CN111075513A - 一种扇形叶栅试验器及改变扇形叶栅进气角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扇形叶栅试验器及改变扇形叶栅进气角的方法，主要应用于涡轮机气动试验技术领域。该试验器至少包括一个扇形叶栅和实验段，所述扇形叶栅包含扇形盘和安装在扇形盘上的叶片；所述实验段为内表面连续、光滑无褶皱的流道。实验段至少上曲板或下曲板包含积木单元，积木单元相互拼接。该方法可方便改变扇形叶栅气流入口角又可保障气流品质。本发明由积木单元拼接出的流道可给下游的扇形叶栅提供不同的进气角。并能以很小的分度角灵活地调整，降低了制造多个过渡段的材料、工艺成本，缩短了实验准备时间，会拓展扇形叶栅的用途。

Description

一种扇形叶栅试验器及改变扇形叶栅进气角的方法

技术领域

本发明涉及一种扇形叶栅试验器及改变扇形叶栅进气角的方法，主要应用于涡轮机气动试验技术领域。

背景技术

扇形叶栅入口前，一般有收缩段(收敛段)及过渡段两部分。收缩段 (收敛段)先将圆管流道收缩成扇形。过渡段则由扇形收缩到更小的扇形，并且会预备多个。《后加载叶栅气动特性的环形叶栅实验研究与数值模拟》一文揭示：“为了适用于不同的叶栅或不同实验进口气流角、不同的实验叶栅高度等，收敛器应先收敛至一个较大的出口，在此基础上由过渡段收敛至叶栅进口。这样每做一个实验只需更换一个过渡段。”这种装置可供的进气角不多。反之，装置若提供很多的进气角，则要做大量的过渡段。存在着成本高、占地面积大的不足。

扇形叶栅比平面叶栅更接近发动机实物，制约其应用的关键因素就是改变进口气流角就要更换过渡段，而平面叶栅的优势是只要偏转安放叶栅的转盘，可以无级地改变进口气流角，所以一些本该在扇形叶栅做的实验在平面叶栅上做。

2015年美国机械工程师学会涡轮博览会论文集：涡轮技术会议和展览会，一篇文章(DOI：10.1115/GT2015-42999)展示了在平面叶栅上游，用移动的一圈小板来模拟静叶相对动叶旋转，制造周期性扰动的方法，其运动速度只为每秒一米。航空发动机转速超过到每分钟1万转，实验模拟静叶后尾迹的频率要达到发动机真实水平，小板必须以极高的速度直线运动，技术可行性较差。相对平面叶栅，在环形叶栅或扇形叶栅上游，用旋转的盘模拟动静叶盘相对运动，扰动的频率可以更高，更接近于实际工况。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足而提供一种扇形叶栅试验器，该试验器至少包括一个扇形叶栅和实验段。所述扇形叶栅包含扇形盘和安装在扇形盘上的叶片；实验段为内表面连续、光滑无褶皱的流道。

所述实验段包括上曲板、下曲板和两个侧边，上曲板内表面为上曲面，下曲板内表面为下曲面。实验段必须能灵活地与扇形叶栅或模拟静子盘 (与扇形盘同轴)衔接，与其接壤的实验段流道内表面应光滑连续的，即与扇形盘衔接的边界截面上，上曲板内表面的截线与扇形叶栅通道对应截线吻合，下曲板内表面的截线与扇形叶栅气体通道对应截线吻合，不能有明显的台阶和褶皱。

扇形叶栅相对实验段轴线可在一定角度范围内偏转，以便与气流形成不同的夹角，为此，实验段至少上曲板或下曲板包含积木单元，积木单元相互拼接。

进一步地，积木单元包含斜积木块，斜积木块包括进口面、出口面与流道轴线夹角固定的以及夹角可变的单元，上述单元拼接出的流道末端，即流道的出口边，可与各种进气角的“扇形叶栅”衔接并密封。

进一步地，斜积木块的进口面、出口面与流道轴线夹角固定的，有定位面，在辅助压板的作用下，保持设计状态，入口面、出口面与流道轴线成特定角度。每个斜积木块只能与特定出口面的上游单元衔接，与特定入口面的下游单元衔接。

进一步地，上述斜积木块的进口面、出口面与流道轴线夹角可变，通过削边，使其能与多个角度入口面下游件，与多个角度出口面的上游部件衔接密封。

所述上曲板内表面与左右两个侧边的内表面交线为直线，下曲板内表面与左右两个侧边的内表面交线为直线；

所述上曲板内表面与左右侧边的交点的两条连线在一个平面上；

所述下曲板与左右侧边的交点的两条连线在一个平面上；

所述上曲板或下曲板内表面与侧边交点也是其自身内表面弧形面与其自身平直段的交点。

上述左右侧边的有两个平行边。上曲板、下曲板中，进出口面与实验段流道轴线夹角可变斜积木块，其内表面除了曲面外，有平直面。其平直面可在左右侧边的平行边上转动，因而其出口面与实验段流道轴线夹角可以是不同的。

左右侧边，可以是积木块的，且与上曲板、下曲板积木块一一对应的。更进一步，上述四部分可以合为一体。

上述左右侧边是积木块的，其内表面可为三维曲面，更进一步说，上述四部分的内表面都为三维曲面，没有平面部分。

左右侧边，可以是积木块的，不与上曲板、下曲板一一对应。

上述左右侧边，是积木块的，不与上曲板、下曲板一一对应，其流道内表面是平面。

上述左右侧边，是积木块的，其流道内表面是平面，沿着流道轴线方向的长度不同。

上述左右侧边，是积木块的，其流道内表面是平面，沿着流道轴线方向的长度不同，彼此长度呈倍数关系。

为了便于更换左右侧边积木块，在左右侧边外设外侧滑轨，滑轨与左右侧面板通过滑槽等配合面相互连接。

上述两外侧滑轨距离较远，在扇形盘的投影区域外，不妨碍扇形盘的旋转。

所述扇形盘呈若干度夹角的扇形，包含安装叶片的榫槽，或者其它形状的安装台面，以便与叶片配合。真实的发动机里，动叶运动，包容它的机匣静止，机匣内表面与动叶叶尖或叶冠有均匀的间隙。模拟涡轮的扇形叶栅由于要改变进气角而做各个角度的偏转，上方需有模拟机匣的部件与之同步摆动，因此扇形盘上部，比真正涡轮盘可多一板，其内表面为曲面，且与各叶尖等距以模拟叶片上方机匣，且称为“模拟机匣”，它与扇形盘相连，甚至做成一体，以便同步运动。

