劉志剛，曾軍，趙旺東，劉憲，謝金偉

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

全尺寸對(duì)轉(zhuǎn)渦輪若干關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證

劉志剛，曾軍，趙旺東，劉憲，謝金偉

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703)

雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗(yàn)具有極高的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，而大型全尺寸1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)更是首次開展。為保證試驗(yàn)安全實(shí)施，在查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)渦輪試驗(yàn)文獻(xiàn)和對(duì)設(shè)備現(xiàn)狀評(píng)估的基礎(chǔ)上，對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)展開了研究。研發(fā)了集成控制、數(shù)據(jù)采集和安全控制功能的多任務(wù)并行測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的聯(lián)合控制；建立了“高壓優(yōu)先調(diào)節(jié)、低壓獨(dú)立控制、高低匹配聯(lián)調(diào)”的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪匹配聯(lián)調(diào)方法，制定了切實(shí)可行的試驗(yàn)安全保障方案；為詳細(xì)了解高低壓級(jí)間流場(chǎng)，布置了級(jí)間測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)證明：多任務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行良好，低壓水力測(cè)功器穩(wěn)速精度提高4倍，試驗(yàn)件軸向力控制方法有效，試驗(yàn)時(shí)間縮短50%以上，為我國(guó)高性能雙轉(zhuǎn)子渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；雙轉(zhuǎn)子；全尺寸；1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪；匹配聯(lián)調(diào)；試驗(yàn)

1 引言

對(duì)轉(zhuǎn)渦輪作為一種先進(jìn)的渦輪結(jié)構(gòu)形式，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、降低耗油率以及提高飛機(jī)的整機(jī)性能方面具有重要意義[1-2]。對(duì)轉(zhuǎn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通過精簡(jiǎn)導(dǎo)葉排，可減少發(fā)動(dòng)機(jī)零部件數(shù)量，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)軸向尺寸，同時(shí)還能降低與導(dǎo)葉相關(guān)的摩擦、冷卻等氣動(dòng)損失，因此在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3-4]。

早在上世紀(jì)70年代，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司就已經(jīng)開始研究和應(yīng)用對(duì)轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)并取得了良好效果[5]。美國(guó)的綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃和先進(jìn)可承受通用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(VAATE)計(jì)劃中，多個(gè)驗(yàn)證機(jī)都采用了對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)；普惠F119系列發(fā)動(dòng)機(jī)和GE公司YF120系列發(fā)動(dòng)機(jī)也都采用了對(duì)轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)[6]。NASA劉易斯研究中心設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的一種用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的小型無第二級(jí)渦輪導(dǎo)向器對(duì)轉(zhuǎn)渦輪，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)點(diǎn)的總體效率提高了2%，速度降低時(shí)效率甚至可以提高7%。此外，美國(guó)麻省理工學(xué)院[7]、俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院[8-9]、法國(guó)空間中心[10]等國(guó)外高校和研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者們，先后分別研究了對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的流動(dòng)特性和設(shè)計(jì)方法[11-15]。

