CN110553848B - 一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台，包括供气系统、能与供气系统连通的实验段以及安装在供气系统和实验段上的测试系统；供气系统包括通过管道依次密封连通的空气压缩机、储气罐和空气过滤器，经过空气过滤器的管道分为冷气管道和热气管道，冷气管道和热气管道均分为两个支路，在靠近冷气管道的两个支路设有能与其连通的电磁阀管道，电磁阀管道分为电磁阀第一支路和电磁阀第二支路；实验段包括沿水平方向依次同轴布设的电机、转轴、转静腔和静止腔；电磁阀第一支路能与静止腔连通，热气管道的两个支路能与转静腔和静止腔连通。本发明能进行冷热态静止腔‑转静腔的多腔耦合瞬态特性实验，为过渡态空气系统的性能分析提供数据支撑。

Description

一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台

技术领域

本发明属于航空发动机空气系统过渡态研究技术领域，具体涉及一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台。

背景技术

当发动机处于过渡状态或者紧急状态时，主流参数和二次流参数很不稳定。由于容积效应、流体惯性等因素，作为空气系统中重要部件的盘腔内部会经历复杂的瞬变流动过程，气流参数的变化无法同步、复现扰动的变化规律，而是存在一定的延缓、滞后，甚至波动现象。盘腔瞬态响应现象的出现会给发动机的正常工作带来一系列危害，如主流燃气入侵、高温部件冷却效率下降等。因此，研究盘腔瞬态响应特性对于揭示其内部瞬变流动物理机制进而开展空气系统过渡态问题研究具有十分重要的理论和工程应用价值。实验研究是验证理论分析的重要途径，也是揭示复杂物理现象本质最直观、最可靠的方法。由于盘腔瞬态响应过程复杂多变、参数响应变化难以捕捉、气流扰动规律难以调控等问题，目前，发动机盘腔相关实验台只适用于流动与换热稳态特性的研究，并在多盘腔瞬态特性耦合实验研究方面还是空白。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台，克服目前无法进行多盘腔瞬态特性耦合实验的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台，包括供气系统、能与所述供气系统连通的实验段以及安装在供气系统和实验段上的测试系统；

所述供气系统包括通过管道依次密封连通的空气压缩机、储气罐和空气过滤器，经过所述空气过滤器的管道分为冷气管道和热气管道，所述冷气管道和热气管道均分为两个支路，在靠近冷气管道的两个支路设有能与其连通的电磁阀管道，所述电磁阀管道分为电磁阀第一支路和电磁阀第二支路，在电磁阀第一支路和电磁阀第二支路上均设有电磁阀；

所述实验段包括沿水平方向依次同轴布设的电机、转轴、转静腔和静止腔；所述电机通过联轴器连接转轴，转轴连接转静腔，转静腔与静止腔之间通过金属管连通；所述电磁阀第一支路能与静止腔连通，所述热气管道的两个支路能与转静腔和静止腔连通；

所述测试系统包括设在电磁阀第一支路、转静腔和静止腔上的微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述空气过滤器有两级；所述冷气管道的两个支路分别为冷气第一支路和冷气第二支路，冷气管道的两个支路上均设有流量计和手动球阀；所述热气管道上依次设有流量计、手动阀和空气加热器，所述热气管道的两个支路分别为热气第一支路和热气第二支路，热气管道的两个支路上均设有手动阀。

可选地，所述转静腔包括圆柱状的转静实验腔和设在转静实验腔的第一圆筒形外壁上的环形转静加热腔；所述转静实验腔包括所述第一圆筒形外壁、安装在第一圆筒形外壁一侧端面上的圆形进气孔板、安装在进气孔板上的槽形的集气罩、设在集气罩中心的集气接口和设在第一圆筒形外壁另一侧的开口处的圆形的转盘；所述转盘上设有出气孔，转盘与第一圆筒形外壁的边缘紧密靠近但不接触；

在所述转静加热腔外壁上设有加热腔进气口和加热腔排气口；

在所述进气孔板上设有多个进气孔，所述进气孔沿周向排布；

所述转盘中心连接所述转轴。

可选地，在所述转盘的边缘一周设有环形槽，在环形槽内安装有环形的转盘封严环，所述转盘封严环上沿径向设有两级环形齿；在所述第一圆筒形外壁的边缘外侧设有环形的静盘封严环，静盘封严环与所述两级环形齿配合安装，且在静盘封严环的端部边缘与两级环形齿之间有轴向间隙；

