單軸雙涵壓氣機試驗器調臺試驗技術

張燎源，周頌東，何力，孟曉宇，胡斌

單軸雙涵壓氣機試驗器調臺試驗技術

張燎源，周頌東，何力，孟曉宇，胡斌

(中航工業航空動力機械研究所，湖南株洲412002)

為給8 000 kW以下功率等級的風扇/增壓級及壓氣機提供試驗研究平臺，自行設計并建成了一臺單軸雙涵壓氣機試驗器。本文就考核該試驗器能否滿足設計要求須采用的調試方法進行了系統介紹，對調試過程中遇到的技術問題及解決措施進行了有益探索，并對調試結果進行了分析與評估。調試試驗表明，該試驗器滿足設計要求，具備驗收條件。

壓氣機試驗器；雙涵道；設備調試；驗收

1 引言

風扇/壓氣機是燃氣渦輪發動機的重要部件，技術含量高、設計難度大，常成為阻礙發動機研制成功的關鍵部件[1]。目前，用計算方法還難以準確預估其氣動性能及機械動力特性，仍需采用試驗的方法進行驗證和評估[2～4]。世界各航空發動機強國都十分重視發展試驗研究設備，美、英、俄等國早在上世紀70年代就建成了風扇試驗臺，為各自的發動機研制提供了強有力的技術支撐[5，6]。為給8 000 kW以下功率等級的風扇/增壓級及壓氣機提供試驗研究平臺，中航工業航空動力機械研究所自行設計并建成了一臺單軸雙涵壓氣機試驗器。由于設計時進行了充分論證和調研，因此其在動力特性、機械性能及操控性等方面都具有較高的水平。目前，該試驗器已完成驗收前的各項調試試驗。本文重點就考核雙涵壓氣機試驗器性能須采用的調試方法進行介紹，對調試過程中遇到的技術問題及解決措施進行分析、探討。

2 試驗器簡介

2.1 主要技術指標

(1)動力功率等級達8 000 kW；

(2)高轉速，滿足在研風扇/增壓級及高壓壓氣機的試驗需求；

(3)大流量，最大進口總流量達120 kg/s；

(4)允許排氣壓力達2.0 MPa，允許排氣溫度達600℃；

(5)雙向旋轉。

2.2 結構形式及功能

試驗器為開式循環壓氣機試驗器，主體采用“一”字形布局，排氣先側向再轉向與設備主體平行的方向向后排出，見圖1。試驗器由動力、進氣系統、排氣部分、傳動部分、滑油系統、空氣系統、水系統、電氣系統、測試系統、軸向力自動平衡系統、電視監控系統等組成。試驗器可測取8 000 kW以下功率等級單軸雙涵風扇/增壓級及單軸單涵壓氣機的總性能、級性能，可進行風扇/增壓級及單軸單涵壓氣機的進口流場畸變試驗，還可進行葉片角度調節、機匣處理、風扇輪盤和葉片應力測量、風扇轉子葉片光纖顫振測量等的試驗研究。

圖1 試驗器主體結構Fig.1 The structure of the test rig

2.3 設備特點

(1)動力由交流變頻電機提供。采用變頻調速器調速，精度高達0.5‰、轉速平穩，可正、反轉，可實現低工況壓氣機性能錄取。

(2)控制系統具有完善的保護功能。具有超轉、超扭、緊急停機等保護功能。

(3)采用高精度數采系統，屏幕實時顯示，直觀。

(4)排氣節流采用旋轉圓環式節流裝置，結構簡單，工作可靠，對壓氣機出口流場影響小。

(5)風扇/壓氣機出口氣流依次通過雙涵排氣機匣、旋轉圓環式節流裝置、排氣收集器、排氣管路向外排出，排氣收集器不承受氣流壓力，因而可采用工藝相對簡單的鈑金焊接件制作。

