CN114323667B - 一种压气机高空环境试验系统及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压气机高空环境试验系统及调节方法，包括：进气调温系统、进气调压系统、排气系统、低压试验舱、动力系统、传动系统、排气换热系统、试验压气机等；所述进气调温系统、进气调压系统、低压试验舱依次连接，试验压气机和传动系统均设置在低压试验舱内，动力系统通过叠片联轴器与低压试验舱内的传动系统连接，在传动系统机匣与低压试验舱壳体之间采用波纹管结构密封连接，隔离低压试验舱内的低压空气和环境大气，保持转子系统在同一温度环境，且波纹管能补偿机匣热变形，改善转子系统支点的同心度。该调节方法采用手工调节和PID自动调节相结合以维持试验压气机进气压力和流量稳定，从而实现试验压气机工作雷诺数连续可变的调节。

Description

一种压气机高空环境试验系统及调节方法

技术领域

本发明属于航空燃气涡轮发动机模拟试验技术领域，具体涉及一种压气机高空环境试验系统及调节方法。

背景技术

雷诺数是衡量流体粘性对航空发动机压缩系统和膨胀系统部件性能影响的重要准则之一。当发动机进口气流的雷诺数大于某一临界值时，雷诺数对发动机各部件(包括风扇、压气机和涡轮)的影响基本可以忽略，因此压缩系统的流量、压比和效率也将基本不受雷诺数变化的影响；但当发动机进口雷诺数小于此临界值时，雷诺数的变化对各部件的影响逐步显现，并对发动机各性能参数均带来直接影响。对于压缩系统而言，当叶弦雷诺数低于临界雷诺数时，叶片边界层流动将以分离泡的形式实现从层流向湍流的转捩，同时损失上升、叶片升力减小、落后角增加；当进一步降低叶弦雷诺数，闭式分离泡将转变为大尺寸开式分离，叶片通道逐步丧失其应有的流动特征，损失急剧上升。因此，深入理解高空低雷诺数下压缩系统叶片内部流动机理，量化高空低雷诺数效应对压缩系统性能及稳定性的影响，并采取有效措施降低高空低雷诺数的不利影响，有效提高压缩系统在高空低雷诺数条件下的性能，是军民用航空发动机尤其是高空飞行的发动机亟需解决的关键问题。

为获得有效的压气机高空性能，需采用压气机高空环境试验系统，形成压气机所需的高空进气压力和进气温度。按照进气方式，压气机高空环境试验系统主要有两种类型。第一类是试验压气机进气口直接和进气温度和压力调节系统管路连接(参见图1)，称为直连式试验系统；由于这类试验系统的进气调节与压气机运行状态匹配困难，导致试验过程压气机进口的压力难以稳定在某一数值附近，而是随压气机工作状态不断变化，因而导致压气机的雷诺数不能连续可调，难以获得理想的压气机高空性能特性。另一类是将试验压气机置于低压试验舱内(参见图2)，这一类试验系统由于低压试验舱的容腔效应，可有效减小压气机工作状态变化对进气压力的影响，因而可以维持压气机进气压力基本稳定，进而可以通过调节压力而调节压气机雷诺数，实现压气机试验雷诺数的连续可调，从而获得理想的压气机高空特性曲线。这一类试验系统存在的问题包括：如何保证低压试验舱内部与环境大气之间的气体密封、低压试验舱以及设备的热变形导致的转子支点同心度如何自动补偿以及试验过程中如何维持压气机进气压力稳定等。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提出了一种带低压试验舱、可有效解决上述问题的压气机高空环境试验系统及调节方法，通过在增速齿轮箱低速轴端利用波纹管和增速齿轮箱高精度零件进行低压空气与环境大气隔离，用于开展高空低雷诺数条件下风扇/压气机气动性能试验的高空环境试验系统；该试验系统采用手工调节和PID自动调节相结合的方法以维持压气机进气压力和流量稳定，从而实现压气机工作雷诺数连续可变的调节方法。

