多功能渦輪冷卻試驗(yàn)器子系統(tǒng)分析及應(yīng)用

初廣宇 李雪罡 郝悅

摘要：本文以某渦輪冷卻試驗(yàn)器為例，分析其子系統(tǒng)組成，并從系統(tǒng)工藝原理角度出發(fā)，分析其建設(shè)中對(duì)于建安配套的需求產(chǎn)生的原因。最終通過(guò)搭建試驗(yàn)器，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)器建設(shè)的正確性，為今后同類試驗(yàn)器建設(shè)提供參考。

隨著國(guó)家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)研制投入的增加，將會(huì)有越來(lái)越多的同類試驗(yàn)器投入建設(shè)。分析總結(jié)試驗(yàn)器建設(shè)的影響因素并歸納總結(jié)對(duì)于今后同類試驗(yàn)器建設(shè)是很有必要的。

關(guān)鍵詞：渦輪冷卻試驗(yàn)器；建安工程

1.引言

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪是將高溫高壓燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)檩S功輸出的葉輪機(jī)械，是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一。通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)增加壓氣機(jī)增壓比、提高渦輪進(jìn)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(yīng)力不斷增加，渦輪部件工作環(huán)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(fā)更先進(jìn)的渦輪部件冷卻技術(shù)。由于現(xiàn)階段材料耐溫極限以每年8K的速度發(fā)展[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于渦輪進(jìn)口溫度的提升速度，因此研究更先進(jìn)的冷卻技術(shù)成為渦輪研究的一項(xiàng)重要任務(wù)?；谝陨显?，在各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所及研究機(jī)構(gòu)內(nèi)均建有研究渦輪冷卻技術(shù)試驗(yàn)器。為配合建設(shè)，需要從試驗(yàn)器工藝子系統(tǒng)組成出發(fā)，結(jié)合具體試驗(yàn)器使用，探究工程建設(shè)中配套設(shè)施需求。

2渦輪冷卻試驗(yàn)器分類

渦輪部件試驗(yàn)主要包括平面葉柵試驗(yàn)、環(huán)形葉柵試驗(yàn)、渦輪性能試驗(yàn)、渦輪導(dǎo)向器試驗(yàn)等[2]。其中平面葉柵試驗(yàn)、環(huán)形葉柵試驗(yàn)、渦輪導(dǎo)向器不涉及旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件，試驗(yàn)器系統(tǒng)較為單一，因此本文以一種多功能旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)試驗(yàn)器為例，分解各個(gè)子系統(tǒng)并總結(jié)其需求。該試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

3系統(tǒng)組成及建安工程需求

本試驗(yàn)器主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、試驗(yàn)件、支撐臺(tái)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)組成。

（1）進(jìn)氣系統(tǒng)及建安需求

進(jìn)氣系統(tǒng)的主要作用是將工質(zhì)輸送到試驗(yàn)件當(dāng)中，并通過(guò)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。本試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括穩(wěn)壓罐、過(guò)濾器、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)等部件組成。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)進(jìn)口流場(chǎng)品質(zhì)的需求及進(jìn)口溫度的需求，試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)還可以增設(shè)進(jìn)氣加熱器及整流段。本試驗(yàn)器主要進(jìn)行常溫試驗(yàn)且室內(nèi)部分管道較短，因此采用П型彎進(jìn)行自然補(bǔ)償。

進(jìn)氣管道沿壁面敷設(shè)，配套設(shè)置有管道支架。進(jìn)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(shí)需增設(shè)油泵間或燃料間為燃燒器供應(yīng)燃料。通常燃料間為防爆房間，房間火災(zāi)危險(xiǎn)性根據(jù)燃料的物性，依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》確定。采用電加熱器時(shí)有兩種安裝方式，臥式及立式，臥式暗轉(zhuǎn)需要空間較寬，立式需要空間較高。因此房間內(nèi)設(shè)有電加熱器時(shí)需根據(jù)設(shè)備安裝方式確定試驗(yàn)間寬度及下弦標(biāo)高。

（2）排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)主要作用是將試驗(yàn)后的尾氣收集并經(jīng)過(guò)降溫后有組織的排放，以滿足環(huán)境及噪音排放要求。本試驗(yàn)器排氣系統(tǒng)主要包括排氣收集器，排氣管道、排氣背壓閥門(mén)、排氣管道消音器組成。

由于流量較小，本試驗(yàn)器尾氣收集器為環(huán)形腔體。腔體位于試驗(yàn)件下游支撐座內(nèi)。腔內(nèi)設(shè)有軸承支撐傳動(dòng)系統(tǒng)中心軸。試驗(yàn)后的尾氣在試驗(yàn)件內(nèi)流入中心軸中并沿中心軸進(jìn)入尾氣收集腔內(nèi)，最終通過(guò)排氣管道排入大氣。

