某型增壓渦輪性能測試平臺故障分析與改進(jìn)

葛俊，梁春輝，施曉偉，樂婷

(蕪湖天航裝備技術(shù)有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 前言

增壓渦輪屬于飛機(jī)氧氣系統(tǒng)的子系統(tǒng)部件，安裝在飛機(jī)的左邊條艙，主要是通過環(huán)控系統(tǒng)引氣進(jìn)入增壓渦輪壓氣機(jī)端，再通過壓氣機(jī)做功實(shí)現(xiàn)氣體增壓，同時(shí)，增壓后的氣體通過推動渦輪做功，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空氣的降溫，最終將經(jīng)過增壓渦輪增壓后的氣體引入氧氣濃縮器，分離出富氧供飛行員呼吸。因此，增壓渦輪的好壞直接影響整架飛機(jī)的飛行安全性[1-3]，它一旦產(chǎn)生故障將導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，因此，針對增壓渦輪的性能檢測顯得尤為重要[4]。

增壓渦輪性能測試平臺集狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)顯示于一體，其主要功能是對各種類型的軍用增壓渦輪性能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以此來保證增壓渦輪的使用性能及安全性要求。因此，增壓渦輪性能測試平臺的設(shè)計(jì)與故障診斷對于保障增壓渦輪的安全使用具有重大意義[5]。

1 試驗(yàn)臺故障分析

1.1 故障概述

通過對增壓渦輪性能試驗(yàn)平臺進(jìn)行產(chǎn)品測試，發(fā)現(xiàn)測試出的性能參數(shù)不合格，與制定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)有所差異，具體表現(xiàn)為：

(1) 產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)渦輪端流量不夠，與制定的參數(shù)要求值相差約15 kg/h，渦輪端溫降亦達(dá)不到要求的大于50 ℃。

(2) 設(shè)備與產(chǎn)品連接的管路布局不合理，壓力、溫度傳感器距離產(chǎn)品入口、出口較遠(yuǎn)，測量誤差較大。

(3)在設(shè)備試驗(yàn)過程中，一些性能參數(shù)出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

基于以上故障問題，針對增壓渦輪性能測試平臺在設(shè)備選型、管路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行理論計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)故障的定位；同時(shí)，通過引入相關(guān)改進(jìn)措施，并剔除外界大氣壓力因素的影響，成功實(shí)現(xiàn)了測試平臺的正常運(yùn)行，并提高了產(chǎn)品測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 故障分析

首先對增壓渦輪測試平臺進(jìn)行排故，主要針對設(shè)備選型、管路設(shè)計(jì)、環(huán)境保護(hù)艙等方面進(jìn)行校核。校核內(nèi)容包括測試平臺的真空泵、渦輪(壓氣機(jī))入口加熱器、渦輪端和壓氣機(jī)端進(jìn)出口管徑以及設(shè)備環(huán)境保護(hù)艙等。

1.2.1 真空泵的抽氣量校核

首先列出測試平臺真空泵的抽氣量計(jì)算公式和空氣密度計(jì)算表達(dá)式如下：

(1)

(2)

其中:Qv為真空泵抽氣量；v為渦輪端空氣流量;ρ1為指定工作狀態(tài)下的空氣密度;p1為渦輪端出口壓力;T1為渦輪端溫度。

為了更好地校核真空泵的抽氣量是否滿足設(shè)計(jì)要求，v、p1、T1均取最大極限值，以此來計(jì)算真空泵在工作條件下最大的抽氣量，根據(jù)測試平臺性能設(shè)計(jì)參數(shù)(表1)可知v=100 kg/h、p1=60 kPa、T1=95 ℃。代入上式進(jìn)行計(jì)算可得：

而此測試平臺的真空泵最大抽氣速率指標(biāo)為70 L/s，由此可知，該抽氣泵抽氣速率至少還有30%的裕量，該真空泵能夠滿足試驗(yàn)臺使用要求。

1.2.2 渦輪(壓氣機(jī))入口加熱器加熱功率校核

渦輪(壓氣機(jī))入口加熱器加熱功率計(jì)算表達(dá)式如下：

(3)

其中:PT為加熱功率；v為對應(yīng)最大空氣流量;t為時(shí)間；η為空氣泄漏系數(shù)；ΔT為加熱溫差。為了更好地校核加熱器加熱功率是否滿足設(shè)計(jì)要求，ΔT取最大溫差，以此來計(jì)算渦輪(壓氣機(jī))入口加熱器加熱功率的最大值。

首先可計(jì)算渦輪端最大加熱功率：

同理計(jì)算出壓氣機(jī)端最大加熱功率：

可以計(jì)算出兩者加熱總功率：

PG=PT+PC=3.66 kW

(4)

