壓氣機(jī)試驗(yàn)器二級(jí)增速裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

任 飛，張 良，劉志剛，向宏輝，夏 聯(lián)

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

1 引言

壓氣機(jī)試驗(yàn)器的額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速作為其關(guān)鍵功能指標(biāo)限定著試驗(yàn)器的工作范圍。常規(guī)壓氣機(jī)試驗(yàn)器以動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力源，利用一級(jí)增速裝置將試驗(yàn)器的運(yùn)行轉(zhuǎn)速提高至試驗(yàn)件所需轉(zhuǎn)速。目前，國(guó)內(nèi)各型壓氣機(jī)試驗(yàn)器大多為早年間投資建設(shè)，因受到額定轉(zhuǎn)速的制約，無(wú)法滿足新型壓氣機(jī)的試驗(yàn)需求[1-2]。

解決該難題通常可通過(guò)兩種手段，一種是提高動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速，另一種是提高一級(jí)增速裝置的速比進(jìn)而提高其輸出轉(zhuǎn)速。目前壓氣機(jī)試驗(yàn)器的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有燃機(jī)驅(qū)動(dòng)和變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩類(lèi)。其中燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)器的動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速較高，但受燃機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)限制，其輸出轉(zhuǎn)速與輸出功率呈正比關(guān)系，不適合更換高速比一級(jí)增速裝置，一旦更換該類(lèi)試驗(yàn)器無(wú)法滿足低轉(zhuǎn)速大扭矩試驗(yàn)件的試驗(yàn)要求。以變頻電機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)器的動(dòng)力輸出可實(shí)現(xiàn)恒扭矩，但轉(zhuǎn)速較低、很難進(jìn)一步提高，此類(lèi)試驗(yàn)器可更換高速比一級(jí)增速裝置，但由于其動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速較低導(dǎo)致高速比一級(jí)增速裝置的設(shè)計(jì)難度大、成本高[3-15]。為解決上述問(wèn)題，筆者認(rèn)為在試驗(yàn)器中增設(shè)二級(jí)增速裝置更為合理。因?yàn)楦鶕?jù)被試壓氣機(jī)對(duì)象匹配不同速比的二級(jí)增速裝置，能滿足試驗(yàn)轉(zhuǎn)速與功率的要求，同時(shí)二級(jí)增速裝置設(shè)計(jì)速比較為常規(guī)易于實(shí)現(xiàn)。此外，采用二級(jí)增速裝置還可有效降低設(shè)計(jì)、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和投入成本。本文論述的二級(jí)增速裝置是應(yīng)用在某型以航改燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置的壓氣機(jī)試驗(yàn)器上，以滿足壓氣機(jī)試驗(yàn)件對(duì)高轉(zhuǎn)速、大功率的試驗(yàn)要求，且該二級(jí)增速裝置還可在不改變?cè)囼?yàn)器主體功能和構(gòu)件的條件下靈活拆裝應(yīng)用。

2 壓氣機(jī)試驗(yàn)器

該型試驗(yàn)器為敞開(kāi)節(jié)流式軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)器，主要由動(dòng)力裝置、一級(jí)增速裝置、聯(lián)軸器、排氣系統(tǒng)、二級(jí)增速裝置、進(jìn)氣系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等組成。動(dòng)力裝置為WP6甲發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而成的地面燃?xì)廨啓C(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮空氣量和供給的燃油量來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并通過(guò)試驗(yàn)器傳動(dòng)組件帶動(dòng)壓氣機(jī)試驗(yàn)件運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

3 增速裝置設(shè)計(jì)要求

該型增速裝置需在惡劣工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)速比下穩(wěn)定的功率傳遞，主要設(shè)計(jì)要求為：①具有較高的剛性和強(qiáng)度儲(chǔ)備；②可在高溫、高壓下穩(wěn)定工作；③裝置傳動(dòng)平穩(wěn)，功率傳遞穩(wěn)定。

4 增速裝置設(shè)計(jì)方案

增速裝置(圖2)采用三分流結(jié)構(gòu)，其輸入和輸出同軸，結(jié)構(gòu)緊湊。齒輪采用高級(jí)合金滲碳鋼，并對(duì)齒面進(jìn)行滲碳、淬火、磨削等工藝處理。齒輪參數(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有較高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞破壞的能力。齒輪經(jīng)過(guò)齒頂修圓和齒向修形，降低嚙合時(shí)產(chǎn)生的沖擊噪聲，保證齒輪有良好的接觸區(qū)域，有利于形成充分的潤(rùn)滑油膜。

增速裝置利用兩端面的法蘭邊分別與試驗(yàn)器和試驗(yàn)件連接。由于這種連接方式屬于懸臂式結(jié)構(gòu)，要求裝置的機(jī)匣具有較高的剛性，同時(shí)裝置內(nèi)部的試驗(yàn)件排氣流道又處于高溫、高壓環(huán)境，為此機(jī)匣選用耐熱鑄鋼進(jìn)行整體鑄造。機(jī)匣鑄造加工完成后進(jìn)行模擬水壓試驗(yàn)，在給定壓力下未出現(xiàn)滲漏和破損現(xiàn)象。

