全尺寸對轉渦輪若干關鍵試驗技術的應用驗證

劉志剛，曾軍，趙旺東，劉憲，謝金偉

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

全尺寸對轉渦輪若干關鍵試驗技術的應用驗證

劉志剛，曾軍，趙旺東，劉憲，謝金偉

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

雙轉子渦輪試驗具有極高的試驗風險，而大型全尺寸1+1/2對轉渦輪試驗在國內更是首次開展。為保證試驗安全實施，在查閱國內相關渦輪試驗文獻和對設備現狀評估的基礎上，對對轉渦輪關鍵試驗技術展開了研究。研發(fā)了集成控制、數據采集和安全控制功能的多任務并行測控系統(tǒng)，實現了對兩個轉子系統(tǒng)的聯(lián)合控制；建立了“高壓優(yōu)先調節(jié)、低壓獨立控制、高低匹配聯(lián)調”的對轉渦輪匹配聯(lián)調方法，制定了切實可行的試驗安全保障方案；為詳細了解高低壓級間流場，布置了級間測量系統(tǒng)。試驗證明：多任務系統(tǒng)運行良好，低壓水力測功器穩(wěn)速精度提高4倍，試驗件軸向力控制方法有效，試驗時間縮短50%以上，為我國高性能雙轉子渦輪設計技術的發(fā)展奠定了基礎。

航空發(fā)動機；雙轉子；全尺寸；1+1/2對轉渦輪；匹配聯(lián)調；試驗

1 引言

對轉渦輪作為一種先進的渦輪結構形式，在提高發(fā)動機推重比、降低耗油率以及提高飛機的整機性能方面具有重要意義[1-2]。對轉渦輪發(fā)動機通過精簡導葉排，可減少發(fā)動機零部件數量，減輕發(fā)動機質量，縮短發(fā)動機軸向尺寸，同時還能降低與導葉相關的摩擦、冷卻等氣動損失，因此在高性能發(fā)動機研制方面具有獨特的優(yōu)勢[3-4]。

早在上世紀70年代，國外航空發(fā)動機公司就已經開始研究和應用對轉渦輪技術并取得了良好效果[5]。美國的綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(IHPTET)計劃和先進可承受通用渦輪發(fā)動機(VAATE)計劃中，多個驗證機都采用了對轉渦輪設計；普惠F119系列發(fā)動機和GE公司YF120系列發(fā)動機也都采用了對轉渦輪技術[6]。NASA劉易斯研究中心設計和驗證的一種用于火箭發(fā)動機的小型無第二級渦輪導向器對轉渦輪，轉子設計點的總體效率提高了2%，速度降低時效率甚至可以提高7%。此外，美國麻省理工學院[7]、俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院[8-9]、法國空間中心[10]等國外高校和研究機構的學者們，先后分別研究了對轉渦輪的流動特性和設計方法[11-15]。

國內對對轉渦輪研究起步較晚，其中蔡睿賢[2-4]較詳細地介紹了對轉渦輪的設計要素，劉思永[16]、方祥軍[17]、季路成[18]、趙慶軍[19]等分別針對對轉渦輪設計技術、氣動性能分析及進口熱斑等特征進行了研究。季路成等[18]指出，目前國內在對轉渦輪研制方面的設計和優(yōu)化主要依靠模擬方法來實現，缺乏試驗數據的驗證和支撐，制約了對轉渦輪設計手段的提升和設計經驗的積累。然而，由于對轉渦輪試驗難度大、風險高，國內對轉渦輪試驗能力發(fā)展緩慢。中科院常溫短周期模型對轉渦輪試驗有效測試時間僅有約200 ms，而北京航空航天大學建成的對轉渦輪試驗臺尺寸較小，無法開展全尺寸對轉渦輪試驗[20]。本文介紹了中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院開展的國內首次全尺寸對轉渦輪連續(xù)試驗。該試驗采用1+1/ 2對轉渦輪，高、低壓渦輪分別使用高、低壓水力測功器作為負載進行調節(jié)。為提高試驗效率，試驗人員研制升級了集成測控系統(tǒng)，改進合并了兩臺不同型號水力測功器的供水系統(tǒng)，升級了功率調節(jié)器，提高了水力測功器的穩(wěn)速精度。針對對轉渦輪的運行特性，進行了高低壓渦輪匹配聯(lián)調探索和安全試驗流程梳理；在高低壓渦輪級間布置探針進行了渦輪級間參數測量，發(fā)現級間探針測得的壓力偏高，無法用于高、低壓渦輪性能的分別評估。對上述技術的研究和應用，保障了全尺寸1+1/2對轉渦輪試驗的順利開展，提高了試驗效率，減少了試驗時間；相關工程經驗的積累，對我國類似的大中型雙轉子渦輪試驗器建設和對轉渦輪試驗的開展具有重要的參考價值。

