一種新型燃?xì)廨啓C(jī)部件試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)想

祖成龍

（江蘇中科能源動(dòng)力研究中心，江蘇 連云港 222000）

引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)及發(fā)展的重要方向之一是如何實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能以及能源的安全供給。分布式能源是減輕環(huán)境污染，節(jié)約能源的有效轉(zhuǎn)換方式，被認(rèn)為是能源可持續(xù)發(fā)展的重要策略和技術(shù)手段。而分布式能源的核心設(shè)備之一就是中小型燃?xì)廨啓C(jī)。2016年習(xí)近平在中國(guó)航發(fā)集團(tuán)作出重要指示，加快燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主研發(fā)及制造生產(chǎn)，同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)也列入“十三五”規(guī)劃中。

中小型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)和試驗(yàn)區(qū)別于微型燃?xì)廨啓C(jī)，微型燃?xì)廨啓C(jī)因造價(jià)相對(duì)便宜，試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，可以直接進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。中小型燃?xì)廨啓C(jī)由于壓氣機(jī)、燃燒、渦輪三大部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)會(huì)相差較多，存在性能匹配問(wèn)題，若出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)造成很大的損失，同時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)也要大得多。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)部件試驗(yàn)臺(tái)數(shù)量較少，與中小型燃?xì)廨啓C(jī)的試驗(yàn)參數(shù)匹配有限，很難滿(mǎn)足中小型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)，而且國(guó)內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)大多數(shù)都承擔(dān)航空公司和國(guó)防等項(xiàng)目，試驗(yàn)任務(wù)重，對(duì)外開(kāi)放程度低。私營(yíng)企業(yè)大多數(shù)又無(wú)法承擔(dān)部件試驗(yàn)臺(tái)的造價(jià)高及占地面積大等問(wèn)題。因此，如何建設(shè)新型部件試驗(yàn)臺(tái)緩解上述問(wèn)題，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)部件試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀

1.1 壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證和試驗(yàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)，中航集團(tuán)下屬的各個(gè)研究院所已建成多臺(tái)全尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。如商發(fā)某壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，使用純電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)最大功率25 MW，雙周雙向輸出，最高輸出轉(zhuǎn)速20 000 r/min，進(jìn)氣流量最大50 kg/s，排氣溫度最高為1 000 K，排氣壓力最高3 MPa。全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)臨界轉(zhuǎn)速，搭配穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)多系統(tǒng)測(cè)量通道，其中穩(wěn)態(tài)測(cè)量通道高于1 000個(gè)。航發(fā)606所某壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，使用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，最大輸出功率18.7 MW，進(jìn)氣流量最大105 kg/s，搭配多組流量管，可保證不同工況下進(jìn)氣流量的測(cè)量精度。航發(fā)集團(tuán)624所某壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，最大輸出功率3.2 MW，最高轉(zhuǎn)速45 000 r/min，排氣壓力最高1 MPa，三級(jí)VSV靜葉可調(diào)。

1.2 燃燒試驗(yàn)臺(tái)

江蘇中科能源與動(dòng)力研究中心的高效低碳大科學(xué)裝置，燃燒試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口總壓最高為35 bar（A），流量最大60 kg/s，進(jìn)氣溫度最高873 K，出口最高19 73 K。中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院的燃燒試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)口總壓最高25 bar（A），流量最高21 kg/s，兩級(jí)預(yù)熱后進(jìn)氣溫度最高928 K。中國(guó)航發(fā)606研究所的燃燒試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)口總壓最高42 bar（A），流量最高120 kg/s，進(jìn)口溫度最高1 000 K，流量和壓力是目前國(guó)內(nèi)燃燒試驗(yàn)臺(tái)的最高能力。

1.3 渦輪試驗(yàn)臺(tái)

國(guó)內(nèi)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所都建有扇形的葉柵冷效試驗(yàn)臺(tái)，可以開(kāi)展靜葉的綜合冷效試驗(yàn)，但大都需要降低參數(shù)或者模化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際工況具有一定偏差，葉片表面溫度測(cè)量也存在很大難度。

2 新型部件試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

部件試驗(yàn)臺(tái)多是單獨(dú)運(yùn)行，具有獨(dú)立的公輔系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)。如壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常為純電驅(qū)動(dòng)、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)或者兩者聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。燃燒試驗(yàn)臺(tái)需要一套加熱系統(tǒng)，模擬壓縮進(jìn)氣設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，一般為電加熱、燃料加熱或兩者二級(jí)加熱。渦輪試驗(yàn)臺(tái)需要搭配負(fù)載系統(tǒng)，用于消耗渦輪的出功，一般采用水力測(cè)功器或空氣測(cè)功器。