而試驗(yàn)臺選定的加熱器為兩臺3.0 kW功率空氣加熱器，渦輪端和壓氣機(jī)端單獨(dú)使用一臺，因此，兩個(gè)加熱器在極限工作狀態(tài)下仍然滿足加熱要求，表明渦輪(壓氣機(jī))入口加熱器的選型滿足要求。

1.2.3 渦輪(壓氣機(jī))進(jìn)出口管徑

首先列出渦輪(壓氣機(jī))空氣流量計(jì)算表達(dá)式如下：

(5)

其中:Qv為空氣體積流量;D為管路直徑；v為空氣流速。

根據(jù)表1所示參數(shù)測試指標(biāo)，渦輪空氣質(zhì)量流量最大為100 kg/h，同理，按照最大值計(jì)算空氣體積流量Qv：

(6)

表1 試驗(yàn)臺性能要求

渦輪進(jìn)出口最大壓力為160 kPa，通過查閱資料可得管路流速推薦值如表2所示。

表2 管路流速推薦值

根據(jù)表2可知，當(dāng)壓縮空氣的壓力在表壓p≤0.3 MPa以下時(shí)，空氣流速v可取10 m/s，代入公式(7)可得渦輪進(jìn)口管徑：

(7)

同理，渦輪出口壓力為60 kPa，此時(shí)取空氣流速為8 m/s，最終可以計(jì)算出渦輪出口管徑為58.5 mm。而對于實(shí)際試驗(yàn)臺渦輪端，其進(jìn)口管徑是38 mm，渦輪出口管徑是50 mm，這與計(jì)算出來的渦輪端進(jìn)出口管徑大小相差較大。

而壓氣機(jī)端質(zhì)量流量為60 kg/h，入口端流速參考表2均取10 m/s，通過計(jì)算得入口管徑為40.5 mm。出口管內(nèi)流速取12 m/s，計(jì)算得出口管徑為37 mm，這與實(shí)際壓氣機(jī)端進(jìn)出口管徑保持一致。

通過上述理論計(jì)算可以得出結(jié)論：試驗(yàn)臺渦輪端進(jìn)出口管徑值偏小，其主要原因?yàn)樵谟?jì)算過程中，管內(nèi)空氣流速選值可能過大，超出了推薦值。

1.2.4 環(huán)境保護(hù)艙

通過分析發(fā)現(xiàn)，該型試驗(yàn)臺環(huán)境保護(hù)艙內(nèi)部壓氣機(jī)進(jìn)出口段和渦輪進(jìn)出口段均采用的是塑料軟管，具體如圖1所示。上面已經(jīng)證明渦輪進(jìn)出口連接管管徑選擇偏小，流阻偏大，而試驗(yàn)臺環(huán)境保護(hù)艙內(nèi)部渦輪進(jìn)出口和壓氣機(jī)進(jìn)出口連接管采用塑料內(nèi)波紋管軟管，這將使得管路流阻進(jìn)一步加大，進(jìn)而導(dǎo)致渦輪端流量與要求值產(chǎn)生偏差。

圖1 改進(jìn)前試驗(yàn)臺

另外，該型試驗(yàn)臺分別在壓氣機(jī)進(jìn)出口端和渦輪進(jìn)出口端設(shè)置了壓力、溫度信號采集點(diǎn)，但是發(fā)現(xiàn)壓力、溫度信號測量點(diǎn)距離測試件的測試點(diǎn)偏遠(yuǎn)，這會導(dǎo)致通過采樣點(diǎn)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)有所差異。根據(jù)壓力、溫度傳感器的一般安裝規(guī)范：傳感器測點(diǎn)前后要有足夠長的直管段，不能處于管道彎曲、分叉或能形成渦流的地方；并且，在產(chǎn)品閥門前進(jìn)行采集取壓，則傳感器與閥門的距離應(yīng)該大于2D(D為管道直徑)，在產(chǎn)品閥門后采集取壓，則與閥門的距離應(yīng)大于3D。而通過上述管徑的計(jì)算可知，壓氣機(jī)端和渦輪端進(jìn)出口管徑最大值為58.5 mm，此時(shí)傳感器的安裝位置需要距離產(chǎn)品至少3×58.5=175.5 mm，因此，需要在滿足傳感器安裝要求的同時(shí)，減小壓力、溫度傳感器與產(chǎn)品之間的距離。另外，采用塑料內(nèi)波紋軟管輸入輸出空氣時(shí)，會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致壓力測值出現(xiàn)明顯的波動現(xiàn)象，穩(wěn)定性變差。

2 故障排除及改進(jìn)

通過上述計(jì)算分析，針對試驗(yàn)測試平臺故障問題，提出新的改進(jìn)措施如下:

(1)重新設(shè)計(jì)環(huán)境保護(hù)艙內(nèi)渦輪端進(jìn)出口管徑，采用校核計(jì)算后的管路直徑對渦輪端進(jìn)出口管徑進(jìn)行改進(jìn)，減小空氣沿程阻力。