本发明的技术方案为：一种压气机高空环境试验系统，包括：进气调温系统、进气调压系统、排气系统、低压试验舱、动力系统、传动系统及试验压气机；其中，

所述进气调温系统、进气调压系统、低压试验舱依次连接，试验压气机和传动系统均设置在低压试验舱内，试验压气机与传动系统连接，动力系统通过叠片联轴器与低压试验舱内的传动系统连接；

在传动系统的机匣与低压试验舱壳体之间采用波纹管结构密封连接，隔离低压试验舱内的空气和环境大气。

进一步的，所述进气调温系统的输入端包括两个进气口，分别连接有第一气源和第二气源，第一气源和第二气源的气流经过进气调温系统按照预定的比例掺混后，达到所模拟高度对应的试验压气机进气口温度条件。

进一步的，所述进气调压系统前端与进气调温系统的出气口连接，后端与低压试验舱的进气口连接；所述进气调压系统包括两个并联的支路，第一支路包括串联的第一流量计和混合气供气调节主阀；第二支路包括串联的第二流量计和混合气供气调节辅阀。

进一步的，所述进气调压系统还包括抽吸压力调节机构，所述抽吸压力调节机构其包括第一压力传感器，其后面连接有互相并联的低压试验舱抽吸压力调节主阀、低压试验舱抽吸压力调节辅阀；

所述的抽吸压力调节机构的进气口连接到进气调压系统的出气口与低压试验舱的进气口之间；第一压力传感器用于测量抽吸压力调节机构的进气口的压力；低压试验舱抽吸压力调节主阀、低压试验舱抽吸压力调节辅阀分别用于粗调和微调抽吸压力；抽吸压力调节机构的出气口连接到排气系统的末端。

进一步的，所述低压试验舱设置有第三压力传感器，用于测量试验压气机进气压力；

所述动力系统包括驱动电机，通过叠片联轴器与低压试验舱内的传动系统连接，所述传动系统包括增速齿轮箱和测扭器；增速齿轮箱一端通过叠片联轴器连接于驱动电机，另一端通过叠片联轴器连接到试验压气机的转子轴。

进一步的，还包括排气系统，其进口连接到试验压气机，所述排气系统包括第二压力传感器，其后面连接有互相并联的排气节流调节主阀和排气节流调节辅阀；通过调节排气节流主阀和排气节流辅阀开度，能够改变试验压气机的工作状态。

进一步的，所述排气系统的出口连接到排气换热系统或排气消音塔；

所述排气换热系统对排气系统排出的气体降温后由气源条件保障的抽气气源系统增压后排入环境大气；

在进气调温系统与排气系统的排气塔之间还连接有放空阀。

进一步的，还包括电气控制系统，对连接到试验系统中的各阀门和传感器进行控制调节。

进一步的，所述动力系统包括驱动电机，在驱动电机与增速齿轮箱之间，轴类转子与机匣静子之间的密封置于增速齿轮箱内部。

根据本发明的另一方面，提出一种压气机高空环境试验系统的压力和流量调节方法，应用于前述的试验系统，具体包括如下步骤：

步骤1)预先设定低压试验舱抽吸压力调节主阀、低压试验舱抽吸压力调节辅阀、排气节流主阀和排气节流辅阀的开度；

步骤2)不运行驱动电机，启动抽气气源设备，按照试验压气机流量需求和试验高度对应的压力值，通过计算预先设定混合气放空阀和混合气供气调节主阀阀门开度，电气控制系统PID自动调节混合气供气调节辅阀的开度，使通过第一压力传感器测量的压力满足对应试验高度需求，同时使通过第一流量计和第二流量计的总流量为1.5～2倍试验压气机进口流量；

步骤3)启动驱动电机，运行试验压气机至所需转速，保持转速恒定，预先设定低压试验舱抽吸压力调节主阀开度，电气控制系统PID自动调节低压试验舱抽吸压力调节辅阀的开度，使进入试验压气机的流量以及通过第三压力传感器测量的高空舱压力满足需求；调节过程中，若低压试验舱抽吸压力调节辅阀达到极限时，微调低压试验舱抽吸压力调节主阀；

