CN104390786B - 一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台 - Google Patents

Abstract

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。进气段为双管进气，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旋转盘或径向小孔流量系数旋转盘，机匣的出口端设有后盖板，后盖板上设有主轴孔及出流孔，机匣圆筒面上设有舱口及活动固定的舱盖。在轴向小孔流量系数旋转盘和径向小孔流量系数旋转盘上分别设有实验件安装孔，更换无孔或不同孔型的实验件可以实现泄漏量及流量的准确测量。

Description

一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台

技术领域

本发明涉及一种测量旋转条件下小孔流量系数的试验台，专门用于测量旋转条件下小孔流量系数，属于航空发动机空气系统孔结构流量系数的实验装置。

背景技术

测量孔流量系数是工程应用中经常遇到的问题，目前工程设计主要参考《使用流体阻力手册》，但是手册给出的都是静止条件下孔结构流量系数的近似公式，针对航空发动机空气系统旋转小孔流量系数的测定参考意义不大，而目前航空发动机空气系统中含有大量的孔结构，因此有必要测量旋转条件下孔结构的流量系数，为航空发动机空气系统提供设计依据。关于旋转条件下孔结构流量系数的测量装置，国外Idirs等人采用的试验装置，更换试验件过程均要对机匣及进口段进行拆卸，所以无法保证每次试验的篦齿和旋转盘间隙一致，即每次试验过程中通过篦齿和旋转盘间隙的泄漏量都会发生变化，无法实现泄漏量的在线测量，最终使得实验结果误差较大达不到准确测量旋转小孔流量系数的目的。而国内并没有专门针对旋转条件下小孔流量系数的测量装置。

发明内容

本发明的目的是弥补目前国内外对孔结构在旋转条件下的流量系数变化规律认识的不足，提供一种旋转条件下小孔流量系数测量装置，能够准确测量旋转小孔的流量系数，为航空发动机空气系统孔结构设计提供依据。

本发明采用的技术方案是：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，其特征在于：

进气段包括一粗、一细的双管进气，两进气管分别设有进气阀门，两个阀门之后分别设有各自的流量计及热电偶，细管流量计的精度高于粗管；

混合段为直管，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；

扩张段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，其进口端与扩张段的出口端通过法兰活动联接；

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旋转盘或径向小孔流量系数旋转盘，根据试验需要安装其中一个，进口直管的进口端通过法兰与稳定段的出口端活动联接，进口直管的出口端法兰与圆筒型篦齿封严件进口端法兰以及机匣进口端法兰活动联接在一起，机匣的出口端设有后盖板，后盖板上设有主轴穿行孔及出流孔，主轴通过轴承及轴承座安装在后盖板上的主轴穿行孔内，轴向小孔流量系数旋转盘或径向小孔流量系数旋转盘安装于后盖板内侧的机匣腔内，机匣腔内设有用于测量出流压力的压力传感器，机匣圆筒顶面上设有舱口及活动固定的舱盖；

轴向小孔流量系数旋转盘为圆盘型，通过中心孔定位安装在主轴上，圆盘的进口端面由主轴末端的锁紧螺母限位，出口端面由轴套、调整垫片及轴肩限位，圆盘进口端面与圆筒型篦齿封严件的出口篦齿环面贴合，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；

径向小孔流量系数旋转盘为圆桶型，桶身的进口环形端面与圆筒型篦齿封严件的出口篦齿环面贴合，通过桶底中心孔定位安装在主轴上，桶底的进口端面由主轴末端的锁紧螺母及轴套限位，出口端面由调整垫片及轴肩限位，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。

