小型沖擊式渦輪泵氣動效率試驗方法研究

王志峰，郝小龍，朱鳳琦，張淑敏，郭軍剛

(北京精密機電控制設備研究所，北京100076)

1 引言

小型沖擊式渦輪泵(以下簡稱渦輪泵)是航天飛行器伺服系統的核心動力元件。渦輪泵內部的能量轉換過程主要有三個：首先是氣體內能向氣體動能的轉換，該轉換過程發生于超聲速噴嘴內，物理過程近似于絕熱等熵過程[1]；其次為氣體動能向軸系機械能的轉換，轉換效率主要為渦輪的氣動效率(實際上渦輪內功還需克服軸承和動密封摩擦損耗一部分功[2]，才能輸出軸功率驅動泵做功，但這部分損失相對很小)；第三個過程為通過泵組件實現軸系機械能向液壓能的轉換。因此，表征渦輪泵核心單元渦輪做功能力的氣動效率，是設計中的一個重要參數，對其準確測量是研制高性能渦輪泵的基礎。

從目前公開的文獻看，大部分關于渦輪泵的研究中對于氣動效率是先進行CFD仿真，再在試驗時測試流場中典型位置點的氣動參數，然后與仿真結果進行對比分析確定。其過程實際是對仿真得到的氣動流場進行了一次驗證，而氣動效率仍然是計算值。近年來出現了用電渦流測功機對渦輪軸功率進行測量的方法[3]。該方法通過測量軸的扭矩進而得到軸功率，再與計算的等熵功率相比得到渦輪氣動效率，準確度高。但采用該方法時渦輪產生的功率必須由測功機消耗，其耗功形式固定，不適用于渦輪驅動特定負載形式的情況。對于渦輪泵，渦輪與泵葉輪同軸高速運轉，后者是前者的特定負載，無法用測功機實現軸功率測量。

在渦輪泵產品研制過程中，由于渦輪與泵結構高度集成，渦輪氣動效率的測試問題一直未得到有效解決。傳統的研制手段采取理論計算結合經驗修正的方式，缺少試驗數據支撐。本研究提出一種試驗方法，在維持原負載形式的情況下通過測量軸扭矩這一關鍵數據，得到軸系運轉的機械功率，進而得到渦輪氣動效率。

2 渦輪泵氣動效率理論分析

渦輪泵工作時，工質通過超聲速噴嘴膨脹加速，驅動沖擊式渦輪，切線泵葉輪與渦輪同軸運轉，將高能氣體內能轉化為液壓油壓力能，為伺服系統提供動力能源。其結構示意如圖1所示。

渦輪氣動效率與氣動參數和結構有關，在軸系機械損失相對較小的情況下，體現了渦輪輸出軸功的能力和水平。一般而言，不同研究者會從不同研究角度出發，使用不同的效率指標[4]對渦輪做功能力進行衡量。本文使用的渦輪氣動效率，涵蓋了所有與氣動過程有關的損失，即考慮了除機械損失(軸承和動密封摩擦損耗)以外的所有損失。在葉輪機械行業，該效率相當于渦輪內效率。

定義渦輪氣動效率ηi為渦輪有效比焓降hi與理想比焓降(最大可用焓降)的比值：

式中：∑Δhi為渦輪的主要內部損失，Δhn為噴嘴能量損失，Δhb為動葉能量損失，Δhe為余速損失，Δhδ為二次流損失，Δhf,v為沖擊式渦輪局部進氣引起的損失。

對于沖擊式渦輪，決定氣動效率的關鍵參數是速比u/c1。其中u為渦輪葉片中徑處的切向速度，c1為噴嘴出口處的氣流速度。氣動效率隨速比的變化規律如圖2所示。由圖可知，氣動效率對應的最佳速比范圍為0.4～0.5[5]。

