王志峰，郝小龍，朱鳳琦，張淑敏，郭軍剛

(北京精密機電控制設備研究所，北京100076)

1 引言

小型沖擊式渦輪泵(以下簡稱渦輪泵)是航天飛行器伺服系統(tǒng)的核心動力元件。渦輪泵內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換過程主要有三個：首先是氣體內(nèi)能向氣體動能的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換過程發(fā)生于超聲速噴嘴內(nèi)，物理過程近似于絕熱等熵過程[1]；其次為氣體動能向軸系機械能的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率主要為渦輪的氣動效率(實際上渦輪內(nèi)功還需克服軸承和動密封摩擦損耗一部分功[2]，才能輸出軸功率驅(qū)動泵做功，但這部分損失相對很小)；第三個過程為通過泵組件實現(xiàn)軸系機械能向液壓能的轉(zhuǎn)換。因此，表征渦輪泵核心單元渦輪做功能力的氣動效率，是設計中的一個重要參數(shù)，對其準確測量是研制高性能渦輪泵的基礎。

從目前公開的文獻看，大部分關(guān)于渦輪泵的研究中對于氣動效率是先進行CFD仿真，再在試驗時測試流場中典型位置點的氣動參數(shù)，然后與仿真結(jié)果進行對比分析確定。其過程實際是對仿真得到的氣動流場進行了一次驗證，而氣動效率仍然是計算值。近年來出現(xiàn)了用電渦流測功機對渦輪軸功率進行測量的方法[3]。該方法通過測量軸的扭矩進而得到軸功率，再與計算的等熵功率相比得到渦輪氣動效率，準確度高。但采用該方法時渦輪產(chǎn)生的功率必須由測功機消耗，其耗功形式固定，不適用于渦輪驅(qū)動特定負載形式的情況。對于渦輪泵，渦輪與泵葉輪同軸高速運轉(zhuǎn)，后者是前者的特定負載，無法用測功機實現(xiàn)軸功率測量。

在渦輪泵產(chǎn)品研制過程中，由于渦輪與泵結(jié)構(gòu)高度集成，渦輪氣動效率的測試問題一直未得到有效解決。傳統(tǒng)的研制手段采取理論計算結(jié)合經(jīng)驗修正的方式，缺少試驗數(shù)據(jù)支撐。本研究提出一種試驗方法，在維持原負載形式的情況下通過測量軸扭矩這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)，得到軸系運轉(zhuǎn)的機械功率，進而得到渦輪氣動效率。

2 渦輪泵氣動效率理論分析

渦輪泵工作時，工質(zhì)通過超聲速噴嘴膨脹加速，驅(qū)動沖擊式渦輪，切線泵葉輪與渦輪同軸運轉(zhuǎn)，將高能氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為液壓油壓力能，為伺服系統(tǒng)提供動力能源。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

渦輪氣動效率與氣動參數(shù)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，在軸系機械損失相對較小的情況下，體現(xiàn)了渦輪輸出軸功的能力和水平。一般而言，不同研究者會從不同研究角度出發(fā)，使用不同的效率指標[4]對渦輪做功能力進行衡量。本文使用的渦輪氣動效率，涵蓋了所有與氣動過程有關(guān)的損失，即考慮了除機械損失(軸承和動密封摩擦損耗)以外的所有損失。在葉輪機械行業(yè)，該效率相當于渦輪內(nèi)效率。

定義渦輪氣動效率ηi為渦輪有效比焓降hi與理想比焓降(最大可用焓降)的比值：

式中：∑Δhi為渦輪的主要內(nèi)部損失，Δhn為噴嘴能量損失，Δhb為動葉能量損失，Δhe為余速損失，Δhδ為二次流損失，Δhf,v為沖擊式渦輪局部進氣引起的損失。

對于沖擊式渦輪，決定氣動效率的關(guān)鍵參數(shù)是速比u/c1。其中u為渦輪葉片中徑處的切向速度，c1為噴嘴出口處的氣流速度。氣動效率隨速比的變化規(guī)律如圖2所示。由圖可知，氣動效率對應的最佳速比范圍為0.4～0.5[5]。

在渦輪泵研制過程中，渦輪氣動效率一般經(jīng)熱力計算求得。

3 試驗技術(shù)方案

3.1 基本原理

渦輪氣動效率可表示為：

式中：P為軸功率，Ni為輸入渦輪的總氣動功率，ηm為機械效率，T為軸扭矩，n為軸轉(zhuǎn)速，m為渦輪工質(zhì)質(zhì)量流量。

式中：R為工質(zhì)氣體常數(shù)，k為工質(zhì)絕熱指數(shù)，為噴嘴入口總溫，為噴嘴入口總壓，為噴嘴出口總壓。式中各個壓力和溫度可通過試驗實測。