國(guó)內(nèi)對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪研究起步較晚，其中蔡睿賢[2-4]較詳細(xì)地介紹了對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的設(shè)計(jì)要素，劉思永[16]、方祥軍[17]、季路成[18]、趙慶軍[19]等分別針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)、氣動(dòng)性能分析及進(jìn)口熱斑等特征進(jìn)行了研究。季路成等[18]指出，目前國(guó)內(nèi)在對(duì)轉(zhuǎn)渦輪研制方面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化主要依靠模擬方法來實(shí)現(xiàn)，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和支撐，制約了對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)手段的提升和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累。然而，由于對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，國(guó)內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展緩慢。中科院常溫短周期模型對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)有效測(cè)試時(shí)間僅有約200 ms，而北京航空航天大學(xué)建成的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)臺(tái)尺寸較小，無法開展全尺寸對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)[20]。本文介紹了中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院開展的國(guó)內(nèi)首次全尺寸對(duì)轉(zhuǎn)渦輪連續(xù)試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用1+1/ 2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪，高、低壓渦輪分別使用高、低壓水力測(cè)功器作為負(fù)載進(jìn)行調(diào)節(jié)。為提高試驗(yàn)效率，試驗(yàn)人員研制升級(jí)了集成測(cè)控系統(tǒng)，改進(jìn)合并了兩臺(tái)不同型號(hào)水力測(cè)功器的供水系統(tǒng)，升級(jí)了功率調(diào)節(jié)器，提高了水力測(cè)功器的穩(wěn)速精度。針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的運(yùn)行特性，進(jìn)行了高低壓渦輪匹配聯(lián)調(diào)探索和安全試驗(yàn)流程梳理；在高低壓渦輪級(jí)間布置探針進(jìn)行了渦輪級(jí)間參數(shù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)級(jí)間探針測(cè)得的壓力偏高，無法用于高、低壓渦輪性能的分別評(píng)估。對(duì)上述技術(shù)的研究和應(yīng)用，保障了全尺寸1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)的順利開展，提高了試驗(yàn)效率，減少了試驗(yàn)時(shí)間；相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)我國(guó)類似的大中型雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗(yàn)器建設(shè)和對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)的開展具有重要的參考價(jià)值。

2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)件

圖1為中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院的渦輪綜合試驗(yàn)器結(jié)構(gòu)示意圖，表1列出了該試驗(yàn)器的主要指標(biāo)。流經(jīng)渦輪進(jìn)口截面的空氣或燃?xì)?簡(jiǎn)稱主氣)，通過調(diào)節(jié)閥后經(jīng)流量噴嘴進(jìn)入燃燒室加溫至試驗(yàn)所需渦輪進(jìn)口溫度，然后經(jīng)進(jìn)氣蝸殼沿軸向進(jìn)入試驗(yàn)件，膨脹做功后再經(jīng)排氣冷卻器排入大氣或由抽氣機(jī)組抽走。經(jīng)渦輪冷卻空氣流路進(jìn)入渦輪的氣流(簡(jiǎn)稱冷氣)通過進(jìn)氣閥后進(jìn)入冷氣分配罐，經(jīng)各路流量孔板流出，再通過調(diào)節(jié)閥調(diào)至試驗(yàn)要求的流量和壓力后進(jìn)入試驗(yàn)件。

表1 渦輪綜合試驗(yàn)器的試驗(yàn)?zāi)芰able 1 Capacity of turbine combined test rig

全尺寸1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪性能試驗(yàn)件，由第一級(jí)導(dǎo)葉、第一級(jí)動(dòng)葉和第二級(jí)動(dòng)葉組成。圖2為安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上的試驗(yàn)件，高壓渦輪軸向前伸出進(jìn)氣蝸殼與水力測(cè)功器相連，低壓渦輪軸向后伸出排氣蝸殼與水力測(cè)功器相連。試驗(yàn)渦輪發(fā)出的功由水力測(cè)功器吸收并測(cè)量；控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥開度改變渦輪進(jìn)口壓力，調(diào)節(jié)排氣蝶閥開度改變渦輪總壓膨脹比，調(diào)節(jié)水力測(cè)功器的進(jìn)、排水閥開度改變渦輪轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)冷氣進(jìn)氣閥和冷氣放空閥改變冷氣分配罐總壓，調(diào)節(jié)各冷氣分路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度改變冷氣流量比。試驗(yàn)中所有測(cè)量參數(shù)均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)錄取后保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)鍵參數(shù)經(jīng)處理后在大屏幕上集中顯示。

3 關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)

渦輪綜合試驗(yàn)器進(jìn)行過大量的導(dǎo)向器和單轉(zhuǎn)子渦輪部件試驗(yàn)，但進(jìn)行雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)尚屬首次。為此，針對(duì)1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，試驗(yàn)中需著重考慮以下技術(shù)問題：

