CN104833475A - 一种涡轮发动机喷流实验模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验用模拟装置领域，公开了一种涡轮发动机喷流实验模拟装置，包括内部具有容置空间的短舱，短舱上开设有沿径向方向设置的用于将压缩气体通入到容置空间中的气体入口，容置空间中设置有喷管，喷管中设置有供喷流气体通过的通道，在通道的进气端处设有阴极并与气体入口连通；通道的出气端与短舱的出口连通；阴极与高压电源相连接，阳极接地；在阴极与阳极之间施加高压电，从而实现阴极与阳极之间的压缩气体放电，在通道中形成电弧，电弧对通道中的气体进行加热。本申请中的涡轮发动机喷流实验模拟装置与现有技术中的通气短舱和TPS短舱相比，不仅结构简单、易于生产制造，而且生产成本低，能够产生高温喷流，模拟效果佳，适合大规模推广使用。

Description

一种涡轮发动机喷流实验模拟装置

技术领域

本发明涉及实验用模拟装置领域，尤其涉及一种涡轮发动机喷流实验模拟装置。

背景技术

飞机短舱用于安装发动机，发动机是飞机飞行过程中的动力部件，是飞机最为重要的部分。因此，飞机的短舱构型对飞机发动机飞行过程中的飞机气动性能有重要影响。为了保证飞机飞行过程中的安全性和稳定性，在飞机-发动机一体化集成设计过程中必须全面分析飞机短舱及发动机对飞机气动性能的影响。

涡轮发动机是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，是内燃机的一种，由于其具有的众多优点而被广泛的使用在飞机、大型船舶或车辆上。涡轮发动机工作过程中产生喷流时的温度高达数百度，从喷口喷出速度达到数百米/秒的高温高速的流体。由于喷流具有高温、高速等特点，极易对机翼后缘的增升装置造成影响，影响飞机的气动性能。

在飞机-发动机系统集成研究的风洞实验中，常用通气短舱或者带动力模拟器(Turbine Powered Simulator,TPS)短舱来简化真实的飞机短舱。其中，通气短舱的结构简单，但是无喷流效应，无法满足研究喷流对机翼和增升装置气动性能影响的需要。而TPS短舱虽然能够产生喷流，但是属于常温气体喷流，没有能够真实还原飞机飞行过程中的真实情况，同时由于TPS短舱结构复杂，价格昂贵，不适合广泛使用在实验过程中。

因此，亟需一种能够真实的模拟发动机工作过程中喷流环境的实验模拟装置，以保证能够在飞机-发动机一体化集成设计过程中确保发动机的短舱构型适合飞行需要，不会对飞机的飞行造成影响。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种应用于发动机系统集成研究的风洞实验中的涡轮发动机喷流实验模拟装置，用于模拟涡轮发动机工作过程中的高温高速喷流，以更真实的反映涡轮发动机喷流特性，解决现有技术中使用通气短舱和TPS短舱均不能形成高温喷流的问题。

本发明的另一个目的在于，提出一种结构简单、价格便宜、模拟效果好、适合广泛应用于风洞实验过程中的涡轮发动机喷流实验模拟装置。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种涡轮发动机喷流实验模拟装置，包括内部具有容置空间的短舱，所述短舱上开设有沿径向方向设置的用于将压缩气体通入到所述容置空间中的气体入口，所述容置空间中设置有喷管，所述喷管中设置有供喷流气体通过的通道，在靠近所述通道的进气端设有阴极并与所述气体入口连通；所述通道的出气端与所述短舱的出口连通，在靠近所述通道的出气端处设有阳极；所述阴极与高压电源相连接，所述阳极接地；在所述阴极与阳极之间施加高压电，从而实现所述阴极与阳极之间的压缩气体放电，在所述通道中形成电弧，电弧对所述通道中的气体进行加热。

进一步的，所述喷管的进气端的前方开设有与所述气体入口相连通的储气室；压缩气体通过所述气体入口进入到所述储气室中后，通过所述进气端、通道从所述喷管的出气端喷出；所述喷管的出气端设有所述阳极；所述储气室的内壁上与所述进气口相对的位置设有所述阴极。

