一种旋转冲压压气机试验系统的制作方法

本发明涉及燃气轮机领域，具体涉及一种旋转冲压压气机试验系统。

背景技术：

燃气轮机是以空气和燃气为介质，将热能转变为机械能的大功率、高性能动力机械，近几十年来发展迅速，在军民用航空发动机领域占据了绝对统治地位，在电力、船舶动力、分布式能源等方面的应用也越来越广泛，日益得到世界各国的重视。燃气轮机的工业水平已经成为一个国家工业先进程度的标志。我国“十三五”规划纲要草案中，航空发动机及燃气轮机排在百大工程之首，体现出国家对燃气轮机工业的高度重视。而压气机是燃气轮机的核心部件之一，技术含量高，难度大，常成为制约燃气轮机技术发展与进步的关键部件。高性能压气机的研制已经成为各国共同努力的目标，目前除了在常规压气机上运用一些先进气动设计与优化技术之外，具有新型结构的压气机也在蓬勃发展。旋转冲压压气机(核心部件为旋转冲压压缩转子)是近年来涌现出来的一种利用激波压缩技术的新型超声速压气机，具有单级压比高、结构紧凑、重量轻等优点，将其取代现有常规压气机并运用到燃气轮机，尤其是微小型燃气轮机中势必会降低燃气轮机的整体尺寸和重量，从而进一步提高其功率重量比等性能参数。

作为一种新型的超声速压气机，适时开展旋转冲压压气机试验研究并获得其性能试验数据从而促进其研发是十分必要和迫切的。然而作为其核心工作部件的旋转冲压压缩转子需要工作在较高的转速下，可达数万转甚至更高，对润滑、支撑和安全方面等的要求相对比较苛刻。此外，旋转冲压压气机在低转速条件下还存在起动问题。这些都使旋转冲压压气机试验系统设计的难度增加。目前，国内现有的压气机试验系统均是针对常规亚/跨声速压气机，还没有针对这种新型超声速压气机试验系统的相关公开报道。因此，适时开展旋转冲压压气机试验系统的设计与试验技术研究是目前亟待解决的一个重要问题。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题，提出一种旋转冲压压气机试验系统，可获得其核心部件——旋转冲压压缩转子的详细性能试验数据，并实现动态测量壁面静压，获得旋转冲压压缩转子尖部流场结构，而且可以满足较高转速所带来的润滑、安全和低转速下的起动要求。

为达到以上目的，通过以下技术方案实现：

一种旋转冲压压气机试验系统，包括：动力系统、扭矩测量装置、增速系统、进气系统、排气系统、旋转冲压压气机试验段、气体泄除装置、振动测量装置、辅助系统、气动参数测量与数据采集系统；

动力系统包括：旋转冲压压气机提供动力的直流电机和能够实现直流电机转速控制的转速控制器；

增速系统包括：I级增速器和II级增速器；所述I级增速器和II级增速器依次装配于直流电机的输出轴上；

扭矩测量装置安装在直流电机的输出轴上，且位于直流电机与I级增速器之间，对扭矩、转速进行实时测量；

进气系统包括：进气间、流量管、进气节流阀、扩压段、稳压箱和整流网；

进气间为进气气源端，内部腔体等径的流量管、内部腔体逐渐扩大的扩压段和内部腔体等径的稳压箱依次轴向连接为进气系统壳体，且流量管与扩压段最小直径等径，稳压箱与扩压段最大直径等径；

其中，扩压段上设置有进气节流阀，稳压箱内部设置用于破碎大尺度气流旋涡的整流网；

排气系统包括：排气蜗壳、与排气蜗壳排气端连接的排气管、出口节流装置和排气间；

其中，排气管最终排气端与排气间连通，且排气管上设有对出口气流进行节流，控制流量和背压的出口节流装置；

旋转冲压压气机试验段由整流罩、喇叭口、空心筋板、引气筒、集气盒、可调导叶、旋转冲压压缩转子、平衡盘、支板和机匣组成的轴向进气径向排气的直流式结构；

机匣由前承力机匣、中介机匣、出口测量机匣和排气机匣依次连接组成通路腔体；

其中，喇叭口输入端嵌入稳压箱输出端，喇叭口输出端与前承力机匣连接，整流罩的输出端与试验系统通流部分下壁面连接；

旋转冲压压缩转子进口测量截面位于中介机匣内，且中介机匣进口测量截面位置周向均匀布置至少四个静压测点和至少四个探针测量座；旋转冲压压缩转子出口测量截面位于出口测量机匣内，周向均匀布置至少四个静压测点和至少八个探针测量座，旋转冲压压气机试验段通过排气机匣与排气蜗壳入口端连接；

