全尺寸吸附式压气机部件试验技术刍议

张健新，张国旺

全尺寸吸附式压气机部件试验技术刍议

张健新，张国旺

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

为了深入探讨吸附式压气机试验方法，简要介绍国内外吸附式压气机叶栅试验和全尺寸部件级试验研究现状和成果。通过解析大流量气体抽吸和大流量气体测量2项吸附式风扇/压气机试验关键技术，并结合已有吸附式叶栅试验成果，实现在现有压气机试验器上开展全尺寸吸附式压气机试验研究，并完成阶段试验。试验结果表明：增加真空泵组进行大流量气体抽吸，能够在现有压气机试验器上完成全尺寸吸附式风扇/压气机部件试验。为了提高试验效率、节省试验资源，针对全尺寸部件级吸附式压气机试验研究，给出进一步结合吸附式叶栅试验结果完成对比试验的建议。

吸附式压气机;全尺寸;附面层抽吸;试验;真空泵

0 引言

国外对吸附式风扇/压气机的研究工作始于20世纪50年代，美国空军科研局在麻省理工学院实施的1项叶轮机先进流动控制技术研究项目。在系列研究后，1993年NASA格林研究中心与麻省理工学院合作提出了航空发动机蜂巢式吸附式风扇级的概念，进行了机理、设计技术、应用研究，并采用吸附式压气机试验件进行了试验验证。

国外在附面层抽吸的整级设计以及试验方面积累了很多经验。而中国在吸附式风扇/压气机方面的研究起步较晚，关于抽吸设计与机理性研究的公开资料主要集中在数值计算方面，扩压叶栅试验方面的资料较少，关于吸气设备的资料少之又少。因此，需要进行更多的探索和研究，补足这方面的短板可为设计更高性能风扇/压气机提供有益帮助。

1 国内外研究现状

MIT是第1个完成吸附式压气机的设计和试验调试工作的研究机构。2002年12月NASAGlenn研究中心成功地进行了1次吸附式风扇级的试验，在动静叶吸力面、动叶机匣、静叶轮毂等7处位置设置了抽吸孔。在相同转速下，风扇级的压比比传统风扇的高出50%，叶尖速度为457 m/s时压比达到3.4[1]。但其试验设备和试验过程鲜有资料报道，能查到的文献很少。

经过对文献的仔细研究发现：MIT吸附式压气机试验不是采用连续式气源，而是采用暂冲式风洞（Blow down Tunnel）。其试验是在非稳态条件下进行的，且时间非常短。试验器不用建设大功率气源，节省了建设投资和运行费用。因为试验时间短，试验过程中气流来不及和叶片、机匣发生充分热交换，可以认为后者仍能保持室温，为模拟真实发动机主燃气和金属的温度比，以及进行表面热流率的测量创造了有利条件[2-3]。这种试验方式主要应用于机理性的研究，尚不能用于级性能试验。此外，因效率的不确定度是由温升决定的，如何保证和提高如此短时间内测量仪表和测试的精度成为该试验广泛应用前必须解决的关键问题，该试验器的效率不确定度目标为0.5%。

暂冲式风洞主要由储气罐、快开阀、试验段和真空罐组成[4]，试验装置如图1所示。试验前，首先向储气罐内充入试验用的空气直至达到初始压力要求，储气罐和快开阀由罐壳夹层内的加热器加热到预期温度，其余的设备由真空泵抽成粗真空。试验时，打开快开阀，由气罐排出的气体经过试验段，完成试验。

图1 暂冲式风洞

NASA在很早就对吸附式压气机技术开展了系统研究。2002年，NASA对1台4级压比12的先进压气机进行了气动设计研究[5]；2005年，GE公司在4级压气机上对静子进行采用吸附式压气机技术来提高静叶载荷的研究[6]，该技术得到工程设计单位，如GE和RR德国航空发动机公司RRD的重视，设计思想和部分试验研究结果为进一步提升更高负荷的压气机提供了技术指导，指引了发展方向。

