CN104848904A - 进气道流量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进气道流量测量系统。包括壳体、反压调节装置、整流装置、总压测量耙、拉瓦尔喷管和静压测量装置，壳体为圆筒状，其前端具有接口，在接口的后端具有扩张段，用于对来流减速，在扩张段之后为平直段，反压调节装置包括节流锥和驱动控制机构，节流锥配置于所述扩张段内，驱动控制机构配置于平直段内，在其后的平直段内，依次安装有整流装置、总压测量耙和拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管的出口与壳体的后端口平齐，静压测量装置安装于拉瓦尔喷管的喉部。通过本发明的系统能够实时调节双发进气道出口反压、准确测量流入双发进气道的气体流量，并且能够根据具体的试验情况对流入进气道的气体进行抽吸以提高气体流量来满足进气道试验的需要。

Description

进气道流量测量系统

技术领域

本发明涉及一种高精度的带抽吸功能的进气道流量测量系统，能够很好地应用于高速风洞双发进气道试验中调节进气道出口反压、准确测量进气道出口流量、必要时利用抽吸装置提高进气道主气体流量，以获取和评估进气道的气动性能。

背景技术

进气道是吸气式飞行器的一个关键部件，它是一个经过精心设计的气流通道，作用是引入空气，在实现对气流的减速增压后，提供给发动机燃烧室，其性能的优劣直接影响到发动机乃至飞行器的总体性能。

进气道风洞试验是评估进气道性能、获得进气道特性参数的主要手段。流量系数是进入进气道的实际流量与进气口捕获自由流流量之比，是进气道主要特性参数之一。为了测量进入进气道的实际流量，传统的方法是在进气道的出口截面上安装测压耙测量气流总压，并在同一测量截面上沿周向开测压孔测量气流静压，通过数据处理可得到出口截面上的流量。由于气流流经进气道后在出口截面上很不均匀，畸变指数较高，因此流量的测量误差较大，有时误差甚至能达到10％，这就给进气道性能的评估工作带来很大的困难。

对航空进气道试验来说，速度范围一般较低，靠冲压方式进入进气道的流量较小，无法满足进气道实际工作时需要的流量值，此时进气道工作线与发动机工作线没有交点，达不到进气道试验的目的。另外，为了隐身和提高突防能力的需要，某些飞行器采用了埋入式进气道气动布局形式，由于埋入式进气道进气口吸气效率低，采用常规的试验手段难以满足流量要求。因此，在上述两种情况下，就需要在进气道出口后方安装流量引射器来提高进气道的吸入流量。

另外，对于冲压/涡轮组合动力发动机类型的双进气道，进气道之间会存在较强的气动干扰现象，特别是发动机在进行模态转换时，涡轮发动机进气道入口逐渐关闭，冲压发动机入口逐渐打开，此时进气道之间会存在复杂的流量匹配和气动干扰问题，单进气道试验系统无法模拟这种复杂的进气道耦合特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带抽吸功能的进气道流量测量系统，能够高精度地准确测量进气道出口流量，并能够应用于双发进气道的流量测量，必要时可利用抽吸装置来提高双发进气道流量。

本发明的进气道流量测量系统包括壳体、反压调节装置、整流装置、总压测量耙、拉瓦尔喷管和静压测量装置，所述壳体为圆筒状，其前端具有接口，在试验室时通过中压橡胶软管能够将所述接口与进气道试验模型的出口密封连接，在所述接口的后端具有扩张段，用于对来流减速，在所述扩张段之后为平直段，所述反压调节装置包括节流锥和驱动控制机构，所述节流锥配置于所述扩张段内，所述驱动控制机构配置于所述平直段内，用于驱动控制所述节流锥前后移动；在其后的平直段内，依次安装有所述整流装置、所述总压测量耙和所述拉瓦尔喷管，所述拉瓦尔喷管的出口与所述壳体的后端口平齐，所述静压测量装置安装于所述拉瓦尔喷管的喉部。