扇形盘包括左右两个侧支板，它们连接着模拟机匣。两侧支板的内表面，模拟机匣的弧形内表面，及安装叶根的弧面，围成气体通道。

如果试验叶片带有叶冠，则叶冠上方可以敞开，不需要加机匣模拟物。叶冠内表面则为弧形面。该弧形面与侧支板的内表面及安装叶根的弧面，围成气体通道。

扇形盘上部也可无模拟机匣部分并无两侧支板，扇形盘上最外侧的叶片的内表面，安装叶根的弧面，叶冠内表面，围成气体通道。

扇形盘的扇形圆心有中空孔，孔外有法兰边，可安装法兰盖。

扇形盘底部为平面，有法兰与一分度盘相连。分度盘用来精确控制扇形盘的偏转角度。在扇形盘的正下方或侧面，有接孔与不锈钢波纹管相连，以便通入压缩气体冷气流，还不妨碍其转动自由度。冷气经过径向冷气孔，从叶根流入叶片再从气膜孔流出。

扇形盘圆心处中空孔可安装轴承或者插入圆柱轴承腔，轴承腔里面再放置轴承，可使用陶瓷轴承以便在高温环境下无润滑运转。轴承腔外布置轴承盖，轴承盖与轴间有狭缝或动密封装置，以减少冷气泄露。一部分冷气经轴承盖与轴的狭缝流出，保护轴承。

模拟静叶在实验段和扇形盘之间可以插入模拟静子盘，该盘与扇形盘相互平行且同轴，可相对扇形盘旋转。

模拟静子盘包括盘体、模拟叶片。

上述模拟静叶为直板，它们插入盘体径向槽里。直板与盘的至少一个侧面开环槽，锁片环布置在环槽里，卡住模拟叶片，在径向上约束住直板并承受其离心力。

上述模拟静叶为圆棒，插入模拟静叶盘径向孔里并紧固。

更进一步，紧固方式为：

圆棒与盘体焊接；

圆棒与孔热装；

圆棒与孔通过螺纹连接；

模拟静子盘为360度盘体，中间有轴，该轴穿过扇形盘中心孔的轴承，通过万向节与电机或其它动力源相连。

一压力容器驻室包容上述实验段和扇形盘等。该压力容器可打开，以便操作。该驻室布置在轮子上或滑块上，滑块置于轨道系统上。该容器有快开罐门。容器内可附有耐热层，以降低钢容器温度。驻室内暴露于高温环境下的碳钢件，表面可涂高温漆以防腐。通过人孔透过驻室，测温元件红外点温仪测量叶冠表面等处温度。红外点温仪布置在一倒扣的礼帽型的套筒内，套筒被活套法兰压在驻室容器的人孔法兰上，套筒底部与扇形盘上部模拟机匣板相连，并同步运动。套筒底开有一些通孔，与之相对应位置上，扇形盘上部，模拟机匣上也开通孔并安装透红外玻璃。

本发明的另一目的是提供一种改变扇形叶栅进气角的方法，该方法可方便改变扇形叶栅气流入口角又可保障气流品质。扇形叶栅前实验段内表面含连续的无褶皱的、基本左右对称的三维曲面，其相邻两个内表面交点都位于一条直线上，左右相对两条直线又在一平面上。积木单元拼接的实验段流道末端，可以构成与实验段轴线不同的夹角，即为扇形叶栅气流入口角。上述单元拼接出的流道可给下游的扇形叶栅提供不同的进气角。流道出口面都可与扇形盘入口面衔接，实验段出口面流道截线与扇形叶栅的入口面扇形缺口截线吻合。

本发明涉及一种扇形叶栅实验段，尤其内流道内表面的方法，依照扇形叶栅气体通道与其入口面的关键截线设计实验段内表面，将扇形叶栅气体通道内表面关键截线组在轴向不同位置依次偏转不同的角度，并使每次偏转某关键截线交点都落在一条线上，如此这样生成曲面控制线，由诸控制线扫略生成连续曲面，并由控制线生成与流道轴线成不同交角的分割面，在分割面将流道分割成积木块。所说的关键截线，为扇形叶栅入口面上叶根弧截线、模拟机匣内表面截线、侧支板内表面截线。

所述关键截线，为扇形叶栅入口面叶根弧截线、叶冠内表面截线、边缘叶片前缘截线。

所述键截线交点都落在一条线上，该线为关键截线组最大和最小偏转角，截线交点的连线。

本发明的有益效果及特点在于：

由积木块拼接出的流道可给下游的扇形叶栅提供不同的进气角。并能以很小的分度角灵活地调整，降低了制造多个过渡段的材料、工艺成本，缩短了实验准备时间，会拓展扇形叶栅的用途用途。一些在平面叶栅上做不好的实验，将转到扇形叶栅上做，譬如静叶尾迹影响的实验。该方法可方便改变扇形叶栅气流入口角又可保障气流品质。

附图说明

图1是扇形叶栅试验器的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是实验段剖视图，其中：图3-1侧边为三维曲面的实验段剖视图；

