王云龍，雷凱淞，楊騫

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

1 壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)概述

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，風(fēng)扇、壓氣機(jī)屬于被帶動(dòng)的從動(dòng)部分，由燃燒室后方的渦輪驅(qū)動(dòng)。風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪有一級(jí)傳動(dòng)、二級(jí)傳動(dòng)和三級(jí)傳動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)單轉(zhuǎn)子、雙轉(zhuǎn)子和三轉(zhuǎn)子。

1.1 單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)

一級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)中，風(fēng)扇、壓氣機(jī)都串在一根動(dòng)力軸上，具有相同的轉(zhuǎn)速，此類(lèi)傳動(dòng)系統(tǒng)中的壓氣機(jī)為單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)。

1.2 雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)

二級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)是把渦輪分成兩部分，即高壓和低壓渦輪。由于驅(qū)動(dòng)高壓渦輪的是剛從燃燒室排出的高溫高壓燃?xì)?，因此高壓渦輪的轉(zhuǎn)速非?？?。高壓渦輪軸穿過(guò)環(huán)形燃燒室中間，把高壓渦輪的動(dòng)力傳遞給緊靠在燃燒室入口前的高壓壓氣機(jī)。因此，高壓壓氣機(jī)與高壓渦輪轉(zhuǎn)速相同，并且都是很高的轉(zhuǎn)速。因?yàn)轵?qū)動(dòng)高壓渦輪而消耗掉一部分能量的燃?xì)饫^續(xù)向發(fā)動(dòng)機(jī)后方運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)低壓渦輪。由于在驅(qū)動(dòng)高壓渦輪時(shí)已經(jīng)消耗部分能量，低壓渦輪的轉(zhuǎn)速也就比高壓渦輪低。低壓渦輪軸比高壓渦輪軸更長(zhǎng)、更細(xì)，套在高壓渦輪軸內(nèi)部，把低壓渦輪的動(dòng)力傳遞給風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)。因此，二級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)中，風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪的轉(zhuǎn)速是一樣的，都比較慢。

1.3 三轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)

為了進(jìn)一步提高壓氣機(jī)的效率和工作性能，將渦輪按照離燃燒室出口由近到遠(yuǎn)的次序，依次分為高壓、中壓和低壓渦輪三級(jí)傳動(dòng)。其中轉(zhuǎn)速最慢的低壓渦輪通過(guò)嵌套在最內(nèi)部的第三根渦輪軸單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，這樣風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)就可以在不同轉(zhuǎn)速下工作。

2 壓氣機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

航空發(fā)動(dòng)機(jī)上多處使用壓氣機(jī)級(jí)間引氣來(lái)對(duì)進(jìn)行相關(guān)的控制，如壓氣機(jī)主動(dòng)間隙控制，壓氣機(jī)短艙、冒罩除冰系統(tǒng)等。

（1）壓氣機(jī)主動(dòng)間隙控制。盡量減小其葉尖間隙來(lái)保證高壓壓氣機(jī)的最大性能。在大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)中，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子具有不可控的內(nèi)部冷卻氣流。機(jī)匣的膨脹要與轉(zhuǎn)子的膨脹相匹配，以確保葉尖間隙可以在高轉(zhuǎn)速和高壓比的情況下變得更小。由于難以控制轉(zhuǎn)子的冷卻，因此，葉尖間隙就必須擁有一定的裕度來(lái)防止碰磨。在爬升和巡航階段，使用該裕度以減小葉尖間隙，從而提高壓氣機(jī)效率。這個(gè)可以通過(guò)使用熱的壓氣機(jī)空氣加熱高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，或通過(guò)關(guān)閉內(nèi)部冷卻氣流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）壓氣機(jī)可調(diào)放氣閥控制系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)扇增壓級(jí)的轉(zhuǎn)速下降到設(shè)計(jì)點(diǎn)以下時(shí)，氣流的軸向速度也隨著降低，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片攻角增加。為了防止攻角到達(dá)臨界值，需要開(kāi)啟VBV，從風(fēng)扇增壓級(jí)出口的氣體流道中放出一定量的空氣。由于這些壓縮空氣的釋放會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失，因此僅僅在必要情況下才開(kāi)啟VBV，允許一部分氣體離開(kāi)主流道。

該系統(tǒng)通常由一個(gè)或兩個(gè)液壓作動(dòng)器操作，由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器控制。

（3）可調(diào)靜子葉片控制系統(tǒng)。在低轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)前幾級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的攻角會(huì)增加。為了保持攻角在高壓壓氣機(jī)所有運(yùn)行轉(zhuǎn)速下都處于最佳狀態(tài)，進(jìn)口導(dǎo)葉和前面的三到四級(jí)靜子會(huì)設(shè)計(jì)成可調(diào)靜子葉片。不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)靜子葉片系統(tǒng)非常相似。該系統(tǒng)由一個(gè)或兩個(gè)液壓作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)，由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器控制。

