連續(xù)式跨聲速風洞中壓縮機一體化設(shè)計

周恩民，顧蘊松，程松，劉愷，張文，王儀田，熊波

(1.南京航空航天大學 航空學院, 江蘇 南京 210016; 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000;3.西安陜鼓動力股份有限公司, 陜西 西安 710075)

0 引言

風洞試驗是航空航天飛行器研制過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。跨聲速風洞試驗作為空氣動力學研究的主要手段之一，在先進飛行器研制日趨精細化的背景下，正向著模擬真實化、測量精細化、試驗高效化方向發(fā)展，同時對結(jié)構(gòu)尺寸大、流場品質(zhì)好、測量精度高的大型連續(xù)式跨聲速風洞的需求也日趨緊迫[1]。

連續(xù)式風洞區(qū)別于常規(guī)暫沖式風洞的最顯著特點，是利用軸流壓縮機代替中壓氣源作為風洞的動力系統(tǒng)，驅(qū)動風洞主回路氣流流動，連續(xù)地、長時間地提供試驗段流場建立所需的壓比，從而實現(xiàn)風洞的連續(xù)式運轉(zhuǎn)[2]。軸流壓縮機是連續(xù)式跨聲速風洞的心臟，具有運行范圍寬、轉(zhuǎn)速控制精度高、運行工況多變、密封要求嚴等特點，為機組的研制帶來了諸多難度和挑戰(zhàn)，其成功與否影響著風洞建設(shè)的成敗。國內(nèi)連續(xù)式風洞建設(shè)起步較晚，技術(shù)儲備和經(jīng)驗不足。在此之前，西北工業(yè)大學通過多年攻關(guān)，解決了NF-6風洞壓縮機軸承漏油、電機加增速箱驅(qū)動等關(guān)鍵問題，研制了國內(nèi)第1套連續(xù)式風洞軸流壓縮機[3-5]。近年來，陳振華等[6]開展了某低溫風洞壓縮機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了壓縮機主軸-輪轂連接、輪轂-葉片連接、軸承潤滑、密封結(jié)構(gòu)形式以及軸系熱防護等關(guān)鍵問題，并通過試驗驗證了設(shè)計可靠性；聶徐慶等[7]建立了某連續(xù)式風洞動力系統(tǒng)復雜軸系的轉(zhuǎn)子動力學模型，計算得到了軸系的臨界轉(zhuǎn)速和振型，并經(jīng)過了試驗結(jié)果驗證；張文等[8]為提高連續(xù)式風洞動力系統(tǒng)運行安全性，研究了軸流壓縮機在風洞應用中的軸系、運行工況和馬赫數(shù)控制的安全特性，得到了壓縮機軸系運行參數(shù)報警閾值和防喘振曲線設(shè)置依據(jù)；賈赫權(quán)[9]研究確定了0.6 m連續(xù)式風洞壓縮機軸系轉(zhuǎn)子動力學建模方法，完成了橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動特性仿真分析，并通過試驗驗證了建模及分析方法的正確性。

0.6 m連續(xù)式風洞是中國空氣動力研究與發(fā)展中心建設(shè)的首座連續(xù)式高速風洞，也是后續(xù)大型連續(xù)式跨聲速風洞的引導風洞。本文針對連續(xù)式跨聲速風洞總體設(shè)計對主回路驅(qū)動壓縮機的特殊設(shè)計要求，對0.6 m連續(xù)式風洞壓縮機的設(shè)計進行了詳細闡述，開展的相關(guān)試驗驗證了設(shè)計的合理性和可靠性。

1 風洞設(shè)計對驅(qū)動壓縮機的要求

0.6 m連續(xù)式風洞布局如圖1所示，其試驗段截面尺寸為0.6 m×0.6 m[10]；穩(wěn)定段總壓p0為(0.15～2.50)×105Pa[10]；試驗段氣流總溫T0為280～323 K[10]；試驗段設(shè)計馬赫數(shù)為0.2～1.6[10]；馬赫數(shù)控制精度ΔMa≤0.001～0.002[11].