步骤4)调节排气节流主阀和排气节流辅阀开度，改变试验压气机工作状态，测量获得试验压气机特性；录取试验压气机特性线的过程中，PID自动反向调节低压试验舱抽吸压力调节辅阀和混合气供气调节辅阀的开度，使试验压气机流量满足要求；当第三压力传感器测量的压力，即试验压气机进气压力增大时，减小混合气供气调节辅阀的开度而减小流入低压试验舱前的空气流量，增大低压试验舱抽吸压力调节辅阀的开度以增大进入排气管路的空气流量从而减小进入低压试验舱的空气流量，若出现混合气供气调节辅阀和低压试验舱抽吸压力调节辅阀达到极限的情况，手动微调混合气供气调节主阀和低压试验舱抽吸压力调节主阀。

进一步的，试验压气机转速降低和停机的调节与上述过程为反过程。

有益效果：

相对于现有技术，本发明的压气机高空环境试验系统及调节方法具有以下优点：

1)本发明试验压气机进口压力稳定且连续可调，即试验压气机工作雷诺数连续可变，可以获得理想且完整的试验压气机高空性能特性。

2)本发明在驱动电机与增速齿轮箱之间、低速联轴器处与增速齿轮箱联接的部位进行转、静子密封，可有效减少环境大气向低压试验舱的空气泄露量，保证压气机工作的稳定性；同时，可降低高速密封带来的快速磨损问题，提高密封件的使用寿命。

3)本发明一方面在低压试验舱与增速齿轮箱低速端机匣采用波纹管联接以补偿热变形，可有效降低热变形对试验转子系统支点同心度的不利影响，保证试验压气机在高空条件下仍能稳定运行；另一方面是保持试验压气机与增速齿轮箱处于同一环境温度下，减小齿轮箱高速端不同心对试验系统运行的负面影响因素。

4)本发明采用电气控制系统手动和PID自动调节相结合的方法调节试验压气机进口压力，有效保证试验压气机进口压力稳定，从而确保试验压气机工作状态稳定，波动小。

5)本发明中，为保证压力和流量调节过程中阀门能快速响应以维持试验压气机进口气流状态稳定，混合气供气调节主阀222、混合气供气调节辅阀223、低压试验舱抽吸压力调节主阀224、低压试验舱抽吸压力调节辅阀225、排气节流主阀321和排气节流辅阀322均为高精度液压调节阀。

附图说明

图1传统技术中直连式试验系统；

图2传统技术中带低压试验舱试验系统；

图3本发明一个实施例的压气机高空环境试验系统示意图；

图4本发明一个实施例的低压试验舱与大气环境的密封结构示意图；

图5本发明一个实施例的压力和流量调节原理图；

图6本发明一个实施例的压力和流量调节逻辑框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，如图3、5所示，提供一种压气机高空环境试验系统，所述系统包括：

进气调温系统1、进气调压系统2、排气系统3、低压试验舱4、动力系统5、传动系统6、排气换热系统7、试验压气机8以及电气控制系统等。

所述进气调温系统1、进气调压系统2、低压试验舱4依次连接，试验压气机8和传动系统6均设置在低压试验舱4内，试验压气机8与传动系统6连接，动力系统5与传动系统6相连为试验压气机8提供驱动力；所述试验压气机8连接排气系统3，排气系统3连接到排气换热系统7或者排气消音塔；

进一步的，所述进气调温系统1的输入端包括两个进气口，分别连接有低温气源和常温干燥气源，所述低温气源为温度低于常温气体的气源，从低温气源和常温干燥气源输送来的低温高压气流和常温高压气流经过进气调温系统1按照预定的比例掺混后，达到所模拟高度对应的试验压气机进气口温度条件；

进一步的，所述进气调压系统2前端与进气调温系统1的出气口连接，后端与低压试验舱4的进气口连接；具体的，所述进气调压系统2包括两个并联的支路，第一支路包括串联的第一流量计211和混合气供气调节主阀222；第二支路包括串联的第二流量计212和混合气供气调节辅阀223；

