壓氣機試驗器二級增速裝置設計與試驗驗證

任 飛，張 良，劉志剛，向宏輝，夏 聯

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

1 引言

壓氣機試驗器的額定運行轉速作為其關鍵功能指標限定著試驗器的工作范圍。常規壓氣機試驗器以動力驅動系統作為動力源，利用一級增速裝置將試驗器的運行轉速提高至試驗件所需轉速。目前，國內各型壓氣機試驗器大多為早年間投資建設，因受到額定轉速的制約，無法滿足新型壓氣機的試驗需求[1-2]。

解決該難題通常可通過兩種手段，一種是提高動力驅動系統的輸入轉速，另一種是提高一級增速裝置的速比進而提高其輸出轉速。目前壓氣機試驗器的動力驅動系統主要有燃機驅動和變頻電機驅動兩類。其中燃機驅動的試驗器的動力輸出轉速較高，但受燃機設計指標限制，其輸出轉速與輸出功率呈正比關系，不適合更換高速比一級增速裝置，一旦更換該類試驗器無法滿足低轉速大扭矩試驗件的試驗要求。以變頻電機為動力驅動系統的試驗器的動力輸出可實現恒扭矩，但轉速較低、很難進一步提高，此類試驗器可更換高速比一級增速裝置，但由于其動力輸出轉速較低導致高速比一級增速裝置的設計難度大、成本高[3-15]。為解決上述問題，筆者認為在試驗器中增設二級增速裝置更為合理。因為根據被試壓氣機對象匹配不同速比的二級增速裝置，能滿足試驗轉速與功率的要求，同時二級增速裝置設計速比較為常規易于實現。此外，采用二級增速裝置還可有效降低設計、運行風險和投入成本。本文論述的二級增速裝置是應用在某型以航改燃機作為驅動裝置的壓氣機試驗器上，以滿足壓氣機試驗件對高轉速、大功率的試驗要求，且該二級增速裝置還可在不改變試驗器主體功能和構件的條件下靈活拆裝應用。

2 壓氣機試驗器

該型試驗器為敞開節流式軸流壓氣機試驗器，主要由動力裝置、一級增速裝置、聯軸器、排氣系統、二級增速裝置、進氣系統和輔助系統等組成。動力裝置為WP6甲發動機改裝而成的地面燃氣輪機，通過調節壓縮空氣量和供給的燃油量來實現轉速的調節，并通過試驗器傳動組件帶動壓氣機試驗件運轉。試驗器結構見圖1。

3 增速裝置設計要求

該型增速裝置需在惡劣工作環境中實現設計速比下穩定的功率傳遞，主要設計要求為：①具有較高的剛性和強度儲備；②可在高溫、高壓下穩定工作；③裝置傳動平穩，功率傳遞穩定。

4 增速裝置設計方案

增速裝置(圖2)采用三分流結構，其輸入和輸出同軸，結構緊湊。齒輪采用高級合金滲碳鋼，并對齒面進行滲碳、淬火、磨削等工藝處理。齒輪參數經過優化設計，具有較高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞破壞的能力。齒輪經過齒頂修圓和齒向修形，降低嚙合時產生的沖擊噪聲，保證齒輪有良好的接觸區域，有利于形成充分的潤滑油膜。

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

試驗中，為避免增速裝置內部流道高溫氣體對裝置內部傳動組件運行的影響，流道與傳動組件箱體之間設計了隔熱腔，并在隔熱腔內壁面噴涂隔熱涂層，同時隔熱腔還可外接冷卻空氣以進一步保證其隔熱效果。傳動組件運行過程中，要求滑油供油溫度不超過60℃。但由于供油管路需經過流道內部受高溫氣流影響的承力筋板，導致供油溫度上升，為此在承力筋板內部增添了隔熱材料保護供油管路。傳動組件箱體前、后兩端面設計隔熱擋板，阻隔試驗件和排氣對箱體的熱輻射，擋板與傳動軸之間采用迷宮封嚴以減少箱體兩端熱空氣進入擋板內部。

在額定工況下，對增速裝置進行靜力學性能分析，以研究其剛度與強度。設定的邊界條件為：軸承孔處施加軸承載荷；機匣輸入端螺栓連接處全約束；機匣輸出端施加軸向力20 kN，徑向力10 kN；施加增速裝置機匣重力；機匣流道施加1.2 MPa空氣壓力。增速裝置機匣的位移場與應力場如圖3、圖4所示。分析可得，機匣的綜合位移最大值為108 μm，等效應力最大值為57.0 MPa且遠小于其材料的許用應力，滿足設計要求。

圖5所示為增速裝置傳動軸系實體模型。通過基于Romax的增速裝置各級傳動軸力學性能分析得出：額定工況下傳動軸最大彎曲變形為39.1 μm，極限工況下的最大彎曲變形為58.7 μm，滿足傳動軸剛度要求；額定工況下傳動軸的最大應力為34.5 MPa，極限工況下的最大應力為51.8 MPa，滿足傳動軸強度要求。

為驗證增速裝置隔熱腔和供油管路隔熱措施的有效性，對其進行了受熱分析計算。隔熱腔計算幾何模型見圖6，按照冷卻空氣從上側和左、右兩側分別供冷氣，在給定冷氣總流量和壓力條件下計算了增速裝置二維軸對稱溫度場和軸向截面溫度場。結果表明：給定條件下機匣最高溫度為717.6 K，高溫氣流通道外壁溫度呈中間高、兩側逐漸降低的規律分布。

圖7為增速裝置中間截面溫度場分布，圖8為隔熱腔溫度場分布。由圖7可知：機匣內壁最高溫度約為666.4 K，冷卻空氣進口以及滑油出口處機匣溫度較低，整個機匣溫度梯度較小。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律，齒輪箱外壁最高溫度為374.5 K。由于滑油流動增強了對流換熱，滑油進出口位置處溫度分布較低。由圖8可知，隔熱腔的設計較好(內、外壁溫差約250 K)地將外部熱源與裝置傳動組件箱體有效隔離，且保證了供油管路不受流道內熱氣流的影響。

5 試驗驗證

為確保該型增速裝置滿足某型高壓壓氣機試驗運行要求，對其進行了調試運行試驗。運行目標轉速不低于該型壓氣機的設計轉速，試驗著重考核增速裝置的振動特性、齒輪分馬力傳動的匹配性，以及升速與降速過程的狀態吻合性。圖9為增速裝置調試中最高轉速下的振動圖譜。可見最高運行轉速下增速裝置運行平穩，基頻最高不超過0.15g，且沒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溫度隨轉速升高的趨勢。可見，調試全過程中，增速裝置各支點溫度平穩過渡，不存在異常變化，說明三分流齒輪傳動匹配正常；同時，針對升速和降速過程進行的原始數據對比也未發現明顯異常。

6 結論

(1)該型增速裝置設計合理，符合壓氣機試驗設備運行要求。

(2)調試試驗中增速裝置的各項指標均高于設計預期，為后期滿載荷運行打下了良好基礎。

(3)在壓氣機試驗設備中應用此種增速方式可較好地解決設備運行瓶頸，擴展試驗設備的運行范圍。但此種方案也增加了設備運行風險，給試驗過程增添了較多的監控分析工作。建議在進行新型壓氣機試驗設備設計規劃中，應通過優化動力驅動系統和傳動系統的方式提高設備運行轉速更為合理。

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