优选的，所述进气口为进口收缩段，所述出气口为出口扩展段，所述进口收缩段与出口扩展段之间通过细长段连接，以使气体在所述通道中充分扩展。

优选的，所述通道采用拉瓦尔喷管结构。

优选的，所述阴极由钨材料制成，所述阴极的尖端由钍钨或铈钨制成；所述阳极由铜材料制成。

优选的，所述喷管由陶瓷材料制成。

优选的，所述喷管由氮化硼材料制成。

优选的，所述细长段的直径优选为1-3mm。

本发明的有益效果有：本申请中的涡轮发动机喷流实验模拟装置采用电弧加热的方式对气体进行加热形成喷流效果，以实现对飞机飞行过程中真实情况的模拟，本申请中的模拟装置能够产生高温高速的喷流效果，且喷流的温度可以进行调节，模拟效果好，适合被广泛的应用在飞机的发动机一体化设计中与发动机喷流有关的风洞实验中。

本申请中的实验模拟装置与现有技术中的通气短舱和TPS短舱相比，不仅结构简单、易于生产制造，而且生产成本低，适合大规模推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例一提出的涡轮发动机喷流实验模拟装置的剖视结构示意图。

图中：

1、短舱；2、气体入口；3、喷管；4、储气室；5、通道；6、阴极；7、阳极；8、高压电源。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

本实施例提出了一种涡轮发动机喷流实验模拟装置，包括内部具有容置空间的短舱，短舱上开设有沿径向方向设置的用于将压缩气体通入到容置空间中的气体入口，容置空间中设置有喷管，喷管中设置有供喷流气体通过的通道，在靠近通道的进气端设有阴极并与气体入口连通；通道的出气端与短舱的出口连通，在靠近所述通道的出气端处设有阳极；阴极与高压电源相连接，阳极接地；在阴极与阳极之间施加高压电，从而实现阴极与阳极之间的压缩气体放电，在通道中形成电弧，电弧对通道中的气体进行加热。

如图1所示，是本实施例中的涡轮发动机喷流实验模拟装置的剖视结构，包括短舱1，短舱1上设置有气体入口2，气体入口2用于将压缩气体通入到短舱1中的喷管3中。短舱1中形成有容置空间，容置空间中设置有喷管3。喷管3的进气端的前方开设有与气体入口2相连通的储气室4，压缩气体通过气体入口2进入到储气室4中后，经过进气端和通道5从喷管3的出气端喷出。喷管3的出气端设有阳极7，储气室4的内壁上与进气口相对的位置设有阴极6，阴极6正对通道5。

作为更进一步的实施方式，本实施例中的通道5分为3段，其中，进气口为进口收缩段，靠近阳极7的一侧，即出气口为出口扩展段，进口收缩段与出口扩展段之间通过细长段连接，以使气体在通道5中充分扩展。优选的，细长段的直径优选为1-3mm。

优选的，本实施例中的阴极6由钨材料制成，并且阴极6的尖端由钍钨或铈钨制成，上述阴极6选用钨材料制成有利于放电产生电弧。阳极7由铜材料制成，阴极6接入高压电源8，阳极7接地，两者之间施加高压电，以使得阴极6与阳极7之间的压缩气体放电，在通道5中形成电弧，电弧对通道5中的气体进行加热，使得从喷管3的出气口，即出口扩展段喷出高温高速的气体。

压缩气体从气体入口2通入到喷管3中，通过进口收缩段-细长段-出口扩展段从而形成高速喷流。当在阴极6和阳极7间施加数千伏高压电时，阴极6尖和阳极7之间气体放电形成电弧通道。电弧是热等离子体，其温度可高达几千度，对通过5中的气体进行加热。除此之外，等离子体中包含激发态粒子、高能离子等，它们与其它气体分子碰撞，也能对气体进行加热。在短舱1的出口处，喷流气体温度可超过500摄氏度，与实际涡轮发动机喷流温度非常近似。气体加热发生膨胀，将有助于提升喷流速度，这可降低压缩气体供应量。在上述喷流过程中可产生数十厘米的等离子体，存在发光特性，根据发射光谱的时空分布特性，还可以实现对喷流与周围流场的相互影响的研究，使得本实施例中的装置能够被应用在更多的实验之中。同时，通过调节放电电流，可以调节电弧的温度，从而调节喷流的温度，实现对喷流温度的调节，能够适应更多的实验的需要。