排气机匣内部设置有用于撑作和导流的支板；

可调导叶通过螺栓安装在中介机匣内，利用伺服机构控制其安装角度，实现导叶开度自动化不停车调节；

其中，旋转冲压压缩转子的气流通道由大于等于三个的隔板隔开多个流道，每个流道由相邻的两个隔板、轮毂和机匣内壁组成，轮毂上的压缩面、喉部和扩压面沿气流流动方向依次安装在两相邻隔板之间的重叠区域，在压缩面上开设放气缝或放气孔，一部分气流从压缩面进入放气缝或放气孔，从旋转冲压压缩转子进口端面引出，解决旋转冲压压气机低转速条件下的起动问题；

空心筋板、引气筒和集气盒构成放气通道，把从旋转冲压压缩转子进口端面引出的气体导出；

平衡盘在旋转冲压压缩转子后形成平衡盘腔；在试验时通入高压空气，用于平衡试验时旋转冲压压缩转子产生的轴向力；

气体泄除装置由真空泵和流量计组成，通过管路与集气盒相通，流经压缩面的一部分气体依次通过引气筒、空心筋板和集气盒，被真空泵吸出旋转冲压压缩转子气流通道；

振动测量装置由加速度传感器和位移传感器组成；

I级增速器输入轴侧布置垂直加速度测点，II级增速器输出端与旋转冲压压缩转子连接的轴侧布置垂直、水平和轴向三套加速度测点，用于监测这两级增速器的振动；旋转冲压压缩转子后轴承座处布置水平和垂直加速度测点，监测后轴承座处的振动；出口测量机匣的安装边布置水平和垂直加速度测点，用于监测旋转冲压压缩转子的振动；II级增速器与旋转冲压压缩转子连接所用的联轴器处布置位移传感器，监测膜片联轴器处振动位移；旋转冲压压缩转子转轴进气侧布置位移传感器，监测轴振；

辅助系统包括滑油系统、轴向力高压供气系统和防喘装置；

滑油系统由电机、滑油泵和过滤器组成，通过管路连通到旋转冲压压缩转子轴承和增速器齿轮箱内，进行润滑和冷却，配备的过滤装置可对润滑油循环使用；轴向力高压供气系统由空压机和储气罐组成，由管路和空腔通道连接到旋转冲压压缩转子平衡盘腔；防喘装置由电磁阀和额外设置排气管分路组成，且电磁阀设置在排气管分路上；当旋转冲压压气机进入喘振状态时，通过控制按钮能实现快速打开阀门开度，使旋转冲压压气机退喘。

气动参数测量与数据采集系统包括进气压力传感器、热电阻温度测量装置、三点梳状总压探针、三点梳状总温探针、动态压力传感器和压力扫描阀；进气压力传感器和热电阻温度测量装置放置在进气间，对来流气体的温度和压力进行测量；三点梳状总压探针和总温探针分别安装在旋转冲压压缩转子进、出口测量截面位置的中介机匣和出口测量机匣测量座上；动态压力传感器沿旋转冲压压缩转子流道方向安装在中介机匣安装座上，对隔板尖部流场进行测量；同时在出口测量机匣安装座上再次布置动态压力传感器，测量的压力信号通过示波器实时显示，通过波形判断旋转冲压压气机是否进入喘振工况；压力扫描阀由多个压力扫描模块组成，内部集成了压力传感器和A/D变换器，接受各种压力测量探针的稳态压力信号之后，直接输出数字信号到远程控制室。