2 試驗設備和試驗件

圖1為中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院的渦輪綜合試驗器結構示意圖，表1列出了該試驗器的主要指標。流經渦輪進口截面的空氣或燃氣(簡稱主氣)，通過調節(jié)閥后經流量噴嘴進入燃燒室加溫至試驗所需渦輪進口溫度，然后經進氣蝸殼沿軸向進入試驗件，膨脹做功后再經排氣冷卻器排入大氣或由抽氣機組抽走。經渦輪冷卻空氣流路進入渦輪的氣流(簡稱冷氣)通過進氣閥后進入冷氣分配罐，經各路流量孔板流出，再通過調節(jié)閥調至試驗要求的流量和壓力后進入試驗件。

表1 渦輪綜合試驗器的試驗能力Table 1 Capacity of turbine combined test rig

全尺寸1+1/2對轉渦輪性能試驗件，由第一級導葉、第一級動葉和第二級動葉組成。圖2為安裝在試驗臺架上的試驗件，高壓渦輪軸向前伸出進氣蝸殼與水力測功器相連，低壓渦輪軸向后伸出排氣蝸殼與水力測功器相連。試驗渦輪發(fā)出的功由水力測功器吸收并測量；控制系統(tǒng)通過調節(jié)進氣閥開度改變渦輪進口壓力，調節(jié)排氣蝶閥開度改變渦輪總壓膨脹比，調節(jié)水力測功器的進、排水閥開度改變渦輪轉速，調節(jié)冷氣進氣閥和冷氣放空閥改變冷氣分配罐總壓，調節(jié)各冷氣分路上的電動調節(jié)閥開度改變冷氣流量比。試驗中所有測量參數均由數據采集系統(tǒng)實時錄取后保存到數據庫，關鍵參數經處理后在大屏幕上集中顯示。

3 關鍵試驗技術

渦輪綜合試驗器進行過大量的導向器和單轉子渦輪部件試驗，但進行雙轉子對轉渦輪試驗尚屬首次。為此，針對1+1/2對轉渦輪的結構特點，試驗中需著重考慮以下技術問題：

(1)1+1/2對轉渦輪的高、低壓轉子相對獨立運行，試驗中要對兩個轉子系統(tǒng)聯(lián)合控制，需解決兩臺水力測功器供水的協(xié)同穩(wěn)定問題——既要保證供水壓力穩(wěn)定，又要保證轉速穩(wěn)定可調。此外，試驗主氣供氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)要快速同步調節(jié)，以滿足不同試驗狀態(tài)的調節(jié)需求；試驗中使用多路冷氣進行封嚴和軸向力平衡供氣，各系統(tǒng)間的數據流應及時共享，統(tǒng)一使用和存儲。為此，需研發(fā)測控集成系統(tǒng)，完成試驗狀態(tài)控制、試驗數據采集、試驗數據即時計算和入庫等功能。

(2)對轉渦輪試驗件的低壓渦輪無導向器，試驗中高低壓轉子間有很多的自耦合轉速，如果高低壓轉子匹配不好將造成低壓轉子工作狀態(tài)不穩(wěn)定，可能會導致低壓渦輪啟動時反轉、高轉速時振動異常、氣流自激震蕩劇烈等危險狀況。為此，需結合以往經驗探索研究試驗風險控制和高低壓匹配聯(lián)調試驗方法。