所说轴向小孔流量系数旋转盘上周向均布的通孔为楔形角3°的圆锥孔；

所说径向小孔流量系数旋转盘桶身上周向均布的径向通孔为外小内大的台阶孔；

所说轴向试验件上的通孔包括光滑通孔、进口设有倒角的通孔、与轴向有倾斜角的通孔；径向试验件上的通孔包括光滑通孔、进口设有倒角的通孔、与径向有倾斜角的通孔。

测量过程如下：

1)安装轴向小孔流量系数旋转盘或径向小孔流量系数旋转盘进行轴向小孔流量系数或径向小孔流量系数的测量，通过拆卸进口直管进出口的法兰及主轴末端的锁紧螺母实现两种实验盘的更换；

2)通过交替安装无孔堵头试验件和有孔试验件，实现测量经由篦齿封严件和旋转盘间隙进入机匣内部的泄漏量，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，以保证篦齿封严件和旋转盘间隙不改变，实现更换无孔或有孔试验件；

3)安装有孔试验件，开启粗进气管阀门，关闭细进气管阀门，其中一部分气体通过试验件通孔进入机匣内部，另一部分气体通过篦齿封严件和旋转盘间隙进入机匣内部，粗管槽道流量计测得的便是包含泄漏量在内的总流量；

4)安装无孔堵头试验件，开启细进气管阀门，关闭粗进气管阀门，气体全部经由篦齿封严件和旋转盘间隙进入机匣内部，细管槽道流量计测得的便是泄漏量；

5)用3)的结果减去4)的结果，便是实际流量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.设计有双定位盘轴结构可分别用于安装轴向旋转盘和径向旋转盘，研究轴向旋转小孔和径向旋转小孔的流动特性。

2.通过调整垫圈厚度可以控制篦齿封严件和旋转盘的间隙值减少泄漏量。

3.设计机匣顶端活动舱盖和进口直管，可以方便试验件快卸/装并保证篦齿封严件和旋转盘间隙不改变。

4.多种结构设计实现在线泄漏量测量。

附图说明

图1是本发明的轴向试验结构示意图；

图2是本发明的径向试验结构示意图；

图3是图1、图2的俯视图；

图4是机匣结构图；

图5是试验段局部图；

图6是轴向旋转盘；

图7是径向旋转盘；

图8是主轴结构图；

图9是机匣舱盖结构图；

图10是篦齿封严件和旋转盘间隙示意图；

图11是轴向无孔试验件；

图12是径向无孔试验件；

图13是轴向小孔试验件；

图14是径向小孔试验件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

参看图1，2，本发明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，其特征在于：

进气段包括一粗、一细的双管进气(可取DN80和DN50)，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33为直管，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旋转盘5或径向小孔流量系数旋转盘29，轴向小孔流量系数旋转盘5和径向小孔流量系数旋转盘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45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，轴向小孔流量系数旋转盘5或径向小孔流量系数旋转盘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。

轴向小孔流量系数旋转盘5为圆盘型(图6)，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11)及开有通孔的试验件(图13)。为确保试验件21在通孔内的定位和密闭，流量系数旋转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13a)、进口设有倒角的轴向光滑通孔(图13b)、与轴向设有倾斜角的光滑通孔(图13c)，根据试验条件的不同进行更换。

径向小孔流量系数旋转盘29为圆桶型(图7)，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12a,图12b为未剖视图)及开有径向通孔的试验件(图14)。径向小孔流量系数旋转盘桶身上周向均布的径向通孔为台阶孔(为防止旋转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包括径向通孔(图14a，图14b为未剖视图)、进口设有倒角的通孔(图14c)、与径向设有倾斜角的通孔(图14d)，根据试验条件的不同进行更换。

为避免出气堵塞，无论安装的是轴向旋转盘或径向旋转盘，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。

如图1、2，驱动电机1采用高速直流电机，由螺栓固定于电机台架25上，电机台架25通过地脚螺栓与底板26连接。变频器输入端为三相电，输出端连接电机1。为了保证电机转速的精确显示和控制，电机1上安装有旋转变压器，变频器上安装有解码器。联轴器2采用梅花型柔性联轴器，一端连接电机1，另一端连接主轴3，满足测量装置达到的转速要求并允许电机轴和主轴3中心有一定的偏移。驱动系统作为测量装置在试验过程中的动力部件，在开展相关试验时其提供准确的转速以保证试验条件准确。管道台架24，直管9。

