水力測功機在航空發動機及燃氣輪機試驗中的應用

■ 鄒劍峰 / 中國航發研究院

水力測功機具有單位質量吸功能力強、轉動慣量小、轉速功率測量范圍寬、調節便利、穩定性高等優點。

航空發動機和燃氣輪機的渦輪部件以及帶動力渦輪的燃氣輪機整機在開展試驗時功率較大，需要采用耗功裝置進行功率吸收。一般來說，電渦流測功機、磁滯測功機和磁粉測功機等均無法滿足耗功需求；電力測功機可以滿足大功率耗功需求，但其尺寸、質量和轉動慣量相對更大，動態響應速度慢，轉速相對較低[1]；而水力測功機具有單位質量吸功能力強、轉動慣量小、轉速功率測量范圍寬、調節便利、穩定性高等優點[2]，被廣泛應用于相關的試驗中。因此，在航空發動機、燃氣輪機試驗臺中，水力測功機成為吸收功率的主流設備。

水力測功機工作原理

水力測功機機體部分的功能是吸收驅動機的有效轉矩，其結構如圖1所示，主要由轉子、定子、軸、外殼等組成。定子直接與外殼鑄造為一體，接受轉子產生的反作用力矩產生擺動，轉子軸端采用聯軸器與被測傳動設備相連接。

圖1 水力測功機結構示意

根據轉子結構形式的不同，水力測功機主要有葉輪式（見圖2）、孔盤式和光盤式。其中葉輪式的測功機比功率（功率與重力之比）最大[1]，同等功率等級，該形式的測功機尺寸更小，轉子慣量也小，控制系統響應速度快，適用于渦軸發動機測試中的加減速試驗。由于其結構特點，水流在殼體內部葉輪之間產生強烈的湍流現象，在將測功機的輸入能量轉換為水的內能過程中，由于水溫的升高和局部壓力的降低容易出現氣蝕現象。氣蝕會產生高頻噪聲和壓力脈動，進而引起高速水力測功機運行不穩定，直接導致運行壽命明顯縮短[2]。

圖2 葉輪式水力測功機轉子

與葉輪式測功機相比，孔盤式測功機比功率較小，尺寸質量相對較大，其耗功原理與葉輪式類似，但氣蝕風險大大降低?？妆P式測功機轉子結構如圖3所示。

圖3 孔盤式水力測功機轉子

與葉輪式和孔盤式測功機相比，光盤式測功機是通過黏性剪切而非湍流作用吸收動力，使其在抗氣蝕能力方面具有更大的優勢，壽命相對較長，如圖4所示。由于光盤式吸收功率的原理，使其比功率較小，同等功率等級的測功機，光盤式尺寸更大，轉動慣量大，對外界的控制敏感度相對較低，控制響應較慢。

圖4 光盤式水力測功機轉子

葉輪式測功機通常為單向旋轉，對于存在雙向測試需求的情況，可選用軸兩端均可連接被測設備的測功機，通過調轉測功機位置[3]，實現不同旋向的試驗需要；也可通過額外配置轉盤的方式實現雙向旋轉?？妆P式和光盤式測功機可用于雙向測功，不需掉轉方向，也無須配置額外的轉盤。

水力測功機產品

在航空發動機和燃氣輪機領域，國外的水力測功機制造商主要有美國卡恩公司、英國佛羅德公司，其中卡恩公司的產品以孔盤式和光盤式為主，佛羅德公司的產品以葉輪式為主。國內的制造商主要為江蘇聯測公司，產品以葉輪式和孔盤式水力測功機為主，也可生產光盤式測功機。

佛羅德公司產品

佛羅德水力測功機根據使用轉速和功率范圍的不同，主要分為F系列、LS系列和HS系列，均為葉輪式測功機，其扭矩測量精度為額定扭矩的±0.25%，轉速精度為±1r/min，轉盤可進行雙向配置，以達到雙向旋轉的目的。

F系列測功機設計緊湊、運行穩定且易于維護，該系列測功機適用750kW～25MW的功率范圍，轉速最高可達10000r/min。F系列測功機工作艙由特殊的半圓形葉片鑄造成，采用不銹鋼轉子和定子。水在葉片周圍以環形渦流模式流動，通過測功機外殼產生扭矩反作用力，由精密測力傳感器抵抗和測量。測功機負荷由蝶形出水閥控制，由閉環電液伺服系統操作。F系列測功機主要應用在以下場合：工業和船用柴油發動機，渦槳、渦軸發動機，渦輪發電機及發動機部件。

LS系列測功機主要用于蒸汽輪機及艦用燃氣輪機等低速、大功率應用場合，該系列測功機適用8950kW～100MW的功率范圍，可提供串聯機器。其外殼固定在3個球鉸基座上，基座包含測力傳感器和液壓作動缸，使測功機能夠快速地直接連接到發動機，消除了對中間聯軸器的需要。由于測功機可以自由跟隨發動機轉動，軸向推力減小，因此沒有特殊的推力軸承需求。

