CN107545832B - 一种无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统 - Google Patents
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Abstract
一种无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统。其包括离心压气机试验台、无线控制动力装置以及无线数据采集装置；本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统具有如下优点：(1)采用无线控制方式，提高了实验过程的安全性；(2)无线控制及传输采用WIFI实现，覆盖广，便于接入教学办公网络；(3)通过计算机监测，并可采用控制手柄来控制驱动电机转速，调节响应快，压气机气动失稳状态能够快速进入和退出；(4)通过振动传感器和压力探针共同监测压气机的气动失稳状态，准确性高；(4)采用与电机连接的螺杆控制锥形节气阀的位置，定位准确，流量调节范围宽。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机、燃气轮机、涡轮增压器等相关专业教学中有关离心压气机的气动特性实验装置技术领域，特别是涉及一种无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统。
背景技术
目前，离心压气机已大量应用在小型航空发动机、涡轴发动机、燃气轮机以及涡轮增压器中，因此离心压气机的试验在发动机的研制、改进及发展中是非常重要的，其中最重要的一项实验是确定离心压气机的特性及检验其稳定工作条件。
对于航空发动机相关专业的学生来说，航空发动机的结构抽象复杂，理论公式繁多，因此单独通过书本知识很难理解及掌握其结构及原理。通常通过实验将教学内容形象化和直观化，让学生更好地理解相关理论知识。建立压气机特性及气动失稳小型实验系统，不仅仅能够帮助学生深入学习压气机的工作原理与工作特性，从而使学生更好地理解发动机各部件的匹配及发动机特性，而且能够提供学生动手实践的机会，理论联系实际，进一步加深学生的学习。同时开展气动失稳实验，学习气动失稳现象机理及消除措施，也能够使学生直观地学习发动机失稳对飞机飞行安全的影响。
目前，国内科研院所已有的压气机试验台大多是轴流式压气机试验台，一般是以某具体型号的航空发动机或燃气轮机为基础进行的开发设计，涉及复杂的动叶及静叶结构，在进气部分一般需要设计进气导流叶片；如考虑压气机的气动失稳状态，还需设计由于改变叶片安装角、动静叶片间轴向间隙或放气结构所需的复杂机构。试验设备结构和功能的复杂必然会带来实验难度的增加，如果用于教学实验，学生也不易理解；同时，压气机特性试验台都为高速旋转机械设备，如无可靠的防护措施，也会带来一定的安全问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种简单、安全的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统。
为了达到上述目的，本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统包括离心压气机试验台、无线控制动力装置以及无线数据采集装置；所述的离心压气机试验台包括进气口、进气道支撑机匣、进气道、进气畸变发生器、压气机、径向扩压器、轴向扩压器、排气道外机匣、排气道内机匣、锥形节流阀、节流阀驱动电机、插板驱动电机、压气机驱动电机、压气机罩壳、扩压器支撑；其中，进气口1、进气道、进气畸变发生器、压气机、径向扩压器、轴向扩压器、排气道内机匣和排气道外机匣沿进气方向依次连接；其中排气道外机匣的直径大于进气道的直径，前端与环形压气机罩壳相连，后端呈开口状；环形压气机罩壳的前端与进气道4相连；排气道内机匣14为圆桶状，以外端口在外的方式同轴设置在排气道外机匣的内部，前端外部连接扩压器支撑，排气道外机匣和排气道内机匣之间的空间构成排气道；锥形节流阀以能够沿排气道内机匣轴向移动的方式设置在排气道外机匣和排气道内机匣的外端口