如图4、5，圆筒型机匣4进口端法兰45与圆筒型篦齿封严件7进口端法兰、进口直管23的出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，轴承17选用NSK角接触球轴承，轴承17与主轴3为过渡配合，中间由轴承套筒16限位，来流方向轴承外圈由轴承座15限位，内圈由轴肩限位，另一侧由轴承外圈由轴承舱盖14限位，内圈由套筒13和卡簧12限位，由此可保证主轴3、轴承17及轴承座15的相对位置不发生改变。轴承座15通过螺钉与机匣4连接。轴向小孔流量系数旋转盘5或径向小孔流量系数旋转盘29安装于后盖板53内侧的机匣腔内。机匣圆筒顶面上设有舱口及活动固定的舱盖20(图9)。拆卸舱盖20可为机匣提供方形视窗，通过该窗口能够观察并测量旋转盘和篦齿封严件之间的间隙，且提供足够空间完成旋转盘上的试验件快速安装和拆卸。

如图10，篦齿封严件7作为测量装置的密封部件，其与旋转盘5、29的间隙D可通过改变调整垫片18的厚度进行调整，以控制篦齿封严件和旋转盘间隙的减少或增加，从而控制泄漏量的大小。

如图8，主轴3采用不锈钢材质，在不同位置开有定位键槽分别用于轴向小孔流量系数旋转盘5和径向小孔流量系数旋转盘29的定位安装，出流端开有定位键槽用于定位联轴器2，且有卡簧孔用于安放卡簧13。

本发明为实现在线泄漏量测量，上述多种结构保证篦齿封严件和旋转盘间隙不变：

1.旋转盘的位置固定及密封(以轴向小孔流量系数旋转盘为例)：旋转盘通过键连接到主轴，来流侧由圆螺母及圆螺母用止动垫圈限位，另一侧套筒、调整垫圈和轴肩限位，从而保证旋转盘和主轴的相对位置不变。通过轴承的安装定位可保证主轴、轴承和轴承座的相对位置不变，轴承座由螺栓固定与机匣上，由此可保证旋转盘的位置固定。旋转盘试验件安装孔与试验件通过螺栓安装，试验件安装边及试验件安装孔均有3°楔形角，用于密封安装孔。

2.篦齿封严件的位置固定：篦齿封严件通过螺栓与机匣固定一起，位置不变。

3.试验过程中的间隙不变：为保证简单方便更换试验件且不改变间隙，机匣设有舱盖和直管段，拆除舱盖可容许人手伸入机匣内部直接完成轴向小孔试验件的安装和拆卸，拆除直管段可容许人手从进口段伸入机匣内部完成径向小孔试验件的安装和拆卸，此两种结构均可保证更换试验件时不影响篦齿封严件和旋转盘之间的间隙。

实验开始时，变频器控制电机1输出适宜的转速，并通过联轴器2带动主轴3旋转。主轴3通过键连接带动来流侧轴向小孔流量系数旋转盘5、径向小孔流量系数旋转盘29旋转，出流侧带动轴承17内圈旋转，轴承外圈和轴承座15、机匣4一起保持相对静止。首先在轴向小孔流量系数旋转盘5、径向小孔流量系数29上安装无孔试验件，开启阀门28，气体通过槽道流量计27、进入机匣4，气体全部经由篦齿封严件7间隙进入机匣4内部，调节阀门28，改变进气流量，根据试验条件，便可实现不同试验条件下的泄漏量测量。然后在轴向小孔流量系数旋转盘5、径向小孔流量系数旋转盘29上安装小孔试验件，关闭阀门28，开启阀门11，气体通过槽道流量计10进入机匣4，其中一部分气体通过试验件21、35进入机匣4内部，另一部分气体通过篦齿封严件7和轴向小孔流量系数旋转盘旋转盘5、径向小孔流量系数旋转盘29间隙进入机匣4内部，改变进气流量，根据试验条件，测得的便是不同试验条件下的包含泄漏量和通过孔结构的总流量，最后气体通过机匣出气口排出。两者流量差值即为流经试验件小孔的实际流量。将所获得的仪表数据通过电路板记录下来。

