CN104359679B - 一种旋转条件下小孔流量系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转条件下小孔流量系数的测量方法，基于一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台结构，包括依次连接的进气段、混合段、扩张段、稳定段、试验段以及主轴及其驱动电机，试验段包括进口直管、篦齿封严件、圆筒型机匣、定位安装在主轴不同位置上的轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘，在试验盘上安装试验件，在旋转条件下替换试验件进行不同状态的测试计算，得到小孔进口总压、总温与出口静压、转速和通过小孔的实际流量，并确定小孔流量系数。本发明在测量旋转条件下的小孔流量系数时，可以准确测出由篦齿封严泄漏的流量，从而得到通过小孔的实际流量，提高了旋转条件下小孔流量系数测量的精度。

Description

一种旋转条件下小孔流量系数的测量方法

技术领域

本发明属于流体技术领域，尤其涉及一种旋转条件下小孔流量系数的测量方法。

背景技术

航空发动机空气系统肩负着提供发动机在飞行包线下正常工作操作环境的重要任务，其主要结构包括涡轮冷却叶片供气系统，涡轮盘轴冷却与封严系统，涡轮机匣间隙控制系统，压气机盘轴温度控制系统，轴承润滑封严隔热系统和压力平衡卸荷系统等。空气系统小孔结构流量、压力和温度分布状况的准确设计是保证发动机在各工作状态下可靠性、结构完整性及性能的重要基础。流量系数是表征小孔流动特性的重要参数，研究旋转条件下几何参数及流动参数对小孔流量系数的影响有重要意义。然而，在旋转条件下小孔流量系数的实验中由于篦齿封严与旋转圆盘存在动静间隙，通过小孔流量很难准确测量，测量精度较低。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种旋转条件下小孔流量系数测量方法，该方法是基于本申请人同时提交的一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台结构，采用以下技术方案：

一种旋转条件下小孔流量系数测量方法，基于一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台结构，包括依次连接的进气段、混合段、扩张段、稳定段、试验段以及主轴及其驱动电机，试验段包括进口直管、篦齿封严件、圆筒型机匣、定位安装在主轴不同位置上的轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘，根据试验需要安装其中一个，轴向小孔流量系数试验盘为圆盘型，通过中心孔定位安装在主轴上，圆盘面上设有周向均布的通孔，各通孔内设有与之匹配的试验件，试验件与圆盘通过径向螺钉固定，试验件包括无孔堵头试验件及开有通孔的试验件；径向小孔流量系数试验盘为圆桶型，通过桶底中心孔定位安装在主轴上，桶身上设有周向均布的径向通孔，各径向通孔设有与之匹配的试验件，试验件与桶底通过轴向螺钉固定，试验件包括无孔堵头试验件及开有通孔的试验件；

其特征在于，按以下步骤进行测量：

(1)在轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘上安装无孔堵头试验件，测量旋转条件下通过篦齿封严间隙进口总压、总温与出口静压、转速以及泄漏空气流量，篦齿封严间隙泄漏空气换算流量关于压比和转速的表达式为：

$\frac{m_l\sqrt{T_{1,l}^{*}}}{P_{1,l}^{*}}=f(\mathrm{\Π},\mathrm{\ω})$

式中m_l为篦齿封严间隙泄漏流量，为篦齿封严进口总温，为篦齿封严进口总压，为篦齿封严进出口压比，p_2,l为篦齿封严出口静压，ω为转速；

(2)通过拆卸进口直管的进口段与稳定段的出口端的联接法兰和机匣顶面舱盖，保证篦齿封严件和旋转盘间隙不改变条件下，在轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘上安装有孔试验件，测量旋转条件下通过有孔试验件及篦齿封严的空气流量、小孔进口总压、总温、出口静压以及转速；

(3)根据步骤(2)状态下有孔试验件进出口压比及转速，计算篦齿封严泄漏空气换算流量，从而得到篦齿封严泄漏空气流量，由下式确定：

$\frac{m_l^{\′}\sqrt{{T_1}^{*}}}{{P_1}^{*}}=\frac{m_{l,0}\sqrt{T_{1,l,0}^{*}}}{P_{1,l,0}^{*}}=f({\mathrm{\Π}}_0,{\mathrm{\ω}}_0)$

