機(jī)為孔盤式測(cè)功機(jī)，如圖 5所示。轉(zhuǎn)子軸上采用碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)對(duì)水和滑油進(jìn)行密封；為了提高抗氣蝕和腐蝕能力，功率元件（轉(zhuǎn)子和定子）由熱處理的不銹鋼制成。轉(zhuǎn)子通過自動(dòng)定心的多邊形連接裝于軸上，該連接不需要熱縮配合，盤與軸之間的拆卸簡(jiǎn)單，更換組件方便。盤需要更換時(shí)可方便拆卸更換，但該結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致加工過程復(fù)雜。該系列測(cè)功機(jī)可雙向旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)速15000r/min（對(duì)應(yīng)最大功率4875kW），但對(duì)應(yīng)的功率較小，隨著最高轉(zhuǎn)速降低，最大功率逐漸升高，最高可到60MW（對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速4500 r/min）。

圖5 卡恩100系列水力測(cè)功機(jī)

卡恩400系列測(cè)功機(jī)為底座安裝形式的光盤式水力測(cè)功機(jī)，如圖6所示。內(nèi)部光滑盤式動(dòng)力元件提高了抗氣蝕能力，可以吸收高達(dá)60MW的功率，可在轉(zhuǎn)速18000 r/min下工作。測(cè)功機(jī)為單轉(zhuǎn)子，采用單獨(dú)供水保證了運(yùn)行穩(wěn)定性；采用非接觸式兩級(jí)迷宮式密封；正反兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上均可吸收全功率。400系列測(cè)功機(jī)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)18000 r/min（對(duì)應(yīng)最大功率5250kW），最大功率可到60MW（對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速4500r/min），包線涵蓋的范圍與100系列相差不大，適用場(chǎng)合與100系列相同。

圖6 卡恩400系列水力測(cè)功機(jī)

卡恩404系列為光盤式測(cè)功機(jī)，通過法蘭安裝邊與被測(cè)設(shè)備安裝，外形和結(jié)構(gòu)如圖7所示。404系列法蘭盤式水力測(cè)功機(jī)為高速水力測(cè)功機(jī)，可在轉(zhuǎn)速60000 r/min內(nèi)工作?？ǘ?04系列水力測(cè)功機(jī)具有以下特點(diǎn)：采用光滑盤式動(dòng)力元件提高了抗氣蝕能力；較小慣性矩和較小的內(nèi)部?jī)?chǔ)水量保證了快速瞬態(tài)響應(yīng)；可在更高轉(zhuǎn)速下工作；可在正反兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上吸收全功率；為了達(dá)到高轉(zhuǎn)速，采用彈簧支承的航空球軸承。404系列測(cè)功機(jī)最大轉(zhuǎn)速可到60000r/min（對(duì)應(yīng)最大功率525kW），最大功率可到4125kW（對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速24000r/min）。為滿足60000r/min的高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行需求，404系列測(cè)功機(jī)配備最新技術(shù)的高速陶瓷球軸承，采用專有的多級(jí)軸密封設(shè)計(jì)。

圖7 卡恩404系列水力測(cè)功機(jī)

江蘇聯(lián)測(cè)公司產(chǎn)品

應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)設(shè)備中的國(guó)內(nèi)水力測(cè)功機(jī)廠家主要為江蘇聯(lián)測(cè)公司，其產(chǎn)品以YG系列葉輪式水力測(cè)功機(jī)和PG系列孔盤式水力測(cè)功機(jī)為主，同時(shí)也有P系列光盤式水力測(cè)功機(jī)。

YG系列測(cè)功機(jī)為葉輪式測(cè)功機(jī)，其主軸采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子葉片45°，測(cè)功機(jī)安裝采用低中心距直接安裝。YG系列水力測(cè)功機(jī)的最大吸收功率為2.6MW（對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速26500r/min），最高轉(zhuǎn)速可達(dá)30000r/min（對(duì)應(yīng)最大功率1800kW）。

圖8 聯(lián)測(cè)YG系列水力測(cè)功機(jī)

