CN104533816B - 一种离心压气机径向扩压器试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离心压气机径向扩压器试验装置及方法，属于离心压气机技术领域，其关键在于在径向扩压器试验段进口设置了能模拟离心叶轮出口流动特征，适合进行径向扩压器试验的装置及试验方法。该发明可直接用于高性能离心压气机扩压器试验，通过合理选择叶轮转速和流动控制参数，获得扩压器真实进气条件，测定不同来流条件下不同类型扩压器性能及其内部流场，总结得出不同来流条件下扩压器典型性能图谱，为高性能扩压器设计奠定理论基础。
Description
技术领域
本发明属于离心压气机技术领域，涉及一种离心压气机径向扩压器试验装置及试验方法，在径向扩压器进口设置离心叶轮和抽吸装置来模拟离心叶轮出口流动特征，通过调整叶轮转速和流动控制参数，获得径向扩压器真实进气条件，利用最小的成本研究不同来流条件下不同类型扩压器性能及其内部流动，特别适用于开展高性能离心压气机扩压器试验。
背景技术
压气机是发动机研制过程中最关键、难度最高的技术之一。由于具有工作范围宽广，零件少、结构紧凑、可靠性高和抗外物撞击能力强等一系列优势，高压比离心压气机在中小型航空发动机中得到了广泛的应用。现代高性能航空发动机对高推重比的需求对压气机的压比不断提出更高要求，使得离心叶轮出口气流速度较高且出口不均匀性增强，使得径向扩压器进口马赫数增加，甚至出现超音，再加上离心叶轮出口宽度很小，径向扩压器入口与离心叶轮出口非常近，两者之间存在强烈的非定常相互作用，进一步恶化叶轮与径向扩压器之间的匹配，大大降低离心压气机的效率和稳定工作范围，导致紧凑高效的径向扩压器的设计非常具有挑战性，成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。
长期以来，我国在自行研制高性能离心压气机过程中，一直受到没有自己的先进扩压器图谱和叶型的困扰，从而导致以仿制为主，自行研发技术基础匮乏的局面。而国外对径向扩压器研究给予高度重视，世界上几个主要的中小型航空发动机公司如法国透博梅卡公司、加拿大P&W公司、美国威廉斯国际公司等早在上个世纪五十年代初就开始投入巨资开展了系统的径向扩压器基础试验，总结得出了不同来流条件下径向扩压器典型性能图谱，为高性能径向扩压器设计奠定理论基础，大大提高了自主设计能力和设计水平。
我国亟需构建一种新型的离心压气机径向扩压器试验装置，利用各类精细准确的试验方法和测量技术，系统化地开展不同径向扩压器基础试验研究，获得不同流速、不同入流角的多工况下径向扩压器内部流动特征，总结不同来流条件下径向扩压器典型性能图谱，为紧凑式高性能扩压器设计奠定理论基础。目前关于径向扩压器的试验都是在真实离心压气机试验装置上进行的，然而，在真实压气机试验装置上开展径向扩压器试验存在试验成本高、测量精度低、参数调整不灵活等缺陷，因此，亟需构建一种参数调整灵活、试验成本低、测量精度高的离心压气机径向扩压器试验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具备离心压气机内部典型流动模拟能力、几何因素影响模拟能力、上游来流条件影响模拟能力、适合进行径向扩压器试验的装置及试验方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种离心压气机径向扩压器试验装置，适合于开展不同流速、不同进口气流角及径向分布等不同来流条件下扩压器性能及其内部流场试验，包括：进气系统、径向扩压器、离心叶轮和排气蜗壳，其特征在于，所述进气系统设置在所述离心叶轮的进口端，所述离心叶轮的出口端设置所述径向扩压器，气流经所述径向扩压器后进入所述排气蜗壳，其中，所述试验装置还包括流动控制装置，所述流动控制装置包括分别设置在所述离心叶轮进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖4个不同位置沿着周向开设的喷气/抽气孔，各所述喷气/抽气孔通过外接管路与气源或者泵连接，各所述喷气/抽气孔可在其安装位置处根据试验要求进行喷气或抽吸气体动作，以调整离心叶轮出口气流角或者马赫数沿叶高的分布；所述离心叶轮与一变频电机驱动连接，所述变频电机用于带动所述离心叶轮旋转，通过控制变频电机调整离心的转速获得径向扩压器进口气流角及进口马赫数大小；所述排气蜗壳的排气管路上设置一开度可调的排气节流阀，用于所述试验装置的出口节流，通过调整所述排气节流阀的开度以模拟所述径向扩压器不同的工况。