在渦輪泵研制過程中，渦輪氣動效率一般經熱力計算求得。

3 試驗技術方案

3.1 基本原理

渦輪氣動效率可表示為：

式中：P為軸功率，Ni為輸入渦輪的總氣動功率，ηm為機械效率，T為軸扭矩，n為軸轉速，m為渦輪工質質量流量。

式中：R為工質氣體常數，k為工質絕熱指數，為噴嘴入口總溫，為噴嘴入口總壓，為噴嘴出口總壓。式中各個壓力和溫度可通過試驗實測。

工質質量流量的計算式為：

式中：A為喉部面積。

同樣，質量流量也可通過工質壓力、溫度的實測值和已知的物性參數計算求得。注意，公式中沒有考慮流量系數修正，實際流量可能低于計算流量。本研究暫未進行流量標定。

綜上，文中氣動效率數據是結合軸扭矩測量和等熵焓降計算得到，可稱之為準試驗數據。要實現對該數據的獲取，關鍵在于軸扭矩的測量。通過搭建渦輪-扭矩儀-泵試驗系統，在渦輪泵正常運轉狀態對軸扭矩進行測量，結合轉速數據實測值和氣動輸入功率計算值，可實現對氣動效率的間接測量。

3.2 技術方案及實施

渦輪-扭矩儀-泵試驗系統的基本結構如圖3所示。試驗系統中沖擊式渦輪、精密扭矩儀及切線泵共同安裝在一個T型槽板平臺上，并通過T型槽板上導向凸臺進行同軸定位。扭矩儀運轉過程中由單獨的稀油站為其軸系提供潤滑冷卻。驅動渦輪與負載泵軸系共用一套潤滑油站，分別對軸系統及密封進行冷卻潤滑。驅動渦輪、扭矩儀及負載泵之間通過高速花鍵聯軸器連接，并分別通過底部墊片進行高度調節。試驗過程中，由高壓氣源驅動渦輪高速旋轉輸出軸功率，通過高速花鍵聯軸器將軸功率傳遞至精密扭矩儀的輸入端，同時實現轉速與扭矩的測量，再通過扭矩儀輸出軸及花鍵聯軸器傳遞給負載泵端做功。沖擊式渦輪試驗件見圖4。

圖5、圖6分別為一次試驗的轉速和軸系扭矩數據曲線，可見試驗系統在45 000 r/min以上的高轉速下可穩定運行。

4 試驗結果分析

利用渦輪-扭矩儀-泵組成的氣動效率試驗系統，開展了不同工質多種工況下的試驗測試。提取所需數據信息，并對試驗數據進行分析，將渦輪氣動效率準試驗數據與理論計算值進行比較研究。

4.1 壓縮空氣工質試驗分析

首先利用壓縮空氣做功能力相對較低的特性，開展了較低轉速下渦輪氣動效率的測試。對試驗工況按熱力計算程序進行計算，得到氣動效率理論值。表1給出了氣動效率試驗值與理論值的對比。可見，試驗值與理論值吻合度在95%以上，說明在空氣介質、低轉速下理論計算方法可以得到較為準確的效率預估。

表1 氣動效率試驗值與理論值的對比(空氣)Table 1 Comparison between the test data and calculation results of aerodynamic efficiency(air)

4.2 氦氣工質試驗分析

以氦氣作為驅動渦輪的工質，開展了較高轉速下渦輪氣動效率的測試。對試驗工況按熱力計算程序進行計算，得到氣動效率理論值。表2示出了氣動效率試驗值與理論值的對比。從表中可看出，渦輪氣動效率理論值比試驗值高出20%左右，說明在氦氣介質、較高轉速下理論計算方法存在一定偏差。

表2 氣動效率試驗值與理論值的比較(氦氣)Table 2 Comparison between the test data and calculation results of aerodynamic efficiency(He)

5 結論

(1)通過將渦輪泵中負載端(泵)與輸出功率端(渦輪)進行分體，實現了小型超高速渦輪運轉狀態下輸出扭矩的測量。

(2)通過與試驗數據的對比，可以初步確定現有熱力計算程序對渦輪氣動效率的預估存在一定偏差，目前可測出最大偏差在20%左右。

(3)不同工質下渦輪氣動效率理論值與試驗值吻合度有差異，說明對于不同工質，理論計算方法應有變化。

[1]王保國，劉淑艷，劉艷明，等.空氣動力學基礎[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]張遠君.液體火箭發動機渦輪泵設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995.

[3]吳中野，方祥軍，劉思永，等.1+3/2級對轉渦輪氣動性能試驗研究[J].北京航空航天大學學報，2016，42(12)：2676—2682.

[4]劉廣濤.大膨脹比渦輪機內流場數值計算研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[5]王仲奇，秦 仁.透平機械原理[M].北京：機械工業出版社，1982.