CN107036665B

CN107036665B - 一种测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置及方法

Info

Publication number: CN107036665B
Application number: CN201611034819.5A
Authority: CN
Inventors: 彭中九; 陈盛; 王志凯; 罗莲军; 蔡茂; 胡好生
Original assignee: China Aircraft Power Machinery Institute
Current assignee: China Aircraft Power Machinery Institute
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2036-11-23
Also published as: CN107036665A

Abstract

本发明属于燃气涡轮发动机领域，公开了一种测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置及方法，包括测量段组件、排气组件、进气孔板、支撑架和衬块。测量段组件模拟燃烧室二股通道气流流动；排气组件模拟火焰筒内腔空间，将原先采用两个二次流通道上的流量计获取进气孔的空气流量方式改换成抽气测量方式在排气组件出口进行测量以提高进气孔流量测量精度，同时也便于排气组件采用有机玻璃材料加工以进行进气孔出口流场特性的可视化分析，提高流量系数数据的试验精度，降低试验件的复杂程度，同时也便于试验数据能够用于一维流动分析软件、三维商业CFD软件计算模型的校准，以及全环燃烧室流量分配试验的验证。

Description

一种测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置及方法

技术领域

本发明属于燃气涡轮发动机领域，更具体的，涉及一种测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置及方法。

背景技术

火焰筒进气孔的流量系数是燃烧室设计及研制中非常重要的设计数据，进气孔不同结构乃至不同尺寸均会导致流量系数不同，而由于影响流量系数的因素很多，因此，要想获取高精确度的流量系数数据惟有通过试验方法获得。

目前，通过试验方法测量流量系数数据的方法大体有如下两种方式：1）图1所示的不考虑燃烧室二股通道二次流气流流动影响，空气在压差的作用下经由进气孔板直接向室内大气排泄，通过试验获取压降与流量系数的关系曲线；2）图2所示的既考虑燃烧室二股通道二次流气流流动影响也考虑火焰筒内主流流动影响，空气在压差的作用下经由进气孔板进入主流通道，而后随主流一起直接向室内大气排泄，通过试验获取压降与流量系数的关系曲线或者是雷诺数与流量系数的关系曲线。由于影响流量系数的气动因素主要有以下准则参数：燃烧室二股通道二次气流与进气孔射流动量比；进气孔内气流雷诺数；火焰筒内主流与进气孔射流动量比。根据已有研究成果，进气孔内气流雷诺数以及火焰筒内主流与进气孔射流动量比均对流量系数的影响作用较小，因此，上文所述的第一种试验方法获得的流量系数实际上缺乏燃烧室设计指导性，第二种试验方法测量流量系数则试验过程比较繁琐，且经由进气孔的空气流量采用的是二次流通道上进气孔前后两端流量计示数的差值（流量计Ⅰ－流量计Ⅱ），这种流量获取方式必将导致流量系数数据精确度下降。

两种试验方法中，第一种方法的缺陷是：空气是在压差的作用下经由进气孔板直接向室内大气排泄，试验过程中未考虑燃烧室二股通道二次流气流流动影响，通过试验只能获取压降与流量系数的关系曲线，获得的试验数据缺乏燃烧室设计指导性；第二种方法的缺陷是：尽管试验过程中考虑了燃烧室二股通道二次流气流流动影响，但由于经由进气孔的空气流量需要采用两个二次流通道上的流量计才能获取，这种流量获取方式会导致流量系数数据精确度下降。另外，流经进气孔的空气流量是采用高压条件压入主流通道，为保证试验装置的安全性，设计的试验装置就相对而言较为复杂些，而且无法采用纯有机玻璃材料加工以便于对进气孔出口流场特性进行可视化分析。

发明内容

针对现有试验方法存在的缺陷以及根据已有的研究成果，为了提高流量系数数据的试验精度，降低试验件的复杂程度，同时也便于试验数据能够用于一维流动分析软件、三维商业CFD软件计算模型的校准，以及全环燃烧室流量分配试验的验证，基于以往的试验方法，本发明提出一种新的试验装置及方法，即：不考虑燃烧室主流影响但考虑燃烧室二股通道二次流气流流动影响，采用抽气方式测量流经进气孔板的空气流量，通过引入无量纲参数－压降系数α（进气孔上游与进气孔出口下游的静压差与总压差之比）概念，获取压降系数与流量系数的关系曲线及经验关系式。