所述转轴通过一组角接触球轴承安装在转子支撑座内。

可选地，所述加热腔进气口和加热腔排气口呈180°周向布设；

所述转静实验腔的第一圆筒形外壁上设有两个呈180°分布的传感器安装管，所述传感器安装管沿转静实验腔轴向布设且贯通转静实验腔，两个传感器安装管内分别安装有微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶；

所述转静加热腔的外壁上设有4个周向均布的微型快速响应热电偶；

所述集气接口为圆筒形结构，在集气接口的外壁上设有呈180°周向布设的微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶；在集气罩的径向位置呈180°设有微型压力传感器和微型快速响应热电偶。

可选地，所述电磁阀第一支路的末端安装所述微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶。

可选地，所述静止腔包括圆柱状的静止实验腔和设在静止实验腔的第二圆筒形外壁上的环形的静止加热腔；在所述静止实验腔的一侧端面上设有高位进气口和中心进气口，在静止实验腔的另一侧端面上设有高位出气口和中心出气口，在第二圆筒形外壁上设有径向出气管；在所述静止加热腔外壁上设有加热腔入气口和加热腔出气口。

可选地，所述加热腔入气口和加热腔出气口呈180°布设；

所述高位进气口和中心进气口上均设有微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶。

可选地，所述转静腔下方设有转静腔安装座、所述静止腔下方设有静止腔安装座；所述电机、转子支撑座、转静腔安装座和静止腔安装座均安装在水平支撑平台上；所述电机为变频调速三相异步电机。

可选地，所述微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶通过接线端子连接动态数据采集仪，所述动态数据采集仪通过以太网连接工控机。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本发明不仅可以进行静止腔或转静腔单一部件实验，而且可以进行冷热态静止腔-转静腔的多腔耦合瞬态特性实验，为过渡态空气系统的性能分析提供数据支撑。本发明中，各组件之间拆卸方便，易于更换和组装，通过金属软管可以实现盘腔实验件不同进出气方式(如高低位进气、径向出气、封严出气等)的配置，

(Ⅱ)本发明供气系统能为实验段提供合适压力、温度的空气，空气经过空气压缩机压缩增压后，进入储气罐稳压，依次经过两级空气过滤器，去除压缩空气中的液态水、灰尘和固体杂质，然后分为冷气管道和热气管道两部分，最后通过电磁阀管道(产生气流扰动)进入实验段。

(Ⅲ)本发明通过控制快速动作电磁阀的开闭以达到盘腔瞬态扰动工况的实现，可以模拟实验件进出口基本瞬变气流扰动，为开展盘腔瞬态实验创造必要条件；利用微型高频压力传感器、微型快速响应热电偶捕捉测点处压力和温度的变化，其中压力传感器的频响最高可达30kHz，热电偶响应时间可达10ms，进行数据采集分析的采集仪每个通道具有独立的16位A/D转换器，所有通道同步采样速率可达256kHz/通道，该动态性能测试方面的优势克服了瞬态过程盘腔性能参数难以测量的问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的实验段的结构示意图；

图3是本发明的转静腔的剖面图；

图4是本发明的静止腔的剖面图。

图中各标号表示为：1-供气系统，2-实验段，4-流量计，5-手动球阀，6-手动阀，7-转子支撑座，8-转静腔安装座，9-静止腔安装座，10-水平支撑平台；

11-空气压缩机，12-储气罐，13-空气过滤器，14-冷气管道，15-热气管道，151-空气加热器，16-电磁阀管道，161-电磁阀第一支路，162-电磁阀第二支路，163-电磁阀；

21-电机，22-转静腔，23-静止腔，

221-转静加热腔，222-转静实验腔，223-第一圆筒形外壁，224-进气孔板，225-集气罩，226-集气接口，227-转盘，228-转盘封严环，229-静盘封严环；

