第1章绪论1.1涡轮试验的必要性
试验是科学探索的重要工具，在航空发动机研究领域中，试验是必不可少的，航空发动机试验有两种用途，一种用于获得客观规律，另一种用于验证结果。虽然航空发动机的相关基础理论基本完备，但还是有很多规律需要通过试验的方式进行探索。对于航空发动机这样的复杂产品，在设计过程中难以完全确定产品的实际效能，需要用试验进行验证。据统计，国外研制一种新型航空发动机，一般需要10万小时的附件/部件试验，1万小时的整机试验和5千小时的飞行试验。所以试验之于航空发动机研究来说，仍然是一种必需而又非常重要的研究途径。
航空发动机强国无一例外地重视试验工作。首先各国都很重视试验基地和测试设备的建设，美国在资金和技术上拥有绝对的优势，从图1.1的高空模拟试验设备数量就可见一斑。其次各国也非常重视试验测试技术的发展，例如，1995年美国成立的促进美国发动机测试技术发展的联合体——推进仪表工作组（Propulsion Instrumentation Working Group，PIWG）以解决航空发动机测试关键仪表和测试传感器问题。其目的是识别关键的燃气涡轮发动机试验所用的试验台设备、传感器和测试技术与要求，支持商业创新活动，合作开发第4代无干涉应力测量系统(noninterference stress measurement system，NSMS)和解决发动机研究中所涉及的关键性测试仪表和传感器问题。在美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)领导的超高效发动机技术（Ultra Efficient Engine Technology，UEET）计划中包含了9大技术领域，其中验证试验技术和测量仪表、控制和健康监测技术2大领域都与试验测试技术相关。
涡轮部件是航空发动机设计中设计难度*大的部件。这是由于涡轮部件的作用是从高温、高压燃气中提取功率，而实现这一目的需要解决很多技术难题，例如如何在较宽的工作条件下保持高效率，如何在高于金属长期使用温度的环境下保持叶片的长期、稳定工作，如何使用尽量少的冷气来冷却高温、高转速工作环境下的轮盘，使其能够长寿命地使用，等等。这些问题需要联合气动、传热、结构、强度、材料等多个专业共同设计、优化，才能得到满足要求的设计结果。
单从流体力学专业来说，燃气在涡轮中的流动是复杂的非定常、有黏、三维流动，要实现高效率的功率提取，就需要精细的流动损失控制包括叶型损失、二次流损失、叶尖泄露损失等。目前对于流动状态和各种流动损失的准确计算仍然不令人满意，这是由于涡轮性能计算模型中仍然存在一定数量的条件简化和来源于试验的半经验公式。这样对于涡轮性能的评估还是需要试验的结果作*终的判定依据。
对于多专业联合设计的结果，更是需要试验的方法来确认联合设计的结果，举例而言，涡轮叶片冷气量大小对于叶型损失的影响，相对于计算而言，通过试验来确认影响的大小更有说服力。同时联合设计中专业间边界条件的确定，试验的结论仍然比计算结果更可信。
近几年来，仿真技术突飞猛进，仿真技术能够以更短的时间、更低的成本完成设计验证工作，有越来越多的试验验证方法逐渐地被仿真验证所替代。但是现阶段以及未来的几年间，涡轮部件领域，用计算仿真方法详细表征设计效果仍然不理想，不得不依靠成本更高、周期更长的试验方法来验证设计。试验技术在现阶段仍然是涡轮部件研发过程中不可或缺的关键技术之一。同时在涡轮部件相关的理论研究和技术开发的过程中，试验作为*终检验手段，也是理论突破和技术提升的重要组成部分。由此可见，无论是产品还是技术的研发工作中，试验都占据着重要的地位。
总而言之，试验之于涡轮部件研发而言有三方面的作用： 一是客观规律的探索；二是设计技术的验证；三是设计结果的确认。