（4）高壓壓氣機(jī)放氣閥。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和起動(dòng)過(guò)程中，為了防止高壓壓氣機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下發(fā)生失速，除了調(diào)節(jié)VSV 之外，還有必要使用高壓壓氣機(jī)放氣閥。這些閥門(mén)被稱為操作放氣閥或高壓放氣閥。

3 壓氣機(jī)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

壓氣機(jī)試驗(yàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制、改進(jìn)和發(fā)展中尤為重要。高性能、高可靠性的壓氣機(jī)需要大量壓氣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和迭代，壓氣機(jī)試驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)型號(hào)研制的基礎(chǔ)。

3.1 壓氣機(jī)試驗(yàn)類(lèi)型

壓氣機(jī)試驗(yàn)主要分為壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)和壓氣機(jī)機(jī)械性能試驗(yàn)。本文主要討論壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)。壓氣機(jī)起動(dòng)性能試驗(yàn)是在專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)設(shè)備上，通過(guò)試驗(yàn)的方法求得壓氣機(jī)的起動(dòng)特性；用以評(píng)定壓氣機(jī)的性能水平和為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，豐富設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，以完善壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系。

壓氣機(jī)性能試驗(yàn)主要目的為錄取壓氣機(jī)特性，研究壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，進(jìn)行壓氣機(jī)性能調(diào)試和診斷。試驗(yàn)時(shí)進(jìn)口狀態(tài)可以模擬大氣進(jìn)氣條件，負(fù)壓、加溫加壓和畸變進(jìn)行等。主要包含全尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)、模型壓氣機(jī)試驗(yàn)和研究性壓氣機(jī)試驗(yàn)等。進(jìn)行壓氣機(jī)性能試驗(yàn)或性能調(diào)試試驗(yàn)應(yīng)選用全尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)或縮尺模型壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。本文主要重點(diǎn)關(guān)注壓氣機(jī)性能試驗(yàn)。

3.2 壓氣機(jī)性能試驗(yàn)內(nèi)容

壓氣機(jī)性能試驗(yàn)主要包括壓氣機(jī)總體性能試驗(yàn)、壓氣機(jī)基元葉片性能試驗(yàn)、壓氣機(jī)性能調(diào)試試驗(yàn)、壓氣機(jī)進(jìn)氣畸變?cè)囼?yàn)、級(jí)間引氣對(duì)壓氣機(jī)性能的影響試驗(yàn)、低速大尺寸模型壓氣機(jī)試驗(yàn)、風(fēng)扇雙涵道試驗(yàn)等。

3.3 測(cè)試要求

壓氣機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)不同試驗(yàn)?zāi)康?，有不同的測(cè)量要求。其測(cè)試方式和測(cè)量精度應(yīng)按照HB7115 壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

4 壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)典型組成

典型壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、試驗(yàn)器滑油系統(tǒng)、試驗(yàn)件滑油系統(tǒng)、試驗(yàn)件液壓系統(tǒng)、輔助空氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等。

為滿足環(huán)保部門(mén)的相關(guān)要求，壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)還需包含噪聲控制系統(tǒng)。考慮局部技術(shù)方案的不同，例如，排氣降溫方案的不同，壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)還包含補(bǔ)氣系統(tǒng)或噴水降溫系統(tǒng)。

進(jìn)氣系統(tǒng)：功能為將環(huán)境大氣過(guò)濾后、對(duì)進(jìn)氣壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)并測(cè)量進(jìn)氣流量，對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)整流后提供給試驗(yàn)件，模擬壓氣機(jī)的入口環(huán)境。

動(dòng)力系統(tǒng)：功能為使用變電站提供的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)、對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行增速后驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)、驅(qū)動(dòng)扭矩可測(cè)量；配置盤(pán)車(chē)裝置在試驗(yàn)前以及準(zhǔn)備過(guò)程中進(jìn)行盤(pán)軸檢查及調(diào)整。以模擬渦輪對(duì)壓氣機(jī)提供軸功率。

排氣系統(tǒng)：功能為將試驗(yàn)件排出的高溫高壓氣體引出、對(duì)排氣流量及背壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，模擬壓氣機(jī)工作狀態(tài)下背壓。

引氣系統(tǒng)：功能為實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)指定位置的引氣和放氣，模擬壓氣機(jī)引/放氣條件下的氣動(dòng)特性。

