CN111649947A - 一种环形叶栅性能试验器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种环形叶栅性能试验器，包括进气系统、排气系统、附面层抽吸系统、冷气系统；本发明提出的环形叶栅性能试验器可覆盖亚、跨、超音速范围、涵盖平面叶栅、扇形叶栅与环形叶栅试验功能，可充分模拟叶栅试验段实际的流场情况，能提供更好的流场品质，并且准确反映叶栅中的二次流损失情况，可得到更准确的流场参数以便于对叶栅的性能进行评定，从而确定改进方向。

Description

一种环形叶栅性能试验器

技术领域

本发明涉及航空发动机试验技术领域，具体涉及一种环形叶栅试验器。

背景技术

叶栅性能的好坏直接影响航空发动机的性能指标，详细研究叶栅流道内复杂的流场结构和损失机理，探索降低叶栅流道内的能量损失以及改善叶栅气动性能的方法，已经成为提高航空发动机性能的重要研究内容。从现有的叶栅理论和试验可知，叶栅内流动非常复杂，影响因素极多，有几何因素如气流转角、稠度影响有气动因素，如来流马赫数、激波边界层干扰等由于转动叶片与静止叶片呈交错排列，造成气流尾迹与叶片运动的互相干扰，以及在流动中粘性作用与激波的干涉影响，都造成叶栅内流动的非稳定性与极端复杂性，并呈现出旋转机械中共有的有旋性和三维特征；故如何建立更好的试验器准确确定叶栅内的流场参数是必要而迫切的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出一种环形叶栅性能试验器。

一种环形叶栅性能试验器，其特征在于，包括进气系统、排气系统、附面层抽吸系统、冷气系统；

所述进气系统包括气源、进气管路、直管段、扩散段、稳定段、收敛段、喷管、叶栅试验段；所述进气管路包括大、小进气管道和放气管道；所述大、小进气管道汇合连接组成一三通接头；所述三通接头后方通过膨胀节连接直管段；所述直管段后方连接呈锥状的扩散段；所述扩散段连接稳定段；所述稳定段包括整流段与稳压段；所述整流段内部依次设有烧结丝网、蜂窝整流器；所述稳压段内部设有阻尼网；所述稳压段连接所述收敛段；所述收敛段通过喷管连接叶栅试验段；所述叶栅试验段出口连接排气系统；所述叶栅试验段包括进气段、排气段，分别设置了进出口测量截面，均布设总压探针、总温探针以及静压测点；

所述排气系统包括沿水平方向固定的水平排气收集器和沿周向可移动的移动式排气收集器；所述可移动排气收集器固定在一圆弧导轨上，可沿圆弧导轨无级移动；所述水平排气收集器和移动式排气收集器各自连接一段管道，并与同一排气消音塔连通；

所述附面层抽吸系统包括真空泵、真空箱、真空管路；所述真空泵经电动闸阀与真空箱连接；所述真空箱分出多条抽吸支路与叶栅试验段的附面层相连；

所述冷气系统包括气源、分配器；所述气源经闸阀和管路与分配器连接；所述分配器与叶栅试验段通过多条冷却支路连接。

本发明的具体有益效果如下：

(1)本发明提出的环形叶栅性能试验器可覆盖亚、跨、超音速范围、涵盖平面叶栅、扇形叶栅与环形叶栅试验功能，可充分模拟叶栅试验段实际的流场情况，能提供更好的流场品质，并且准确反映叶栅中的二次流损失情况，可得到更准确的流场参数以便于对叶栅的性能进行评定，从而确定改进方向。

(2)本发明中的进气系统设有大、小进气管道、放气管路，三条管路均设有调压阀与精调阀，三者能对进气压力与流量进行联合调节，调节范围更精细，调节精度更高，满足环形叶栅性能试验对不同进气压力和流量的需要，保证下游试验段内流场具有较高的马赫数控制精度，流场品质好；同时排气系统设有水平排气收集器和移动式排气收集器，其中移动式排气收集器可在叶栅试验段出口气流角变化范围内沿预先铺设的圆弧导轨无级移动，可确保叶栅试验段所排出的气体被完全回收，不影响正常试验进程。

