CN103671198A - 一种单级轴流压气机实验装置 - Google Patents

Abstract

一种单级轴流压气机实验装置，构成中包括电动机、轴流压气机和PIV测试系统，所述电动机通过联轴器驱动轴流压气机，所述PIV测试系统包括测控电路及与之相连的CCD镜头、激光发射器和光电开关，所述CCD镜头固定在轴流压气机的机匝内侧，其镜头朝向轴流压气机的转子叶片；所述激光发射器固定在轴流压气机内壳上，其发光面朝向CCD镜头的拍摄视野；所述光电开关固定在轴流压气机内壳上并与转子上涂抹的反光材料相对应。本发明利用单级轴流压气机模拟真实轴流压气机的各种工况，同时利用PIV测试系统对叶片周围流场进行测量，具有测量精度高，对流场流速的反映直观明了等优点，该装置所得的实验数据比传统的实验装置具有更高的可信度。

Description

一种单级轴流压气机实验装置

技术领域

本发明涉及一种压气机转子叶片区域流场分析实验装置，属于测试技术领域。

背景技术

压气机是用于将气体压缩到特定的压力的设备，可分为旋转式（或叶片式）和活塞式两类，而旋转式压气机又可分为轴流式和离心式。轴流式压气机是燃气轮机的重要组成部分，广泛用于航空、地面、舰船和飞航导弹等领域，是重要的动力系统。叶片是压气机的主要部件，气体流过叶片组成的流道时受到叶片对其的作用力并获得机械能。在压气机的众多失效模式中，积垢、腐蚀、磨损和外物撞击等均造成压气机叶片形貌的变化，但是积垢是造成压气机性能退化的最重要的因素。尽管在压气机的进口端安装有高性能的过滤装置，但是直径小于2微米的颗粒物仍然可以进入压气机内部，在润滑油泄露以及水分存在的情况下，进入压气机内部的颗粒物沉积于压气机叶片表面，造成叶片型面的变化，从而影响其空气动力学特性，导致压气机性能的退化。研究表明，积垢造成通道壁面以及叶片表面粗糙度增大, 减小压气机喉部面积和气流通道的流通能力，这将使压气机的压比、效率下降，降低发动机的输出功率，进而影响整机性能。为了揭示压气机积垢形成的机理，从微观角度研究压气机转子叶栅中的流动过程，探索气动损失、压力分布等气动参数与叶片基元级几何参数之间的相互关系，开展压气机叶片流场物理实验研究工作是十分基本和必要的，仍是现有的理论分析和数值计算、软件仿真方法所无法替代的。

目前，对于压气机内部流场的分析通常采用数值仿真的方法，但是由于仿真过程中都存在着一定的假设，因此造成仿真结果和实际情况不完全相符。压气机叶片是一种扭转叶片，设计数据很难得到，其制造和装配非常困难。因此，压气机的实验平台通常采取简化处理，利用平面叶栅静态实验设备（如图1所示）来研究压气机流场。平面叶栅静态实验设备中叶片分布在一个平面上，叶片不能运动。这种方式存在的弊端是无法真实复原和再现实际压气机的内部流动情况，因此这种研究无法得到准确的结果。

要想获得压气机叶片周围流场分布的真实情况，压气机实验装置必须满足其真实的运转工况，即转速、质量流量、压比等参数达到要求。但是能满足以上要求的跨音速轴流式压气机流场测试装置目前在市场上还处于一片空白。关键原因在于跨音速轴流压气机的额定转速一般比较高，尤其是燃气轮机或者航空发动机上的轴流压气机额定转速一般都在10000转/分以上。如此高的转速给转子叶片周围流场分布的测量造成了困难。因此，如何快速获取旋转叶片周围的流场分布就成为解决上述问题的关键，也是有关技术人员目前所面临的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可以快速获取旋转叶片周围的流场分布的单级轴流压气机实验装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种单级轴流压气机实验装置，构成中包括电动机、轴流压气机和PIV测试系统，所述电动机通过联轴器驱动轴流压气机，所述PIV测试系统包括测控电路及与之相连的CCD镜头、激光发射器和光电开关，所述CCD镜头固定在轴流压气机的机匝内侧，其镜头朝向轴流压气机的转子叶片；所述激光发射器固定在轴流压气机内壳的外壁上，其发光面朝向CCD镜头的拍摄视野；所述光电开关固定在轴流压气机内壳上并与轴流压气机转子上涂抹的反光材料相对应。