圖1 0.6 m連續(xù)式風洞布局示意圖

0.6 m連續(xù)式風洞運行范圍寬、工況復雜、馬赫數(shù)控制精度要求高，對主回路驅(qū)動軸流壓縮機的設(shè)計提出了較高的技術(shù)要求，主要表現(xiàn)在以下5個方面。

1.1 運行范圍要寬廣

區(qū)別于常規(guī)工業(yè)軸流壓縮機運行工況較為固定，連續(xù)式風洞為了滿足在寬廣的試驗段馬赫數(shù)范圍內(nèi)運行，要求壓縮機能夠在非常寬廣的范圍內(nèi)正常穩(wěn)定運行[1]。0.6 m連續(xù)式風洞各試驗馬赫數(shù)下的風洞運行壓比如圖2所示，要求壓縮機壓比ε覆蓋的取值范圍為1.040～1.475；風洞試驗段空氣流量隨總壓和馬赫數(shù)變化的曲線如圖3所示，要求壓縮機質(zhì)量流量G覆蓋的取值范圍為4.2～210.0 kg/s.

圖2 壓縮機壓比需求

圖3 壓縮機質(zhì)量流量需求

1.2 氣動性能要優(yōu)良

在風洞試驗段尺寸和試驗馬赫數(shù)確定，即軸流壓縮機流量需求給定的情況下，壓縮機氣動性能的優(yōu)良程度主要體現(xiàn)在壓比、效率等方面。其中，壓比體現(xiàn)了壓縮機的做功能力，主要影響到壓縮機運行范圍和風洞試驗馬赫數(shù)范圍；效率則體現(xiàn)了壓縮機中能量轉(zhuǎn)化過程和流動過程的完善程度，反映了流動損失的大小，直接影響著壓縮機的驅(qū)動功率，二者呈反比，效率越高，驅(qū)動功率即能耗越低。特別是對后續(xù)大型連續(xù)式跨聲速風洞而言，由于風洞尺寸大、流量高，所需功率巨大，效率的細微提高都可以帶來能耗的大幅下降。

因此，為了充分發(fā)揮0.6 m連續(xù)式風洞作為引導風洞的作用、節(jié)約能源、提高能效比，壓縮機要設(shè)計盡量高的效率，要求壓縮機設(shè)計點多變效率η≥80%.

1.3 轉(zhuǎn)速控制精度要高

馬赫數(shù)控制精度是衡量風洞流場品質(zhì)好壞的核心指標。對于連續(xù)式風洞而言，軸流壓縮機轉(zhuǎn)速的精確控制則是影響風洞試驗馬赫數(shù)控制精度的最關(guān)鍵因素[11]。

為了達到馬赫數(shù)控制精度ΔMa≤(0.001～0.002)的國家軍用標準先進指標要求[11]，0.6 m連續(xù)式風洞總體設(shè)計對壓縮機提出了轉(zhuǎn)速控制精度δn≤0.03%的較高要求。

1.4 密封要嚴密

一方面，軸流壓縮機的轉(zhuǎn)子和軸承箱位于風洞內(nèi)流道，其密封性能至關(guān)重要，如果發(fā)生漏油，則油滴會隨風洞內(nèi)的高速氣流一起運動，污染風洞設(shè)施，損壞試驗模型，改變試驗介質(zhì)，影響風洞試驗結(jié)果[4]；另一方面，還要防止漏氣，既要防止風洞內(nèi)部氣體向洞體外泄漏，以免影響風洞穩(wěn)定段總壓控制，還要防止風洞外部的濕空氣進入風洞內(nèi)部，以免試驗氣體濕度過大，進行0.8以上高馬赫數(shù)試驗時試驗段起霧，影響試驗進行。因此，要求對密封精心設(shè)計，防止漏油、漏氣，以滿足風洞正常運行要求。

1.5 喘振預防要安全可靠

連續(xù)式風洞是一種閉環(huán)回路的特殊管網(wǎng)，風洞試驗中，試驗馬赫數(shù)、模型迎角等參數(shù)的改變會直接引起壓縮機運行工況點特別是入口流量的變化，尤其是在最高試驗馬赫數(shù)下，壓縮機運行工況點靠近喘振區(qū)，容易誘發(fā)喘振[12-13]。因此，除了要求壓縮機常用工況點效率較高而且喘振裕度較大外，還要求防喘振措施安全、可靠，保證機組運行安全。