PG系列測(cè)功機(jī)為孔盤式測(cè)功機(jī)，采用串聯(lián)式大直徑孔盤式轉(zhuǎn)子，吸收功率密度高，如圖9所示。PG系列水力測(cè)功機(jī)的最大吸收功率可達(dá)30MW（對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速6000r/min），最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40000r/min（對(duì)應(yīng)最大功率700kW）。

圖9 聯(lián)測(cè)PG系列水力測(cè)功機(jī)

P系列水力測(cè)功機(jī)屬于光盤式水力測(cè)功機(jī)，主要適合耐久可靠性壽命試驗(yàn)，采用整體硬化不銹鋼抗蝕轉(zhuǎn)子組成，大功率的測(cè)功機(jī)采用龍門式框架高剛性結(jié)構(gòu)底座支撐，高速小功率測(cè)功機(jī)采用懸臂式無底座結(jié)構(gòu)，使用碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)，如圖10所示。P系列水力測(cè)功機(jī)的最大吸收功率可達(dá)17MW（對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速9500r/min），最高轉(zhuǎn)速可達(dá)30000r/min（對(duì)應(yīng)最大功率1800kW）。

圖10 聯(lián)測(cè)P系列水力測(cè)功機(jī)

水力測(cè)功機(jī)技術(shù)難點(diǎn)

水力測(cè)功機(jī)運(yùn)行在高速、大功率的工況下，且核心件需要長(zhǎng)期在水環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，這對(duì)水力測(cè)功機(jī)的研制提出了較高的技術(shù)挑戰(zhàn)。在國(guó)內(nèi)外水力測(cè)功機(jī)多年的技術(shù)提升進(jìn)程中，主要面臨的技術(shù)難點(diǎn)包括抗氣蝕性、油-水密封性和高速軸承。

抗氣蝕

高速大功率水力測(cè)功機(jī)的定、轉(zhuǎn)子處于高功率密度工作狀態(tài)，內(nèi)部局部區(qū)域會(huì)發(fā)生氣蝕，氣蝕劇烈時(shí)會(huì)影響測(cè)功機(jī)的工作，縮短測(cè)功機(jī)功率元件的壽命，特殊的抗氣蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗氣蝕材料以及吸功元件表面強(qiáng)化處理工藝等會(huì)提升測(cè)功元件的抗氣蝕能力，延長(zhǎng)測(cè)功機(jī)使用壽命。

卡恩公司為了提高測(cè)功機(jī)的抗氣蝕能力，研制出光盤式水力測(cè)功機(jī)，通過在轉(zhuǎn)子和靜子表面上的黏性剪力吸收功率，從而有效降低了發(fā)生氣蝕的可能性。佛羅德公司和江蘇聯(lián)測(cè)公司則通過結(jié)構(gòu)、材料、熱處理和表面強(qiáng)化處理等4個(gè)方面來提高葉輪式水力測(cè)功機(jī)抗氣蝕能力，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子和主軸一體鍛造；材料上使用雙相不銹鋼06Cr13Ni4Mo、05Cr17Ni4Cu4Nb；熱處理上采用固溶+時(shí)效處理、HRC≥40；表面強(qiáng)化處理上，采用拋丸、超聲速火焰噴涂（HVOF）、等離子噴涂（ASP）、耐蝕涂料。

密封

水力測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)子同時(shí)與水和潤(rùn)滑油接觸，在運(yùn)行的過程中，油、水相互泄漏將嚴(yán)重影響測(cè)功機(jī)的運(yùn)行，危害測(cè)功機(jī)安全，須確保軸承壓力供油不能有任何內(nèi)外泄漏，同時(shí)定、轉(zhuǎn)子工作腔壓力供水水路不能有任何內(nèi)外泄漏。主要的密封方式包括碳環(huán)密封和迷宮密封。

碳環(huán)密封包括浮環(huán)和接觸兩種，在低轉(zhuǎn)速下使用接觸密封，在高轉(zhuǎn)速下使用浮環(huán)密封?？赏ㄟ^以下措施提高水力測(cè)功機(jī)的密封性能：一是在軸承外側(cè)采用鎳包石墨、巴氏合金涂層襯套、梳齒軸套小間隙氣路組合密封；二是在軸承內(nèi)側(cè)采用巴氏合金涂層、碳精石墨浮環(huán)氣膜油、水路分隔密封環(huán)組合密封；三是在定子和主軸之間采用巴氏合金涂層、鎳包二硫化鉬襯套和梳齒軸套小間隙氣路組合密封。

