大涵道比發動機多級低壓渦輪試驗技術研究

安兆強，陳 強，郝晟淳，馬永峰，才彥雙，劉 宇

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

近年來，國內大涵道比渦輪風扇發動機發展較快。與軍用小涵道比發動機相比，大涵道比發動機需要具有更高的可靠性和更長的使用壽命，同時需要進一步提高部件效率[1]和進行輕量化設計，多級低壓渦輪作為大涵道比渦輪風扇發動機的重要部件[2]，其效率直接影響發動機耗油率，在起飛點附近，低壓渦輪效率1%的變化使耗油率增加約1.2%[3]，同時，國外研究表明，可以通過優化設計使低壓渦輪部件的質量和制造成本大幅度降低[4]。目前國內針對大涵道比渦扇發動機多級低壓渦輪的研究主要集中在設計領域，也就是如何選取多級低壓渦輪的相關設計參數和優化設計方面[5-6]。目前已經開展的大型發動機低壓渦輪試驗基本上集中于單級低壓渦輪試驗，其特點是膨脹比較低[7]，針對工程級的大涵道比發動機多級（4～7級）、大膨脹比低壓渦輪的性能試驗驗證方面幾乎是空白，國外針對大涵道比多級低壓渦輪的研究基本集中在流場測量領域[8-9]，對試驗技術的研究涉及較少。

本文針對某型大涵道比發動機多級低壓渦輪部件試驗，對試驗狀態估算方法、試驗設備匹配性、試驗方法和數據分析方法等關鍵試驗技術進行研究。

1 多級低壓渦輪的特點

多級低壓渦輪為大涵道比發動機的重要部件之一，其性能的優劣直接影響發動機的整體性能。多級低壓渦輪部件的特點是膨脹比大、功率高、轉速低、扭矩大、流量大、軸向力平衡難度大。

目前國內現有試驗器的性能指標不能滿足試驗件的需求，試驗件的流量、扭矩、功率等參數已經超過了試驗器的試驗范圍，需要在現有條件下通過適當的設備改造滿足多級低壓渦輪試驗件的需求。

2 多級低壓渦輪試驗狀態估算

2.1 低壓渦輪試驗狀態估算依據

渦輪氣動性能的模擬試驗方法基于相似原理，即試驗渦輪與原型渦輪需要滿足以下3個相似條件：幾何相似，即對應點模型比相等；運動相似，即對應點速度三角形相似；動力相似，即對應點馬赫數相等、雷諾數相等或自模。在不考慮比熱比k、氣體常數R以及模型比m等參數修正的情況下，為保持試驗渦輪與原型渦輪的工作狀態相似應滿足

式中：π為渦輪膨脹比；n為渦輪轉速；T為渦輪進口溫度；W為渦輪流量；P為渦輪進口壓力；N為渦輪功率；下標t和p代表試驗件和原型渦輪參數。

根據原型渦輪膨脹比、轉速、溫度、流量和功率參數，可以得到模擬試驗狀態下試驗渦輪的膨脹比、轉速、溫度、流量和功率等參數。

2.2 試驗狀態參數耦合關系分析

試驗狀態參數之間互相影響，存在一定的耦合關系，在估算試驗件的試驗參數時，需要先輸入初始條件，針對渦輪部件試驗，一般先給試驗件進口溫度和出口壓力分別賦1個初始值。

通過式（1）可知，試驗件的膨脹比和原型渦輪的膨脹比保持一致，結合試驗件出口壓力，可以得到試驗件的進口壓力；

通過式（2）和試驗件進口溫度可以得到試驗狀態下試驗件的物理轉速；

通過式（3）、試驗件進口壓力和試驗件進口溫度，可以得到試驗件的進口流量；

通過式（4）、試驗件進口流量和試驗件進口溫度，可以得到試驗件的功率，結合試驗件轉速，可以得到試驗件的扭矩。

試驗件轉速和功率可以確定試驗件狀態點的分布，也就是可以確認試驗件狀態點是否分布在試驗設備包線內。依據試驗件的狀態參數之間的耦合關系，通過調整試驗件的進口溫度和出口壓力，使試驗件的試驗狀態點落入試驗設備的包線內，滿足設備的使用條件。

2.3 試驗設備介紹

本次試驗在某全尺寸渦輪試驗器上進行，該試驗器主要通過改變試驗件進口壓力和流量來改變試驗件的膨脹比，再通過水力測功器[10]改變試驗件的轉速，使試驗件的狀態達到試驗要求，該渦輪試驗器進氣管路上配備了加溫裝置，可以在一定范圍內調節試驗件的進口溫度。

經過初步估算，在現有條件下，試驗件的狀態參數超出試驗器的設計指標，所以需要在試驗器出口進行設備改造，增加出口引射裝置，降低試驗件的出口壓力，從而降低試驗件的進口壓力、流量、功率和扭矩，使試驗件狀態點進入試驗設備的包線范圍。

試驗器流量測量裝置安排在進氣直管段上，試驗件的功率通過齒輪箱和水力測功器測得，試驗件轉速通過扭軸進行測量。

2.4 低壓渦輪試驗狀態估算和軸系配置

給試驗件進口溫度賦值Tt=T1、出口壓力P2t=Pt，根據第2.1節敘述可得試驗件試驗狀態下的進口壓力 P1、物理轉速 n1、物理流量W1、功率N1和扭矩M1，得到試驗件狀態點的分布如圖1所示。

