CN107687948B - 一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器及畸变试验方法 - Google Patents

一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器及畸变试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器及畸变试验方法，畸变发生器包括通过法兰依次连接的流量测量段、旋流发生段和畸变发展段，在所述旋流发生段前后分别设置有畸变网。本发明旨在解决目前总压和旋流畸变发生器均只能针对其中一种畸变形式进行模拟，还不能模拟两种畸变的耦合作用效果，并且叶片式和腔式旋流发生器还存在加工设计较为复杂，旋流强度调节难度大等问题。本发明能够模拟分析进气总压和对涡旋流畸变耦合作用对发动机或压气机/风扇影响，为进气总压畸变和对涡旋流畸变的同时或单独模拟提供了简便且成本低廉的解决方案。

Description

一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器及畸变试验方法
技术领域
本发明涉及一种进气畸变发生器及畸变试验方法，具体讲是一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器，属于航空航天领域。
背景技术
现代先进战斗机、隐形轰炸机及无人机为提高雷达隐身性能，多采用S弯进气道，如F-22、F-117和“神经元”无人战斗机等。S弯进气道在提高飞机隐身性能的同时，不可避免的在发动机进口形成总压畸变和对涡型旋流畸变，进气畸变的存在会降低发动机稳定裕度，甚至引发失速/喘振，威胁飞行安全。
为评估进气总压畸变和旋流畸变对发动机性能和稳定的影响，SAE S16委员会先后出版了AIR1419和AIR5686等标准，分别用于指导发动机进气总压和旋流畸变的评定。我国GJB/Z64A-2004(K)标准提供了航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机进口总压畸变评定指南，但对旋流畸变的评定还没有相关标准指南。
在缺少进气道/发动机联合实验的条件下，进气畸变须通过畸变发生装置产生的不均匀进气条件来进行模拟。对于总压畸变的模拟，SAE AIR1419推荐使用畸变网，我国GJB/Z64A-2004(K)则推荐使用插板进行模拟。对于旋流进气畸变通常可分为整体涡、集中涡、对涡和横向涡四种，AIR5686中将旋流畸变发生器大体上归为叶片式、翼尖涡式和旋流腔式三类。国外，1987年德国Fottner等提出两种在地面试验中产生旋流畸变方式，一种是利用导向叶片，可产生整体涡和对涡的旋流畸变形式，另一种是利用三角翼产生对涡旋流，通过改变三角翼攻角调节旋流强度。2008年，Sheoran等发展了一种腔式旋流发生器，通过改变旋流腔的进气方式可以模拟整体涡、对涡甚至周向两组对涡形式的旋流。国内，彭成一、姜健、叶飞、屠宝锋等先后设计了相关叶片式旋流发生器，通过调整叶片安装角、叶片高度、叶片数、叶片弯角等方式实现旋流强度和形式的调整。
现有的总压和旋流畸变发生器只能针对单一的总压或旋流畸变进行模拟，不能模拟两种畸变对发动机的耦合作用效果，影响进气畸变分析评定的科学性和准确性。相关旋流畸变发生器，存在结构方案复杂，设计加工难度大，旋流强度调节不便等问题，影响试验效率和成本。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器及畸变试验方法，旨在解决目前总压和旋流畸变发生器均只能针对其中一种畸变形式进行模拟，还不能模拟两种畸变的耦合作用效果，并且叶片式和腔式旋流发生器还存在加工设计较为复杂，旋流强度调节难度大等问题。本发明能够模拟分析进气总压和对涡旋流畸变耦合作用对发动机或压气机/风扇影响，为进气总压畸变和对涡旋流畸变的同时或单独模拟提供了简便且成本低廉的解决方案。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器，包括通过法兰依次连接的流量测量段、旋流发生段和畸变发展段，在所述旋流发生段前后分别设置有畸变网；所述流量测量段包括进气钟口和直径为D、长度为1.5D的等直圆筒；所述旋流发生段包括直径为D的等直圆筒和设置在圆筒内的平板，所述平板的尾缘与圆杆固连，所述圆杆两端分别与安装在圆筒后方滑槽内的滑块铰连，所述平板的前缘中心与螺母铰接，所述螺母设置在与步进电机连接的螺杆上；所述畸变发展段为长度和直径均为D的等直圆筒。
本发明还提供了一种进气总压和对涡旋流的畸变试验方法，包括单独总压畸变试验、单独对涡旋流畸变试验以及总压和对涡旋流畸变耦合试验，其中：
(1)在进行单独总压畸变试验时，将平板攻角调为0°，将满足总压畸变模拟要求的细网设置在一个畸变网上；
(2)在进行单独对涡旋流畸变试验时，将两个畸变网去掉或使用不加细网的畸变网进行试验，若要进一步增强对涡旋流强度，可以根据对涡旋流形成方向要求，在前后两个畸变网上下分别设置相同规格的半圆形细网。通过计算机远程控制步进电机调整平板攻角，实现对涡旋流强度的实时动态调整；
(3)在进行总压和对涡旋流畸变耦合试验时，根据总压畸变模拟要求，设计细网规格和形状，根据对涡旋流形成方向要求，将细网分为上下两个部分分别设置在前后畸变网相应位置。通过计算机远程控制步进电机调整平板攻角来实现对涡旋流的生成和强度的实时动态调整。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)本发明通过畸变网和可调攻角平板，既可实现总压和对涡旋流畸变的单独模拟，又可实现总压和对涡旋流畸变的耦合模拟，有助于分析解决总压和对涡旋流畸变耦合效应对发动机性能和稳定性的影响规律；
