CN111579249A - 一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，具体涉及叶轮机实验模拟装置的技术领域。一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，包括畸变发生器本体，所述畸变发生器本体由旋转轮盘和可拆卸连接在旋转轮盘上的扰流杆组成，多根所述扰流杆周向等距分布在旋转轮盘上，所述旋转轮盘的中心穿设有驱动轴，所述驱动轴自由端设有电机，所述电机与驱动轴之间设有联轴器，所述驱动轴上还设有轴承，所述轴承外设有轴承座。采用本发明技术方案提供了一种独立调整旋流畸变角度/强度而不受压气机工况影响、其调节范围大、能量浪费少、且畸变调节方便快捷的整涡旋流畸变模拟装置。

Description

一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置

技术领域

本发明涉及叶轮机实验模拟装置的技术领域，特别涉及一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置。

背景技术

S形进气道在现代航空器中已大量应用，除了在飞机辅助动力装置中使用外，现代隐身战机还将S形进气道用作主发动机进气道来遮蔽雷达波对发动机转子的直接照射，先进导弹在弹体中后部采用S形进气道从而节省弹体前部空间以安装更多任务载荷。气流在S形进气道中需经历两次大幅度折转，极易产生分离，尤其在飞机高强度机动或者侧滑时易产生强度较大的旋流，在发动机进口形成旋流畸变进气条件。此外，翼身融合体构型的飞机由于具有重量轻、阻力小等优点，被认为在军用和商用航空领域具有广泛应用前景，但翼身融合机体在飞行过程中也会产生旋流，若旋流被吸入进气道，会在发动机进口形成严重的旋流畸变进气条件。

旋流畸变进气条件对发动机工作具有重大影响。上世纪70年代，英国Tornado战机在试飞过程中因严重的喘振和叶片颤振问题而频繁发生发动机空中停车的严重事故，经排查确定事故的决定性原因正是进气道出口的旋流畸变。此后的研究表明，除了可能造成喘振熄火等严重事故外，旋流畸变进气条件下还会给发动机带来推力下降、高周疲劳失效几率剧增等负面效果。因此，旋流畸变作为进气道与发动机相容性研究的一个重要因素，在地面研究阶段就必须给予重视。

在开展旋流畸变相容性问题地面研究时，需要先通过一定的手段正确模拟出进气道出口的旋流畸变图谱，再研究其对发动机工作的影响。进气道出口的旋流畸变虽然复杂，但基本型式只有整涡和对涡两种，其中反向整涡旋流畸变进气时对压气机特性线的影响显著，危害最大。针对这两种基本畸变型式，旋流畸变发生器开发历经多年，现已发展出了叶片式、容腔式、射流式等几种型式。

叶片式旋流畸变发生器的应用最广，最常见的情况是类似于压气机预旋叶片，但旋流叶片通常分布在进气道出口部分的圆形截面内，而不是与压气机预旋叶片一样位于环形通道内，叶片分布除了有整圈均匀分布的形式之外，也有分组排布的形式，通过改变叶片角度或者弯度来调整旋流角度和方向，所有叶片同向偏转/弯曲则产生整涡旋流，两侧叶片对称偏转/弯曲时则产生对涡旋流。此外还有针对特定的旋流畸变图谱定制叶片型式的情况，但这样的旋流畸变发生器一般都无法调整，也不能适应多种旋流畸变图谱。叶片式旋流畸变发生器的缺陷是在下游压气机工况一定的情况下，旋流角度/强度的调整范围受到畸变发生叶片表面流动状态的影响，当调整角度过大导致叶片表面流动大幅分离时，将无法形成预期的旋流状态、且带来很大的总压损失。此外，要在实验过程中对叶片角度/弯度进行调节会比较困难，需大幅增加畸变发生器的复杂度。

容腔式旋流畸变发生器安装在压气机进口，将进气方向设置在压气机进口截面的切线方向位置，气流被吸入时在容腔内产生旋流，然后进入压气机中，通过改变腔体形状产生不同形式的旋流畸变，并调节旋流方向和强度/角度。该方式结构简单，成本低廉，但缺点是旋流畸变调节与压气机工况调节耦合，旋流强度同时还受压气机流量的影响，而且在压气机流量增大时畸变发生器本身引起的总压损失系数也有较大幅度增加。此外，要在实验过程中对腔体形状进行调节同样会比较困难，需大幅增加畸变发生器的复杂度。

