CN104897406A - 一种旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统，包括气源供给系统、风洞筒体、拉瓦尔喷管、平面叶栅实验段和实验测试与数据采集系统，所述的平面叶栅实验段由上盖板、下端壁、下托板、隔板、压缩面、喉部、扩压面、节流阀、节流阀电机、节流阀变频器和可转平台组成。平面叶栅实验段由偶数个隔板分割成奇数个进气流道。本发明在平面叶栅实验段之前配置拉瓦尔喷管，以较低的成本和技术难度实现较高的超声速来流条件，并能够通过更换拉瓦尔喷管调节进口来流马赫数，从而实现不同来流马赫数条件下旋转冲压压缩转子平面叶栅实验研究。本发明还可以进行不同背压、不同来流攻角和不同隔板顶部间隙时旋转冲压压缩转子平面叶栅实验研究。

Description

一种旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，具体涉及一种旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统。

背景技术

燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后，近几十年来发展迅速的新型动力装置，其在航空发动机领域取得统治地位后，越来越多的应用于水面舰艇、燃机电厂等领域。燃气轮机是以部件技术为基础的，其性能的改进离不开部件技术的发展。而压气机作为燃气轮机的三大核心部件之一，其技术的革新对燃气轮机性能的提高有举足轻重的作用。

旋转冲压压缩转子作为一种新型的超声速压气机转子，具有单级压比高、结构紧凑、重量轻等优点，其相关技术的研发和应用必会降低燃气轮机的尺寸和重量，进而提高其功重比。

作为一种全新的压缩系统，旋转冲压压缩转子试验技术是目前亟待解决的关键问题之一。由于工作转速较高，旋转冲压压缩转子试验件对材料、润滑和支撑等的要求非常苛刻，因此，研发旋转冲压压缩转子级试验系统，并开展试验研究存在研制周期长、技术难度高、风险性高和成本高等缺点，同时，旋转冲压压缩转子级试验仅能获得进出口总参数以及机匣壁面压力分布参数，而不能获得其内部较为详细的流场结构参数，不利于深入理解旋转冲压压缩转子内部的流动机理。现有的压气机平面叶栅实验系统针对的是常规压气机，虽然测量手段丰富，但其实验段来流速度相对较低，多为亚声速或跨声速，满足不了旋转冲压压缩转子平面叶栅实验段来流速度为较高超声速的要求。另外，现有的压气机平面叶栅实验系统实验段出口直接与大气环境相连，没有设置节流阀等设备，不能实现实验段出口背压的调节。此外，为了获得旋转冲压压缩转子内部流动特征及总体性能随实验工况的变化规律，需要开展多工况条件下旋转冲压压缩转子平面叶栅实验研究，而目前还没有专门用于旋转冲压压缩转子平面叶栅开展多工况研究的实验系统。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统，可实现较高的超声速来流条件且实验段出口背压可调，能开展多工况条件下的旋转冲压压缩转子平面叶栅实验。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统，包括气源供给系统、风洞筒体、拉瓦尔喷管、平面叶栅实验段和实验测试与数据采集系统，所述的气源供给系统由电机、离心鼓风机、稳压段和变频控制器组成；所述的风洞筒体由扩圧段、稳流段和收缩段组成，在稳流段内部布置蜂窝器和整流网，在整流网后的稳流段侧壁开设总压探针的测量孔口；风洞筒体之后连接拉瓦尔喷管。拉瓦尔喷管之后放置平面叶栅实验段，所述的平面叶栅实验段由上盖板、下端壁、下托板、隔板、压缩面、喉部、扩压面、节流阀、节流阀电机、节流阀变频器和可转平台组成。平面叶栅实验段由偶数个隔板分割成奇数个进气流道。

组成进气流道的隔板均沿气流流动方向放置，顺气流流动方向看，最左侧隔板的前缘位于拉瓦尔喷管的出口位置，与其相邻的第二个隔板的前缘与最左侧隔板的前缘之间沿气流流动方向错开一定的距离，其它隔板前缘与其左侧相邻隔板前缘之间也同样依次错开相同的距离。两相邻隔板前缘之间在气流流动方向错开的距离均相等，且两相邻隔板之间的距离均保持一个进气流道的宽度。压缩面、喉部和扩压面沿气流流动方向依次安装在两相邻隔板之间的重叠区域，并通过螺栓或销钉或螺钉与下端壁相连接，且压缩面、喉部和扩压面三者沿流向长度之和不超过两相邻隔板沿流向方向重叠区域的长度。

