CN110726562B - 一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置 - Google Patents

一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置。该装置包括电力驱动装置、以及依次连接的进气道、压气机、扩压器、燃烧室和排气口，是对典型燃气涡轮发动机的进气道、压气机和燃烧室区段的模拟。本发明可以灵活更换不同的叶轮和扩压器，以设置不同的入口参数进行实验模拟，使得针对低损失扩压器与火焰筒优化匹配的研究成为现实。通过本发明，可以研究火焰筒实际上游来流条件与火焰筒性能的关系，掌握扩压器设计对火焰筒及头部流场组织、流量分配和燃烧性能的影响规律，形成低损失扩压器优化方法及与火焰筒及头部的优化匹配方法，对火焰筒先进燃烧组织的实现具有重要意义。

Description

一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别涉及一种低损失扩压器与火焰筒优化匹配的实验装置。
背景技术
现代燃气涡轮航空发动机主要由进气道(Intake)、压气机(compressor)、火焰筒(combustion chamber)、涡轮(turbine)、喷管(Exhaust)等部分构成。
压气机是燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气做功以提高空气压力的部件,压气机叶轮叶片的前端部分呈弯曲状称为导轮，其作用是将气体无冲击的导入工作叶轮，减小气流冲击损失。小型增压器的压气机叶轮一般将导轮与工作叶轮制成一体。
扩压器(diffuser)将压气机出口的部分气流与火焰筒耦合，使气体在叶轮中获得的动能尽可能多地转化为压力。扩压器的种类繁多，有流线型、突扩式、叶片式等类型，其性能和适用的环境各有不同。
燃烧室是燃料或推进剂在其中燃烧生成高温燃气的装置，是一种用耐高温合金材料制作的燃烧设备，是发动机的动力来源。燃烧室入口的流动条件，对燃烧组织和火焰筒性能影响较大。通常，高压压气机出口导叶(OGV)出来的高速气流会经过扩压器，在扩张通道中减速，以实现稳定燃烧和减少热损失。压气机出口的气流进入燃烧室内，会分成两部分，一部分进入火焰筒参与燃烧反应，一部分作为冷却空气冷却火焰筒表面。二者的流量分配关系是影响燃烧组织和火焰筒性能的主要因素。压气机出口的速度分布、扩压器的设计参数对燃烧室的流量分配和压力分布有很大影响。高压比高温升新一代航空发动机的研制，也将使得扩压器入口温度和马赫数有较大的提升，进口温度和马赫数等参数对扩压器流动特性的影响尚没有相关系统研究。基于涡轮冲压组合发动机宽速域飞行目标，为适应高马赫数下工作要求，涡轮基须在压气机低换算转速条件下工作，此时火焰筒扩压器进口马赫数达到0.4甚至更高，扩压器与火焰筒的流动损失和匹配难度大大提高，是制约火焰筒性能的重要方面。
通过研究火焰筒实际上游来流条件与火焰筒性能的关系，掌握扩压器设计对火焰筒及头部流场组织、流量分配和燃烧性能的影响规律，形成低损失扩压器优化方法及与火焰筒及头部的优化匹配方法，对火焰筒先进燃烧组织的实现具有重要意义。
由于扩压器的流动中存在着流动分离等非定常流动结构，流动细节和机理研究的深度不够，仿真结果与实验结果误差相对较大，流动损失的计算精度过低，工程上不可接受，扩压器及火焰筒头部匹配优化设计方法及评价准则缺失。目前相关研究绝大部分以发动机型号为背景，其设计结构导致其不具备灵活改变组件参数的能力，或者改变组件参数的成本较高，设计变量选取囿于发动机型号数据，具有较大局限性，无法在足够大的范围内选取变量，导致研究不够系统，难以通过实验的方法寻找最优参数，不同的扩压器流动特性尚没有系统数据库可参考，亟需开展基础研究提供技术支撑。然而，目前针对此类问题的相关研究模型。
