CN111780940B - 一种航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置。其包括风洞、发烟装置、实验台、编码器和控制器；本发明效果:基于已有叶型参数，可实现来流角度可调和叶片角度可调，为实验开展提供支持平台。为模拟航空发动机防喘控制措施实验提供较为精确的实验基础。在模拟航空发动机防喘控制措施实验过程中，通过气动参数来实现自动调节叶栅角度功能，完成喘振脱离故障模拟实验。发烟装置可以有效观测实验过程中气流流动状态，提高了实验过程中的可视化效果。同时叶栅栅板上设有透明观测板并装有三维流场测量装置，便于记录、观察及分析各种流场状态特征。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机防喘控制实验技术领域，特别是涉及一种航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置。
背景技术
现代航空发动机采用多级可调静子叶片技术来保证压气机稳定高效地完成飞行任务。通过适当调节静子叶片的角度，可使压气机在偏离设计工况下运行时，仍能保证转子叶片在基本满意的攻角下工作，从而改善了压气机的工作特性，拓宽了气动性能的稳定裕度。
迄今为止，对于可调静子叶片结构形式及其性能影响的研究多集中在仿真计算方面，如李清华开展了可调静子叶片圆台间隙对于压气机气动性能的数值模拟研究，张少平建立了压气机静叶调节机构的柔性多体仿真模型并进行动力学特性分析；而实验方面大多基于真实航空发动机的静态结构测量分析，对于可调静子叶片机构进行动态实验的文献则较少，如陈伟搭建的VSV(Variable stator vane)调节机构实验台，对于其摩擦特性与运动特性进行实验研究，但是其仅关注了可调静子叶片调节机构的结构运动特性，并没有将其置于风洞工况中开展气动性能影响特性研究，从而与航空发动机实际运行工况相差甚远，使实验验证工作缺乏指导意义。
综上，现有可调静子叶片机构的研究缺乏进行气动性能实验的能力，从而导致无法全面评价验证其工作性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置。
为了达到上述目的，本发明提供的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置包括风洞、发烟装置、实验台、编码器和控制器；
风洞呈喇叭口状，由风机提供稳定气源；
发烟装置位于风洞和实验台之间；
实验台包括叶栅栅板调节机构和静子叶片调节机构；
其中，叶栅栅板调节机构包括整体框架、栅板定位柱、叶栅栅板、栅板支撑轴、轴承支座、叶栅栅板驱动电机和气动探针测量系统；整体框架的上部设有两块间隔距离垂直设置的支撑板；两块叶栅栅板平行设置在整体框架上两块支撑板之间；轴承支座设置在整体框架外侧，上部安装有轴承；一根栅板支撑轴的一端贯穿一块支撑板的上部后固定在一块叶栅栅板的中部，另一端穿过轴承支座上轴承的中心孔后与叶栅栅板驱动电机的输出轴相连接；另一根栅板支撑轴的一端贯穿另一块支撑板的上部后固定在另一块叶栅栅板的中部；栅板定位柱的两端分别连接在两块叶栅栅板的内侧面边缘，用于两块叶栅栅板的相互定位；气动探针测量系统通过支架安装在一块叶栅栅板的一侧，可通过调整其上压力探针的位置来测量三维流场分布；
静子叶片调节机构包括叶栅驱动电机、电机支架、驱动曲柄、关节轴承套件、固定块、联动块、多个摇臂和多片可调静子叶片；电机支架固定在一块叶栅栅板的边缘部位；叶栅驱动电机固定在电机支架上，并且输出轴与位于一块叶栅栅板外侧的驱动曲柄的一端相连；驱动曲柄的另一端与关节轴承套件的一端相接；关节轴承套件的另一端通过一块固定块连接在联动块的中部；多个摇臂的一端间隔距离连接在联动块上，同时另一块叶栅栅板的内侧面上与上述多个摇臂外端相对应的部位分别安装一个轴承；多片可调静子叶片一端的转动轴分别贯穿用于固定电机支架的叶栅栅板后与多个摇臂的外端连接，另一端分别连接在另一块叶栅栅板的多个轴承上；由多片可调静子叶片构成叶栅；
编码器安装在栅板定位柱的外端上；控制器分别与风洞上的风机、发烟装置、编码器、叶栅栅板驱动电机、气动探针测量系统和叶栅驱动电机电连接。