中国在吸附式风扇/压气机研究方面起步较晚，公开发表资料主要集中在数值计算方面，试验研究还仅限于叶栅试验。哈尔滨工业大学陈绍文、郭爽[7-12]等，在哈尔滨工业大学推进理论与技术研究所大尺度低速矩形叶栅风洞上，在附面层抽吸对高负荷扩压叶栅流动及负荷的影响方面做了大量的数值仿真和试验研究。结果表明，在高负荷压气机叶栅中采用附面层抽吸可以有效改善叶栅的气动性能，角区分离明显减小，且随吸气量的增加改善程度也越大。还得到最佳的吸气位置和吸气量组合的有效数据。

试验叶栅叶片内腔在下端通过管路与水环式真空泵连接，在试验过程中通过调节真空泵进气阀开度得到要求的吸气量，从而实现附面层的定量抽吸。附面层抽吸系统采用2BVA型水环式真空泵，单台最大抽气量为400 m3/h，极限压力为3300 Pa。

根据土壤污染风险等级，将耕地划分为3个类别，将无污染的耕地划为优先保护类，低风险和中度风险的耕地划为安全利用类，高风险和极高风险的耕地划为严格管控类。稻田土壤重金属污染风险等级见表2。根据现阶段Cd污染治理技术水平，以0.5为间隔划分农产品风险等级。

西北工业大学刘波等也开展了大量关于压气机附面层抽吸的相关数值研究，认为表面附面层抽吸可以明显提高压气机性能，改善局部流动情况[13-16]。该试验研究在西北工业大学的高亚声连续式平面叶栅风洞上进行，抽吸系统采用H150型滑阀油封机械泵（简称滑阀泵），也是1种变容式气体传输泵，功率为15 kW。现有滑阀泵的最大抽速为300 L/s，极限压力为1 Pa。

此外，中国科学院热物理研究所对吸附式压气机平面叶栅试验研究的试验风洞和完成附面层抽吸的设备，与上述研究的类似，不再赘述。

2 吸附式压气机试验关键技术

作为国家大中型航空发动机的总设计师单位，沈阳发动机研究所早在“十一五”期间就对吸附式压气机试验技术进行立项，是目前国内惟一进行过全尺寸部件级吸附式压气机试验研究的单位。开展全尺寸部件级吸附式压气机试验，除了大量储备常规压气机试验技术外，与近年来沈阳发动机研究所一直强调的预先技术研究密不可分。全部试验内容在沈阳发动机研究所的单轴双涵压气机试验器上进行，该试验器由动力、进气、排气、燃滑油、操作、电气、测试等系统组成。针对几项关键技术研究，例如大流量气体抽除技术、大流量气体流量测量和风扇级间流场诊断技术，每项都能作为独立课题进行深入细致研究。但受篇幅限制，下面仅就关键技术的难点和解决方案作简要介绍。

2.1 大流量气体抽吸装置

要完成吸附式压气机试验，抽吸装置是技术研究的关键。这方面的资料较少，需要进行更多的探索和研究。试验件在设计状态下通常具有高压比、高效率等特点，同时具有轴向力大、单位级负荷高及扭矩大等特点，因此直接在现有压气机试验器上直接开展试验存在诸多困难。此外，为满足上述试验环境，必须不断进行配套试验设备的补充和完善，如厂房、道路、试验用气源能力及水、电、油、气等基础配套设施[17-18]。要保证试验器以及试验件轴承等部件运行安全，必须进行进口节流。在节流状态下，进行静子附面层抽吸试验，有时甚至是负压状态兼大流量的气体抽吸。

要完成如此大的气体抽吸（后文会提到），前期论证时有真空获得设备和风机2种方案备选，最终选择了真空获得设备方案。该方案主要依靠水环式真空泵组运转营造负压流动环境，实现气体抽除。经过调试试验，表明该方案可以满足现有以及未来一段时期内的吸附式压气机部件试验要求。

2.2 大流量气体流量测量

在压气机平面叶栅试验中，附面层抽吸过程及流量测量相对较容易实现，这是因为引气量小，一般的涡街流量计就可以满足。全尺寸吸附式压气机部件试验标准状况下进口换算流量一般超过100 kg/s，完成进口3%～5%的引气量，不考虑气流增压升温的影响，仅如此大的气流测量本身就很麻烦。3～5 kg/s的流量已经超过涡街流量计的最大测量范围。而传统发动机流量测量通过采用测量同一测量截面的总压和壁面静压计算质量流量的方法，必须要考虑附面层特性测量、计算以及对空气流量计算结果的修正，且流量管壁面铸造和加工的质量往往不能得到很好地控制，导致这一方法不可行。要完成如此大的流量准确测量只有2种可选设备：压差流量计或质量流量计。