本发明提供了一种测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，包括测量段组件、排气组件、进气孔板、支撑架、衬块，测量段组件为两端开口的矩形通道结构，其中部设有开口一；所述排气组件为筒内大小能使空气总压近似等于静压条件的筒体结构，排气组件有进气端和出气排管，排气组件进气端与测量段组件开口一连通；支撑架为设置在测量段组件开口一和排气组件进气端之间的板状开口结构，支撑架中间设有一个放置进气孔板的开口二，开口一、开口二和排气组件的进气端相互对应连通且三者密封连接，进气孔板中间设置有进气孔；所述衬块为条状且沿垂直气流流动方向设置在支撑架开口二两端，进气孔板放置在衬块和支撑架上，进气孔板与支撑架和衬块三者密封连接，所述测量段组件进气端设置有进口空气静压测量座和进口空气总压测量座，所述排气组件设置有出口空气静压测量座。

进一步地，所述测量段组件设置有螺纹通孔，支撑架和排气组件上设置有无螺纹通孔，螺纹通孔和无螺纹通孔相连通，并设置有与之相应的螺钉和垫圈，所述测量段组件、支撑架和排气组件三者通过螺钉连接。。

进一步优选地，所述螺钉连接可部分用螺栓连接替换，相应的，测量段组件在螺栓连接部位采用无螺纹通孔，配有与之相应的螺栓和螺母。

进一步地，所述测量段组件包括进气筒体和测量段安装板，所述进气筒体进气端和出气端都设置有法兰一，所述法兰一上设置有螺孔一，所述进口空气静压测量座和进口空气总压测量座设置在进气筒体上靠近进气端同一侧壁面的同一横截面上或同一横截面上下两侧壁面上，所述测量段安装板为测量段组件开口一周围的框状凸出结构，所述测量段组件上与支撑架连接的部位为测量段安装板，所述螺纹通孔设置在测量段安装板上，所述支撑架与测量段安装板之间设置有橡胶密封垫。

进一步地，所述排气组件包括排气筒体、底盖板、出气排管，所述排气筒体进气端周围设置有法兰二，所述法兰二为排气组件上与支撑架连接的部位，所述无螺纹通孔设置在法兰二上，支撑架与法兰二之间设置有橡胶密封垫，所述底盖板设置在出气排管底部，出气排管出气口周围设置有法兰三，法兰三上设置有螺孔二，所述出口空气静压测量座设置在排气筒体任一侧壁面上，数量为1个或者2个。

进一步地，所述支撑架在气流流动方向两端都设置有止口槽，支撑架在垂直气流流动方向两端都设置有沉槽和凸台，止口槽、沉槽和凸台形状都为条状，所述沉槽用来托放衬块，所述凸台和衬块用来托放进气孔板，当进气孔板与支撑架装配好后，所述凸台的高度要高出进气孔板。其中，两处凸台的作用在于当进气孔板与支撑架配装后，通过在凸台与进气孔板对接角落处涂抹密封胶可以将此处存留的间隙进行密封。

进一步地，所述螺纹通孔的数量不小于16个。

进一步地，所述进气孔板上两端与支撑架装配的位置设置有加工止口槽，加工止口槽搭接在止口槽上，每个止口槽上设置有2个螺纹孔，所述每个螺纹孔配有相应的固定螺钉，将进气孔板固定在支撑架上，所述进气孔板中间设置有进气孔。

进一步地，进气孔的数量≥1个。

进一步地，所述进气孔为圆孔或者其他形状的孔，进气孔中心线与测量段组件来流方向成0°~90°夹角。

本发明还提供了一种上述测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置的使用方法，在常温常压下，部分空气流量Wa2经由测量段组件出口直接向室内大气排气以模拟燃烧室二股通道气流流动的条件下，给定进口空气流量Wa1，由进口空气总压测量座上的总压探针和进口空气静压测量座上的静压探针分别测量进口空气总压Pt1和进口空气静压Ps1，通过抽气方式改变出口空气静压测量座测量的出口空气静压Ps3，进而测量出对应不同压降条件下的空气流量Wa3，然后根据已知的进气孔开孔面积以及流量系数与空气流量的关系换算出不同压降条件下的进气孔流量系数，得到压降系数与流量系数的关系曲线以及经验关系式。

