向宏輝，侯寬新，劉 寬，高 杰，吳森林，趙 正，張 毅

(1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽 621000；2.四川省航空發(fā)動機及燃?xì)廨啓C葉輪機械工程技術(shù)研究中心，四川 綿陽 621000；3.中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

1 引言

絕熱效率是衡量航空發(fā)動機壓縮部件設(shè)計水平和工作性能的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，目前先進(jìn)軍/民用高壓軸流壓氣機的設(shè)計絕熱效率均在85%以上，低壓軸流風(fēng)扇的設(shè)計絕熱效率甚至超過90%[1-3]。由于壓氣機設(shè)計絕熱效率與模型選取、葉片造型、級間匹配等多種因素相關(guān)，而現(xiàn)有數(shù)值仿真技術(shù)還無法準(zhǔn)確計算壓氣機全工況效率參數(shù)，因此試驗測量仍是有效獲取壓氣機效率參數(shù)的主要手段[4-6]。

在壓氣機性能試驗中，主要通過溫升法和扭矩法獲取效率參數(shù)(分別對應(yīng)溫升效率和扭矩效率)。溫升法側(cè)重于壓氣機流道內(nèi)進(jìn)/出口溫度測量，但小溫升工況下測量結(jié)果的不確定性通常較大，同時測量過程還需綜合考慮熱電偶恢復(fù)系數(shù)[7]、狀態(tài)平衡時間、探針堵塞擾動[8-10]、大氣濕度[11-13]等各種因素的影響。針對小溫升工況下壓氣機效率對出口溫度測量誤差變化敏感的問題，文獻(xiàn)[14]驗證了出口熱電偶反串測溫技術(shù)的有效性，取得了較好的研究結(jié)果。扭矩法偏重于對壓氣機傳動軸機械扭矩變化的測量，規(guī)避了壓氣機流道內(nèi)部溫度場難以準(zhǔn)確測量的問題，尤其是在低壓比小溫升工況下具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢[15]。但是采用扭矩法測量壓氣機效率時，也存在不容忽視的環(huán)境影響因素，如大功率壓氣機盤腔鼓風(fēng)損失和軸承發(fā)熱損失[16]、前置懸掛式齒輪箱機械損失、扭矩測量裝置標(biāo)定[17]、壓氣機級間引氣等。文獻(xiàn)[18]提出采用試驗壓氣機不裝葉片的情況下進(jìn)行傳動軸動態(tài)校準(zhǔn)以修正軸系機械損失。本文作者在國內(nèi)首次開展了前置齒輪箱機械損失真實負(fù)載標(biāo)定試驗，提出了計及齒輪箱變轉(zhuǎn)速機械損失的改進(jìn)修正系數(shù)，提升了試驗對象中低轉(zhuǎn)速效率測量的準(zhǔn)確性[14]。

綜上所述，在用于評定壓氣機氣動設(shè)計的各項技術(shù)指標(biāo)參數(shù)中，絕熱效率高精度試驗測量由于受到數(shù)值仿真結(jié)果誤差大、測量環(huán)境影響因素多、修正理論方法不完善等限制，已成為當(dāng)前高性能航空發(fā)動機精細(xì)化研制亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。為進(jìn)一步發(fā)展多因素影響下的壓氣機全工況效率高精度試驗評定方法，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，首次針對扭矩法測量壓氣機效率存在的前置齒輪箱潤滑條件和封嚴(yán)腔泄漏流兩個潛在影響因素開展試驗研究。