图3-2侧边为平面且与上曲面衔接的实验段剖视图；图3-3侧边为平面且与下曲面衔接的实验段剖视图。

图4是图2A向视图。

图5是底部进气扇形盘的结构示意图。

图6是侧面进气，无侧支板和模拟机匣的扇形盘的结构示意图。

图7是模拟静子盘结构示意图。

图8是模拟静子盘体结构示意图。

图9是图8的B-B剖面图。

图10是实验段横截面内表面示意图。

图11是流道型线设计方法示意图，其中包括11-1、11-2、11-3、11-4、 11-5、11-6和11-7步骤。

图12各曲面交点连线投影图

图13是流道出口角度固定的上曲板。

图14是流道出口万能调整上曲板。

图15是实验段上部示意图。

图16是机架示意图。

图17包含驻室试验器的示意图。

图18是图16的右视图。

图19是图17的A-A剖视图。

实施方式

扇形叶栅试验器，该试验器至少包括一个扇形叶栅和实验段。所述扇形叶栅包含扇形盘和安装在扇形盘上的叶片；实验段为内表面连续、光滑无褶皱的流道。

本发明提出一种扇形叶栅试验器，至少包括一个扇形叶栅和实验段，扇形叶栅相对实验段在一定角度范围内偏转，以便与气流形成不同的夹角，为此实验段为积木单元块拼接而成的，积木单元包括斜积木块，各斜积木块有不同的斜边，以便流道末端，即流道的出口边，可与各种角度下的“扇形叶栅”或“模拟静叶盘”衔接并密封。

用于模拟涡轮盘或压气机盘的扇形叶栅，包括扇形盘和叶片。扇形盘可以从涡轮盘或压气机盘切下扇形片，加上底部支撑改制而成，或者按照涡轮盘(或压气机盘)形状制作局部涡轮盘，即几十度夹角的盘，盘包含安装动叶的榫槽，或者其它形状的安装台面，以便与动叶配合。动叶可带叶冠，叶片可有气膜孔，所以动叶要从叶根引入冷却气体。为此扇形盘体内有冷气通道。真实的发动机里，涡轮运动，包容它的机匣静止，机匣内表面与涡轮叶片叶尖或叶冠有均匀的间隙，模拟涡轮的扇形叶栅由于要改变进气角而做各个角度的偏转，上方需有模拟机匣的部件与之同步摆动，因此扇形盘上部，比真正涡轮盘多一板，其内表面为曲面，以模拟叶片上方机匣，且称为“模拟机匣”，它与扇形盘相连，甚至做成一体，以便同步运动。

扇形盘包括左右两个侧支板，它们连接着模拟机匣。

两侧支板的内表面，模拟机匣的弧形内表面，及安装叶根的弧面，围成气体通道。

如果试验叶片带有叶冠，则叶冠上方可以敞开，不需要加机匣模拟物。叶冠内表面则为弧形面。该弧形面与侧支板34的内表面及安装叶根的弧面，围成气体通道。

扇形盘上部也可无模拟机匣部分并无两侧支板，扇形盘上最外侧的叶片的内表面，安装叶根的弧面，叶冠内表面，围成气体通道。

扇形盘的扇形圆心有中空孔，孔外有法兰边，可安装法兰盖。

扇形盘底部为平面，有法兰与一分度盘相连。分度盘用来精确控制扇形盘的偏转角度。在扇形盘的正下方，有接管穿过分度盘中心孔与不锈钢波纹管相连，以便通入压缩气体冷气流，还不妨碍其转动自由度。冷气上传到回转中心，经过径向冷气孔，从叶根流入叶片再从气膜孔流出。

中空孔可安装轴承或者插入圆柱轴承腔，轴承腔里面再放置轴承，可使用陶瓷轴承以便在高温环境下无润滑运转。轴承腔外布置轴承盖，轴承盖与轴间有狭缝或动密封装置，以减少冷气泄露。一部分冷气经轴承盖与轴的狭缝流出，保护轴承。

上述轴承内环插进一轴，该轴上游端安装模拟静子盘，该轴下游通过万向节与电机或其它动力源相连。模拟静子盘上装有直钢板或圆棒以模拟静子叶片，其稠度参照静子盘。与真实发动机相反，实验时，该盘高速旋转以模拟转子、静子轮相对运动时脉动尾迹，而与之同轴的扇形盘在实验时固定。

该模拟静子盘径向加工出孔或开直槽，插入棒或直板模拟叶片。棒可焊接在盘上。使用直板模拟叶片，则盘不但开径向槽，侧面还开环槽，模拟静叶的直板也开同样截面环槽，直板插入径向槽后，用螺栓将锁环固定在环槽里，将直板叶片卡住，在径向上约束住直板并承受其离心力。

在扇形盘的扇形圆心O建立坐标系，设气流方向为X轴，扇形盘可绕Z轴在几十度范围内偏摆，以改变与气流夹角。假设扇形叶栅前缘与实验段轴线，也是来流方向y的夹角为α，其变化范围具体为从α₁到α₃，譬如80°-20°，

扇形叶栅扇形缺口的，A-B-C弧线为模拟机匣内表面截线或叶冠内表面截线，D-E-F为叶根内表面截线，D-A，C-E为两侧支板内表面截线或安装在扇形盘外侧两叶片前缘截线，这四个边内即是气流流经的通道。此图也可以理解为将盘转成α＝90°，扇形盘的扇形缺口在Y-Z截面上投影简图。随着α角度改变，四边在Y-Z平面投影曲线自然会相应变化。

在扇形盘或者“模拟静子盘”前，是引导气流的实验段。实验段前端与一固定板(或墙)相连，该板垂直于X轴，可用厚钢板制作，也可以是墙。厚板前是其它流道，譬如圆变成扇形的过渡段，再前面可以是热源，譬如燃烧室。固定板也可能与燃烧室扇形出口直接相连。

该板或墙有扇形切口，为实验段的入口，其内表面这样确定：

将扇形盘转到等于80°，并对该板(或墙)，即X＝0的Y-Z平面的投影，按偏转的A-B-C弧线投影曲线在钢板(或墙)切出上曲面；按D-E-F 弧线投影曲线切出下曲面，按扇形盘两个侧支板的投影线，切出左右两个边。

实验段包括上曲板、下曲板和两个侧边，上曲板内表面为上曲面，下曲板内表面为下曲面。实验段必须能灵活地与扇形叶栅或模拟静子盘(与扇形盘同轴)衔接，与其接壤的试验段流道内表面应光滑连续的，即与扇形盘衔接的边界截面上，“上曲面”的截线与A-B-C线吻合，下曲面的截线与D-E-F线吻合，不能有明显的台阶和褶皱。

