陳振華，劉宗政，陳吉明，郭守春，閆喜強(qiáng)，裴海濤

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)研究所，綿陽(yáng) 621000

0 引 言

大型風(fēng)洞是提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力、增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力的戰(zhàn)略資源，是服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的重大軍民共用設(shè)施。20世紀(jì)50年代，歐美陸續(xù)建設(shè)了4座5 m量級(jí)大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞和1座直徑8 m的高亞聲速風(fēng)洞，為民用和軍用飛機(jī)研制奠定了堅(jiān)實(shí)的空氣動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)。我國(guó)風(fēng)洞設(shè)備是依據(jù)錢(qián)學(xué)森等老一輩空氣動(dòng)力學(xué)家的規(guī)劃，于20世紀(jì)60年代開(kāi)始建設(shè)，目前已形成一定規(guī)模，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。

目前，飛行器的發(fā)展具有大型化、高速化、智能化、低能耗、靜音及新型布局等特點(diǎn)，所面臨的跨聲速氣動(dòng)問(wèn)題、大型化后愈發(fā)嚴(yán)重的氣動(dòng)彈性問(wèn)題、翼身融合體布局帶來(lái)的飛行器與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化技術(shù)問(wèn)題等都需要開(kāi)展更加深入細(xì)致的研究。建設(shè)5 m量級(jí)大型跨聲速風(fēng)洞并開(kāi)展相應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)是必要且有效的手段。

針對(duì)大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，我們開(kāi)展了相關(guān)的論證和關(guān)鍵技術(shù)研究，本文將簡(jiǎn)要介紹這些工作。

1 風(fēng)洞總體方案

跨聲速風(fēng)洞一般分為暫沖式風(fēng)洞和連續(xù)式風(fēng)洞。暫沖式風(fēng)洞一般采用中壓或高壓氣源作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞運(yùn)行，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，建設(shè)成本低，但運(yùn)行時(shí)間短、成本高，動(dòng)態(tài)流場(chǎng)品質(zhì)難以保證；連續(xù)式風(fēng)洞則采用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)復(fù)雜，建設(shè)成本高，但風(fēng)洞運(yùn)行效率高、成本低，動(dòng)態(tài)流場(chǎng)品質(zhì)好。對(duì)于5 m量級(jí)的跨聲速風(fēng)洞，采用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)式方案是合理可行的。

風(fēng)洞尺寸的確定，主要取決于型號(hào)試驗(yàn)的需要。根據(jù)國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)大型飛行器氣動(dòng)外形精確模擬，且洞壁干擾不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s比不能小于1∶20，堵塞度不能大于1%，翼展不能超過(guò)試驗(yàn)段寬度的65%～70%；同時(shí)，由于氣動(dòng)彈性事故往往出現(xiàn)于跨聲速范圍，必須開(kāi)展全機(jī)模型試驗(yàn)，以精確模擬結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性。因此，為滿足翼展60 m左右飛機(jī)的精確氣動(dòng)力試驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相似模擬，解決大型飛機(jī)全機(jī)氣動(dòng)彈性預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)考核問(wèn)題，風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸需在4.5～5.0 m左右。

跨聲速風(fēng)洞風(fēng)速范圍一般需覆蓋低速、亞聲速和跨聲速范圍，同時(shí)還需實(shí)現(xiàn)與超聲速的銜接，超聲速風(fēng)洞速度下限一般為Ma=1.5，因此大型跨聲速風(fēng)洞的速度范圍應(yīng)確定為Ma=0.2～1.6，美國(guó)AEDC的16T風(fēng)洞的馬赫數(shù)范圍也是0.2～1.6。

