1、涡轮试验,回忆复习：涡轮（turbo）是在汽车或飞机的引擎中的风扇，通过利用废气（exhaust gases）把燃料蒸汽（ fuelvapour ）吹入引擎，以提高引擎的性能。,燃气涡轮是航空燃气涡轮发动机的重要部件之一，涡轮的功用是把高温、高压燃气的部分热能压力能转变成旋转的机械功，从而带动压气机与其它附件工作。在涡扇发动机中，涡轮还带动风扇；在涡桨发动机中，它还带动螺旋桨；在涡轴发动机中与航空其它的发动机中，输出功率还带动其它的机器。在燃气涡轮发动机上，涡轮和压气机都是和气流进行能量交换的叶轮机械。压气机是对气体做功，而涡轮是燃起对它做功，他们不仅在结构上有相似之处，而且在试验有许多相似的
2、地方。,涡轮转子-涡轮叶片,冲击反作用涡轮 在导向叶片中气流加速 在工作叶片中气流也加速航空发动机,涡轮转子-涡轮叶片,冲击涡轮 在导向叶片中气流加速 在工作叶片中气流不加速水力涡轮，蒸汽涡轮,航空燃气涡轮的特点是功率大、燃气温度高、转速高、负荷大。现在大推力涡扇发动机的涡轮输出功率高达100MW以上，平均一片涡轮叶片发出的功率达200kW。可想而知的燃气轮机的推力之大，因而燃气轮机被广泛应用，如飞机的发动机、坦克的发动机、大型舰的动力装置都采用了燃气涡轮机。 燃气轮机是新型驱逐舰的必选动力装置。由于大型舰用燃气轮机的缺失，中国新型驱逐舰的后续建造已经停滞。中国最新一艘驱逐舰为2005年下水的
3、“石家庄”号，仍采用老式的蒸汽轮机为动力,由于燃气轮机的缺失，中国不得不继续制造以蒸汽轮机为动力的051C型驱逐舰，虽然该舰拥有较强的反舰和防空火力，但由于蒸汽轮机占用太多空间，作为中国最大的国产驱逐舰却取消了直升机机库。,中国海军的052系列均采用了进口燃气轮机，最新型的052C虽然舰体较小，但舰上可用空间却更加宽裕。,中国国产052系列均采用了高性能燃气轮机，但由于国产燃气轮机的缺失，一直没能进行更大批量的建造。,由于缺少国产高性能舰用燃气轮机，中国海军战舰的大型化也收到制约，每一款新型驱逐舰都只能建造一两艘，难以形成大规模战斗力。最大航速受到了限制。而蒸汽轮机虽然能够使驱逐舰航速超过30
4、节，但由于体积过大，再加上加速性等指标落后于时代，因此已逐步被国外所淘汰由于发动机限制，因而未来几年内中国难以有新的驱逐舰问世。所以中航工业称将大力扶持燃气轮机发展并加大投入。,中国海军进口的“现代”级驱逐舰也采用了蒸汽轮机，因此在航海性能上存在诸多弱点。,涡轮试验与压气机试验有很多相同之处。涡轮试验研究在航空发动机中始终具有非常重要的地位和作用，它不仅对理论研究结果会起到试验验证的作用，而且还能提供修正理论方法的可靠依据，从而进一步改进理论方法。世界航空发达国家的公司、研究机构，如GE公司、PW公司、RR公司、NASA和UHAM等，都拥有一流的涡轮试验设备。 涡轮试验除了要进行性能测量（效率
5、和输出功率）外，还由于涡轮承受燃烧室出口排出的高温燃气，因此，还要进行涡轮导向叶片和转子叶片的冷却试验研究。,GE 梦想启动未来，是一家多元化的科技、媒体和金融服务公司. 中国自主研制的新型涡扇支线飞ARJ21“ 翔凤” ，GE航空集团与ACAC合作生产和装配的CF34-10A是专为 ARJ21机型设计的动力装置，2008年，波音787梦想飞机将采用GE新一代飞机发 动机 GEnx。 与原先的 发动机相 比，Genx 可降低油 耗15%。,涡轮导向叶片和转子叶片？,541 涡轮主要试验内容,1涡轮的主要试验项目 (1)叶栅试验 包括平面叶栅试验、环形叶栅吹风试验。平面叶栅试验、环形叶栅?(2)