文丘里管流量计（Venturi nozzle Flowmeter）作为最常见的压差流量计，因其测量范围宽、安装方便，特别适合于低压、大管径、低流速的各类气体流量测量。但其缺点是压力损失比较大，且对安装管路有要求，前直管段长度要求大于5倍直径，后直管段长度要求大于2倍直径。

质量流量计的出现，使流量测量技术有了飞跃性提升。其利用流体的质量是1个不随任何时间、空间温度、压力的变化而变化的量，这种原理直接测量质量流量。按测量方法的不同，质量流量计可分为间接和直接2种。直接式质量流量计通过输出信号直接反映出所测物质的质量流量，温度、压力、密度的变化对测量结果没有任何影响，主要有差压式质量流量计、热式质量流量计和科里奥利质量流量计3种形式。

科里奥利质量流量计（Coriolis Mass Flowmeter）简称科氏力流量计，利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量，实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量,具有抗磨损、抗腐蚀、可测量多种介质及多个参数等诸多优点, 现已在石油化工、制药、食品及其他工业领域广泛应用。其缺点是价格昂贵，对外界振动干扰较敏感，对安装固定有较高要求。这也是本试验最终选用文丘里管流量计，而不是科里奥利质量流量计的重要原因。

3 结束语

发动机研制需要经历设计、制造、验证、修改设计、再制造、再验证直到设计定型的反复迭代过程。开展吸附式压气机试验技术研究，得到以下结论：

（1）在技术成熟度较低的层级，充分发挥压气机/涡轮平面叶栅、扇形叶栅试验器能力，开展充分研究和广泛论证，做好技术储备，能降低成熟度更高级别时技术研制风险。

（2）利用水环式真空泵组进行大流量气体抽吸，能在现有压气机试验器上开展吸附式风扇试验技术研究。但考虑到该项目工程造价不菲，且涉及到基建技改、环评降噪等环节，实现应用尚有困难。

（3）后续开展全尺寸部件级吸附式压气机试验研究，应进一步结合吸附式叶栅试验结果，以期在较短的试验周期内，完成不同抽吸比、抽吸位置以及二者的组合优化等对压气机性能影响试验内容，提高压气机试验效率、节省试验资源。

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Humble Opinion on Fully-Scaled Aspirated Compressor Test

ZHANG Jian-xin,ZHANG Guo-wang
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015）

In order to further investigate the method of aspirated compressor test,both full-scaled aspirated compressor test and aspirated compressor cascades test at home and abroad were briefly presented.By analyzing two key technologies of aspirated compressor test,mass flow air's aspiration and measurement,combined with the results of the aspirated compressor cascades test,full-scaled aspirated compressor test was studied on an existence compressor test rig,and a phase test was completed.Results show that it is feasible of carrying on full-scaled aspirated compressor test on an existence compressor test rig by adding vacuum pumps carrying on mass flow boundary layer suction.In order to improve the test efficiency and save resource,aiming at full-scaled aspirated compressor test,a proposal is provide on furlher contrast test combining with the results of the aspirated compressor cascades test.

aspirated compressor;fully-scaled;boundary layer suction;test;vacuum pump

V 21 1.1

A

1 0.1 3477/j.cnki.aeroengine.201 7.02.01 7

2016-10-29 基金项目：航空动力基础研究项目资助

张健新（1982），男，高级工程师，主要从事叶片机试验技术研究工作；E-mail:mmzjxcom@126.com。

张健新，张国旺.全尺寸吸附式压气机部件试验技术刍议[J].航空发动机，2017，43（2）：99-102.ZHANG Jianxin，ZHANG Guowang.Humble opinion on fully-scaled aspirated compressortest[J].Aeroengine，2017，43（2）：99-102.

（编辑：赵明菁）