多功能渦輪冷卻試驗器子系統分析及應用

初廣宇 李雪罡 郝悅

摘要：本文以某渦輪冷卻試驗器為例，分析其子系統組成，并從系統工藝原理角度出發，分析其建設中對于建安配套的需求產生的原因。最終通過搭建試驗器，以實驗驗證試驗器建設的正確性，為今后同類試驗器建設提供參考。

隨著國家對于發動機研制投入的增加，將會有越來越多的同類試驗器投入建設。分析總結試驗器建設的影響因素并歸納總結對于今后同類試驗器建設是很有必要的。

關鍵詞：渦輪冷卻試驗器；建安工程

1.引言

發動機渦輪是將高溫高壓燃氣的能量轉變為軸功輸出的葉輪機械，是發動機的重要組成部分之一。通過分析發動機熱力循環增加壓氣機增壓比、提高渦輪進口溫度是提高渦輪性能的重要手段。隨著渦輪入口溫度的不斷提高，渦輪部件所承受的熱應力不斷增加，渦輪部件工作環境急劇惡化。為保證渦輪葉片正常工作，需要研制許用溫度更高的材料或研發更先進的渦輪部件冷卻技術。由于現階段材料耐溫極限以每年8K的速度發展[1]，遠遠落后于渦輪進口溫度的提升速度，因此研究更先進的冷卻技術成為渦輪研究的一項重要任務。基于以上原因，在各個發動機研究所及研究機構內均建有研究渦輪冷卻技術試驗器。為配合建設，需要從試驗器工藝子系統組成出發，結合具體試驗器使用，探究工程建設中配套設施需求。

2渦輪冷卻試驗器分類

渦輪部件試驗主要包括平面葉柵試驗、環形葉柵試驗、渦輪性能試驗、渦輪導向器試驗等[2]。其中平面葉柵試驗、環形葉柵試驗、渦輪導向器不涉及旋轉試驗件，試驗器系統較為單一，因此本文以一種多功能旋轉渦輪盤試驗器為例，分解各個子系統并總結其需求。該試驗器結構圖如下圖所示：

3系統組成及建安工程需求

本試驗器主要包括進氣系統、排氣系統、試驗件、支撐臺架、傳動系統、測試系統、動力系統組成。

（1）進氣系統及建安需求

進氣系統的主要作用是將工質輸送到試驗件當中，并通過進氣調節閥調節進氣流量。本試驗器進氣系統主要包括穩壓罐、過濾器、進氣調節閥、流量計等部件組成。根據試驗對進口流場品質的需求及進口溫度的需求，試驗器進氣系統還可以增設進氣加熱器及整流段。本試驗器主要進行常溫試驗且室內部分管道較短，因此采用П型彎進行自然補償。

進氣管道沿壁面敷設，配套設置有管道支架。進氣加熱器可以分為燃燒直接加熱及電加熱兩種。采用直接加熱時需增設油泵間或燃料間為燃燒器供應燃料。通常燃料間為防爆房間，房間火災危險性根據燃料的物性，依據《建筑設計防火規范》確定。采用電加熱器時有兩種安裝方式，臥式及立式，臥式暗轉需要空間較寬，立式需要空間較高。因此房間內設有電加熱器時需根據設備安裝方式確定試驗間寬度及下弦標高。

（2）排氣系統

排氣系統主要作用是將試驗后的尾氣收集并經過降溫后有組織的排放，以滿足環境及噪音排放要求。本試驗器排氣系統主要包括排氣收集器，排氣管道、排氣背壓閥門、排氣管道消音器組成。

由于流量較小，本試驗器尾氣收集器為環形腔體。腔體位于試驗件下游支撐座內。腔內設有軸承支撐傳動系統中心軸。試驗后的尾氣在試驗件內流入中心軸中并沿中心軸進入尾氣收集腔內，最終通過排氣管道排入大氣。

常規渦輪試驗器排氣收集裝置為排氣蝸殼。蝸殼有頂排與側向排氣兩種。頂排排氣塔位于排氣蝸殼頂部，排氣流程短，不會影響試驗間內物流通道。側向排氣不會對廠房內電動起重機運行造成影響，同時相對于頂排，對屋內梁柱承重要求小。因此需要綜合考慮設備方案以提出合理的房間工藝布局。另外，排氣蝸殼有檢修、更換的需求，因此廠房下弦標高及寬度需要預留不小于蝸殼外徑的空間。