(6)壓氣機出口至旋轉圓環式節流裝置前的排氣容腔和整機燃燒室容腔相近，保證壓氣機的喘點錄取精度和整機接近。

(7)雙涵排氣機匣內安裝傳動軸，其支撐采用軸向預緊裝置防止軸承輕載打滑，同時采用帶隔熱措施的潤滑油路設計，保證軸承運行安全可靠。

3 設備調試

首先對各系統單獨進行靜態調試，確保各系統能長時間穩定工作，運行性能滿足設計要求；其次對設備進行空載運轉調試，確保設備在設計轉速范圍內的振動在限制值內，不會出現臨界；最后進行帶負載聯合調試，確保設備帶載運行的振動特性、動力特性滿足設計要求，控制系統能準確控制設備及調試件的工作狀態，各輔助系統能長時間正常、可靠運行，各保護功能控制有效[7]。

3.1 系統靜態調試

(1)進、排氣管路密封性檢查

在試驗器進、排氣部分安裝完成后，進行了管路密封性檢查。目的是確保進、排氣管路不漏氣，保證流量測量的準確性[8]。檢查結果表明，進、排氣管路密封性滿足設計要求。

(2)滑油系統調試

滑油系統是一個比較重要的系統，其故障率約占試驗器故障的20%，日常維護工作量約為總維護量的40%。

滑油系統安裝完成后，先進行打泵循環檢漏。管路無滲漏后，連續打泵循環1 h以上。接著清洗供、回油油濾，對接設備供、回油管路，調整供油壓力至要求范圍后，運轉1 h，系統工作正常，管路無滲漏，滿足設計要求。

(3)電氣系統聯鎖關系檢查

電氣系統控制著滑油系統、動力、軸向力平衡系統、快速退喘電磁閥等用電設備，這些設備的啟動遵循著嚴格的聯鎖關系，不能搞混。

滑油系統與動力之間聯鎖關系的開機順序為：先開電機、增速器、測扭器，以及試驗件與轉接段的回油泵、供油泵，然后才能啟動主電機；停機順序為：主電機轉速回零，才能關電機、增速器、測扭器，以及試驗件與轉接段的供油泵、回油泵。經檢查，滑油系統與動力之間的聯鎖關系符合試驗要求。

快速退喘電磁閥與軸向力平衡系統的聯鎖關系為：快速退喘電磁閥關閉時，軸向力平衡輔路電動調節閥能開啟；快速退喘電磁閥開啟時，軸向力平衡輔路電動調節閥馬上關閉。經通電檢查，其聯鎖關系正確，符合試驗要求。

(4)壓縮空氣系統調試

壓縮空氣系統給壓氣機軸向力調節提供氣源。壓縮空氣系統安裝后進行了打壓和管路清吹，打壓最高壓力為0.7 MPa，管路、閥門無漏氣現象；在壓縮空氣壓力為0.2 MPa下進行1 h的清吹，無異物吹出。壓縮空氣系統滿足設計要求。

(5)測試系統調試

測試系統安裝后，分別進行了采集軟件、作圖軟件、數據顯示、虛擬儀表顯示、報警、振動及動態示波軟件的調試[9，10]，各功能正常；模擬輸入溫度、壓力、流量、轉速和振動信號，檢查數采系統的采集情況，各參數值均顯示正常。

(6)進氣節氣門、排氣節流裝置及快速退喘電磁閥調試

進氣節氣門和內外涵旋轉圓環式排氣節流裝置安裝固定、接線完成后，進行了現場通電靜態調試。進氣節氣門開、關靈活自如，開關顯示位置與實際一致，滿足設計要求。內外涵旋轉圓環式排氣節流裝置在開、關時，因傳動環剛性不夠，在轉動時變形，造成電動執行機構齒輪與傳動環齒條嚙合不上。通過增加傳動環剛性，解決了這一問題。

快速退喘電磁閥安裝及接線完成后，進行了現場靜態調試。快速退喘電磁閥開、關動作及時到位，無滯后或卡死現象，滿足設計要求。

3.2 設備空載運轉調試

設備空載運轉調試，是檢查與轉動有關的各系統功能能否滿足設計要求，檢查設備(除試驗件外)各轉動部件的機械性能和動力特性，并采取多種調試手段使試驗器各系統運行協調、可靠，滿足設計要求。