在航空发动机的研发过程中，涡轮部件需要开展的试验验证的类型很多，主要有涡轮气动性能试验、强度寿命试验、冷却效果试验等。本书只涉及涡轮气动性能方面的试验，同时本书中的大部分内容都是航空发动机产品研发过程中总结提炼出来的，如果应用于非产品研发领域，需要根据应用背景进行适应性分析。
1.2涡轮试验内容和种类
在涡轮设计过程中需要开展大量的涡轮试验，且在不同设计阶段对涡轮试验的要求有所区别。基于不同的试验目的，结合试验台建设成本和试验成本，研究确立了不同种类的涡轮试验。目前，开展的涡轮试验种类繁多，包括全温全压试验、性能模拟试验、叶栅试验、暂冲式试验等。
涡轮试验可按照基于试验件及基于风洞试验条件进行分类，具体如图1.2所示。
图1.2涡轮试验基于风洞试验条件分类
1.2.1基于试验件分类
1.无旋转件涡轮试验
无旋转件涡轮试验针对单排叶栅／叶片，以测量叶栅／叶片部分流动特征为主要目的。相比于有旋转件涡轮试验，无旋转件涡轮试验特点明显，试验台结构简单，准备周期短，是涡轮设计阶段重要的低成本试验方式。无旋转件涡轮试验主要包括平面叶栅试验、环形叶栅试验和流函数试验。
1）平面叶栅试验
平面叶栅由多个几何形状相同并按照一定角度和相隔一定距离排列起来的直叶片组成。平面叶栅试验可以方便、经济、快速地研究叶栅在不同进气攻角、来流马赫数下的气动性能和流场特征。通过测量平面叶栅流场中基本参数，可以获得平面叶栅出口参数分布、尾迹参数和激波信息等基本流动现象。基于平面叶栅试验的低成本特点，能够开展大量平面叶栅试验研究并建立平面叶栅试验数据库。以此深入研究叶栅流动规律，为新的叶型设计积累资料，以便设计出满足气动、冷却、结构和强度要求的涡轮叶型，对提高涡轮总体性能来说具有重大的意义。但受二维流动的限制，无法验证涡轮内复杂的三维特性。
平面叶栅试验根据叶栅进出口马赫数的不同可分为亚声速叶栅试验、跨声速叶栅试验和超声速叶栅试验。
（1）亚声速叶栅试验：亚声速涡轮叶栅进出口马赫数都小于1，基于低载荷、高效率特点，目前亚声速涡轮仍被广泛应用。亚声速涡轮叶栅试验对气源压力要求较低，气源依次经过稳压段和收缩段之后进入试验段，在收缩段气流得到加速，风洞壁面附面层会减薄，使试验段进口流场更加均匀。为减弱风洞壁面附面层对叶栅测量的干扰，叶栅试验件的叶片数一般不少于7，且测量传感器布置在靠近试验件中间叶片附近区域。亚声速叶栅试验台可以通过调整试验段角度和气源压力实现叶栅变攻角和变来流马赫数工况测量，试验测量数据主要包括叶栅表面压力分布、流道缘板表面压力分布、出口气流方向和出口气流总压。叶栅表面压力和缘板表面压力通过布置静压孔进行测量，出口气流方向和总压通过相位可移动的三孔／五孔探针进行测量。通过对试验数据进行处理和分析，获得叶栅流动特征和性能参数。
（2）跨声速叶栅试验：跨声速叶栅试验与亚声速叶栅试验具有很大的相似性，主要差别在于跨声速叶栅通道中有激波存在。在跨声速涡轮叶栅试验中，进行激波与附面层的相互干扰研究，对跨声速涡轮尤为重要。平面叶栅试验台为纹影测试提供了较好的测试环境，从而可以清楚了解叶栅波系结构和激波位置。此外，若试验在暂冲式叶栅风洞上进行，则还可以进一步了解激波波系产生和发展的动态过程。
（3）超声速叶栅试验：超声速叶栅试验段进口为超声速气流，因此对风洞气源压力要求很高，且为防止超声速气流结冰，需要布置加温装置。超声速叶栅试验时叶栅通道内激波比较复杂，试验台同样采用纹影测试方法来获取激波结构和位置。超声速叶栅试验可以进行详细的气动性能测试，获得诸如叶型损失、落后角、进出口气流马赫数及叶片表面压力分布等在不同攻角状态下的试验数据。受气源条件和试验件尺寸限制，超声速叶栅试验中流动具有一定的三维特性。
2）环形／扇形叶栅试验