231-静止加热腔，232-静止实验腔，233-高位进气口，234-中心进气口。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图4所示，本实施例提供一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台，包括供气系统1、能与供气系统1连通的实验段2以及安装在供气系统1和实验段2上的测试系统；供气系统1包括通过管道依次密封连通的空气压缩机11、储气罐12和空气过滤器13，经过空气过滤器13的管道分为冷气管道14和热气管道15，冷气管道14和热气管道15均分为两个支路，在靠近冷气管道14的两个支路设有能与其连通的电磁阀管道16，电磁阀管道16分为电磁阀第一支路161和电磁阀第二支路162，在电磁阀第一支路161和电磁阀第二支路162上均设有电磁阀163，实验段2包括沿水平方向依次同轴布设的电机21、转轴、转静腔22和静止腔23；电机21通过联轴器连接转轴，转轴连接转静腔22，转静腔22与静止腔23之间通过金属管连通；电磁阀第一支路161与静止腔23连通，热气管道15的两个支路能与转静腔22和静止腔23连通；测试系统包括设在电磁阀第一支路161、转静腔22和静止腔23上的微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶。

通过上述技术方案，供气系统1能为实验段2提供合适压力、温度的空气，空气经过空气压缩机11压缩增压后，进入储气罐12稳压，先经过两级空气过滤器13，去除压缩空气中的液态水、灰尘和固体杂质，然后分为冷气管道14和热气管道15两路，最后通过电磁阀管道16(产生气流扰动)进入实验段2。通过控制快速动作电磁阀163的开闭以实现盘腔瞬态实验条件，可以模拟实验件进出口基本瞬变气流扰动工况，为开展盘腔瞬态实验创造必要条件；利用微型高频压力传感器、微型快速响应热电偶捕捉测点处压力和温度的变化，其中压力传感器的频响最高可达30kHz，热电偶响应时间可达10ms，进行数据采集分析的采集仪每个通道具有独立的16位A/D转换器，所有通道同步采样速率可达256kHz/通道，该动态性能测试方面的优势克服了瞬态过程盘腔性能参数难以测量的问题；本发明各组件之间拆卸方便，易于更换和组装，通过金属软管可以实现盘腔实验件不同进出气方式(如高低位进气、径向出气、封严出气等)的配置，不仅可以进行静止腔或转静腔单一部件实验，而且可以进行静止腔-转静腔的多腔耦合瞬态特性实验，为过渡态空气系统的性能分析提供数据支撑。

在本实施例中，空气过滤器13有两级，用以去除压缩空气中的液态水、灰尘和固体杂质；冷气管道14的两个支路分别为冷气第一支路和冷气第二支路，冷气管道14的两个支路上均设有流量计4和手动球阀5，其中，冷气管道14的两条支路的管道尺寸、流量计量程不同，以满足小流量、大流量实验的需求；热气管道15上依次设有流量计4、手动阀6和空气加热器151，增压空气经过空气加热器后温度升高，热气管道15的两个支路分别为热气第一支路和热气第二支路，热气管道15的两个支路上均设有手动阀6。

具体的，转静腔22包括圆柱状的转静实验腔222和设在转静实验腔222的第一圆筒形外壁223上的环形转静加热腔221；转静实验腔222包括第一圆筒形外壁223、安装在第一圆筒形外壁223一侧端面上的圆形进气孔板224、安装在进气孔板224上的槽形的集气罩225、设在集气罩225中心的集气接口226和设在第一圆筒形外壁223另一侧的开口处的圆形的转盘227；转盘227上设有出气孔，转盘227与第一圆筒形外壁223的边缘紧密靠近但不接触；在转静加热腔221外壁上设有加热腔进气口和加热腔排气口；在进气孔板224上设有多个进气孔，进气孔沿周向排布，沿周向排布的进气孔围成直径不同的两组圆形进气孔组；转盘227中心连接转轴。

更具体的，在转盘227的边缘一周设有环形槽，在环形槽内安装有环形的转盘封严环228，转盘封严环228上沿径向设有两级环形齿；在第一圆筒形外壁223的边缘外侧设有环形的静盘封严环229，静盘封严环229与两级环形齿配合安装，且在静盘封严环229的端部边缘与两级环形齿之间有轴向间隙，由此，静盘封严环229和转盘封严环228通过组合构成转静腔不同形式的封严出口；转轴通过一组角接触球轴承安装在转子支撑座7内。