实验时扇形盘要改变α，所以实验段为积木拼接而成，积木块包含斜积木块，有限的斜积木块保证逢五逢十的α角能拼出来，或者双数α角，或者每度的α角都能拼出来。斜积木块拼出的流道是平顺的，这又就要求流道在Z＝Z₁平面，所有斜积木块的A点连成一条直线，所有斜积木块的C 点连成直线；同理，在Z＝Z₂平面，所有斜积木块的E点连成一条直线，所有斜积木块的D点连成直线。

譬如每个斜积木块负责偏转5°，即斜积木块入口面和出口面有5°的夹角，那么从α＝80°至α＝20°需要12个积木块，其出口面与y轴的夹角分别为80°/75/70……。

由于斜积木块的两个面与y轴的夹角已定，下一步要确定每个斜积木块的Y向长度和位置。

在Z＝Z₁平面，先确定首尾两个斜积木块出口的位置，譬如出口中心相距1500mm。在Z＝Z₁平面，斜积木块流道的关键几何点是A和C，这两点相距L。将首斜积木块的出口面A₁点与尾斜积木块的出口面A₁₂相连，得到 A₁A₁₂；首斜积木块出口面C₁点与尾斜积木块的出口面C₁₂相连，得到C₁C₁₂，中间其它斜积木块的A点、C点也要在这两条线上。

测量A点连线与y轴的夹角，譬如γ°，然后将A₁A₁₂、C₁C₁₂、y轴旋转γ°，使A₁A₁₂线水平。将A₁C₁绕A₁逆时针旋转5°，使其与y轴夹角由 80°变为75°，尾端由C₁到C’，然后从C’引水平线与C₁C₁₂线相交，交点为C₂，再在C₂点复制A₁C’线，得到A₂C₂,它与y轴夹角为75°，且两端点分别在A₁A₁₂、C₁C₁₂线上。

同理，将A₁C’再逆时针旋转5°，由该线段的尾端引水平线，与C₁C₁₂线相交，交点为C₃，在C₃复制出与Y轴夹角为70°的A₃C₃……

在Z＝Z₂平面，也找出12个斜积木块的关键点位置，由这些点连成空间曲线，再对曲线扫略，即可形成连续的、平滑三维曲面。

左右两个侧边的在z向投影高度是一致的，为H，所以用两条厚为H 的钢板，用数控铣加工出左、右两个侧边，这两个侧边上下两个面是平行的。用另外两厚板，经数控铣加工出上曲板和下曲板，上曲板，下曲板的曲面都衔接左右两个平面，与侧边的平行面相互配合，即可合成密封的流道。

再沿着上述空间曲线A_nC_n、D_nE_n将上下曲面板分割成数个斜积木段，每块的前后切面都有5°夹角。

假设实验要求扇形盘偏转为α＝70°，上曲面板、下曲面板各则取2 块斜积木块构成，若α为65°，则上下曲面板都取3块斜积木块构成。

如果α角并不是逢五逢十，比如是68°，则在用2个大的积木段拼成 70°，再加上，两侧为2°夹角的非等距调整窄条，就能拼到68°。

还可以拓展，制造两边夹角0.2°、0.4°、0.8°弧形条，则角度分辨率达到0.2°。

“扇形叶栅”绕z回转,它与其下面的回转盘坐在导轨上，可在X向移动，以便凑近与之无缝对接的那个斜积木块。

“扇形叶栅”及其下面的回转盘若不适合在x、y方向大幅度左右前后窜动，则调整α是以“扇形盘”Z轴作为“起点”，先将“扇形盘”转到指定的α角，再将出口边为α角的那块斜积木块靠在扇形盘或模拟静子盘上，再选出口边角度为α-5°的斜积木块，及α-10°的斜积木块，一个挨着一个，向上游延伸。若实验段斜积木块的安装长度是定死的，在实验段的上游就可能出现或大或小的空挡，于是要在入口处插一些两侧平行的，与入口曲线吻合的等距直积木块去弥补这个空档。

相同厚度直积木块需要预备很多，实际加工厚度分别为1、2、4、8、 16、32、64、128、256毫米这几个直积木块可以弥补任何整数的空挡。

第一个积木块为直变斜积木块，入口面与实验段轴线垂直。

在X-Y面投影上，斜积木块与“扇形盘”(或模拟静子盘)边界重合，达到密封要求。流道设计的时候就按照在某角度切口正好与“扇形盘”转到这个角度完全贴合，这个要求确定型面，所以流道内不会出现明显的褶皱。

除了上曲板、下曲板，两侧边长度也是变的，侧边和外侧滑轨两者靠滑槽配合。积木侧边放左侧多些，则左侧突出。可换直积木侧边，可与上下曲面板数量一一对应，也可按长度，分别为1、2、4、8、16、32、64、 128、256、512(单位毫米)，最长的放在最外面，这样外侧滑轨可以短些，以便不妨碍模拟静子盘和扇形盘转动。

涡轮盘固定在分度盘上。分度盘置于一固定支板上，该板固定在立板上，该立板与地面相对固定。调节分度盘水平度，再用螺栓将分度盘与固定板紧固。立板焊接有加强筋以提高刚度，该立板一侧连接着缓冲段或者直连燃烧室。另一侧通过法兰边连接着一压力容器驻室，该低压容器可以降低噪音污染，并且提供一个低压的背压环境，一方面调节该室压力可调马赫数，另一方面减少实验段通过缝隙气流泄露。该压力容器布置在轮子上或滑块上，滑块置于轨道系统上，将容器与立板分离，使容器在导轨上拉开后退便于安装调整扇形盘，安装结束后将容器向前移动，与立板的法兰边相互贴合。该压力容器驻室与排气管道通过波纹管连接，以便不妨碍前后运动。压力容器驻室后面有快开罐门。可以打开该门以便进入驻室安装调试。