6、涡轮性能试验 包括涡轮的流量特性、功量特性和效率特性；测量基元级的性能参数等。,(3)导向器流量函数试验 确定发动机不同工作状态下导向器的流量特性。,(4)涡轮转子出口参数特性试验 确定出口处绝对 Ma、出口处相对 Ma和出口气流角随涡轮折合功 的变化。 (5)级间参数测量即是当 保持不变时录取级间静压p随涡轮功的变化。,(6)涡轮冷却效率试验 由于涡轮三维设计技术的发展，验证三维设计的试验是必不可少的；主动间隙控制技术与涡轮工作的协调性试验、整体叶盘设计的气动热力性能试验考查、对转涡轮的气动性能试验和可变面积涡轮随发动机工作状态变化的试验研究等将是涡轮发展性试验的主要内容。 运用三维设计技术
7、大大节省了涡轮的试验、方便了涡轮的设计。,2典型发动机涡轮主要参数,表57列出某典型涡扇发动机高、低压涡轮的主要参数。使人们能较清楚地了解涡轮进口主要参数沿涡轮流道的变化，以及导向器、工作叶片喉部面积的改变特点。,542 涡轮试验器及试验,1平面叶栅试验装置及试验平面叶栅风洞是最常用的平面叶栅试验装置。试验工质为压缩空气。用连续供气气源或暂冲气源供气。图554示出平面叶栅在叶栅风洞中的位置。,平面叶栅试验的主要测量参数有： 栅前静压、总压和进气角； 栅后静压、总压和气流方向角； 叶中截面叶型表面的静压分布。 平面叶栅试验主要研究下列参数的变化： 设计攻角下，测量叶栅能量损失系数、出气角和叶型表
8、面马赫数Main随出口马赫数Ma 的变化；对于亚声速叶栅，Ma 一般为0610；对于跨声速叶栅，Ma 为0814，,攻角的设计,1 攻角 一般指飞机前缘与来流风方向的夹角，如果飞机前缘平行于来流风，攻角就是0. 叶栅的攻角也是这样的概念，涡轮风扇工作时，会有一个来流风，这个风的方向和叶栅前缘的夹角就是叶栅的攻角 .2 攻角对涡轮叶栅损失的影响。,应用基于压力修正的三维计算流体动力学（CFD）程序，通过改变进口攻角，对不同工况下的涡轮叶栅流场进行了数值模拟并结合CFD模拟结果，应用较合理的损失分离方法，对比分析了三种常用的变工况涡轮损失预测模型结果表明：在正攻角情况下，随着攻角的增加，涡轮叶栅总
9、压损失显著增加；在负攻角情况下，随着攻角的增加，涡轮叶栅总压损失则有种先减小后增大的趋势，但变化范围不大而对于三种变工况涡轮损失预测模型来说，虽能基本上反映出涡轮损失随攻角的变化趋势，但预测结果差别很大船用燃气轮机变几何动力涡轮大攻角流动,在设计Ma 下，测量能量损失系数、出气角以及叶型表面马赫数随攻角的变化。 测量出口气流角、总压恢复系数沿栅距的变化。 研究叶型和叶栅几何参数、冷却空气与主流的掺混和叶型表面负荷分布对叶栅性能的影响。 进行激波与附面层的相互干扰试验研究。 通过大量平面叶栅试验研究，综合归纳出平面叶栅设计应遵循的规律，以便设计出满足气动、冷却、结构和强度要求的涡轮叶型叶栅。,2
10、. 环形叶栅吹风试验,环形叶栅试验可以在涡轮试验器上进行，即去掉涡轮转子，只保留导向器，并对排气系境和测量系统进行改装。 气流在导向器环形叶栅中的流动为复杂的非定常、有粘的三维流动。其流动损失有叶型损失、二次流损失和漏气损失。对于跨声速叶栅，还有激波损失、激波与附面层相互干扰引起的波阻损失。二次流包括马蹄涡、通道涡以及对涡。环形叶栅中的损失可用能量损失系数L速度损失系数 和总压恢复系数 表示：,环形叶栅试验内容基本与平面叶栅相同，诸如在不同出口马赫数Ma下，测量各种损失系数沿叶高分布，出气角01沿栅距和沿叶高分布，沿叶型表面的压力分布；测量设计状态和非设计状态下导向器的流通能力；研究冷气与主流