优选的，所述离心叶轮的旋转轴中设置气流通道，该气流通道进口与通过外接管道与气源或者泵相通，气流通道出口与设置在所述离心叶轮进口叶根处沿着周向开设的喷气或抽气孔连通。
优选的，所述试验装置还包括一可判定所述径向扩压器进口流动条件是否满足试验要求的高频响动态测试系统。优选的，通过调整所述变频电机的转速以及所述排气节流阀的开度，使得所述径向扩压器进口马赫数达到0.7～1.2，进口气流角达到55～80°。
优选的，所述离心叶轮叶片采用双圆弧的直纹叶片，叶片最大厚度为叶片弦长的6％～9％，叶片数为15～29片，叶片弯角为12～15°。
优选的，所述离心叶轮进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖处开设的喷气或抽气孔沿周向均布，且其数目为3～5个。
优选的，所述径向扩压器可以为叶片扩压器、楔形扩压器、管式扩压器和混合式扩压器等不同类型的扩压器。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种离心压气机径向扩压器试验方法，在离心叶轮的进口端设置进气系统，在离心叶轮的出口端设置径向扩压器，气流经径向扩压器后进入排气蜗壳，其特征在于，
在所述扩压器进口设置离心叶轮，利用变频电机带动离心叶轮旋转，通过控制变频电机的转速调整径向扩压器进口马赫数和进口气流角大小，
在所述离心叶轮进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖4个不同位置的沿着周向开设喷气或抽气孔，各所述喷气或抽气孔可在其安装位置处根据试验要求进行喷气或抽吸气体动作，以调整离心叶轮出口气流角和马赫数沿叶高的分布在排气蜗壳的排气管路上设置一开度可调的排气节流阀，通过调整排气节流阀开度大小来模拟径向扩压器不同的工况。
与传统的用于开展扩压器性能试验的离心压气机试验装置，本发明试验装置灵活可调，具备高负荷斜流/离心压气机内部典型流动模拟能力、几何因素影响模拟能力、上游来流条件影响模拟能力。能够系统地开展叶片式、楔形、管式和混合式等各类扩压器基础试验研究，获得不同流速、不同入流角的多工况下径向扩压器内部流动特征，总结得出不同来流条件下扩压器典型性能图谱，发展各类扩压器相关设计方法及设计准则，为紧凑式高性能扩压器设计奠定理论基础。
附图说明
图1为本发明的离心压气机径向扩压器试验装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本实施例用于离心压气机径向扩压器试验装置由进气系统1、高频响测量系统2、喷气或抽气孔3、离心叶轮叶片4、排气蜗壳5、排气节流阀6、径向扩压器7、离心叶轮轮盘8和变频电机9组成。所述试验装置利用变频电机9带动离心叶轮轮盘8旋转，离心叶轮叶片4安装在离心叶轮轮盘8上，通过控制变频电机9的转速调整径向扩压器7进口马赫数和进口气流角大小。
所述试验装置通过在离心叶轮叶片4进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖4个不同位置沿着周向开设的喷气或抽气孔3，在其安装位置处根据试验要求进行喷气或抽吸气体动作，调整径向扩压器7进口气流角和马赫数沿叶高分布；所述试验装置通过调整排气节流阀6的开度来模拟扩压器不同的工况。
试验装置工作时，变频电机9带动离心叶轮轮盘8及离心叶轮叶片4旋转，将空气由进气系统1引入离心叶轮叶片4，通过调整变频电机9的转速改变离心叶轮叶片4出口马赫数和气流角大小，同时在离心叶轮5进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖4个不同位置引入喷气或者抽气孔3，分别在叶轮进出口4个不同位置进行喷气或者抽吸，调整离心叶轮叶片4出口气流角沿和马赫数叶高的分布，利用高频响动态测试系统判定径向扩压器7进口流动条件是否满足试验要求，在此基础上，测定不同来流条件下径向扩压器的气动性能。试验中通过调节排气节流阀6开度来调整扩压器的工况。