处，用于通过调节排气道出口面积的方式来控制气流流量；节流阀驱动电机设置在锥形节流阀的外侧，并且通过螺杆与锥形节流阀相连接，锥形节流阀由节流阀驱动电机驱动以改变位置；径向扩压器和轴向扩压器设置在压气机罩壳和扩压器支撑之间；进气畸变发生器安装在进气道的中部；插板驱动电机安装在进气道外部，通过齿轮螺杆与进气畸变发生器上的插板相连接，通过改变插板的位置来对进入进气道内部的气流造成扰动，从而产生畸变流场；压气机安装在排气道内机匣的端盖外部且位于进气道内部；压气机驱动电机设置在排气道内机匣的内部，并且输出轴贯穿排气道内机匣以及扩压器支撑后与压气机相连接；
在进气道上靠近进气道支撑机匣处设有一个进气压力测量截面，在该截面上沿进气道的截面周向均匀形成有P1-P6共6个壁面测压孔，其中P1壁面测压孔位于0°位置；
在进气道上位于进气畸变发生器后靠近压气机进口处设有一个进口压力测量截面，在该截面上沿进气道的截面周向均匀形成有P1-P6共6个测压孔，其中P1测压孔位于30°位置；同时在0°、75°、180°和225°处沿进气道的截面周向形成有P8-P11共4个动态压力测孔；
在排气道外机匣上靠近轴向扩压器出口处设有一个出口压力测量截面，在该截面上均匀形成有P1-P6共6个测压孔，其中P1测压孔位于30°位置；同时在0°和180°处形成有P7-P8共2个动态压力测孔；
所述的无线数据采集装置包括压力传感器、梳式总压探针、动态总压探针、振动传感器、转速传感器、数据采集卡、无线数据发射/接收模块、无线数据接收/发射模块和计算机；其中进气压力测量截面上的每个壁面测压孔内设有一个压力传感器，用于测量进气流的平均静压，以确定压气机不同工作状态时的流量；进口压力测量截面上的每个测压孔内安装一个梳式总压探针，每根梳式总压探针上沿径向按等环面面积中心位置分布4个总压测点，用来测量压气机的进口总压；出口压力测量截面上的每个测压孔内安装一个梳式总压探针，每根梳式总压探针上沿径向按等环面面积中心位置分布2个总压测点，用来测量压气机的出口总压；进口压力测量截面和出口压力测量截面上的每个动态压力测孔内分别安装一个动态总压探针，用于测量该部位的动态压力；振动传感器安装在排气道外机匣上，用于监测气动失稳时的振动信号；转速传感器设置在压气机驱动电机的输出轴上，用于测量压气机工作时的转速；数据采集卡同时与上述压力传感器、梳式总压探针、动态总压探针、振动传感器和转速传感器相连接，同时与无线数据发射/接收模块相连接；无线数据接收/发射模块与无线数据发射/接收模块进行无线通讯，同时与计算机相连接；
所述的无线控制动力系统为电机控制器，电机控制器的输入端同时与节流阀驱动电机、插板驱动电机、压气机驱动电机相连，输出端连接无线数据发射/接收模块。
所述的无线控制动力系统还包括与计算机相连接的控制面板，并且控制面板上带有控制手柄。
所述的进气口采用双纽线进气口，用以提高进气流的均匀性。
所述的节流阀驱动电机、插板驱动电机采用步进电机；压气机驱动电机采用带增速器的无刷直流电机。
本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统具有如下优点：(1)采用无线控制方式，提高了实验过程的安全性；(2)无线控制及传输采用WIFI实现，覆盖广，便于接入教学办公网络；(3)通过计算机监测，并可采用控制手柄来控制驱动电机转速，调节响应快，压气机气动失稳状态能够快速进入和退出；(4)通过振动传感器和压力探针共同监测压气机的气动失稳状态，准确性高；(5)采用与电机连接的螺杆控制锥形节气阀的位置，定位准确，流量调节范围宽。
附图说明
图1为本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统中离心压气机试验台结构示意图
图2为本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统中无线动力控制装置及数据采集装置结构示意图。
图3为本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统中进气道测量截面测点位置分布示意图。