2 驅(qū)動壓縮機設(shè)計

2.1 壓縮機在風洞中的布置位置

連續(xù)式風洞軸流壓縮機通常設(shè)置于第2拐角段下游。一方面，壓縮機距風洞試驗段上下游較遠，可減小壓縮機對試驗段氣流品質(zhì)的不利影響；另一方面，可以減少整個軸系的長度，降低長軸的設(shè)計難度[3]。但是，由于后續(xù)大型連續(xù)式風洞壓縮機驅(qū)動功率巨大，采用壓縮機設(shè)置于第2拐角段下游的方案時，要采用多臺電機串聯(lián)驅(qū)動的布置方式，最后一臺電機與壓縮機連接處的聯(lián)軸器要承受非常大的扭矩，經(jīng)充分調(diào)研，國產(chǎn)化難度很大。

為了保證0.6 m連續(xù)式風洞對后續(xù)大型連續(xù)式風洞的模擬功能和引導性，經(jīng)反復論證，決定采用將0.6 m連續(xù)式風洞驅(qū)動壓縮機布置于風洞第1、2拐角段之間，由兩臺電機雙端同步拖動的方案。布置方式如圖4所示。同時，如果壓縮機整流尾罩布置在第2拐角段上游位置，則受整個軸系長度和空間尺寸限制，會導致整流尾罩的擴開角偏大，容易產(chǎn)生氣流分離，增大壓力損失。因此，將整流尾罩延伸至第2拐角段下游位置，采用L型布局，兼顧整流尾罩擴開角設(shè)計和整個軸系長度兩個因素。

圖4 壓縮機布置方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 壓縮機氣動設(shè)計及性能保證

壓縮機氣動設(shè)計的可靠性至關(guān)重要，如果在風洞所需的流量范圍內(nèi)壓比和效率達不到相應需求，將嚴重影響風洞的運行范圍和使用效率，出現(xiàn)顛覆性錯誤。

設(shè)計中，采用了成熟可靠的模化設(shè)計技術(shù)，在保證各工況點效率較高的基礎(chǔ)上，盡量增大壓比富裕量，提高可靠性；同時，為了滿足風洞寬廣的運行范圍，將壓縮機設(shè)計為靜葉可調(diào)，風洞試驗過程中通過靜葉角度的調(diào)節(jié)，既可以擴大壓縮機的運轉(zhuǎn)范圍，還可以提高不同工況的壓縮機效率。一旦預估的風洞流量和壓力損失產(chǎn)生偏差，可以通過改變靜葉角度進而改變壓縮機氣動性能進行調(diào)節(jié)。

經(jīng)反復迭代優(yōu)化，將壓縮機型號確定為西安陜鼓動力股份有限公司生產(chǎn)的AV90-3靜葉可調(diào)、3級軸流壓縮機，輪轂直徑900 mm.設(shè)計最高工作轉(zhuǎn)速3 600 r/min，靜葉角θ在46°～76°范圍可調(diào)(常用設(shè)計靜葉角66°)。

2.3 壓縮機與風洞拐角一體化設(shè)計

壓縮機布置于風洞第1拐角段、第2拐角段之間，采用軸向進氣、軸向排氣方式，風洞試驗段的氣流經(jīng)過第1拐角段后進入壓縮機，經(jīng)過壓縮增壓后進入第2拐角段。為了減少氣流壓力損失，采用一體化設(shè)計理念，將壓縮機進氣室、排氣室分別與第1拐角段和第2拐角段進行整體設(shè)計，兩端的長聯(lián)軸器分別穿過第1拐角段和第2拐角段，如圖4所示。為了方便安裝維護，除兩端聯(lián)軸器套筒及整流尾罩外，其余零部件均設(shè)計為中剖分結(jié)構(gòu)。