(3)對轉渦輪總性能測試方案參照航標[21]的相關要求實施，使用穩(wěn)態(tài)總溫總壓復合探針進行級間流動參數測量。但對轉渦輪級間為超跨聲流動，轉子相對轉速大，流動環(huán)境復雜，流場非定常性十分顯著，加之試驗件高低壓渦輪軸向間距較小，探針前緣距高壓渦輪動葉尾緣近，因此采用總溫總壓探針可能導致流場參數測量不準。此外，級間探針的迎風面特征尺寸與高低壓渦輪軸向間距之比較大，可能對級間流動，尤其是激波系產生嚴重影響。

針對以上試驗需求，研究人員進行了全尺寸對轉關鍵試驗技術的探索和工程應用驗證。

3.1 測控集成系統(tǒng)

2.1 前期緩慢升溫，促進根系發(fā)育 設施冬棗前期是根系生長關鍵期，此期要防止“下涼上焦”，地溫達不到10℃時，棚內氣溫應控制在25℃以下，否則會因根系發(fā)育不良導致發(fā)芽不整齊和棗吊花蕾缺位（基部無蕾）。具體溫濕度指標見表1。

為適應對轉渦輪試驗對控制、數據采集及安全監(jiān)控的需求，研制升級了測控集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)由調度管理子系統(tǒng)、數據采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、數據處理子系統(tǒng)、數據庫子系統(tǒng)及配套設備等組成，見圖3。

調度管理子系統(tǒng)對試驗狀態(tài)調整控制和試驗數據錄取存儲進行統(tǒng)一調度管理。數據通過高速以太網進行交換共享，數據入庫指令下發(fā)后，控制子系統(tǒng)的設備參數和數據處理子系統(tǒng)的試驗件性能數據各自存入試驗數據庫，由調度管理子系統(tǒng)對數據庫里的兩類數據進行關聯(lián)以便試驗數據分析。

控制子系統(tǒng)負責對試驗器的各設備系統(tǒng)參數進行測量，同時對各執(zhí)行裝置進行控制。整個系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制上位計算機、高壓水力測功器控制器、低壓水力測功器控制器等構成。根據設備控制需要，除高、低壓水力測功器控制器外，PLC底層還建立了多個獨立的PID控制模塊，對渦輪進口壓力、溫度，渦輪出口壓力，測功器供水壓力等進行獨立控制。

測功器轉速控制穩(wěn)定性受供水壓力波動的影響，而水力測功器運行時耗水量變化劇烈、波動頻率快，加之兩臺水力測功器之間的相互影響，增大了供水壓力的控制難度。為此對兩臺水力測功器的供水系統(tǒng)進行了改造，增加一個公用供水穩(wěn)壓罐，在穩(wěn)壓罐頂部通入壓縮空氣，PLC控制系統(tǒng)以穩(wěn)壓罐液位為控制目標，通過快速調節(jié)閥控制進入穩(wěn)壓罐的水量，當穩(wěn)壓罐里液位穩(wěn)定時，其供水壓力必然穩(wěn)定。對轉渦輪試驗驗證表明，供水系統(tǒng)改造后，當穩(wěn)壓罐液位在±15 mm范圍內波動時，測功器供水壓力波動從±50 kPa減小到±7 kPa以內，目前設備可將水位穩(wěn)定在±10 mm范圍內。