上述单级轴流压气机实验装置，所述轴流压气机的排气管内设置有流孔板和节流阀，所述流孔板的流量信号输出端接测控电路的输入端。

上述单级轴流压气机实验装置，所述轴流压气机为单级轴流压气机，其转子叶片通过环状的转子盘固定在轴流压气机转子端部的轮毂上，所述转子盘的内侧设置有键槽，外缘均布有多个转子叶片插槽；单级轴流压气机的静子叶片通过环状的定子盘与轴流压气机的机匝连接，所述定子盘的外缘上设置有与机匝内侧的凹槽相匹配的凸耳，其中心孔内壁上均布有多个静子叶片插槽。

上述单级轴流压气机实验装置，所述轴流压气机的入口端设置有入口传感器，出口端设置有出口传感器，入口传感器和出口传感器的结构相同，均包括压力传感器和温度传感器，它们均固定在轴流压气机机匝的内壁上并与测控电路连接。

上述单级轴流压气机实验装置，所述入口传感器或出口传感器包括四个压力传感器和两个温度传感器，四个压力传感器分别位于轴流压气机机匝周向的45°、135°、225°和315°位置，两个温度传感器分别位于轴流压气机机匝周向的0°和30°位置，角度的起始边为穿过轴心的垂线。

上述单级轴流压气机实验装置，所述电动机采用高速变频电动机。

本发明利用单级轴流压气机模拟真实轴流压气机的各种工况，同时利用PIV测试系统对叶片周围流场进行测量，具有测量精度高，对流场流速的反映直观明了等优点，该装置所得的实验数据比传统的静态实验台所得数据具有更高的可信度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为传统平面叶栅静态实验设备示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为转子盘的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为定子盘的结构示意图；

图6为图5的左视图；

图7是图5的俯视图；

图8是转子盘和定子盘的装配图；

图9是传感器的安装位置；

图10；是PIV测试系统的原理图。

图中各标号为：1、电动机；2、联轴器；3、激光发射器；4、示踪粒子；5、光电开关；6、转子；7、转子叶片；8、 CCD镜头；9、静子叶片；10、机匝；11、轮毂；12、流孔板；13、节流阀；14、内壳；15、入口传感器；16、轴承；17、出口传感器；18、计算机；19、数据采集器；20、转子盘；21、转子叶片插槽；22、定子盘；23、静子叶片插槽；24、凸耳；25、测控电路；26、可往复运动的上端壁；27、可往复运动的下端壁；28、上固定端壁；29、下固定端壁；30、导向叶片；31、可调附加叶片；32、实验叶片；P1～P4、第一压力传感器～第四压力传感器；T1、第一温度传感器；T2、第二温度传感器。

具体实施方式

本发明采用了粒子图像测速（Particle Image Velocimetry ,PIV）技术，随着激光技术的出现和发展以及计算机技术与图像分析算法的快速发展，以激光为光源、利用激光的散射和干涉原理的流场测试技术得以迅速的发展，出现了基于互相关分析的粒子图像测速（PIV）技术，并逐渐成为流场速度测量的主导方法之一。

粒子测速(PIV)是一种瞬态流场测量技术，其基本原理是在流场中散播一些适当的示踪粒子，用脉冲激光片光照射所测流场的切面区域，通过成像记录系统摄取两次或者多次曝光的粒子图像，形成运动的粒子图像，再利用图像互相关方法分析PIV图像，获得每一小区域中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上整个区域的二维流体速度。测量过程主要由三个阶段构成:获得实验图像、互相关分析、实验数据后处理。

PIV系统主要包括控制电路、CCD像机、激光器、图像采集电路、采集图像所用的计算机和抓取同步信号所用的计算机等。其控制主要包括图像采集、粒子图像的处理和分析，以及流场速度矢量的显示和修正。

假设流场中某一粒子，如果令x(t)、y(t)、z(t)为该粒子在t时刻的位置，x(t+△t)、y(t+△t)与z(t+△t)表示在非常短的时间间隔△t后的位置，那么该粒子所处位置的流场速度分量可按下式计算得出：

，

上式是对粒子所处位置的速度矢量的近似。如果能够确定足够多的粒子在时间间隔前后的位置变化，那么就能重建出整个流场的速度矢量分布（首先在流体中掺入密度与流体相当并具有很好的跟随性的示踪粒子。某一时刻，激光照明流体一次，CCD相机同时拍摄下此时被照亮的粒子图像，另一时刻，激光再照明一次，CCD相机也同时记录一次，发生移动后的示踪粒子图像又被拍摄下来。两个不同时刻的粒子图像被划分为“判询域”（积分格），每对判询域进行相关运算，运算得到的结果是一个速度矢量，即一块判询域产生一个速度矢量。成千上万个判询域做相关运算，就产生成千上万个速度矢量，形成矢量场和速度大小的分布。 此部分实际上就是图像处理技术，在目前的PIV系统中都是利用系统自带的软件中实现的）。