相对现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明将原主流通道更换成一个内腔空间足够大的排气组件B，该组件主要是用于模拟火焰筒内腔空间，体积设计的足够大，能够保证筒内空气总压近似等于静压条件，以便于进气孔出口气流压力测量，进而便于计算无量纲参数－压降系数α（进气孔上游与进气孔出口下游的静压差与总压差之比）；将原先采用两个二次流通道上的流量计获取进气孔的空气流量方式改换成抽气测量方式在排气组件出口进行测量以提高进气孔流量测量精度，同时也便于排气组件采用有机玻璃材料加工以进行进气孔出口流场特性的可视化分析，提高流量系数数据的试验精度，降低试验件的复杂程度，同时也便于试验数据能够用于一维流动分析软件、三维商业CFD软件计算模型的校准，以及全环燃烧室流量分配试验的验证。

附图说明

图1为不带二次流的试验装置。

图2 为带主流的试验装置。

图3为本发明总体结构图。

图4为本发明进气孔板结构图。

图5为本发明支撑架结构图。

图6为本发明支撑架和进气孔板结构图。

图7为图6 A-A剖面图。

其中：1—压缩空气，2—流量计，3—压力调节阀，4—进气腔，5—室内大气，6—进气孔板，7—进口调节阀，8—流量计Ⅰ，9—配气筒，10—流量计Ⅱ，11—出口调节阀，12—调节阀，13—流量计，14—进气孔板，15—二次流，16—主流，17—室内大气。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

如图3所述，测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置主要由1件测量段组件A、1件排气组件B、1件进气孔板C、1件支撑架D、1件橡胶密封垫E、1件橡胶密封垫F、以及2件衬块K组成。

测量段组件A为矩形通道结构，测量段组件A中部设有一个矩形开口，排气组件B为筒体结构，排气组件B有进气端和凸出的出气排管B4，排气组件B有进气端为矩形开口，支撑架D为板状开口结构，支撑架D设置在测量段组件A中部的矩形开口和排气组件B进气端之间，支撑架D中间设置有一个可以放置进气孔板的矩形中空，支撑架D的矩形中空、测量段组件A的矩形开口和排气组件B的进气端相互对应连通，测量段组件上设置有20个螺纹通孔Q，支撑架D和排气组件B上分别设置有20个无螺纹通孔Q’，螺纹通孔Q和无螺纹通孔Q’相连通，并设置有与之相应的20个螺钉H和20个垫圈G，所述测量段组件A、支撑架D和排气组件B三者通过螺钉H连接；进气孔板C为矩形板状结构，进气孔板C中间设置有进气孔C11，衬块K沿垂直气流流动方向安装在支撑架D矩形开口的两端，衬块K为长条状且有两根，进气孔板C放置在衬块K和支撑架D上，进口空气静压测量座A4和进口空气总压测量座A2设置在进气筒体A3上靠近进气端同一横截面上下两侧壁面上，排气组件B上设置有1个出口空气静压测量座B6。

如图3所示，测量段组件A包括进气筒体A3和测量段安装板A5，进气筒体A3进气端和出气端都设置有法兰一A1，法兰一A1上设置有螺孔一A11，进口空气静压测量座A4和进口空气总压测量座A2设置在A3上靠近进气端，测量段安装板A5为测量段组件A矩形开口周围的凸出矩形框，测量段组件A上与支撑架D连接的部位为测量段安装板A5，20个螺纹通孔Q设置在测量安装板A5上。

如图3所示，排气组件B包括排气筒体B2、底盖板B3、出气排管B4，所述排气筒体B2进气端周围设置法兰二B1，排气组件B上与支撑架D连接的部位为法兰二B1，20个无螺纹通孔Q’设置在法兰二B1上，底盖板B3设置在出气排管B4底部，出气排管B4设置在排气筒体B2侧面，出气排管B4出气口周围设置有法兰三B5，法兰三B5上设置有螺孔二B51，出口空气静压测量座B6设置筒体壁上。

