國外典型航空發動機連續式渦輪試驗器簡介

張星

摘要：渦輪試驗器是航空發動機研制的關鍵設備，本文通過收集相關資料，整理出目前國外主要航空發動機研制單位及國外相關大學、研究所的連續式渦輪試驗器的參數和特點，為國內渦輪試驗和渦輪試驗器建設提供參考。從文中可以看出，雖然目前航空發動機渦輪效率已經達到了一個較高的水平，但是各研制單位依舊投入了大量人力物力去提高渦輪試驗水平，尤其在部分新的研究領域，例如高低壓渦輪匹配、低壓渦輪低Re數性能，低壓渦輪噪聲等。

Abstract： This article introduced some typical continuous aero-engine turbine test facilities abroad. It can be a reference for the civil turbine test and facility construction. We can have a conclusion from this article that turbine test still plays an important role though the turbine efficiency has reached a relative high level. The western OEMs， universities and institutes are still putting large amount of funds on the turbine test facility especially some new research area such as HPL&LPT matching， LPT low Re test， LPT noise emissions test.

關鍵詞：國外;航空發動機;渦輪;試驗器;綜述

Key words： foreign;aero-engine;turbine;test facility;overview

0? 引言

航空發動機渦輪試驗器主要用于航空發動機渦輪部件性能研究，其基本原理如圖1。借助渦輪試驗器，可以得到渦輪部件的效率、流通能力、做功能力等特性，根據這些特性，部件設計方可以提升設計方法，總體設計單位可以修改各部件匹配規律，因此，渦輪試驗器是航空發動機研制的一個關鍵設備。

由于渦輪試驗器是一個旋轉試驗設備，在供排氣之外還需要解決功率吸收和復雜的轉子動力學等問題，結構復雜、耗資大、建設難度高、建設周期長，是一個試驗基地建設的難點，堪稱試驗器建設領域的明珠。

通常，渦輪試驗器還可以進行導向器環吹、過渡段性能、渦輪盤腔旋轉換熱等試驗，所以，渦輪試驗器也常被稱為渦輪綜合試驗器。本文所指的渦輪試驗器皆指連續式的渦輪試驗器，暫沖式（短周期）渦輪試驗器可以參考文獻[1]。

1? 渦輪試驗器的分類

作為一種典型的非標試驗設備，由于設計目的、配套條件的差異，渦輪試驗器呈現出不同的特點。總體而言，渦輪試驗器主要可以從以下兩個維度進行分類：

①從氣體工質循環角度分類，分為開式渦輪試驗器和閉式渦輪試驗器;

②從試驗臺架部分的結構分類，分為單軸渦輪試驗器和雙軸渦輪試驗器，或者A/B/C/D/E型。

1.1 開式和閉式

開式渦輪試驗器中，工質氣體一次性經過試驗件之后，就排向大氣。閉式渦輪試驗器與之不同，工質氣體處于循環流路中，會反復經過試驗件。開式試驗器利于調節，閉式試驗器節省能源。

1.2 單軸和雙軸

從渦輪試驗臺架結構分類，主要指從可試渦輪試驗件的功率輸出軸的數量來劃分，渦輪試驗器可以分為單軸和雙軸渦輪試驗器。最初，渦輪試驗器都是單軸渦輪試驗器，近些年來，由于研究高低壓渦輪匹配問題的需要，國外誕生了一大批雙軸渦輪試驗器。在單軸和雙軸渦輪試驗器基礎上，根據試驗臺架的結構形式還可以繼續細分為A/B/C/D/E型，如圖3所示。

不同結構的試驗器具有不同的優勢，如表1所示。

2? 國外主要航空發動機研制單位渦輪試驗器狀況

2.1 俄羅斯中央航空發動機研究院（CIAM）

CIAM是俄羅斯的主要航空發動機試驗基地。其渦輪試驗器代號TC-2，為單軸A型，供氣1300K，1MPa，60kg/s;排氣不低于20kPa;最大可吸收功率15MW，16000rpm。TC-2的最大特點在于率先使用了在試驗件進口增加燃燒室進行加溫的方式。這樣的加溫方式可以使渦輪試驗進口溫度達到1300K以上，這樣試驗器不但能夠完成氣動性能試驗，還可以進行很多換熱試驗和強度試驗。（圖4）

