一种水下航行器燃气涡轮机性能模拟试验方法

陈 刚, 师海潮, 伊进宝, 赵海涛



一种水下航行器燃气涡轮机性能模拟试验方法

陈 刚1, 师海潮2, 伊进宝2, 赵海涛2

(1. 西安东风仪表厂代表室, 陕西 西安, 710075; 2. 中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075)

针对以往水下航行器动力系统设计试验中的不足, 通过分析水下航行器涡轮机的基本原理, 利用空气动力学和流场相似理论, 对涡轮机性能模拟试验原理和方法进行了探讨, 提出了一种通过燃气涡轮机低工况性能模拟试验来验证设计工况的试验方法, 旨在为涡轮机的性能试验验证提供理论基础, 同时为涡轮机的试验条件建设提供参考。

水下航行器; 燃气涡轮机; 空气动力学; 流场相似理论; 试验方法

0 引言

水下航行器燃气涡轮机动力系统中, 涡轮机的性能对动力系统整体性能的影响很大, 因此, 必须要准确了解涡轮机的各项性能, 才能比较准确地进行系统参数平衡调整。对于一台新研制的燃气涡轮机来说, 实际性能和设计性能可能有一定的差异, 为了解涡轮机实际性能, 必须进行性能验证试验。由于试验条件不可能完全满足发动机的实际工况, 性能试验只能选用合适的涡轮工质, 按照某种相似模拟准则降低工况进行, 并将试验得到的数据按照特定的关系换算, 获取涡轮机的性能特性[1-2]。

对水下航行器发动机来说, 以往的设计验证都是在动力系统整机性能试验台上进行功率试验验证, 存在研制经费高及周期长等特点, 而且发动机的技术风险只有在功率试验完成后才能发现。另一方面, 由于水下航行器推进剂的技术限制, 水下航行器燃气涡轮机具有高焓降的特点, 带来涡轮机入口燃气的压力很高, 在建设试验台时高压燃气发生器的研制是一个很大的技术难题[3-4]。

本文应用燃气涡轮机空气动力学和相似理论, 通过研究涡轮机的气动力学特性, 建立了水下航行器燃气涡轮机性能模拟的试验原则, 提出了一种通过燃气涡轮机低工况性能模拟试验来验证设计工况的试验方法, 为水下航行器燃气涡轮机的试验研究及试验平台建设提供理论基础。

1 燃气涡轮机能效转换原理

水下航行器燃气涡轮机一般采用单级、超音速、冲动式、部分进气轴流式等设计, 其通流部分气动参数及结构示意图见图1和图2。

图1 涡轮机通流部分气动参数图

图2 涡轮机通流部分结构图

涡轮机有效输出功率N计算公式[3-4]

式中:为通过涡轮机的工质流量;N为涡轮机的可用焓降, 主要与涡轮机入口工质热力参数有关;为涡轮机有效效率, 主要与涡轮机的内效率和机械效率有关。

通过涡轮机的工质流量计算公式[3-4]

式中:为涡轮机喷管盒的流量系数;A为涡轮机喷管的临界截面总面积。

涡轮机可用焓降计算公式[3-4]

涡轮机有效效率计算[3-4]

式中:为喷嘴损失;为工作叶片损失;为余速损失;为轮盘摩擦损失;为部分进气鼓风损失;为斥气损失;3为间隙漏气损失;为涡轮机内效率;为传动机构机械效率;为涡轮机轮周效率。

对于冲动式涡轮机来说, 轮周效率可根据班金公式计算[3-4]

冲动式涡轮级轮周效率和内效率随速比/1变化曲线在图3和图4中给出。对水下航行器涡轮机来说, 其高焓降特点决定了速比一般在曲线的左半边, 从图中趋势可以看出, 在曲线的左半边, 内效率与轮周效率的变化基本一致, 且两者相差与速比为3次方的关系。

因此, 从涡轮机的性能研究出发, 将涡轮机的喷管盒和叶轮作为试验对象, 去除涡轮及传动机械效率的影响, 通过改变涡轮机进出口工质压力、温度及涡轮转速来摸索涡轮机的性能。

图3 轮周效率与速比的关系

图4 内效率与速比的关系

涡轮机性能模拟试验的目的是确定涡轮机功率N与转速, 涡轮功率N和涡轮喷嘴前燃气总压0*的关系, 并求出设计工况下涡轮的功率和效率。另外, 通过试验还可检查涡轮机的设计和加工质量, 检验涡轮机的强度、刚度和高速动密封的热载情况。

涡轮机特性试验有2项内容: 一是保持喷管前燃气压力不变, 用改变测功器的工作状况, 达到改变转速, 从而得到涡轮机功率和转速的函数关系; 二是改变喷管前的燃气压力, 通过改变测功器工作状况, 使得转速不变, 得到涡轮机功率和喷管前燃气总压的函数关系, 见图5和图6。