优选所述整流装置包括两层阻尼网和一层蜂窝器，按照阻尼网、蜂窝器、阻尼网的顺序依次配置于所述平直段内。

优选所述阻尼网为20目/英寸，用于破碎气流中的小涡，所述蜂窝器为等边六边形结构，该六边形对角线长度为6.4毫米，长度为30毫米，用于气流导向。

优选所述总压测量耙为米字耙，沿周向均匀布置有八个耙位，每个耙位上布置有5个总压测量点，在圆截面的中心点上单独布置了1个总压测量点，测压点总数为41个，在所述壳体的圆截面上按测压点等面积分布。

优选所述拉瓦尔喷管喉道处具有一段20毫米长的等直段，所述静压测量装置包括6排静压测量点，沿周向均匀配置在所述等直段上，每排静压测量点包含前、中、后3个静压测量点，沿20毫米长的所述等直段等距分布。

优选还包括引射器，所述引射器包括引射器等直段、固定安装于所述引射器等直段外壁的集气室、与所述引射器等直段的后端连接的环形喷管和与所述集气室连接的混合段，所述引射器等直段的前端通过法兰密封连接在所述拉瓦尔喷管的后端，所述集气室与中压管道连通。

优选所述混合段为扩张型混合段，其总长为930毫米，扩张角为6度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用自主研发的高精度流量测量装置，可以准确测量双发进气道气体流量，测量精度达到0.5％以内，较现有测量技术提高了近1个量级；

(2)本发明实现了反压调节装置、流量测量装置和流量抽吸装置的一体化设计，系统整体安装在风洞超扩段下洞壁上，具有①连接管路短，总压损失小；②抽吸装置引射效果好；③系统整体性好，部件装拆方便等突出优点；

(3)本发明采用两套独立控制的进气道试验装置分别进行反压的调节、流量的测量与抽吸，可以满足双发进气道不同工况性能匹配试验的需求。

附图说明

图1为本发明的进气道流量测量系统的结构示意图。

图2为总压测量耙测点分布图。

图3为密流函数与速度系数的函数关系曲线。

图4为流量测量系统与引射器的安装示意图。

图5为引射器局部放大示意图。

图6为流量抽吸装置空气抽吸能力验证曲线。

图7为现有技术和本发明系统测得的节流特性比较曲线。

符号说明

1-壳体 2-节流锥 3-伺服电机 4-反馈装置 5-阻尼网 6-蜂窝器

7-总压测量耙 8-拉瓦尔喷管 9-静压测量装置 10-中压管道 11-引射器

11-1等直段 11-2拉瓦尔环形喷管 11-3集气室 11-4扩张型混合段

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，本发明的进气道流量测量系统包括壳体1、节流锥2、伺服电机3、反馈装置4、阻尼网5、蜂窝器6、总压测量耙7、拉瓦尔喷管8和静压测量装置9，壳体1为圆筒状，其前端具有接口，在试验室时通过中压橡胶软管能够将该接口与进气道试验模型的出口密封连接。在接口的后端具有扩张段，用于对来流减速，在该扩张段之后为平直段。节流锥2配置于扩张段内，伺服电机3与反馈装置4配置于壳体1的平直段内。节流锥2和伺服电机3以及反馈装置4一起构成了反压调节装置，通过伺服电机3与反馈装置4配合驱动控制节流锥2前后移动，改变管路流通面积，达到按照需要改变进气道出口反压的目的，以模拟进气道在不同反压下的流动特性。

本实施例中，伺服电机为双轴输出型，前端输出轴与丝杠固接，带动丝杠做周向运动，丝杠上装有相同内螺纹的节流锥，节流锥外侧做一卡槽，卡槽卡在固定的导向条上，实现丝杠周向转动时带动节流锥前后移动，引起气体流通面积的变化来改变进气道出口反压，电机转动圈数被同轴电位器记录和输出，用以指示节流锥的前后位置。