容器内可附有耐热层，以降低钢容器温度，在550℃下可以正常工作。驻室内暴露于高温环境下的碳钢件，表面可涂高温漆，以防腐。

容器有内窥孔，安装石英玻璃，在高温带压力条件下，能可靠地工作，以便观察驻室内情况。

叶片表面布置测压孔，连接不锈钢毛细管，以便将叶片表面压力传给外部的压力传感器。

“扇形盘”进出口压力通过毛细管传出，“扇形盘”进口截面温度通过高温热电偶测量。

测温除了用热电偶还可用红外测温仪器，而且更便于测多个点甚至面的温度场，而扇形盘带着叶片绕z轴转动以改变攻角，红外点温仪也需要随动，保持与测点的相对位置固定。

“模拟机匣”下曲面与诸叶片叶尖或叶冠等距，其上表面为平面，该平面与一个倒扣的“礼帽型”的套筒相对，该套筒底开有一些通孔，与之相对应位置上，模拟机匣上也开通孔并安装透红外玻璃，透过这些孔和玻璃，可以用红外点温仪测量叶冠上表面等处的温度。

套筒“帽檐”与一个布置在驻室容器的壁上法兰面相贴合，旋转调整到位后，用一个活套法兰将“帽檐”夹在容器法兰上，并压紧以实现密封。

实施例

如上述图中所示：

金属棒1，模拟静子盘2，直变斜积木块3，扇形盘4，轴承腔5，轴承腔法兰6，模拟机匣7，小圆螺母8,小圆螺母垫片9，轴承盖10,轴11，万向轴12，内表面为平面的右侧边13，轴承14，通气扇形缺口15，榫槽 16，径向冷气孔17，中心孔18，中心冷气孔19，实验段20，中心冷气孔 21，直叶片23，卡环24，扇形动叶叶栅25，沉头孔26，卡环槽27，直积木块28，斜积木块29，压条30，滑轨31，立板32，收缩段33,扇形盘侧支板34，下曲板35，直线导轨36,滑块37，底板38，分度盘39，容器驻室40，罐门41，套筒42，扇形法兰43，内表面为平面的左侧边44，内表面为三维曲面的左侧边45，模拟静子盘径向直槽46,活套法兰47，支撑板48，驻室法兰49，上曲板50，带叶冠的叶片51，立板扇形切口52，冷气入口53,内表面为三维曲面的右侧边54，叶冠55，上曲板直边56，上曲板直边端头57。

具体实施例

如图1、2、3和17所示，本发明提出一种扇形叶栅试验器，至少包括模拟发动机涡轮的扇形叶栅25及其上游的实验段20，在这两者间可以布置模拟静叶的模拟静子盘2，在上述部件外可有将它们包容的压力容器驻室40。扇形涡轮叶栅25与模拟静子盘2同轴，且该轴线可在一定角度范围内摆动，与实验段的出气形成不同的进气角a，为此实验段包含可换积木块，譬如内表面为拱形的上曲面为斜积木块29及直积木块28等拼接而成的，斜积木块29等的入口面、出口面有不同的斜边，以便流道末端与扇形叶栅25或模拟静子盘2衔接处，能相对出气方向形成各种不同的夹角，并密封。图1中所示轴11的一端设有装有小圆螺母8,小圆螺母垫片9

如图5、6所示，用于模拟涡轮盘的扇形叶栅，包括扇形盘4和涡轮动叶片51。扇形盘4可以从涡轮盘改制，即切下扇形片加上底部支撑而成，或者按照涡轮盘形状制作几十度夹角的局部，扇形盘4包含安装51的榫槽16，或者其它形状的安装台面，以便与动叶配合。扇形盘上部，比真正涡轮盘多一板，其内表面为曲面，且与叶尖的特征点等距，该板用于模拟叶片51上方机匣，且称为模拟机匣7，它与扇形盘相连且同步运动。

扇形盘包括左右两个侧支板34，它们连接着模拟机匣7。两侧支板34 的内表面，模拟机匣7的弧形内表面，及安装叶根的弧面，围成通气扇形缺口15。

如果试验叶片51带有叶冠55，则叶冠55上方可以敞开，不需要加机匣模拟物。叶冠内表面则为弧形面。该弧形面与侧支板34的内表面及安装叶根的弧面，围成气体通道。

扇形盘上部也可无模拟机匣7部分并无两侧支板14，连接扇形盘上最外侧的叶片51的内表面，安装叶根的弧面，叶冠55内表面，围成气体通道。

扇形盘上部也可无模拟机匣7部分，无两侧支板，连接扇形盘上最外侧的叶片51的内表面，安装叶根的弧面，叶冠55内表面，围成气体通道。

叶片51可有气膜孔，所以动叶要从叶根引入冷却气体。为此扇形盘由厚板制成，体内有冷气通道。

涡轮盘扇形的回转中心有中心孔18，孔外通过法兰边安装轴承腔5。

如图1、2和5所示，扇形盘底部为平面，有法兰与一分度盘39相连。在扇形盘的下方，通过管口可与不锈钢波纹管相连，以便通入压缩气体作为冷气流，还不妨碍其转动自由度。冷气从冷气孔19入，经中心孔18，透过轴承腔5，流进多个径向冷气孔17，从叶根流入叶片51再从气膜孔流出。

扇形盘4也可以侧面进气，譬如侧面开螺纹孔，譬如管螺纹或圆锥管螺纹，与不锈钢波纹管连接。扇形盘也可以没有侧支板和模拟机匣，如图 6所示。

在扇形盘4的扇形圆心O建立坐标系，设气流方向为X轴，扇形盘4 可绕Z轴在几十度范围内偏摆转，以改变与气流夹角。假设扇形叶栅前缘或模拟静子盘的前缘与风洞轴线X的夹角为α，其变化范围具体为从α₁到α₂，譬如80°-20°，

