涡轮导向器流函数试验方法及测试技术要求研究-中国期刊网

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（整期优先）网络出版时间：2021-08-03

作者: 陈玉英

建筑科学 >市政工程

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涡轮导向器流函数试验方法及测试技术要求研究

陈玉英

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150000

摘要：本文结合我厂1级导向器流函数试验和GE公司为我厂进行的WJ5E型发动机1级涡轮导向器流函数试验情况，介绍了流函数试验的目的、原理、方法、技术要求、数据修正方法等。

关键词：涡轮导向器流函数试验

试验原理

相似流量，是导向器前总压与导向器后静压比的函数，即：

＝

式中：

——涡轮导向器进口总温，单位K；

——涡轮导向器进口总压，单位MPa；

——涡轮导向器出口静压，单位MPa；

W ——流量，单位kg／s。

——相似流量。

导向器流函数试验就是通过测量流量、导向器前总温、总压和导向器后静压，计算出相似流量，并确定的关系。

涡轮导向器是在高温燃气中工作的，但在试验器条件下获得高温燃气很困难，需要有专门的燃气发生器。根据相似准则，可在常温下进行试验，通过测量、导向器前总温、总压和导向器后静压，计算出相似流量。

通过发动机试车时测量或计算出的涡轮前总温和总压，根据相似流量公式就可以计算出通过1级导向器的燃气流量。

试验器通过压缩机提供压缩空气，用储气罐稳压，在试验管道的试验件前后分别安装阀门。试验过程中通过调阀门开度控制试验件前总压和试验件后静压，相似流量随的增大而增加。理论上按临界膨胀比计算公式计算，当 = =1.89时，导向器喉部空气流速达到音速，气流不会继续膨胀（导向器是收敛通道），不再增大，相似流量也不再增大。考虑到试验器管路损失和试验件后反压略大于大气压，进气压力一般应大于0.3MPa。为了得到流函数曲线，在 ≤1.89以下分布测量不少于6个状态，在 =1.89及以后还应调大进口总压加测2个状态以上。在发动机正常工作时，导向器基本上都处于临界状态，所以 = =1.89时的数据更有实用意义。

试验技术要求
1. 空气流量的测量

试验过程中，声速文氏管喉部应始终处于临界状态。声速文氏管要按照ISO-9300-90标准规定进行设计、制造、检验和使用，并在专门的校准设备上经校准后使用。

根据GE公司为我厂进行的流函数测量参数的精度水平，用文氏管测量的流量精度为±0.25%，与资料[1]推荐的精度相同，但我厂在国内航空发动机研究所进行导向器流函数试验时，试验方只能达到流量精度为不大于±0.6%，因此确定流量精度为不大于±0.6%的要求。

1. 试验件前总温的测量

在试验件前端的试器管道中安装1～2个总温多点探头。采用热电偶进行测温，成本低，准确度高，热惯性小。总温探针安装在稍远处，因为管内流动可近似为绝热等熵流动，所以稍远处测量的总温就代表了试验件前总温。由于试验器管道中的空气是经过压缩机压缩的，其总温一般大于大气总温，所以不能用测量室温代替试验件前的总温。

管道中因流速较低，根据，在流速很低时，总温与静温相差很小，同时考虑到总温感受部一般还有0.9左右的恢复系数，所以试验中可用总温测头测量的气流总温，不需要进行空气动力学校正，所产生的误差可以忽略。为了免去进行空气动力学校正的工作，或减小不进行空气动力学校正所产生的误差，需要将总温测量截面放在试验件前端截面较大处。

根据目前实际温度测量技术水平和对流函数误差的影响程度，要求总温测量精度要求为不大于±0.5～1℃。这样的精度要求，一般的热电偶可以达到，投入成本不高。

1. 试验件前总压的测量

在导向器叶片进气边近前方的沿圆周均布安装3个总压探针，安装3个总压探针的目的是减小总压不均的影响。虽然试验器内安装了蜂窝和孔板进行整流，但总压容易出现不均，根据相似流量公式，总压对相似流量的影响比总温的影响大，所以用3个测头测量总压，计算相似流量时取3个总压的平均值。由于总压探针要伸到流道中，会影响流场并造成一定的总压损失，所以总压探针也不能过多。由于空气流动时存在总压损失的问题，所以总压测量位置不能在远前方。

总压的测量精度要求不大于±0.2%。这样的精度要求，是可以经济地实现，一般的探针和传感器可以实现，投入成本不高。试验选用较小的探针，以减小对气流的扰动。由于来流方向固定且准确，所以对总压探针的方向敏感性没有特殊要求，安装探针时，对方向敏感的探针，应该更加注意使探针与试验器轴线平行。