(3)本发明中设置附面层抽吸系统和冷气系统与叶栅试验段配合工作，其中附面层抽吸系统可对叶栅试验段的左右侧壁、上下驻室进行抽吸，并可调节抽吸压力与抽吸量，使叶栅试验段周遭形成的流场为试验所需的流场，确保试验结果足够精确；而冷气系统可向叶栅试验段的涡轮叶片通入冷却气体，使试验器具备进行涡轮冷却试验的条件。

附图说明

图1为本发明环形叶栅性能试验器原理图；

图2为本发明环形叶栅性能试验器进气系统、排气系统布置图；

图3为进气系统原理图；

图4为排气收集器结构示意图；

图5为附面层抽吸系统原理图；

图6为冷气系统原理图；

图7为喷管小车结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1、2、3所示，本发明提出一种环形叶栅性能试验器，包括进气系统、排气系统、附面层抽吸系统、冷气系统；进气系统包括依次连接的气源、进气管路、直管段13、扩散段14、稳定段15、收敛段16、喷管、叶栅试验段17；进气管路包括大、小进气管道11、12和放气管路10，每个管路均有一组调压阀(图中112、122、102)与精调阀(图中111、121、101)，以保证下游试验段内流场具有较高的马赫数控制精度；大、小进气管道11、12汇合连接组成一三通接头18；三通接头18后方通过膨胀节连接直管段13；直管段13后方连接呈锥状的扩散段14，扩散段的作用在于连接直管段13和稳定段15，进行减速增压，一定程度上稳定流场，本实施例中采用双层结构的扩散段，以达到较好的流场品质；稳定段包括整流段与稳压段；整流段内部依次设有烧结丝网、蜂窝整流器，蜂窝整流器和阻尼网均采用模块化设计；稳压段内部设有阻尼网，在稳压段出口附近设置总温总压安装座，共面设置2支5点总压梳状探针、2支5点总温探针以及8路静压测点；稳压段连接收敛段，收敛段16通过喷管连接叶栅试验段17，叶栅试验段17包括进气段、排气段，分别设置了进出口测量截面，均布设4支5点总压探针、4支5点总温探针以及8路静压测点，上述探针及测点均用于实时监测流场情况。

本发明中叶栅试验段包括环形叶栅试验段、扇形叶栅试验段、平面叶栅试验段，均与同一所述基础安装平台适配，可以在进行替换，其中环形叶栅试验段主要用于增压叶栅和涡轮叶栅的亚音速试验，扇形叶栅试验段用来进行增压叶栅与涡轮叶栅的亚音速试验，平面叶栅试验段主要用来进行增压叶栅与涡轮叶栅的亚跨超音速试验；考虑到三个叶栅试验段结构形态的差异，为方便快速更换，环形叶栅试验段、扇形试验段对应的收敛段与喷管为一体式结构；平面叶栅试验段对应的收敛段出口与喷管进口通过法兰连接，定心止口定位，喷管采用二维喷管流道，由喷管箱体与小车构成，喷管箱体用于安装固定喷管块，喷管小车用于支撑喷管箱体，如图7所示；叶栅试验段包括进气段、排气段，分别设置了进出口测量截面，均布设总压探针、总温探针以及静压测点。

排气系统连接叶栅试验段的出气口，如图2、4所示，其包括沿水平方向固定的水平排气收集器22和沿周向可移动的移动式排气收集器21，前者满足环形叶栅与扇形叶栅试验及平面叶栅超音速试验的排气需求，后者则重点满足平面叶栅试验段亚跨音速增压叶栅试验和涡轮叶栅试验的排气需求；两排气收集器均为圆形收敛结构形式；可移动排气收集器固定在一圆弧导轨上，可沿圆弧导轨无级移动，圆弧导轨的所对应的圆心角度数大于叶栅试验段出口气流角的变化范围；水平排气收集器和移动式排气收集器各自连接一段管道，并与同一排气消音塔23连通，该排气消音塔采用矩阵型进气消声元件；矩形管桁架采用碳素钢型材制作(防锈处理)。消声元件矩阵单元体采用焊接制作。堵塞面积占进气总截面的为56％；消声装置无安装件、纤维、粉尘等异物及有害物的锈蚀、脱落和散发。