本发明期望设计一种低成本、可以灵活调整配件的实验装置，能够测量发动机内压气机与火焰筒耦合部分的压力场、速度场、温度场等参数，以评价各种扩压器与火焰筒优化匹配的性能，为燃气涡轮发动机的设计与优化提供指导。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置。该装置可用于研究火焰筒实际上游来流条件与火焰筒性能的关系，为扩压器及火焰筒头部的匹配优化提供指导。
本发明采用以下技术方案实现：
一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所述的装置包括电力驱动装置、以及依次连接的进气道、压气机、扩压器、燃烧室和排气口，
所述的电力驱动装置位于实验装置的中心轴线位置，为该装置压气机工作提供动力；
所述的进气道包括进气口、整流叶轮、进气通道，为压气机提供稳定的气流；
所述的压气机包括依次连接的进口导叶、转子叶片、以及出口导叶OGV，总共1.5级涡轮，气流经过出口导叶OGV进入扩压器中；
所述的扩压器用于对气流进行减速和升压，并使气流方向由径向转为轴向，将气体输送至燃烧室中；
所述的燃烧室包括燃油喷嘴、旋流器、火焰筒、燃烧室外壳和燃烧室内壳，经过燃油喷嘴进入的燃油与进入燃烧室的空气流混合后，在旋流器出口点燃，火焰筒内燃烧，燃烧产生的气体直接经排气口排出；
所述的压气机、扩压器以及燃烧室在需要进行实验数据采集的位置开有测量孔，供外部测量仪器对实验数据进行采集，所述的测量孔采用螺纹密封。
上述技术方案中，进一步地，所述的整流叶轮共包含4片叶片，所述的进气通道上开有测量孔。
进一步地，在进口导叶与转子叶片，转子叶片与出口导叶之间各开有一个测量孔。进口导叶、转子叶片以及出口导叶可根据需要更换不同叶轮稠度。
进一步地，所述的扩压器作为独立部件，能方便更换为流线型、突扩式或叶片式，所述的扩压器(3)内部开有一个测量孔。
进一步地，所述的燃烧室的外壳与内壳上布置各4个测量孔，其中一半的测量孔直通火焰筒内部，以便测量火焰筒内部的流场信息。燃烧室外壳上还开有实验观察窗，能够利用粒子图像测速、平面激光诱导荧光和红外热像技术对燃烧室内部流场及火焰筒壁面温度和热流进行测量。
进一步地，所述的电力驱动装置包括电机、机轴和联轴器部分，电机与机轴通过联轴器相连，电机做功带动机轴，机轴作为装置的中心轴，带动压气机的转子叶片转动。
进一步地，所述的排气口包括6-24个排气喷嘴以及燃烧室出口导叶，燃烧室出口导叶位于火焰筒出口，将火焰筒燃烧尾气直接排放；排气喷嘴位于燃烧室出口，在燃烧室外壳与火焰筒之间、火焰筒和内壳之间布置。
进一步地，所述的实验数据采集的方法为粒子图像测速、平面激光诱导荧光、红外热像技术、五孔探针压力传感器和热电偶，所采集的实验数据包括速度场、压力、温度和燃烧火焰组分浓度。
进一步地，所述的扩压器进口的平均马赫数范围为0.15-0.4，温度覆盖范围300-950K。
本发明是对典型燃气涡轮发动机的进气道、压气机、燃烧室三部分结构的模拟：在进气道中，气体来流从进气口，经过整流叶轮进行整流，再经过进气通道进入压气机。随后气流在经过第一级固定的进口导叶进行整流后，进入压气机的后排离心转子叶片。不同于真实发动机的是，转子叶片转动所需要的动能完全来自于电力驱动装置。转子叶片利用离心力对气流做功，大大增加了气体的流速。之后经过出口导叶OGV的气流进入扩压器中，该结构用于对气流进行减速和升压，并使气流方向由径向转为轴向。经过扩压器后，气流分流成两部分进入燃烧室中，一部分通过火焰筒与燃油混合，点火发生燃烧反应，燃烧产生的尾气直接通过燃烧室出口导叶排出。另一部分气流从扩压器出口进入火焰筒外壁和燃烧室内外壳之间的区域，通过火焰筒壁面的冷却孔吹扫进行气冷，防止壁面过热。因而从扩压器出口的气流会以一定的配比方式进入燃烧室中，极大的影响燃烧组织以及火焰筒的燃烧性能。本发明可针对不同的扩压器研究扩压器与火焰筒的优化匹配关系，建立数据库。
由于实验发明只针对低损失扩压器与火焰筒的优化匹配研究，不需要火焰筒额外提供实验装置运转的动能。
