CN107228751B - 一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于叶轮机技术领域，提出了一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置。本实验装置实验段主流道为一方腔，在其中部侧面顶端开有狭缝，狭缝外接射流装置。射流与主流成一定角度，射流进入主流后，与主流掺混剪切，受主流流道壁面限制，形成流向涡，并随主流向下游发展，从而模拟叶轮机叶尖泄漏涡的形成和发展机理。配合测量仪器，可以研究了解实验中的流动现象。本发明通过构造简单流动，排除了无关因素，从而专注于对泄漏流动中射流‑主流剪切机制进行研究，具有容易实现、成本低的优点。同时，实验条件灵活多变，可以针对不同雷诺数流动进行，几何与边界条件简单，为高精度计算提供了条件。

Description

一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置
技术领域
本发明涉及叶轮机技术领域，提出了一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置。
背景技术
航空发动机高速旋转时离心力产生的形变、工作时温度变化导致转静子的形变、轴承的游离、气动载荷、加工和装配工艺等因素的影响，需要在发动机转子和机匣之间预留足够的叶尖间隙，以免正常工作时相互摩擦。由于叶片压力面和吸力面的压差作用和叶尖间隙的存在，在叶轮机中会产生叶尖泄漏流动，泄漏流与叶轮通道横向流相互作用，造成泄漏损失，叶轮做功能力下降，效率降低，使叶轮机性能恶化。因此叶尖泄漏流动是叶轮机研究中非常重要的课题。
目前对叶尖泄漏流动的研究手段有实验和数值模拟两种。实验主要针对真实叶片进行，其特征是高雷诺数、几何复杂，能够代表叶轮机中的真实流动情况；但影响因素多，实现起来较为困难，对实验设备和操作要求高。数值模拟依托实验进行，计算的几何和边界条件一般都由实验给出，因此针对叶尖泄漏流动的数值模拟也是在高雷诺数、复杂几何下进行的。在现有计算能力下，只能通过雷诺平均(RANS)的方式进行研究，而无法适用于DNS、LES等高精度计算方法。这就导致了在叶尖泄漏流动的机理研究中缺乏必要的数据支持，给叶轮机流动模拟、设计优化等带来了很多问题。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，其目的在于，使用简化的条件，模拟出和真实叶尖泄漏相似的流动，从而实现简单几何下不同雷诺数的实验和计算，为更精确地进行叶尖泄漏流动的机理研究创造条件。
本发明采用的技术方案如下：
一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，包括实验段主流通道、射流喷管组件及位于实验段主流通道侧面顶端的矩形狭缝，所述实验段主流通道为一方腔，其垂直流向截面为矩形；所述实验段主流通道中部侧面顶端开有狭缝；所述狭缝形状为矩形，其长边沿主流流向，其一侧长边与方腔上壁内壁面重合；所述狭缝宽度为固定值，其变化区间为主流道高度0.5％到5％之间。
其中，所述实验段为直流道或弯曲流道。
其中，所述实验段流道截面面积保持不变或变化，其变化为收缩或扩张。
其中，所述实验装置工质为气体或液体。
其中，所述实验段主流通道入口接有风洞或水泵装置，所述矩形狭缝外接有射流装置，所述矩形狭缝射流工质与所述实验段主流通道内工质一致。
其中，所述矩形狭缝射流方向与主流方向成一定角度。
本发明的有益效果是，利用外接射流模拟真实叶轮机中叶片压力面与吸力面的压差驱动效应，利用狭缝模拟叶尖间隙。射流进入主流后，发生掺混、剪切，受方腔壁面限制，从而形成流向涡，并向下游发展。其形成机理与叶尖泄漏流动一致，流动现象也与叶尖泄漏流动十分接近。相对真实叶轮机实验装置，本发明排除了无关因素，可以专注于对泄漏流动中射流-主流剪切机制进行研究，具有容易实现、成本低的优点。实验段可选材料范围更广，可选择透明材料，以方便光学测量仪器(PIV、LDV等)进行实验，研究了解实验中的流动现象；其他实验手段也可以很容易地实现。同时，实验条件灵活多变，可以针对不同雷诺数流动进行，也可以结合压力梯度与曲率等要素进行研究。几何与边界条件简单，为高精度计算提供了条件。
附图说明
图1是射流实验装置结构示意图。
图2是射流实验装置沿射流方向示意图。
图3是射流实验装置垂直流向剖面示意图。
图4是射流实验装置流向涡流线示意图。
图5是真实转子叶尖泄漏涡流线示意图。
图6是射流实验装置某截面涡量分布。
图7是真实转子叶尖泄漏区域某截面涡量分布。
图中，1：实验段主流通道；2：矩形狭缝；3：射流喷管组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图3所示，本发明由实验段主流通道1和射流喷管组件3组成。主流通道1为一方腔，其垂直流向截面为矩形，在侧面顶端开有矩形狭缝2。射流喷管组件3的射流通道与狭缝2对齐。
实施例1：
在使用时，主流通道1入口接有风洞装置，射流喷管3由另一套装置引入射流流体，射流方向与主流方向垂直或成一定角度。射流进入主流后，与主流剪切，受上壁面和对侧壁面限制，形成流向涡。配合测量装置，如PIV、LDV、热线、探针等，可以得到通道中的流场，从而研究泄漏涡中的剪切机制、流动结构、湍流机理等。
如图4、图6所示，数值模拟结果表明，从狭缝中射出的流体进入主流后，形成涌向涡，并随主流向下游发展，这与图5、图7所示的真实转子的叶尖泄漏流动流场十分相似，可以采用本装置模拟叶尖泄漏流动。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于，本实施例的工作介质为液体，在使用时，主流通道1入口接有水泵等装置。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于，本实施例的流道为扩张流道，在使用时，流道面积变化引起逆压梯度，可以用于研究逆压梯度对泄漏涡影响。
实施例4：
本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于，本实施例的流道为弯曲流道，在使用时，流动方向变化引起流线曲率，可以用于研究曲率对泄漏涡影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，其特征在于：包括实验段主流通道、射流喷管组件及位于实验段主流通道侧面顶端的矩形狭缝，所述实验段主流通道为一方腔，其垂直流向截面为矩形；所述实验段主流通道中部侧面顶端开有狭缝；所述狭缝形状为矩形，其长边沿主流流向，其一侧长边与方腔上壁内壁面重合；所述狭缝宽度为固定值，其变化区间为主流道高度0.5％到5％之间。
2.如权利要求1所述的一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，其特征在于，所述实验段为直流道或弯曲流道。
3.如权利要求1至2任一项所述的一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，其特征在于，所述实验段流道截面面积保持不变或变化，其变化为收缩或扩张。
4.如权利要求3所述的一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，其特征在于，所述实验装置工质为气体或液体。
5.如权利要求1所述的一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，其特征在于，所述实验段主流通道入口接有风洞或水泵装置，所述矩形狭缝外接有射流装置，所述矩形狭缝射流工质与所述实验段主流通道内工质一致。
6.如权利要求4或5任一项所述的一种模拟叶轮机叶尖泄漏流动的射流实验装置，其特征在于，所述矩形狭缝射流方向与主流方向成一定角度。
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