式中m′_l，T₁ ^*，p₁ ^*分别为步骤(2)中通过篦齿封严的流量、小孔进口总温和总压，为步骤(2)压比∏₀和转速ω₀条件下的篦齿封严泄漏空气换算流量；

(4)根据步骤(2)中测量的空气流量减去步骤(3)计算的篦齿封严泄漏空气流量，得到小孔的实际空气流量，由下式确定：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}={\stackrel{\·}{m}}_a-m_l^{\′}$

式中为步骤(2)中通过小孔和篦齿封严的总流量；

(5)由测量得到的小孔进口总压、总温与出口静压以及转速和计算的通过小孔的实际流量确定小孔流量系数，由下式确定：

$C_d=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ideal}}}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}(\sqrt{{T_1}^{*}}/{p_1}^{*}A)}{\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{(\mathrm{\γ}-1)R}\left[{\left(\frac{1}{{\mathrm{\Π}}_0}\right)}^{2/\mathrm{\γ}}{(1+\frac{T_{\mathrm{rot}}}{{T_1}^{*}})-\left(\frac{1}{{\mathrm{\Π}}_0}\right)}^{(\mathrm{\γ}+1)/\mathrm{\γ}}\right]}}$

式中为理想条件下通过小孔的理论流量，A为小孔截面积，Π₀＝p₁ ^*/p₂为小孔进出口压比，p₂为小孔出口静压，T_rot为旋转温度，定义为：

$T_{\mathrm{rot}}=\frac{R_h^2{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{2c_p}$

其中R_h为旋转半径，c_p为空气定压比热,γ为空气比热比，R为空气气体常数。

本发明具有的优点和有益效果：本发明在测量旋转条件下的小孔流量系数时，可以准确测出由篦齿封严泄漏的流量，从而得到通过小孔的实际流量，提高了旋转条件下小孔流量系数测量的精度。

附图说明

图1是轴向试验结构示意图；

图2是径向试验结构示意图；

图3是轴向试验盘；

图4是径向试验盘；

图5是轴向试验盘上的试验件；

图6是径向试验盘上的试验件；

图7是本发明的一种旋转条件下小孔流量系数测量方法的流程图；

图8是本发明在一个具体示例中无孔试验件的安装示意图；

图9是本发明在一个具体示例中小孔试验件的安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明方案进行详细阐述。

如图1、2，本申请人已申请的“一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台”包括依次连接的进气段、混合段、扩张段、稳定段、试验段以及主轴及其驱动电机，试验台通过支撑固定在地平上，其中：

进气段包括一粗、一细的双管进气(主要是为了保证测量精度，无论是单管还是双管进气，本发明测量方法都是一样的)，两进气管50、51分别设有进气阀门11、28，两个阀门之后分别设有各自的槽道流量计10、27及热电偶(未示出)。槽道流量计10、27用于测量通过管道进入机匣的气体流量，槽道流量计布置于管道靠近阀门处，与管道通过法兰连接。细管槽道流量计27的精度高于粗管。粗管流量计10精度为1％、量程为0.05～0.5kg/s，细管流量计27精度为0.5％、量程为0.02～0.2kg/s。热电偶安装在槽道流量计上用于测量通过管道的气体温度，热电偶精度为1℃，量程为-200℃～900℃。

