某型發動機1+1/2對轉渦輪試驗研究

方華　吳支繁　屈彬　付金輝

摘 要：本文以某型發動機的1+1/2對轉渦輪為研究對象，開展對轉模型渦輪試驗研究，介紹了相關試驗方法，獲取了渦輪的轉速、流量、功率等渦輪特性參數，為該型發動機渦輪研制提供試驗驗證和設計依據。

關鍵詞：1+1/2對轉渦輪;渦輪特性;試驗驗證

近年來，隨著對發動機及飛行器整體性能要求的提高，1+1/2對轉渦輪技術以其減重、提高效率、降低陀螺力矩等優勢越來越受到各國重視，如美國的F120發動機上就嘗試采用了1+1/2對轉渦輪設計，在JSF項目中GE和羅.羅合作研制的大型軍用渦扇發動機F136也采用了1+1/2對轉渦輪設計^[1]。1+1/2對轉渦輪取消低壓渦輪導向葉片，使得渦輪特別是低壓渦輪的氣動情況更加復雜，采用理論計算及分析的方法難以真實模擬其性能和高、低壓渦輪匹配情況^[2]。國內1+1/2對轉渦輪研究起步較晚，設計手段相對匱乏，必須通過相應的渦輪試驗來積累數據，校驗設計軟件。

本文以某型發動機的對轉渦輪為研究對象，開展對轉模型渦輪試驗研究，獲取渦輪的各特性參數和高、低壓渦輪匹配特性，反饋和修正計算結果，為該型發動機渦輪設計與優化提供試驗數據支撐，為后續各類型雙轉子渦輪試驗的開展和相關試驗流程、試驗手段的完善提供經驗借鑒。

1試驗設備

中國航發湖南動力機械研究所中溫中壓雙轉子渦輪試驗器是我國自主設計的適用于中、小型航空發動機渦輪性能試驗的試驗裝置，具有結構美觀、試驗范圍廣、轉速控制精度高、試驗狀態穩定、應急保護措施完善等特點。該試驗器主要技術參數如下：

進口流量：≤25kg/s

進口溫度：≤823K

進口壓力：≤2.0MPa（絕對壓力）

高壓渦輪最高轉速：30000r/min，最大吸收功率：1865kW

低壓渦輪最高轉速：24000r/min，最大吸收功率：1860kW

2試驗對象

試驗對象為1+1/2對轉模型渦輪試驗件（模型比1：1），主體材料為1Cr11Ni2W2MoV，整個渦輪系統采用懸臂支承結構^[3]。高壓渦輪為一單軸單級渦輪，轉動軸功率前輸出，渦輪支承采用1-0-1的雙支點結構形式，低壓渦輪為單級渦輪，轉動軸功率后輸出，渦輪分渦輪軸和延長軸兩個軸系支承，均采用1-0-1的雙支點結構形式。試驗件設計了熱補償結構，消除試驗時機匣受熱膨脹產生的熱應力。順氣流方向看，高壓渦輪逆時針方向轉動，低壓渦輪順時針方向轉動。

3試驗方法

來自氣源站的高溫壓縮空氣通過管網輸送至試驗設備入口，氣體通過試驗器管路系統調壓、節流、整流后進入試驗件，渦輪膨脹做功后，出口氣流導入排氣蝸殼、經管道節流后排入消音塔。試驗器原理圖見圖1。試驗件性能參數和試驗設備運行監視參數，經測試設備采集信號轉換后接入數據采集系統進行錄取、保存和顯示。與設備安全運行有關的參數如振動、轉速、扭矩、滑油供油壓力等設置報警值和限制值，超過報警值參數變色顯示，超過限制值，觸發試驗器進氣6#應急閥快速關閉，同時排氣5#應急閥快速打開，使氣源放空，最大限度地保證設備、試驗件和人員的安全。

1）試驗狀態調節：進口壓力通過4#閥、8#閥調節;進口溫度通過氣源站燃油換熱器調節;排氣壓力通過排氣主路10#閥、旁路11#閥調節;高壓渦輪轉速、低壓渦輪轉速通過2臺英國Froude公司HS125和HS150水力測功器分別進行控制。

2）試驗件測試安排：主要包括測量渦輪進口流量、渦輪進出口總溫總壓和靜壓、級間靜壓等參數。靜壓測點除高、低壓渦輪間截面僅布置外壁靜壓外，其余截面沿內外壁面均布4點，總溫，總壓測點沿徑向等環面分布，徑向不少于4點，總溫、總壓探針周向均布不少于4支，參數測量方法和精度見表1。

3）非直接測量參數計算方法：

低壓渦輪進口總溫、折合轉速計算公式如下：

其中：

n_p——低壓渦輪物理轉速，r/min;

T_t0——高壓渦輪進口截面總溫，K;

T_t2——低壓渦輪進口截面總溫，K;

R ——氣體常數;

W——質量流量，kg/s;

k ——絕熱指數;

Ne_g——高壓水力測功器測出的功率，kW;

下標des——設計點狀態;

下標test——試驗狀態。

4）數據處理方法

在本次渦輪特性試驗中，數采系統以5Hz采集頻率對試驗過程中的參數自動進行采集存儲。采集到的連續數據存在一定范圍的波動，選用穩態采集點前后5秒內50個穩態點平均值來代表一個狀態點的測試數據。

4試驗結果與分析

圖2為高壓渦輪折合轉速為1.0時，雙渦輪的效率特性曲線，從該圖可以看到，試驗值在不同折合轉速下，效率隨膨脹比的增大而減小，與仿真計算值趨勢相同。在高折合轉速下，試驗值與仿真計算值相差較大，在設計點附近，試驗值大約為0.883，而仿真計算值約為0.894，試驗值比仿真計算值低1.1%。而在低折合轉速下，試驗值與仿真計算值相當。圖3為高壓轉速為0.8時，雙渦輪的效率特性曲線，試驗值與仿真計算值相差較小，從計算值看，效率變化比較平緩。

考慮到試驗中模型渦輪的進出口測試探針會對流量造成一定堵塞，產生損失。同時，高壓出口測試位置離高壓尾緣較遠，約為30mm。因此，需對試驗結果進行修正，通過CFX完成對探針和交接面差異的修正后，在整機環境下，高壓渦輪效率修正為0.8663，比總體要求的0.865高0.13%。而低壓渦輪修正為0.8804比總體要求的0.87高1.04%。

5結論

本文通過開展1+1/2對轉模型渦輪試驗研究，探索相關試驗方法，獲取了渦輪的各特性參數，為該型發動機渦輪設計與優化提供試驗數據支撐，驗證了該型發動機渦輪設計滿足整機設計要求。

參考文獻

[1] 楊志.對轉渦輪技術應用研究回顧與展望[J].南華動力，2013（1）：196-200.

[2] 施晚霞.對轉發動機研究概況及特點分析[J].南華動力，2020（1）：87-91.

[3] 宋石平.某型發動機對轉模型試驗件結果設計[J].南華動力，2019（1）：193-196.