一种辅助动力装置离心压气机的试验装置及性能测试方法与流程

本发明属于辅助动力，具体而言，涉及一种辅助动力装置离心压气机的试验装置及性能测试方法。

背景技术：

1、辅助动力装置(apu，auxil iary power unit)作为飞机第二动力系统的部件之一，在军民用飞机上广泛应用，如军用战斗机、军用运输机、民用大型客机、民用公务机等。apu具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、可同时输出轴功率和压缩空气等特点，在提高飞机的安全性、保障性、舒适性以及能源的综合利用率方面起着重要作用，产品多达百余种，功率从几十千瓦到上千千瓦，已成为飞机必不可少的关键机载设备。

2、离心压气机作为apu的核心部件之一，在提高apu核心机循环参数和功重比，满足飞机发动机起动、地面维护、座舱环境控制条件下的引气需求等具有重要作用，并且通过部件的空气共用实现了二动力与环控系统的深度融合，提高了系统的综合化和集成化程度，是研制apu核心机的基础。如何准确评估离心压气机稳定工作范围，实现压气机可用稳定裕度度量，避免压气机流动失稳，成为了国内外近年来一直关心的热点问题。然而，由于数值模拟无法快速精准地预测离心压气机稳定工作范围，可信度不足，并且在离心压气机试验装置方面及性能测试方法方面，大多沿用大流量轴流压气机测试方法，对不同进口来流角度测量较少，有可能测试不到堵塞边界，试验成本高；并且通过声音判定离心压气机是否处于稳定工作范围，可信度不高，并不适用于现代先进小尺寸的离心压气机。

技术实现思路

1、(一)本发明要解决的技术问题是：

2、为了克服上述现有技术的至少一种缺陷，提升离心压气机的性能测试方法的准确性，本发明公开了一种辅助动力装置离心压气机的试验装置及性能测试方法，解决现代小尺寸高压比离心压气机的测试难题。

3、(二)本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

4、一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，包括被试离心压气机，其特征在于，所述试验装置还包括稳压箱、动态压力传感器、总温探针、总压探针、蜗壳、排气转接段、变频电机、排气主阀、排气辅阀、退喘阀；空气进入所述的稳压箱，稳压箱与被试离心压气机连接，蜗壳设置在被试离心压气机后方，所述的排气辅阀、退喘阀并联设置在蜗壳下游排气转接段上，排气主阀设置在排气转接段后方，总温探针、总压探针、动态压力传感器均设置在被试离心压气机流道内，变频电机与被试离心压气机连接，驱动被试离心压气机转动。

5、优选地，还包括进气调节阀和齿轮箱，所述的进气调节阀设置在稳压箱入口管路上，进气调节阀前端设置流量测量装置；所述的变频电机通过齿轮箱驱动被试离心压气机转动。

6、优选地，还包括测扭仪，所述的测扭仪设置在变频电机的输出轴上，用于测量被试离心压气机以及变频电机输出轴的扭矩。

7、优选地，所述被试离心压气机包括轮毂和机匣构成的流道，流道内根据气流从前到后的方向设有进口可变弯度导叶、离心叶轮、扩压器、蜗壳。

8、优选地，进口可变弯度导叶可旋转角度为-30～30°，用于模拟进口气流角的分布，实现多工况测量，实施难度低，减少了试验成本；所述蜗壳下游排气转接段开有一定面积大小的放气口，可通过放气以增大流道入口流量，保证采集到被试离心压气机的堵塞边界。

9、优选地，动态压力传感器沿离心叶轮机匣内壁周向均布，数目为3～8个，轴向位置为离心叶轮前缘-10％弦长至尾缘+10％弦长、扩压器+10％弦长至+90％弦长；总温探针、总压探针分别沿离心叶轮机匣内壁周向均布，总温探针、总压探针数目分别为3～8个，总温探针、总压探针分别轴向位置为离心叶轮前缘-250％弦长至-50％弦长、尾缘+50％弦长至+250％弦长。

10、优选地，动态压力传感器采用螺纹连接或有机硅胶密封的方式固定在传感器底座上，实现动态压力信号的采集。

11、优选地，进气调节阀、排气主阀和排气辅阀选用气动薄膜套筒调节阀，以实现高流量精度调节；退喘阀选用电磁调节阀，以实现增大被试离心压气机流量，快速退出流动失稳工况，保证设备安全。

12、所述试验装置的性能测试方法，所述性能测试方法包括如下步骤：

13、(1)变频电机上电，通过齿轮箱驱动被试离心压气机转动，将排气主阀和排气辅阀全部打开，退喘阀处于关闭状态，通过流量测量装置获取被试离心压气机堵塞点，通过总温探针和总压探针采集被试离心压气机的气动性能数据；

14、(2)逐渐关闭排气主阀，使得被试离心压气机出口背压增大，流量减小，通过总温探针和总压探针持续采集被试离心压气机的气动性能数据；

15、(3)动态压力传感器实时监测被试离心叶轮叶尖表面、扩压器叶尖表面的高频响应动态压力p(t)，并选取压气机旋转一周的时间t作为一个微元耗时，计算压力p(t)随着时间t的变化特征值，通过傅里叶变换获取压力信号的功率谱最大幅值smax，如下式所示：