(1)1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的高、低壓轉(zhuǎn)子相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，試驗(yàn)中要對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)聯(lián)合控制，需解決兩臺(tái)水力測(cè)功器供水的協(xié)同穩(wěn)定問題——既要保證供水壓力穩(wěn)定，又要保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定可調(diào)。此外，試驗(yàn)主氣供氣系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)要快速同步調(diào)節(jié)，以滿足不同試驗(yàn)狀態(tài)的調(diào)節(jié)需求；試驗(yàn)中使用多路冷氣進(jìn)行封嚴(yán)和軸向力平衡供氣，各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流應(yīng)及時(shí)共享，統(tǒng)一使用和存儲(chǔ)。為此，需研發(fā)測(cè)控集成系統(tǒng)，完成試驗(yàn)狀態(tài)控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)數(shù)據(jù)即時(shí)計(jì)算和入庫(kù)等功能。

(2)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)件的低壓渦輪無導(dǎo)向器，試驗(yàn)中高低壓轉(zhuǎn)子間有很多的自耦合轉(zhuǎn)速，如果高低壓轉(zhuǎn)子匹配不好將造成低壓轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)不穩(wěn)定，可能會(huì)導(dǎo)致低壓渦輪啟動(dòng)時(shí)反轉(zhuǎn)、高轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)異常、氣流自激震蕩劇烈等危險(xiǎn)狀況。為此，需結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)探索研究試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)控制和高低壓匹配聯(lián)調(diào)試驗(yàn)方法。

(3)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪總性能測(cè)試方案參照航標(biāo)[21]的相關(guān)要求實(shí)施，使用穩(wěn)態(tài)總溫總壓復(fù)合探針進(jìn)行級(jí)間流動(dòng)參數(shù)測(cè)量。但對(duì)轉(zhuǎn)渦輪級(jí)間為超跨聲流動(dòng)，轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速大，流動(dòng)環(huán)境復(fù)雜，流場(chǎng)非定常性十分顯著，加之試驗(yàn)件高低壓渦輪軸向間距較小，探針前緣距高壓渦輪動(dòng)葉尾緣近，因此采用總溫總壓探針可能導(dǎo)致流場(chǎng)參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)。此外，級(jí)間探針的迎風(fēng)面特征尺寸與高低壓渦輪軸向間距之比較大，可能對(duì)級(jí)間流動(dòng)，尤其是激波系產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

針對(duì)以上試驗(yàn)需求，研究人員進(jìn)行了全尺寸對(duì)轉(zhuǎn)關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)的探索和工程應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 測(cè)控集成系統(tǒng)

2.1 前期緩慢升溫，促進(jìn)根系發(fā)育 設(shè)施冬棗前期是根系生長(zhǎng)關(guān)鍵期，此期要防止“下涼上焦”，地溫達(dá)不到10℃時(shí)，棚內(nèi)氣溫應(yīng)控制在25℃以下，否則會(huì)因根系發(fā)育不良導(dǎo)致發(fā)芽不整齊和棗吊花蕾缺位（基部無蕾）。具體溫濕度指標(biāo)見表1。

為適應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)對(duì)控制、數(shù)據(jù)采集及安全監(jiān)控的需求，研制升級(jí)了測(cè)控集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)由調(diào)度管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)及配套設(shè)備等組成，見圖3。

調(diào)度管理子系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)整控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄取存儲(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理。數(shù)據(jù)通過高速以太網(wǎng)進(jìn)行交換共享，數(shù)據(jù)入庫(kù)指令下發(fā)后，控制子系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的試驗(yàn)件性能數(shù)據(jù)各自存入試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，由調(diào)度管理子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里的兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)以便試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)試驗(yàn)器的各設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)各執(zhí)行裝置進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制上位計(jì)算機(jī)、高壓水力測(cè)功器控制器、低壓水力測(cè)功器控制器等構(gòu)成。根據(jù)設(shè)備控制需要，除高、低壓水力測(cè)功器控制器外，PLC底層還建立了多個(gè)獨(dú)立的PID控制模塊，對(duì)渦輪進(jìn)口壓力、溫度，渦輪出口壓力，測(cè)功器供水壓力等進(jìn)行獨(dú)立控制。