优选的，本实施例中的喷管3由陶瓷材料制成，最好选用氮化硼材料制成。氮化硼材料具有非常好的耐热性能，能够承受实验过程中的高温。

本实施例中的涡轮发动机喷流实验模拟装置采用电弧加热的方式对气体进行加热形成喷流效果，以实现对飞机飞行过程中真实情况的模拟，本申请中的模拟装置能够产生高温高速的喷流效果，且喷流的温度可以进行调节，模拟效果好，适合被广泛的应用在飞机的发动机一体化设计中与发动机喷流有关的风洞实验中。

本实施例中的实验模拟装置与现有技术中的通气短舱和TPS短舱相比，不仅结构简单、易于生产制造，而且生产成本低，能够产生高温喷流，适合大规模推广使用。

实施例二

本实施例与实施例一的结构基本相同，区别之处在于，本实施例中的通道没有采用进口收缩段-细长段-出口扩展段的结构形式，采用拉瓦尔喷管结构形式进行设计。采用拉瓦尔喷管结构，电极的相对位置和连接方式不变，只是喷管的结构发生变化，以实现超声速喷流。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种涡轮发动机喷流实验模拟装置，包括内部具有容置空间的短舱(1)，所述短舱(1)上开设有沿径向方向设置的用于将压缩气体通入到所述容置空间中的气体入口(2)，其特征在于：所述容置空间中设置有喷管(3)，所述喷管(3)中设置有供喷流气体通过的通道(5)，在靠近所述通道(5)的进气端处设有阴极(6)并与所述气体入口(2)连通；所述通道(5)的出气端与所述短舱(1)的出口连通，在靠近所述通道(5)的出气端处设有阳极；

所述阴极(6)与高压电源(8)相连接，所述阳极(7)接地；

在所述阴极(6)与阳极(7)之间施加高压电，从而实现所述阴极(6)与阳极(7)之间的压缩气体放电，在所述通道(5)中形成电弧，电弧对所述通道(5)中的气体进行加热。

2.如权利要求1所述的涡轮发动机喷流实验模拟装置，其特征在于：所述喷管(3)的进气端的前方开设有与所述气体入口(2)相连通的储气室(4)；

压缩气体通过所述气体入口(2)进入到所述储气室(4)中后，通过所述进气端、所述通道(5)从所述喷管(3)的出气端喷出；

所述喷管(3)的出气端设有所述阳极(7)；

所述储气室(4)的内壁上与所述进气口相对的位置设有所述阴极(6)。

3.如权利要求1或2所述的涡轮发动机喷流实验模拟装置，其特征在于：所述进气口为进口收缩段，所述出气口为出口扩展段，所述进口收缩段与出口扩展段之间通过细长段连接，以使气体在所述通道(5)中充分扩展。

4.如权利要求1或2所述的涡轮发动机喷流实验模拟装置，其特征在于：所述通道(5)采用拉瓦尔喷管结构。

5.如权利要求1或2所述的涡轮发动机喷流实验模拟装置，其特征在于：所述阴极(6)由钨材料制成，所述阴极(6)的尖端由钍钨或铈钨制成；

所述阳极(7)由铜材料制成。

6.如权利要求1或2所述涡轮发动机喷流实验模拟装置，其特征在于：所述喷管(3)由陶瓷材料制成。

7.如权利要求6所述的涡轮发动机喷流实验模拟装置，其特征在于：所述喷管(3)由氮化硼材料制成。

8.如权利要求3所述的涡轮发动机喷流实验模拟装置，其特征在于：所述细长段的直径优选为1-3mm。