(2)通过对平板攻角的调节，可方便实现对涡旋流强度的连续调节，平板攻角越大，产生的对涡旋流强度越大；
(3)通过对前后畸变网细网阻塞区的合理设置可以增大旋流强度，实现更高旋流强度的模拟；
(4)对于固定的畸变网和平板攻角，试验进气流量发生变化时，畸变发生器产生的旋流角基本保持不变，可方便确定不同进气流量试验工况下旋流角的大小；
(5)平板攻角驱动结构简单可靠，采用步进电机实时控制，能够模拟对涡旋流畸变强度的动态变化过程对发动机的影响；
(6)本发明分段设计，结构方案简单，加工制造容易，能够完成不同形式和强度的总压畸变与不同强度的对涡旋流畸变下的发动机试验，有利于降低试验成本和时间，提高试验效率；
(7)本发明不仅可直接用于航空发动机总压和对涡旋流畸变耦合试验，还可应用于压气机/风扇进气总压和对涡旋流畸变耦合作用规律的研究与试验。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本畸变发生器的结构示意图；
图2为流量测量段的结构示意图；
图3为旋流发生段的结构示意图；
图4为畸变网的结构示意图。
具体实施方式
一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器，如图1所示，包括流量测量段1、旋流发生段2、畸变网3和畸变发展段4，各部段通过接口形式相同的法兰相互连接。由流量测量段1获得总压损失较小的均匀进气条件，并实现进气流量的测量；旋流发生段2实现对涡旋流产生和强度的调节；两个畸变网3分别安装在旋流发展段2的前后，实现总压畸变的模拟，并可通过细网的合理布置进一步增强对涡旋流强度；畸变发展段4作用是使畸变网3和旋流发生段2产生的总压和对涡旋流畸变能够获得稳定发展，其后方通过法兰与畸变流场测量装置或发动机进口连接，以进行相关进气畸变试验和研究工作。
如图2所示，流量测量段由进气钟口1-1和等直圆筒1-2组成。进气钟口1-1采用双扭线型进气型面设计，保证进气均匀并减小总压损失，在其出口周向均布若干静压测点用于进气流量的测量。等直圆筒1-2的长度为1.5倍圆筒直径D，保证静压测量截面气流均匀性不受下游压力畸变的影响。
如图3所示，旋流发生段由等直圆筒2-1、平板2-2、滑块2-3、圆杆2-4、步进电机2-5、螺杆2-6和螺母2-7等部件组成。平板2-2尾缘与圆杆2-4固连，圆杆2-4两端与滑块2-3铰连，滑块2-3安装在等直圆筒上的滑槽内，由此平板2-2尾缘可实现转动和前后水平移动；平板2-2前缘中心与螺母2-7铰接，通过步进电机2-5驱动竖直安装的螺杆转动带动螺母2-7，实现平板2-2前缘的上下移动，通过上述机构动作可实现平板2-2攻角的调整。当平板与来流形成正攻角时，平板下表面迎向气流，平板下部压力高于上部压力，在平板上下压差驱动下，平板下部气流会绕过平板两侧边缘向上、向内卷起形成翼尖涡，从而实现对涡型旋流畸变的模拟。旋流强度通过平板攻角调节，平板攻角为0°时，不产生对涡旋流，平板攻角增大，旋流强度增大，但一般平板攻角最大不超过15°，平板攻角过大会造成失速现象，引起不希望的总压损失和不稳定的旋流。平板2-2的形状不限于图3所示的简单的矩形，也可以采用三角形、梯形或其他异形，平板截面也可替换为升力翼型以增强翼尖涡效应，来优化对涡旋流畸变的模拟。
如图4所示，畸变网由支撑架3-1、支撑网3-2和细网组成。支撑架3-1和支撑网3-2的作用是对细网进行支撑，支撑网3-2为360°全网，焊接在支撑架3-1上，支撑网3-2选用网孔和网丝直径均较大的不锈钢网，保证其具有较低的气流阻塞度和足够的结构强度。细网的规格和形状需要根据模拟的总压畸变情况进行合理选择。本发明在旋流发生器前后各设一个畸变网的作用是实现总压畸变模拟的同时，还可利用细网对网前气流的阻塞作用和气流通过后产生的压力损失，来增加平板上下部分气流压差，进而增强对涡旋流强度。例如在前畸变网上半部设置细网阻塞区，气流通过后平板上部气流静压会降低，在后畸变网下半部设置细网阻塞区，由于细网阻塞作用，网前平板下部静压会升高，由此利用前后两个畸变网细网位置的分布也可产生平板上下压差。
畸变发展段为长度为1D的等直圆筒，其作用是使畸变网和旋流发生段形成的总压和对涡旋流畸变能够获得稳定发展。
本发明可以完成单独总压畸变试验、单独对涡旋流畸变试验以及总压和对涡旋流畸变耦合试验。
只进行总压畸变试验时，可以将平板攻角调为0°，根据总压畸变模拟要求，设计细网规格和形状，并将其设置在其中一个畸变网上。为减少其他结构对试验的干扰，也可去除旋流发生段和一个畸变网，利用流量测量段、一个畸变网和畸变发展段来进行总压畸变试验。
只进行对涡旋流畸变试验时，可将两个畸变网去掉或者使用不加细网的畸变网进行试验，若要通过畸变网进一步增强对涡旋流强度，可以根据对涡旋流形成方向要求，在前后两个畸变网上下分别设置相同规格的半圆形细网。通过计算机远程控制步进电机调整平板攻角，实现对涡旋流强度的实时动态调整。
进行总压和对涡旋流耦合畸变试验时，对涡旋流的生成和强度的实时动态调整仍通过计算机远程控制步进电机调整平板攻角来实现。根据总压畸变模拟要求，设计细网规格和形状，当模拟由平板正攻角形成的对涡旋流时，若细网分布在上半圆内，则将其设置在前畸变网的上半部；若细网分布在下半圆内，则将其设置在后畸变网的下半部；若细网在圆形的上下部分均有分布，则将上半圆内的细网设置在前畸变网，而下半圆内的细网设置在后畸变网，类似的在模拟由平板负攻角形成的对涡旋流时，则在前畸变网的下半部和后畸变网的上半部设置细网，这样可在实现总压畸变图谱模拟的同时又可显著增大对涡旋流强度模拟范围。