2 齒輪箱潤滑條件對效率測量的影響

齒輪箱是壓氣機試驗器的重要組成系統(tǒng)，前置齒輪箱的作用是為二次提高試驗器軸系輸出轉(zhuǎn)速以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速壓氣機的運行需求。從圖1中帶前置齒輪箱的典型壓氣機試驗系統(tǒng)布局圖可以看出，測扭器在測量壓氣機試驗件扭矩時額外引入了前置齒輪箱的機械損失。目前，工程上通過直接給定經(jīng)驗系數(shù)來評估齒輪箱機械損失的影響，忽略齒輪箱傳動效率隨工況的變化。為獲取前置齒輪箱變轉(zhuǎn)速機械損失特性，文獻(xiàn)[14]選用一單級軸流壓氣機試驗件作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載源，開展了安裝齒輪箱和不安裝齒輪箱兩種結(jié)構(gòu)布局的性能對比試驗，得到了不同轉(zhuǎn)速下前置齒輪箱機械損失變化規(guī)律及其對效率測量的影響程度，并給出了計及前置齒輪箱變轉(zhuǎn)速機械損失的壓氣機效率修正方法，其計算公式為：

圖1 帶前置齒輪箱的典型壓氣機試驗系統(tǒng)布局圖Fig.1 Layout of the typical compressor experiment system installed front gearbox

式中：k為定比熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)；W為質(zhì)量流量，kg/s；Tin為進(jìn)口總溫，K；π為總壓比；M為扭矩測量值，N·m；n為測扭器轉(zhuǎn)速，r/min；s為齒輪箱速比；nd為壓氣機設(shè)計轉(zhuǎn)速，r/min。

上述效率修正方法考慮了負(fù)載轉(zhuǎn)速和功率變化對前置齒輪箱機械損失的影響，相比工程上一直沿用的直接給定齒輪箱設(shè)計傳動效率的簡化修正系數(shù)而言，有利于提高扭矩法測量壓氣機效率的準(zhǔn)確性。由于前置齒輪箱直接安裝在壓氣機出口，要求在高溫、高壓、高流速等苛刻環(huán)境條件下可靠傳動，加之受到壓氣機連接輪廓尺寸的限制，導(dǎo)致前置齒輪箱齒輪副、滑動軸承等運動部件對潤滑冷卻的要求非常高。目前，壓氣機試驗器用齒輪箱大多采用噴油潤滑方式冷卻，在潤滑介質(zhì)選定情況下，潤滑特性主要取決于試驗器的供油條件。通常，供油壓力會影響噴嘴供油流量和噴油角度，在一定范圍內(nèi)提高供油壓力后，供油流量增加，油阻損失增大，導(dǎo)致齒輪箱機械損失增大。由于潤滑油的粘性與溫度有關(guān)，在一定范圍內(nèi)提高供油溫度后，滑油粘性降低，油阻損失減小，使得齒輪箱機械損失降低。因此，前置齒輪箱供油潤滑條件(壓力、溫度)是影響齒輪箱機械損失的重要因素。為考察前置齒輪箱潤滑條件對壓氣機效率測量的影響程度，進(jìn)一步提升扭矩效率測量方法的準(zhǔn)確性，本文通過改變齒輪箱供油壓力和供油溫度，開展了壓氣機變轉(zhuǎn)速效率對比試驗。

圖2 給出了空載(不安裝壓氣機)情況下前置齒輪箱供油壓力對測扭器初始扭矩測量的影響，其中測扭器采用相位差測量原理，初始相位角未進(jìn)行零點標(biāo)定，供油溫度保持在30℃。從圖中可知，不同轉(zhuǎn)速下齒輪箱扭矩均隨著供油壓力提高而單調(diào)線性增大，當(dāng)供油壓力提高60 kPa后，對應(yīng)扭矩約增加3 N·m。圖3 給出了空載情況下前置齒輪箱供油溫度對測扭器初始扭矩測量的影響，其中供油壓力保持在150 kPa。由圖可知，不同轉(zhuǎn)速下齒輪箱扭矩均隨著供油溫度提高而單調(diào)線性減小，當(dāng)供油溫度提高15℃后，對應(yīng)扭矩降低3～5 N·m。分別在不同供油溫度(20，25，30，35℃)和不同供油壓力(130，150，170，190 kPa)組合條件下進(jìn)行前置齒輪箱空載變轉(zhuǎn)速扭矩測量，試驗結(jié)果具有較好的一致性，說明前置齒輪箱供油潤滑條件在一定程度上會影響測扭器扭矩測量。