加热腔进气口和加热腔排气口呈180°周向布设；转静实验腔222的第一圆筒形外壁223上设有两个呈180°分布的传感器安装管，传感器安装管沿转静实验腔222周向布设，且贯通转静加热腔221，两个传感器安装管内分别安装有微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶；转静加热腔221的外壁上设有4个周向均布的微型快速响应热电偶；集气接口226为圆筒形结构，在集气接口226的外壁呈180°周向设有微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶；在集气罩225径向位置呈180°安装一个微型压力传感器和一个微型快速响应热电偶，用以捕捉转静腔进口测点处的动态压力和动态温度。

本实施例中，电磁阀第一支路161的末端安装微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶，用以捕捉测点处压力和温度的变化。

具体的，静止腔23包括圆柱状的静止实验腔232和设在静止实验腔的第二圆筒形外壁上的环形的静止加热腔231；在静止实验腔232的一侧端面上设有高位进气口233和中心进气口234，在静止实验腔232的另一侧端面上设有高位出气口和中心出气口，在第二圆筒形外壁上设有径向出气管；在静止加热腔231外壁上设有加热腔入气口和加热腔出气口。

加热腔入气口和加热腔出气口呈180°布设；高位进气口233和中心进气口234上均设有微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶，用以捕捉测点处压力和温度的变化。

优选的，转静腔22下方设有转静腔安装座8、静止腔23下方设有静止腔安装座9；电机21、转子支撑座7、转静腔安装座8和静止腔安装座9均安装在水平支撑平台10上，从而，并为实验段2各部件提供水平工作面，保证各部件安装的稳固以防止振动。在本实施例中，具体的，电机21为变频调速三相异步电机。

采用高频动态压力传感器(频响30kHz)和快速响应热电偶(响应时间10ms)进行瞬变工况动态参数测试，并利用动态数据采集仪(每个通道具有独立的16位A/D转换器，同步采样速率可达256kHz/通道)对压力和温度数据进行采集和分析。微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶通过接线端子连接动态数据采集仪，动态数据采集仪通过以太网连接工控机。

在本实施例中，电磁阀163接入220V驱动电路，电磁阀控制信号线通过37针接线端子板与PCI-1761数据板卡连接，利用基于LabVIEW开发的阀门控制软件进行各电磁阀163开闭的实时控制，实现盘腔基本气流扰动的产生，电磁阀163后测点位置的动态压力和温度作为相应瞬态工况的参数条件。

采用本实验台开展静止腔-转静腔的瞬态耦合实验时，根据实验需要利用金属软管连通电磁阀第一支路与静止腔中心或高位进气口、静止腔出口与转静腔集气接口。供气系统提供增压气经过冷气管道、电磁阀管道进入实验段，电磁阀第一支路和电磁阀第二支路配合可以实现不同形式的瞬态扰动工况，如实验段进口气流压力阶跃变化和流量阶跃变化。增压气进入静止腔后经中心、高位或者径向出口流出，然后通过金属管进入转静腔的集气罩，然后经过进气孔板上不同半径位置的进气孔进入转静实验腔，最后由转静封严、转盘出气孔排出。

电机带动转轴转动并传递扭矩进而带动转静腔的转盘转动，通过变频器控制三相异步电机实现转静腔转盘不同转速，进而研究转速对静止腔-转静腔瞬态耦合的影响。

热态实验时将热气管道第一支路与静止加热腔进气口连通，热气管道第二支路与转静加热腔进气口连接，控制空气加热器功率对空气进行加温，使静止加热腔和转静加热腔内空气温度达到设定值，进而研究传热对静止腔-转静腔瞬态耦合的影响。

Claims (10)

1.一种多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，包括供气系统(1)、与所述供气系统(1)连通的实验段(2)以及安装在供气系统(1)和实验段(2)上的测试系统；

所述供气系统(1)包括通过管道依次密封连通的空气压缩机(11)、储气罐(12)和空气过滤器(13)，经过所述空气过滤器(13)的管道分为冷气管道(14)和热气管道(15)，所述冷气管道(14)和热气管道(15)均分为两个支路，在靠近冷气管道(14)的两个支路设有与其连通的电磁阀管道(16)，所述电磁阀管道(16)分为电磁阀第一支路(161)和电磁阀第二支路(162)，在电磁阀第一支路(161)和电磁阀第二支路(162)上均设有电磁阀(163)；