如图4至图6所述，支撑架D在气流流动方向两端分别设置有1个止口槽D11，支撑架D在垂直气流流动方向两端分别设置有沉槽D13和凸台D14，止口槽D11、沉槽D13和凸台D14形状为矩形条状，沉槽D13用来托放衬块K，凸台D14和衬块K用来托放进气孔板C，当进气孔板C与支撑架D装配好后，凸台D14的高度要高出进气孔板C，无螺纹通孔Q’设置在支撑架D四周。进气孔板C上两端与支撑架D装配的位置设置有加工止口槽C12，加工止口槽C12搭接在止口槽D11上，每个止口槽D11上设置有2个螺纹孔D12，每个螺纹孔D12配有相应的固定螺钉J，共4个，可以将进气孔板C固定在支撑架D上，进气孔板中间设置有1个进气孔C11，进气孔C11为圆孔结构且进气孔中心线与测量段组件A来流方向成90°夹角。

进气孔板C与支撑架D和衬块K装配间隙位置都涂有密封胶，支撑架D与法兰B1之间设有橡胶密封垫F，支撑架D与测量段安装板A5之间设置有橡胶密封垫E。

使用该测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置的方法为：

试验前，需先期将2件衬块K托放在支撑架D上的沉槽D13上用于支撑进气孔板C，随后在进气孔板C与支撑架D有密封装配的位置（比如：进气孔板C与支撑架D采用搭接密封的加工止口槽C12和止口槽D11之间）涂抹密封胶，而后用4个固定螺钉J将进气孔板C固定在支撑架D上，最后在支撑架D上的2处凸台D14位置处再涂抹一层密封胶将进气孔板C与支撑架D之间的装配间隙进行密封。在完成上述工作后，再将测量段组件A、排气组件B、已密封装配好后的带进气孔板C的支撑架D、橡胶密封垫E和橡胶密封垫F通过紧固件（垫圈G、螺钉H）进行连接。整个试验件装配完成后的状态是：测量段组件A进口通过螺栓与试验器直接连接；测量段组件A出口则直接与大气环境联通；排气组件B出口依次与空气流量计、抽气泵或引射器进行连接，以通过抽气方式测量经由进气孔C11的空气流量。

如图3所述，试验时，在常温常压且部分空气（Wa2）经由测量段组件A出口直接向室内大气排气以模拟燃烧室二股通道气流流动的条件下，给定进口空气流量Wa1，由进口空气总压测量座A2上的总压探针和进口空气静压测量座A4上的静压探针分别测量进口空气总压Pt1和进口空气静压Ps1，通过抽气方式改变出口空气静压Ps3（Ps3由安装在排气组件B上的出口空气静压测量座B6进行测量），进而测量出对应不同压降条件下的空气流量Wa3，而后根据已知的进气孔开孔面积以及流量系数与空气流量的关系换算出不同压降条件下的进气孔流量系数，最后即可得到压降系数与流量系数的关系曲线以及经验关系式。同理，通过换装进气孔板C和与之匹配的衬块K即可进行不同结构类型的进气孔板流量系数试验。为了了解进气孔出口流场特性，尤其是主燃孔或掺混孔等大孔的流场特性、出口气流偏转角，试验时可以根据需要在进口空气中加入示踪粒子，而后采用粒子图像测速仪（ParticleImager Velocimetry，简称PIV）对采用透光性较好的有机玻璃材料加工的排气组件B进行PIV测量，以获取流场特性等试验数据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。

Claims

1.一种测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，包括测量段组件(A)、排气组件(B)、进气孔板(C)、支撑架(D)、衬块(K)，测量段组件(A)为两端开口的矩形通道结构，其中部设有开口一；所述排气组件(B)为筒内大小能使空气总压近似等于静压条件的筒体结构，排气组件(B)有进气端和出气排管(B4)，排气组件(B)进气端与测量段组件(A)开口一连通；支撑架(D)为设置在测量段组件(A)开口一和排气组件(B)进气端之间的板状开口结构，支撑架(D)中间设有一个放置进气孔板(C)的开口二，开口一、开口二和排气组件(B)的进气端相互对应连通且三者密封连接，进气孔板(C)中间设置有进气孔(C11)；所述衬块(K)为条状且沿垂直气流流动方向设置在支撑架(D)开口二两端，进气孔板(C)放置在衬块(K)和支撑架(D)上，进气孔板(C)与支撑架(D)和衬块(K)三者密封连接，所述测量段组件(A)进气端设置有进口空气静压测量座(A4)和进口空气总压测量座(A2)，所述排气组件(B)设置有出口空气静压测量座(B6)。