16、

17、其中，pt(f)为动态压力信号的傅里叶变换得到的频域值，p(t)为动态压力信号，e为数学自然常数，其值约为2.718281；

18、若smax小于临界值scrit，则判定离心压气机处于稳定工作状态，持续采集气动性能数据；若smax大于scrit，则判定离心压气机进入流动失稳工况，其上一个稳定工作点就被认为是当前折合转速下的稳定边界；

19、(4)当离心压气机进入流动失稳工况，通过对采集的实时压力p(t)运用极坐标信号分析方法进行处理，获取失速团的数目、传播速度、频率信息；

20、(5)改变压气机折合转速，重复步骤(1)至(4)，最终获得不同折合转速下被试离心压气机的堵塞点和流动失稳边界，获取被试离心压气机全转速内的气动性能。

21、优选地，在步骤3所述的功率谱最大幅值临界值scrit根据离心压气机不同折合转速下数值模拟的压比πt确定，其值为5πt～15πt db。

22、(三)同现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明能够快速准确地获取得离心压气机全转速工作下的稳定工作范围和气动性能，降低辅助动力装置离心压气机的研制成本和风险。

技术特征：

1.一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，包括被试离心压气机，其特征在于，所述试验装置还包括稳压箱、动态压力传感器、总温探针、总压探针、蜗壳、排气转接段、变频电机、排气主阀、排气辅阀、退喘阀；空气进入所述的稳压箱，稳压箱与被试离心压气机连接，蜗壳设置在被试离心压气机后方；所述的排气辅阀、退喘阀并联设置在蜗壳下游排气转接段上，排气主阀设置在排气转接段后方，总温探针、总压探针、动态压力传感器均设置在被试离心压气机流道内，变频电机与被试离心压气机连接，驱动被试离心压气机转动。

2.根据权利要求1所述的一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，其特征在于，还包括进气调节阀和齿轮箱，所述的进气调节阀设置在稳压箱入口管路上，进气调节阀前端设置流量测量装置；所述的变频电机通过齿轮箱驱动被试离心压气机转动。

3.根据权利要求2所述的一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，其特征在于，还包括测扭仪，所述的测扭仪设置在变频电机的输出轴上，用于测量被试离心压气机以及变频电机输出轴的扭矩。

4.根据权利要求1所述的一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，其特征在于，所述被试离心压气机包括轮毂和机匣构成的流道，流道内根据气流从前到后的方向设有进口可变弯度导叶、离心叶轮、扩压器、蜗壳。

5.根据权利要求4所述的一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，其特征在于，进口可变弯度导叶可旋转角度为-30～30°，用于模拟进口气流角的分布；所述蜗壳下游排气转接段开有一定面积大小的放气口，可通过放气以增大流道入口流量，保证采集到被试离心压气机的堵塞边界。

6.根据权利要求4所述的一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，其特征在于，动态压力传感器沿离心叶轮机匣内壁周向均布，数目为3～8个，轴向位置为离心叶轮前缘-10％弦长至尾缘+10％弦长、扩压器+10％弦长至+90％弦长；总温探针、总压探针分别沿离心叶轮机匣内壁周向均布，总温探针、总压探针数目分别为3～8个，总温探针、总压探针分别轴向位置为离心叶轮前缘-250％弦长至-50％弦长、尾缘+50％弦长至+250％弦长。

7.根据权利要求6所述的一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，其特征在于，动态压力传感器采用螺纹连接或有机硅胶密封的方式固定在传感器底座上，实现动态压力信号的采集。

8.根据权利要求1所述的一种辅助动力装置离心压气机的试验装置，其特征在于，进气调节阀、排气主阀和排气辅阀选用气动薄膜套筒调节阀；退喘阀选用电磁调节阀。

9.根据权利要求1-8任意一条权利要求所述试验装置的性能测试方法，其特征在于，所述性能测试方法包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述所述试验装置的性能测试方法，其特征在于，其特征在于，在步骤3所述的功率谱最大幅值临界值scrit根据离心压气机不同折合转速下数值模拟的压比πt确定，其值为5πt～15πt db。

技术总结
本发明公开了一种辅助动力装置离心压气机的试验装置及性能测试方法，属于辅助动力装置领域，包括被试压气机、稳压箱、动态压力传感器、总温探针、总压探针、蜗壳、排气转接段、变频电机、排气主阀、排气辅阀、退喘阀、进气调节阀、齿轮箱、测扭仪，性能测试方法包括：首先频电机上电，驱动被试离心压气机转动，获取离心压气机堵塞点；逐渐关闭排气主阀，持续采集离心压气机气动特性；通过动态压力传感器监测机匣上不同位置的动态压力值精准捕捉流动失稳边界。本发明可以采集不同折合转速下离心压气机的堵塞点和流动失稳边界，能够快速准确地获取离心压气机全转速工作下的稳定工作范围和气动性能，降低辅助动力装置离心压气机的研制成本和风险。

技术研发人员：黄松,王鹏,刘一鸣
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25