1. 试验件后静压的测量

在导向器叶片排气边所在截面在导向器内、外壁沿圆周均布各开3个静压测量小孔，小孔直径一般为φ0.5～1。由于零件壁厚一般较薄，为了不引起流线弯曲，要使静压孔长度与孔径比大于3。由于孔边倒角、毛刺及孔不垂直壁面会引起测量误差，所以要求孔边去毛刺并保持尖边、孔与壁面垂直。导向器叶片排气边所在截面及附近是光滑的平直段，所以可以用来开静压孔。由于测静压处壁薄，无法用螺纹连接静压管，焊接易导致变形，从而影响测量精度，所以需要采用胶接方法连接。外部安装6个压力传感器。

由于静压测量不需要在流道内安装探针，不会对流场产生影响，所以可对进行多点测量，多点测量的目的是减小静压不均的影响。静压的测量比总压困难，影响因素多，测量误差大，试验后可将不合理的数据剔除。由于静压随空气流速而变化，在远离此截面时，只有在流通面积不变且没有损失的情况下静压才不会改变，但由于总会有压气损失等及由于零件加工误差导致的截面面积变化，所以静压测量位置应选在导向器叶片排气边所在截面。

静压的测量精度要求不大于±0.3%。这样的精度要求，一般的传感器可以实现，投入成本不高。

1. 其它测量项

为了对测量数据能够互相验证，可在试验件前与入口面积相同的试验器转接段内、外壁上开静压孔，在与试验件出口远端且面积相同的试验器转接段内、外壁上开静压孔测量静压。

1. 测量要求和试验器要求

试验前必须对所有传感器进行校准，对试验器进行吹风，吹除管道内的灰尘。

所测量的量都是稳态下的参数，为了在不同状态下得到稳态参数，在调整到某一稳定状态时，应稳定不少于2分钟再采集数据。采用电控整阀门开度的方法自动调整到需要的试验件前后总静压差。试验后进行重复性试验，验证试验测试系统的重复性。试验结果的重复性误差一般要求不大于0.1%，以保证试验结果真实可靠。如果试验重复性误差大于0.1%，需要对试验系统进行排查，找出问题的原因。造成重复性误差的主要原因有测量系统的零漂移等。

为了保证试验结果准确，试验器在试验件前的来流应保证均匀，保证来流均匀的方法是试验件前的试验器管道在平直和等直径，管道加蜂窝和孔板整流。试验件入口处来流均匀度要达到如下要求：

a) 总压不均匀度 ≤±0.1%；

b) 静压不均匀度 ≤±0.3%；

c) 马赫数不均匀度 ≤±0.4%；

d) 气流角不均匀度 ≤±0.3°；

e) 紊流度 ≤1%。

1. 试验件

由于导向器的流通能力受零件几何尺寸的加工误差影响很大，为了研究发动机性能，应采用性能试车用的导向器作为试验件。

1. 数据采集和处理

一般需要自动进行数据采集。由于试验是稳态试验，所以对数据采集系统采样频率要求不高，选用一般的设备就能够满足需要。

相似流量的误差分析

各参数的测量精度受实际技术水平的制约，在各参数测量精度的分配上，一般无法按精度要求合理分配各参数误差，而是按经济性要求进行分配。相似流量的误差计算：

对两边取对数后

1级导向器流函数试验的相似流量误差为：

= ≈±0.667%

上述误差偏大，主要原因是流量测量误差偏大引起的，由于流量的测量相对误差最大，对相似流量的计算结果影响也最大，因此，如有可能，应提高流量的测量精度。

如果能把流量测量误差控制在±0.25%，按上述公式计算，相似流量的误差为±0.384%

数据处理

对试验数据进行分析，去除明显不合理的数据后（由于传感器故障、压力测量中漏气、静压测量不准，电路接触不良等原因可能出现个别数据不正确，需要去除），其它同一测量参数——包括入口总压、叶片出口截面静压进行算术平均，按算术平均值作为被测参数的值进行计算。

试验数据应用时需要进行修正。因为试验所用介质是空气，而涡轮导向器工作时的介质是燃气，燃气与空气的性质有所不同，因此需要进行燃气性质修正；另外，涡轮导向器是在高温条件下工作的，在高温条件下，导向器材料会发生热膨胀，导致几何尺寸变化，因此还需要进行热膨胀修正。WJ5E型发动机在GE公司进行的流函数试验采用的修正系数见图1。其中温度按导向器出口截面的静温计算。

图1 流函数燃气修正系数和热膨胀修正系数

图1中燃气性质修正系数K1是与空气性质和燃气性质有关的修正系数，适用于所有试验数据的修正。热膨胀修正系数K2应该与结构和材料有关，一般情况下高温合金的热膨胀系数相差不大，可参考使用。图中的温度是兰氏度，与开氏温度的换算关系为：ºR =K×1.8。为方便使用，将图1的修正系数与温度的关系转换成与国际通用的热力学温标——开氏温度的关系，见图2、图3。