进一步优选的，所述进气调压系统2还包括抽吸压力调节机构，其包括第一压力传感器213，第一压力传感器213后面连接有互相并联的低压试验舱抽吸压力调节主阀224、低压试验舱抽吸压力调节辅阀225；

所述的抽吸压力调节机构的进气口连接到进气调压系统2的出气口与低压试验舱4的进气口之间；第一压力传感器213用于测量抽吸压力调节机构的进气口的压力；低压试验舱抽吸压力调节主阀224、低压试验舱抽吸压力调节辅阀225分别用于粗调和微调抽吸压力；抽吸压力调节机构的出气口连接到排气系统3的末端；

所述排气系统3包括第二压力传感器311，其后面连接有互相并联的排气节流主阀321和节流辅阀322；通过调节排气节流主阀321和排气节流辅阀322开度，能够改变压气机的排气压力从而改变压气机的工作状态；

所述低压试验舱4设置有第三压力传感器421，用于测量试验压气机进口压力(或进气压力)，低压试验舱4内设置有试验压气机8和传动系统6；传动系统6包括增速齿轮箱61和测扭器62；

所述动力系统5包括驱动电机51，通过叠片联轴器与低压试验舱内的传动系统6连接；

所述传动系统6包括增速齿轮箱61和测扭器62，增速齿轮箱一端通过叠片联轴器与驱动电机连接，另一端通过叠片联轴器连接到试验压气机8的转子轴上；

所述排气换热系统7连接到排气系统3的出气口，排气换热系统7对排气系统排出的气体降温后由气源条件保障的抽气气源系统增压后排入环境大气。

可选的，如果排气系统出气口的气体压力高于大气压，排气系统3可连接到排气塔进行排气；

在进气调温系统1与排气系统3的排气塔之间还连接有放空阀221；

电气控制系统与试验系统各部分的阀门和传感器、流量计电气连接，用于检测传感器、流量计的测量值，以及控制各个阀门的开度。

本发明的技术方案中，低压试验舱内的温度低于舱外大气温度，即处于低温状态，为解决低压试验舱内低温状态的热变形造成试验系统转子不同心和静子热应力大的问题，本发明进行了如下改进，如图3所示：

1)将试验压气机8、增速齿轮箱61和测扭器62等置于低压试验舱4内，其它系统置于低压试验舱4外，采取在未经增速齿轮箱增速的低速端(即动力系统5与传动系统6相连接的部位)进行低温低压(低于大气压101kPa(A))试验空气与环境大气隔离的措施，可有效降低热变形对试验转子系统支点同心度的不利影响，保证试验压气机在高空条件下仍能稳定运行。

2)本发明动力系统5包括驱动电机51，在驱动电机51与增速齿轮箱61之间，增速齿轮箱的轴类转子与机匣静子之间的密封置于增速齿轮箱内部，由于增速齿轮箱61的零件为高精度机械加工成形，可有效降低通过转、静子之间的间隙产生的空气泄露(见图4)，维持低压试验舱内的温度和压力稳定。

3)参见图4，612为增速齿轮箱的机匣，为隔离低压试验舱4内的低压空气和环境大气，在增速齿轮箱61的机匣612与低压试验舱壳体41之间采用波纹管结构42密封连接，有效补偿温度造成的机匣静子轴向和径向热变形；在增速齿轮箱转子611与驱动电机转子511之间采用叠片联轴器63，补偿转子的热变形和运转造成的偏心。

综上，本发明降低热变形的影响，一方面是采用了波纹管补偿机匣热变形，防止机匣变形影响转子支点同心度；另一方面是保持试验压气机与增速齿轮箱处于同一环境温度下，减小齿轮箱高速端不同心对试验系统运行的不利影响因素；