在实验段，即压气机、扩压器和燃烧室内部开有测量孔与观察窗，方便进行实时的数据采集，实验数据采集的方法为粒子图像测速、平面激光诱导荧光、红外热像技术、五孔探针压力传感器和热电偶，所采集的数据包括速度场、压力、温度和燃烧火焰组分浓度。通过测量孔，从实验装置外壳安装测量仪器进入内部，并采用螺纹密封，有效气体的防止泄露。
进一步地，本发明的扩压器均可选用不同尺寸、类型，进口参数也可灵活调整，通过测量得到的流场数据，从而分析出口导叶OGV和扩压器结构及其进口参数对火焰筒流动、流量分配和压力损失的影响机制。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，主要是供科研工作者开展针对压气机与火焰筒耦合部分的相关设计研究。通过本发明，可以针对扩压器与火焰筒流动组织匹配和压力损失的问题，开展扩压器、单头部和环形模型火焰筒等冷态流场试验，耦合压气机末级出口导叶(Outlet Guide Vanes,OGV)，研究扩压器与火焰筒及头部匹配的流动特性，分析OGV和扩压器结构及其进口参数对火焰筒流动、流量分配和压力损失的影响机制，掌握扩压器对头部和二股通道压力分布的影响规律，发展完善扩压器与火焰筒、头部及压气机末级耦合的高精度仿真方法，突破高马赫数和高进口温度等条件下低损失扩压器设计方法，开展包含扇形扩压器模型的火焰筒热态试验验证，建立数据库，发展低损失扩压器与火焰筒优化匹配方法，为新一代航空发动机和组合动力涡基发动机主火焰筒研制提供技术支撑。
1.5级的轻量级涡轮，在保证设备参数修改的灵活性和较低的成本的同时，足以对涡轮发动机的涡轮部分进行模拟；扩压器可更换的特点，可以为扩压器形状、参数的设计和与火焰筒优化匹配问题的研究提供便利的实验环境；气体在经过火焰筒后直接经过排气口的设计在下游不影响上游流场分布的情况下，进一步简化了设备结构，保证了设备的轻量级、便捷性；本发明在进气道、压气机、扩压器、火焰筒等位置都开设了测量孔，从而可以测量气体在发动机中流动的全过程；不同于燃油发动机使用燃油作为能源，本发明使用电力驱动装置，电能更加容易获取、更加清洁环保。
附图说明
图1是一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置的整体剖面结构；
图2是所述实验装置的实验段细节；
其中，1为进气道、2为压气机、3为扩压器、4为燃烧室、5为电力驱动装置、6为排气口；101为进气口、102为整流叶轮、103为进气通道；201为进口导叶、202为转子叶片、203为出口导叶OGV；401为燃油喷嘴、402为旋流器、403为火焰筒、404为燃烧室外壳、405为燃烧室内壳；501为电机、502为机轴、503为联轴器；601为排气喷嘴、602为燃烧室出口导叶；K1-K12为测量孔。
具体实施方式
参考附图1，一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置包括进气道1、压气机2、扩压器3、燃烧室4、电力驱动装置5和排气口6。附图2为本发明模拟的燃气涡轮发动机的进气道、压气机、燃烧室部分。
一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，包括：
进气道1：为压气机提供稳定的气流，位于所述实验装置核心部分的上游，为压气机提供稳定的气流，主要包括进气口101、整流叶轮102、进气通道103。其中，整流叶轮共包含4片叶片。在进气通道103开有测量孔K1，测量气体来流上游的特征参数；
压气机2，具体包括用于形成气流通道的进口导叶201、转子叶片202、以及出口导叶OGV203，总共1.5级涡轮。在进口导叶201与转子叶片202，转子叶片202与出口导叶203之间各开有一个测量孔K2与K3，测量各部分结构内部的气流特征参数；
扩压器3，能更换包括流线型、突扩式、叶片式等不同类型的扩压器，同时可以采用不同张角、长度等参数的扩压器。扩压器3内部开有测量孔K4；
