压气机试验台分析

王云龙，雷凯淞，杨骞

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

1 压气机结构概述

涡扇发动机中，风扇、压气机属于被带动的从动部分，由燃烧室后方的涡轮驱动。风扇、压气机和涡轮有一级传动、二级传动和三级传动，分别对应单转子、双转子和三转子。

1.1 单转子压气机

一级传动系统中，风扇、压气机都串在一根动力轴上，具有相同的转速，此类传动系统中的压气机为单转子压气机。

1.2 双转子压气机

二级传动系统是把涡轮分成两部分，即高压和低压涡轮。由于驱动高压涡轮的是刚从燃烧室排出的高温高压燃气，因此高压涡轮的转速非常快。高压涡轮轴穿过环形燃烧室中间，把高压涡轮的动力传递给紧靠在燃烧室入口前的高压压气机。因此，高压压气机与高压涡轮转速相同，并且都是很高的转速。因为驱动高压涡轮而消耗掉一部分能量的燃气继续向发动机后方运动，驱动低压涡轮。由于在驱动高压涡轮时已经消耗部分能量，低压涡轮的转速也就比高压涡轮低。低压涡轮轴比高压涡轮轴更长、更细，套在高压涡轮轴内部，把低压涡轮的动力传递给风扇和低压压气机。因此，二级传动系统中，风扇、低压压气机和低压涡轮的转速是一样的，都比较慢。

1.3 三转子压气机

为了进一步提高压气机的效率和工作性能，将涡轮按照离燃烧室出口由近到远的次序，依次分为高压、中压和低压涡轮三级传动。其中转速最慢的低压涡轮通过嵌套在最内部的第三根涡轮轴单独驱动风扇，这样风扇和低压压气机就可以在不同转速下工作。

2 压气机控制系统简介

航空发动机上多处使用压气机级间引气来对进行相关的控制，如压气机主动间隙控制，压气机短舱、冒罩除冰系统等。

（1）压气机主动间隙控制。尽量减小其叶尖间隙来保证高压压气机的最大性能。在大多数发动机中，高压压气机转子具有不可控的内部冷却气流。机匣的膨胀要与转子的膨胀相匹配，以确保叶尖间隙可以在高转速和高压比的情况下变得更小。由于难以控制转子的冷却，因此，叶尖间隙就必须拥有一定的裕度来防止碰磨。在爬升和巡航阶段，使用该裕度以减小叶尖间隙，从而提高压气机效率。这个可以通过使用热的压气机空气加热高压压气机转子，或通过关闭内部冷却气流来实现。

（2）压气机可调放气阀控制系统。当风扇增压级的转速下降到设计点以下时，气流的轴向速度也随着降低，这会导致转子叶片攻角增加。为了防止攻角到达临界值，需要开启VBV，从风扇增压级出口的气体流道中放出一定量的空气。由于这些压缩空气的释放会导致发动机能量损失，因此仅仅在必要情况下才开启VBV，允许一部分气体离开主流道。

该系统通常由一个或两个液压作动器操作，由发动机电子控制器控制。

（3）可调静子叶片控制系统。在低转速下，压气机前几级转子叶片的攻角会增加。为了保持攻角在高压压气机所有运行转速下都处于最佳状态，进口导叶和前面的三到四级静子会设计成可调静子叶片。不同类型发动机的可调静子叶片系统非常相似。该系统由一个或两个液压作动筒驱动，由发动机电子控制器控制。

（4）高压压气机放气阀。在发动机运行和起动过程中，为了防止高压压气机在较低转速下发生失速，除了调节VSV 之外，还有必要使用高压压气机放气阀。这些阀门被称为操作放气阀或高压放气阀。

3 压气机试验简介

压气机试验在航空发动机研制、改进和发展中尤为重要。高性能、高可靠性的压气机需要大量压气机试验进行验证和迭代，压气机试验是航空发动机压气机型号研制的基础。

3.1 压气机试验类型

压气机试验主要分为压气机气动性能试验和压气机机械性能试验。本文主要讨论压气机气动性能试验。压气机起动性能试验是在专门的试验设备上，通过试验的方法求得压气机的起动特性；用以评定压气机的性能水平和为改进设计提供依据；积累试验数据，丰富设计数据库，以完善压气机设计体系。

压气机性能试验主要目的为录取压气机特性，研究压气机内部流动机理，进行压气机性能调试和诊断。试验时进口状态可以模拟大气进气条件，负压、加温加压和畸变进行等。主要包含全尺寸压气机试验、模型压气机试验和研究性压气机试验等。进行压气机性能试验或性能调试试验应选用全尺寸压气机试验台或缩尺模型压气机试验台。本文主要重点关注压气机性能试验。