3.2 試驗流程和風險控制

根據對轉渦輪試驗要求和試驗器自身特點，為減少試驗狀態(tài)調節(jié)時間，對試驗中的高低壓渦輪狀態(tài)調節(jié)方案進行了探討。為正確錄取設計狀態(tài)時的高低壓渦輪性能試驗數據，需要高低壓渦輪分別達到設計轉速和膨脹比，但二者間的膨脹比又互相影響，因此存在相互匹配和聯(lián)合調節(jié)問題。高壓水力測功器具備恒轉速、恒功率功能，可通過高壓水力測功器穩(wěn)定高壓渦輪轉速，且具有一定的穩(wěn)定精度；低壓水力測功器無恒轉速功能，需通過不斷調整使低壓渦輪轉速在預定范圍內保持相對穩(wěn)定，以達到設計狀態(tài)。為進一步提高低壓水力測功器的穩(wěn)速精度，試驗人員對原水力測功器手閥控制方式進行了改造，采用了步進電機加T型螺紋絲杠減速裝置的方式，對低壓水力測功器的負載調節(jié)器進行控制，將低壓水力測功器的穩(wěn)速精度從±60 r/min提高到了±15 r/min，精度提高4倍，能夠滿足試驗調節(jié)需求。最終確定的調節(jié)方案是穩(wěn)定高壓渦輪轉速，調節(jié)低壓渦輪轉速和膨脹比，如圖4所示，即“高壓優(yōu)先調節(jié)、低壓獨立控制、高低匹配聯(lián)調”。

另外，在起動升速到試驗轉速的過程中，如果高低壓渦輪轉差過大，會引起低壓渦輪進氣攻角偏離設計值過大并可能導致低壓渦輪失控。為此，在制定試驗控制方案時，確定低壓渦輪追隨高壓渦輪進行調節(jié)的控制方案，確保起動過程中高低壓渦輪折合轉速差不大于0.3。

由于對轉渦輪結構的特殊性，高低壓渦輪盤之間的腔壓無法直接測量。機械運行試驗中發(fā)現，使用常規(guī)渦輪級間腔壓估算公式得到的對轉渦輪級間腔壓偏大，導致顯示的低壓轉子軸向力過大。機械運行試驗后對軸向力計算公式進行修正，使顯示軸向力與轉子真實軸向力盡量接近。試驗中，通過調節(jié)腔壓力將高壓轉子軸向力控制在安全范圍內，再通過增大臨近腔壓力降低低壓轉子軸向力，同時通過監(jiān)控軸承座及滑油回油溫度來確保試驗安全。圖5給出了試驗中高、低壓渦輪軸向力的時間歷程，證實了軸向力控制方法的有效性。

3.3 級間流場測量

機械運行試驗采用3支梳狀總溫總壓復合探針(圖6)進行級間測量。對轉渦輪高低壓渦輪間距較小，為防止探針與轉動部件碰磨，試驗前計算出轉子相對探針的位移為0.2 mm，此位移值加上軸承最大軸向活動量0.55 mm，遠小于轉子與探針的間距，不會出現碰磨危險。圖7給出了試驗中測得的級間總壓分布。由圖可知，3支探針測得的級間總壓分布規(guī)律一致，數值也比較接近。試驗還發(fā)現，在渦輪總效率與理論設計值吻合的情況下，根據級間壓力計算出的級效率分配與理論設計值相比，高壓渦輪效率明顯偏高，低壓渦輪效率明顯偏低，說明3支探針測得的高低壓渦輪級間壓力值偏大。

級間測量探針的使用參照了航標[21]的相關規(guī)定，3支探針的測量結果可以排除測試硬件或方法的錯誤，證明常規(guī)壓力探針無法真實準確地測量級間超跨聲流場的性能參數。對轉渦輪級間的超跨聲流動環(huán)境復雜，流場的非定常性和非均勻性顯著，同時探針支桿迎風面特征尺寸與高低壓渦輪軸向間距之比較大，這種壓力測量偏高的反常情形可能與探針和級間流動尤其是激波系發(fā)展之間互相干擾影響有關，值得進一步探索。為解決高馬赫數條件下的級間測量問題，應注意解決探針的氣動外形、發(fā)展非接觸測量方法(如LDV等)，以減輕對級間流場的干擾，獲得準確的級間流場參數。

4 應用驗證

經上述設備改造和關鍵試驗技術探索，全尺寸對轉渦輪試驗在設計點狀態(tài)下穩(wěn)定運行，對轉渦輪的總膨脹比達到設計值。測控集成系統(tǒng)的研制升級和對轉渦輪匹配聯(lián)調方法的應用，大大縮短了試驗狀態(tài)調節(jié)時間，僅通過一次試驗(預計2～3次)就順利完成對轉渦輪全部性能試驗，節(jié)約試驗時間50%，節(jié)約試驗經費超過50%。