HS系列水力測功機適用1680kW～30MW的功率范圍，轉速最高可達30000r/min，可提供串聯機器。HS型號測功機具有以下特點：轉速高達30000r/min，快速反應，運行穩定，具有高可靠性。

卡恩公司產品

卡恩水力測功機產品有50多個標準型號，根據測功機類型的不同和使用功率、轉速的不同，主要有100系列、101系列、102系列、301系列、400系列、404系列，其中100系列、101系列、102系列、301系列為孔盤式，400系列、404系列為光盤式。同一系列下，又分為法蘭安裝式和基座安裝式兩種，法蘭安裝式測功機體積小、質量輕，可直接安裝在被測設備上。法蘭安裝式測功機普遍功率較低，基本在5MW以內，但轉速較高，最高可到60000r/min。基座安裝式測功機的質量和體積相對較大，須安裝在地基平臺上，基座安裝式測功機普遍功率高，最高60MW，但轉速較低，基本在18000r/min以內。

100系列水力測功機為孔盤式測功機，如圖 5所示。轉子軸上采用碳環密封結構對水和滑油進行密封；為了提高抗氣蝕和腐蝕能力，功率元件（轉子和定子）由熱處理的不銹鋼制成。轉子通過自動定心的多邊形連接裝于軸上，該連接不需要熱縮配合，盤與軸之間的拆卸簡單，更換組件方便。盤需要更換時可方便拆卸更換，但該結構也導致加工過程復雜。該系列測功機可雙向旋轉，最大轉速15000r/min（對應最大功率4875kW），但對應的功率較小，隨著最高轉速降低，最大功率逐漸升高，最高可到60MW（對應最大轉速4500 r/min）。

圖5 卡恩100系列水力測功機

卡恩400系列測功機為底座安裝形式的光盤式水力測功機，如圖6所示。內部光滑盤式動力元件提高了抗氣蝕能力，可以吸收高達60MW的功率，可在轉速18000 r/min下工作。測功機為單轉子，采用單獨供水保證了運行穩定性；采用非接觸式兩級迷宮式密封；正反兩個轉動方向上均可吸收全功率。400系列測功機最大轉速可達18000 r/min（對應最大功率5250kW），最大功率可到60MW（對應最大轉速4500r/min），包線涵蓋的范圍與100系列相差不大，適用場合與100系列相同。

圖6 卡恩400系列水力測功機

卡恩404系列為光盤式測功機，通過法蘭安裝邊與被測設備安裝，外形和結構如圖7所示。404系列法蘭盤式水力測功機為高速水力測功機，可在轉速60000 r/min內工作?？ǘ?04系列水力測功機具有以下特點：采用光滑盤式動力元件提高了抗氣蝕能力；較小慣性矩和較小的內部儲水量保證了快速瞬態響應；可在更高轉速下工作；可在正反兩個轉動方向上吸收全功率；為了達到高轉速，采用彈簧支承的航空球軸承。404系列測功機最大轉速可到60000r/min（對應最大功率525kW），最大功率可到4125kW（對應最大轉速24000r/min）。為滿足60000r/min的高轉速的運行需求，404系列測功機配備最新技術的高速陶瓷球軸承，采用專有的多級軸密封設計。

圖7 卡恩404系列水力測功機

江蘇聯測公司產品

應用在航空發動機及燃氣輪機試驗設備中的國內水力測功機廠家主要為江蘇聯測公司，其產品以YG系列葉輪式水力測功機和PG系列孔盤式水力測功機為主，同時也有P系列光盤式水力測功機。

YG系列測功機為葉輪式測功機，其主軸采用雙轉子結構，轉子葉片45°，測功機安裝采用低中心距直接安裝。YG系列水力測功機的最大吸收功率為2.6MW（對應最大轉速26500r/min），最高轉速可達30000r/min（對應最大功率1800kW）。

圖8 聯測YG系列水力測功機

PG系列測功機為孔盤式測功機，采用串聯式大直徑孔盤式轉子，吸收功率密度高，如圖9所示。PG系列水力測功機的最大吸收功率可達30MW（對應最大轉速6000r/min），最高轉速可達40000r/min（對應最大功率700kW）。

圖9 聯測PG系列水力測功機

P系列水力測功機屬于光盤式水力測功機，主要適合耐久可靠性壽命試驗，采用整體硬化不銹鋼抗蝕轉子組成，大功率的測功機采用龍門式框架高剛性結構底座支撐，高速小功率測功機采用懸臂式無底座結構，使用碳環密封結構，如圖10所示。P系列水力測功機的最大吸收功率可達17MW（對應最大轉速9500r/min），最高轉速可達30000r/min（對應最大功率1800kW）。