环形叶栅试验一般在环形叶栅试验器或流量函数试验器上进行，也可以在涡轮级性能试验器上进行，即去掉涡轮转子，只保留导向器，并对排气系统和测量系统进行改装。环形叶栅试验可以模拟叶栅三维流动，因此试验可以得到三维流动结构、局部损失、总体损失、流通能力及二次流动等方面的大量数据。由于其具有三维流动特性，因此环形叶栅试验可以开展弯掠扭叶片、不同端壁形状及端壁二次流的研究。
环形叶栅试验具有能源消耗大、加工周期长和测试困难等不利因素，因此，在保证一定周期性的情况下，大多采用扇形叶栅进行试验。一般在扇形叶栅试验件出口设置移位测量截面，由五孔针进行出口总压、静压及气流方向的详细流场测量，以评估叶栅性能。
3）流函数试验
流函数试验即涡轮导向器流量函数试验。在发动机整机调试前，对涡轮导向器进行流量函数试验，以确定发动机在不同工作状态下，流过涡轮导向器的燃气流量，选配出合适流通面积的导向器，从而在整机试车中，解决涡轮与压气机的匹配问题，在降低油耗和涡轮后温度方面起到重要作用。流量函数试验器的流量参数测量精度很高，因此它不仅可用于涡轮导向器环形叶栅试验，更适合于批量生产涡轮导向器排气面积与流量的合格性检验，从而缩短设计周期，验证设计结果。流量函数试验涉及发动机总体气动性能、发动机部件相互匹配性，可为发动机的性能调试和涡轮工作点的调整提供试验数据，可用于分析二次流发生发展的机理，进而改进叶栅，抑制边界层的增厚与分离，从而控制漩涡的生成、发展，减小叶栅二次流损失。
2.有旋转件涡轮试验
无旋转件试验虽然具有成本低和周期短的优点，但是无法完整模拟涡轮部件内部的流动，因此有旋转件涡轮试验是验证涡轮性能的重要手段。有旋转件涡轮试验主要包括单转子涡轮试验、双转子涡轮试验和径流式涡轮试验。
1）单转子涡轮试验
单转子涡轮试验测量涡轮的流量特性、功率特性、效率特性、涡轮出口马赫数和绝对气流角等。这些特性可用于发动机总体进行高度速度特性计算，并可以供分析涡轮非设计状态的性能及其变化特点。除了常规涡轮级总性能试验外，还包括变冷气流量比性能试验、变转子叶尖间隙性能试验、变几何性能试验、变出口雷诺数性能试验等。单转子试验按被试涡轮级数可分为单级涡轮试验和多级涡轮试验。
（1）单级涡轮试验：单级涡轮试验是*基础的涡轮性能试验，试验件包含一个导向器和一个涡轮转子。
（2）多级涡轮试验：多级涡轮试验以多级低压涡轮试验为主，多级低压涡轮为大涵道比发动机的重要部件之一，其性能的优劣直接影响发动机的整体性能。
2）双转子涡轮试验
早期的轴流式喷气发动机大多是单轴，又称单转子发动机。压气机和涡轮固定在同一个主轴上，高温高压的燃气推动涡轮高速旋转，同时带动压气机旋转并压缩空气。单转子发动机结构简单、经济性好，但压缩效率有限、油率高。为提高效率，降低油耗，把压气机分为低压压气机和高压压气机。同时，把涡轮也分成了两部分：即高压涡轮和低压涡轮。目前，美国、俄罗斯、法国的主流军用和民用发动机大都是双转子的。
在单转子涡轮试验中难以模拟低压涡轮进口（高压涡轮出口）流场条件，因此难以获得较为准确的低压涡轮特性。双转子涡轮试验则可对双转子涡轮的性能、流场以及高低压涡轮的工作匹配进行研究与验证。
3）径流式涡轮试验
径流式涡轮中的燃气通常由外围流向中心，其特点是级功率大，工作可靠性好，对于小流量的涡轮还具有较高的效率，在小型、微型燃气轮机中获得了广泛应用。径流涡轮试验器布局不同于轴流涡轮的轴向进气轴向排气，而是采用径向进气轴向排气的结构，一般而言，径流式涡轮的径向进气可通过进气蜗壳来实现。
1.2.2基于风洞试验条件分类
1.供气条件
全温全压试验能够*大程度上模拟涡轮真实工作状态，但其能耗太高，无法长时间使用，绝大部分试验都在非全温全压条件下完成。根据相似原理和涡轮特性，模拟试验对进气条件及相关参数进行换算，以获得能够模拟涡轮真实工作状态的试验状态。根据供气参数的差别，可分为空气模拟涡轮试验、低雷诺数
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