全尺寸吸附式壓氣機部件試驗技術芻議

張健新，張國旺

全尺寸吸附式壓氣機部件試驗技術芻議

張健新，張國旺

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

為了深入探討吸附式壓氣機試驗方法，簡要介紹國內外吸附式壓氣機葉柵試驗和全尺寸部件級試驗研究現狀和成果。通過解析大流量氣體抽吸和大流量氣體測量2項吸附式風扇/壓氣機試驗關鍵技術，并結合已有吸附式葉柵試驗成果，實現在現有壓氣機試驗器上開展全尺寸吸附式壓氣機試驗研究，并完成階段試驗。試驗結果表明：增加真空泵組進行大流量氣體抽吸，能夠在現有壓氣機試驗器上完成全尺寸吸附式風扇/壓氣機部件試驗。為了提高試驗效率、節省試驗資源，針對全尺寸部件級吸附式壓氣機試驗研究，給出進一步結合吸附式葉柵試驗結果完成對比試驗的建議。

吸附式壓氣機;全尺寸;附面層抽吸;試驗;真空泵

0 引言

國外對吸附式風扇/壓氣機的研究工作始于20世紀50年代，美國空軍科研局在麻省理工學院實施的1項葉輪機先進流動控制技術研究項目。在系列研究后，1993年NASA格林研究中心與麻省理工學院合作提出了航空發動機蜂巢式吸附式風扇級的概念，進行了機理、設計技術、應用研究，并采用吸附式壓氣機試驗件進行了試驗驗證。

國外在附面層抽吸的整級設計以及試驗方面積累了很多經驗。而中國在吸附式風扇/壓氣機方面的研究起步較晚，關于抽吸設計與機理性研究的公開資料主要集中在數值計算方面，擴壓葉柵試驗方面的資料較少，關于吸氣設備的資料少之又少。因此，需要進行更多的探索和研究，補足這方面的短板可為設計更高性能風扇/壓氣機提供有益幫助。

1 國內外研究現狀

MIT是第1個完成吸附式壓氣機的設計和試驗調試工作的研究機構。2002年12月NASAGlenn研究中心成功地進行了1次吸附式風扇級的試驗，在動靜葉吸力面、動葉機匣、靜葉輪轂等7處位置設置了抽吸孔。在相同轉速下，風扇級的壓比比傳統風扇的高出50%，葉尖速度為457 m/s時壓比達到3.4[1]。但其試驗設備和試驗過程鮮有資料報道，能查到的文獻很少。

經過對文獻的仔細研究發現：MIT吸附式壓氣機試驗不是采用連續式氣源，而是采用暫沖式風洞（Blow down Tunnel）。其試驗是在非穩態條件下進行的，且時間非常短。試驗器不用建設大功率氣源，節省了建設投資和運行費用。因為試驗時間短，試驗過程中氣流來不及和葉片、機匣發生充分熱交換，可以認為后者仍能保持室溫，為模擬真實發動機主燃氣和金屬的溫度比，以及進行表面熱流率的測量創造了有利條件[2-3]。這種試驗方式主要應用于機理性的研究，尚不能用于級性能試驗。此外，因效率的不確定度是由溫升決定的，如何保證和提高如此短時間內測量儀表和測試的精度成為該試驗廣泛應用前必須解決的關鍵問題，該試驗器的效率不確定度目標為0.5%。

暫沖式風洞主要由儲氣罐、快開閥、試驗段和真空罐組成[4]，試驗裝置如圖1所示。試驗前，首先向儲氣罐內充入試驗用的空氣直至達到初始壓力要求，儲氣罐和快開閥由罐殼夾層內的加熱器加熱到預期溫度，其余的設備由真空泵抽成粗真空。試驗時，打開快開閥，由氣罐排出的氣體經過試驗段，完成試驗。

圖1 暫沖式風洞

NASA在很早就對吸附式壓氣機技術開展了系統研究。2002年，NASA對1臺4級壓比12的先進壓氣機進行了氣動設計研究[5]；2005年，GE公司在4級壓氣機上對靜子進行采用吸附式壓氣機技術來提高靜葉載荷的研究[6]，該技術得到工程設計單位，如GE和RR德國航空發動機公司RRD的重視，設計思想和部分試驗研究結果為進一步提升更高負荷的壓氣機提供了技術指導，指引了發展方向。