故基于以上结构，本发明提出的环形叶栅性能试验器具体工作原理如下：开启主气路上的闸阀，气体送入进气系统，分别或同步调节大、小进气管道11、12、放气管路10上的三组调压阀与精调阀的开度，即可对进气流量与压力进行控制，由此改变参数的流体经直管段13输送，在扩散段14进行减速增压，在稳定段15进行稳压，而后经收敛段16、喷管送入叶栅试验段17，且在叶栅试验段处形成满足叶栅试验要求的流场；叶栅试验段的基础安装平台上安装有被试验叶栅(环形叶栅、扇形叶栅、平面叶栅)，被试验叶栅随基础安装平台上的转盘进行旋转，模拟正常工作状况，而设置在叶栅试验段处的探针、移测机构等则对速度场、气流偏角等一系列参数进行测量，获取的参数可以反映出叶栅气动性能；而排气系统中的可移动排气收集器22固定在一圆弧导轨上，其可沿圆弧导轨无级移动，圆弧导轨的所对应的圆心角度数大于叶栅试验段出口气流角的变化范围，确保叶栅试验段所排出的气体能被完全回收。

综上所述，本发明基于以上结构，并基于马赫数相似原则，以压缩空气为介质，通过相应的收敛段16与喷管实现环形叶栅、扇形叶栅与平面叶栅的不同马赫数下的吹风试验；相应地更换收敛段、喷管与试验段，可具备环形叶栅、扇形叶栅与平面叶栅三种试验功能中的一种；各探针对叶栅试验段的流场参数进行测量，其中速度场的测量主要分为试验段进口气流速度、流向测量以及试验段内速度测量；试验段入口速度测量采用测量壁面静压的方法进行马赫数计算；试验段沿程流向、速度测量分为栅板侧壁面静压测量和空间压力测量，空间压力测量采用坐标移测机构配合方向探针进行测量，并同时获得空间气流方向角数据。

实施例2

本实施例中提出一种环形叶栅性能试验器用的附面层抽吸系统，包括真空泵31、32、真空箱34、真空管路；真空泵31、32经电动闸阀33与真空箱34连接；真空箱分出多条抽吸支路与叶栅试验段的附面层相连；抽吸支路上设有调节阀35与流量计36，与叶栅试验段连通，抽吸支路通过软管37与叶栅试验段抽吸部位连通，进行抽吸，以保证形成所需的流场，本实施例中，由真空箱分出的抽吸支路有8路，主要用于叶栅试验段四壁与叶栅表面的抽吸(上驻室1条、下驻室2条、试验段侧壁附面层抽吸2条、叶栅表面附面层抽吸2条，备用1条)各抽吸支路采用软管37与试验段相连，由调节阀35调节各抽吸支路的压力与抽吸量；本实施例中共设有两台真空泵31、32，为更好保证附面层抽吸系统的工作，防止这2台与真空箱相通的真空泵相互影响，采用单独气路分别与真空箱相通，其上设置有一闸阀；真空泵的排气端连接排气消音塔。

该附面层抽吸系统的具体工作方式如下：

当环形叶栅性能试验器进行叶栅性能试验时，附面层抽吸系统的各条抽吸支路与叶栅试验段连通；启动真空泵，真空泵与真空箱之间设有的闸阀开启，并且各抽吸支路上的调节阀相应开启，两真空泵沿单独气路、真空箱、抽吸支路对叶栅试验段的附面层进行抽吸，并且可通过调整各抽吸支路上的调节阀，改变各抽吸处的流量与压力，达到在叶栅试验段形成所需流场的目的。

实施例3

本实施例中提出一种环形叶栅性能试验器用的冷气系统，该冷气系统包括气源41、分配器45；气源经闸阀43和主气路与分配器45连接，气源与闸阀之间设有压力传感器和温度传感器42，主气路上设有作为支路的放气管路，该支路连通排气消音装置，其上设有放气调压阀44；分配器采用卧式储气罐，罐体直管侧开设10个法兰孔，用于连接10条冷气支路，冷气支路通过软管46连通叶栅试验段，其上设有调节阀48与流量计47；分配器配置有安全放气阀、排污口，内部设置压力与温度测点，其具体工作方式如下：

