某型發(fā)動機1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪試驗研究

方華　吳支繁　屈彬　付金輝

摘 要：本文以某型發(fā)動機的1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪為研究對象，開展對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗研究，介紹了相關試驗方法，獲取了渦輪的轉(zhuǎn)速、流量、功率等渦輪特性參數(shù)，為該型發(fā)動機渦輪研制提供試驗驗證和設計依據(jù)。

關鍵詞：1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪;渦輪特性;試驗驗證

近年來，隨著對發(fā)動機及飛行器整體性能要求的提高，1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪技術以其減重、提高效率、降低陀螺力矩等優(yōu)勢越來越受到各國重視，如美國的F120發(fā)動機上就嘗試采用了1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪設計，在JSF項目中GE和羅.羅合作研制的大型軍用渦扇發(fā)動機F136也采用了1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪設計^[1]。1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪取消低壓渦輪導向葉片，使得渦輪特別是低壓渦輪的氣動情況更加復雜，采用理論計算及分析的方法難以真實模擬其性能和高、低壓渦輪匹配情況^[2]。國內(nèi)1+1/2對轉(zhuǎn)渦輪研究起步較晚，設計手段相對匱乏，必須通過相應的渦輪試驗來積累數(shù)據(jù)，校驗設計軟件。

本文以某型發(fā)動機的對轉(zhuǎn)渦輪為研究對象，開展對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗研究，獲取渦輪的各特性參數(shù)和高、低壓渦輪匹配特性，反饋和修正計算結果，為該型發(fā)動機渦輪設計與優(yōu)化提供試驗數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)各類型雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗的開展和相關試驗流程、試驗手段的完善提供經(jīng)驗借鑒。

1試驗設備

中國航發(fā)湖南動力機械研究所中溫中壓雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗器是我國自主設計的適用于中、小型航空發(fā)動機渦輪性能試驗的試驗裝置，具有結構美觀、試驗范圍廣、轉(zhuǎn)速控制精度高、試驗狀態(tài)穩(wěn)定、應急保護措施完善等特點。該試驗器主要技術參數(shù)如下：

進口流量：≤25kg/s

進口溫度：≤823K

進口壓力：≤2.0MPa（絕對壓力）

高壓渦輪最高轉(zhuǎn)速：30000r/min，最大吸收功率：1865kW

低壓渦輪最高轉(zhuǎn)速：24000r/min，最大吸收功率：1860kW

2試驗對象

試驗對象為1+1/2對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗件（模型比1：1），主體材料為1Cr11Ni2W2MoV，整個渦輪系統(tǒng)采用懸臂支承結構^[3]。高壓渦輪為一單軸單級渦輪，轉(zhuǎn)動軸功率前輸出，渦輪支承采用1-0-1的雙支點結構形式，低壓渦輪為單級渦輪，轉(zhuǎn)動軸功率后輸出，渦輪分渦輪軸和延長軸兩個軸系支承，均采用1-0-1的雙支點結構形式。試驗件設計了熱補償結構，消除試驗時機匣受熱膨脹產(chǎn)生的熱應力。順氣流方向看，高壓渦輪逆時針方向轉(zhuǎn)動，低壓渦輪順時針方向轉(zhuǎn)動。

3試驗方法

來自氣源站的高溫壓縮空氣通過管網(wǎng)輸送至試驗設備入口，氣體通過試驗器管路系統(tǒng)調(diào)壓、節(jié)流、整流后進入試驗件，渦輪膨脹做功后，出口氣流導入排氣蝸殼、經(jīng)管道節(jié)流后排入消音塔。試驗器原理圖見圖1。試驗件性能參數(shù)和試驗設備運行監(jiān)視參數(shù)，經(jīng)測試設備采集信號轉(zhuǎn)換后接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行錄取、保存和顯示。與設備安全運行有關的參數(shù)如振動、轉(zhuǎn)速、扭矩、滑油供油壓力等設置報警值和限制值，超過報警值參數(shù)變色顯示，超過限制值，觸發(fā)試驗器進氣6#應急閥快速關閉，同時排氣5#應急閥快速打開，使氣源放空，最大限度地保證設備、試驗件和人員的安全。