混合段为直管9，其进口端与双进气管的出口端密封连通，混合段设有用于测量来流压力的压力传感器(未示出)，精度为0.5％，量程为0～0.25MPa。

扩张段32的进口端与混合段的出口端通过法兰活动联接；

稳定段为直管33，其进口端与扩张段32的出口端通过法兰活动联接；

试验段包括进口直管23、篦齿封严件7、圆筒型机匣4、定位安装在主轴不同位置上的轴向小孔流量系数试验盘5或径向小孔流量系数试验盘29，轴向旋转盘5和径向旋转盘29共同使用一根主轴3，根据试验需要安装其中一个，避免了更换旋转盘需改变试验装置的弊端。进口直管23的进口端通过法兰与稳定段33的出口端活动联接，出口端法兰与圆筒型篦齿封严件7进口端法兰以及机匣4进口端法兰活动联接在一起，机匣的出口端设有后盖板53，后盖板53上设有主轴穿行孔及出流孔54，主轴3通过轴承及轴承座安装在后盖板上的主轴穿行孔内，轴向小孔流量系数试验盘5或径向小孔流量系数试验盘29安装于后盖板53内侧的机匣腔内，机匣腔内设有用于测量出流压力的压力传感器(未示出)，精度为0.5％，量程为0～0.06MPa。机匣圆筒顶面上设有舱口及活动固定的舱盖20。电路板将压力变送器、槽道流量计和热电偶采集到的电流信号通过电阻转换成电压信号，并经过数字电压表读出数值。

轴向小孔流量系数试验盘5为圆盘型(图3)，通过中心轴孔及键槽定位安装在主轴3上，圆盘的进口端面由主轴末端的锁紧螺母22及止动垫圈限位，出口端面由轴套19、调整垫片18及轴肩限位，圆盘进口端面与圆筒型篦齿封严件7的出口篦齿环面贴合。圆盘面上设有6个周向均布的通孔以及动平衡调节孔，各通孔内设有与之匹配的试验件21，试验件与圆盘通过径向螺钉固定，试验件21包括用于泄漏量测量的无孔堵头试验件(图5a)及开有通孔的试验件(图5)。为确保试验件21在通孔内的定位和密闭，流量系数试验盘上周向均布的通孔最好为圆锥孔，试验件21为与之相配的圆锥。开有轴向通孔的试验件上的通孔包括轴向光滑通孔(图5b)以及进口设有倒角的轴向光滑通孔和轴向设有倾斜角的光滑通孔(附图未示出)，根据试验条件的不同进行更换。

径向小孔流量系数试验盘29为圆桶型(图4)，桶身的进口环形端面与圆筒型篦齿封严件7的出口篦齿环面贴合，通过桶底中心轴孔及键槽定位安装在主轴3上，桶底的进口端面由主轴末端的锁紧螺母22、止动垫圈及轴套19限位，出口端面由调整垫片18及轴肩限位，桶身上设有周向均布的径向通孔以及动平衡调节孔，各径向通孔设有与之匹配的试验件35，试验件35与桶底通过轴向螺钉固定，试验件35包括用于泄漏量测量的无孔堵头试验件(图6a)及开有径向通孔的试验件(图6c)。径向小孔流量系数试验盘桶身上周向均布的径向通孔为台阶孔(为防止试验盘旋转时的离心力甩出试验件35，台阶孔为外小、内大)开有径向通孔的试验件上的通孔包括径向通孔(图6a)以及进口设有倒角的通孔和径向设有倾斜角的通孔(附图未示出)，根据试验条件的不同进行更换。

为避免出气堵塞，无论安装的是轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘，当盘上安装的试验件为有孔试验件时，其所有孔径之和应小于机匣出流孔54的孔径。

图5分别是轴向结构试验盘5上安装的无孔堵头试验件(图5a)及开有通孔的试验件(图5b)。

图6分别是径向结构试验盘29上安装的无孔堵头试验件(图6a,图6b为未剖视图)及开有通孔的试验件(图6c,图6d为未剖视图)。

如图7、8、9，一种旋转条件下小孔流量系数测量方法，由以下步骤完成(以轴向试验盘图8为例)：

(1)在轴向圆盘5上安装轴向无孔试验件21，篦齿封严7通过螺栓安装在进口段23法兰和机匣4进口法兰之间，来流空气单独通过篦齿封严7。进口段23通过空气流量计测量来流流量，进口段23截面S1处开孔布置总压探针，测量篦齿封严进口总压，机匣4截面S2开静压孔测量篦齿封严7出口静压。轴向圆盘5由高速电机带动并由变频器进行转速反馈控制，测量轴向圆盘5旋转速度。通过测量旋转条件下通过篦齿封严进口总压、总温与出口静压、转速以及泄漏空气流量，整理出篦齿封严间隙泄漏空气换算流量关于压比和转速的表达式：