冷气系统的主气路闸阀开启，气源提供的冷气送入分配器45，分配器主要用来存储一定压力的压缩空气，并维持内部的压力均衡，保证冷气支路出口压力接近一致；分配器将冷气送入各冷气支路，调整冷气支路上的调节阀48，控制各冷气支路的冷气流量；同时，主气路的分支还包括放气管路，其上设有放气调压阀44，通过放气调压阀来控制进入分配器的冷却气流量，并同时控制分配器内压力值，从而能够保证各支路调节阀的控制精度，以满足涡轮叶片冷却试验的需求。

实施例4

本实施例与前3个实施例的区别在于，本实施例中还包括测试系统、电气控制系统和管理系统，其中，测试系统负责对各种参数进行测量；电气控制系统负责工艺设备、电气设备的监视和控制；管理系统负责试验和测控设备的信息管理。

显然，上述实例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种环形叶栅性能试验器，其特征在于，包括进气系统、排气系统、附面层抽吸系统、冷气系统；

所述进气系统包括进气管路、直管段、扩散段、稳定段、收敛段、喷管、叶栅试验段；所述进气管路包括大、小进气管道，放气管路；所述大、小进气管道、放气管路均连接同一供气干路，其上均设有并联的一组调压阀和精调阀；所述供气干路上设有进气闸阀；所述大、小进气管道通过三通接头汇合连接；所述三通接头后方连接直管段；所述直管段后方连接呈锥状的扩散段；所述扩散段连接稳定段；所述稳定段包括整流段与稳压段；所述稳压段连接所述收敛段；所述收敛段通过喷管连接叶栅试验段；所述叶栅试验段处设有基础安装平台；所述叶栅试验段出口连接排气系统；所述叶栅试验段包括进气段、排气段，分别设置了进出口测量截面，均布设总压探针、总温探针以及静压测点；

所述排气系统包括沿水平方向固定的水平排气收集器和沿周向可移动的移动式排气收集器；所述可移动排气收集器固定在一圆弧导轨上，可沿圆弧导轨无级移动；所述水平排气收集器和移动式排气收集器各自连接一段管道，并与同一排气消音塔连通；

所述附面层抽吸系统包括真空泵、真空箱、真空管路；所述真空泵经电动闸阀与真空箱连接；所述真空箱分出多条抽吸支路与叶栅试验段的附面层相连；

所述冷气系统包括气源、分配器；所述气源经闸阀和管路与分配器连接；所述分配器与叶栅试验段通过多条冷却支路连接。

2.根据权利要求1所述的环形叶栅性能试验器，其特征在于，所述叶栅试验段包括环形叶栅试验段、扇形叶栅试验段、平面叶栅试验段，均与同一所述基础安装平台适配。

3.根据权利要求1所述的环形叶栅性能试验器，其特征在于，所述环形叶栅试验段对应的收敛段出气口形状为圆形；所述扇形叶栅试验段对应的收敛段出气口形状为扇形；所述平面叶栅试验段对应的收敛段出气口形状为矩形。

4.根据权利要求3所述的环形叶栅性能试验器，其特征在于，所述环形叶栅试验段、扇形试验段对应的收敛段与喷管为一体式结构；所述平面叶栅试验段对应的收敛段出口与喷管进口通过法兰连接，定心止口定位。

5.根据权利要求4所述的环形叶栅性能试验器，其特征在于，所述喷管采用二维喷管流道，由喷管箱体与小车构成，喷管箱体用于安装固定喷管块，喷管小车用于支撑喷管箱体。

6.根据权利要求1所述的环形叶栅性能试验器，其特征在于，所述抽吸支路和冷却支路上均设有调节阀与流量计。

7.根据权利要求1所述的环形叶栅性能试验器，其特征在于，所述坐标移测机构包括用于平面叶栅的三坐标移测机构和用于环形叶栅和扇形叶栅试验的圆柱面四坐标移测机构。

8.根据权利要求1所述的环形叶栅性能试验器，其特征在于，还包括测试系统，电气控制系统和管理系统。

Images