CN106032979A - 一种测量涡轮导器排气面积的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量涡轮导器排气面积的方法，测量原理是以体围面，通过容积测量达到测量排气面积的目的，通过构造一个亥姆霍兹消声器进行相应容积的计算；通过在声传播通道旁加入一由颈部和腔体构成的亥姆霍兹共振腔，传播通道内声波经过时，激励颈部气体与空腔内气体振动；某一特定频率的声波激励恰好使腔内气体共振，由于阻尼作用能量消耗明显，相较其它频率的声波经过时幅值变化明显，即在声通道入口与出口端传递损失最大；经过计算机处理入射波与出射波的声压信号，求得各频率声波的传递损失TL。本发明的优点：本发明所述的测量涡轮导器排气面积的方法，声学测量容积法测量精度高，与其它误差相比，测量误差几乎可忽略不计。

Description

一种测量涡轮导器排气面积的方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别涉及了一种测量涡轮导器排气面积的方法。

背景技术

图1所示的燃气涡轮发动机是一种广泛应用的动力机械，其工作以空气为介质，通过一定的工作循环(称为热力循环)，将化学能能转化为机械能。其核心部件包括风扇、燃烧室和燃气涡轮部件。燃气涡轮部件的功能是利用燃烧室提供的高温高压燃气推动涡轮转子带动风扇转子作功，同时为飞行器提供推力或进一步通过动力涡轮输出扭矩。

涡轮导向器的作用是改变高温高压燃气气流速度和方向，为转子叶片进口提供适当的气流方向，以便通过转子时获得大扭速，同时改善涡轮转子的工作条件。导向器结构包括由数件构成燃气通道的整圈导向叶片及支撑、定位结构，通常包括外环、内环和导向叶片，导向叶片在内外环之间，有一端为自由端，冷态下是松动的，允许自由热胀冷缩。涡轮导向器的喉道是发动机的“气门”，喉道排气面积直接影响发动机的运行状况，是发动机设计和生产中需要了解的十分重要的一个参数。当导向叶片出口截面上的压力降低到一定值时，导向叶片流道内的音速线会贯穿整个流道，此时其流量不再随导向叶片出口截面上压力的降低而增加，此时导向叶片进入阻塞状态，所以导向叶片喉道面积对核心机流量有着直接的、显著的影响。

涡轮导向器排气面积影响涡轮流通能力，对发动机性能影响敏感，主要影响的参数有燃气流量、膨胀比(功率)、高低压功率分配、发动机排气温度。对导向器进行排气面积测量，一方面控制导向叶片排气角度，为转子叶片提供设计要求的进气角度，保证涡轮性能，另一方面便于导向器组装时选配叶片，控制导向器排气面积。导向器排气面积由喉道面积决定的，喉道宽度如图2所示，总的喉道面积之和为导向器的排气面积。目前常用的测量方法是三坐标法和标准样件测具法等，存在在操作过程复杂、自动化程度低的问题。

发明内容

本发明的目的是采用声学原理进行导向器排气面积的测量，测量原理不是传统的“以点代面”，而是“以体围面”，通过容积测量达到测量排气面积的目的，通过构造一个亥姆霍兹消声器进行相应容积的计算，特提供了一种测量涡轮导器排气面积的方法。

本发明提供了一种测量涡轮导器排气面积的方法，其特征在于：采用声学原理进行导向器排气面积的测量，测量原理不是传统的“以点代面”，而是“以体围面”，通过容积测量达到测量排气面积的目的，通过构造一个亥姆霍兹消声器进行相应容积的计算，亥姆霍兹消声器原理示意图如图3所示。

通过在声传播通道旁加入一由颈部和腔体构成的亥姆霍兹共振腔，传播通道内声波经过时，激励颈部气体作为质量块与空腔内气体作为弹性支撑的振动；某一特定频率的声波激励恰好使腔内气体共振，由于阻尼作用能量消耗明显，相较其它频率的声波经过时幅值变化明显，即在声通道入口与出口端传递损失最大。

经过计算机处理入射波与出射波的声压信号，求得各频率声波的传递损失TL，可得到如附图4所示的TL-f关系曲线。

已知颈部长度为L，截面积为S，空腔容积V，流体内声波传播速度为c，则亥姆霍兹共振腔内气柱的共振频率为：

$f=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{VL}}}$

声波传播速度c、颈部长度L及颈部截面积S已知，共振频f可通过声波信号识别，则可知亥姆霍兹共振腔容积：

$V=\frac{c^{2}S}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^{2}L}$

声学测容积法测量误差可由下列公式推导得出，具体如下：

由可得

因ΔV<<V_真，因此

假设f_真＝200Hz，若使频率分辨率控制在0.1Hz以内，即令Δf<0.1Hz，

由关系式可知：容积测量误差可控制在千分之一以内，而目前这一目标通过计算机数据识别手段是可以达到的；如果分辨率更高，则容积测量误差可进一步降低。

本发明的优点：

本发明所述的测量涡轮导器排气面积的方法，声学测量容积法测量精度高，与其它误差相比，测量误差几乎可忽略不计。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为燃气涡轮发动机示意图；

图2为喉道宽度示意图；

图3为亥姆霍兹消声器原理示意图；

图4为声波传递损失-频率关系图；；

图5为本发明构造的亥姆霍兹消声器剖面图；；

图6为测量平板装置与叶片位置关系示意图；

图7为排气面积测量平板装置结构图；

图8为盖板结构示意图；

图中，1-声音传播软管通道，2-盖板，3-平板I，4-可压缩材料，5-平板II，6-连接螺母，7-双头螺栓，8-压气机，9-燃烧室，10-涡轮部件，11-低压涡轮转子，12-低压涡轮导向器，13-高压涡轮转子，14-高压涡轮导向器，15-发动机旋转轴，16-发动机机匣。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种测量涡轮导器排气面积的方法，其特征在于：采用声学原理进行导向器排气面积的测量，测量原理不是传统的“以点代面”，而是“以体围面”，通过容积测量达到测量排气面积的目的，通过构造一个亥姆霍兹消声器进行相应容积的计算，亥姆霍兹消声器原理示意图如图3所示。