對(duì)于風(fēng)洞的總壓范圍，需考慮不同飛行模擬高度對(duì)應(yīng)的不同氣流壓力、降低氣彈試驗(yàn)時(shí)的來(lái)流總壓等，以此確定總壓下限。目前，大型運(yùn)載火箭、深空探測(cè)器和高高空無(wú)人機(jī)試驗(yàn)需要滿足20 km高度的要求，總壓需低至5 kPa。雖然總壓越高，雷諾數(shù)也越高，但會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃卧龃?，風(fēng)洞運(yùn)行功率也成比例增大，因此，將風(fēng)洞總壓限制于250 kPa以下、壓縮機(jī)功率限制于250 MW以下較為可行。

當(dāng)前，飛行器性能要求越來(lái)越高，飛行器試驗(yàn)研究日趨精細(xì)，對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)特別是動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。主要指標(biāo)如下：

1）試驗(yàn)段模型區(qū)馬赫數(shù)分布均方根偏差：≤0.001～0.002（Ma≤1.0）；

2）試驗(yàn)段模型區(qū)流向角：≤0.1°；

3）試驗(yàn)段氣流脈動(dòng)壓力系數(shù)：≤0.7%；

4）試驗(yàn)馬赫數(shù)控制精度：≤0.001；

5）模型區(qū)截面氣流溫度均勻性：≤1.0 K。

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞投資巨大，一座風(fēng)洞需具備盡量多的試驗(yàn)功能，主要包括：大尺度模型的精確氣動(dòng)力試驗(yàn)；氣動(dòng)彈性試驗(yàn)（抖振、顫振、靜氣動(dòng)彈性等）；機(jī)體/推進(jìn)一體化試驗(yàn)；CTS試驗(yàn)、大迎角試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)等。

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞總體方案為：采用軸流壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉口回流式布局；配置駐室抽氣系統(tǒng)（或輔壓縮機(jī)系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞的跨聲速運(yùn)行；配置增壓配氣和抽真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞總壓控制；配置循環(huán)水冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞總溫控制；配置干燥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞氣流露點(diǎn)控制；配置多個(gè)試驗(yàn)段（開(kāi)槽壁試驗(yàn)段和開(kāi)孔壁試驗(yàn)段）、支架段和多種配套試驗(yàn)裝置滿足不同的試驗(yàn)需求。風(fēng)洞氣動(dòng)總體布局如圖1所示。

圖1 大型連續(xù)式跨超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)總體布局示意圖Fig.1 Overall aerodynamic layout of large continuous transonic wind tunnel

2 風(fēng)洞主要特點(diǎn)

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞的技術(shù)特點(diǎn)可以歸納為：指標(biāo)要求高，系統(tǒng)規(guī)模大，運(yùn)行功能多。

2.1 風(fēng)洞指標(biāo)要求高

風(fēng)洞指標(biāo)要求高體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是風(fēng)洞運(yùn)行指標(biāo)范圍寬，二是動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求高。風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)要求與國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞的對(duì)比如表1所示。表中，為軸向馬赫數(shù)分布均方根偏差，ΔMa為實(shí)際馬赫數(shù)與平均馬赫數(shù)之差，ΔC為脈動(dòng)壓力系數(shù)（即脈動(dòng)壓力與動(dòng)壓的比值），ΔT為同一截面上各點(diǎn)測(cè)量溫度與平均溫度的差值。大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸、試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍、增壓和降速壓試驗(yàn)?zāi)芰Φ确矫婢_(dá)到同類(lèi)風(fēng)洞最高水平；與國(guó)內(nèi)外常規(guī)跨聲速風(fēng)洞相比（低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞除外），雷諾數(shù)最高，壓縮機(jī)功率最大；流場(chǎng)指標(biāo)與ETW風(fēng)洞相當(dāng)。

表1 大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞和國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)的比較Table 1 Comparison of flow quality of the large continuous transonic wind tunnels in the world

提高流場(chǎng)品質(zhì)的主要技術(shù)措施有：采用半柔壁噴管、低噪聲跨聲速試驗(yàn)段、指片嵌入式主流引射調(diào)節(jié)片、三段調(diào)節(jié)片+節(jié)流板式二喉道等新技術(shù)，改善試驗(yàn)段穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