采用上述技术方案的本发明工作过程如下：

本发明工作时，直流电机带动轴系旋转，经I级和II级增速器增速后，达到规定转速，并驱动旋转冲压压缩转子高速旋转，同时，进气间大气经流量管、扩压段进入稳压箱，通过进气节流阀可以调节旋转冲压压气机试验时所消耗的功率，稳压箱中的整流网对气流进行整流、碎涡，由此得到的均匀气流被吸入旋转冲压压气机试验段，经过整流罩和喇叭口之后进入可调导叶流道，可调导叶对气流进行一定的预旋偏转和加速，随后气流进入旋转冲压压缩转子流道并在激波的作用下，气体压力和温度得到提升。增压之后的高温高压气体进入支板流道，支板除了起到一定的支撑作用外还有导流作用，使旋转冲压压缩转子出口的气流由子午面内的轴向方向转变为径向方向排出支板流道并进入排气蜗壳，然后通过排气管排入排气间。

实验时，通过扭矩测量装置实时测量电机工作转速，并显示扭矩值。轴向力高压供气系统产生一定压力高压气体，通过管路引入到旋转冲压压缩转子后的平衡盘腔，在平衡盘腔高压气体和外界大气之间的压差作用下，产生轴向平衡力，对旋转冲压压缩转子产生的轴向力进行平衡。滑油系统泵送润滑油对旋转冲压压缩转子轴承和增速器齿轮箱进行润滑和冷却。安装在I级增速器和II级增速器的加速度传感器，分别对两级增速器的振动信号进行监测。安装在旋转冲压压缩转子后轴承座处的水平和垂直加速度传感器，用于监测后轴承座处的振动信号。安装在出口测量机匣安装边的水平和垂直加速度传感器，用于监测旋转冲压压缩转子的振动信号。II级增速器与旋转冲压压缩转子联轴器处布置位移传感器，用于监测膜片联轴器处振动位移。在旋转冲压压缩转子转轴进气侧布置位移传感器，用于监测轴振。放置在进气间的进气压力传感器和热电阻温度测量装置对来流大气总压和总温进行测量。旋转冲压压缩转子进口总压和静压分别取安装在旋转冲压压缩转子进口测量截面位置的中介机匣上的四支三点梳状总压探针和四支静压测量管所测压力信号的算术平均值，进口总温取进气间热电阻温度测量装置的测量值。旋转冲压压缩转子出口总压、静压和总温分别取安装在旋转冲压压缩转子出口测量截面位置的出口测量机匣上的四支三点梳状总压探针、四支静压测量管和四支三点梳状总温探针测量值的算术平均值。所测得的稳态压力信号经气动软管输送至压力扫描阀，由远程计算机进行处理得到测量结果。动态压力传感器监测旋转冲压压气机中介机匣壁面静压波动，对旋转冲压压缩转子隔板尖部流场进行测量。

调节出口节流装置减小流量、提高背压，重复进行旋转冲压压缩转子进出口稳态压力、稳态温度和机匣动态压力参数的测量，通过计算便可得出某一转速下的旋转冲压压气机特性线和旋转冲压压缩转子隔板尖部流场。然后通过转速控制器对旋转冲压压缩转子转速进行调节与控制，实现不同转速工况的流场与性能测量，得到不同转速时的旋转冲压压气机特性线和隔板尖部流场。在进行小流量工况的试验测量时，实时通过示波器观察旋转冲压压缩转子出口测量截面的动态压力传感器产生的压力信号，当旋转冲压压气机喘振时，及时打开防喘装置进行退喘。

当旋转冲压压气机起动、停止或调整负荷时，通过可调导叶伺服机构控制导叶开度，调节进入旋转冲压压气机试验段的空气流量和其耗功，从而达到方便起动、避免喘振、保证运行安全、提高运行效率的目的；并且通过改变导叶开度，能够控制进入旋转冲压压缩转子的来流方向和速度，进而实现旋转冲压压缩转子不同来流工况的流场与性能测量。另外，在旋转冲压压缩转子转速由低到高过程中，打开气体泄除装置，控制一定的抽吸流量，吸除造成旋转冲压压缩转子堵塞的多余气体，从而在旋转冲压压缩转子流道中建立正常的激波系，进而解决旋转冲压压气机低速条件下的起动问题。旋转冲压压气机正常起动后，气体泄除装置还可以吸除旋转冲压压缩转子轮毂壁面附面层内的低能流体，通过控制抽吸流量，可以实现不同附面层抽吸流量影响旋转冲压压气机性能的研究。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够实现旋转冲压压气机特性线的测量，并能动态测量旋转冲压压气机机匣壁面静压，进而显示旋转冲压压缩转子隔板尖部流场结构。