碳環(huán)密封實(shí)現(xiàn)水、油和軸承之間的隔離，這種結(jié)構(gòu)可在低負(fù)荷下起動(dòng)測(cè)功機(jī)，并且在最大負(fù)荷時(shí)實(shí)施完全緊急停機(jī)（至零轉(zhuǎn)速）。與迷宮式間隙密封相比，碳環(huán)密封不需要在停機(jī)時(shí)對(duì)測(cè)功機(jī)卸荷以防止水流入軸承，可快速、安全地緊急停機(jī)至零轉(zhuǎn)速而不會(huì)損壞測(cè)功機(jī)。

高速軸承

從轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)安全裕度的角度，要求高速水力測(cè)功機(jī)的最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制在一階臨界轉(zhuǎn)速的75%以下，且要保證能夠同時(shí)傳遞大功率，這要求軸徑不能過小，且對(duì)高速軸承提出了很高的技術(shù)要求。

水力測(cè)功機(jī)一般選用滾動(dòng)軸承，對(duì)于高速水力測(cè)功機(jī)，需要軍品級(jí)的精密高速軸承，國(guó)產(chǎn)民用軸承很少能夠滿足要求。目前國(guó)產(chǎn)水力測(cè)功機(jī)采用的進(jìn)口品牌包括英國(guó)TIMKEN品牌、美國(guó)BARDEN和德國(guó)FAG品牌，均存在采購(gòu)周期長(zhǎng)或受貿(mào)易壁壘和管制風(fēng)險(xiǎn)的影響，需要研發(fā)能夠滿足大功率使用的國(guó)產(chǎn)民用高速軸承產(chǎn)品。

水力測(cè)功機(jī)選型建議

基于以上不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的水力測(cè)功機(jī)的工作原理和性能參數(shù)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品供應(yīng)和造價(jià)情況，在對(duì)水力測(cè)功機(jī)進(jìn)行選型時(shí)，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮：

? 對(duì)于要求開展動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)，建議采用高比功率、低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的葉輪式測(cè)功機(jī)；

? 對(duì)于以穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試為主的試驗(yàn)臺(tái)，建議采用抗氣蝕性較好的孔盤式或光盤式測(cè)功機(jī)；

? 對(duì)于功率和轉(zhuǎn)速都較高的試驗(yàn)臺(tái)，單臺(tái)測(cè)功機(jī)不能同時(shí)滿足功率和轉(zhuǎn)速指標(biāo)時(shí)，建議采用轉(zhuǎn)速滿足指標(biāo)的兩臺(tái)低功率測(cè)功機(jī)串聯(lián)使用；

? 對(duì)于建設(shè)投資較少，且主要以穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試為主的試驗(yàn)臺(tái)，建議采用“低速測(cè)功機(jī)+齒輪箱”的方案。

在對(duì)水力測(cè)功機(jī)的類型進(jìn)行選型后，要根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的指標(biāo)、測(cè)試對(duì)象的試驗(yàn)工況，選擇水力測(cè)功機(jī)的具體型號(hào)，確保水力測(cè)功機(jī)的最大轉(zhuǎn)速、最大功率滿足試驗(yàn)臺(tái)的指標(biāo)，同時(shí)功率-轉(zhuǎn)速包線能夠涵蓋所有測(cè)試工況點(diǎn)；再根據(jù)測(cè)試對(duì)象的旋向要求最終選定測(cè)功機(jī)。

結(jié)束語

綜上，水力測(cè)功機(jī)造價(jià)高、供貨周期長(zhǎng)，作為試驗(yàn)臺(tái)的核心設(shè)備，單純依靠進(jìn)口容易受制于人。未來其主要的技術(shù)突破點(diǎn)在密封和抗氣蝕性，可以從機(jī)械加工精度、安裝精度、高速軸承、高速動(dòng)密封和高強(qiáng)度材料等方面進(jìn)行提升，并推進(jìn)高速大功率水力測(cè)功機(jī)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。