2.2 通用電氣公司航空發動機集團（GEAE）

GE公司主要有兩臺渦輪試驗器，A7和LSRT，其中，A7主要用于型號驗證，LSRT主要用于基礎理論研究。

2.2.1 A7[3]

A7試驗器在GE公司的地位非常重要。它采用開式B型布局，其供氣能力為922K，2.1MPa，45kg/s;排氣不低于25kPa;測功能力11.4MW，15000rpm。A7是70年代少有的對試驗件進口流場品質進行控制的試驗器，這樣的特點在渦輪試驗進入精細化時代的今天優勢更加明顯。（圖5）

2.2.2 LSRT[4]

LSRT（Low Speed Research Turbine）是一個很特別的試驗器，它主要用于基礎理論研究，放大尺寸的試驗件更加便于測試系統的安裝，而它并不完全循所謂的“相似理論”，進口Ma數與真實工況相差很遠，試驗結果需要修正。但是它降低了運行成本低，非常適合進行一些三維效應、端壁流動的基礎研究。（圖6）

2.3 普拉特·惠特尼公司（PW）[3]

PW公司主要有兩臺渦輪試驗器：X-203以及X-212，建設于上世紀70年代，位于willgoose試驗基地，借助基地龐大而豐富的氣源系統，可以提供多種工況的供抽氣選擇，最高可達700K，0.7MPa，68kg/s，通過試驗件前增加燃燒室還可以進一步提高溫度，但是由于試驗件的制造成本，振動控制，試驗的過程中幾乎不使用高溫狀態。（圖7、圖8）

2.4 羅爾斯·羅伊斯公司（RR）[5]

RR公司的雙軸渦輪試驗器名為TSTF（Twin Shaft Test Facility），可以進行雙軸高低壓渦輪匹配試驗，也可進行噪聲試驗，它本身也屬于Derby基地的高空臺的CELL-2部分。（圖9）

2.5 玻羅利航空協會（Polonia Aero）[6]

Polonia Aero是由Avio航空和華沙的一些大學組成的航空協會。CFTTF（Cold Flow Turbine Test Facility）2005年左右啟動，由Avio發起，初期準備建設在意大利，后改建于波蘭華沙，2015年完工，總花費1.88億茲羅提（3.86億RMB）。該試驗器試驗器為開式A型，供氣最高600K，750kPa，80kg/s;排氣最低24kPa，最大可吸收功率13MW。其特殊的進氣蝸殼設計保證了進口流場的品質，同時能夠噪聲測量，也為后續改造為雙軸試驗器預留了空間。（圖10）

2.6 NASA劉易斯中心

2.6.1 SECTF[7]

NASA劉易斯中心非常重視航空發動機渦輪試驗，在80年代建設了一個用于小發部件試驗的試驗器SECTF（the Small Engine Components Test Facility），它有兩個艙，一個用于渦輪試驗（Turbine Testing Cell），一個用于壓氣機試驗。該渦輪試驗器尺寸功率都較小，它已經開始大量使用自動控制系統，例如設置閥門后的壓力，不再需要手動調節閥門開度，只需要設置相應的值即可。這大大降低了試驗器的操作難度，同時也節省了運行時間和能源，該試驗器只需要兩人就能操作，一個人負責設備控制，一個人負責數據采集。

2.6.2 DSTF

進入21世紀，NASA策劃了一個雙軸渦輪試驗器項目DSTF（Dual Spool Turbine Facility），它利用NASA已有的氣源系統，主要用于全尺寸對轉渦輪試驗，供氣能力810K，1.0MPa，70kg/s，排氣不低于7kPa，高壓端可試5590kW，4000rpm，低壓端可試5590kW，7500kW。該試驗器在策劃期間征詢了美國各主要發動機設計單位的試驗需求，包括軍方和各OEM，試驗能力覆蓋了未來很長一段時間的潛在機型。但是后來由于經費問題，該試驗器在完成最終設計之后并沒能進入工程實施階段。