射流式旋流畸变发生器通过沿压气机进口截面切线方向布置的喷嘴主动吹气注入周向动量，在射流与主流掺混作用下，使主气流产生沿圆周方向流动的速度分量，形成旋流。通过调整射流量和方向可以控制旋流强度和方向。其主动控制方式灵活便利，可独立于压气机工况来调整旋流畸变强度/角度，也可在实验过程中对其进行调节，调节范围大，但缺点是需要配备额外的气源系统，要实现大范围调节对气源和设备要求较高，射流与主流的掺混过程中也存在较大的气动损失，而且为使掺混后的气流流场尽可能均匀，需要较长的掺混距离或者其他快速掺混的技术手段，会进一步增大气动损失，对畸变发生器的设计要求也很高。

上述旋流畸变发生器的畸变发生部位大都处于发动机进口上游的圆截面区域，距离压气机入口较远，由于在向下游流动过程中畸变会自然衰减，到达压气机入口环形截面的气动界面时旋流畸变强度/角度会下降，因而在畸变发生器处需要实际产生的畸变幅度要高于发动机试验需要的畸变幅度，这个过程中必然造成能量的浪费。

发明内容

本发明意在提供一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，上述装置能够独立调整旋流畸变角度/强度而不受压气机工况影响、其调节范围大、能量浪费少、且畸变调节方便快捷。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，包括畸变发生器本体，所述畸变发生器本体由旋转轮盘和可拆卸连接在旋转轮盘上的扰流杆组成，多根所述扰流杆周向等距分布在旋转轮盘上，所述旋转轮盘的中心穿设有驱动轴，所述驱动轴自由端设有电机，所述电机与驱动轴之间设有联轴器，所述驱动轴上还设有轴承，所述轴承外设有轴承座。

技术方案的原理及效果：在本方案中，借助轴承和轴承座可将本模拟装置安装在实验台上，在模拟过程中，电机和联轴器可带动驱动轴转动，驱动轴转动后带动旋转轮盘和扰流杆转动，从而借助扰流杆的运动速度来调节旋流畸变进气的条件中所需的周向速度分量；同时借助电机还可以实现不同的转速，从而实现了自由调节的目的，并且与试验压气机运行工况调节相互独立。

进一步的，所述旋转轮盘上开有减重孔。借助减重孔能够减轻本模拟装置的重量，从而降低模拟过程中的能耗。

进一步的，所述联轴器与电机之间设有减速机。借助减速机能够使本模拟装置和电机的工作特性更加匹配，从而减少电机部分性能过剩造成的浪费。

进一步的，所述旋转轮盘与驱动轴之间连接有花键套。

通过上述设置，可降低本模拟装置对旋转轮盘强度的要求，从而降低了本模拟装置的重量。

进一步的，所有的所述扰流杆的自由端共同包覆有连接环。借助连接环可将所有的扰流杆连接为一个整体，从而增强了本模拟装置的整体强度。

进一步的，所述旋转轮盘上还设有密封件。通过密封件可缓解气流从旋转轮盘与环形通道的内机匣之间的间隙流走的问题，提高了本模拟装置的结果的精确性。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

1、旋流畸变进气条件中的周向速度分量大小取决于扰流杆的运动速度，其可调范围大；

2、旋流畸变角度/强度可独立于压气机工况进行调节；当旋流畸变角度/强度需求发生改变或者压气机运行工况发生变化后，只需根据压气机实验流量算出所需周向速度分量，再调节电机使旋转轮盘达到相应的转速，就可完成旋流畸变角度/强度调节，而不受压气机运行工况限制。

3、旋流畸变发生部位在环形通道内，产生旋流畸变的部位距离压气机入口较近，畸变流动衰减较少，达到相同畸变角度/强度时浪费的能量较少；

4、旋流畸变角度/强度可在实验过程中快速进行调整，从而节省实验时间。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大视图；

图3是本发明实施例1中畸变发生器本体的主视图；

图4是本发明实施例1中畸变发生器本体的剖视图；

图5是本发明实施例2中畸变发生器本体的主视图；

图6是本发明实施例2中畸变发生器本体的剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：旋转轮盘1、扰流杆2、减重孔3、花键套4、驱动轴5、联轴器6、减速机7、电机8、角接触球轴承9、圆柱滚子轴承10、密封件11、外机匣12、内机匣13、连接环14、凸起15。

实施例1

基本如附图1至附图4所示：一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，包括畸变发生器本体，畸变发生器本体由旋转轮盘1和螺纹连接在旋转轮盘1上的扰流杆2组成，旋转轮盘1上开有周向等距分布的四个减重孔3，借助减重孔3能够减轻模拟装置的重量，从而降低模拟过程的能量损耗；扰流杆2的横截面形状是圆形，多根扰流杆2周向等距分布在旋转轮盘1上，且每根扰流杆2的轴线延长线均通过旋转轮盘1的中心，每根扰流杆2的一端均攻有螺纹，扰流杆2螺纹连接在旋转轮盘1的外边缘上，扰流杆2上超出旋转轮盘1部分的外表面光滑。