測(cè)功器轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性受供水壓力波動(dòng)的影響，而水力測(cè)功器運(yùn)行時(shí)耗水量變化劇烈、波動(dòng)頻率快，加之兩臺(tái)水力測(cè)功器之間的相互影響，增大了供水壓力的控制難度。為此對(duì)兩臺(tái)水力測(cè)功器的供水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，增加一個(gè)公用供水穩(wěn)壓罐，在穩(wěn)壓罐頂部通入壓縮空氣，PLC控制系統(tǒng)以穩(wěn)壓罐液位為控制目標(biāo)，通過快速調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入穩(wěn)壓罐的水量，當(dāng)穩(wěn)壓罐里液位穩(wěn)定時(shí)，其供水壓力必然穩(wěn)定。對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)驗(yàn)證表明，供水系統(tǒng)改造后，當(dāng)穩(wěn)壓罐液位在±15 mm范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，測(cè)功器供水壓力波動(dòng)從±50 kPa減小到±7 kPa以內(nèi)，目前設(shè)備可將水位穩(wěn)定在±10 mm范圍內(nèi)。

3.2 試驗(yàn)流程和風(fēng)險(xiǎn)控制

根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)要求和試驗(yàn)器自身特點(diǎn)，為減少試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間，對(duì)試驗(yàn)中的高低壓渦輪狀態(tài)調(diào)節(jié)方案進(jìn)行了探討。為正確錄取設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)的高低壓渦輪性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要高低壓渦輪分別達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和膨脹比，但二者間的膨脹比又互相影響，因此存在相互匹配和聯(lián)合調(diào)節(jié)問題。高壓水力測(cè)功器具備恒轉(zhuǎn)速、恒功率功能，可通過高壓水力測(cè)功器穩(wěn)定高壓渦輪轉(zhuǎn)速，且具有一定的穩(wěn)定精度；低壓水力測(cè)功器無恒轉(zhuǎn)速功能，需通過不斷調(diào)整使低壓渦輪轉(zhuǎn)速在預(yù)定范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，以達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。為進(jìn)一步提高低壓水力測(cè)功器的穩(wěn)速精度，試驗(yàn)人員對(duì)原水力測(cè)功器手閥控制方式進(jìn)行了改造，采用了步進(jìn)電機(jī)加T型螺紋絲杠減速裝置的方式，對(duì)低壓水力測(cè)功器的負(fù)載調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，將低壓水力測(cè)功器的穩(wěn)速精度從±60 r/min提高到了±15 r/min，精度提高4倍，能夠滿足試驗(yàn)調(diào)節(jié)需求。最終確定的調(diào)節(jié)方案是穩(wěn)定高壓渦輪轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)低壓渦輪轉(zhuǎn)速和膨脹比，如圖4所示，即“高壓優(yōu)先調(diào)節(jié)、低壓獨(dú)立控制、高低匹配聯(lián)調(diào)”。

另外，在起動(dòng)升速到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的過程中，如果高低壓渦輪轉(zhuǎn)差過大，會(huì)引起低壓渦輪進(jìn)氣攻角偏離設(shè)計(jì)值過大并可能導(dǎo)致低壓渦輪失控。為此，在制定試驗(yàn)控制方案時(shí)，確定低壓渦輪追隨高壓渦輪進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制方案，確保起動(dòng)過程中高低壓渦輪折合轉(zhuǎn)速差不大于0.3。

由于對(duì)轉(zhuǎn)渦輪結(jié)構(gòu)的特殊性，高低壓渦輪盤之間的腔壓無法直接測(cè)量。機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)渦輪級(jí)間腔壓估算公式得到的對(duì)轉(zhuǎn)渦輪級(jí)間腔壓偏大，導(dǎo)致顯示的低壓轉(zhuǎn)子軸向力過大。機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)后對(duì)軸向力計(jì)算公式進(jìn)行修正，使顯示軸向力與轉(zhuǎn)子真實(shí)軸向力盡量接近。試驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)腔壓力將高壓轉(zhuǎn)子軸向力控制在安全范圍內(nèi)，再通過增大臨近腔壓力降低低壓轉(zhuǎn)子軸向力，同時(shí)通過監(jiān)控軸承座及滑油回油溫度來確保試驗(yàn)安全。圖5給出了試驗(yàn)中高、低壓渦輪軸向力的時(shí)間歷程，證實(shí)了軸向力控制方法的有效性。