圖2 供油壓力對初始扭矩測量的影響Fig.2 Effect of oil supply pressure on initial torque measurement

圖3 供油溫度對初始扭矩測量的影響Fig.3 Effect of oil supply temperature on initial torque measurement

圖4 和圖5 分別給出了不同供油條件下壓氣機絕熱效率測量結(jié)果，其中絕熱效率采用公式(1)計算?？梢?，相同轉(zhuǎn)速下，隨著供油壓力的增大，壓氣機效率略有降低；隨著轉(zhuǎn)速的降低，供油壓力對壓氣機效率影響程度有增大的趨勢，在50%設(shè)計轉(zhuǎn)速時，供油壓力增大20 kPa，壓氣機峰值效率約降低0.7個百分點。相同轉(zhuǎn)速下，隨著供油溫度的提高，壓氣機效率略有升高；隨著轉(zhuǎn)速的降低，供油溫度對壓氣機效率影響程度有增大的趨勢，在50%設(shè)計轉(zhuǎn)速時，供油溫度提高5℃，壓氣機峰值效率約升高1.2個百分點。

圖4 供油壓力對壓氣機效率測量的影響Fig.4 Effect of oil supply pressure on compressor efficiency measurement

圖5 供油溫度對壓氣機效率測量的影響Fig.5 Effect of oil supply temperature on compressor efficiency measurement

以上試驗結(jié)果表明，前置齒輪箱供油潤滑條件對壓氣機效率測量會產(chǎn)生一定影響，由于供油潤滑條件對齒輪箱機械損失影響規(guī)律呈線性，低轉(zhuǎn)速時齒輪箱額外消耗的扭矩占整個測扭器測量扭矩的比重增大，導(dǎo)致供油潤滑條件對壓氣機效率的影響程度更為明顯。因此，為保證壓氣機扭矩效率測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，從前置齒輪箱空載標(biāo)定到壓氣機全轉(zhuǎn)速試驗結(jié)束，應(yīng)保證整個試驗過程中齒輪箱供油潤滑條件的穩(wěn)定，并建議供油壓力變化范圍不大于20 kPa，供油溫度變化范圍不大于5℃。

3 封嚴(yán)腔泄漏流對效率測量的影響

圖6 為單級軸流壓氣機典型結(jié)構(gòu)示意圖，試驗中通過向壓氣機前支點軸承的前/后封嚴(yán)腔內(nèi)供給一定壓力的封嚴(yán)空氣，以防止軸承腔潤滑油泄漏。同時，高轉(zhuǎn)速試驗時為降低壓氣機后支點主軸承的軸向載荷，通常采用進(jìn)氣物理節(jié)流方法。但在某次試驗中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣節(jié)流引起后封嚴(yán)腔壓縮空氣通過篦齒間隙向流道內(nèi)泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致壓氣機性能試驗結(jié)果產(chǎn)生變化。

圖6 單級軸流壓氣機典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of typical structure of single-stage axial compressor