Claims (4)

1.一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，其特征在于：

进气段包括一粗、一细的双管进气，两进气管分别设有进气阀门，两个阀门之后分别设有各自的流量计及热电偶，细管流量计的精度高于粗管；

混合段为直管，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；

扩张段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，其进口端与扩张段的出口端通过法兰活动联接；

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旋转盘或径向小孔流量系数旋转盘，根据试验需要安装其中一个，进口直管的进口端通过法兰与稳定段的出口端活动联接，进口直管的出口端法兰与圆筒型篦齿封严件进口端法兰以及机匣进口端法兰活动联接在一起，机匣的出口端设有后盖板，后盖板上设有主轴穿行孔及出流孔，主轴通过轴承及轴承座安装在后盖板上的主轴穿行孔内，轴向小孔流量系数旋转盘或径向小孔流量系数旋转盘安装于后盖板内侧的机匣腔内，机匣腔内设有用于测量出流压力的压力传感器，机匣圆筒顶面上设有舱口及活动固定的舱盖；

轴向小孔流量系数旋转盘为圆盘型，通过中心孔定位安装在主轴上，圆盘的进口端面由主轴末端的锁紧螺母限位，出口端面由轴套、调整垫片及轴肩限位，圆盘进口端面与圆筒型篦齿封严件的出口篦齿环面贴合，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；

径向小孔流量系数旋转盘为圆桶型，桶身的进口环形端面与圆筒型篦齿封严件的出口篦齿环面贴合，通过桶底中心孔定位安装在主轴上，桶底的进口端面由主轴末端的锁紧螺母及轴套限位，出口端面由调整垫片及轴肩限位，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。

2.根据权利要求1所述的测量旋转条件下小孔流量系数的试验台，其特征在于：

所述轴向小孔流量系数旋转盘上周向均布的通孔为楔形角3°的圆锥孔；

所述径向小孔流量系数旋转盘桶身上周向均布的径向通孔为外小内大的台阶孔。

3.根据权利要求1或2所述的测量旋转条件下小孔流量系数的试验台，其特征在于： 所述轴向试验件上的通孔包括光滑通孔、进口设有倒角的通孔、与轴向有倾斜角的通孔；径向试验件上的通孔包括光滑通孔、进口设有倒角的通孔、与径向有倾斜角的通孔。

4.根据权利要求1所述的测量旋转条件下小孔流量系数的试验台，其特征在于，测量过程如下：

1)安装轴向小孔流量系数旋转盘或径向小孔流量系数旋转盘进行轴向小孔流量系数或径向小孔流量系数的测量，通过拆卸进口直管进出口的法兰及主轴末端的锁紧螺母实现两种旋转盘的更换；

2)通过交替安装无孔堵头试验件和有孔试验件，实现测量经由篦齿封严件和旋转盘间隙进入机匣内部的泄漏量，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，以保证篦齿封严件和旋转盘间隙不改变，实现更换无孔或有孔试验件；

3)安装有孔试验件，开启粗进气管阀门，关闭细进气管阀门，其中一部分气体通过试验件通孔进入机匣内部，另一部分气体通过篦齿封严件和旋转盘间隙进入机匣内部，粗管槽道流量计测得的便是包含泄漏量在内的总流量；

4)安装无孔堵头试验件，开启细进气管阀门，关闭粗进气管阀门，气体全部经由篦齿封严件和旋转盘间隙进入机匣内部，细管槽道流量计测得的便是泄漏量；

5)用3)的结果减去4)的结果，便是实际流量。