3.3 級(jí)間流場(chǎng)測(cè)量

機(jī)械運(yùn)行試驗(yàn)采用3支梳狀總溫總壓復(fù)合探針(圖6)進(jìn)行級(jí)間測(cè)量。對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高低壓渦輪間距較小，為防止探針與轉(zhuǎn)動(dòng)部件碰磨，試驗(yàn)前計(jì)算出轉(zhuǎn)子相對(duì)探針的位移為0.2 mm，此位移值加上軸承最大軸向活動(dòng)量0.55 mm，遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子與探針的間距，不會(huì)出現(xiàn)碰磨危險(xiǎn)。圖7給出了試驗(yàn)中測(cè)得的級(jí)間總壓分布。由圖可知，3支探針測(cè)得的級(jí)間總壓分布規(guī)律一致，數(shù)值也比較接近。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在渦輪總效率與理論設(shè)計(jì)值吻合的情況下，根據(jù)級(jí)間壓力計(jì)算出的級(jí)效率分配與理論設(shè)計(jì)值相比，高壓渦輪效率明顯偏高，低壓渦輪效率明顯偏低，說明3支探針測(cè)得的高低壓渦輪級(jí)間壓力值偏大。

級(jí)間測(cè)量探針的使用參照了航標(biāo)[21]的相關(guān)規(guī)定，3支探針的測(cè)量結(jié)果可以排除測(cè)試硬件或方法的錯(cuò)誤，證明常規(guī)壓力探針無法真實(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量級(jí)間超跨聲流場(chǎng)的性能參數(shù)。對(duì)轉(zhuǎn)渦輪級(jí)間的超跨聲流動(dòng)環(huán)境復(fù)雜，流場(chǎng)的非定常性和非均勻性顯著，同時(shí)探針支桿迎風(fēng)面特征尺寸與高低壓渦輪軸向間距之比較大，這種壓力測(cè)量偏高的反常情形可能與探針和級(jí)間流動(dòng)尤其是激波系發(fā)展之間互相干擾影響有關(guān)，值得進(jìn)一步探索。為解決高馬赫數(shù)條件下的級(jí)間測(cè)量問題，應(yīng)注意解決探針的氣動(dòng)外形、發(fā)展非接觸測(cè)量方法(如LDV等)，以減輕對(duì)級(jí)間流場(chǎng)的干擾，獲得準(zhǔn)確的級(jí)間流場(chǎng)參數(shù)。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

經(jīng)上述設(shè)備改造和關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)探索，全尺寸對(duì)轉(zhuǎn)渦輪試驗(yàn)在設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的總膨脹比達(dá)到設(shè)計(jì)值。測(cè)控集成系統(tǒng)的研制升級(jí)和對(duì)轉(zhuǎn)渦輪匹配聯(lián)調(diào)方法的應(yīng)用，大大縮短了試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間，僅通過一次試驗(yàn)(預(yù)計(jì)2～3次)就順利完成對(duì)轉(zhuǎn)渦輪全部性能試驗(yàn)，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間50%，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)超過50%。

圖8為出口相對(duì)馬赫數(shù)的試驗(yàn)測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比，圖9為對(duì)轉(zhuǎn)渦輪總效率隨總膨脹比的變化?？梢姡邏簻u輪相對(duì)物理轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著低壓渦輪相對(duì)物理轉(zhuǎn)速的增大，效率曲線向右移動(dòng)，最高效率值也逐漸提高；低壓渦輪相對(duì)物理轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著高壓渦輪相對(duì)物理轉(zhuǎn)速的增大，效率曲線向上移動(dòng)。