以進氣室為例，進氣軸承箱的下半部分與進氣室焊接成一體，軸承箱蓋單獨和軸承箱下半部分通過螺栓聯(lián)接。為了減少氣流壓力損失，在拐角段設(shè)有翼型拐角導流片，其中第1拐角段共11片，采取等間距布置。為了減少壓縮機長聯(lián)軸器套筒對風洞流場的影響，對套筒進行了整流處理。進氣室中剖分效果如圖5所示，排氣室結(jié)構(gòu)與此類似。

圖5 壓縮機進氣室三維效果圖

為了更加準確地獲得壓縮機進、排氣室與風洞第1、2拐角段一體化設(shè)計后的流動情況特別是壓力損失情況，進行了數(shù)值仿真計算。進、排氣室的三維造型使用計算機輔助設(shè)計與制造UG軟件；網(wǎng)格劃分使用計算機輔助工程前處理ICEM軟件，采用四面體或六面體混合網(wǎng)格，其中進氣室網(wǎng)格數(shù)約760萬，排氣室網(wǎng)格數(shù)約710萬；湍流模型采用k-ω模型，傳熱采用總能模型；進氣室設(shè)置進口質(zhì)量流量和總溫、出口靜壓的邊界條件；排氣室設(shè)置進口總溫、總壓、出口質(zhì)量流量邊界條件。

計算結(jié)果表明，一體化設(shè)計特別是采用翼型拐角導流片和對長聯(lián)軸器套筒整流處理后，進、排氣室的氣流流動均勻性和穩(wěn)定性得到改善，壓力損失降低。其中，進氣室在風洞設(shè)計點工況(p0=2.5×105Pa，T0=300 K，Ma=0.9)的流線圖如圖6所示，總壓云圖如圖7所示。

圖6 壓縮機進氣室流線圖

圖7 壓縮機進氣室總壓云圖

2.4 防止漏油設(shè)計

壓縮機容易漏油的地方有3處：軸承箱兩端油封、軸承箱中分面、聯(lián)軸器套筒與軸承箱連接處。為防止?jié)櫥托孤┑綁嚎s機和風洞內(nèi)流道，進行了針對性防漏油設(shè)計，如圖8所示。

圖8 軸承箱及密封示意圖

圖8中：在油封Ⅰ處設(shè)計有充氣密封，在其與氣封之間設(shè)計一個放空腔，便于密封氣排出；與聯(lián)軸器相連的轉(zhuǎn)子伸出端設(shè)計有油封Ⅱ；在軸承箱中分面設(shè)置密封條，同時在外側(cè)設(shè)計一個與放空腔相連的通氣槽，始終與大氣聯(lián)通，保持常壓，防止?jié)櫥蛷闹蟹置嫘孤┲羶?nèi)流道；壓縮機與電機間的聯(lián)軸器采用套筒結(jié)構(gòu)，套筒與軸承箱端面通過法蘭連接，采用O型圈進行密封。

2.5 防止漏氣設(shè)計

為防止風洞內(nèi)部氣體向洞體外泄漏和風洞外部的濕空氣進入風洞內(nèi)部，對壓縮機轉(zhuǎn)子軸端處的旋轉(zhuǎn)動密封進行了針對性防漏氣設(shè)計，如圖9所示。

圖9 防漏氣密封設(shè)計示意圖

采用側(cè)齒密封+充氣密封的組合密封方式。在油封充氣口和氣封充氣口分別充干燥密封氣，在油封和氣封之間設(shè)置一個放空腔，通過軸承箱的支撐筋板和大氣聯(lián)通。通過控制程序使密封氣的壓力始終高于內(nèi)流道的氣體壓力，進而阻滯內(nèi)流道的氣體向外泄漏，多余的密封氣則通過放空腔排出。

2.6 高精度變頻調(diào)速設(shè)計

如果壓縮機轉(zhuǎn)速控制精度較差，將造成出口氣流大幅波動，從而影響到風洞試驗段氣流的穩(wěn)定性和風洞馬赫數(shù)控制精度指標的實現(xiàn)，必須保證兩臺電機雙端對拖變頻調(diào)速系統(tǒng)的同步、穩(wěn)定、精確調(diào)速。