$\frac{m_l\sqrt{T_{1,l}^{*}}}{P_{1,l}^{*}}=f(\mathrm{\Π},\mathrm{\ω})$

式中m_l为通过篦齿封严间隙泄漏空气流量，为篦齿封严进口总温，为篦齿封严进口总压，p_2,l为篦齿封严出口静压，为篦齿封严进出口压比，ω为转速。

(2)卸下轴向无孔试验件21，在轴向圆盘5上安装轴向孔试验件21，卸装过程中篦齿封严7与进口段23法兰和机匣4进口法兰间的联接螺栓不进行拆装，保持篦齿封严7和轴向圆盘5相对位置不变。来流空气一部分通过篦齿封严与旋转圆盘间隙，其余部分通过轴向孔试验件小孔，进口段23通过空气流量计测量来流总空气流量。进口段23截面S1处开孔布置总压探针，测量篦齿封严进口总压，机匣4截面S2开静压孔测量篦齿封严7出口静压。轴向圆盘5由高速电机带动并由变频器进行转速反馈控制，测量轴向圆盘5旋转速度。通过测量得到旋转条件下通过小孔试验件和篦齿封严间隙的总空气流量、小孔进口总压、总温、出口静压以及转速。

(3)根据步骤(2)状态下小孔试验件进出口压比∏₀和转速ω₀，计算篦齿封严泄漏空气换算流量，从而得到篦齿封严泄漏空气流量，由下式确定：

$\frac{m_l^{\′}\sqrt{{T_1}^{*}}}{{P_1}^{*}}=\frac{m_{l,0}\sqrt{T_{1,l,0}^{*}}}{P_{1,l,0}^{*}}=f({\mathrm{\Π}}_0,{\mathrm{\ω}}_0)$

式中m_l′，T₁ ^*，p₁ ^*分别为步骤(2)中通过篦齿封严的流量、小孔进口总温和总压，为步骤(2)压比∏₀和转速ω₀条件下的篦齿封严泄漏空气换算流量。

(4)根据步骤(2)中测量的空气流量减去步骤(3)计算的篦齿封严泄漏空气流量，得到通过小孔的实际空气流量，由下式确定：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}={\stackrel{\·}{m}}_a-m_l^{\′}$

式中为步骤(2)中通过小孔和篦齿封严的总流量。

(5)由测量得到的小孔进口总压、总温与出口静压以及转速和计算的通过小孔的实际流量确定小孔流量系数，由下式确定：

$C_d=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ideal}}}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}(\sqrt{{T_1}^{*}}/{p_1}^{*}A)}{\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{(\mathrm{\γ}-1)R}\left[{\left(\frac{1}{{\mathrm{\Π}}_0}\right)}^{2/\mathrm{\γ}}{(1+\frac{T_{\mathrm{rot}}}{{T_1}^{*}})-\left(\frac{1}{{\mathrm{\Π}}_0}\right)}^{(\mathrm{\γ}+1)/\mathrm{\γ}}\right]}}$

式中为理想条件下通过小孔的理论流量，A为小孔截面积，p₁ ^*为小孔进口总压，p₂为小孔出口静压，Π₀＝p₁ ^*/p₂为小孔进出口压比，T_rot为旋转温度，定义为

$T_{\mathrm{rot}}=\frac{R_h^2{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{2c_p}$

其中R_h为旋转半径，c_p为空气定压比热,γ为空气比热比，R为空气气体常数。

更换安装径向实验盘29(图9)并安装径向无孔和有孔试验件35，采用与轴向实验盘5相同的对应步骤进行测量，同样可以得到篦齿封严泄漏空气流量及径向小孔的实际流量系数。