采取逐級運轉調試方式，即首先進行電機帶增速箱的空載運轉調試[8]，待增速箱運轉達到設計要求后，再連接測扭器及轉接軸進行空載運轉調試。

連接電機與增速箱間的聯軸器，設定變頻器運行參數，連接測試系統，啟動冷卻水系統及滑油系統，最后啟動主電機。主電機按100～200 r/min的轉速臺階逐步增加，直至設計轉速。

圖2所示為增速箱輸入輸出端振動值隨轉速的變化。從圖中看，增速箱輸入輸出端的振動值隨轉速的增加而增大，在最高工作轉速下為最高，水平位置振動值達10.8 mm/s，超過7.1 mm/s的振動限制值；其它位置的振動值在限制范圍內。對增速箱最高工作轉速下的振動進行頻譜分析(見圖3)，可知對應增速箱輸入軸和中間軸的轉速基頻幅值都很大，其它頻率成分幅值很小，初步認為振動可能與增速箱的軸系不平衡量、軸系的支撐聯結等因素有關。

圖2 增速箱振動隨轉速的變化Fig.2 Variation of gearbox vibration with rotating speed

圖3 增速箱在最高轉速下的振動頻譜分析Fig.3 Spectrum analysis of gearbox at maximal rotating speed

圖4為空載運行測扭器振動情況。從圖中看，測扭器的振動在0.9轉速以下都很小，峰值總量不大于3.5 mm/s。在0.9～1.0轉速，振動呈線性上升。在1.0轉速，輸入端水平位置振動最大，峰值總量達8.5mm/s，且輸入端振動比輸出端的大。頻譜分析測扭器振動，發現振動幅值較大的頻率成分為增速箱輸入軸和中間軸的轉速基頻。因此可認為，測扭器振動不是由自身引起，而是來自于上游設備的振動傳遞；測扭器振動沒有超出限制值，允許繼續運轉。

圖4 測扭器振動隨轉速的變化Fig.4 Variation of torquemeter vibration with rotating speed

3.3 設備帶負載聯合調試

帶負載聯合調試的目的，是檢驗設備帶負載運行的振動特性及動力特性是否滿足設計要求，各輔助系統能否長時間正常、可靠工作，控制系統各保護功能是否有效。

試驗器帶負載調試分機械運轉調試和特性試驗兩個階段。機械運轉調試的目的是把調臺試驗件逐步推至設計轉速并能長時間運轉，試驗件及設備的振動在限制范圍內并保持相對穩定，以滿足特性試驗需要。特性試驗的目的是檢查設備能否準確調節試驗件的工作狀態，喘振時能否及時退喘，測試系統能否及時準確錄取試驗件的工作點參數并以參數和圖形兩種方式顯示。

調臺試驗件為某型風扇/增壓級試驗件，直接安裝在設備排氣段上，并通過排氣段上的定位圓柱面保證試驗件軸系與設備軸系間的同軸度。該試驗件在外單位已做過性能試驗，其結構、強度和轉子動力特性已經過試驗考核。選用其做調試，除了考核試驗臺性能外，還可以與外單位試驗結果對比。

圖5為調臺試驗件從低轉速升至設計轉速時的振動曲線。從圖中可以看出，試驗件在1.0轉速時振動最大，進口水平位置的振動值達16.7 mm/s，但沒有超出限制值范圍，滿足特性試驗要求。

圖6為某轉速下外涵節氣門全開時調臺試驗件的內涵特性，其中橫坐標以對應此轉速設計流量的相對值表示。另外，由于試驗件在接近喘振時振動超過限制范圍，因安全原因沒錄取近喘點性能。可見，兩單位試驗所得流量-壓比特性線基本重合，同一流量下壓比相差不超過0.5%；流量-效率特性線略有差異，靠近堵點時我所的效率略偏低，而靠近喘點時我所的效率略偏高，最大相差1.8%。初步分析認為，由于計算采用的是溫升效率，傳感器在溫升較小時相對誤差相對較大，這時效率重復性不好是正常現象。總的來說，性能試驗結果基本符合要求。