综上所述，本发明利用最小的成本模拟扩压器真实工作环境，灵活调整上述参数，开展不同来流条件下扩压器性能及其内部流动试验。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种离心压气机径向扩压器试验装置，适合于开展不同马赫数、不同进口气流角或不同径向分布的来流条件下扩压器性能及其内部流场试验，包括：进气系统、离心叶轮、径向扩压器和排气蜗壳，其特征在于，所述进气系统设置在所述离心叶轮的进口端，所述离心叶轮的出口端设置所述径向扩压器，气流经所述径向扩压器后进入所述排气蜗壳，其中，
--所述试验装置还包括流动控制装置，所述流动控制装置包括分别设置在所述离心叶轮进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖4个不同位置沿着周向开设的喷气/抽气孔，各所述喷气/抽气孔通过外接管路与气源连接，各所述喷气/抽气孔可在其安装位置处根据试验要求进行喷气或抽吸气体动作，以调整离心叶轮出口气流角或者马赫数沿叶高的分布；
--所述离心叶轮与一变频电机连接，所述变频电机用于带动所述离心叶轮旋转，通过变频电机调整离心叶轮的转速获得径向扩压器进口气流角及进口马赫数大小；
--所述排气蜗壳的排气管路上设置一开度可调的排气节流阀，用于所述试验装置的出口节流，通过调整所述排气节流阀的开度以模拟所述径向扩压器不同的工况。
2.根据权利要求1所述的离心压气机径向扩压器试验装置，其特征在于，所述离心叶轮的旋转轴中设置气流通道，该气流通道进口通过外接管道与气源相通，气流通道出口与设置在所述离心叶轮进口叶根处沿着周向开设的喷气/抽气孔连通。
3.根据权利要求1所述的离心压气机径向扩压器试验装置，其特征在于，设置在所述离心叶轮出口叶根、进口叶尖和出口叶尖处的沿着周向开设喷气/抽气孔分别通过外接管路与气源相通，利用外接气源对离心叶轮出口叶根、进口叶尖和出口叶尖处进行抽吸。
4.根据权利要求1至3任一项所述的离心压气机径向扩压器试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括一可判定所述径向扩压器进口流动条件是否满足试验要求的高频响动态测试系统。
5.根据权利要求1至3任一项所述的离心压气机径向扩压器试验装置，其特征在于，通过调整所述变频电机的转速以及所述排气节流阀的开度，使得所述径向扩压器进口马赫数达到0.7～1.2，进口气流角达到55～80°。
6.根据权利要求1至3任一项所述的离心压气机径向扩压器试验装置，其特征在于，所述离心叶轮叶片采用双圆弧的直纹叶片，叶片最大厚度为叶片弦长的6％～9％，叶片数为15～29片，叶片弯角为12～15°。
7.根据权利要求1至3任一项所述的离心压气机径向扩压器试验装置，其特征在于，所述离心叶轮进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖处开设的喷气或抽气孔沿周向均布，且其数目为3～5个。
8.根据权利要求1至3任一项所述的离心压气机径向扩压器试验装置，其特征在于，所述径向扩压器为叶片扩压器、楔形扩压器、管式扩压器或混合式扩压器。
9.一种离心压气机径向扩压器试验方法，在离心叶轮的进口端设置进气系统，在离心叶轮的出口端设置径向扩压器，气流经径向扩压器后进入排气蜗壳，其特征在于，
在所述扩压器进口设置离心叶轮，利用变频电机带动离心叶轮旋转，通过控制变频电机的转速调整径向扩压器进口马赫数和进口气流角大小；在所述离心叶轮进口叶根、进口叶尖、出口叶根和出口叶尖4个不同位置沿着周向开设喷气/抽气孔，各所述喷气/抽气孔可在其安装位置处根据试验要求进行喷气或抽吸气体动作，以调整离心叶轮出口气流角和马赫数沿叶高的分布；
在排气蜗壳的排气管路上设置一开度可调的排气节流阀，通过调整排气节流阀开度大小来模拟径向扩压器不同的工况。
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