1）試驗狀態(tài)調(diào)節(jié)：進口壓力通過4#閥、8#閥調(diào)節(jié);進口溫度通過氣源站燃油換熱器調(diào)節(jié);排氣壓力通過排氣主路10#閥、旁路11#閥調(diào)節(jié);高壓渦輪轉(zhuǎn)速、低壓渦輪轉(zhuǎn)速通過2臺英國Froude公司HS125和HS150水力測功器分別進行控制。

2）試驗件測試安排：主要包括測量渦輪進口流量、渦輪進出口總溫總壓和靜壓、級間靜壓等參數(shù)。靜壓測點除高、低壓渦輪間截面僅布置外壁靜壓外，其余截面沿內(nèi)外壁面均布4點，總溫，總壓測點沿徑向等環(huán)面分布，徑向不少于4點，總溫、總壓探針周向均布不少于4支，參數(shù)測量方法和精度見表1。

3）非直接測量參數(shù)計算方法：

低壓渦輪進口總溫、折合轉(zhuǎn)速計算公式如下：

其中：

n_p——低壓渦輪物理轉(zhuǎn)速，r/min;

T_t0——高壓渦輪進口截面總溫，K;

T_t2——低壓渦輪進口截面總溫，K;

R ——氣體常數(shù);

W——質(zhì)量流量，kg/s;

k ——絕熱指數(shù);

Ne_g——高壓水力測功器測出的功率，kW;

下標des——設計點狀態(tài);

下標test——試驗狀態(tài)。

4）數(shù)據(jù)處理方法

在本次渦輪特性試驗中，數(shù)采系統(tǒng)以5Hz采集頻率對試驗過程中的參數(shù)自動進行采集存儲。采集到的連續(xù)數(shù)據(jù)存在一定范圍的波動，選用穩(wěn)態(tài)采集點前后5秒內(nèi)50個穩(wěn)態(tài)點平均值來代表一個狀態(tài)點的測試數(shù)據(jù)。

4試驗結果與分析

圖2為高壓渦輪折合轉(zhuǎn)速為1.0時，雙渦輪的效率特性曲線，從該圖可以看到，試驗值在不同折合轉(zhuǎn)速下，效率隨膨脹比的增大而減小，與仿真計算值趨勢相同。在高折合轉(zhuǎn)速下，試驗值與仿真計算值相差較大，在設計點附近，試驗值大約為0.883，而仿真計算值約為0.894，試驗值比仿真計算值低1.1%。而在低折合轉(zhuǎn)速下，試驗值與仿真計算值相當。圖3為高壓轉(zhuǎn)速為0.8時，雙渦輪的效率特性曲線，試驗值與仿真計算值相差較小，從計算值看，效率變化比較平緩。

考慮到試驗中模型渦輪的進出口測試探針會對流量造成一定堵塞，產(chǎn)生損失。同時，高壓出口測試位置離高壓尾緣較遠，約為30mm。因此，需對試驗結果進行修正，通過CFX完成對探針和交接面差異的修正后，在整機環(huán)境下，高壓渦輪效率修正為0.8663，比總體要求的0.865高0.13%。而低壓渦輪修正為0.8804比總體要求的0.87高1.04%。

5結論

本文通過開展1+1/2對轉(zhuǎn)模型渦輪試驗研究，探索相關試驗方法，獲取了渦輪的各特性參數(shù)，為該型發(fā)動機渦輪設計與優(yōu)化提供試驗數(shù)據(jù)支撐，驗證了該型發(fā)動機渦輪設計滿足整機設計要求。

參考文獻

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[2] 施晚霞.對轉(zhuǎn)發(fā)動機研究概況及特點分析[J].南華動力，2020（1）：87-91.

[3] 宋石平.某型發(fā)動機對轉(zhuǎn)模型試驗件結果設計[J].南華動力，2019（1）：193-196.