图4为本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统中进口测量截面测点位置分布示意图。
图5为本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统中出口测量截面测点位置分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1—图5所示，本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统包括离心压气机试验台、无线控制动力装置以及无线数据采集装置；所述的离心压气机试验台包括进气口1、进气道支撑机匣2、进气道4、进气畸变发生器5、压气机7、径向扩压器8、轴向扩压器10、排气道外机匣13、排气道内机匣14、锥形节流阀15、节流阀驱动电机16、插板驱动电机17、压气机驱动电机18、压气机罩壳19、扩压器支撑20；其中，进气口1、进气道4、进气畸变发生器5、压气机7、径向扩压器8、轴向扩压器10、排气道内机匣13和排气道外机匣14沿进气方向依次连接；其中排气道外机匣13的直径大于进气道4的直径，前端与环形压气机罩壳19相连，后端呈开口状；环形压气机罩壳19的前端与进气道4相连；排气道内机匣14为圆桶状，以外端口在外的方式同轴设置在排气道外机匣13的内部，前端外部连接扩压器支撑20，排气道外机匣13和排气道内机匣14之间的空间构成排气道；锥形节流阀15以能够沿排气道内机匣14轴向移动的方式设置在排气道外机匣13和排气道内机匣14的外端口处，用于通过调节排气道出口面积的方式来控制气流流量；节流阀驱动电机16设置在锥形节流阀15的外侧，并且通过螺杆与锥形节流阀15相连接，锥形节流阀15由节流阀驱动电机16驱动以改变位置；径向扩压器8和轴向扩压器10设置在压气机罩壳19和扩压器支撑20之间；进气畸变发生器5安装在进气道4的中部；插板驱动电机17安装在进气道4外部，通过齿轮螺杆与进气畸变发生器5上的插板相连接，通过改变插板的位置来对进入进气道4内部的气流造成扰动，从而产生畸变流场；压气机7安装在排气道内机匣14的端盖外部且位于进气道4内部；压气机驱动电机18设置在排气道内机匣14的内部，并且输出轴贯穿排气道内机匣14以及扩压器支撑20后与压气机7相连接；
在进气道4上靠近进气道支撑机匣2处设有一个进气压力测量截面3，在该截面上沿进气道4的截面周向均匀形成有P1-P6共6个壁面测压孔，其中P1壁面测压孔位于0°位置；
在进气道4上位于进气畸变发生器5后靠近压气机7进口处设有一个进口压力测量截面6，在该截面上沿进气道4的截面周向均匀形成有P1-P6共6个测压孔，其中P1测压孔位于30°位置；同时在0°、75°、180°和225°处沿进气道4的截面周向形成有P8-P11共4个动态压力测孔；
在排气道外机匣13上靠近轴向扩压器10出口处设有一个出口压力测量截面12，在该截面上均匀形成有P1-P6共6个测压孔，其中P1测压孔位于30°位置；同时在0°和180°处形成有P7-P8共2个动态压力测孔；
所述的无线数据采集装置包括压力传感器、梳式总压探针、动态总压探针、振动传感器9、转速传感器11、数据采集卡22、无线数据发射/接收模块23、无线数据接收/发射模块24和计算机25；其中进气压力测量截面3上的每个壁面测压孔内设有一个压力传感器，用于测量进气流的平均静压，以确定压气机7不同工作状态时的流量；进口压力测量截面6上的每个测压孔内安装一个梳式总压探针，每根梳式总压探针上沿径向按等环面面积中心位置分布4个总压测点，用来测量压气机7的进口总压；出口压力测量截面12上的每个测压孔内安装一个梳式总压探针，每根梳式总压探针上沿径向按等环面面积中心位置分布2个总压测点，用来测量压气机7的出口总压；进口压力测量截面6和出口压力测量截面12上的每个动态压力测孔内分别安装一个动态总压探针，用于测量该部位的动态压力；振动传感器9安装在排气道外机匣13上，用于监测气动失稳时的振动信号；转速传感器11设置在压气机驱动电机18的输出轴上，用于测量压气机7工作时的转速；数据采集卡22同时与上述压力传感器、梳式总压探针、动态总压探针、振动传感器9和转速传感器11相连接，同时与无线数据发射/接收模块23相连接；无线数据接收/发射模块24与无线数据发射/接收模块23进行无线通讯，同时与计算机25相连接；
