CN111779700B - 一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，属于航空发动机压气机试验技术领域。所述试验台包括：动力系统、测扭仪、双输入套轴双输出传动箱、排气段、联轴器、导叶调节系统、支撑架、滑油系统、电气控制系统、测试系统及进气过滤/消音系统；两套动力系统及测扭仪分别用于高压压气机及低压压气机测量；传动系统采用双输入套轴双输出传动箱；排气段包括内涵排气通道及外涵排气通道，配有节流装置用于及时退喘；导叶调节系统用于工况调节。所述试验台能对不同涵道比、多流路的变循环压气机进行全工况试验，能对压气机中的负荷极限、多级匹配、多流路掺混问题进行试验及参数测量；也能进行单轴、单涵道的高负荷全尺寸高速压气机实验。

Description

一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台

技术领域

本发明涉及一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，属于航空发动机压气机试验技术领域。

背景技术

自适应变循环发动机是军用航空发动机的重点发展方向，其典型特征为多个涵道的基础上通过可调机构来改变发动机涵道比，从而适应亚音速及超音速巡航状态下的推力及油耗要求，兼具大涵道比涡扇发动机低油耗及小涵道比涡扇发动机高推力的特征，技术复杂程度远高于常规发动机。

多涵路压气机试设计技术是自适应变循环发动机的关键设计技术，负荷极限、多级匹配、多流路匹配、多流路掺混等是核心技术难题，是发展变循环发动机叶轮机部件过程中需要重点研究的对象。

建设双轴双涵低速大尺寸压气机试验台，采用气动负荷比拟的方式、以较低的运行功率和费用实现压气机海量参数测量，可突破全尺寸高速压气机关键参数难以测量的技术瓶颈，掌握自适应多涵路压气机的流动机理以及负荷极限、多级匹配、多流路匹配、多流路掺混等关键技术，满足自适应变循环发动机的研制需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有压气机试验台只能对固定热力循环特性的压气机进行试验，在对变涵道比、多流路压气机进行试验时有局限性，且无法精确测量全尺寸高速压气机试验件的大量关键参数，不能满足全尺寸变循环发动机的试验需求的缺陷，提出了一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台。

所述双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台以低压压气机以及高压压气机为试验件，包括：动力系统、测扭仪、双输入套轴双输出传动箱、排气段、联轴器、导叶调节系统、支撑架、滑油系统、电气控制系统、测试系统以及进气过滤/消音系统；

其中，动力系统的数量为两套，包括低压压气机动力系统和高压压气机动力系统；两套动力系统均采用交流变频拖动系统，分别用于驱动低压压气机和高压压气机；实现压气机对速度控制精确的要求；

其中，低压压气机动力系统包括电机、变频器以及编码器电缆；高压压气机动力系统包括中压开关柜、整流变压器、变频器、异步鼠笼变频电机以及电缆；

其中，异步鼠笼变频电机带旋转编码器；

进一步地，测扭仪的数量为两套：包括低压端测扭仪及高压端测扭仪，且均为法兰式扭矩测量仪，可正反转双向测扭；其中，低压端测扭仪用于低压压气机的扭矩测量，高压端测扭仪用于高压压气机的扭矩测量；

进一步地，双输入套轴双输出传动箱的数量为一套：高压端输入轴通过齿轮减速再增速带动高压端输出轴；低压端输入轴通过齿轮及花键带动低压输出轴，高压轴与低压轴之间通过轴承支撑；用于两套动力系统的功率、转速传递，并将动力轴由平行轴输出转换成套轴输出；

进一步地，排气段包括内涵排气通道以及外涵排气通道。外涵排气通道包括外涵排气机匣、外涵中间传动箱，外涵排气节流装置；内涵排气通道包括内涵排气机匣、内涵中间传动箱，内涵排气节流装置；用于压气机试验件的内、外涵排气；