在反馈装置4后的平直段内，依次安装有阻尼网5、蜂窝器6、阻尼网5、总压测量耙7和拉瓦尔喷管8，拉瓦尔喷管8的出口与1壳体的后端口平齐，静压测量装置9安装于拉瓦尔喷管8的喉部。阻尼网5、蜂窝器6和阻尼网5构成整流装置，整流装置安装在反压调节装置下游。其中，阻尼网5为20目/英寸，作用是破碎气流中的小涡，蜂窝器为等边六边形结构，六边形对角线长度为6.4毫米，长度为30毫米，作用是气流导向。

整流装置下游装有气流总压测量耙7，如图2所示，总压测量耙7为米字耙，沿周向均匀布置有八个耙位，每个耙位上布置有5个总压测量点，在圆截面的中心点上单独布置了1个总压测量点，测压点总数为41个，在圆截面上按测压点等面积分布，也就是说，每个测压点所占的流通面积完全相等，为圆截面总面积的1/41。在总压测量耙7的下游安装有前部收缩后部扩张的拉瓦尔喷管8，目的是使气流在喷管喉道处加速到q(λ)＞0.8。在喷管喉道处设计了一段20毫米长的等直段，静压测量装置9配置在该等直段，静压测量装置9包括6排静压测量点，沿周向均匀布置在喷管喉道的等直段，每排包含前、中、后3个静压测量点，沿20毫米长的喉道等直段等距分布。

基于文丘里管测量原理，首先将进气道出口气流通过壳体11的扩张段减速到40米/秒以下，再加装整流装置(蜂窝器6和阻尼网5)使得气流均匀，消除压力脉动，采用“米”字型总压测量耙7测量气流总压P₀，以保证P₀测量的准确性；然后再用拉瓦尔喷管8使气流在喷管喉道处加速到q(λ)＞0.8后测量喉道处静压P，以保证q(λ)测量的准确性；最后通过总压P₀、静压P和喉道面积A可计算气流流量。

流量测量系统数据处理方法如下：

测压耙总压测量截面平均总压：喷管喉道处静压测量截面平均静压：假设从测压耙到喷管喉道处为等熵流动，则喷管喉道处的总压等于总压测量截面的总压。喉道处的速度系数式中k为比热比，对于空气k＝1.4，喉道处的密流函数则喉道处的气体质量流量为式中R为气体常数，对于空气R＝287J/(kg·K)，T₀为气流总温，A为喉道流通面积，C为附面层修正系数(通过标准流量发生器标定得到)。

整流装置的作用如下：

为了测量某一个流通面的气流总压，一般是在该截面布置总压测量耙，总压测量耙一般有“+”字耙和“米”字耙，用得较多的是“米”字耙。耙子上布置有一定数量等面积分布的总压测量点。由于这种测试方法本身就是“以点代面”，也就是用若干离散点的总压平均值来代替整个面的总压，如果该截面上总压分布非常不均匀则会引起较大的测量误差。整流装置的作用是碎涡导向、匀整气流。进气道出口气流一般比较紊乱，总压畸变程度较高，如果放置测压耙直接测量气流总压，则会引起很大的测量误差。通过在本发明的流量测量系统中安装上述的整流装置，经检测，总压分布变得非常均匀，整流装的置整流效果较好，这样就保证了总压测量的准确性。需要说明的是，由于安装了整流装置，气流在流经装置后会产生明显的总压损失，因此该装置不适合用于测量进气道出口总压恢复等场合。