Claims (8)

1.一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器，其特征在于：包括通过法兰依次连接的流量测量段、旋流发生段和畸变发展段，在所述旋流发生段前后分别设置有畸变网；所述流量测量段包括进气钟口和直径为D、长度为1.5D的等直圆筒；所述旋流发生段包括直径为D的等直圆筒和设置在圆筒内的平板，所述平板的尾缘与圆杆固连，所述圆杆两端分别与安装在圆筒后方滑槽内的滑块铰连，所述平板的前缘中心与螺母铰接，所述螺母设置在与步进电机连接的螺杆上；所述畸变发展段为长度和直径均为D的等直圆筒；所述进气钟口采用双扭线型进气型面，在进气钟口的出口周向均布若干静压测点；所述畸变网包括支撑架和焊接在支撑架上的支撑网。
2.根据权利要求1所述的一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器，其特征在于：所述平板为矩形、三角形、梯形或其他异形结构。
3.根据权利要求1所述的一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器，其特征在于：所述平板截面为矩形或升力翼型。
4.根据权利要求1所述的一种进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器，其特征在于：在所述支撑网上设置有细网。
5.一种利用权利要求1所述的进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器的畸变试验方法，其特征在于：包括单独总压畸变试验、单独对涡旋流畸变试验以及总压和对涡旋流畸变耦合试验，其中：
(1)在进行单独总压畸变试验时，将平板攻角调为0°，将满足总压畸变模拟要求的细网设置在一个畸变网上；
(2)在进行单独对涡旋流畸变试验时，将两个畸变网去掉或使用不加细网的畸变网进行试验，并通过计算机远程控制步进电机调整平板攻角，实现对涡旋流强度的实时动态调整；
(3)在进行总压和对涡旋流畸变耦合试验时，通过计算机远程控制步进电机调整平板攻角来实现对涡旋流的生成和强度的实时动态调整。
6.根据权利要求5所述的进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器的畸变试验方法，其特征在于：在进行单独总压畸变试验时，去除旋流发生段和一个畸变网。
7.根据权利要求5所述的进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器的畸变试验方法，其特征在于：在进行单独对涡旋流畸变试验时，根据对涡旋流形成方向的要求，在前后两个畸变网上下分别设置相同规格的半圆形细网，以进一步增强对涡旋流的强度。
8.根据权利要求5所述的进气总压和对涡旋流耦合畸变发生器的畸变试验方法，其特征在于：在进行总压和对涡旋流畸变耦合试验时，根据总压畸变模拟要求，设计细网规格和形状，当模拟由平板正攻角形成的对涡旋流时，将细网单独设置在前畸变网的上半部或单独设置在后畸变网的下半部，或同时设置在前畸变网的上半部和后畸变网的下半部；当模拟由平板负攻角形成的对涡旋流时，将细网单独设置在前畸变网的下半部或单独设置在后畸变网的上半部，或同时设置在前畸变网的下半部和后畸变网的上半部。
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