图5 涡轮机功率与转速关系

图6 涡轮机功率与燃气压力关系

2 涡轮机性能模拟试验原理

根据前述的原因, 利用流场气动特性及相似准则, 探索涡轮机性能模拟的试验方法, 确定性能模拟的试验准则。

2.1 性能模拟试验相似准则

涡轮机性能模拟试验一般分为2种: 一是模拟件试验(模拟件结构尺寸增大或缩小); 二是原型涡轮或真实产品的模拟试验。对于水下航行器涡轮机来说, 涡轮机尺寸很小, 可以进行原型涡轮进行模拟试验。

决定涡轮机工况的主要参数: 入口工质总压0*和总温0*; 出口压力2; 转速等。根据相似理论, 进行模拟试验时需保证下列3个无量纲参数相似: 雷诺数R; 马赫数M; 速比/1[1,2,5]。

通常涡轮在性能模拟试验时应用的是近似模拟条件。如果考虑到在模拟试验过程中, 一般是单独实现了涡轮流道中的气体流场条件, 也就是说流场的特性与雷诺数无关。在这种情况下, 假定工质在涡轮流道内流动时不存在热交换(作绝热流动), 此时模拟条件为:/1＝常数,M＝常数。因此, 对于模拟工况(以下角标“”)和实际工况(以下角标“”)可以得出

2.2 性能模拟试验参数确定

模拟试验参数主要包括涡轮机燃烧室入口的总压和温度、涡轮出口静压、转速、流量等。

1) 涡轮压比的确定

根据涡轮机马赫数相等的原则, 压比确定关系式为

2) 涡轮转速的确定

根据速比相等的原则, 可以导出关系式

3) 涡轮出口压力及入口总温的确定

4) 模拟试验流量的确定

涡轮设计工况的流量公式

模拟试验的流量计算

5) 涡轮机效率的确定

在满足上述相似准则的前提下, 模拟工况的涡轮效率与真实工况的效率相等。

3 试验方法

依照以上原理可建立水下航行器燃气涡轮机热吹风试验台, 使用代用工质或清洁能源为试验系统燃料, 通过模拟试验来摸索涡轮机的性能。

进行燃气涡轮机性能模拟试验时, 被试产品为以喷管盒和涡轮转子组成的涡轮机, 负载模拟装置为高速测功器。试验时, 燃料供应装置和氧化剂供应装置向燃气发生器供应一定流量和压力的工质, 在燃气发生装置产生高温高压燃气, 进入涡轮发动机驱动涡轮机做功, 产生的废气经废气排放装置排出, 负载模拟装置吸收发动机发出的功率; 废气排放装置模拟水下航行器航行时的海水背压环境; 冷却装置向试验体、测功器、废气排放装置和试验台其他需要冷却的装置供应一定流量和压力的冷却水。试验原理图见图7。

4 结束语

由于水下航行器涡轮机还属于技术开发阶段, 相对应的研究手段和试验手段还不太成熟, 本文根据气动力学及流场相似理论, 提出一种可用于涡轮性能试验的试验方法, 应用于涡轮机的设计工况的性能研究, 同时为涡轮机的试验研究及试验平台建设提供理论支持。

[1] 彭泽琰, 刘刚. 航空燃气轮机原理(上册)[M]. 北京: 国防工业出版社, 2000.

[2] 《航空发动机设计手册》总编委会. 航空发动机设计手册第10册: 涡轮[M]. 北京: 航空工业出版社, 2001.

[3] 赵寅生, 钱志博. 水下航行器涡轮机原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2002.

[4] 查志武, 史小峰, 钱志博. 水下航行器热动力技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[5] 张贵田. 高压补燃液氧煤油发动机[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005.

A Test Method of Gas Turbine Performance Analog for Underwater Vehicle

CHEN Gang1, SHI Hai-chao2, YI Jin-bao2, ZHAO Hai-Tao2

(1. Military Representative Office, Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi'an 710065, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Aiming at the shortcomings in power system test, the fundamental principle of gas turbine for underwater vehicle is analyzed. Based on the aerodynamics and the flow field similarity theory, the test principle and method of gas turbine performance analog are discussed, and a test method for verifying design condition is presented through analogize the performance of gas turbine under low condition. This study may be regarded as a reference in gas turbine performance verification and test facilities development.

underwater vehicle; gas turbine; aerodynamics; flow field similarity theory; test method

TJ630.32

A

1673-1948(2011)01-0077-04

2010-03-01;

2010-04-06.

陈 刚(1974-), 男, 工程师, 主要从事鱼雷总体及质量方面的工作.

(责任编辑: 陈 曦)