使用拉瓦尔喷管8将喉道气流加速到q(λ)＞0.8的作用如下：

由气体质量流量计算公式可知，流量G是密流函数q(λ)的函数，要想准确测量流量G，q(λ)必须测量准确；而查看公式 $q\left(\mathrm{\λ}\right)={\left(\frac{k+1}{2}\right)}^{\frac{1}{k-1}}{(1-\frac{k-1}{k+1}{\mathrm{\λ}}^2)}^{\frac{1}{k-1}}\mathrm{\λ}$ 和 $\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{k+1}{k-1}[1-{\left(\frac{\stackrel{\‾}{P}}{{\stackrel{\‾}{P}}_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}$ 可知，静压和总压都是通过测压传感器测量然后数值平均得到，受传感器仪器误差和测试方法的影响，测量误差始终存在，很难改变，这就导致速度系数λ始终存在误差；通过绘制密流函数q(λ)和速度系数λ的函数关系曲线(如图3所示)可知，当q(λ)较小时，q(λ)随λ变化比较剧烈，这时λ的误差会导致q(λ)也产生较大的误差；当q(λ)＞0.8时，q(λ)随λ变化比较平缓，这时同样的λ误差会导致q(λ)产生相对更小的误差，这就从测试和数据处理方法上最大程度保证了q(λ)测量的准确性，进而保证了流量测量的准确性。为了使气流在拉瓦尔喷管喉道处达到q(λ)＞0.8，根据不同的来流情况需要更换不同喉道面积的拉瓦尔喷管。

对低速或埋入式等进气道试验来说，靠来流冲压方式进入进气道的气体流量比较有限，难以满足进气道的实际流量需求。因此，进气道试验系统还应当配备流量抽吸装置，具有流量抽吸功能。在实施例中，采用引射器11作为流量抽吸装置。

如图4、图5所示，引射器11包括：等直段11-1、固定安装于等直段11-1外壁的集气室11-2、与等直段11-1的后端连接的拉瓦尔环形喷管11-3和与集气室11-2连接的扩张型混合段11-4。引射器11的等直段11-1的前端通过法兰密封连接在拉瓦尔喷管8的后端。集气室11-2与中压管道10连通、中压管道10通过钢管与风洞外的橡胶软管、调压阀连接，调压阀上游通过钢管连接到中压气源，中压气源能提供最高20个大气压的气体压力。在满足足够的压比条件下，拉瓦尔环形喷管11-3能在喷管出口处形成马赫数为2.0的环形超声速喷流来抽吸流量计出口处的主气流，以提高主气流的流量。环形喷管出口面积与主气流出口面积比值为1∶2.57。主气流与抽吸引射气流在扩张型混合段内充分掺混后排入风洞主气流。扩张型混合段总长为930毫米，扩张角为6度，带6度扩张角的混合段可以达到更好的抽吸引射效果。

图6为流量抽吸装置空气抽吸能力验证曲线。图中监控的流量为流量计喷管喉道处的流量，由于进气道入口浸没在静止的空气中，当抽吸引射压力为0时，进气道管道内并没有空气流动，空气流量为0；随着抽吸引射压力加大，喉道处的空气流量随之上升；当抽吸引射压力达到0.6MPa时，被抽吸的空气流量达到最大值1.38Kg/s，此时喉道处的气体流速已经达到声速，再加大引射压力，被抽吸的空气流量基本不再变化。

图7为现有技术和本发明系统测得的节流特性比较曲线。试验选取的马赫数为4.0，该马赫数为进气道的额定马赫数，此时进气道的流量系数达到最大值1。从图中可以看出，当节流锥锥位为0时(此时进气道未节流，反压最小)，流量测量系统测得的进气道流量为0.998，进气道出口测得的进气道流量为1.026，而进气道流量的理论值为1.0，因此，流量测量系统在此时的测量相对误差为0.2％，而现有技术的测量相对误差为2.6％，可见本发明的流量测量系统的测量误差很小。当锥位逐渐增加时，反压逐渐加大，处于进气道扩展段内的正激波逐渐往进气道喉道方向移动，在正激波从扩张段推至喉道的过程中，由于正激波前面为超声速流动，扰动不会前传，因此流量系数始终保持不变为1.0。从图中可以看出，当锥位逐渐前移时，流量测量系统测得的流量一直很稳定，相对误差均小于0.5％，而现有技术测得的流量系数波动性较大，最大相对误差达到了3.3％。随着锥位继续前移，正激波被迅速推出唇口，此时将产生超音速溢流，流量系数逐渐降低。在最后一个节流锥位时，现有技术测得的流量与本发明的流量测量系统测得的流量相差很大，是由于进气道唇口前的λ型激波已开始振荡，进气道出口气流非常不均匀，导致进气道测得的流量系数已经严重失真。