2.7 德國宇航院（DLR）[8]

2.7.1 RGG

DLR在70年代建設了一臺渦輪試驗器RGG，該試驗器最初的設計目的是用于旋轉葉柵試驗，但后來運行中改為以渦輪試驗為主。它屬于閉式B型試驗器，供氣最高430K，150kPa，可試Re數5×104～1×106，最大測功能力1200kW，14000rpm。它利用一個水冷的冷卻器來調節溫度，試驗件前有一個整流室來調節流場品質，由于是閉式試驗器，使用成本較低，頻率高。（圖13）

2.7.2 NG-Turb

進入21世紀，考慮到RGG可試膨脹比較小，且未來存在這對轉渦輪試驗需求，DLR建設了新一代的渦輪試驗器NG-Turb（Next Generation Turbine Test Facility），該試驗器為閉式C型試驗器，供氣能力700K，0.2MPa，9kg/s，最大膨脹比12，可試Re數為1×105～1×106，最大測功能力1.0MW，13000rpm，于2013年建成。該試驗器為閉式試驗器，需要更好地進行調節控制。同時，它還使用了很多新的設備，例如增加燃燒室出口模擬器，靜子葉片和燃燒室模擬器可以旋轉以模擬“時鐘效應”，可以進行聲學試驗，大量使用光學溫、PSP、遙測等先進測試設備等，代表了國際雙轉子渦輪試驗器的最新水平。（圖14）

2.8 格拉茲大學（Graz University）

2.8.1 TTTF[4]

TTTF（Transonic Turbine Test Facility）建設于1999年，最初是一個單軸渦輪試驗器，現已改造為一個雙軸渦輪試驗器，開展高低壓渦輪帶過渡段的匹配試驗。其供氣能力為458K，0.5MPa，16kg/s，最大膨脹比12，排氣不低于77kPa，高壓端吸功能力2.8MW，11550rpm，低壓端0.7MW，3500rpm。TTTF最大的創新在于它使用了一個壓氣機取代測功器作為負載，吸收功率的同時又提升了供氣能力。這樣節約了能源，擴大了試驗范圍，這樣的設計理念后來被很多大學所采納，包括美國的Notre Dame大學和中國的哈爾濱工程大學等。（圖15）

2.8.2 STTF[9]

STTF（Subsonic Turbine Test Facility）是借助歐盟VITAL（Environmentally Friendly Aero Engine）項目而建設，2007年完工，采用了A型布局，最大流量：16kg/s，最高溫度：140℃，最大膨脹比：1.6，最高轉速6800rpm。主要目的用于承擔低壓渦輪及其后機匣的聲學試驗。（圖16）

2.9 斯圖加特大學（Stuttgart University）[10]

斯圖加特大學的試驗器ATRD（Advanced Turbine Research and Demonstration）主要借用了ILA的高空臺氣源設備，主要用于低壓渦輪試驗。該試驗器采用了B型布局，最高供氣能力480K，0.24MPa，120kg/s，最低排氣壓力為5kPa，測功能力隨著租用的測功器而改變。該試驗器進段口有一個巨大整流室，非常便于提高試驗器進口流場品質，同時借助高空臺的強大抽吸能力，非常利于開展低壓渦輪低Re數試驗。（圖17）

2.10 蘇黎世聯邦理工學院（ETH）[11]

ETH在2000年左右建設了一個用于基礎研究的渦輪試驗器Lisa（他們按照當地傳統，給試驗器賦予了一個女性名稱）。由于是一個基礎理論研究的試驗器，它并不針對某個對應機型的渦輪。該試驗器主要用于渦輪非穩態流動的研究，兩級渦輪同時也是試驗器的一部分。其進口壓力可到0.15MPa，最大流量16kg/s，最高轉速3000rpm。該試驗器擁有很多獨創性的設計，其中最特別的一點是該渦輪試驗器的兩級渦輪最后都安裝在同一個軸上，卻有著獨立的測扭計，以此可以得到功率到兩級渦輪上的分配規律。（圖18）