2.2 風(fēng)洞系統(tǒng)規(guī)模大

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞除風(fēng)洞本體結(jié)構(gòu)外，還需要配置主輔壓縮機(jī)、增壓配氣、抽真空、循環(huán)冷卻水、干燥等諸多系統(tǒng)。風(fēng)洞主壓縮機(jī)功率約240 MW，用于駐室抽氣的輔壓縮機(jī)功率約為80 MW；風(fēng)洞洞體回路長(zhǎng)軸約200 m，容積在1×10m以上；洞體最大截面換熱器段截面積約600 m。風(fēng)洞系統(tǒng)規(guī)模大、組成復(fù)雜、能耗高。

針對(duì)這一特點(diǎn)，需要在降低風(fēng)洞能耗方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施，主要包括：

1）配置主、輔壓縮機(jī)，降低運(yùn)行功率：Ma＞1.0時(shí)，采用輔壓縮機(jī)進(jìn)行駐室抽氣，與單獨(dú)使用主壓縮機(jī)相比，風(fēng)洞總運(yùn)行功率降低。

2）駐室前后設(shè)置隔離門(mén)：更換模型或試驗(yàn)段時(shí)，關(guān)閉隔離門(mén)，維持風(fēng)洞回路其他部分的增壓、真空的干燥條件。

3）配置獨(dú)立干燥系統(tǒng)：與“抽真空＋干燥空氣置換”的方式相比，降低約50%能耗。

4）采用多變量控制技術(shù)，提高試驗(yàn)效率：風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)，速度、總溫、總壓等多參數(shù)耦合，大慣量、高精度控制技術(shù)復(fù)雜，通過(guò)細(xì)化控制算法設(shè)計(jì)，采用智能控制技術(shù)，解決壓力控制的大滯后、總壓與馬赫數(shù)的多變量控制問(wèn)題，縮短風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)間，降低能耗。

2.3 風(fēng)洞運(yùn)行功能多

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞至少應(yīng)具備以下能力：飛行器外形精確模擬、氣動(dòng)彈性評(píng)估和機(jī)體/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)等試驗(yàn)?zāi)芰?；CTS、大迎角、陣風(fēng)等特種試驗(yàn)?zāi)芰?；重氣體試驗(yàn)介質(zhì)運(yùn)行等試驗(yàn)擴(kuò)展能力。

要達(dá)到風(fēng)洞多功能試驗(yàn)要求，必須提高風(fēng)洞運(yùn)行效率。主要技術(shù)途徑有：

1）配置多個(gè)試驗(yàn)段：配置開(kāi)槽壁試驗(yàn)段、孔壁試驗(yàn)段和特種試驗(yàn)段，配置多個(gè)支架段，以滿足不同試驗(yàn)需要，模型試驗(yàn)和模型準(zhǔn)備并行。開(kāi)槽壁試驗(yàn)段可進(jìn)行常規(guī)測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn)和大迎角試驗(yàn)；孔壁試驗(yàn)段可進(jìn)行常規(guī)測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn)、進(jìn)氣道試驗(yàn)和推力矢量試驗(yàn)；特種試驗(yàn)段可進(jìn)行氣動(dòng)彈性試驗(yàn)、CTS及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等特種試驗(yàn)。

2）采用半柔壁噴管：聲速噴管型面可自動(dòng)鎖緊，超聲速噴管型面在風(fēng)洞運(yùn)行中可進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)吹風(fēng)中變馬赫數(shù)，提高風(fēng)洞運(yùn)行效率。

3）優(yōu)化模型和試驗(yàn)段更換方式：小模型采用自動(dòng)化運(yùn)輸安裝車(chē)在風(fēng)洞內(nèi)部安裝，提高效率；大模型在試驗(yàn)大廳安裝；試驗(yàn)段采用運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸更換。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞研制面臨的關(guān)鍵技術(shù)有很多方面。下面簡(jiǎn)要介紹圍繞世界一流流場(chǎng)品質(zhì)實(shí)現(xiàn)、大型軸流壓縮機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研制等方面開(kāi)展的研究工作。