所述的下端壁通过螺栓固定在可转平台上。所述的上盖板通过空心圆筒支撑在下端壁上，并且通过螺栓穿过空心圆筒把上盖板固定在下端壁上，上盖板与下端壁之间保持一个旋转冲压压缩转子进气流道高度。所述的隔板穿过下端壁，并通过螺栓或销钉或螺钉固定在下托板上。下托板与下端壁之间留有适当的间隙，并通过螺栓与下端壁进行连接，下端壁底部开有一定深度的螺纹孔，通过调整螺栓在下端壁底部螺纹孔中的旋进深度，控制下端壁与下托板之间的间隙，进而调整旋转冲压压缩转子进气流道隔板顶部间隙。隔板侧壁和进气流道上盖板上分别开设隔板静压孔和上盖板静压孔，所述的隔板静压孔从隔板50％高度处连通到隔板底部。在拉瓦尔喷管出口侧面设置一个侧挡板，侧挡板通过螺栓连接在拉瓦尔喷管上。所述的实验测试与数据采集系统包括气动探针、总压探针、五孔探针、坐标位移机构、粒子图像测速仪PIV、纹影仪、油流装置、压力扫描阀和远程计算机。所述的气动探针安插在上盖板上壁面和隔板的底面；所述的总压探针安装在稳流段中的整流网之后，并伸入稳流段的中心位置处；所述的坐标位移机构安装在拉瓦尔喷管的上壁面靠近出口位置处，并通过螺栓固定在拉瓦尔喷管上；所述的五孔探针通过螺栓连接在坐标位移机构上，并通过狭缝伸入旋转冲压压缩转子进气流道内部；所述的粒子图像测速仪由PIV激光发生器、PIV相机和粒子发生器组成，其中PIV激光发生器放置在平面叶栅实验段正上方，PIV相机安放在平面叶栅实验段的侧面，并和平面叶栅实验段保持在同一水平高度上，粒子发生器放置在收缩段下方地面上，并通过管路连接到收缩段近出口位置；所述的纹影仪由纹影光源、反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ、刀口和纹影相机组成，纹影光源、反射镜Ⅰ和反射镜Ⅱ、刀口、纹影相机分别安放在平面叶栅实验段的两侧，并和平面叶栅实验段保持在同一水平高度上；所述的油流装置由油流铁粉和硅油组成；所述的压力扫描阀由多个压力扫描模块组成，内部集成了压力传感器和A/D变换器，感受压力信号后，经过处理直接输出数字信号到远程计算机。

本发明的工作过程如下：

本发明工作时，变频控制器控制电机并驱动离心鼓风机，将获得了一定压力和温度的气流送入风洞筒体，经过稳流段内的蜂窝器和整流网的碎涡和整流作用之后，得到较为平稳的气流，经拉瓦尔喷管将气流加速到超声速，然后进入平面叶栅实验段，气流通过平面叶栅实验段后排入大气。实验时，气动探针得到隔板半叶高处和上盖板上的壁面静压，总压探针对进入平面叶栅实验段的进口来流总压进行测量，五孔探针在坐标位移机构的步进电机驱动下进行平面叶栅出口截面气动参数测量。上述气动探针、总压探针和五孔探针感知的流场压力信号，经过气动软管传递到压力扫描阀的传感器，压力信号经A/D变换器转换后，直接输出数字信号到远程计算机。粒子图像测速仪通过PIV激光发生器和PIV相机捕捉由粒子发生器散布在旋转冲压压缩转子平面叶栅实验段内部示踪粒子的速度分布，进而显示其内部速度矢量场。纹影仪采用“Z”字形光路布置，光源发出的光线通过反射镜Ⅰ反射后穿过光学玻璃侧挡板和隔板，并再次通过反射镜Ⅱ反射后进入刀口，最终被纹影相机捕获，进而获得可分辨的激波结构纹影图像。将铁粉和硅油按一定比例勾兑，然后涂抹在压缩面、喉部、扩压面和隔板壁面表面进行油流实验，获得以上壁面流动图谱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在平面叶栅实验段之前配置拉瓦尔喷管，不仅可以以较低的成本和较小的技术难度实现较高的超声速来流条件，而且能够通过更换拉瓦尔喷管实现进口来流马赫数的调节，从而实现不同来流马赫数条件下的旋转冲压压缩转子平面叶栅实验研究。