3.2 压气机性能试验内容

压气机性能试验主要包括压气机总体性能试验、压气机基元叶片性能试验、压气机性能调试试验、压气机进气畸变试验、级间引气对压气机性能的影响试验、低速大尺寸模型压气机试验、风扇双涵道试验等。

3.3 测试要求

压气机性能试验时，根据不同试验目的，有不同的测量要求。其测试方式和测量精度应按照HB7115 压气机气动性能试验标准实施。

4 压气机试验台典型组成

典型压气机试验台主要包括进气系统、动力系统、排气系统、引气系统、试验器滑油系统、试验件滑油系统、试验件液压系统、辅助空气系统、电气控制系统、测试系统和辅助系统等。

为满足环保部门的相关要求，压气机试验台还需包含噪声控制系统。考虑局部技术方案的不同，例如，排气降温方案的不同，压气机试验台还包含补气系统或喷水降温系统。

进气系统：功能为将环境大气过滤后、对进气压力和流量进行调节并测量进气流量，对进气流场整流后提供给试验件，模拟压气机的入口环境。

动力系统：功能为使用变电站提供的电能驱动电机、对转速进行增速后驱动试验件运转，转速可调、驱动扭矩可测量；配置盘车装置在试验前以及准备过程中进行盘轴检查及调整。以模拟涡轮对压气机提供轴功率。

排气系统：功能为将试验件排出的高温高压气体引出、对排气流量及背压进行调节，模拟压气机工作状态下背压。

引气系统：功能为实现压气机指定位置的引气和放气，模拟压气机引/放气条件下的气动特性。

试验器滑油系统：功能为所有排气调节阀、增速箱、扭矩器、电机等标准元件提供驱动液压动力或冷却润滑滑油。

试验件滑油系统：向试验件前后轴承提供冷却润滑液压油。

试验件液压系统：功能为向试验件IGV 、VSV 和VBV 系统提供驱动液压动力，模拟发动机可调静子叶片控制系统、可调放气阀门控制系统和高压压气机放气阀的功能。

循环冷却水系统：功能为向所有滑油站、液压系统、电机、变频器提供冷却水。

辅助空气系统：主要包含仪表气和平衡盘用气（视轴向力平衡方案而定）。

电气控制系统：功能为对整个试验台的供电、供水、供气及试验作动元件实现控制、对试验状态进行实时监控，当出现试验参数超过设定值时，可根据预设条件判断自动报警或自动紧急停车。同时，具备紧急情况下手动应急操作。

测试系统：功能为对试验台所有测量状态进行测量采集、对试验数据进行存储和后期处理。

辅助系统：功能为在试验台日常保养检修、试验准备、实验过程中提供辅助作用。

噪声控制系统：确保试验器在工作过程中的噪声得到控制，满足环保部门的要求。

补气系统：功能为向试验台内补充空气，用于向排气系统引射器及引气系统引射器提供引射空气以达到掺混降温的目的。

喷淋系统：在排气塔内向排气系统排出的高温空气喷水，以达到喷淋降温的目的。

5 压气机试验台主要分系统方案选型

压气机试验台主要分系统方案包含进排气方案比选、动力系统变频器方案比选、应急响应方案比选和排气冷却方案比选等方面。每个分系统方案的不同，影响着相关专业的专业方案，影响着压气机试验厂房的工艺布局和面积方案，甚至影响整个园区的供配电方案。本文以动力系统变频器方案为例进行描述。

目前，市面上主流变频器有两种：电压源变频器及电流源变频器。变频器型式的选择，决定了压气机试验器对园区、对区域电网注入谐波电流的情况，决定了园区变配电方案，以及压气机试验器驱动系统是否需要配备复杂的谐波治理设备，严重影响电气专业设计方案，以及相应的厂房工艺布局和面积方案。

以某项目60MW 电机驱动功率为例，针对电压源变频器及电流源变频器进行方案对比验证，两种变频器方案对比情况详见表1。

此外，电流源变频器还需要配置功率因数补偿及滤波装置，上述两装置将占用电气设备间一定空间，而且，无论采用进口还是国产设备，均需要一套运行维护备件、技术人员，额外增加损耗和空调制冷功率，增加了运行费用；同时，增加设备就会增加设备故障点，加大了整个试验器的不稳定因素。并且电流源变频器功率因数补偿和滤波装置都是按照额定转速、额定负载设计制造的，在其他运行工况都不能充分满足谐波要求和功率因数要求，限制了压气机试验台的转速与扭矩等参数的设置，限制了未来试验的内容。

综上所述电压源型变频器是变频器最优方案，当采用电压源型变频器时，对变频器来说，都是成熟应用的标准配置，不存在技术风险，设备可靠性较高。

6 结语

本文对试验需求、建设方案等进行系统性分析，为压气机试验台的设计提供了参考依据。