上述实施例不以任何形式限制本发明，基于本发明构思所获得的技术方案，均在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种旋转条件下小孔流量系数测量方法，基于一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台结构，包括依次连接的进气段、混合段、扩张段、稳定段、试验段以及主轴及其驱动电机，试验段包括进口直管、篦齿封严件、圆筒型机匣、定位安装在主轴不同位置上的轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘，根据试验需要安装其中一个，轴向小孔流量系数试验盘为圆盘型，通过中心孔定位安装在主轴上，圆盘面上设有周向均布的通孔，各通孔内设有与之匹配的试验件，试验件与圆盘通过径向螺钉固定，试验件包括无孔堵头试验件及开有通孔的试验件；径向小孔流量系数试验盘为圆桶型，通过桶底中心孔定位安装在主轴上，桶身上设有周向均布的径向通孔，各径向通孔设有与之匹配的试验件，试验件与桶底通过轴向螺钉固定，试验件包括无孔堵头试验件及开有通孔的试验件；

其特征在于，按以下步骤进行测量：

(1)在轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘上安装无孔堵头试验件，测量旋转条件下通过篦齿封严间隙进口总压、总温与出口静压、转速以及泄漏空气流量，篦齿封严间隙泄漏空气换算流量关于压比和转速的表达式为：

$\frac{m_l\sqrt{T_{1,l}^{*}}}{P_{1,l}^{*}}=f(\mathrm{\Π},\mathrm{\ω})$

式中m_l为篦齿封严间隙泄漏流量，为篦齿封严进口总温，为篦齿封严进口总压，为篦齿封严进出口压比，p_2,l为篦齿封严出口静压，ω为转速；

(2)通过拆卸进口直管的进口端与稳定段的出口端的联接法兰和机匣顶面舱盖，保证篦齿封严件和旋转盘间隙不改变条件下，在轴向小孔流量系数试验盘或径向小孔流量系数试验盘上安装有孔试验件，测量旋转条件下通过有孔试验件及篦齿封严的空气流量、小孔进口总压、总温、出口静压以及转速；

(3)根据步骤(2)状态下有孔试验件进出口压比及转速，计算篦齿封严泄漏空气换算流量，从而得到篦齿封严泄漏空气流量，由下式确定：

$\frac{m_l^{\′}\sqrt{T_1^{*}}}{P_1^{*}}=\frac{m_{l,0}\sqrt{T_{1,l,0}^{*}}}{P_{1,l,0}^{*}}=f({\mathrm{\Π}}_0,{\mathrm{\ω}}_0)$

式中m′_l，分别为步骤(2)中通过篦齿封严的流量、小孔进口总温和总压，为步骤(2)压比∏₀和转速ω₀条件下的篦齿封严泄漏空气换算流量；

(4)根据步骤(2)中测量的空气流量减去步骤(3)计算的篦齿封严泄漏空气流量，得到小孔的实际空气流量，由下式确定：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}={\stackrel{\·}{m}}_a-m_l^{\′}$

式中为步骤(2)中通过小孔和篦齿封严的总流量；

(5)由测量得到的小孔进口总压、总温与出口静压以及转速和计算的通过小孔的实际流量确定小孔流量系数，由下式确定：

$C_d=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ideal}}}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{actual}}(\sqrt{T_1^{*}}/{p_1}^{*}A)}{\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{(\mathrm{\γ}-1)R}[{\left(\frac{1}{{\mathrm{\Π}}_0}\right)}^{2/\mathrm{\γ}}(1+\frac{T_{\mathrm{rot}}}{T_1^{*}})-{\left(\frac{1}{{\mathrm{\Π}}_0}\right)}^{(\mathrm{\γ}+1)/\mathrm{\γ}}]}}$

式中为理想条件下通过小孔的理论流量，A为小孔截面积，为小孔进出口压比，p₂为小孔出口静压，T_rot为旋转温度，定义为：

$T_{\mathrm{rot}}=\frac{R_h^2{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{2c}_p}$

其中R_h为旋转半径，c_p为空气定压比热,γ为空气比热比，R为空气气体常数。