2、本发明在转冲压压缩转子平面叶栅实验段后设置节流阀，通过调节节流可以实现平面叶栅实验段出口背压的调节，从而可以进行不同背压工况下旋转冲压压缩转子平面叶栅实验研究。

3、本发明将将平面叶栅实验段固定在可转平台上，通过调节可转平台的旋转角度可以方便、快捷地调节平面叶栅实验段的来流攻角，实现不同来流攻角的旋转冲压压缩转子平面叶栅实验研究。

4、本发明将隔板固定在下托板上，通过调整下托板和下端壁之间的螺栓在下端壁螺纹中的旋进深度可以方便地实现隔板顶部间隙尺寸的调节，从而可以方便地进行不同隔板顶部间隙条件下的旋转冲压压缩转子平面叶栅实验研究。

附图说明

图1是旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统示意图。

图2是平面叶栅实验段三维示意图。

图3是平面叶栅实验段俯视图及纹影仪布置示意图。

图4是图3中A-A截面处剖切后的放大图。

图5是图3中B-B截面处剖切后的放大图。

图6是隔板安装示意图。

图7是图6中A处隔板顶部间隙调节机构局部放大图。

图8是隔板压力面静压孔位置示意图。

图9是隔板吸力面静压孔位置示意图。

图10是上盖板示意图。

图11是粒子图像测速仪PIV布置示意图。

图中：1、电机，2、离心鼓风机，3、稳压段，4、扩圧段，5、稳流段，6、收缩段，7、拉瓦尔喷管，8、平面叶栅实验段，9、上盖板，10、下端壁，11、下托板，12、隔板，13、压缩面，14、喉部，15、扩压面，16、节流阀，17、节流阀电机，18、节流阀变频器，19、可转平台，20、隔板静压孔，21、上盖板静压孔，22、总压探针，23、坐标位移机构，24、五孔探针，25、PIV激光发生器，26、PIV相机，27、粒子发生器，28、纹影光源，29、反射镜Ⅰ，30、反射镜Ⅱ，31、刀口，32、纹影相机，33、狭缝，34、侧挡板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：

如图1所示，本发明旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统主要由气源供给、风洞筒体、拉瓦尔喷管7、平面叶栅实验段8、实验测试与数据采集系统共计五个部分组成。通过变频控制器控制电机1，并驱动离心鼓风机2提供连续气源，进而获得一定的气源总压和速度，此部分气流经过稳压段3进入风洞筒体的扩压段4，气流在此圆转方的扩压段内静压值得到提升，进入方形的稳流段5后由于受到其内置的蜂窝器和整流网的碎涡、整流作用，在稳流段5出口得到平稳的气流。从稳流段5出来的平稳气流进入收缩段6。收缩段6的作用有两个：一是减小风洞筒体的高度，使其与实验需求高度相匹配；二是对气流起到一定的加速作用。从收缩段6出来的气流进入拉瓦尔喷管7，并通过拉瓦尔喷管7的加速达到实验需求的超声速来流条件，可以通过更换不同设计的拉瓦尔喷管7以满足不同的来流速度要求。拉瓦尔喷管7流出的超声速气流进入平面叶栅实验段8，拉瓦尔喷管7出口宽度要大于平面叶栅实验段8的进口宽度，以防止发生拉瓦尔喷管7出口的气流不能全部进入平面叶栅实验段8而发生危险。如图2和图3所示，为保证平面叶栅实验段8中各个进气流道气流均匀，侧挡板34一直延伸到近侧挡板34位置处隔板12的前缘位置附近。下托板11可以设置为一个，将奇数个隔板12全部连接在此下托板11上，也可以设置多个，使每个隔板12都连接在相对应的下托板11上。所述平面叶栅实验段8中的压缩面13、喉部14和扩压面15(图4)可以单独设计、加工，通过螺栓或销钉或螺钉与下端壁10相连接，从而便于更换不同造型的压缩面13、喉部14和扩压面15；也可以为一体化设计，然后通过螺栓或销钉或螺钉与下端壁10相连接。