常規(guī)渦輪試驗(yàn)器排氣收集裝置為排氣蝸殼。蝸殼有頂排與側(cè)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(huì)影響試驗(yàn)間內(nèi)物流通道。側(cè)向排氣不會(huì)對(duì)廠房?jī)?nèi)電動(dòng)起重機(jī)運(yùn)行造成影響，同時(shí)相對(duì)于頂排，對(duì)屋內(nèi)梁柱承重要求小。因此需要綜合考慮設(shè)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(biāo)高及寬度需要預(yù)留不小于蝸殼外徑的空間。

（3）試驗(yàn)件

試驗(yàn)件時(shí)試驗(yàn)器的主體，也是試驗(yàn)器所有部件中心標(biāo)高的確定依據(jù)。由于渦殼、電機(jī)、水力測(cè)功機(jī)等部件需要與試驗(yàn)件中心標(biāo)高一致，因此試驗(yàn)件標(biāo)高同樣會(huì)影響廠房下弦高度。

（4）動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)主要用于驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，并維持試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速恒定。動(dòng)力系統(tǒng)主要包括動(dòng)力電機(jī)、電機(jī)控制柜等部件。

（5）測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要包括傳感器受感部、傳輸導(dǎo)線、采集卡及數(shù)據(jù)處理顯示計(jì)算機(jī)組成。主要用于收集并存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。依據(jù)測(cè)試的種類不同，需要的配套建安工程條件也不同。例如進(jìn)行光學(xué)測(cè)試時(shí)，光源對(duì)于地面隔振要求高，需要在試驗(yàn)間內(nèi)設(shè)置隔振基礎(chǔ)等。本試驗(yàn)器僅進(jìn)行常規(guī)的溫度、壓力測(cè)試，無(wú)特殊要求。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1試驗(yàn)器參數(shù)

按照上述試驗(yàn)器組成及建安工程技術(shù)要求搭建試驗(yàn)器。試驗(yàn)器各子系統(tǒng)參數(shù)如下：

（1）進(jìn)氣系統(tǒng)：試驗(yàn)采用壓縮空氣作為試驗(yàn)工質(zhì)，進(jìn)氣流量不大于600kg/h，進(jìn)氣壓力不大于0.8MPa，試驗(yàn)件進(jìn)口溫度常溫。

（2）排氣系統(tǒng)：最大排氣流量不大于600kg/h。

（3）動(dòng)力系統(tǒng)：試驗(yàn)器采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件高速轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)額定功率30kW，額定轉(zhuǎn)速3000rpm。

（4）試驗(yàn)件：試驗(yàn)件為輪緣開(kāi)孔的旋轉(zhuǎn)腔。腔體間隙最大處s=18mm，底部進(jìn)氣段間隙9mm。實(shí)驗(yàn)由外徑120mm的中心軸及內(nèi)徑142mm的盤(pán)面連接件之間的環(huán)形間隙進(jìn)氣。如下圖所示：

Farthing進(jìn)行了不同數(shù)據(jù)記錄時(shí)間的同工況實(shí)驗(yàn)，可以看到在橫坐標(biāo)無(wú)量綱測(cè)試位置不大于0.9的徑向位置內(nèi)，F(xiàn)arthing得到的無(wú)量綱溫度分布規(guī)律與本次試驗(yàn)結(jié)果是相近的。結(jié)合Chew[4]，Morse[5]，Owen（1979）[6]的研究，產(chǎn)生這種溫度分布規(guī)律的原因是在軸向進(jìn)氣徑向出氣的腔體中，氣體會(huì)在腔體進(jìn)口段形成一個(gè)小的誘導(dǎo)渦團(tuán)，同時(shí)氣體受到慣性力的作用，使得氣體沿著下游盤(pán)壁面流入到腔體中。徑向出氣腔內(nèi)氣體的徑向速度較軸向出氣腔大，因而在經(jīng)過(guò)進(jìn)口端之后，會(huì)在進(jìn)入腔體后再上游盤(pán)壁面處形成一個(gè)大渦團(tuán)。這個(gè)渦團(tuán)阻礙了上游盤(pán)低半徑處的換熱，因而出現(xiàn)上下游盤(pán)面溫度差沿徑向減小的無(wú)量綱溫度分布。

5結(jié)論與展望

本文從分析一種多功能旋轉(zhuǎn)渦輪盤(pán)試驗(yàn)器各個(gè)子系統(tǒng)工藝組成及原理出發(fā)，提出其工程建設(shè)的需求，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)論證了做提出的建設(shè)需求的正確性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)論上看，新建設(shè)的試驗(yàn)器可以滿足使用要求。

隨著國(guó)家對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)投入的增加，越來(lái)越多類型、功能、參數(shù)的試驗(yàn)器逐步進(jìn)入到實(shí)施階段。通過(guò)分析不同試驗(yàn)器試驗(yàn)任務(wù)需求，得到試驗(yàn)器應(yīng)有的子系統(tǒng)組成，并分析出相應(yīng)的土建技術(shù)要求對(duì)于未來(lái)試驗(yàn)器建設(shè)有很大的幫助，在未來(lái)也必將得到更多的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2]黃慶南 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 航空工業(yè)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(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司）