11、掺混对导向器气动性能的影响。 栅后气流参数由组合探针在移位机构的带动下，以13 mms的速度移动测量，巡检采集数据的频率大于10 Hz。试验时，将参数调到试验状态后要稳定30 s再开始移动测量。,3涡轮性能试验,航空发动机在高温高压高转速下运行时，燃气在涡轮中的流动为复杂的非定常、有粘的三维流动。通常，所设计的涡轮都必须在涡轮试验器上进行气动性能试验。试验涡轮可以是单级涡轮、多级涡轮、全尺寸涡轮和模型涡轮。由于气源和水力测功器吸收功率的限制，目前都不能进行全温全压试验，而只能进行启动模拟试验，其理论基础即是相似理论。,(1)涡轮模型试验台 图555示出开式涡轮试验台。空气通过双扭线进气道4并在
12、燃烧室3中加热至80120以使涡轮后温度高于0，防止空气中水分凝结造成气动仪表堵塞。加热后的空气引向涡轮2，然后由压气机引出，压气机6由电动机5带动。,涡轮发出的功率由液压制动装置1所吸收，液压制动装置同时还用来测量扭矩。涡轮与压气机之间安装节流阀7以便从大气中吸入空气，调节涡轮中的压降，即落压比 ，并建立试验台压气机6的稳定工作条件，提高压气机的增压比 可增加 。,通过改变模型比例，降低进口空气压力和温度，可以减少试验所需功率。如采用模型比例m=3，Ps/Pm=8， =1 473 K， =373 K，则由式(56)模型涡轮与真实涡轮试验所要求的功率比为模型试验不能再现叶片的全部工作条件，特别
13、是气动力和振动负荷所引起的对叶片材料应力的影响。,图556示出模型涡轮测试简图。在进口用4支梳状总压管测量径向总压，并装4支静压管，在级间每个位置都装4个静压管以测量级间静压。出口平直段上安装可移动总压管和静压管。,（2）国内典型涡轮试验器及其性能试验,图5-57示出典型涡轮性能试验器。应用该试验器可以进行下述试验。 测量涡轮的流量特性、功量特性、效率特性、涡轮出口马赫数和绝对气流角。这些特性可供发动机总体进行高度速度特性计算之用，并可供分析涡轮非设计状态的性能及其变化特点。图5-58示出涡轮效率 随涡轮落压比 和换算转速 的变化。,测量设计状态下(或所研究状态下)涡轮基元级的性能参数和气流参
14、数，诸如做功量、效率、反力度、导叶和动叶进、出口的气流角、马赫数、总温、总压和静压沿叶高变化、沿表面的马赫数分布或静压分布。试验研究改变叶片数、动叶叶尖间隙和轴向间隙对涡轮性能的影响。随叶尖间隙增大，涡轮功减少，涡轮效率明显降低，例如在 =35， (动叶相对叶尖间隙)从1054增至2823时，涡轮效率 从 0881下降0830。,研究变几何涡轮性能，即研究导叶可调对涡轮性能的影响。 试验研究弯扭叶片及其端壁对涡轮性能的综合影响。弯扭叶片是新一代叶型叶片，它能有效地减少二次流损失；从而明显提高涡轮效率。 试验确定尾迹管理技术，即是控制前一排导叶的尾迹落在后一排导叶的前缘上，此时涡轮效率高。,图559示出涡轮流量特性；图560示出涡轮出口处的绝对Ma 、相对Ma 、出口气流角 随折合功的 变化。,试验中除模型比m、落压比 均保持相等外，还应使工作叶片的周向马赫数相等，以满足相似理论要求，即转速应符合下述关系：,