圖7給出了不同進(jìn)氣節(jié)流比下壓氣機性能試驗結(jié)果，其中節(jié)流比定義為壓氣機進(jìn)口總壓與環(huán)境大氣壓之比?？梢钥闯?，不同節(jié)流比下壓氣機壓比和扭矩效率出現(xiàn)了較為明顯的變化，即隨著節(jié)流比的減小(節(jié)流程度加劇)，壓比和扭矩效率不斷降低；相比之下，溫升效率的變化則不太明顯。在相同流量下，當(dāng)節(jié)流比由0.95 降至0.53 時，扭矩效率降低了3.6 個百分點。由于進(jìn)氣節(jié)流會降低壓氣機進(jìn)口雷諾數(shù)，當(dāng)工作雷諾數(shù)降至臨界雷諾數(shù)時，壓氣機氣動性能將出現(xiàn)惡化。為進(jìn)一步證實進(jìn)氣節(jié)流影響壓氣機扭矩效率的物理機制，圖8 比較了壓氣機進(jìn)口流量和出口流量的變化，圖中流量比定義為(出口流量-進(jìn)口流量)/進(jìn)口流量×100%。由圖可知，不同節(jié)流比所對應(yīng)的工作雷諾數(shù)均遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)(2.0×105)，壓氣機始終工作在動力相似的自動?；瘏^(qū)，說明進(jìn)氣節(jié)流所引起的雷諾數(shù)變化不是壓氣機性能惡化的原因。不同節(jié)流比下，壓氣機進(jìn)口和出口流量存在一定差異，具體為隨著節(jié)流程度的加劇，出口流量越大于進(jìn)口流量，說明壓氣機進(jìn)/出口流量發(fā)生不連續(xù)變化的主要原因是出現(xiàn)了級間二次泄漏。由于節(jié)流后壓氣機進(jìn)口流道為負(fù)壓工作環(huán)境，后封嚴(yán)腔與流道進(jìn)口之間形成壓差，封嚴(yán)腔內(nèi)氣流會通過封嚴(yán)篦齒間隙向流道內(nèi)泄漏，且泄漏量隨著節(jié)流比減小而增大。

圖7 不同進(jìn)氣節(jié)流比下壓氣機性能試驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of compressor performance under different intake throttle ratio

圖8 不同進(jìn)氣節(jié)流比下壓氣機進(jìn)/出口流量的變化Fig.8 Variation of inlet/outlet flow of compressor under different intake throttle ratio

圖9給出了不同節(jié)流比下壓氣機出口流場的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣節(jié)流對壓氣機出口輪轂附近的流場分布也產(chǎn)生了一定影響，且隨著節(jié)流程度的加劇，轉(zhuǎn)子根部做功增壓能力降低，流動損失增大，間接佐證了上游轉(zhuǎn)子根部前緣位置封嚴(yán)腔泄漏流影響作用的存在。上述結(jié)果說明，為確保壓氣機性能試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗前必須針對壓氣機進(jìn)行密封性檢測，關(guān)注封嚴(yán)腔泄漏流對壓氣機扭矩效率測量的影響。

圖9 不同進(jìn)氣節(jié)流比下壓氣機出口流場的變化Fig.9 Variation of compressor outlet flow field under different intake throttle ratio

4 結(jié)論

針對目前工程上扭矩法測量與評定壓氣機絕熱效率存在的突出問題，首次開展了前置齒輪箱供油潤滑條件和軸承封嚴(yán)腔泄漏流影響試驗，得到以下結(jié)論：

(1) 前置齒輪箱供油潤滑條件對壓氣機扭矩效率測量結(jié)果會產(chǎn)生一定影響，且低轉(zhuǎn)速時的影響程度更為明顯。從前置齒輪箱空載標(biāo)定到壓氣機全轉(zhuǎn)速性能試驗，應(yīng)保證整個過程中齒輪箱供油潤滑條件的穩(wěn)定，供油壓力變化范圍不大于20 kPa，供油溫度變化范圍不大于5℃。

(2) 軸承封嚴(yán)腔泄漏流對壓氣機扭矩效率測量結(jié)果會產(chǎn)生一定影響，封嚴(yán)腔內(nèi)氣流會通過篦齒間隙向流道內(nèi)泄漏，導(dǎo)致壓氣機進(jìn)/出口流量發(fā)生不連續(xù)變化。進(jìn)氣節(jié)流比越小，氣流泄漏量越大，扭矩效率測量結(jié)果越低。試驗前應(yīng)針對壓氣機進(jìn)行密封性檢測，關(guān)注封嚴(yán)腔泄漏流對壓氣機扭矩效率測量的影響。

(3) 針對壓氣機扭矩效率測量中存在的盤腔鼓風(fēng)效應(yīng)和軸承熱效應(yīng)影響評估問題，后續(xù)應(yīng)開展模擬盤腔供氣和軸承加載的機械損失標(biāo)定試驗研究，建立計及壓氣機傳動機械損失的扭矩效率修正方法，提升高轉(zhuǎn)速下的壓氣機扭矩效率測量精度。