5 結(jié)論

針對(duì)國(guó)內(nèi)首次全尺寸1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪連續(xù)氣源試驗(yàn)，探索了若干關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)，確保了雙轉(zhuǎn)子渦輪試驗(yàn)的安全高效完成，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有力地支持和促進(jìn)了我國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)和優(yōu)化理論的發(fā)展，證明以上幾項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行深入分析可得出以下結(jié)論：

(1)研發(fā)的基于多任務(wù)并行的測(cè)控集成系統(tǒng)，有效集成了試驗(yàn)控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和入庫(kù)以及安全監(jiān)控等功能。兩臺(tái)不同型號(hào)水力測(cè)功器的供水系統(tǒng)改造后，低壓水力測(cè)功器的穩(wěn)速精度提高了4倍；PLC底層各系統(tǒng)獨(dú)立的PID控制模塊，有效提高了調(diào)節(jié)速率和穩(wěn)速精度。測(cè)控集成系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和水力測(cè)功器的升級(jí)改造方法，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

(2)根據(jù)全尺寸1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的試驗(yàn)特征和試驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)，探索確立了“高壓優(yōu)先調(diào)節(jié)、低壓獨(dú)立控制、高低匹配聯(lián)調(diào)”的試驗(yàn)調(diào)節(jié)方案。該方案可快速調(diào)整對(duì)轉(zhuǎn)渦輪高、低壓級(jí)的設(shè)計(jì)工況和變工況轉(zhuǎn)速，降低了試驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定難度，縮短了50%以上試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約了大量的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。通過腔壓和軸向力的即時(shí)修正，對(duì)軸向力進(jìn)行了有效控制，確保了試驗(yàn)安全。

(3)1+1/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪級(jí)間距離狹小、流動(dòng)復(fù)雜，采用常規(guī)探針測(cè)量雖獲取了部分重要的級(jí)間參數(shù)，但也發(fā)現(xiàn)高馬赫數(shù)下常規(guī)探針對(duì)級(jí)間流場(chǎng)的干擾較大，導(dǎo)致級(jí)間壓力測(cè)量值偏高的反常情形出現(xiàn)。針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪的級(jí)間測(cè)量，應(yīng)探索使用迎風(fēng)面積小、氣動(dòng)造型好、頻響高的固定或移動(dòng)式探針，同時(shí)開展非接觸測(cè)量技術(shù)研究(如LDV等)。

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Investigation and verification of key technologies in full scale contra-rotating turbine experiment

LIU Zhi-gang，ZENG Jun，ZHAO Wang-dong，LIU Xian，XIE Jin-wei
(AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou，621703)

The dual-rotor turbine experiment has considerable failure risks and the first domestic full scale 1+1/2 contra-rotating turbine experiment has been successfully carried out in the AECC Sichuan Gas Tur?bine Establishment.To provide a solid foundation for experiment safety,several key technologies were in?vestigated based on relative literature and test facility status.The combined measurement and control multi?task system was developed to fulfill the synchronously control of the two rotor systems.Upgrades were taken out for the old fashioned hydraulic dynamometer regulation precision improvement and the matching regula?tion method of"regulate high pressure stage preferentially and low pressure stage catch up independently with the high and low pressure stage matching target"was set up.Besides,a practical safety assurance plan was proposed and the inter-stage measuring probes were applied for a better understanding of the in?ter-stage flow field characteristics.With those efforts,the multitask control system operated smoothly dur?ing the first domestic full scale dual-rotor turbine experiment and the rotating speed regulation precision were improved 4 times with a time saving of 50%.Those key technologies provide fundamental supports for the high performance dual-rotor turbine design and experiment for our country.

aero-engine；dual-rotor；full scale；1+1/2 contra-rotating turbine；matching regulation method；experiement

V231.3

：A

：1672-2620(2017)01-0001-06

2016-12-14；

：2017-01-25

劉志剛(1968-)，男，河北平鄉(xiāng)人，研究員，博士，主要從事葉輪機(jī)部件氣動(dòng)試驗(yàn)研究。