圖5 試驗件振動隨轉速的變化Fig.5 Variation of fan&booster vibration with rotating speed

圖6 某轉速下外涵節氣門全開時試驗件的內涵特性Fig.6 Comparison of the inner flow duct characteristics of the fan&booster at same rotating speed when bypass throttle is open

圖7為某轉速下試驗件的內外涵特性。從圖中看，當內涵節氣門不變、外涵節氣門關小時，試驗件外涵特性與常規單涵壓氣機的性能規律一致，但此時內涵特性完全不同，流量和壓比略有增加，效率略微下降；試驗件總流量降低。當外涵節氣門不變、內涵節氣門關小時，得到的內涵特性與常規單涵壓氣機的一致，外涵流量和壓比略微增加，效率變化很小。

圖7 某轉速下試驗件的內外涵特性Fig.7 The bypass flow duct and inner flow duct characteristics of the fan&booster at same rotating speed

設備保護功能檢查。超轉：帶試驗件運行，設定超轉保護值為7 626 r/min，實際轉速為7 630 r/min(超轉0.05%)時電機自動緊急停車。超扭：帶試驗件運行，設定超扭保護值為23 000 N·m，實際扭矩為23 100 N·m(超扭0.4%)時電機自動緊急停車。緊急停機：電機帶負載從9 457 r/min(對應電機轉速809 r/min)下降至0的緊急停車時間為14 s，電機空載從10 532 r/min(對應電機轉速900 r/min)下降至0的緊急停車時間為46 s。

轉速精度檢查。電機空載運轉時，分別設定電機轉速為206 r/min和1 000 r/min，實際轉速波動分別在0.1 r/min和0.4 r/min內；電機帶負載運轉時，分別設定電機轉速為224 r/min和833 r/min，實際轉速波動分別在0.1 r/min和0.3 r/min內。符合驗收要求。

轉速穩定性檢查。負載轉矩變化時，要求0.1 s內轉速超調量小于±0.2%F·S(F·S表示最大工作轉速)，轉速穩定時間小于1 s。實際在錄取壓氣機特性時(在相同轉速下關排氣節氣門)，轉速平穩，擺動很小(最大為6 r/min)，擺動量最大為0.028%F·S，小于規定值，而且轉速很快恢復。

以上試驗表明：設備保護功能運行有效，變頻電機轉速精度及轉速穩定性較高，符合驗收要求。

4 結束語

本文系統地總結了對某單軸雙涵壓氣機試驗器進行考核所采用的調試技術。試驗器靜態調試表明，各系統工作正常。設備空載運轉調試時增速箱在高轉速狀態下振動偏大，并引發其下游設備振動，通過對其軸系進行檢查，排除了引起振動的因素，確保了設備安全、平穩運行。設備帶負載聯合調試時，各系統能長時間可靠工作，設備的振動在限制范圍內，沒有出現臨界轉速，各保護功能運行有效，變頻電機轉速精度及穩定性符合要求。而特性試驗表明，設備控制系統能正常調節試驗件的工作狀態，所得結果與外單位試驗結果基本一致，可以進行驗收。本研究對類似試驗器的調試具有指導意義。

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Test Techniques of a Single-Shaft Bypass Compressor Test Rig Debugging

ZHANG Liao-yuan，ZHOU Song-dong，HE Li，MENG Xiao-yu，HU Bin
(China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China)

To provide test research facilities for fan/booster or compressor below 8000 kW,a single-shaft bypass compressor test rig was designed and built.The paper systemically introduces the test techniques of test rig debugging,the technical troubles and solution methods.And it gives evaluation of the results of the test rig debugging.The debugging results show that the single-shaft bypass compressor test rig is able to meet the design demands,and it can be checked and accepted.

compressor test rig；bypass；test rig debugging；check and accept

V216.8

A

1672-2620(2012)01-0058-05

2011-03-04；

2011-12-07

張燎源(1967-)，男，湖南株洲人，高級工程師，碩士，主要從事航空發動機性能試驗及設備設計工作。