从图5来看，偶数个隔板12将平面叶栅实验段8分隔成奇数个进气流道，由于相邻隔板12隔开的进气流道具有周期性，因而在实验时只测量中间一个进气流道的流场参数。为方便进行PIV和纹影实验，平面叶栅实验段8中的隔板12、上盖板9和侧挡板34均采用光学玻璃加工制造，隔板12穿过下端壁10，通过螺栓或销钉或螺钉固定在下托板11上，上盖板9和下端壁10固定不动，通过调节下端壁10和下托板11之间的的螺栓在下端壁10中的旋进深度进行隔板12顶部间隙尺寸的调节，如图6和图7所示。通过调节可转平台19的转轮进行旋转冲压压缩转子平面叶栅实验段8进口气流攻角的调节。通过节流阀变频器18控制节流阀电机17进而驱动节流阀16水平移动，以此来模拟进气流道出口压力的提高。

气动参数测量：如图3所示，总压探针22伸入风洞筒体的稳流段5的中心位置处，进行来流气流总压的测量。在平面叶栅实验段8中间进气流道的两侧隔板12(一个隔板12压力面和一个相邻隔板12吸力面)和上盖板9位置处分别开设隔板静压测量孔20和上盖板静压孔21(见图8-10)，通过气动探针测量壁面静压。同时，在上盖板9开设一个进气流道宽度的狭缝33(见图10)，方便五孔探针24伸入进气流道内部，坐标位移机构23安装在拉瓦尔喷管7的上壁面靠近喷管出口位置处，通过远程计算机编程驱动坐标位移机构23，进而控制五孔探针24测量平面叶栅出口流场参数。气动探针、总压探针22和五孔探针24感知的压力信号经气动软管传递到压力扫描模块进行数据采集，经A/D转换后，输出数字信号到远程计算机，完成气动参数测量。

PIV测量：如图11所示，在实验段上方由PIV激光发生器25生成片光源射入进气流道内部，粒子发生器27在风洞收缩段6中散布示踪粒子，PIV激光发生器25和PIV相机26通过同步器控制，以保证当片光光源照射流场时，相机处于曝光状态，PIV相机26通过接收流场中示踪粒子的散射光信号获取流场中的粒子图像，得到平面叶栅内部速度矢量场，进而分析旋转冲压压缩转子平面叶栅内包括流动分离结构在内的流动细节结构。

激波结构测量：如图3所示，纹影光源28发出的光线经反射镜Ⅰ29形成平行光束，平行光透过流场后，经反射镜Ⅱ30反射，经过刀口31后，被纹影相机32捕捉，进而可以捕捉到流场中的气流密度变化，从而反映出激波结构形态。

油流显示：将铁粉和硅油按一定比例勾兑，均匀的涂抹于隔板12壁面和压缩面13、喉部14、扩压面15上，进行壁面流谱显示。

Claims (1)

1.一种旋转冲压压缩转子平面叶栅实验系统，其特征在于：包括气源供给系统、风洞筒体、拉瓦尔喷管(7)、平面叶栅实验段(8)和实验测试与数据采集系统，所述的气源供给系统由电机(1)、离心鼓风机(2)、稳压段(3)和变频控制器组成；所述的风洞筒体由扩圧段(4)、稳流段(5)和收缩段(6)组成，在稳流段(5)内部布置蜂窝器和整流网，在整流网后的稳流段(5)侧壁开设总压探针(22)的测量孔口；风洞筒体之后连接拉瓦尔喷管(7)；拉瓦尔喷管(7)之后放置平面叶栅实验段(8)，所述的平面叶栅实验段(8)由上盖板(9)、下端壁(10)、下托板(11)、隔板(12)、压缩面(13)、喉部(14)、扩压面(15)、节流阀(16)、节流阀电机(17)、节流阀变频器(18)和可转平台(19)组成；平面叶栅实验段(8)由偶数个隔板(12)分割成奇数个进气流道；