2、本发明通过在旋转冲压压缩转子前设置可调导叶，能够实现旋转冲压压缩转子不同来流工况下的流场与性能测量，并能够保证旋转冲压压气机安全起动和运行。

3、本发明通过气体泄除装置能解决旋转冲压压气机低速条件下的起动问题，且正常起动后，还能实现不同附面层抽吸流量对旋转冲压压气机性能的影响研究。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

本发明共5幅附图,其中：

图1是旋转冲压压气机试验系统示意图。

图2是旋转冲压压气机试验段示意图。

图3是旋转冲压压缩转子进口测量截面气动测点布置图。

图4是旋转冲压压缩转子出口测量截面气动测点布置图。

图5是隔板尖部激波和稳态静压测量点布置示意图。

图中：1、转速控制器，2、直流电机，3、扭矩测量装置，4、I级增速器，5、II级增速器，6排气蜗壳，7、旋转冲压压气机试验段，8、整流网，9、稳压箱，10、扩压段，11、进气节流阀，12、流量管，13、进气间，14、排气管，15、电磁阀，16、出口节流装置，17、排气间，18、流量计，19、真空泵，20、支板，21、平衡盘，22、平衡盘腔，23、旋转冲压压缩转子，24、可调导叶，25、引气筒，26、空心筋板，27、整流罩，28、机匣安装边，29、排气机匣，30、出口测量机匣，31、隔板，32、中介机匣，33、集气盒，34、前承力机匣，35、喇叭口。

具体实施方式

本发明旋转冲压压气机试验系统主要由动力系统、扭矩测量装置3、增速系统、进气系统、排气系统、旋转冲压压气机试验段7、气体泄除装置、振动测量装置、辅助系统、气动参数测量与数据采集系统组成。如图1所示，通过直流电机2带动轴系旋转，I级增速器4和II级增速器5使轴速升高，通过转速控制器1使轴速稳定在设计转速，转轴带动旋转冲压压缩转子高速旋转。进气间13的大气经过流量管12、扩压段10进入稳压箱9，在起动时将进气节流阀11控制在较小的阀位，随转速升高逐渐开大，其作用是调节进入旋转冲压压气机的流量，并控制其耗功，保证旋转冲压压气机安全起动和运行。来流受到稳压箱9内部的整流网8的作用，得到均匀平稳的气流。随后气流进入旋转冲压压气机试验段7。在图2中，经过整流罩27整流作用后的气流通过进气喇叭口35绕过空心筋板26进入可调导叶24流道，可调导叶24对气流进行一定的预旋偏转和加速，以满足下游旋转冲压压缩转子23的来流要求，通过可调导叶24上方的伺服作动机构可进行不同导叶开度的连续调节，能够适应不同转速和不同流量工况。在旋转冲压压缩转子23流道内，气流通过激波进行高效增压，经过增压的气体经过支板20的导流作用，沿径向进入排气蜗壳6，然后通过排气管14，排入进气间17。

试验时，在转速由零升高到设计转速的过程中，进气节流阀11从关小的位置逐渐开大，或者通过可调导叶伺服机构控制导叶开度随转速升高由小到大变化，可以控制进入旋转冲压压气机的流量和其消耗的功率，以便旋转冲压压气机安全起动。同时，打开轴向力高压供气系统，使空压机产生的气体在储气罐内维持一定的压力值，然后将储气罐内的高压气体通入旋转冲压压缩转子后的平衡盘21所形成的平衡盘腔22中，在平衡盘腔22内高压气体和外界大气的压差作用下，产生轴向方向的作用力，此作用力与旋转冲压压缩转子23所产生的轴向力大小相等、方向相反，以此来进行轴向方向力的平衡。滑油系统泵送润滑油，通过管路连接到旋转冲压压缩转子23的轴承和增速器齿轮箱，进行润滑和冷却。

扭矩测量装置3实时测量直流电机2的输出转速并显示扭矩值，并由此计算出旋转冲压压气机所消耗的功率。I级增速器4输入轴侧布置垂直加速度测点，II级增速器5旋转冲压压缩转子侧布置垂直、水平和轴向三套加速度测点，共安装四套加速度传感器，用于监测两级增速器的振动；旋转冲压压缩转子23后轴承座处布置水平和垂直加速度测点，安装两套加速度传感器，监测后轴承座处的振动；出口测量机匣30的机匣安装边布置水平和垂直加速度测点，安装两套加速度传感器，用于监测旋转冲压压缩转子23的振动；II级增速器5与旋转冲压压缩转子23联轴器处布置位移传感器，用于监测膜片联轴器处振动位移；旋转冲压压缩转子23转轴进气侧布置位移传感器，用于监测轴振。振动信号的频谱分析通过计算机实时显示，监测振动信号，在发生强烈振动时，及时停车，保证试验安全进行。