設(shè)計時采用主從控制模式和矢量控制技術(shù)，使兩臺各自獨立變頻器的給定參數(shù)、控制參數(shù)、啟停動作實時保持一致，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速一致、功率平衡[11]。

2.7 防喘振控制設(shè)計

喘振是軸流壓縮機的固有特性，一旦進入深度喘振，特別是發(fā)展為逆流、持續(xù)逆流，就會發(fā)生毀機的嚴重后果[2，11-15]，因此必須在壓縮機測控系統(tǒng)中設(shè)計安全可靠的防喘振控制子系統(tǒng)。

為了既要有效防止壓縮機進入喘振區(qū)，又要保證壓縮機在防喘振動作線右方的安全運行范圍能夠滿足風洞試驗馬赫數(shù)設(shè)計指標的實現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗和實際情況，在實測喘振邊界線上的右方分別預留6%和12%的流量喘振裕度[11]，設(shè)置相應的防喘振動作線和防喘振報警線，如圖10所示。

圖10 防喘振控制示意圖

風洞試驗過程中，測控系統(tǒng)會實時嚴密監(jiān)控壓縮機運行工況點的位置。一旦工況點觸碰防喘振報警線，系統(tǒng)就會自動發(fā)出報警聲音，提醒崗位人員注意；如果工況點繼續(xù)向左上方移動并觸碰防喘振動作線，系統(tǒng)就會自動打開防喘振旁路上的防喘振閥(見圖1)，迅速增大壓縮機入口流量，使工況點向右下方移動，遠離喘振區(qū)，避免喘振發(fā)生。

3 試驗驗證

為了全面檢驗0.6 m連續(xù)式風洞驅(qū)動壓縮機的設(shè)計效果，在機組制造、安裝完成后，先后進行機械運轉(zhuǎn)試驗、氣密性試驗、轉(zhuǎn)速控制精度測試試驗、熱力性能試驗、喘振預防試驗[10]。

3.1 機械運轉(zhuǎn)試驗

為防止壓縮機振動過大、影響風洞其他設(shè)備，采用壓縮機不與風洞合攏連接的開口試驗方式，壓縮機入口為常溫、常壓環(huán)境大氣工況。

試驗結(jié)果[15]表明：機組運行平穩(wěn)，軸振動最大29.4 μm，軸位移最大0.16 mm，分別遠小于其報警值108.0 μm和0.40 mm，表明壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，機械性能良好。

3.2 氣密性試驗

先進行靜態(tài)氣密性試驗，再進行動態(tài)氣密性試驗。靜態(tài)氣密性試驗時，用盲法蘭把氣封、油封口全部封住，停供密封氣，啟動真空泵，在負壓和壓縮機靜止狀態(tài)下檢驗機組各連接部位(如中分面)有無漏點。動態(tài)氣密性試驗時，正常供密封氣，啟動真空泵，在負壓和壓縮機正常運行狀態(tài)下檢驗機組密封性能，特別是要重點關(guān)注有無潤滑油泄漏至內(nèi)流道。

試驗結(jié)果[10]表明：壓縮機密封設(shè)計合理可靠，密封效果良好，即使在穩(wěn)定段總壓p0=0.15×105Pa的最低負壓工況也未發(fā)生潤滑油泄漏到內(nèi)流道的現(xiàn)象。

3.3 轉(zhuǎn)速控制精度測試試驗

將電機非傳動端原有的12位單圈1/4096分辨率編碼器的脈沖信號(含有正交的A、B兩相脈沖，相位差90°)復制分接成兩路，一路仍用于高壓變頻器的轉(zhuǎn)速控制，另一路用于外接轉(zhuǎn)速測量。采用自主研制的轉(zhuǎn)速測量裝置[16-17]對壓縮機轉(zhuǎn)速控制精度進行測試。該裝置基于編碼器正交輸出4倍頻和M/T測速法原理，脈沖采樣周期30 ms，標定后相對額定最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min的理論測速精度為0.003 4%[10].