圖10 聯測P系列水力測功機

水力測功機技術難點

水力測功機運行在高速、大功率的工況下，且核心件需要長期在水環境中高速旋轉運行，這對水力測功機的研制提出了較高的技術挑戰。在國內外水力測功機多年的技術提升進程中，主要面臨的技術難點包括抗氣蝕性、油-水密封性和高速軸承。

抗氣蝕

高速大功率水力測功機的定、轉子處于高功率密度工作狀態，內部局部區域會發生氣蝕，氣蝕劇烈時會影響測功機的工作，縮短測功機功率元件的壽命，特殊的抗氣蝕結構設計、抗氣蝕材料以及吸功元件表面強化處理工藝等會提升測功元件的抗氣蝕能力，延長測功機使用壽命。

卡恩公司為了提高測功機的抗氣蝕能力，研制出光盤式水力測功機，通過在轉子和靜子表面上的黏性剪力吸收功率，從而有效降低了發生氣蝕的可能性。佛羅德公司和江蘇聯測公司則通過結構、材料、熱處理和表面強化處理等4個方面來提高葉輪式水力測功機抗氣蝕能力，結構上轉子和主軸一體鍛造；材料上使用雙相不銹鋼06Cr13Ni4Mo、05Cr17Ni4Cu4Nb；熱處理上采用固溶+時效處理、HRC≥40；表面強化處理上，采用拋丸、超聲速火焰噴涂（HVOF）、等離子噴涂（ASP）、耐蝕涂料。

密封

水力測功機的轉子同時與水和潤滑油接觸，在運行的過程中，油、水相互泄漏將嚴重影響測功機的運行，危害測功機安全，須確保軸承壓力供油不能有任何內外泄漏，同時定、轉子工作腔壓力供水水路不能有任何內外泄漏。主要的密封方式包括碳環密封和迷宮密封。

碳環密封包括浮環和接觸兩種，在低轉速下使用接觸密封，在高轉速下使用浮環密封?？赏ㄟ^以下措施提高水力測功機的密封性能：一是在軸承外側采用鎳包石墨、巴氏合金涂層襯套、梳齒軸套小間隙氣路組合密封；二是在軸承內側采用巴氏合金涂層、碳精石墨浮環氣膜油、水路分隔密封環組合密封；三是在定子和主軸之間采用巴氏合金涂層、鎳包二硫化鉬襯套和梳齒軸套小間隙氣路組合密封。

碳環密封實現水、油和軸承之間的隔離，這種結構可在低負荷下起動測功機，并且在最大負荷時實施完全緊急停機（至零轉速）。與迷宮式間隙密封相比，碳環密封不需要在停機時對測功機卸荷以防止水流入軸承，可快速、安全地緊急停機至零轉速而不會損壞測功機。

高速軸承

從轉子動力學安全裕度的角度，要求高速水力測功機的最大運行轉速控制在一階臨界轉速的75%以下，且要保證能夠同時傳遞大功率，這要求軸徑不能過小，且對高速軸承提出了很高的技術要求。

水力測功機一般選用滾動軸承，對于高速水力測功機，需要軍品級的精密高速軸承，國產民用軸承很少能夠滿足要求。目前國產水力測功機采用的進口品牌包括英國TIMKEN品牌、美國BARDEN和德國FAG品牌，均存在采購周期長或受貿易壁壘和管制風險的影響，需要研發能夠滿足大功率使用的國產民用高速軸承產品。

水力測功機選型建議

基于以上不同轉子結構形式的水力測功機的工作原理和性能參數，并結合國內外產品供應和造價情況，在對水力測功機進行選型時，可以從以下幾個方面進行綜合考慮：

? 對于要求開展動態特性測試的試驗臺，建議采用高比功率、低轉動慣量的葉輪式測功機；

? 對于以穩態性能測試為主的試驗臺，建議采用抗氣蝕性較好的孔盤式或光盤式測功機；

? 對于功率和轉速都較高的試驗臺，單臺測功機不能同時滿足功率和轉速指標時，建議采用轉速滿足指標的兩臺低功率測功機串聯使用；

? 對于建設投資較少，且主要以穩態性能測試為主的試驗臺，建議采用“低速測功機+齒輪箱”的方案。

在對水力測功機的類型進行選型后，要根據試驗臺的指標、測試對象的試驗工況，選擇水力測功機的具體型號，確保水力測功機的最大轉速、最大功率滿足試驗臺的指標，同時功率-轉速包線能夠涵蓋所有測試工況點；再根據測試對象的旋向要求最終選定測功機。

結束語

綜上，水力測功機造價高、供貨周期長，作為試驗臺的核心設備，單純依靠進口容易受制于人。未來其主要的技術突破點在密封和抗氣蝕性，可以從機械加工精度、安裝精度、高速軸承、高速動密封和高強度材料等方面進行提升，并推進高速大功率水力測功機的國產化進程。