試驗(yàn)器滑油系統(tǒng)：功能為所有排氣調(diào)節(jié)閥、增速箱、扭矩器、電機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)元件提供驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力或冷卻潤(rùn)滑滑油。

試驗(yàn)件滑油系統(tǒng)：向試驗(yàn)件前后軸承提供冷卻潤(rùn)滑液壓油。

試驗(yàn)件液壓系統(tǒng)：功能為向試驗(yàn)件IGV 、VSV 和VBV 系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子葉片控制系統(tǒng)、可調(diào)放氣閥門(mén)控制系統(tǒng)和高壓壓氣機(jī)放氣閥的功能。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)：功能為向所有滑油站、液壓系統(tǒng)、電機(jī)、變頻器提供冷卻水。

輔助空氣系統(tǒng)：主要包含儀表氣和平衡盤(pán)用氣（視軸向力平衡方案而定）。

電氣控制系統(tǒng)：功能為對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的供電、供水、供氣及試驗(yàn)作動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)控制、對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，可根據(jù)預(yù)設(shè)條件判斷自動(dòng)報(bào)警或自動(dòng)緊急停車(chē)。同時(shí)，具備緊急情況下手動(dòng)應(yīng)急操作。

測(cè)試系統(tǒng)：功能為對(duì)試驗(yàn)臺(tái)所有測(cè)量狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量采集、對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和后期處理。

輔助系統(tǒng)：功能為在試驗(yàn)臺(tái)日常保養(yǎng)檢修、試驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供輔助作用。

噪聲控制系統(tǒng)：確保試驗(yàn)器在工作過(guò)程中的噪聲得到控制，滿足環(huán)保部門(mén)的要求。

補(bǔ)氣系統(tǒng)：功能為向試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)補(bǔ)充空氣，用于向排氣系統(tǒng)引射器及引氣系統(tǒng)引射器提供引射空氣以達(dá)到摻混降溫的目的。

噴淋系統(tǒng)：在排氣塔內(nèi)向排氣系統(tǒng)排出的高溫空氣噴水，以達(dá)到噴淋降溫的目的。

5 壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要分系統(tǒng)方案選型

壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)主要分系統(tǒng)方案包含進(jìn)排氣方案比選、動(dòng)力系統(tǒng)變頻器方案比選、應(yīng)急響應(yīng)方案比選和排氣冷卻方案比選等方面。每個(gè)分系統(tǒng)方案的不同，影響著相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)方案，影響著壓氣機(jī)試驗(yàn)廠房的工藝布局和面積方案，甚至影響整個(gè)園區(qū)的供配電方案。本文以動(dòng)力系統(tǒng)變頻器方案為例進(jìn)行描述。

目前，市面上主流變頻器有兩種：電壓源變頻器及電流源變頻器。變頻器型式的選擇，決定了壓氣機(jī)試驗(yàn)器對(duì)園區(qū)、對(duì)區(qū)域電網(wǎng)注入諧波電流的情況，決定了園區(qū)變配電方案，以及壓氣機(jī)試驗(yàn)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否需要配備復(fù)雜的諧波治理設(shè)備，嚴(yán)重影響電氣專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)方案，以及相應(yīng)的廠房工藝布局和面積方案。

以某項(xiàng)目60MW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為例，針對(duì)電壓源變頻器及電流源變頻器進(jìn)行方案對(duì)比驗(yàn)證，兩種變頻器方案對(duì)比情況詳見(jiàn)表1。

此外，電流源變頻器還需要配置功率因數(shù)補(bǔ)償及濾波裝置，上述兩裝置將占用電氣設(shè)備間一定空間，而且，無(wú)論采用進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備，均需要一套運(yùn)行維護(hù)備件、技術(shù)人員，額外增加損耗和空調(diào)制冷功率，增加了運(yùn)行費(fèi)用；同時(shí)，增加設(shè)備就會(huì)增加設(shè)備故障點(diǎn)，加大了整個(gè)試驗(yàn)器的不穩(wěn)定因素。并且電流源變頻器功率因數(shù)補(bǔ)償和濾波裝置都是按照額定轉(zhuǎn)速、額定負(fù)載設(shè)計(jì)制造的，在其他運(yùn)行工況都不能充分滿足諧波要求和功率因數(shù)要求，限制了壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速與扭矩等參數(shù)的設(shè)置，限制了未來(lái)試驗(yàn)的內(nèi)容。

綜上所述電壓源型變頻器是變頻器最優(yōu)方案，當(dāng)采用電壓源型變頻器時(shí)，對(duì)變頻器來(lái)說(shuō)，都是成熟應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置，不存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備可靠性較高。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)試驗(yàn)需求、建設(shè)方案等進(jìn)行系統(tǒng)性分析，為壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。