其中，内涵排气节流装置及外涵排气节流装置包括筒形节气门、三个伺服电机、三个滚珠丝杠副以及三个直线导轨副；

其中，筒形节气门通过三个直线导轨副安装在排气转接段上，以减小滑动阻力，三个步进电机通过滚珠丝杠副驱动节气门在排气转接段出口圆环面上轴向滑动，来进行排气节流；

筒形节气门采用铝合金材质，减轻重量。其中，伺服电机可设置两种转速，快速退喘时，采用高速快速打开节气门予以退喘；

进一步地，联轴器包括两根电机和传动箱之间的平行布置的常规联轴器、传动箱和内涵中间传动之间的两根轴套轴布置的套轴联轴器、外涵中间传动箱和试验件之间的两根轴套轴布置的套轴联轴器；

联轴器均采用齿式联轴器，用于转速和扭矩传递、不同轴度补偿；电机与传动箱之间的联轴器设置转速、锁相触发信号测量结构，用于低压压气机转速测量和动应力测量所需的锁相触发信号测量；

进一步地，导叶调节系统采用电动缸调节，电动缸数量为两套，分别用于零级导叶角度以及一级静叶角度调节，为测量不同攻角下的特性提供进口条件；

每套电动缸包括伺服电机、电缸、减速器以及控制器；

进一步地，支撑架包括试验件前后支撑架，动力系统支撑架以及排气段支撑架；试验台采用水平的卧式安装，通过支撑架固定；其中，进气端支撑架为辅助支撑，可沿轴向移动，方便试验件的换装以及维护；动力系统支撑架为镂空支架，以减小对排气的干扰；

进一步地，滑油系统包括油箱、油站以及过滤器；用于双输入套轴双输出传动箱的润滑冷却，油站具备恒温功能和液位报警功能；过滤器安装于供油进出口，且该过滤器具备堵塞报警功能；加温器安装在油箱内；

进一步地，电气控制系统包括配电柜、辅助电气控制系统、操纵台以及控制软件；该电气控制系统的功能是实现对交流变频电机的远程调节、工艺设备的操控、监视以及连锁、紧急停车报警的保护；

进一步地，测试系统的数量为两套；包括稳态数采系统和动态数采系统；

其中，稳态数采系统及动态数采系统均为典型的三层架构，包括采集设备及探针构成的数据源层、由采集设备构成的数据中间层以及由采集计算机构成的数据终端层；通过硬件模块构建基于以太网的测试系统，将硬件模块集成在多个测试机柜中，利用硬件模块的分布式测量的特点，放置于压气机试验间，让测量模块靠近被测物，通过网线连接到测控间的数采计算机上；稳态数采系统的功能是采集温度、压力、流量、转速、振动、轴向力以及应力信号；动态数采系统用于压气机的喘振监测、振动、转速监测和频谱分析；

进一步地，进气过滤/消音系统包括进气过滤器、进气消声器、排气消声器、隔声门以及吸音墙面。进气过滤/消音系统的功能是降噪，使排放满足要求，同时使压气机进气干净、无灰尘；

所述试验台中各部件的连接关系如下：

来流通过一端的导叶调节系统后进入试验件，由排气通道排出并配有节流装置，测试系统与电气控制系统与排气段连接；另一端动力系统与测扭仪相连，再通过双输入套轴双输出传动箱由平行轴输出转成套轴输出后，通过联轴器与压气机试验件动力输入轴连接；滑油系统与双输入套轴双输出传动箱连接用于冷却；试验件、排气段及动力系统由支撑架支撑；试验件与排气段前后均与进气过滤/消音系统相连。

有益效果

本发明提出了一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，与现有压气机试验台相比，具有如下有益效果：

1.所述试验台采用气动负荷比拟的方式，能以较低的运行功率和费用对不同涵道比、多流路的变循环压气机进行全工况试验，并精确测量大量参数；

2.所述试验台能对压气机中的负荷极限、多级匹配、多流路匹配、多流路掺混等问题进行试验及参数测量；

3.所述试验台也能够进行单轴、单涵道的高负荷全尺寸高速压气机的全工况实验。

附图说明

图1是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的原理示意图；

图2是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的试验台主体布置图；

图3是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的双输入套轴双输出传动箱原理图；

图4本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的排气段结构示意图；

图5是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的中间传动箱结构示意图；

图6是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的排气段节流装置示意图；

图7是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的联轴器轴套轴布置示意图；

图8是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的电气系统原理图；

图9是本发明一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的测试系统硬件原理框图；

图示说明：

2-1-试验件、2-2-联轴器、2-3-排气段、2-4-联轴器、2-5-双输入套轴双输出传动箱、2-6-高压压气机动力系统、2-7-高压端测扭仪2-8-低压压气机动力系统、2-9-低压端测扭仪、A-进气间、B-排气间；