放置在进气间13的进气压力传感器和热电阻温度测量装置对来流大气压力和温度进行测量，流量管12上均布四个静压测点，连接气动软管测量静压值。图3是旋转冲压压缩转子进口测量截面(图2中A-A截面)气动测点布置图，进口测量截面距离旋转冲压压缩转子23进口端面25mm，位于中介机匣32上，沿周向均匀布置四个静压测点(如图3中白色圆圈位置)和四个探针测量座(如图3中黑色圆圈位置)。四支三点梳状总压探针分别安装在探针测量座上，对旋转冲压压缩转子23进口总压进行测量，进口总温取进气间13所测量的总温数值。

图4是旋转冲压压缩转子出口测量截面(图2中B-B截面)气动测点布置图，出口测量截面距离旋转冲压压缩转子23出口端面33mm，位于出口测量机匣30上，沿周向均匀布置四个静压测点(如图4中白色圆圈位置)、八个探针测量座，其中四个为总压测量座(如图4中黑色圆圈位置)，四个为总温测量座(如图4中黑色方块位置)，四支三点梳状总压探针和四支三点梳状总温探针分别安装在八个探针测量座上，对旋转冲压压缩转子23出口静压、总压和总温进行测量。以上稳态压力信号经气动软管输送至压力扫描阀，并由远程计算机进行处理得到测量结果。

图5是隔板尖部激波和稳态静压测量点布置示意图。在旋转冲压压缩转子隔板31上方位置的中介机匣32位置处沿流道方向分别布置九个稳态静压测点(如图5中白色圆圈位置)和动态压力传感器安装座(如图5中黑色圆圈位置)，安装静压管和动态压力传感器，稳态测试的目的是补偿动态压力传感器温漂造成的压力误差。对采集到的动态压力数据进行插值、平均等处理，得到旋转冲压压缩转子隔板31尖部流场，确定激波分布情况。在出口测量截面另外布置1支动态压力传感器，监测旋转冲压压气机试验段出口测量机匣30壁面静压波动，产生的压力信号通过示波器实时显示，通过示波器显示的压力波形状判断旋转冲压压气机是否进入喘振工况。

得到结果后，调节出口节流装置16，提高旋转冲压压气机出口压力，减小进入旋转冲压压气机的流量，再次进行旋转冲压压缩转子23进出口测量截面的稳态压力、稳态温度和机匣动态压力参数的测量，通过计算得到设计转速下的旋转冲压压气机特性线和隔板31尖部流场。通过转速控制器1改变直流电机2转速，重复进行上述测量过程，进行不同转速时旋转冲压压气机特性线和隔板31尖部流场的测量。

试验时，还可以通过调整可调导叶24的开度，改变旋转冲压压缩转子23的进口来流条件，从而实现不同来流条件下旋转冲压压气机性能及隔板31尖部流场的测量。

低转速工况时，为使旋转冲压压缩转子23流道内建立起正常的压缩激波系，还需打开气体泄除装置，通过抽吸真空泵19使造成旋转冲压压缩转子23流道堵塞的多余气体经放气缝或放气孔、引气筒25、空心筋板26和集气盒33排出旋转冲压压气机，从而建立起正常的流场结构和压缩激波系，解决旋转冲压压气机低速起动问题。此外，旋转冲压压气机正常起动后，气体泄除装置还能够吸除旋转冲压压缩转子23轮毂壁面附面层内的低能流体，通过控制附面层吸除流量，可以实现不同附面层抽吸流量影响旋转冲压压气机性能的研究。

在试验过程中，不同转速时，每次通过出口节流装置16调小流量都需实时注意示波器上的动态压力波形，避免旋转冲压压气机喘振现象的发生，在旋转冲压压气机发生喘振时，需通过防喘装置打开排气管分路上的电磁阀15，及时进行退喘操作，保证试验安全进行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。