（3）試驗件

試驗件時試驗器的主體，也是試驗器所有部件中心標高的確定依據。由于渦殼、電機、水力測功機等部件需要與試驗件中心標高一致，因此試驗件標高同樣會影響廠房下弦高度。

（4）動力系統

動力系統主要用于驅動試驗件進行高速旋轉，并維持試驗件轉速恒定。動力系統主要包括動力電機、電機控制柜等部件。

（5）測試系統

測試系統主要包括傳感器受感部、傳輸導線、采集卡及數據處理顯示計算機組成。主要用于收集并存儲實驗的測試結果。依據測試的種類不同，需要的配套建安工程條件也不同。例如進行光學測試時，光源對于地面隔振要求高，需要在試驗間內設置隔振基礎等。本試驗器僅進行常規的溫度、壓力測試，無特殊要求。

4 應用實例

4.1試驗器參數

按照上述試驗器組成及建安工程技術要求搭建試驗器。試驗器各子系統參數如下：

（1）進氣系統：試驗采用壓縮空氣作為試驗工質，進氣流量不大于600kg/h，進氣壓力不大于0.8MPa，試驗件進口溫度常溫。

（2）排氣系統：最大排氣流量不大于600kg/h。

（3）動力系統：試驗器采用直流電機驅動試驗件高速轉動，電機額定功率30kW，額定轉速3000rpm。

（4）試驗件：試驗件為輪緣開孔的旋轉腔。腔體間隙最大處s=18mm，底部進氣段間隙9mm。實驗由外徑120mm的中心軸及內徑142mm的盤面連接件之間的環形間隙進氣。如下圖所示：

Farthing進行了不同數據記錄時間的同工況實驗，可以看到在橫坐標無量綱測試位置不大于0.9的徑向位置內，Farthing得到的無量綱溫度分布規律與本次試驗結果是相近的。結合Chew[4]，Morse[5]，Owen（1979）[6]的研究，產生這種溫度分布規律的原因是在軸向進氣徑向出氣的腔體中，氣體會在腔體進口段形成一個小的誘導渦團，同時氣體受到慣性力的作用，使得氣體沿著下游盤壁面流入到腔體中。徑向出氣腔內氣體的徑向速度較軸向出氣腔大，因而在經過進口端之后，會在進入腔體后再上游盤壁面處形成一個大渦團。這個渦團阻礙了上游盤低半徑處的換熱，因而出現上下游盤面溫度差沿徑向減小的無量綱溫度分布。

5結論與展望

本文從分析一種多功能旋轉渦輪盤試驗器各個子系統工藝組成及原理出發，提出其工程建設的需求，并結合實驗論證了做提出的建設需求的正確性。從實驗結論上看，新建設的試驗器可以滿足使用要求。

隨著國家對于發動機及燃氣輪機投入的增加，越來越多類型、功能、參數的試驗器逐步進入到實施階段。通過分析不同試驗器試驗任務需求，得到試驗器應有的子系統組成，并分析出相應的土建技術要求對于未來試驗器建設有很大的幫助，在未來也必將得到更多的應用。

參考文獻

[1]Hennecke D K. Turbine Cooling in Aeroengines[R]. Von Karman Inst.LS 1982-02

[2]黃慶南 航空發動機設計手冊 航空工業出版社 2001

[3]P.R .Farthing and J.M. Owen，The Effect of Disk Geometry on Heat Transfer in a Rotating Cavity With a Radial Outflow of Fluid[J]，ASME Paper No.87-GT-163.

[4]Chew，J. W. Computation of flow and heat transfer in rotating cavities[D]. University of Sussex，1982.

[5]Morse A P. Numerical prediction of turbulent flow in rotating cavities[J]. Journal of Turbomachinery，1988，110（2）：202-212.

[6]Owen J M，Pincombe J R. Velocity measurements inside a rotating cylindrical cavity with a radial outflow of fluid[J]. Journal of Fluid Mechanics，1980，99（1）：111-127.

（作者單位：中國航空規劃設計研究總院有限公司）