(2)重新制作環(huán)境保護(hù)艙內(nèi)的全套試驗(yàn)管路，按圖2更改產(chǎn)品放置方向，并將原塑料波紋軟管更換為不銹鋼管，管路變徑位置采用錐形光滑過渡，減小了空氣流阻以及管路振動導(dǎo)致的測量值波動；同時(shí)也對艙內(nèi)管路布置進(jìn)行了調(diào)整，以便與測試件連接和拆卸。

(3)改進(jìn)環(huán)境保護(hù)艙內(nèi)壓力、溫度傳感器的布局方式，將壓力、溫度傳感器布置在金屬直管段位置，并且調(diào)整傳感器與產(chǎn)品的距離為200 mm，在滿足傳感器安裝要求的同時(shí)，減小壓力、溫度傳感器與產(chǎn)品之間的距離，提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

改進(jìn)后的設(shè)備如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后試驗(yàn)臺

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過故障的排除和改進(jìn)之后，對某型增壓渦輪性能進(jìn)行了重新試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)測量結(jié)果

由表3可知：改進(jìn)試驗(yàn)測試平臺之后，試驗(yàn)件的渦輪端流量以及溫降均有所提高，并且溫降已經(jīng)滿足大于50 ℃的試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了文中的排故思路以及改進(jìn)方法的有效性。但是，通過表3也可以看到渦輪端空氣流量仍偏低。

排除所有差異因素，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備供應(yīng)商所在區(qū)域與本地區(qū)域的海拔不同，這將導(dǎo)致大氣壓力存在差異化。而設(shè)備供氣模塊的實(shí)際供氣壓力等于產(chǎn)品入口絕壓與大氣壓的差值，因此，大氣壓力的不同也將影響設(shè)備實(shí)際供氣壓力。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一問題，先后在設(shè)備供應(yīng)商所在的區(qū)域貴州以及本地區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)。在設(shè)備供應(yīng)商所在區(qū)域測得的渦輪端空氣流量為66 kg/h，而本地區(qū)域所測得的渦輪端空氣流量為56.4 kg/h。本地試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 采取措施前的本地區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)確定，在貴州試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力為88 kPa，而本地實(shí)驗(yàn)時(shí)大氣壓力為101 kPa。且設(shè)備的供氣模塊實(shí)際供氣壓力等于產(chǎn)品入口絕壓與大氣壓的差值，因此，為了排除不同區(qū)域大氣壓力差異，保證兩地試驗(yàn)環(huán)境一致性，在本地區(qū)域試驗(yàn)時(shí)提高了對應(yīng)的渦輪端入口絕壓，以此來消除不同區(qū)域大氣壓力因素帶來的影響。最終渦輪端空氣流量變?yōu)?5.9 kg/h，兩地試驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了不同區(qū)域的大氣壓力因素對試驗(yàn)測試的影響，并通過采取改變渦輪端入口絕壓解決了該問題。本地試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 采取措施后的本地區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)針對增壓渦輪實(shí)驗(yàn)測試平臺提供了新的排故思路，可以從渦輪端和壓氣機(jī)端的進(jìn)出口管徑進(jìn)行理論計(jì)算和校核，檢驗(yàn)其管徑大小選取是否合理，對不合理的管徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)調(diào)整，進(jìn)而可以通過改進(jìn)渦輪端和壓氣機(jī)端進(jìn)出口管徑提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為以后增壓渦輪測試平臺的設(shè)計(jì)及排故提供新的參考。

(2)內(nèi)波紋管采用軟管不僅加大了空氣流動阻力，在一定程度上影響了試驗(yàn)測量結(jié)果的精確性。而且，軟管容易在試驗(yàn)過程中振動，導(dǎo)致所測參數(shù)值不斷波動，影響數(shù)據(jù)的讀取。因此，通過對環(huán)境保護(hù)艙內(nèi)的內(nèi)波紋管的材料進(jìn)行改進(jìn)，采用新的不銹鋼鋼管材料，可以減小空氣流阻，提高試驗(yàn)平臺的測量穩(wěn)定性。

(3)通過改進(jìn)壓力、溫度信號傳感器的放置位置，使壓力、溫度信號傳感器的安裝點(diǎn)滿足對應(yīng)要求的同時(shí)更靠近試驗(yàn)測試產(chǎn)品，在一定程度上減小了所測壓力與實(shí)際壓力的偏差，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(4)驗(yàn)證了不同區(qū)域海拔對試驗(yàn)平臺的影響。不同區(qū)域海拔不同，環(huán)境大氣壓力也會存在一定的差異，這將導(dǎo)致不同區(qū)域產(chǎn)生不同的測試結(jié)果。因此，可以采取改變渦輪端入口絕對壓力的措施，減小不同區(qū)域測量值的差異。