多功能涡轮冷却试验器子系统分析及应用

初广宇 李雪罡 郝悦

摘要：本文以某涡轮冷却试验器为例，分析其子系统组成，并从系统工艺原理角度出发，分析其建设中对于建安配套的需求产生的原因。最终通过搭建试验器，以实验验证试验器建设的正确性，为今后同类试验器建设提供参考。

随着国家对于发动机研制投入的增加，将会有越来越多的同类试验器投入建设。分析总结试验器建设的影响因素并归纳总结对于今后同类试验器建设是很有必要的。

关键词：涡轮冷却试验器；建安工程

1.引言

发动机涡轮是将高温高压燃气的能量转变为轴功输出的叶轮机械，是发动机的重要组成部分之一。通过分析发动机热力循环增加压气机增压比、提高涡轮进口温度是提高涡轮性能的重要手段。随着涡轮入口温度的不断提高，涡轮部件所承受的热应力不断增加，涡轮部件工作环境急剧恶化。为保证涡轮叶片正常工作，需要研制许用温度更高的材料或研发更先进的涡轮部件冷却技术。由于现阶段材料耐温极限以每年8K的速度发展[1]，远远落后于涡轮进口温度的提升速度，因此研究更先进的冷却技术成为涡轮研究的一项重要任务。基于以上原因，在各个发动机研究所及研究机构内均建有研究涡轮冷却技术试验器。为配合建设，需要从试验器工艺子系统组成出发，结合具体试验器使用，探究工程建设中配套设施需求。

2涡轮冷却试验器分类

涡轮部件试验主要包括平面叶栅试验、环形叶栅试验、涡轮性能试验、涡轮导向器试验等[2]。其中平面叶栅试验、环形叶栅试验、涡轮导向器不涉及旋转试验件，试验器系统较为单一，因此本文以一种多功能旋转涡轮盘试验器为例，分解各个子系统并总结其需求。该试验器结构图如下图所示：

3系统组成及建安工程需求

本试验器主要包括进气系统、排气系统、试验件、支撑台架、传动系统、测试系统、动力系统组成。

（1）进气系统及建安需求

进气系统的主要作用是将工质输送到试验件当中，并通过进气调节阀调节进气流量。本试验器进气系统主要包括稳压罐、过滤器、进气调节阀、流量计等部件组成。根据试验对进口流场品质的需求及进口温度的需求，试验器进气系统还可以增设进气加热器及整流段。本试验器主要进行常温试验且室内部分管道较短，因此采用П型弯进行自然补偿。

进气管道沿壁面敷设，配套設置有管道支架。进气加热器可以分为燃烧直接加热及电加热两种。采用直接加热时需增设油泵间或燃料间为燃烧器供应燃料。通常燃料间为防爆房间，房间火灾危险性根据燃料的物性，依据《建筑设计防火规范》确定。采用电加热器时有两种安装方式，卧式及立式，卧式暗转需要空间较宽，立式需要空间较高。因此房间内设有电加热器时需根据设备安装方式确定试验间宽度及下弦标高。

（2）排气系统

排气系统主要作用是将试验后的尾气收集并经过降温后有组织的排放，以满足环境及噪音排放要求。本试验器排气系统主要包括排气收集器，排气管道、排气背压阀门、排气管道消音器组成。

由于流量较小，本试验器尾气收集器为环形腔体。腔体位于试验件下游支撑座内。腔内设有轴承支撑传动系统中心轴。试验后的尾气在试验件内流入中心轴中并沿中心轴进入尾气收集腔内，最终通过排气管道排入大气。

常规涡轮试验器排气收集装置为排气蜗壳。蜗壳有顶排与侧向排气两种。顶排排气塔位于排气蜗壳顶部，排气流程短，不会影响试验间内物流通道。侧向排气不会对厂房内电动起重机运行造成影响，同时相对于顶排，对屋内梁柱承重要求小。因此需要综合考虑设备方案以提出合理的房间工艺布局。另外，排气蜗壳有检修、更换的需求，因此厂房下弦标高及宽度需要预留不小于蜗壳外径的空间。

（3）试验件

试验件时试验器的主体，也是试验器所有部件中心标高的确定依据。由于涡壳、电机、水力测功机等部件需要与试验件中心标高一致，因此试验件标高同样会影响厂房下弦高度。

（4）动力系统

动力系统主要用于驱动试验件进行高速旋转，并维持试验件转速恒定。动力系统主要包括动力电机、电机控制柜等部件。

（5）测试系统

测试系统主要包括传感器受感部、传输导线、采集卡及数据处理显示计算机组成。主要用于收集并存储实验的测试结果。依据测试的种类不同，需要的配套建安工程条件也不同。例如进行光学测试时，光源对于地面隔振要求高，需要在试验间内设置隔振基础等。本试验器仅进行常规的温度、压力测试，无特殊要求。

4 应用实例

4.1试验器参数

按照上述试验器组成及建安工程技术要求搭建试验器。试验器各子系统参数如下：

（1）进气系统：试验采用压缩空气作为试验工质，进气流量不大于600kg/h，进气压力不大于0.8MPa，试验件进口温度常温。

（2）排气系统：最大排气流量不大于600kg/h。

（3）动力系统：试验器采用直流电机驱动试验件高速转动，电机额定功率30kW，额定转速3000rpm。

（4）试验件：试验件为轮缘开孔的旋转腔。腔体间隙最大处s=18mm，底部进气段间隙9mm。实验由外径120mm的中心轴及内径142mm的盘面连接件之间的环形间隙进气。如下图所示：

Farthing进行了不同数据记录时间的同工况实验，可以看到在横坐标无量纲测试位置不大于0.9的径向位置内，Farthing得到的无量纲温度分布规律与本次试验结果是相近的。结合Chew[4]，Morse[5]，Owen（1979）[6]的研究，产生这种温度分布规律的原因是在轴向进气径向出气的腔体中，气体会在腔体进口段形成一个小的诱导涡团，同时气体受到惯性力的作用，使得气体沿着下游盘壁面流入到腔体中。径向出气腔内气体的径向速度较轴向出气腔大，因而在经过进口端之后，会在进入腔体后再上游盘壁面处形成一个大涡团。这个涡团阻碍了上游盘低半径处的换热，因而出现上下游盘面温度差沿径向减小的无量纲温度分布。

5结论与展望

本文从分析一种多功能旋转涡轮盘试验器各个子系统工艺组成及原理出发，提出其工程建设的需求，并结合实验论证了做提出的建设需求的正确性。从实验结论上看，新建设的试验器可以满足使用要求。

随着国家对于发动机及燃气轮机投入的增加，越来越多类型、功能、参数的试验器逐步进入到实施阶段。通过分析不同试验器试验任务需求，得到试验器应有的子系统组成，并分析出相应的土建技术要求对于未来试验器建设有很大的帮助，在未来也必将得到更多的应用。

参考文献

[1]Hennecke D K. Turbine Cooling in Aeroengines[R]. Von Karman Inst.LS 1982-02

[2]黄庆南 航空发动机设计手册 航空工业出版社 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.

（作者单位：中国航空规划设计研究总院有限公司）