燃烧室(4)，包含燃油喷嘴401、旋流器402、火焰筒403、燃烧室外壳404和燃烧室内壳405，所述的燃油喷嘴401与燃烧室内壳405连接，所述的旋流器402、火焰筒403位于燃烧室内壳405中，经过燃油喷嘴401进入的燃油与进入燃烧室4的空气流混合后，在旋流器402出口点燃，火焰筒403内燃烧，燃烧产生的气体直接经排气口6排出。由于火焰筒下游不存在涡轮，不需要火焰筒额外提供实验装置运转的动能。所述的燃烧室外壳404与燃烧室内壳405上布置各4个测量孔K5-K12，其中一半的测量孔直通火焰筒403内部，以便测量火焰筒403内部的流场信息。燃烧室外壳404上还开有实验观察窗，能够利用粒子图像测速、平面激光诱导荧光和红外热像技术对燃烧室内部流场及火焰筒壁面温度和热流进行测量；
电力驱动装置5，位于实验装置的中心轴线位置，提供该实验装置运转的主要动力，主要包括包括电机501、机轴502和联轴器503部分。联轴器503将电机501与机轴502相连，电机501做功带动机轴502，机轴502作为装置的中心轴，带动压气机2的转子叶片202转动；
尾部的排气口6部分，将火焰筒燃烧产生的尾气排出，其中包括6到24个排气喷嘴601以及燃烧室出口导叶602。燃烧室出口导叶602位于火焰筒出口，将火焰筒燃烧尾气直接排放。排气喷嘴601位于燃烧室4出口，在燃烧室外壳404与火焰筒403之间、火焰筒403和内壳405之间布置。
对于具体实验操作过程，首先，开启位于中心轴的电力驱动装置5，驱动压气机2内的转子叶片202转动。在进气道1中，气体来流从进气口101，经过整流叶轮102进行整流，再经过进气通道103进入压气机。随后气流在经过第一级固定的进口导叶201进行整流后，进入压气机的后排离心转子叶片(202)。不同于真实发动机的是，转子叶片转动所需要的动能完全来自于电力驱动装置5。转子叶片利用离心力对气流做功，大大增加了气体的流速。之后经过出口导叶OGV203的气流进入扩压器(3)中，该结构用于对气流进行减速和升压，并使气流方向由径向转为轴向。经过扩压器后，气流分流成两部分进入燃烧室4中，一部分通过火焰筒403与燃油混合，点火发生燃烧反应，燃烧产生的尾气直接通过燃烧室出口导叶602排出。另一部分气流从扩压器3出口进入火焰筒403外壁和燃烧室内外壳之间的区域，通过火焰筒403壁面的冷却孔吹扫进行气冷，防止壁面过热。因而从扩压器出口的气流会以一定的配比方式进入燃烧室中，极大的影响燃烧组织以及火焰筒的燃烧性能。本发明可针对不同的扩压器研究扩压器与火焰筒的优化匹配关系，建立数据库。实验装置正常运转时，由于内部开有测量孔K1-K12与观察窗，通过多种不同的测量手段对实验段进行测量，几种典型的研究内容及其测量手段示例如下：
1.通过PIV技术测量不同类型和参数的扩压器内部的速度场，开展不同类型扩压器流动性能试验，研究扩压器结构参数和进口速度分布及温度等参数对其流场结构的影响，掌握扩压器流动分离与控制规律，分析扩压器压力损失的影响因素。
2.通过PIV等技术测量不同叶轮稠度下流场的结构，开展适用于高马赫数低叶片稠度的低损失扩压器设计原理研究，分析可压缩效应对扩压器流场结构和压力损失的影响机制，研究叶片稠度对流动均匀性的影响规律。
3.通过五孔探针测量实验段燃烧室内各部分气流的压力，从而得到扩压器出口气流进入燃烧室的配比，进行扩压器与火焰筒及头部的冷态流动匹配优化研究，研究扩压器匹配参数、与火焰筒头部相对位置及头部结构对扩压器和火焰筒流动性能的影响机制，掌握扩压器对头部和二股通道压力分布影响规律。
4.开展扩压器、OGV、环形模型火焰筒联合的冷态流场实验，通过PIV测量方法研究压气机末级出口气流周向不均匀性对火焰筒流场的影响机制，分析OGV和扩压器结构参数对环形火焰筒流场特性和流量分配径/周向均匀性的影响因素。
5.开展包括扇形扩压器模型的火焰筒热态试验，研究低损失扩压器结构与火焰筒配合特征参数对火焰筒性能影响规律。

Claims (8)

1.一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所述的装置包括电力驱动装置(5)、以及依次连接的进气道(1)、压气机(2)、扩压器(3)、燃烧室(4)和排气口(6)，所述的电力驱动装置(5)位于实验研究装置的中心轴线位置，为压气机(2)工作提供动力；