本发明的压气机高空环境试验系统工作原理如下：

从两个不同气源输送来的低温高压气流和常温高压气流经过进气调温系统1按照一定的比例掺混，达到所模拟高度对应的试验压气机进口温度条件；掺混后的气流经过进气调压系统2调节至所模拟高度对应的大气压力后进入低压试验舱4，然后再流入试验压气机8；试验压气机8由动力系统5和传动系统6驱动对空气进行做功，经增压后的空气进入排气系统3；排气系统3采用阀门等设备对试验压气机8出口气流进行节流以改变试验压气机8的工作状态，从而获得试验压气机8的特性线；经过排气系统3节流的空气直接排入环境大气(排气压力高于环境大气时)，或者经过排气换热系统7降温后由气源条件保障的抽气气源系统增压后排入环境大气。电气控制系统9的主要功能是采集其他各系统的状态参数，并通过调节阀门等执行机构实现对试验压气机进气温度、压力和工作状态的调节。

根据本发明的一个实施例，提出一种压气机高空环境试验系统的压力和流量调节方法，其中，试验压气机进口压力和通过流量的调节依靠电气控制系统采集进气调压系统2、排气系统3各阀门的开度以及低压试验舱内的压力等信息，并通过人工或者自动PID调节的方式实现。具体调节方法如下：

步骤1)预先设定低压试验舱抽吸压力调节主阀224、低压试验舱抽吸压力调节辅阀225、排气节流主阀321和排气节流辅阀322的开度；

步骤2)不运行电机，启动抽气气源设备，按照试验压气机流量需求和试验高度对应的压力值，通过计算预先设定混合气放空阀221和混合气供气调节主阀222阀门开度，电气控制系统PID自动调节混合气供气调节辅阀223的开度，使通过第一压力传感器213测量的压力满足对应试验高度需求，同时使通过第一流量计211和第二流量计212的总流量不小于试验需求值，优选的，本发明的实施例总流量为1.5～2倍试验压气机进口流量；

步骤3)启动驱动电机，运行试验压气机至所需转速，保持转速恒定，预先设定低压试验舱抽吸压力调节主阀224开度，电气控制系统PID自动调节低压试验舱抽吸压力调节辅阀225的开度(调节过程中，若低压试验舱抽吸压力调节辅阀225阀达到极限难以调节时，微调低压试验舱抽吸压力调节主阀224)，使进入试验压气机的流量以及通过第三压力传感器421测量的高空舱压力满足需求；

步骤4)调节排气节流主阀321和排气节流辅阀322开度，通过改变试验压气机排气压力而改变压气机的工作状态，测量获得压气机特性；录取特性线的过程中，PID自动反向调节低压试验舱抽吸压力调节辅阀225和混合气供气调节辅阀223的开度，使试验压气机流量满足要求(第三压力传感器421测量压力稳定于设定目标值)。例如，当第三压力传感器421测量的压力，即试验压气机进气压力增大时，减小混合气供气调节辅阀223的开度而减小流入低压试验舱前的空气流量，增大低压试验舱抽吸压力调节辅阀225的开度以增大进入排气管路的空气流量从而减小进入低压试验舱的空气流量，若出现混合气供气调节辅阀223和低压试验舱抽吸压力调节辅阀225达到极限难以调节的情况，手动微调混合气供气调节主阀222和低压试验舱抽吸压力调节主阀224；反之亦然。

根据本发明的一个实施例，试验压气机转速降低和停机的调节与上述过程为反过程。

综上，通过本发明采用电气控制系统PID自动调节试验压气机进口压力，有效保证试验压气机进口压力稳定，从而确保试验压气机工作状态稳定，波动小。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种压气机高空环境试验系统，其特征在于，包括：进气调温系统、进气调压系统、低压试验舱、动力系统、传动系统及试验压气机；其中，

所述进气调温系统、进气调压系统、低压试验舱依次连接，试验压气机和传动系统均设置在低压试验舱内，试验压气机与传动系统连接，动力系统通过叠片联轴器与低压试验舱内的传动系统连接；

在传动系统的机匣与低压试验舱壳体之间采用波纹管结构密封连接，隔离低压试验舱内的空气和环境大气；

还包括排气系统，其进口连接到试验压气机，所述排气系统包括第二压力传感器，其后面连接有互相并联的排气节流调节主阀和排气节流调节辅阀；通过调节排气节流主阀和排气节流辅阀开度，能够改变试验压气机的工作状态；