3-1高压端、3-2低压端；

4-1-外涵排气机匣、4-2-套轴联轴器、4-3-内涵排气机匣、4-4-外涵中间传动箱、4-5-内涵中间传动箱、4-6-外涵排气节流装置、4-7-内涵排气节流装置；

6-1-直线导轨副、6-2-筒形节气门、6-3-滚珠丝杠副、6-4-伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台进行详细说明。

实施例1

本实例描述了应用本发明所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台的具体实施。该试验台进气的条件为常温常压，其中，最大进气流量47kg/s；低压压气机最大功率为250kW，最高转速3000r/min；高压压气机最最大功率为650kW，最高转速3600r/min；且高压压气机及低压压气机均可正反向运转；其中外涵道最大流量为12kg/s,内涵道最大流量为35kg/s；内外涵道最大排气压力0.12MPa,最高排气温度50℃；最大流道外径为1.55m；

该实施例应用场景为一个低速变循环压气机试验件，该试验件的低速压气机设计转速为2000r/min，设计点压比为1.04，设计点流量为8kg/s,设计点耗功为104.3kW。高压压气机的设计转速为3000r/min，设计点压比为1.1，设计点流量为19.5kg/s，设计点耗功为129.8kW。试验件由支撑架支撑，固定于进气间。

本试验台转速较低，排气压力小，为保证进气均匀，减少进气损失，防止试验排气压力低于大气压无法排气，方便试验件换装，拟采用双输入套轴双输出动力方案。试验台采用动力在同侧的平行布置方案。

考虑到试验压气机排气压力小、排气温度低，为减小排气损失，试验台不设置排气收集器，直接在压气机排气机匣出口设置排气节流阀，压气机排气直接排入实验间，最终经排气间排入大气。试验台原理图见图1。

试验台主体布置图见图2。包括双输入套轴双输出传动箱、动力系统、测扭仪、排气段、联轴器、导叶调节系统、支撑架、滑油系统、控制系统、测试系统、进气过滤/消音系统。

其中，低压压气机的驱动轴为低压端，排气涵道为外涵道。因此低压压气机动力系统设计点输出转速为2000r/min，采用恒功率调速，额定电压为380V，额定输出功率250kw。高压压气机的驱动轴为高压端，排气涵道为内涵道。高压压气机动力系统额定输出功率为650kW；额定电压为690V；设计点输出转速为3000r/min。

两套动力系统的功率、转速传递来自双输入套轴双输出传动箱，将动力由平行轴输出转化为套轴输出。传动箱原理图见图3。高压端输入轴3-1(650kW、3600rpm)通过齿轮减速带动轴2，轴2通过齿轮增速带动高压端输出轴；低压端输入轴3-2(250kW、3000rpm)通过齿轮减速带动轴3，轴3通过齿轮增速带动输出轴4，轴4通过花键带动低压端输出轴；脂润滑轴承选择带密封FAG主轴轴承，脂润滑极限转速达到11000rpm，高于齿轮箱最高转速6600rpm。该动力系统保证了双轴、双涵道实验动力稳定且功率较低。

其中，采用滑油系统对传动箱进行润滑冷却。供油流量60L/min，供油压力为(0.2～0.5)MPa，供油温度(35～50)℃，过滤精度为10μ。

在实验过程中，为精确测量关键参数，利用测扭仪测量扭矩，在-10℃～+80℃的工作温度下，测量精确度可达到±0.05％F.S。其中低压端测扭仪额定扭矩为1600N·m，额定工作转速为3000r/min，设计点的转速调整为2000r/min。高压端测扭仪额定扭矩为5000N·m；额定工作转速为3600r/min,在高压压气机的设计点转速调整为3000r/min,以达到实验要求。