3.1 世界一流流場(chǎng)品質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1.1 提高馬赫數(shù)均勻性和穩(wěn)定性

風(fēng)洞流場(chǎng)均勻性主要受?chē)姽芏?、試?yàn)段和二喉道段的影響?；谝酝L(fēng)洞設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和研究成果，采用半柔壁噴管、開(kāi)槽壁試驗(yàn)段+指片式主流引射縫、三段調(diào)節(jié)片+節(jié)流板式二喉道等風(fēng)洞部段設(shè)計(jì)技術(shù)，可以提高流場(chǎng)均勻性；通過(guò)開(kāi)槽壁試驗(yàn)段不同開(kāi)槽數(shù)/開(kāi)槽率、不同槽型、槽深/寬等參數(shù)對(duì)比研究，選定合理參數(shù)，可以明顯改善流場(chǎng)均勻性。

軸向馬赫數(shù)分布均方根偏差反映了試驗(yàn)段流場(chǎng)的均勻性。該值通過(guò)安裝于試驗(yàn)段中心軸線上的軸向靜壓探測(cè)管進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算處理得到，并通過(guò)0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證（0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞是一座采用干燥空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)的低噪聲變密度連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面尺寸為0.6 m×0.6 m，馬赫數(shù)范圍為0.2～1.6，穩(wěn)定段總壓為（0.05～2.50）×10Pa，總溫為273～323 K）。流場(chǎng)均勻性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。開(kāi)槽壁試驗(yàn)段流場(chǎng)性能達(dá)到了≤0.002（Ma＜1.0）、≤0.008（1.0≤Ma≤1.6）的先進(jìn)水平。

圖2 試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻性試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of Mach number deviation in test section

通過(guò)風(fēng)洞進(jìn)排氣閥門(mén)、噴管型面和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞流場(chǎng)穩(wěn)定性要求。在常壓和增壓狀態(tài)下，風(fēng)洞總壓控制精度均優(yōu)于0.1%、試驗(yàn)馬赫數(shù)控制精度均優(yōu)于0.001。常壓狀態(tài)下總壓和馬赫數(shù)控制精度如圖3所示。

圖3 常壓狀態(tài)下總壓和馬赫數(shù)控制精度Fig.3 Control accuracy of total pressure and Mach number under atmospheric pressure

3.1.2 降低氣流壓力脈動(dòng)

風(fēng)洞試驗(yàn)段動(dòng)態(tài)流場(chǎng)參數(shù)越來(lái)越受到空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究者們的關(guān)注。通常，在不同馬赫數(shù)下，各類(lèi)脈動(dòng)對(duì)跨聲速風(fēng)洞的貢獻(xiàn)規(guī)律為：當(dāng)Ma≤0.6時(shí)，速度脈動(dòng)（湍流度）是主要的，壓力脈動(dòng)（噪聲）次之，溫度脈動(dòng)可忽略；當(dāng)0.6≤Ma≤1.3時(shí)，壓力脈動(dòng)（噪聲）是主要的，速度脈動(dòng)（湍流度）次之，溫度脈動(dòng)可忽略；當(dāng)1.3≤Ma≤1.6時(shí)，壓力脈動(dòng)（噪聲）是主要的，速度脈動(dòng)和溫度脈動(dòng)可忽略。因此，在亞跨聲速范圍內(nèi)，速度脈動(dòng)（湍流度）和壓力脈動(dòng)（噪聲）是跨聲速風(fēng)洞的主要不穩(wěn)定源。