所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置还包括多个安装在整体框架底面四角处的福马轮。
所述的编码器采用增量式编码器。
所述的控制器采用计算机。
所述的可调静子叶片的数量为4个。
所述的叶栅栅板上设有透明观测板。
本发明的特点及产生的有益效果在于:
(1)本发明基于已有叶型参数，可实现来流角度可调和叶片角度可调，为实验开展提供支持平台。为模拟航空发动机防喘控制措施实验提供较为精确的实验基础。
(2)本发明在模拟航空发动机防喘控制措施实验过程中，通过气动参数来实现自动调节叶栅角度功能，完成喘振脱离故障模拟实验。
(3)本发明中的发烟装置可以有效观测实验过程中气流流动状态，提高了实验过程中的可视化效果。同时叶栅栅板上设有透明观测板并装有三维流场测量装置，便于记录、观察及分析各种流场状态特征。
附图说明
图1是本发明提供的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置立体图。
图2是本发明提供的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置中叶栅栅板示意图。
图3是本发明提供的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置中发烟装置与叶栅栅板示意图。
图4是本发明提供的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
如图1至图3所示，本发明提供的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置包括风洞20、发烟装置15、实验台、编码器16和控制器；
风洞20呈喇叭口状，由风机提供稳定气源；
发烟装置15位于风洞20和实验台之间，用于产生烟雾并使烟雾均匀扩散到实验台的整个气流通道；
实验台包括叶栅栅板调节机构和静子叶片调节机构；
其中，叶栅栅板调节机构包括整体框架1、栅板定位柱3、叶栅栅板6、栅板支撑轴7、轴承支座13、叶栅栅板驱动电机14和气动探针测量系统2；整体框架1的上部设有两块间隔距离垂直设置的支撑板；两块叶栅栅板6平行设置在整体框架1上两块支撑板之间；轴承支座13设置在整体框架1外侧，上部安装有轴承；一根栅板支撑轴7的一端贯穿一块支撑板的上部后固定在一块叶栅栅板6的中部，另一端穿过轴承支座13上轴承的中心孔后与叶栅栅板驱动电机14的输出轴相连接；另一根栅板支撑轴7的一端贯穿另一块支撑板的上部后固定在另一块叶栅栅板6的中部；栅板定位柱3的两端分别连接在两块叶栅栅板6的内侧面边缘，用于两块叶栅栅板6的相互定位；气动探针测量系统2通过支架安装在一块叶栅栅板6的一侧，可通过调整其上压力探针的位置来测量三维流场分布；
静子叶片调节机构包括叶栅驱动电机4、电机支架5、驱动曲柄8、关节轴承套件9、固定块10、联动块11、多个摇臂12和多片可调静子叶片18；电机支架5固定在一块叶栅栅板6的边缘部位；叶栅驱动电机4固定在电机支架5上，并且输出轴与位于一块叶栅栅板6外侧的驱动曲柄8的一端相连；驱动曲柄8的另一端与关节轴承套件9的一端相接；关节轴承套件9的另一端通过一块固定块10连接在联动块11的中部；多个摇臂12的一端间隔距离连接在联动块11上，同时另一块叶栅栅板6的内侧面上与上述多个摇臂12外端相对应的部位分别安装一个轴承；多片可调静子叶片18一端的转动轴分别贯穿用于固定电机支架5的叶栅栅板6后与多个摇臂12的外端连接，另一端分别连接在另一块叶栅栅板6的多个轴承上；由多片可调静子叶片18构成叶栅；
编码器16安装在栅板定位柱3的外端上；控制器分别与风洞20上的风机、发烟装置15、编码器16、叶栅栅板驱动电机14、气动探针测量系统2和叶栅驱动电机4电连接。
所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置还包括多个安装在整体框架1底面四角处的福马轮21，这样便于实验台的灵活移动并起到稳定支撑作用。
所述的编码器16采用增量式编码器。
所述的控制器采用计算机。
所述的可调静子叶片18的数量为4个。
所述的叶栅栅板6上设有透明观测板17，便于实验人员记录、观察及分析各种流场状态特征。