中國在吸附式風扇/壓氣機研究方面起步較晚，公開發表資料主要集中在數值計算方面，試驗研究還僅限于葉柵試驗。哈爾濱工業大學陳紹文、郭爽[7-12]等，在哈爾濱工業大學推進理論與技術研究所大尺度低速矩形葉柵風洞上，在附面層抽吸對高負荷擴壓葉柵流動及負荷的影響方面做了大量的數值仿真和試驗研究。結果表明，在高負荷壓氣機葉柵中采用附面層抽吸可以有效改善葉柵的氣動性能，角區分離明顯減小，且隨吸氣量的增加改善程度也越大。還得到最佳的吸氣位置和吸氣量組合的有效數據。

試驗葉柵葉片內腔在下端通過管路與水環式真空泵連接，在試驗過程中通過調節真空泵進氣閥開度得到要求的吸氣量，從而實現附面層的定量抽吸。附面層抽吸系統采用2BVA型水環式真空泵，單臺最大抽氣量為400 m3/h，極限壓力為3300 Pa。

根據土壤污染風險等級，將耕地劃分為3個類別，將無污染的耕地劃為優先保護類，低風險和中度風險的耕地劃為安全利用類，高風險和極高風險的耕地劃為嚴格管控類。稻田土壤重金屬污染風險等級見表2。根據現階段Cd污染治理技術水平，以0.5為間隔劃分農產品風險等級。

西北工業大學劉波等也開展了大量關于壓氣機附面層抽吸的相關數值研究，認為表面附面層抽吸可以明顯提高壓氣機性能，改善局部流動情況[13-16]。該試驗研究在西北工業大學的高亞聲連續式平面葉柵風洞上進行，抽吸系統采用H150型滑閥油封機械泵（簡稱滑閥泵），也是1種變容式氣體傳輸泵，功率為15 kW。現有滑閥泵的最大抽速為300 L/s，極限壓力為1 Pa。

此外，中國科學院熱物理研究所對吸附式壓氣機平面葉柵試驗研究的試驗風洞和完成附面層抽吸的設備，與上述研究的類似，不再贅述。

2 吸附式壓氣機試驗關鍵技術

作為國家大中型航空發動機的總設計師單位，沈陽發動機研究所早在“十一五”期間就對吸附式壓氣機試驗技術進行立項，是目前國內惟一進行過全尺寸部件級吸附式壓氣機試驗研究的單位。開展全尺寸部件級吸附式壓氣機試驗，除了大量儲備常規壓氣機試驗技術外，與近年來沈陽發動機研究所一直強調的預先技術研究密不可分。全部試驗內容在沈陽發動機研究所的單軸雙涵壓氣機試驗器上進行，該試驗器由動力、進氣、排氣、燃滑油、操作、電氣、測試等系統組成。針對幾項關鍵技術研究，例如大流量氣體抽除技術、大流量氣體流量測量和風扇級間流場診斷技術，每項都能作為獨立課題進行深入細致研究。但受篇幅限制，下面僅就關鍵技術的難點和解決方案作簡要介紹。

2.1 大流量氣體抽吸裝置

要完成吸附式壓氣機試驗，抽吸裝置是技術研究的關鍵。這方面的資料較少，需要進行更多的探索和研究。試驗件在設計狀態下通常具有高壓比、高效率等特點，同時具有軸向力大、單位級負荷高及扭矩大等特點，因此直接在現有壓氣機試驗器上直接開展試驗存在諸多困難。此外，為滿足上述試驗環境，必須不斷進行配套試驗設備的補充和完善，如廠房、道路、試驗用氣源能力及水、電、油、氣等基礎配套設施[17-18]。要保證試驗器以及試驗件軸承等部件運行安全，必須進行進口節流。在節流狀態下，進行靜子附面層抽吸試驗，有時甚至是負壓狀態兼大流量的氣體抽吸。

要完成如此大的氣體抽吸（后文會提到），前期論證時有真空獲得設備和風機2種方案備選，最終選擇了真空獲得設備方案。該方案主要依靠水環式真空泵組運轉營造負壓流動環境，實現氣體抽除。經過調試試驗，表明該方案可以滿足現有以及未來一段時期內的吸附式壓氣機部件試驗要求。