由此可見(jiàn)，噪聲是跨聲速風(fēng)洞主要的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。噪聲研究主要包括噪聲源分析和降噪技術(shù)研究。對(duì)0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞進(jìn)行噪聲源分析測(cè)試，對(duì)于風(fēng)洞洞體回路各截面噪聲，根據(jù)周向布置的脈動(dòng)壓力傳感器測(cè)得的結(jié)果取算術(shù)平均得到平均聲壓級(jí)；對(duì)于試驗(yàn)段噪聲，通過(guò)試驗(yàn)段中心軸線10°錐上布置的脈動(dòng)壓力傳感器測(cè)得聲壓級(jí)后，換算得到脈動(dòng)壓力系數(shù)ΔC。通過(guò)采取主動(dòng)降噪（壓縮機(jī)和試驗(yàn)段優(yōu)化設(shè)計(jì)）和被動(dòng)降噪（在壓縮機(jī)整流罩和風(fēng)洞第四拐角段安裝降噪結(jié)構(gòu)）措施，0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段噪聲明顯降低。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)段噪聲指標(biāo)ΔC≤0.8%。

圖4 試驗(yàn)段噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.4 Results of flow noise in test section

第四拐角段吸聲結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流片組合設(shè)計(jì)，導(dǎo)流片采用彎板形式，迎氣流端進(jìn)行弧形整流，尾部楔形整流，導(dǎo)流片內(nèi)部填充吸聲材料，如圖5（a）所示。壓縮機(jī)尾罩段降噪設(shè)計(jì)如圖5（b）所示，由于當(dāng)?shù)貧饬魉俣容^高，采用組合多層微穿孔板結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了微穿孔板在高流速條件下的降噪性能。

圖5 風(fēng)洞回路降噪設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.5 Schematic diagram of noise reduction design scheme for wind tunnel loop

3.1.3 提高溫度均勻性和穩(wěn)定性

對(duì)風(fēng)洞換熱器的要求主要是壓力損失小、換熱效率高，溫度均勻性和穩(wěn)定性好。針對(duì)不同型式換熱器開(kāi)展計(jì)算及試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：板翅式換熱器迎風(fēng)面積要求更小，在相同迎風(fēng)面積條件下壓力損失較小，同時(shí)有利于減小氣流偏角，降低湍流強(qiáng)度；冷卻水管道封頭結(jié)構(gòu)緊湊，堵塞度較??；單元模塊釬焊，結(jié)構(gòu)更為可靠。

對(duì)不同參數(shù)條件下板翅式換熱器試驗(yàn)件的傳熱特性、壓力損失和溫度均勻性開(kāi)展試驗(yàn)研究，得到綜合性能較好的換熱器流通類(lèi)型、流道結(jié)構(gòu)和截面尺寸（圖6）。換熱器水側(cè)和氣側(cè)流道數(shù)之比為1∶2；氣側(cè)為單流程流道（平直型翅片），水側(cè)為雙流程U型流道（平直型翅片）。設(shè)計(jì)狀態(tài)下，換熱器壓力損失低于700 Pa，模塊出口ΔT≤1.5 K（要求≤3 K）。

圖6 板翅式熱交換器試驗(yàn)件基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structure of plate-fin heat exchanger test specimen

3.2 大型軸流壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍寬、效率要求高、喘振裕度要求大，同時(shí)，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)功率高、尺寸大、軸系長(zhǎng)。

3.2.1 寬工況和高效率氣動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)比分析了軸流壓縮機(jī)動(dòng)、靜葉調(diào)節(jié)有效性，綜合考慮氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性，建議大型軸流壓縮機(jī)采用靜葉可調(diào)的技術(shù)路線。大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞主壓縮機(jī)設(shè)計(jì)采用三級(jí)軸流壓縮機(jī)方案，輪轂比約為0.6。為抑制全部馬赫數(shù)工況下動(dòng)葉通過(guò)頻率下的離散噪聲峰值，經(jīng)迭代設(shè)計(jì)，取單級(jí)動(dòng)葉數(shù)目為28，單級(jí)靜葉數(shù)目為54。