组成进气流道的隔板(12)均沿气流流动方向放置，顺气流流动方向看，最左侧隔板(12)的前缘位于拉瓦尔喷管(7)的出口位置，与其相邻的第二个隔板(12)的前缘与最左侧隔板(12)的前缘之间沿气流流动方向错开一定的距离，其它隔板(12)前缘与其左侧相邻隔板(12)前缘之间也同样依次错开相同的距离；两相邻隔板(12)前缘之间在气流流动方向错开的距离均相等，且两相邻隔板(12)之间的距离均保持一个进气流道的宽度；压缩面(13)、喉部(14)和扩压面(15)沿气流流动方向依次安装在两相邻隔板(12)之间的重叠区域，并通过螺栓或销钉或螺钉与下端壁(10)相连接，且压缩面(13)、喉部(14)和扩压面(15)三者沿流向长度之和不超过两相邻隔板(12)沿流向方向重叠区域的长度；

所述的下端壁(10)通过螺栓固定在可转平台(19)上；所述的上盖板(9)通过空心圆筒支撑在下端壁(10)上，并且通过螺栓穿过空心圆筒把上盖板(9)固定在下端壁(10)上，上盖板(9)与下端壁(10)之间保持一个旋转冲压压缩转子进气流道高度；所述的隔板(12)穿过下端壁(10)，并通过螺栓或销钉或螺钉固定在下托板(11)上；下托板(11)与下端壁(10)之间留有适当的间隙，并通过螺栓与下端壁(10)进行连接，下端壁(10)底部开有一定深度的螺纹孔，通过调整螺栓在下端壁(10)底部螺纹孔中的旋进深度，控制下端壁(10)与下托板(11)之间的间隙，进而调整旋转冲压压缩转子进气流道隔板(12)顶部间隙；隔板(12)侧壁和进气流道上盖板(9)上分别开设隔板静压孔(20)和上盖板静压孔(21)，所述的隔板静压孔(20)从隔板(12)50％高度处连通到隔板(12)底部；在拉瓦尔喷管(7)出口侧面设置一个侧挡板(34)，侧挡板(34)通过螺栓连接在拉瓦尔喷管(7)上；所述的实验测试与数据采集系统包括气动探针、总压探针(22)、五孔探针(24)、坐标位移机构(23)、粒子图像测速仪PIV、纹影仪、油流装置、压力扫描阀和远程计算机；所述的气动探针安插在上盖板(9)上壁面和隔板(12)的底面；所述的总压探针(22)安装在稳流段(5)中的整流网之后，并伸入稳流段(5)的中心位置处；所述的坐标位移机构(23)安装在拉瓦尔喷管(7)的上壁面靠近出口位置处，并通过螺栓固定在拉瓦尔喷管(7)上；所述的五孔探针(24)通过螺栓连接在坐标位移机构(23)上，并通过狭缝(33)伸入旋转冲压压缩转子进气流道内部；所述的粒子图像测速仪由PIV激光发生器(25)、PIV相机(26)和粒子发生器(27)组成，其中PIV激光发生器(25)放置在平面叶栅实验段(8)正上方，PIV相机(26)安放在平面叶栅实验段(8)的侧面，并和平面叶栅实验段(8)保持在同一水平高度上，粒子发生器(27)放置在收缩段(6)下方地面上，并通过管路连接到收缩段(6)近出口位置；所述的纹影仪由纹影光源(28)、反射镜Ⅰ(29)、反射镜Ⅱ(30)、刀口(31)和纹影相机(32)组成，纹影光源(28)、反射镜Ⅰ(29)和反射镜Ⅱ(30)、刀口(31)、纹影相机(32)分别安放在平面叶栅实验段(8)的两侧，并和平面叶栅实验段(8)保持在同一水平高度上；所述的油流装置由油流铁粉和硅油组成；所述的压力扫描阀由多个压力扫描模块组成，内部集成了压力传感器和A/D变换器，感受压力信号后，经过处理直接输出数字信号到远程计算机。