試驗(yàn)中，為避免增速裝置內(nèi)部流道高溫氣體對(duì)裝置內(nèi)部傳動(dòng)組件運(yùn)行的影響，流道與傳動(dòng)組件箱體之間設(shè)計(jì)了隔熱腔，并在隔熱腔內(nèi)壁面噴涂隔熱涂層，同時(shí)隔熱腔還可外接冷卻空氣以進(jìn)一步保證其隔熱效果。傳動(dòng)組件運(yùn)行過(guò)程中，要求滑油供油溫度不超過(guò)60℃。但由于供油管路需經(jīng)過(guò)流道內(nèi)部受高溫氣流影響的承力筋板，導(dǎo)致供油溫度上升，為此在承力筋板內(nèi)部增添了隔熱材料保護(hù)供油管路。傳動(dòng)組件箱體前、后兩端面設(shè)計(jì)隔熱擋板，阻隔試驗(yàn)件和排氣對(duì)箱體的熱輻射，擋板與傳動(dòng)軸之間采用迷宮封嚴(yán)以減少箱體兩端熱空氣進(jìn)入擋板內(nèi)部。

在額定工況下，對(duì)增速裝置進(jìn)行靜力學(xué)性能分析，以研究其剛度與強(qiáng)度。設(shè)定的邊界條件為：軸承孔處施加軸承載荷；機(jī)匣輸入端螺栓連接處全約束；機(jī)匣輸出端施加軸向力20 kN，徑向力10 kN；施加增速裝置機(jī)匣重力；機(jī)匣流道施加1.2 MPa空氣壓力。增速裝置機(jī)匣的位移場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)如圖3、圖4所示。分析可得，機(jī)匣的綜合位移最大值為108 μm，等效應(yīng)力最大值為57.0 MPa且遠(yuǎn)小于其材料的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5所示為增速裝置傳動(dòng)軸系實(shí)體模型。通過(guò)基于Romax的增速裝置各級(jí)傳動(dòng)軸力學(xué)性能分析得出：額定工況下傳動(dòng)軸最大彎曲變形為39.1 μm，極限工況下的最大彎曲變形為58.7 μm，滿足傳動(dòng)軸剛度要求；額定工況下傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力為34.5 MPa，極限工況下的最大應(yīng)力為51.8 MPa，滿足傳動(dòng)軸強(qiáng)度要求。

為驗(yàn)證增速裝置隔熱腔和供油管路隔熱措施的有效性，對(duì)其進(jìn)行了受熱分析計(jì)算。隔熱腔計(jì)算幾何模型見(jiàn)圖6，按照冷卻空氣從上側(cè)和左、右兩側(cè)分別供冷氣，在給定冷氣總流量和壓力條件下計(jì)算了增速裝置二維軸對(duì)稱溫度場(chǎng)和軸向截面溫度場(chǎng)。結(jié)果表明：給定條件下機(jī)匣最高溫度為717.6 K，高溫氣流通道外壁溫度呈中間高、兩側(cè)逐漸降低的規(guī)律分布。

圖7為增速裝置中間截面溫度場(chǎng)分布，圖8為隔熱腔溫度場(chǎng)分布。由圖7可知：機(jī)匣內(nèi)壁最高溫度約為666.4 K，冷卻空氣進(jìn)口以及滑油出口處機(jī)匣溫度較低，整個(gè)機(jī)匣溫度梯度較小。裝置沿徑向溫度分布較均勻，沿軸向溫度呈兩邊高中間低的分布規(guī)律，齒輪箱外壁最高溫度為374.5 K。由于滑油流動(dòng)增強(qiáng)了對(duì)流換熱，滑油進(jìn)出口位置處溫度分布較低。由圖8可知，隔熱腔的設(shè)計(jì)較好(內(nèi)、外壁溫差約250 K)地將外部熱源與裝置傳動(dòng)組件箱體有效隔離，且保證了供油管路不受流道內(nèi)熱氣流的影響。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為確保該型增速裝置滿足某型高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行要求，對(duì)其進(jìn)行了調(diào)試運(yùn)行試驗(yàn)。運(yùn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)速不低于該型壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)著重考核增速裝置的振動(dòng)特性、齒輪分馬力傳動(dòng)的匹配性，以及升速與降速過(guò)程的狀態(tài)吻合性。圖9為增速裝置調(diào)試中最高轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)圖譜。可見(jiàn)最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速下增速裝置運(yùn)行平穩(wěn)，基頻最高不超過(guò)0.15g，且沒(méi)有明顯的齒輪嚙合頻率和邊頻成分。圖10示出了增速裝置各支點(diǎn)溫度隨轉(zhuǎn)速升高的趨勢(shì)。可見(jiàn)，調(diào)試全過(guò)程中，增速裝置各支點(diǎn)溫度平穩(wěn)過(guò)渡，不存在異常變化，說(shuō)明三分流齒輪傳動(dòng)匹配正常；同時(shí)，針對(duì)升速和降速過(guò)程進(jìn)行的原始數(shù)據(jù)對(duì)比也未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

6 結(jié)論

(1)該型增速裝置設(shè)計(jì)合理，符合壓氣機(jī)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行要求。

(2)調(diào)試試驗(yàn)中增速裝置的各項(xiàng)指標(biāo)均高于設(shè)計(jì)預(yù)期，為后期滿載荷運(yùn)行打下了良好基礎(chǔ)。

(3)在壓氣機(jī)試驗(yàn)設(shè)備中應(yīng)用此種增速方式可較好地解決設(shè)備運(yùn)行瓶頸，擴(kuò)展試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行范圍。但此種方案也增加了設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，給試驗(yàn)過(guò)程增添了較多的監(jiān)控分析工作。建議在進(jìn)行新型壓氣機(jī)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)劃中，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的方式提高設(shè)備運(yùn)行轉(zhuǎn)速更為合理。

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