图10为扇形叶栅形缺口15的截面简图，A-B-C弧线为模拟机匣7内表面截线或叶冠内表面截线，D-E-F为叶根内表面截线，D-A，C-E为两侧支板内表面截线或安装在扇形盘外侧两叶片前缘截线，这四个边内，即是气流流经的通道。此图也可以理解为将盘转成α＝90°，扇形叶栅的扇形缺口在Y-Z截面上投影简图。随着α角度改变，四边在Y-Z平面投影曲线自然会相应变化。

如图1、2、17所示，在扇形盘4或者“模拟静子盘”2前，是引导气流的实验段20。实验段20前端与一立板32相连，该立板垂直于X轴，可用厚钢板制作。厚板前是其它流道，譬如圆变成扇形的收缩段33，再前面可以是热源，譬如燃烧室。立板32也可能与燃烧室扇形出口直接相连。

所述立板32有扇形切口，为实验段的入口，其内表面这样确定：将扇形盘4转到等于80°，并对立板32，即X＝0的Y-Z平面的投影，按偏转的A-B-C弧线投影曲线在钢板(或墙)制得上曲面；按D-E-F弧线投影曲线切出下曲面，按扇形盘两个侧支板的投影线，制得左右两个边。

如图3所示，实验段20主要包括上曲板50、下曲板35、左侧边45、右侧边54，上曲板50内表面为上曲面，下曲板35内表面为下曲面，实验段20必须能灵活地与扇形叶栅25或模拟静子盘2(与扇形盘4同轴)衔接，与其接壤的试验段流道内表面应光滑连续的。实验段末端上曲面与扇形盘4的A-B-C线吻合，实验段末端下曲面的截线与D-E-F线吻合，不能有明显的台阶和褶皱。

实验时扇形盘4要改变α，所以实验段包含积木块，尤其是斜积木块，至少上曲板50、下曲板35包含积木单元。如图17所示，有限的斜积木块保证逢五逢十的α角能拼出来，或者双数α角，或者每度的α角都能拼出来。斜积木块拼出的流道是平顺的，这又就要求流道在Z＝Z₂平面，所有斜积木块的A点连成一条直线，所有斜积木块的C点连成直线；同理，在Z＝Z₄平面，所有斜积木块的E点连成一条直线，所有斜积木块的D点连成直线。

譬如上曲板、下曲板每个斜积木块负责偏转5°，即斜积木块入口面和出口面有5°的夹角，那么从α＝80°至α＝20°需要12个斜积木块，其出口面与y轴的夹角分别为80°、75°、70°……。

由于斜积木块的两个面与X轴的夹角已定，下一步要确定每个斜积木块的X向长度和位置。

如图11所示，在Z＝Z₂平面，先确定上曲板首尾两个斜积木块出口面的截线，譬如首尾斜积木块出口中心相距1500mm。在Z＝Z₂平面，斜积木块流道的关键几何点是上曲板内表面的A和C，这两点相距L。图12，将首斜积木块的出口面A₁点与尾斜积木块的出口面A₁₂相连，得到A₁A₁₂；首斜积木块出口面C₁点与尾斜积木块的出口面C₁₂相连，得到C₁C₁₂，中间其它斜积木块的A点、C点也要在这两条线上。

图11-2，测量a点连线与y轴的夹角，譬如γ°，然后将A₁A₁₂、C₁C₁₂、 X轴旋转γ°，使A₁A₁₂线水平。

图11-3，11-4将A₁C₁绕A₁点逆时针旋转5°，使其与X轴夹角由80°变为75°，尾端由C₁到C₀，然后从C₀引水平线与C₁C₁₂线相交，交点为C₂，再通过C₂点复制A₁C₀线，得到A₂C₂,它与y轴夹角为75°，且两端点分别在A₁A₁₂、C₁C₁₂线上。A₂C₂便是一斜积木块出口面与Z＝Z₂平面截线，该斜积木块出口面与y轴成75°。

图11-5，图11-6，同理，将A₁C₀再逆时针旋转5°，由该线段的尾端引水平线，与C₁C₁₂线相交，交点为C₃，经过C₃做A₃C₃，为斜木块出口面与 Z＝Z₂平面相交的截线，该线与X轴成70°。

图11-7,用这样的方法，可以找出所有斜积木块出口面与Z＝Z₂平面截线，进而找到关键点A_n,C_n(n＝1,2，……12)。

另外在Z＝Z₁平面，所有上曲板积木块内表面的最高点，都连成一线，所有斜积木块出口截面与Z＝Z₁平面相交于一点，B_n(n＝1,2，……12)。

同面的三点决定一弧线，譬如A₂、B₂、C₂处于第二上曲板及斜积木块的出口截面，由A₂、B₂、C₂可画出一弧线，由12条弧线便可以扫略出各上曲板的上曲面55，它是连续的三维曲面。

同理，在Z＝Z₃平面，也找出12个斜积木块的关键点位置，E_n(n＝1,2…… 12)

在Z＝Z₄平面，也找出12个斜积木块的关键点位置，D_n,F_n(n＝1,2，…… 12)

由这些点连成曲线，再对曲线扫略，即可形成连续的、平滑三维曲面，为各下曲板的内表面，即下曲面。

另外，各A_n点在一条Z＝Z₂平面的直线上，即A₁A₁₂，各F_n点在一条Z＝Z₄平面的直线上，即F₁F₁₂。沿着这两条线，可以扫略出左侧边45的内表面，该表面为三维曲面。同理，经C₁C₁₂线与D₁D₁₂线可扫略出右侧边54的内表面。

如图12，若将Z＝Z₂平面的A₁A₁₂,C₁C₁₂线，Z＝Z₄平面D₁D₁₂、F₁F₁₂线投影到同一图上，可见，A₁A₁₂、F₁F₁₂不共面，同样C₁C₁₂线、D₁D₁₂线也不共面。

左侧边45的在Z向投影高度是不变的，为Z₂-Z₄，所以加工厚钢板并使间距Z₁-Z₂的两个面平行，再用数控铣加工出包含所有A_n点、F_n点斜边，该斜边为三维曲面。同理可加工右侧边54。