圖8為出口相對馬赫數的試驗測量值與計算值的對比，圖9為對轉渦輪總效率隨總膨脹比的變化。可見，高壓渦輪相對物理轉速不變時，隨著低壓渦輪相對物理轉速的增大，效率曲線向右移動，最高效率值也逐漸提高；低壓渦輪相對物理轉速不變時，隨著高壓渦輪相對物理轉速的增大，效率曲線向上移動。

5 結論

針對國內首次全尺寸1+1/2對轉渦輪連續(xù)氣源試驗，探索了若干關鍵試驗技術，確保了雙轉子渦輪試驗的安全高效完成，獲得的試驗數據有力地支持和促進了我國對轉渦輪設計和優(yōu)化理論的發(fā)展，證明以上幾項關鍵試驗技術具有較好的工程應用價值。對實施效果進行深入分析可得出以下結論：

(1)研發(fā)的基于多任務并行的測控集成系統(tǒng)，有效集成了試驗控制、試驗數據采集和入庫以及安全監(jiān)控等功能。兩臺不同型號水力測功器的供水系統(tǒng)改造后，低壓水力測功器的穩(wěn)速精度提高了4倍；PLC底層各系統(tǒng)獨立的PID控制模塊，有效提高了調節(jié)速率和穩(wěn)速精度。測控集成系統(tǒng)的開發(fā)經驗和水力測功器的升級改造方法，具有重要的推廣應用價值。

(2)根據全尺寸1+1/2對轉渦輪的試驗特征和試驗設備狀態(tài)，探索確立了“高壓優(yōu)先調節(jié)、低壓獨立控制、高低匹配聯(lián)調”的試驗調節(jié)方案。該方案可快速調整對轉渦輪高、低壓級的設計工況和變工況轉速，降低了試驗狀態(tài)穩(wěn)定難度，縮短了50%以上試驗時間，節(jié)約了大量的試驗經費。通過腔壓和軸向力的即時修正，對軸向力進行了有效控制，確保了試驗安全。

(3)1+1/2對轉渦輪級間距離狹小、流動復雜，采用常規(guī)探針測量雖獲取了部分重要的級間參數，但也發(fā)現高馬赫數下常規(guī)探針對級間流場的干擾較大，導致級間壓力測量值偏高的反常情形出現。針對對轉渦輪的級間測量，應探索使用迎風面積小、氣動造型好、頻響高的固定或移動式探針，同時開展非接觸測量技術研究(如LDV等)。

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Investigation and verification of key technologies in full scale contra-rotating turbine experiment

LIU Zhi-gang，ZENG Jun，ZHAO Wang-dong，LIU Xian，XIE Jin-wei
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou，621703)

The dual-rotor turbine experiment has considerable failure risks and the first domestic full scale 1+1/2 contra-rotating turbine experiment has been successfully carried out in the AECC Sichuan Gas Tur?bine Establishment.To provide a solid foundation for experiment safety,several key technologies were in?vestigated based on relative literature and test facility status.The combined measurement and control multi?task system was developed to fulfill the synchronously control of the two rotor systems.Upgrades were taken out for the old fashioned hydraulic dynamometer regulation precision improvement and the matching regula?tion method of"regulate high pressure stage preferentially and low pressure stage catch up independently with the high and low pressure stage matching target"was set up.Besides,a practical safety assurance plan was proposed and the inter-stage measuring probes were applied for a better understanding of the in?ter-stage flow field characteristics.With those efforts,the multitask control system operated smoothly dur?ing the first domestic full scale dual-rotor turbine experiment and the rotating speed regulation precision were improved 4 times with a time saving of 50%.Those key technologies provide fundamental supports for the high performance dual-rotor turbine design and experiment for our country.

aero-engine；dual-rotor；full scale；1+1/2 contra-rotating turbine；matching regulation method；experiement

V231.3

：A

：1672-2620(2017)01-0001-06

2016-12-14；

：2017-01-25

劉志剛(1968-)，男，河北平鄉(xiāng)人，研究員，博士，主要從事葉輪機部件氣動試驗研究。