通过在声传播通道旁加入一由颈部和腔体构成的亥姆霍兹共振腔，传播通道内声波经过时，激励颈部气体作为质量块与空腔内气体作为弹性支撑的振动；某一特定频率的声波激励恰好使腔内气体共振，由于阻尼作用能量消耗明显，相较其它频率的声波经过时幅值变化明显，即在声通道入口与出口端传递损失最大。

经过计算机处理入射波与出射波的声压信号，求得各频率声波的传递损失TL，可得到如附图4所示的TL-f关系曲线。

已知颈部长度为L，截面积为S，空腔容积V，流体内声波传播速度为c，则亥姆霍兹共振腔内气柱的共振频率为：

$f=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{VL}}}$

声波传播速度c、颈部长度L及颈部截面积S已知，共振频f可通过声波信号识别，则可知亥姆霍兹共振腔容积：

$V=\frac{c^{2}S}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^{2}L}$

声学测容积法测量误差可由下列公式推导得出，具体如下：

由可得

因ΔV<<V_真，因此

假设f_真＝200Hz，若使频率分辨率控制在0.1Hz以内，即令Δf<0.1Hz，

由关系式可知：容积测量误差可控制在千分之一以内，而目前这一目标通过计算机数据识别手段是可以达到的；如果分辨率更高，则容积测量误差可进一步降低。

理论上，声学法要求基本关系式成立的基本要求是颈部及空腔的特征长度或理解为任意方向的可测量长度小于共振频率波波长以避免空腔内出现驻波；在此前提下，亥姆霍兹共振理论可认为是较严格成立的。测量时空腔内流体为空气，c＝340m/s，通常导叶内围成空腔的特征长度小于0.2m，因此通常要求共振频率f<1700Hz，但f不宜过大或过小，综合考虑共振腔设计时建议f取50Hz～200Hz，初步认为对于高导排气面积测量时最好在200Hz附近。

如图5所示，两间距为d₀的平行平板I、平板II通过三根中间带台阶的双头螺钉7连接为一体，其中平板I与盖板2装配。盖板上有截面积为S、深度为L的小孔8，小孔一侧连通平板I，另一侧连通一根空心软管1，在连接位置处，保证软管内气体流向或声传播方向与小孔中心线垂直或近似垂直。

可选参数：

板间距2mm；小孔孔深2mm；

孔径1mm，声管内径4mm

d₀＝5mm；L＝2mm；此时S＝p(1mm)²，f≈200～300Hz，

测量示意图如图6，设计两平板装置示意图如图7所示，应根据所测导叶喉部附近上、下缘板内侧及两侧叶身形状确定，不仅要求平板组合结构可顺利地放入通道内，在喉部附近与周围四面形成空腔，而且要求应使空腔封闭。为保证空腔密封良好，同时为保护叶身涂层，平板周边需布一层的尽可能薄的可压缩材料，如硬质橡胶；测量时，平板组合件通过上、下缘板端面及两待测叶片叶身表面定位。

具体操作过程如下：首先将组装有盖板连接有亥姆霍兹消声器的平板I从叶片前缘缓缓推入至喉道附近位置，直到平板两侧与叶身挤压表面压紧，然后将三个双头螺栓分别装配到平板上，拧上螺母，然后叶片后缘侧将平板II装入，靠紧在双头螺栓的台阶面上，拧紧螺母。测量时，通气软管一端接受持续的宽频声源激励，在声波入口与出口端安装压力脉动传感器采集稳态的时域声压信号，由计算机完成信号时频变换，得出传递损失－频率关系，识别出亥姆霍兹谐振腔的共振频率f，通过已知数据换算出腔体容积V，即进而得出平板间空腔的截面积喉部面积其中S_螺栓是螺栓台阶面截面积，d₀可根据实际情况做适当调整。

Claims (1)

1.一种测量涡轮导器排气面积的方法，其特征在于：采用声学原理进行导向器排气面积的测量，测量原理是以体围面，通过容积测量达到测量排气面积的目的，通过构造一个亥姆霍兹消声器进行相应容积的计算；

通过在声传播通道旁加入一由颈部和腔体构成的亥姆霍兹共振腔，传播通道内声波经过时，激励颈部气体与空腔内气体振动；某一特定频率的声波激励恰好使腔内气体共振，由于阻尼作用能量消耗明显，相较其它频率的声波经过时幅值变化明显，即在声通道入口与出口端传递损失最大；

经过计算机处理入射波与出射波的声压信号，求得各频率声波的传递损失TL；

已知颈部长度为L，截面积为S，空腔容积V，流体内声波传播速度为c，则亥姆霍兹共振腔内气柱的共振频率为：

$f=\frac{c}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{VL}}}$

声波传播速度c、颈部长度L及颈部截面积S已知，共振频f可通过声波信号识别，则可知亥姆霍兹共振腔容积：

$V=\frac{c^{2}S}{{4\mathrm{\&pi;}}^2{f}^{2}L}$

声学测容积法测量误差可由下列公式推导得出，具体如下：

由可得

因ΔV＜＜V_真，因此

验证：假设f_真＝200Hz，若使频率分辨率控制在0.1Hz以内，即令Δf＜0.1Hz，由关系式可知：容积测量误差可控制在千分之一以内。