用另外两厚板，经数控铣加工出上曲板和下曲板，上曲板，下曲板都有左右两个平面，与积木侧边45的平行面相互配合，即可合成完整且密封的流道。

再沿着上述空间曲线，A_nC_n，D_nF_n将上曲板50、下曲板35分割成数个斜积木段，每块的前后切面都有5°夹角。

假设实验要求扇形盘偏转为α＝70°，上曲板50、下曲板45各则取2 块积木段构成，若α为65°，则上曲板50、下曲板45都取3块积木段构成。

如果α角并不是逢五逢十，比如是68°，则在用2个大的积木段拼成 70°，再加上，两侧为2°夹角的非等距调整窄条，就能拼到68°。

还可以拓展，制造两边夹角0.2°、0.4°、0.8°弧形条，则角度分辨率达到0.2°。

如图14所示，这些角度调整积木与出口角逢五逢十的斜积木块不同之处在于，前者的直边是削边的，可以与任何出口角的斜积木块贴合，而后者的直边端头57被压板30等定位，使其入口角、出口角都是定死的，如图13所示。

若进气角变化范围大，也可以将流道制成分别向左扭和向右扭的A、B 两条。假设扇形叶栅前缘与风洞轴线y的夹角为α，其变化范围具体为从20°到120°，则A可从90°变化到20°，B从90°变到120°，这样A、B两条流道都是由宽变窄，流经的气流都要加速。实验段的最前端立板32(或墙)扇形入口内表面按扇形盘转到α等于90°，并对Y-Z平面的投影确定。其它型面设计与单流道设计相同。

“扇形叶栅”绕z回转,它与其下面的回转盘坐在导轨上，可在X向移动，以便凑近与之无缝对接的那个斜积木块。

“扇形叶栅”及其下面的回转盘若不适合在X、Y方向大幅度左右前后窜动，则调整α是以“扇形盘”Z轴作为“起点”，先将“扇形盘”转到指定的α角，再将出口边为α角的那块斜积木块靠在扇形盘或模拟静子盘上，再选出口边角度为α-5°的斜积木块，及α-10°的斜积木块，一个挨着一个，向上游延伸。若实验段积木块的安装长度是定死的，在实验段的上游就可能出现或大或小的空挡，于是要在入口处插一些两侧平行的，入口曲线吻合的直积木块去弥补这个空档。

调整条若采用相同厚度，需要预备很多，实际加工厚度分别为1、2、 4、8、16、32、64、128、256毫米这几个直积木块可以拼出任何整数的空挡。

在X-Y面投影上，斜积木块与“扇形盘”(或模拟静子盘)边界重合，达到密封要求。流道设计的时候就按照在某角度切口正好与“扇形盘”转到这个角度完全贴合，这个要求确定型面，所以流道内不会出现明显的褶皱。

除了上曲板、下曲板，两侧的左侧边45、右侧边54累积长度也是变的，左侧边45、右侧边54布置在内侧，其外布置滑轨31，两侧边与滑轨 31靠滑槽配合，并用螺钉紧固。左侧边45、右侧边54也是可换的积木式的，可与上下曲面板数量一一对应。

沿着A₁A₁₂、F₁F₁₂扫略出的左侧边45内表面是三维曲面，同理沿着C₁C₁₂线、D₁D₁₂线扫略出的右侧边54内表面也是三维曲面。

简化制造方法，是将这两个侧边的内表面做成平面，该斜面经A₁A₁₂线，则与上曲板的上曲面接触，与下曲板的下曲面无法接触。该斜面经F₁F₁₂线，则与下曲板的下曲面接触，与上曲板的上曲面有无法接触。分别如图 3中3-2和3-3所示。

若左侧边45、右侧边54内表面非空间曲面，则可按长度，分别为1、 2、4、8、16、32、64、128、256、512(单位毫米)等分段，最长的放在最外面，这样其外侧的滑轨31可以短些，不妨碍模拟静子盘2和扇形盘4 转动。

如图2、15、17所示，上曲板50由直积木条28，斜积木块29拼成，滑轨31固定着及内表面为三维曲面的左侧边45，压条30将直积木条28 和斜积木块29压到对称的外侧滑轨31之间距离超过扇形盘回转直径，因此可以做的较长，不论扇形盘如何偏转都不会与外侧滑轨31冲突。

对称的两个外侧滑轨31可以是平行放置的，也可以是不平行的，譬如外侧滑轨31的两个内表面分别与A₁A₁₂，C₁C₁₂平行。

扇形盘轴承腔5里面放置两个陶瓷轴承14，可以在550℃环境下无润滑运转。轴承腔5的轴承盖与轴11间有狭缝或动密封装置，以减少冷气泄露。一部分冷气经轴承盖与轴11的狭缝流出，带走热量保护轴承。

轴11安装进轴承14的内环，其上游端固定模拟静子盘2。该轴下游端通过万向节与动力源相连，动力源可为电机或其它动力源相连。模拟静子盘 2上装有金属棒1以模拟静叶叶片，其稠度参考静叶。与真实发动机相反，实验时，模拟静子盘2高速旋转，以模拟动静叶轮相对运动时脉动尾迹，而与之同轴的扇形盘4则固定。

如图7、8、9和10所示，该模拟静子盘2也可开模拟静子盘径向直槽46，另外盘的侧面缘又都开有卡环槽27，模拟静叶的直叶片23也在一侧或两侧开，直叶片23插入径向直槽46，将两个20mm宽的卡环24用螺栓固定在模拟静子盘2上，径方向上约束住直板并承受离心力。

如图16，扇形盘4固定基础为分度盘39。分度盘置于一支撑板48 上，48固定在立板32上，该立板32与底板38相对固定。调节分度盘39 水平度，再用螺栓将分度盘39与支撑板48紧固。底板38上，布置直线导轨36，导轨36上有滑块37。