2.根据权利要求1所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述测量段组件(A)设置有螺纹通孔(Q)，支撑架(D)和排气组件(B)上设置有无螺纹通孔(Q’)，螺纹通孔(Q)和无螺纹通孔(Q’)相连通，并设置有与之相应的螺钉(H)和垫圈(G)，所述测量段组件(A)、支撑架(D)和排气组件(B)三者通过螺钉(H)连接。

3.根据权利要求2所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述测量段组件(A)包括进气筒体(A3)和测量段安装板(A5)，所述进气筒体(A3)进气端和出气端都设置有法兰一(A1)，所述法兰一(A1)上设置有螺孔一(A11)，所述进口空气静压测量座(A4)和进口空气总压测量座(A2)设置在进气筒体(A3)上靠近进气端同一侧壁面的同一横截面上或同一横截面上下两侧壁面上，所述测量段安装板(A5)为测量段组件(A)开口一周围的框状凸出结构，所述测量段组件(A)上与支撑架(D)连接的部位为测量段安装板(A5)，螺纹通孔(Q)设置在测量安装板(A5)上，所述支撑架(D)与测量段安装板(A5)之间设置有橡胶密封垫(E)。

4.根据权利要求2所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述排气组件(B)包括排气筒体(B2)、底盖板(B3)、出气排管(B4)，所述排气筒体(B2)进气端周围设置有法兰二(B1)，所述法兰二(B1)为排气组件(B)上与支撑架(D)连接的部位，所述无螺纹通孔(Q’)设置在法兰二(B1)上，支撑架(D)与法兰二(B1)之间设置有橡胶密封垫(F)，所述底盖板(B3)设置在出气排管(B4)底部，出气排管(B4)出气口周围设置有法兰三(B5)，所述法兰三(B5)上设置有螺孔二(B51)，所述出口空气静压测量座(B6)设置在排气筒体(B2)任一侧壁面上，数量为1个或者2个。

5.根据权利要求1所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述支撑架(D)在气流流动方向两端都设置有止口槽(D11)，支撑架(D)在垂直气流流动方向两端都设置有沉槽(D13)和凸台(D14)，止口槽(D11)、沉槽(D13)和凸台(D14)形状都为条状，所述沉槽(D13)用来托放衬块(K)，所述凸台(D14)和衬块(K)用来托放进气孔板(C)，当进气孔板(C)与支撑架(D)装配好后，所述凸台(D14)的高度要高于进气孔板(C)。

6.根据权利要求1所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述进气孔板(C)上两端与支撑架(D)装配的位置设置有加工止口槽(C12)，加工止口槽(C12)搭接在止口槽(D11)上，每个止口槽(D11)上设置有2个螺纹孔(D12)，所述每个螺纹孔(D12)配有相应的能将进气孔板(C)固定在支撑架(D)上的固定螺钉(J)，所述进气孔板中间设置有进气孔(C11)。

7.根据权利要求6所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述进气孔(C11)的数量≥1个。

8.根据权利要求6所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述进气孔(C11)为圆孔，进气孔中心线与测量段组件来流方向成0°～90°夹角。

9.根据权利要求2所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置，其特征在于，所述螺钉连接可部分用螺栓连接替换，相应的，测量段组件(A)在螺栓连接部位采用无螺纹通孔，配有与之相应的螺栓和螺母。

10.一种根据权利要求1～9任意一项所述的测量火焰筒进气孔流量系数的试验装置的使用方法，其特征在于，在常温常压下，部分空气流量(Wa2)经由测量段组件(A)出口直接向室内大气排气以模拟燃烧室二股通道气流流动，给定进口空气流量(Wa1)，由进口空气总压测量座(A2)上的总压探针和进口空气静压测量座(A4)上的静压探针分别测量进口空气总压(Pt1)和进口空气静压(Ps1)，通过抽气方式改变出口空气静压测量座(B6)测量的出口空气静压(Ps3)，进而测量出对应不同压降条件下的空气流量(Wa3)，然后根据已知的进气孔开孔面积以及流量系数与空气流量的关系换算出不同压降条件下的进气孔流量系数，得到压降系数与流量系数的关系曲线以及经验关系式。