所述的无线控制动力系统为电机控制器21，电机控制器21的输入端同时与节流阀驱动电机16、插板驱动电机17、压气机驱动电机18相连，输出端连接无线数据发射/接收模块23。
所述的无线控制动力系统还包括与计算机25相连接的控制面板26，并且控制面板26上带有控制手柄。
所述的进气口1采用双纽线进气口，用以提高进气流的均匀性。
所述的节流阀驱动电机16、插板驱动电机17采用步进电机；压气机驱动电机18采用带增速器的无刷直流电机。
现将本发明提供的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统的使用方法阐述如下：
首先开启本系统，实验人员可根据实验类型在计算机25上输入控制参数，然后通过无线数据接收/发射模块24传送给无线数据发射/接收模块23，可通过WIFI实现数据传输，无线数据发射/接收模块23再通过电机控制器21控制压气机驱动电机18旋转，由此驱动压气机7转动；在压气机7的作用下，外部气流将经过进气口1、进气道支撑机匣2吸入进气道4内部，并通过畸变发生器5进入压气机7而进行压缩，压缩后的气流经径向扩压器8和轴向扩压器10后进入由排气道外机匣13和排气道内机匣14构成的排气道，最后从排气道出口处向外排出；在此过程中，可利用插板驱动电机17来改变畸变发生器5上插板的位置，以对进入进气道4内部的气流造成扰动，从而产生不同的畸变流场；与此同时，可利用节流阀驱动电机16来改变锥形节流阀15与排气道外机匣13和排气道内机匣14间排气道出口的位置，由此来控制气流流量。另外，还可通过与计算机25相连接的带有控制手柄的控制面板26经电机控制器21来控制上述各个驱动电机。
在实验过程中，在计算机25的控制下，利用设置在进气压力测量截面3、进口压力测量截面6和出口压力测量截面12上每个测压孔内的压力传感器或梳式总压探针来测量该截面的静压或总压；利用设置在进口压力测量截面6和出口压力测量截面12上每个动态压力测孔内的动态总压探针来测量该部位的动态压力；利用振动传感器9来检测排气道外机匣13上的振动信号；利用转速传感器11来测量压气机7工作时的转速；然后利用数据采集卡22采集上述检测信号并转换成数字量，之后再根据相应传感器特性对各种数据分别进行换算(如将电压值换算成压力、转速或振动值等)，然后将这些数据传送给无线数据发射/接收模块23，之后再经无线数据接收/发射模块24传送给计算机25，最后由计算机25完成本系统所有数据的存储、打印和显示。
利用本系统可以实现离心压气机的无线控制和测量；离心压气机特性曲线测量；压气机气动失稳状态的快速进入和退出；压气机气动失稳现象的分析；畸变来流情况下压气机特性的变化等实验。
Claims (4)
1.一种无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统，其特征在于：所述的系统包括离心压气机试验台、无线控制动力装置以及无线数据采集装置；所述的离心压气机试验台包括进气口(1)、进气道支撑机匣(2)、进气道(4)、进气畸变发生器(5)、压气机(7)、径向扩压器(8)、轴向扩压器(10)、排气道外机匣(13)、排气道内机匣(14)、锥形节流阀(15)、节流阀驱动电机(16)、插板驱动电机(17)、压气机驱动电机(18)、压气机罩壳(19)、扩压器支撑(20)；其中，进气口(1)、进气道(4)、进气畸变发生器(5)、压气机(7)、径向扩压器(8)、轴向扩压器(10)、排气道内机匣(13)和排气道外机匣(14)沿进气方向依次连接；其中排气道外机匣(13)的直径大于进气道(4)的直径，前端与环形压气机罩壳(19)相连，后端呈开口状；环形压气机罩壳(19)的前端与进气道(4)相连；排气道内机匣(14)为圆桶状，以外端口在外的方式同轴设置在排气道外机匣(13)的内部，前端外部连接扩压器支撑(20)，排气道外机匣(13)和排气道内机匣(14)之间的空间构成排气道；锥形节流阀(15)以能够沿排气道内机匣(14)轴向移动的方式设置在排气道外机匣(13)和排气道内机匣(14)的外端口处，用于通过调节排气