試驗結(jié)果[10-11]表明：壓縮機1 500 r/min、1 800 r/min、2 400 r/min、3 000 r/min、3 600 r/min下的轉(zhuǎn)速控制精度分別達到了0.013 6%、0.010 3%、0.023 8%、0.016 9%、0.028 9%的較高水平，滿足δn≤0.03%的設(shè)計指標要求。

3.4 熱力性能試驗

通過緩慢調(diào)節(jié)風洞二喉道通流面積，逐步減小壓縮機進氣流量，采用“逼喘”方式測試出等轉(zhuǎn)速線。試驗過程中，通過測量壓縮機進、排氣側(cè)的壓力波動情況判別喘振。最后，將各等轉(zhuǎn)速線上的喘振點相連，得到喘振邊界線[10-11]。

采用熱平衡法，在壓縮機進、排氣口分別設(shè)置的2個總溫、總壓組合式一字型排架，通過測量達到熱平衡后的壓縮機壓比和進、排氣溫度，計算得出壓縮機多變效率[10]。

試驗獲得了完整的壓縮機性能曲線，如圖11所示。試驗結(jié)果[10]表明：壓縮機常用設(shè)計靜葉角(θ=66°)最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min下實測喘振點壓比1.74，可以覆蓋風洞運行包絡線；設(shè)計點多變效率81.5%；能夠滿足風洞試驗對壓縮機性能的需求。

圖11 壓縮機性能曲線測試結(jié)果

3.5 喘振預防試驗

試驗時，正常運行壓縮機，調(diào)節(jié)風洞二喉道通流面積，實施“逼喘”，以此檢驗防喘振系統(tǒng)的自動報警和防喘振功能是否正常。

試驗結(jié)果[10]表明：防喘振控制設(shè)計安全可靠，壓縮機運行工況點觸碰防喘振報警線后，系統(tǒng)能夠立即自動聲音報警；觸碰防喘振動作線后，系統(tǒng)能夠立即自動打開防喘振閥，有效避免了喘振發(fā)生。

4 結(jié)論

本文針對連續(xù)式跨聲速風洞對驅(qū)動壓縮機的特殊設(shè)計要求，克服了經(jīng)驗少、難度大等困難，成功完成了0.6 m連續(xù)式風洞驅(qū)動壓縮機的設(shè)計，并通過了試驗驗證。得到主要結(jié)論如下：

1)采用一體化設(shè)計理念，將壓縮機進氣室、排氣室分別與第1拐角段和第2拐角段進行一體化氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計，壓縮機整流尾罩延伸至第2拐角段下游位置，整個機組采用L型布局，結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，有效減小軸系長度。數(shù)值計算結(jié)果表明，進、排氣室的氣流流動均勻性和穩(wěn)定性得到改善，壓力損失降低。一體化設(shè)計后，有效解決了為充分發(fā)揮0.6 m連續(xù)式風洞的模擬功能和引導作用，將主回路驅(qū)動壓縮機布置于風洞第1拐角段、第2拐角段之間帶來的壓縮機氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計難題。

2)采用模化設(shè)計技術(shù)進行了壓縮機氣動設(shè)計，通過熱力性能試驗實測出了壓縮機完整的性能曲線，設(shè)計靜葉角(θ=66°)下實測喘振點最高壓比1.74，設(shè)計點多變效率81.5%，能夠滿足風洞試驗對壓縮機性能的需求。

3)采用充氣密封、設(shè)置放空腔、密封條、O型圈等設(shè)計，解決了壓縮機的動密封和靜密封問題，有效防止了潤滑油泄漏到風洞內(nèi)流道，以及風洞內(nèi)部試驗氣體向洞體外泄漏和風洞外部濕空氣進入風洞內(nèi)部，密封效果良好。

4)采用主從控制模式和矢量控制技術(shù)，獲得了媲美直流調(diào)速的動態(tài)性能，壓縮機實測轉(zhuǎn)速控制精度優(yōu)于0.03%，達到了較高的水平，為風洞試驗馬赫數(shù)控制精度指標的實現(xiàn)提供了保證。

5)采用在實測喘振邊界線的基礎(chǔ)上設(shè)置防喘振動作線和防喘振報警線的方法，通過控制程序自動進行喘振預防，避喘效果較好，防喘振控制安全可靠。