2.2 大流量氣體流量測量

在壓氣機平面葉柵試驗中，附面層抽吸過程及流量測量相對較容易實現，這是因為引氣量小，一般的渦街流量計就可以滿足。全尺寸吸附式壓氣機部件試驗標準狀況下進口換算流量一般超過100 kg/s，完成進口3%～5%的引氣量，不考慮氣流增壓升溫的影響，僅如此大的氣流測量本身就很麻煩。3～5 kg/s的流量已經超過渦街流量計的最大測量范圍。而傳統發動機流量測量通過采用測量同一測量截面的總壓和壁面靜壓計算質量流量的方法，必須要考慮附面層特性測量、計算以及對空氣流量計算結果的修正，且流量管壁面鑄造和加工的質量往往不能得到很好地控制，導致這一方法不可行。要完成如此大的流量準確測量只有2種可選設備：壓差流量計或質量流量計。

文丘里管流量計（Venturi nozzle Flowmeter）作為最常見的壓差流量計，因其測量范圍寬、安裝方便，特別適合于低壓、大管徑、低流速的各類氣體流量測量。但其缺點是壓力損失比較大，且對安裝管路有要求，前直管段長度要求大于5倍直徑，后直管段長度要求大于2倍直徑。

質量流量計的出現，使流量測量技術有了飛躍性提升。其利用流體的質量是1個不隨任何時間、空間溫度、壓力的變化而變化的量，這種原理直接測量質量流量。按測量方法的不同，質量流量計可分為間接和直接2種。直接式質量流量計通過輸出信號直接反映出所測物質的質量流量，溫度、壓力、密度的變化對測量結果沒有任何影響，主要有差壓式質量流量計、熱式質量流量計和科里奧利質量流量計3種形式。

科里奧利質量流量計（Coriolis Mass Flowmeter）簡稱科氏力流量計，利用流體在振動管中流動時，將產生與質量流量成正比的科里奧利力的原理測量，實現了真正意義上的高精度的直接質量流量測量,具有抗磨損、抗腐蝕、可測量多種介質及多個參數等諸多優點, 現已在石油化工、制藥、食品及其他工業領域廣泛應用。其缺點是價格昂貴，對外界振動干擾較敏感，對安裝固定有較高要求。這也是本試驗最終選用文丘里管流量計，而不是科里奧利質量流量計的重要原因。

3 結束語

發動機研制需要經歷設計、制造、驗證、修改設計、再制造、再驗證直到設計定型的反復迭代過程。開展吸附式壓氣機試驗技術研究，得到以下結論：

（1）在技術成熟度較低的層級，充分發揮壓氣機/渦輪平面葉柵、扇形葉柵試驗器能力，開展充分研究和廣泛論證，做好技術儲備，能降低成熟度更高級別時技術研制風險。

（2）利用水環式真空泵組進行大流量氣體抽吸，能在現有壓氣機試驗器上開展吸附式風扇試驗技術研究。但考慮到該項目工程造價不菲，且涉及到基建技改、環評降噪等環節，實現應用尚有困難。

（3）后續開展全尺寸部件級吸附式壓氣機試驗研究，應進一步結合吸附式葉柵試驗結果，以期在較短的試驗周期內，完成不同抽吸比、抽吸位置以及二者的組合優化等對壓氣機性能影響試驗內容，提高壓氣機試驗效率、節省試驗資源。

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Humble Opinion on Fully-Scaled Aspirated Compressor Test

ZHANG Jian-xin,ZHANG Guo-wang
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015）

In order to further investigate the method of aspirated compressor test,both full-scaled aspirated compressor test and aspirated compressor cascades test at home and abroad were briefly presented.By analyzing two key technologies of aspirated compressor test,mass flow air's aspiration and measurement,combined with the results of the aspirated compressor cascades test,full-scaled aspirated compressor test was studied on an existence compressor test rig,and a phase test was completed.Results show that it is feasible of carrying on full-scaled aspirated compressor test on an existence compressor test rig by adding vacuum pumps carrying on mass flow boundary layer suction.In order to improve the test efficiency and save resource,aiming at full-scaled aspirated compressor test,a proposal is provide on furlher contrast test combining with the results of the aspirated compressor cascades test.

aspirated compressor;fully-scaled;boundary layer suction;test;vacuum pump

V 21 1.1

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.01 7

2016-10-29 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

張健新（1982），男，高級工程師，主要從事葉片機試驗技術研究工作；E-mail:mmzjxcom@126.com。

張健新，張國旺.全尺寸吸附式壓氣機部件試驗技術芻議[J].航空發動機，2017，43（2）：99-102.ZHANG Jianxin，ZHANG Guowang.Humble opinion on fully-scaled aspirated compressortest[J].Aeroengine，2017，43（2）：99-102.

（編輯：趙明菁）