本发明的进气道流量测量系统能够高精度地准确测量进气道出口流量。并能够应用于双发进气道的流量测量。

在双发进气道进行进气道风洞试验前，首先将双发进气道试验模型固定在风洞试验段支撑机构上，将本发明的流量测量系统固定在风洞试验段下游某处下侧洞壁上，分别用中压橡胶软管将两个进气道出口分别与两个本发明的流量测量系统的壳体11的接口连接，以满足进气道模型在试验过程中变换姿态角的需要。系统的每个对接部位必须加装O型橡胶圈或涂抹硅橡胶以保证气密性，否则会导致流量测量失真。

通过利用两套本发明的进气道流量测量系统，能够分别自动调节双发进气道出口反压，以满足双发进气道不同工况性能匹配试验的需求，从而能够准确测量双发进气道出口流量。

本实施例中，进气道流量测量系统安装在风洞超扩段下洞壁上，具有①连接管路短，总压损失小；②抽吸装置引射效果好；③系统整体性好，部件装拆方便等突出优点。

通过风洞验证与应用性试验表明，本发明试验效果良好，各项性能和指标达到发明的预期目标。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识，不再赘述。

以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种进气道流量测量系统，其特征在于：包括壳体、反压调节装置、整流装置、总压测量耙、拉瓦尔喷管和静压测量装置，所述壳体为圆筒状，其前端具有接口，在试验室时通过中压橡胶软管能够将所述接口与进气道试验模型的出口密封连接，在所述接口的后端具有扩张段，用于对来流减速，在所述扩张段之后为平直段，所述反压调节装置包括节流锥和驱动控制机构，所述节流锥配置于所述扩张段内，所述驱动控制机构配置于所述平直段内，用于驱动控制所述节流锥前后移动，在其后的平直段内，依次安装有所述整流装置、所述总压测量耙和所述拉瓦尔喷管，所述拉瓦尔喷管的出口与所述壳体的后端口平齐，所述静压测量装置安装于所述拉瓦尔喷管的喉部。

2.如权利要求1所述的进气道流量测量系统，其特征在于：所述整流装置包括两层阻尼网和一层蜂窝器，按照阻尼网、蜂窝器、阻尼网的顺序依次配置于所述平直段内。

3.如权利要求2所述的进气道流量测量系统，其特征在于：所述阻尼网为20目/英寸，用于破碎气流中的小涡，所述蜂窝器为等边六边形结构，该六边形对角线长度为6.4毫米，长度为30毫米，用于气流导向。

4.如权利要求1所述的进气道流量测量系统，其特征在于：所述总压测量耙为米字耙，沿周向均匀布置有八个耙位，每个耙位上布置有5个总压测量点，在圆截面的中心点上单独布置了1个总压测量点，测压点总数为41个，在所述壳体的圆截面上按测压点等面积分布。

5.如权利要求1所述的进气道流量测量系统，其特征在于：所述拉瓦尔喷管喉道处具有一段20毫米长的等直段，所述静压测量装置包括6排静压测量点，沿周向均匀配置在所述等直段上，每排静压测量点包含前、中、后3个静压测量点，沿20毫米长的所述等直段等距分布。

6.如权利要求1～4中任一项所述的进气道流量测量系统，其特征在于：还包括引射器，所述引射器包括引射器等直段、固定安装于所述引射器等直段外壁的集气室、与所述引射器等直段的后端连接的环形喷管和与所述集气室连接的混合段，所述引射器等直段的前端通过法兰密封连接在所述拉瓦尔喷管的后端，所述集气室与中压管道连通。

7.如权利要求5所述的进气道流量测量系统，其特征在于：所述混合段为扩张型混合段，其总长为930毫米，扩张角为6度。