本发明即设计了一种基于PIV（粒子图像测速）来测量叶片周围流场的单级轴流压气机实验装置（如图2所示）。该实验装置以具有一定典型的真实压气机级NASA rotor37为原型，设计了单级转子和静子。36片转子叶片均匀分布于轮毂上，36片静子叶片均匀分布于机匝上。

本技术方案的关键点是设计出单级轴流压气机的1：1实验台，以及布置PIV试验仪。

单级轴流压气机实验台主要由电动机1、联轴器2、PIV测试系统、压气机组成。由于rotor37的设计转速为17188.7转/分钟，因此动力装置的选择可以选择普通的三相异步电动机后加增速器或者选择高速变频电动机达到设计转速的要求，本专利从结构的紧凑性方面考虑，选择高速变频电动机，电动机的输出通过联轴器带动实验转子旋转。

由于轴流式压气机旋转速度较高，因此为了准确获得同一位置在不同时间的流场分布情况，需要准确发射信号，本专利中选用光电开关，它把发射端和接收端之间光的强弱变换转化为电流的变化以达到探测的目的。光电开关固定在轴流压气机内壳的外壁上，在转子的外轮廓相隔一定间隔涂有反光材料，用于光电开关计数。

为了模拟真实的压气机内部流动情况，该实验转子由36对静子和转子叶片、转子以及相应的轴承组成。气流沿径向吸入，并经过进气道的转折变成沿轴向的流动，再经实验段的压缩后进入排气段（机匝10与轮毂11中间的空白区域）。由于该实验装置的进气端需要布置激光发射器3和光电开关5，因此将流量的测量装置放置在出口端，也就是排气段的中部，选用流孔板12进行流量测量。为了方便获得各种工况下的压气机流动特性，本专利在出口端安装节流阀13，用于调节流量，改变运行工况。在压气机入口、出口处贴附温度和压力传感器，测量入口和出口的温度与压力。

PIV测试系统如图10所示，各传感器实时采集实验过程的各种参数，测控电路对轴流式压气机转速进行控制。在该试验装置中，在进口和出口截面设置压力和温度传感器，提高测量精度。

测控电路对电动机控制器进行控制，实现电动机的启动、停车和调速，同时满足试验数据的测试、记录和分析。传感器主要用于将所需测量点的物理参数转变为电压（电流）信号。测控电路主要完成试验数据的记录、存储以及显示、打印等功能。

入口传感器（或出口传感器）的安装位置如图9所示。根据试验需要，沿着周向分别设置六个传感器，四个压力传感器P1、P2、P3和P4分别位于周向的45°、135°、225°和315°位置，两个温度传感器T1和T2分别位于周向0°和30°位置（角度起始点没有严格要求，在内壳中首先放置温度传感器，此为图9的T1位置，表示周向的0°,T2为周向30°位置，P1为周向45°，其余依次类推）。

为了作出不同转速下的压气机特性曲线，要求动力源所发出的功率和转速能够独立的调节，本实验装置采用交流变频调速系统，用交流电动机带动压气机转子转动。

试验过程为，调节好电动机转速，启动压气机转子，打开光电开关，启动PIV测试系统，当转子转动时，由光电开关5计数（光电开关对应转子的外轮廓相隔一定间隔涂有反光材料），当检测到转子转动一周后，给出触发信号送于测控电路，测控电路再控制激光发射器3发射激光，照亮叶片周围的空间，同时示踪粒子4在图2中所示位置处通过软管释放，CCD镜头8拍摄示踪粒子的图像，就是说我们直接从实验系统中得到的是CCD所拍下的一张张照片。后期对这些照片进行图像处理，才得出转子叶片周围的流场分布。同时，在实验规定的转速下，根据流孔板所测得的流量情况，调节节流阀13使流量达到实验要求，并记录相应条件下压气机进出口气流的温度和压力。

由于压气机的驱动方式不同，其实验装置的结构有所差异。当在压气机的进口段无障碍时，可以采用具有双叶线型面的进口集流装置来进行流量测量，具有结构简单、测量方便的特点。但在本实验装置中，进口段要布置激光发射器，只能在出口段用流孔板12进行流量测量。对流量进行监测，才能保证压气机是否达到了额定工况的要求。