圖1 試驗狀態點分布

從圖中可見，如果繼續調整試驗件進口溫度和試驗件出口壓力，試驗件狀態點還是無法全部滿足測功器包線范圍和扭軸邊界線，此時需要引入齒輪箱，保證試驗件狀態點區域全部進入設備包線內。增加齒輪箱后試驗件端為低速段，測功器段為高速端，需要分別對低速端和高速端進行評估，保證試驗狀態點在低速端和高速端分別滿足設備包線范圍，此外，還應考慮試驗件出口溫度不要過低，防止結露結霜，對測試參數造成影響。低速端和高速端評估結果如圖2、3所示。

圖2 低速端試驗狀態點分布

圖3 高速端試驗狀態點分布

確定試驗狀態參數和主要試驗設備后，需要選擇合適的聯軸器（軸），將試驗件和試驗設備連接起來，形成試驗軸系，如圖4所示。

圖4 試驗軸系

2.5 試驗風險評估

該試驗件級數較多，膨脹比大，本次試驗為國內首次使用引射裝置開展大涵道比多級低壓渦輪性能試驗，可借鑒的試驗設備過程數據較少，為了保證試驗順利進行，需要在以下方面進行細致的風險評估[11]。

2.5.1 軸向力

由于低壓渦輪試驗件級數較多，軸向力較大，需要在試驗過程中實時監測軸向力，同時實時通過腔壓調整保證軸向力在軸承承受范圍內，并結合軸溫變化來判斷試驗件的運行情況。

2.5.2 振動監測

由于試驗軸系較長，且試驗狀態較大，在試驗件運行過程中根據試驗設備振動限制值嚴密監測試驗軸系的振動情況，注意試驗轉速范圍內的臨界轉速情況。

2.5.3 火情監控

如現場出現火情，各崗位應立即按照預案進行操作并疏散，現場指揮根據火情是否可控判斷是否撥打救火電話。

2.5.4 其他風險點

除了以上3方面的風險外，還應制定針對試驗件飛轉、滑油溫度異常、廠區異常停電等緊急情況的應急預案。

3 試驗過程控制

本次試驗的難點主要在于試驗過程控制，要解決這個難點就要詳細分析試驗狀態的參數，在試驗過程中實時監控試驗件和設備運行參數，在保證試驗設備安全運轉的前提下錄取試驗數據，試驗狀態控制過程如圖5所示。

具體過程如下：試驗件開始運轉后，在低轉速和小膨脹比的狀態點1停留，確認試驗件和設備運行正常，開啟試驗器引射系統，降低試驗件出口壓力，調整試驗件進口壓力和測功器進水量[12]，保持試驗件轉速不變，試驗件膨脹比增大，由狀態點1過渡到狀態點2，保持試驗件和引射系統的進氣量，調整測功器的進水量，調節試驗件轉速，將試驗狀態由狀態點2過渡到狀態點3，重復以上過程，直到試驗件設計點，在此過程中，可以視情安排其他狀態點的錄取。當試驗件的設計點錄取完成后，應通過調節試驗件和引射系統的進氣量及測功器進水量，逐步降低試驗狀態，直至試驗件停止運行，在試驗過程中要重點關注試驗件軸向力，以及試驗件和設備的振動情況、滑油的溫度等參數。

圖5 試驗狀態點控制過程

4 試驗數據處理和試驗結果分析

4.1 試驗數據處理

試驗數據處理參考航標[13]進行，但是需要補充渦輪功率的計算公式

式中：M為測功器的扭矩；a和b為常數；m為齒輪箱滑油流量；Tg為齒輪箱供油溫度；Th為齒輪箱回油溫度；ηm為機械效率。

渦輪功率的不確定度根據式（5）和相關算法確定[14]。

4.2 試驗結果

針對某多級低壓渦輪性能試驗件分別開展了相對換算轉速為0.6～1.1范圍內狀態點的參數錄取，獲取了大量試驗數據，渦輪效率特性趨勢如圖6所示。從圖中可見，在相對換算轉速為0.8～1.1下，低壓渦輪效率隨著膨脹比增大而提高，最終保持在一定區間，在設計轉速下，渦輪效率最終可以保持在較高水平，渦輪效率指標良好。

圖6 某多級低壓渦輪性能試驗效率特性趨勢

5 總結

（1）通過分析多級低壓渦輪的狀態參數耦合關系，詳細描述了試驗狀態估算過程，并根據估算結果進行了試驗軸系的配置和風險評估，可為后續類似試驗參考；

（2）通過詳細描述試驗控制過程以及試驗件、試驗設備的參數監控重點，對多級低壓渦輪的試驗方法進行了補充；

（3）該試驗件級數較多，本試驗為國內首次使用引射裝置開展的多級低壓渦輪性能試驗，補充了相關數據處理依據，試驗結果表明：低壓渦輪的性能指標良好，達到國內先進水平，填補了國內多級低壓渦輪性能試驗領域的空白；

（4）本試驗屬于常規性能試驗，主要工作重點為試驗方法、試驗過程控制方法和試驗數據處理方法的探索和驗證，后期可以開展級間流場測量、間隙[15]、噪聲[16]等多種測量以及低雷諾數對低壓渦輪性能影響的試驗研究[17]，以利于低壓渦輪的性能驗證和優化。