所述进气调压系统前端与进气调温系统的出气口连接，后端与低压试验舱的进气口连接；所述进气调压系统包括两个并联的支路，第一支路包括串联的第一流量计和混合气供气调节主阀；第二支路包括串联的第二流量计和混合气供气调节辅阀；

所述进气调压系统还包括抽吸压力调节机构，所述抽吸压力调节机构包括第一压力传感器，其后面连接有互相并联的低压试验舱抽吸压力调节主阀、低压试验舱抽吸压力调节辅阀；

所述的抽吸压力调节机构的进气口连接到进气调压系统的出气口与低压试验舱的进气口之间；第一压力传感器用于测量抽吸压力调节机构的进气口的压力；低压试验舱抽吸压力调节主阀、低压试验舱抽吸压力调节辅阀分别用于粗调和微调抽吸压力；抽吸压力调节机构的出气口连接到排气系统的末端；

所述低压试验舱设置有第三压力传感器，用于测量试验压气机进气压力；

所述动力系统包括驱动电机，通过叠片联轴器与低压试验舱内的传动系统连接，所述传动系统包括增速齿轮箱和测扭器；增速齿轮箱一端通过叠片联轴器连接于驱动电机，另一端通过叠片联轴器连接到试验压气机的转子轴。

2.根据权利要求1所述的一种压气机高空环境试验系统，其特征在于，

所述进气调温系统的输入端包括两个进气口，分别连接有第一气源和第二气源，第一气源和第二气源的气流经过进气调温系统按照预定的比例掺混后，达到所模拟高度对应的试验压气机进气口温度条件。

3.根据权利要求1所述的一种压气机高空环境试验系统，其特征在于，

所述排气系统的出口连接到排气换热系统或排气消音塔；

所述排气换热系统对排气系统排出的气体降温后由气源条件保障的抽气气源系统增压后排入环境大气；

在进气调温系统与排气系统的排气塔之间还连接有放空阀。

4.根据权利要求1所述的一种压气机高空环境试验系统，其特征在于，

还包括电气控制系统，与试验系统各部分的阀门和传感器、流量计电气连接，用于检测传感器、流量计的测量值，以及控制各个阀门的开度。

5.一种压气机高空环境试验系统的压力和流量调节方法，应用于权利要求1-4之一所述的试验系统，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1）预先设定低压试验舱抽吸压力调节主阀、低压试验舱抽吸压力调节辅阀、排气节流主阀和排气节流辅阀的开度；

步骤2）不运行驱动电机，启动抽气气源设备，按照试验压气机流量需求和试验高度对应的压力值，通过计算预先设定混合气放空阀和混合气供气调节主阀阀门开度，电气控制系统PID自动调节混合气供气调节辅阀的开度，使通过第一压力传感器测量的压力满足对应试验高度需求，同时使通过第一流量计和第二流量计的总流量为1.5～2倍试验压气机进口流量；

步骤3）启动驱动电机，运行试验压气机至所需转速，保持转速恒定，预先设定低压试验舱抽吸压力调节主阀开度，电气控制系统PID自动调节低压试验舱抽吸压力调节辅阀的开度，使进入试验压气机的流量以及通过第三压力传感器测量的高空舱压力满足需求；调节过程中，若低压试验舱抽吸压力调节辅阀达到极限时，微调低压试验舱抽吸压力调节主阀；

步骤4）调节排气节流主阀和排气节流辅阀开度，改变试验压气机工作状态，测量获得试验压气机特性；在录取试验压气机特性线的过程中，PID自动反向调节低压试验舱抽吸压力调节辅阀和混合气供气调节辅阀的开度，使压气机流量满足要求；当第三压力传感器测量的压力，即试验压气机进气压力增大时，减小混合气供气调节辅阀的开度而减小流入低压试验舱前的空气流量，增大低压试验舱抽吸压力调节辅阀的开度以增大进入排气管路的空气流量从而减小进入低压试验舱的空气流量，若出现混合气供气调节辅阀和低压试验舱抽吸压力调节辅阀达到极限的情况，手动微调混合气供气调节主阀和低压试验舱抽吸压力调节主阀。