排气段用于压气机排气，由支撑架支撑。图4为排气段结构示意图，其中高压压气机排气端为内涵排气机匣，低压压气机排气端为外涵排气机匣。中间传动箱示意图为图5.在实验发生喘振时，可利用排气节流装置快速退喘，示意图为图6。伺服电机可设置两种转速，在设置为高速时，能够快速打开节气门予以退喘。保证了高速压气机实验的稳定性。

联轴器用于转速和扭矩传递、不同轴度补偿。其结构示意图见图7，分为低压轴联轴器及高压轴联轴器。低压轴联轴器额定传递功率为250kW，额定传递扭矩为1600N.m，额定转速为3000r/min，最大角向不对中为0.34°，最大轴向不对中的精度在±2.2mm以内。高压轴联轴器的主要技术参数如下：额定传递功率为650kW；额定扭矩为5000N.m；最高传递转速为3600r/min；最大角向补偿量为±0.670；最大轴向补偿量为±3.5mm。可保证较好的实验测量精度。

导叶调节系统采用电动缸调节。其中电动缸的最大驱动力为600kg；行程可达到100mm，重复定位精度在±0.01mm以内。零级导叶调整角度以产生不同来流攻角，0°，±2°，±4°等，对全工况特性进行测量及流动捕捉。

电气系统的总原理见图8所示，可用控制系统操控工艺设备，远程调节电机，并监控电机设备及输入电源的情况，在产生突发情况时，利用电气控制系统紧急停车。

实验测量由稳态数采系统及动态采集系统完成。试验台配置320个稳态测量通道、64个动态测试通道。实验需要测量温度、压力、流量、转速、振动、轴向力、应力等大量数据，由稳态数采系统采集。其具有开放的工业标准，分布式的构架，灵活的配置形式，高速的数据传输，高精度的系统同步等显著优势。充分利用局域网的能力，通过硬件模块构建基于以太网的测试系统，利用硬件模块的分布式测量的特点，将硬件模块集成在多个测试机柜中。这种布置方式在避免在压气机试验间和测控间之间铺设大量信号电缆线同时，减少线缆布设带来的线缆干扰。系统采用动态采集模块来集成硬件平台。测试系统硬件原理框图见图9。

同时，喘振监测、振动、转速监测和频谱分析由动态采集系统完成。通过相关传感器将喘振监测、振动、应力及轴向力分析集成到一个采集设备中，在降低设备的复杂度的同时，能够将信号实时进行比对，提升实时数据频谱分析能力。另外考虑数据分析的要求，系统将同时接入转速信号，方便数据的比对等数据处理工作。因此，可测量全尺寸压气机试验件的大量实验数据并实时监测性能。

以上所述为本发明的展示实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：以低压压气机以及高压压气机为试验件，包括：动力系统、测扭仪、双输入套轴双输出传动箱、排气段、联轴器、导叶调节系统、支撑架、滑油系统、电气控制系统、测试系统以及进气过滤/消音系统；

其中，动力系统的数量为两套，包括低压压气机动力系统和高压压气机动力系统；两套动力系统均采用交流变频拖动系统，分别用于驱动低压压气机和高压压气机；实现压气机对速度控制精确的要求；

进一步地，测扭仪的数量为两套：包括低压端测扭仪及高压端测扭仪，且均为法兰式扭矩测量仪，可正反转双向测扭；其中，低压端测扭仪用于低压压气机的扭矩测量，高压端测扭仪用于高压压气机的扭矩测量；

进一步地，双输入套轴双输出传动箱的数量为一套：高压端输入轴通过齿轮减速再增速带动高压端输出轴；低压端输入轴通过齿轮及花键带动低压输出轴，高压轴与低压轴之间通过轴承支撑；用于两套动力系统的功率、转速传递，并将动力轴由平行轴输出转换成套轴输出；