道出口面积的方式来控制气流流量；节流阀驱动电机(16)设置在锥形节流阀(15)的外侧，并且通过螺杆与锥形节流阀(15)相连接，锥形节流阀(15)由节流阀驱动电机(16)驱动以改变位置；径向扩压器(8)和轴向扩压器(10)设置在压气机罩壳(19)和扩压器支撑(20)之间；进气畸变发生器(5)安装在进气道(4)的中部；插板驱动电机(17)安装在进气道(4)外部，通过齿轮螺杆与进气畸变发生器(5)上的插板相连接，通过改变插板的位置来对进入进气道(4)内部的气流造成扰动，从而产生畸变流场；压气机(7)安装在排气道内机匣(14)的端盖外部且位于进气道(4)内部；压气机驱动电机(18)设置在排气道内机匣(14)的内部，并且输出轴贯穿排气道内机匣(14)以及扩压器支撑(20)后与压气机(7)相连接；
在进气道(4)上靠近进气道支撑机匣(2)处设有一个进气压力测量截面(3)，在该截面上沿进气道(4)的截面周向均匀形成有P1-P6共6个壁面测压孔，其中P1壁面测压孔位于0°位置；
在进气道(4)上位于进气畸变发生器(5)后靠近压气机(7)进口处设有一个进口压力测量截面(6)，在该截面上沿进气道(4)的截面周向均匀形成有P1-P6共6个测压孔，其中P1测压孔位于30°位置；同时在0°、75°、180°和225°处沿进气道(4)的截面周向形成有P8-P11共4个动态压力测孔；
在排气道外机匣(13)上靠近轴向扩压器(10)出口处设有一个出口压力测量截面(12)，在该截面上均匀形成有P1-P6共6个测压孔，其中P1测压孔位于30°位置；同时在0°和180°处形成有P7-P8共2个动态压力测孔；
所述的无线数据采集装置包括压力传感器、梳式总压探针、动态总压探针、振动传感器(9)、转速传感器(11)、数据采集卡(22)、第一无线数据发射/接收模块(23)、第二无线数据接收/发射模块(24)和计算机(25)；其中进气压力测量截面(3)上的每个壁面测压孔内设有一个压力传感器，用于测量进气流的平均静压，以确定压气机(7)不同工作状态时的流量；进口压力测量截面(6)上的每个测压孔内安装一个梳式总压探针，每根梳式总压探针上沿径向按等环面面积中心位置分布4个总压测点，用来测量压气机(7)的进口总压；出口压力测量截面(12)上的每个测压孔内安装一个梳式总压探针，每根梳式总压探针上沿径向按等环面面积中心位置分布2个总压测点，用来测量压气机(7)的出口总压；进口压力测量截面(6)和出口压力测量截面(12)上的每个动态压力测孔内分别安装一个动态总压探针，用于测量该部位的动态压力；振动传感器(9)安装在排气道外机匣(13)上，用于监测气动失稳时的振动信号；转速传感器(11)设置在压气机驱动电机(18)的输出轴上，用于测量压气机(7)工作时的转速；数据采集卡(22)同时与上述压力传感器、梳式总压探针、动态总压探针、振动传感器(9)和转速传感器(11)相连接，同时与第一无线数据发射/接收模块(23)相连接；第二无线数据接收/发射模块(24)与第一无线数据发射/接收模块(23)进行无线通讯，同时与计算机(25)相连接；
所述的无线控制动力系统为电机控制器(21)，电机控制器(21)的输入端同时与节流阀驱动电机(16)、插板驱动电机(17)、压气机驱动电机(18)相连，输出端连接第一无线数据发射/接收模块(23)。
2.根据权利要求1所述的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统，其特征在于：所述的无线控制动力系统还包括与计算机(25)相连接的控制面板(26)，并且控制面板(26)上带有控制手柄。
3.根据权利要求1所述的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统，其特征在于：所述的进气口(1)采用双纽线进气口，用以提高进气流的均匀性。
4.根据权利要求1所述的无线控制离心压气机特性及气动失稳教学实验系统，其特征在于：所述的节流阀驱动电机(16)、插板驱动电机(17)采用步进电机；压气机驱动电机(18)采用带增速器的无刷直流电机。
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