在軸流壓縮機(jī)CFD研究中，通過(guò)合理設(shè)置邊界條件和網(wǎng)格拓?fù)涞?，?yōu)化完善了CFD計(jì)算分析；研制了一臺(tái)直徑1.2 m的模型機(jī)，進(jìn)行了性能測(cè)試，CFD計(jì)算結(jié)果與模型機(jī)測(cè)試結(jié)果吻合良好，提高了壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的可靠性?；诖隧?xiàng)研究進(jìn)行了大型壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，如圖7所示。風(fēng)洞設(shè)計(jì)點(diǎn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子段效率為87.78%，考慮非旋轉(zhuǎn)部件損失后，等熵效率為83.38%，常壓最小喘振裕度點(diǎn)為Ma=1.6，流量喘振裕度為11.11%，壓比裕度大于10%。

圖7 主壓縮機(jī)運(yùn)行曲線示意圖Fig.7 The run map of the main axial compressor

3.2.2 壓縮機(jī)超長(zhǎng)軸系扭振研究

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞主壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)功率巨大，因此將主壓縮機(jī)布置于風(fēng)洞第一、二拐角段之間，以兩臺(tái)電機(jī)從兩端驅(qū)動(dòng)，可降低單臺(tái)電機(jī)功率，降低研制難度。在此布局下，主壓縮機(jī)（含兩端電機(jī)）軸系長(zhǎng)近90 m。經(jīng)計(jì)算，軸系一階扭振頻率為133 r/min（電機(jī)運(yùn)行頻率17.73 Hz），二階扭振頻率為215 r/min（電機(jī)運(yùn)行頻率28.67 Hz），均處于壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍內(nèi)。在運(yùn)行中，軸系存在扭轉(zhuǎn)共振，影響機(jī)組安全。

軸系扭振，是一個(gè)電氣（變頻器、電機(jī)）–機(jī)械（軸系）–流體（風(fēng)洞氣流）多場(chǎng)耦合的振動(dòng)系統(tǒng)，需要進(jìn)行扭振的系統(tǒng)級(jí)機(jī)理分析、仿真及驗(yàn)證。

經(jīng)仿真分析及搭建試驗(yàn)平臺(tái)研究發(fā)現(xiàn)：軸系扭振時(shí)，在電氣和機(jī)械回路中均產(chǎn)生了扭振頻率的特征量，機(jī)械和電氣的振蕩相互促進(jìn)放大，最終形成穩(wěn)定而持續(xù)的扭振；在變頻器控制算法中加入扭振抑制算法，能夠有效降低變頻器輸出電流中的諧波，降低軸系的扭振幅值；基于兩臺(tái)電機(jī)、兩套變頻器，采用雙轉(zhuǎn)速閉環(huán)的功率平衡控制（如圖8所示），對(duì)軸系扭振有較好的抑制效果。以上研究成果為大型軸流壓縮機(jī)軸系扭振抑制提供了有效途徑。

圖8 基于速度環(huán)的負(fù)載均衡控制原理Fig.8 Load balancing control principle based on speed loop

4 結(jié) 論

大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞是研究飛行器跨聲速飛行特性和氣動(dòng)問(wèn)題的空氣動(dòng)力學(xué)地面模擬設(shè)備，是提升我國(guó)飛行器自主研制能力、增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力的重要戰(zhàn)略資源。大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞總體方案充分考慮了風(fēng)洞指標(biāo)要求高、系統(tǒng)規(guī)模大以及運(yùn)行功能多等特點(diǎn)，既體現(xiàn)了先進(jìn)性，又具備可行性。通過(guò)相關(guān)研究和引導(dǎo)風(fēng)洞驗(yàn)證，基本解決了風(fēng)洞大部分的關(guān)鍵技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)大型軸流壓縮機(jī)、大型精密機(jī)械加工等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國(guó)一定能夠建成世界一流的大型連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，在我國(guó)航空航天事業(yè)及創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)中發(fā)揮不可替代的重要作用。