进一步地，排气段包括内涵排气通道以及外涵排气通道，外涵排气通道包括外涵排气机匣、外涵中间传动箱，外涵排气节流装置；内涵排气通道包括内涵排气机匣、内涵中间传动箱，内涵排气节流装置；用于压气机试验件的内、外涵排气；

其中，内涵排气节流装置及外涵排气节流装置包括筒形节气门、三个伺服电机、三个滚珠丝杠副以及三个直线导轨副；

其中，伺服电机可设置两种转速，快速退喘时，采用高速快速打开节气门予以退喘；

进一步地，联轴器包括两根电机和传动箱之间的平行布置的常规联轴器、传动箱和内涵中间传动之间的两根轴套轴布置的套轴联轴器、外涵中间传动箱和试验件之间的两根轴套轴布置的套轴联轴器；

联轴器均采用齿式联轴器，用于转速和扭矩传递、不同轴度补偿；电机与传动箱之间的联轴器设置转速、锁相触发信号测量结构，用于低压压气机转速测量和动应力测量所需的锁相触发信号测量；

进一步地，测试系统的数量为两套；包括稳态数采系统和动态数采系统；

所述试验台中各部件的连接关系如下：

来流通过一端的导叶调节系统后进入试验件，由排气通道排出并配有节流装置，测试系统与电气控制系统与排气段连接；另一端动力系统与测扭仪相连，再通过双输入套轴双输出传动箱由平行轴输出转成套轴输出后，通过联轴器与压气机试验件动力输入轴连接；滑油系统与双输入套轴双输出传动箱连接用于冷却；试验件、排气段及动力系统由支撑架支撑；试验件与排气段前后均与进气过滤/消音系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：筒形节气门通过三个直线导轨副安装在排气转接段上，以减小滑动阻力，三个步进电机通过滚珠丝杠副驱动节气门在排气转接段出口圆环面上轴向滑动，来进行排气节流。

3.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：导叶调节系统采用电动缸调节，电动缸数量为两套，分别用于零级导叶角度以及一级静叶角度调节，为测量不同攻角下的特性提供进口条件；

每套电动缸包括伺服电机、电缸、减速器以及控制器。

4.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：试验台采用水平的卧式安装，通过支撑架固定；支撑架包括试验件前后支撑架、动力系统支撑架以及排气段支撑架；其中，进气端支撑架为辅助支撑，可沿轴向移动，方便试验件的换装以及维护；动力系统支撑架为镂空支架，以减小对排气的干扰。

5.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：滑油系统包括油箱、油站以及过滤器；用于双输入套轴双输出传动箱的润滑冷却，油站具备恒温功能和液位报警功能；过滤器安装于供油进出口，且该过滤器具备堵塞报警功能；油箱内安装有加温器。

6.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：电气控制系统包括配电柜、辅助电气控制系统、操纵台以及控制软件；该电气控制系统的功能是实现对交流变频电机的远程调节、工艺设备的操控、监视以及连锁、紧急停车报警的保护。

7.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：低压压气机动力系统包括电机、变频器以及编码器电缆。

8.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：高压压气机动力系统包括中压开关柜、整流变压器、变频器、异步鼠笼变频电机以及电缆。

9.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：稳态数采系统及动态数采系统均为典型的三层架构，包括采集设备及探针构成的数据源层、由采集设备构成的数据中间层以及由采集计算机构成的数据终端层；通过硬件模块构建基于以太网的测试系统，将硬件模块集成在多个测试机柜中，利用硬件模块的分布式测量的特点，放置于压气机试验间，让测量模块靠近被测物，通过网线连接到测控间的数采计算机上；稳态数采系统的功能是采集温度、压力、流量、转速、振动、轴向力以及应力信号；动态数据采集系统用于压气机的喘振监测、振动、转速监测和频谱分析。

10.根据权利要求1所述的一种双轴双涵低速大尺寸变循环压气机试验台，其特征在于：进气过滤/消音系统包括进气过滤器、进气消声器、排气消声器、隔声门以及吸音墙面；进气过滤/消音系统的功能是降噪，使排放满足要求，同时使压气机进气干净、无灰尘。

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