所述实验段(2)包括沿水平方向依次同轴布设的电机(21)、转轴、转静腔(22)和静止腔(23)；所述电机(21)通过联轴器连接转轴，转轴连接转静腔(22)，转静腔(22)与静止腔(23)之间通过金属管连通；所述电磁阀第一支路(161)与静止腔(23)连通，所述热气管道(15)的两个支路与转静腔(22)和静止腔(23)连通；

所述测试系统包括设在电磁阀第一支路(161)、转静腔(22)和静止腔(23)上的微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶。

2.如权利要求1所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述空气过滤器(13)有两级；所述冷气管道(14)的两个支路分别为冷气第一支路和冷气第二支路，冷气管道(14)的两个支路上均设有流量计(4)和手动球阀(5)；所述热气管道(15)上依次设有流量计(4)、手动阀(6)和空气加热器(151)，所述热气管道(15)的两个支路分别为热气第一支路和热气第二支路，热气管道(15)的两个支路上均设有手动阀(6)。

3.如权利要求1所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述转静腔(22)包括圆柱状的转静实验腔(222)和设在转静实验腔(222)的第一圆筒形外壁(223)上的环形转静加热腔(221)；所述转静实验腔(222)包括所述第一圆筒形外壁(223)、安装在第一圆筒形外壁(223)一侧端面上的圆形进气孔板(224)、安装在进气孔板(224)上的槽形的集气罩(225)、设在集气罩(225)中心的集气接口(226)和设在第一圆筒形外壁(223)另一侧的开口处的圆形的转盘(227)；所述转盘(227)上设有出气孔，转盘(227)与第一圆筒形外壁(223)的边缘紧密靠近但不接触；

在所述转静加热腔(221)外壁上设有加热腔进气口和加热腔排气口；

在所述进气孔板(224)上设有多个进气孔，所述进气孔沿周向排布；

所述转盘(227)中心连接所述转轴。

4.如权利要求3所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，在所述转盘(227)的边缘一周设有环形槽，在环形槽内安装有环形的转盘封严环(228)，所述转盘封严环(228)上沿径向设有两级环形齿；在所述第一圆筒形外壁(223)的边缘外侧设有环形的静盘封严环(229)，静盘封严环(229)与所述两级环形齿配合安装，且在静盘封严环(229)的端部边缘与两级环形齿之间有轴向间隙；

所述转轴通过一组角接触球轴承安装在转子支撑座(7)内。

5.如权利要求3所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述加热腔进气口和加热腔排气口呈180°周向布设；

所述转静实验腔(222)的第一圆筒形外壁(223)上设有两个呈180°分布的传感器安装管，所述传感器安装管沿转静实验腔(222)轴向布设且贯通转静实验腔(222)，两个传感器安装管内分别安装有微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶；

所述转静加热腔(221)的外壁上设有4个周向均布的微型快速响应热电偶；

所述集气接口(226)为圆筒形结构，在集气接口(226)的外壁上设有呈180°周向布设的微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶；在集气罩(225)的径向位置呈180°设有微型压力传感器和微型快速响应热电偶。

6.如权利要求1所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述电磁阀第一支路(161)的末端安装所述微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶。

7.如权利要求1所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述静止腔(23)包括圆柱状的静止实验腔(232)和设在静止实验腔的第二圆筒形外壁上的环形的静止加热腔(231)；在所述静止实验腔(232)的一侧端面上设有高位进气口(233)和中心进气口(234)，在静止实验腔(232)的另一侧端面上设有高位出气口和中心出气口，在第二圆筒形外壁上设有径向出气管；在所述静止加热腔(231)外壁上设有加热腔入气口和加热腔出气口。

8.如权利要求7所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述加热腔入气口和加热腔出气口呈180°布设；

所述高位进气口(233)和中心进气口(234)上均设有微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶。

9.如权利要求4所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述转静腔(22)下方设有转静腔安装座(8)、所述静止腔(23)下方设有静止腔安装座(9)；所述电机(21)、转子支撑座(7)、转静腔安装座(8)和静止腔安装座(9)均安装在水平支撑平台(10)上；所述电机(21)为变频调速三相异步电机。

10.如权利要求1所述的多功能盘腔瞬态响应特性实验台，其特征在于，所述微型高频压力传感器和微型快速响应热电偶通过接线端子连接动态数据采集仪，所述动态数据采集仪通过以太网连接工控机。

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