工質(zhì)質(zhì)量流量的計算式為：

式中：A為喉部面積。

同樣，質(zhì)量流量也可通過工質(zhì)壓力、溫度的實測值和已知的物性參數(shù)計算求得。注意，公式中沒有考慮流量系數(shù)修正，實際流量可能低于計算流量。本研究暫未進行流量標定。

綜上，文中氣動效率數(shù)據(jù)是結(jié)合軸扭矩測量和等熵焓降計算得到，可稱之為準試驗數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)對該數(shù)據(jù)的獲取，關(guān)鍵在于軸扭矩的測量。通過搭建渦輪-扭矩儀-泵試驗系統(tǒng)，在渦輪泵正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)對軸扭矩進行測量，結(jié)合轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實測值和氣動輸入功率計算值，可實現(xiàn)對氣動效率的間接測量。

3.2 技術(shù)方案及實施

渦輪-扭矩儀-泵試驗系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗系統(tǒng)中沖擊式渦輪、精密扭矩儀及切線泵共同安裝在一個T型槽板平臺上，并通過T型槽板上導向凸臺進行同軸定位。扭矩儀運轉(zhuǎn)過程中由單獨的稀油站為其軸系提供潤滑冷卻。驅(qū)動渦輪與負載泵軸系共用一套潤滑油站，分別對軸系統(tǒng)及密封進行冷卻潤滑。驅(qū)動渦輪、扭矩儀及負載泵之間通過高速花鍵聯(lián)軸器連接，并分別通過底部墊片進行高度調(diào)節(jié)。試驗過程中，由高壓氣源驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)輸出軸功率，通過高速花鍵聯(lián)軸器將軸功率傳遞至精密扭矩儀的輸入端，同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與扭矩的測量，再通過扭矩儀輸出軸及花鍵聯(lián)軸器傳遞給負載泵端做功。沖擊式渦輪試驗件見圖4。

圖5、圖6分別為一次試驗的轉(zhuǎn)速和軸系扭矩數(shù)據(jù)曲線，可見試驗系統(tǒng)在45 000 r/min以上的高轉(zhuǎn)速下可穩(wěn)定運行。

4 試驗結(jié)果分析

利用渦輪-扭矩儀-泵組成的氣動效率試驗系統(tǒng)，開展了不同工質(zhì)多種工況下的試驗測試。提取所需數(shù)據(jù)信息，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，將渦輪氣動效率準試驗數(shù)據(jù)與理論計算值進行比較研究。

4.1 壓縮空氣工質(zhì)試驗分析

首先利用壓縮空氣做功能力相對較低的特性，開展了較低轉(zhuǎn)速下渦輪氣動效率的測試。對試驗工況按熱力計算程序進行計算，得到氣動效率理論值。表1給出了氣動效率試驗值與理論值的對比?？梢?，試驗值與理論值吻合度在95%以上，說明在空氣介質(zhì)、低轉(zhuǎn)速下理論計算方法可以得到較為準確的效率預估。

表1 氣動效率試驗值與理論值的對比(空氣)Table 1 Comparison between the test data and calculation results of aerodynamic efficiency(air)

4.2 氦氣工質(zhì)試驗分析

以氦氣作為驅(qū)動渦輪的工質(zhì)，開展了較高轉(zhuǎn)速下渦輪氣動效率的測試。對試驗工況按熱力計算程序進行計算，得到氣動效率理論值。表2示出了氣動效率試驗值與理論值的對比。從表中可看出，渦輪氣動效率理論值比試驗值高出20%左右，說明在氦氣介質(zhì)、較高轉(zhuǎn)速下理論計算方法存在一定偏差。

表2 氣動效率試驗值與理論值的比較(氦氣)Table 2 Comparison between the test data and calculation results of aerodynamic efficiency(He)

5 結(jié)論

(1)通過將渦輪泵中負載端(泵)與輸出功率端(渦輪)進行分體，實現(xiàn)了小型超高速渦輪運轉(zhuǎn)狀態(tài)下輸出扭矩的測量。

(2)通過與試驗數(shù)據(jù)的對比，可以初步確定現(xiàn)有熱力計算程序?qū)u輪氣動效率的預估存在一定偏差，目前可測出最大偏差在20%左右。

(3)不同工質(zhì)下渦輪氣動效率理論值與試驗值吻合度有差異，說明對于不同工質(zhì)，理論計算方法應有變化。

[1]王保國，劉淑艷，劉艷明，等.空氣動力學基礎[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]張遠君.液體火箭發(fā)動機渦輪泵設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995.

[3]吳中野，方祥軍，劉思永，等.1+3/2級對轉(zhuǎn)渦輪氣動性能試驗研究[J].北京航空航天大學學報，2016，42(12)：2676—2682.

[4]劉廣濤.大膨脹比渦輪機內(nèi)流場數(shù)值計算研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[5]王仲奇，秦 仁.透平機械原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.