所述的进气道(1)包括进气口(101)、整流叶轮(102)、进气通道(103)，为压气机(2)提供稳定的气流；
所述的压气机(2)包括依次连接的进口导叶(201)、转子叶片(202)、以及出口导叶(203)，总共1.5级涡轮，气流经过出口导叶(203)进入扩压器(3)中；
所述的扩压器(3)用于对气流进行减速和升压，并使气流方向由径向转为轴向，将气体输送至燃烧室(4)中；
所述的燃烧室(4)包括燃油喷嘴(401)、旋流器(402)、火焰筒(403)、燃烧室外壳(404)和燃烧室内壳(405)，经过燃油喷嘴(401)进入的燃油与进入燃烧室(4)的空气流混合后，在旋流器(402)出口点燃，火焰筒(403)内燃烧，燃烧产生的气体直接经排气口(6)排出；
所述的压气机(2)、扩压器(3)以及燃烧室(4)在需要进行实验数据采集的位置开有测量孔，供外部测量仪器对实验数据进行采集，所述的测量孔采用螺纹密封；
所述的燃烧室外壳(404)与燃烧室内壳(405)上各布置4个测量孔，其中一半的测量孔直通火焰筒(403)内部；燃烧室外壳(404)上还开有实验观察窗，用于通过粒子图像测速、平面激光诱导荧光和红外热像技术对燃烧室(4)内部流场及火焰筒(403)壁面温度和热流进行测量；
经过扩压器后，气流分流成两部分进入燃烧室中，一部分通过火焰筒与燃油混合，另一部分气流从扩压器出口进入火焰筒外壁和燃烧室内外壳之间的区域。
2.根据权利要求1所述的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所述的整流叶轮(102)共包含4片叶片，所述的进气通道(103)上开有测量孔。
3.根据权利要求1所述的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，在进口导叶(201)与转子叶片(202)，转子叶片(202)与出口导叶(203)之间各开有一个测量孔；所述进口导叶(201)、转子叶片(202)以及出口导叶(203)的叶轮稠度可变。
4.根据权利要求1所述的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所述的扩压器(3)作为独立部件，能方便更换为流线型、突扩式或叶片式，所述的扩压器(3)内部开有一个测量孔。
5.根据权利要求1所述的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所述的电力驱动装置(5)包括电机(501)、机轴(502)和联轴器(503)部分，电机(501)与机轴(502)通过联轴器(503)相连，电机(501)做功带动机轴(502)，机轴(502)作为电力驱动装置的中心轴，带动压气机(2)的转子叶片(202)转动。
6.根据权利要求1所述的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所述的排气口(6)包括6-24个排气喷嘴(601)以及燃烧室出口导叶(602)，燃烧室出口导叶(602)位于火焰筒(403)出口，将火焰筒(403)燃烧尾气直接排放；排气喷嘴(601)位于燃烧室(4)出口，在燃烧室外壳(404)与火焰筒(403)之间、火焰筒(403)和燃烧室内壳(405)之间布置。
7.根据权利要求1所述的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所采集的实验数据包括速度场、压力、温度和燃烧火焰组分浓度。
8.根据权利要求1所述的一种扩压器与火焰筒优化匹配实验研究装置，其特征在于，所述的扩压器(3)进口的平均马赫数范围为0.15-0.4，温度覆盖范围300-950K。
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