如图18所示。该立板32上有扇形缺口，扇形口外侧有扇形法兰43 安装收缩段(收敛段)或者直接连燃烧室扇形出口。立板32外焊接有加强筋以提高刚度。

如图17所示，立板32内侧可通过法兰边连接着一压力容器驻室40，该低压容器可以降低噪音污染，并且提供一个低压的背压环境，一方面调节该室压力可调马赫数，另一方面减少试验段通过缝隙气流泄露。该压力容器驻室40布置在滑块轨道系统上，从立板32拉开容器40使其后退便于安装调整里面的实验段等，安装结束后再推容器驻室40沿着导轨向前移动，与立板32的法兰边相互贴合。该容器驻室40与排气管道通过波纹管连接，以便不妨碍前后运动。其后面有快开罐门41。打开该门41以便进入驻室安装调试。

如图19所示，扇形盘上部模拟机匣7下曲面与叶冠55上表面有着均匀间隙，上表面为平面，该平面与一个倒扣的礼帽型的套筒42相连，该套筒筒底开有一些通孔，与之相对应位置上，扇形盘顶部，即模拟机匣7 部分也开通孔并安装透红外玻璃，透过这些孔和玻璃，可以用套筒42里的红外点温仪测量叶片51表面的温度。当扇形盘改变角度，套筒42也跟随着转个角度，才方便确保红外点温仪一直对着特定测点。

套筒42帽沿被夹在驻室容器的上法兰49和活套法兰47之间，松开连接这两个法兰的螺栓，套筒42也可以转动，以便与扇形盘4偏转同一角度。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明披露的范围内，所采用的任何变换或替换，都应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种扇形叶栅试验器，至少包括一个扇形叶栅和实验段，所述扇形叶栅包含扇形盘和安装在扇形盘上的叶片，扇形叶栅有通气扇形缺口，包括下曲面、两侧面和上曲面，实验段流道包括上曲板、下曲板和两个侧边，上曲板内表面为上曲面，下曲板内表面为下曲面，其特征在于：实验段至少上曲板或下曲板为多单元分体结构，各单元拼成的流道内表面是连续的，单元的入口面和出口面，相对于流道中心线有不同的角度，出口面流道截线与扇形叶栅扇形缺口截线平滑衔接。

2.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述的扇形缺口的两侧面，为扇形盘上两侧支板或扇形盘安装的最边缘的两个叶片内侧面，扇形叶栅上曲面为模拟机匣内表面或安装在扇形盘上叶片的叶冠内表面。

3.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述多单元分体结构包含斜积木块或直积木块，且斜积木块进口面、出口面与流道轴线夹角固定或可变，直积木块进出口面与实验段轴线垂直，各直积木块轴向长度呈倍数关系。

4.如权利要求3所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述斜积木块的进口面、出口面与流道轴线夹角非固定，其内表面除了曲面外，有平直面，其平直面在实验段两个侧边的平行边上转动。

5.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：上曲板内表面与两个侧边的内表面交线为直线，下曲板内表面与左右两个侧边的内表面交线为直线，四条空间曲线分别处于距离扇形盘回转中心不同距离的两个平面上。

6.如权利要求5所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：上曲板或下曲板内表面与两个侧边交点也是其自身内表面弧形面与其自身平直段的交点。

7.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述两个侧边，包含积木单元的，且与上曲板、下曲板一一积木单元对应的，更进一步，上述四部分可以合为一体，其流道内表面可为三维曲面或平面。

8.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述两个侧边，包含积木单元的，不与上曲板、下曲板积木单元一一对应，其流道内表面是曲面或平面，沿着流道轴线方向的长度不同。

9.如权利要求8所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述侧边各积木单元沿着流道轴线方向的长度呈倍数关系。

10.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述的两个侧边外面设滑轨，滑轨与两个侧边通过配合面相互连接，两滑轨在扇形盘的回转区域外。

11.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：一压力容器驻室包容上述实验段和扇形盘，通过人孔透过驻室，测温元件测量叶冠或叶片表面温度，测温元件布置在一倒扣的礼帽型的套筒内，套筒被活套法兰压在驻室容器的人孔法兰上，套筒底部与扇形盘上部模拟机匣板相连，并同步运动，套筒底部开有一些通孔，扇形盘上部相应的位置也开孔，并安装透红外玻璃。

12.一种改变如权利要求1-11中任意一项扇形叶栅试验器的扇形叶栅进气角的方法，其特征在于：实验段内表面含连续的无褶皱的三维曲面，积木单元拼接的实验段流道末端，可以构成与实验段轴线不同的夹角，即为扇形叶栅气流入口角，上述单元拼接出的流道可给下游的扇形叶栅提供不同的进气角，流道出口面与扇形盘入口面衔接，实验段出口面流道截线与扇形叶栅的入口面扇形缺口截线吻合。

13.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述的实验段的设计方法，依照扇形叶栅气体通道的关键截线设计实验段内表面，将扇形叶栅气体通道内表面关键截线组在轴向不同位置依次偏转不同的角度，并使每次偏转某关键截线交点都落在一条线上，如此生成曲面控制线，由诸控制线扫略生成连续曲面，并由控制线生成与流道轴线成不同交角的分割面，在分割面将流道分割成积木块，所说的关键截线，为扇形叶栅入口面的叶根弧截线、模拟机匣截线、侧支板截线，所述关键截线，或为扇形叶栅入口面的叶根弧截线、叶冠内表面截线、边缘叶片前缘截线，所述键截线交点都落在一条线上。

14.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：所述扇形盘圆心处中空孔可安装轴承或者插入圆柱轴承腔，轴承腔里面再放置轴承，尤其是陶瓷轴承。

15.如权利要求1所述的扇形叶栅试验器，其特征在于：在实验段和扇形盘之间插入模拟静子盘，该盘与扇形盘相互平行且同轴，相对扇形盘旋转，模拟静子盘包括盘体、模拟叶片，模拟静叶为直板或圆棒，直板插入盘体径向槽里，直板与盘的至少一个侧面开环槽，锁片环布置在环槽里，卡住模拟叶片；圆棒插入模拟静叶盘径向孔里并紧固，模拟静子盘中间有轴，该轴穿过扇形盘中心孔的轴承。

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