本实验装置在排气段的末尾设计了节流阀13，其目的是在实验过程中调节流量，从而改变压气机的运行工况。

在叶片安装上，本实验装置转子叶片首先安装在带楔形槽的转子盘上，转子盘再通过键连接装配到转子轴上，转子盘的结构如图3、图4所示。同理，静子叶片也是先安装在带楔形槽的定子盘上，然后定子盘再通过两侧的凸耳固定在机匝上，定子盘的结构如图5、图6和图7所示。

系统的标定和示踪粒子的发射和记录：

第一次的标定是把相机与标定板组成的系统进行物理校准，这个工作完成时，系统会以标定板的物理位置建议一个虚拟的系统坐标，而我们要测量的信息是在激光片状光源内，所以必须把标定板与片状光源进行再次标定，把系统的虚拟坐标建立在片状光源上，这样才能保证结果的真实性和客观性。如何把标定板与片状光源保持高度一致，或者说如何保证标定板与片状激光面精确校准，目前这项工作有两种方法：

1. 人工手动，就是人为地把标定板放到片状激光平面内，肉眼观测，但是这样存在两个问题：一是人工操作的可信度和精确度得不到保障，这将为结果的客观性带来一定的隐患。二是这种操作的局限性太大。

2. 软件自动标定，所谓的自标定。这个功能是通过软件实现的，不需要人为操作，可以在任何情况下(包括无法放置使用标定板的情况）完成标定板与片状光源的“二次校准”。系统通过标定板标定后，相机在待测区域内拍摄图像接下来系统就能引导你自动完成标定板与片状激光的校正，并最终能够显示出二者之间的差别和校正结果。这种途径的优点是不言而喻的。

示踪粒子发射装置包括：1）加热炉、泵机、喷射管路、液体发烟剂存储瓶及检测、控制电路组成的示踪粒子基本发生设备；2）带有动力装置的，大容积烟雾示踪粒子缓冲稳定存储箱；3）烟雾示踪粒子输出管道。

Claims (6)

1.一种单级轴流压气机实验装置，其特征是，构成中包括电动机（1）、轴流压气机和PIV测试系统，所述电动机（1）通过联轴器（2）驱动轴流压气机，所述PIV测试系统包括测控电路（25）及与之相连的CCD镜头（8）、激光发射器（3）和光电开关（5），所述CCD镜头（8）固定在轴流压气机的机匝（10）内侧，其镜头朝向轴流压气机的转子叶片（7）；所述激光发射器（3）固定在轴流压气机内壳（14）的外壁上，其发光面朝向CCD镜头（8）的拍摄视野；所述光电开关（5）固定在轴流压气机内壳（14）上并与轴流压气机转子（6）上涂抹的反光材料相对应。

2.根据权利要求1所述的一种单级轴流压气机实验装置，其特征是，所述轴流压气机的排气管内设置有流孔板（12）和节流阀（13），所述流孔板（12）的流量信号输出端接测控电路（25）的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的一种单级轴流压气机实验装置，其特征是，所述轴流压气机为单级轴流压气机，其转子叶片（7）通过环状的转子盘（20）固定在轴流压气机转子（6）端部的轮毂（11）上，所述转子盘（20）的内侧设置有键槽，外缘均布有多个转子叶片插槽（21）；单级轴流压气机的静子叶片（9）通过环状的定子盘（22）与轴流压气机的机匝（10）连接，所述定子盘（22）的外缘上设置有与机匝（10）内侧的凹槽相匹配的凸耳（24），其中心孔内壁上均布有多个静子叶片插槽（23）。

4.根据权利要求3所述的一种单级轴流压气机实验装置，其特征是，所述轴流压气机的入口端设置有入口传感器（15），出口端设置有出口传感器（17），入口传感器（15）和出口传感器（17）的结构相同，均包括压力传感器和温度传感器，它们均固定在轴流压气机机匝（10）的内壁上并与测控电路（25）连接。

5.根据权利要求4所述的一种单级轴流压气机实验装置，其特征是，所述入口传感器（15）或出口传感器（17）包括四个压力传感器和两个温度传感器，四个压力传感器分别位于轴流压气机机匝（10）周向的45°、135°、225°和315°位置，两个温度传感器分别位于轴流压气机机匝（10）周向的0°和30°位置，角度的起始边为穿过轴心的垂线。

6.根据权利要求5所述的一种单级轴流压气机实验装置，其特征是，所述电动机（1）采用高速变频电动机。

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