對(duì)于同一型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)，三大部件的組成系統(tǒng)可以相互使用，如壓氣機(jī)的排氣經(jīng)加熱后可作為燃燒的氣源系統(tǒng)，燃燒室燃燒后的煙氣經(jīng)處理可以作為渦輪的氣源。測(cè)控系統(tǒng)如動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)通常搭配專(zhuān)用測(cè)量通道及采集系統(tǒng)，可以考慮多配置通道或者切換探頭，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多采集、測(cè)量和分析。

2.1 新型壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、引放氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。進(jìn)氣系統(tǒng)采用常規(guī)方案，空氣經(jīng)進(jìn)氣塔穩(wěn)流后，先后經(jīng)過(guò)流量管、調(diào)節(jié)閥和穩(wěn)壓箱，最后進(jìn)入壓氣機(jī)試驗(yàn)件。

新型壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力源可采用雙軸輸出的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)由四象限變頻器驅(qū)動(dòng)，啟停方便，測(cè)量和控制精度高。在壓氣機(jī)試驗(yàn)空檔期，可脫開(kāi)電機(jī)的輸出軸。在不挪動(dòng)電機(jī)的情況下，電機(jī)的另一根輸出軸可搭載空壓機(jī)，為燃燒試驗(yàn)臺(tái)或渦輪試驗(yàn)臺(tái)提供氣源。

2.2 新型燃燒試驗(yàn)臺(tái)

燃燒試驗(yàn)臺(tái)主要由氣源系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。常規(guī)燃燒試驗(yàn)臺(tái)的氣源系統(tǒng)通常分為兩種，一種為儲(chǔ)氣罐供氣，一種為單獨(dú)的空壓機(jī)供氣。前者氣源穩(wěn)定，流量調(diào)節(jié)方便，但僅適用于小型且運(yùn)行時(shí)間短的燃燒試驗(yàn)。后者氣源需要具有單獨(dú)的空壓機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)安排長(zhǎng)時(shí)間提供氣源。而空壓機(jī)主要由電機(jī)、多軸輸出齒輪箱和多級(jí)壓氣機(jī)組成。新型燃燒試驗(yàn)臺(tái)的空壓機(jī)電機(jī)可使用壓氣機(jī)的雙軸輸出電動(dòng)機(jī)，從而減少占地面積，節(jié)省資源。

2.3 新型渦輪試驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖1）

渦輪試驗(yàn)臺(tái)主要由氣源系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)組成。渦輪試驗(yàn)臺(tái)的氣源主要分為主氣和冷氣，主氣為渦輪提供動(dòng)力，冷氣降低葉片表面溫度。新型渦輪試驗(yàn)臺(tái)的主氣可以通過(guò)壓氣機(jī)的雙軸輸出電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)提供，達(dá)到和新型燃燒試驗(yàn)臺(tái)一樣的效果。同時(shí)新型渦輪試驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)氣溫度可以通過(guò)燃燒加熱或直接使用新型燃燒試驗(yàn)臺(tái)的排氣。

3 新型部件試驗(yàn)臺(tái)難點(diǎn)

新型部件試驗(yàn)臺(tái)雖然可以很好地解決試驗(yàn)臺(tái)占地面積廣，并節(jié)省部分資金，但也存在系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、裝配工藝限制、試驗(yàn)安排限制等難點(diǎn)。

3.1 系統(tǒng)不穩(wěn)定

壓氣機(jī)、燃燒、渦輪試驗(yàn)件都在試驗(yàn)階段，不確定其能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)試驗(yàn)件的參數(shù)是未知的，用一個(gè)未知的試驗(yàn)件去試驗(yàn)另一個(gè)未知的試驗(yàn)件，可變因素太多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否可靠有待論證。

3.2 裝配工藝限制

壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)、渦輪試驗(yàn)臺(tái)主氣、燃燒試驗(yàn)臺(tái)氣源使用同一個(gè)雙軸伸電機(jī)，需要經(jīng)常裝配拆換，對(duì)設(shè)備的性能及裝配工藝有很高的要求。

3.3 試驗(yàn)安排限制

新型部件試驗(yàn)臺(tái)集成度比較高，各個(gè)部件試驗(yàn)臺(tái)相互關(guān)聯(lián)性比較大，其中一個(gè)部件試驗(yàn)件做試驗(yàn)，其他兩個(gè)部件試驗(yàn)臺(tái)均無(wú)法安排試驗(yàn)。同時(shí)為了節(jié)省面積，三個(gè)部件試驗(yàn)臺(tái)可能會(huì)建設(shè)在一個(gè)廠房?jī)?nèi)，各個(gè)部件的裝配和試驗(yàn)也會(huì)互相干涉，新型部件試驗(yàn)臺(tái)更適用部件試驗(yàn)次數(shù)需求較少的地方。