2.11 法國航空航天實驗室（ONERA）[12]

ONERA是法國重要的航空試驗基地。其渦輪試驗器代號TRUMA，為雙軸C型，供氣條件為450K，0.4MPa，11kg/s;排氣壓力不低于25kPa;高壓端最大可吸收功率2MW，轉速12500rpm，低壓端最大可吸收功率0.57MW，轉速9000rpm。TRUMA試驗器建設周期很長，1996年啟動，直到2007年才開始高壓轉子的調試，但是該試驗器顯示出了符合預期的良好進口均勻流場，以及良好的控制穩定性。（圖19）

3? 總結

從以上收集的國外渦輪試驗器資料可以看出，雖然目前渦輪的設計效率已經處于一個較高的水平，但是各研制單位依舊投入了很多精力進行渦輪的試驗研究，包括新建一些新的試驗器，這也反映出渦輪試驗在航空發動機研制過程中的重要性。

同時，從以上整理的信息可以看出，渦輪試驗器是一個非常典型的非標試驗設備，每個試驗器都有很大的個體差異性。試驗需求（建設目的）對于試驗器結構和參數有非常大的影響，筆者在資料整理的過程中了解到，包括Graz University、Polonia Aero、NASA等單位的試驗器，在建設過程中都曾出現過由于試驗需求更改導致試驗器設計更改的事情，因此，國內在試驗器建設之初，做好全面、細致的試驗器建設需求的論證和分析，是非常重要的工作，將會直接影響試驗器的最終使用效果。

從近來新建的渦輪試驗器中，也可以間接看出目前渦輪性能研究的一些新的方向，例如：

①高低壓渦輪帶過渡段的匹配尤其對轉渦輪的研究（如DLR的NG-Turb和ONERA的TRUMA）;

②低Re數條件下低壓渦輪的性能研究（如Polonia和Stuttgart大學的試驗器）;

③低壓渦輪的噪聲研究（如Polonia和Graz大學的STTF）。

國內在渦輪研究及試驗設備的建設的過程也應適當考慮這些研究方向的需求。

另外，從國外近年來的試驗器建設中還可以看到一個較為明顯的趨勢：渦輪試驗在精細化上的要求越來越高，這也是由于渦輪效率本身已經達到一個較高水平之后的必然要求，因為為了追求渦輪性能和效率的“微小”提升，必然需要試驗精度達到足夠高的水平。例如Stuttgart大學的渦輪試驗器，為了進行低壓渦輪低Re數試驗，它的進口就設計了一個很大的整流室，以提高進口流場的高品質，進而得到精確的試驗結果。而為進口流場品質花費如此大的代價，在早期的試驗器建設中很少出現。

參考文獻：

[1]秦立森，趙曉路，徐建中.短周期全尺寸渦輪試驗臺及關鍵技術[R]燃氣渦輪試驗與研究，2001，15（1）.

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[3]高效節能發動機文集[M].北京：航空工業出版社，1991.

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[6]http：//poloniaero.avioaero.com/.

[7]Brent C. Nowlin. Small Engine Components Test Facility Turbine Testing Cell[C]. AIAA/ASME/SAE/ASEE 24th Joint Propulsion Conference.AIAA-88-2962.

[8]http：//www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx.

[9]Mathias Moser， Gerald Kulhanek， Franz Heitmeir. Construction of a Subsonic Test Turbine Facility for Experimental Investigations of Sound Generation and Propagation for Low Pressure Turbines[C]. ISABE-2007-1366.

[10]Matthias Kürner. LP Turbine Reynolds Lapse Phenomena： Time Averaged Aera Traverse and Multistage CFD[C]. ASME Turbo Expo 2010， GT2010-23114.

[11]M. Sell. The 2-Stage Axial Turbine Test Facility "LISA"[C]. ASME TURBO EXPO 2001，2001-GT-0492.

[12]Jean-Marc Massonnat， Thomas Coton. Development in turbine testing at ONERA[C]. 27th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference. AIAA 2010-4536.