旋转轮盘1的中心还螺栓连接有花键套4，花键套4右端穿过旋转轮盘1，花键套4内插接有驱动轴5，借助花键套4能为本模拟装置降低旋转轮盘1的强度的要求，从而减轻本模拟装置的重量；驱动轴5的左端螺栓连接有盖板，驱动轴5的右端螺栓连接有联轴器6，联轴器6的右端连接有减速机7，借助减速机7能够提高扭矩，减速机7的右侧连接有电机8，电机8上还连接有电源和控制系统(图中未视出)，其中控制系统采用现有技术中的PLC控制系统，借助上述的控制系统便于调节电机8的转速。驱动轴5的左右两侧均插接有轴承，驱动轴5左侧的轴承采用一对角接触球轴承9，驱动轴5右侧的轴承采用圆柱滚子轴承10，每个轴承外均包覆有轴承座，借助轴承座可将本模拟装置固定安装在实验台的支撑结构上。

如附图2所示，旋转轮盘1上部的左右两侧均对称螺栓连接有环形的密封件11，密封件11可采用如附图2所示的“L”形状，也可采用其他形状，密封件11上一体成型有两个间隔分布的“V”字形的凸起15，凸起15靠近内机匣13的内侧壁，借助密封件11和其上的凸起15增大了气流流过内机匣13和旋转轮盘1之间间隙时的阻力，从而缓解了气体泄漏的问题。

工作原理及过程：本装置在进行模拟前，借助轴承座将本模拟装置固定在实验台的支撑结构上，从而便于将各种载荷也借助轴承和轴承座传递至支撑结构上。本装置在模拟时设置在压气机入口的环形通道内，此时扰流杆2的自由端与环形通道的外机匣12之间留有适当的间隙，避免运行过程中发生剐蹭的风险；同时旋转轮盘1的外边缘与环形通道的内机匣13外边缘相平齐，并且在旋转轮盘1的左右两侧与环形通道的内机匣13之间留有适当间隙，避免了运行过程中旋转轮盘1左右两侧发生剐蹭的风险。

在进行模拟时，通过控制系统来启动电机8、以及设定电机8的转速，电机8启动后可借助减速机7降低其转速，并使其达到需要的转速，减速机7借助联轴器6带动驱动轴5转动，驱动轴5转动后可通过花键套4带动旋转轮盘1和扰流杆2转动，扰流杆2随旋转轮盘1转动时，扰流杆2带动气流沿圆周方向旋转，使得流过畸变发生器本体的气流获得周向速度分量，从而形成整涡旋流畸变的条件。通过调整旋转轮盘1的转速，可改变扰流杆2对气流的扰动强度，进而改变气流获得的周向速度分量的大小，从而实现调节整涡旋流的强度或角度。气流获得的周向速度分量大小的调节与试验压气机运行工况调节相互独立，从而实现旋流畸变调节与试验压气机运行工况调节的解耦；而通过调节电机8的转速来实现旋转轮盘1转速的调节，操作简便，大大的提高了实验的效率。

实施例2

如附图5和附图6所示，本实施例与实施例1的区别仅在于：所有的扰流杆2外共同包覆有连接环14，连接环14采用较薄的金属制成，借助连接环14可采用包边方式来将所有扰流杆2的自由端包覆连接在一起，从而增强了本装置的整体刚度，使得本装置适用于扰流杆2超出旋转轮盘1部分的长径比较大或工作转速较高的情况下。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，其特征在于：包括畸变发生器本体，所述畸变发生器本体由旋转轮盘和可拆卸连接在旋转轮盘上的扰流杆组成，多根所述扰流杆周向等距分布在旋转轮盘上，所述旋转轮盘的中心穿设有驱动轴，所述驱动轴自由端设有电机，所述电机与驱动轴之间设有联轴器，所述驱动轴上还设有轴承，所述轴承外设有轴承座。

2.根据权利要求1所述的一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，其特征在于：所述旋转轮盘上开有减重孔。

3.根据权利要求2所述的一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，其特征在于：所述联轴器与电机之间设有减速机。

4.根据权利要求3所述的一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，其特征在于：所述旋转轮盘与驱动轴之间连接有花键套。

5.根据权利要求1所述的一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，其特征在于：所有的所述扰流杆的自由端共同包覆有连接环。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种便于独立控制旋流的压气机整涡旋流畸变模拟装置，其特征在于：所述旋转轮盘上还设有密封件。

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