如图4所示，现将本发明提供的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置的工作原理阐述如下：
第一，实验准备阶段，需要打开控制器，检查可调静子叶片18和叶栅栅板6的工作状态并调整到初始位置。检查风洞20的气路通道是否通畅，并使风洞气源系统处于准备状态。检查发烟装置15、整体框架1和气动探针测量系统2的压力探针是否正常并使其处于准备状态；
第二，在空载状态下完成可调静子叶片18的角度控制与标定：在控制器的控制下，启动叶栅栅板驱动电机14，并将速率控制在恒速5°/s，通过栅板支撑轴7驱动叶片栅板6进行转动而使可调静子叶片18精确定位在以下角度：0°,±5°,±10°,±20°,±30°；在此过程中可通过增量式编码器16标定与测量各角度的误差，上述工作结束后，恢复叶栅栅板6及可调静子叶片18至初始位置；
第三，进行叶栅攻角特性测试：在控制器的控制下，接通风洞20上风机的电源而为叶栅供气，并调节风机的转速，控制风洞20的风速为能够满足某一工况需求的恒定风速。打开发烟装置15而使烟雾均匀扩散到实验台的整个气流通道，并通过使用气动探针测量系统2上的压力探针测量总压、静压，以实现对风速、流量的精确控制。在可调静子叶片18本身不转动的前提下利用叶栅栅板驱动电机14驱动叶栅栅板6旋转，叶栅栅板6每旋转3°后便利用气动探针测量系统2上的压力探针测量一次叶栅出口的总压损失。通过测量叶栅栅板6角度在-15°～+15°范围内变化时叶栅出口总压损失并画出叶栅攻角-损失特性曲线，即可完成一组叶栅特性测量，之后调节风速至另一工况所需的恒定风速，重复上述测量过程；
第四，在负载状态下完成叶栅攻角自适应防喘实验：
(1)在可调静子叶片18本身不转动的前提下，利用叶栅栅板驱动电机14驱动叶栅栅板6在-15°～+15°范围内转动任意角度，以模拟航空发动机喘振工作状态；
(2)利用气动探针测量系统2上的压力探针采集气流攻角、总压信息，并将采集到的信息输送给控制器，由控制器计算出叶栅角度修正量；
(3)在控制器的控制下，根据上述叶栅角度修正量，启动叶栅驱动电机4，通过驱动曲柄8带动关节轴承套件9作动，关节轴承套件9通过固定块10带动联动块11运动，联动块11再通过多个摇臂12带动多片可调静子叶片18转动而调节至理想攻角，达到模拟可调静子叶片18防喘的目的。
第五，记录可调静子叶片18的运动控制实验台数据，并将各部件恢复到初始位置，关闭电机电源，结束实验操作。
Claims (6)
1.一种航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置，其特征在于：所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置包括风洞(20)、发烟装置(15)、实验台、编码器(16)和控制器；
风洞(20)呈喇叭口状，由风机提供稳定气源；
发烟装置(15)位于风洞(20)和实验台之间；
实验台包括叶栅栅板调节机构和静子叶片调节机构；其中，叶栅栅板调节机构包括整体框架(1)、栅板定位柱(3)、叶栅栅板(6)、栅板支撑轴(7)、轴承支座(13) 、叶栅栅板驱动电机(14)和气动探针测量系统(2)；整体框架(1)的上部设有两块间隔距离垂直设置的支撑板；两块叶栅栅板(6)平行设置在整体框架(1)上两块支撑板之间；轴承支座(13)设置在整体框架(1)外侧，上部安装有轴承；一根栅板支撑轴(7)的一端贯穿一块支撑板的上部后固定在一块叶栅栅板(6)的中部，另一端穿过轴承支座(13)上轴承的中心孔后与叶栅栅板驱动电机(14)的输出轴相连接；另一根栅板支撑轴(7)的一端贯穿另一块支撑板的上部后固定在另一块叶栅栅板(6)的中部；栅板定位柱(3)的两端分别连接在两块叶栅栅板(6)的内侧面边缘，用于两块叶栅栅板(6)的相互定位；气动探针测量系统(2)通过支架安装在一块叶栅栅板(6)的一侧，可通过调整其上压力探针的位置来测量三维流场分布；
静子叶片调节机构包括叶栅驱动电机(4)、电机支架(5)、驱动曲柄(8)、关节轴承套件(9)、固定块(10)、联动块(11)、多个摇臂(12)和多片可调静子叶片(18)；电机支架(5)固定在一块叶栅栅板(6)的边缘部位；叶栅驱动电机(4)固定在电机支架(5)上，并且输出轴与位于一块叶栅栅板(6)外侧的驱动曲柄(8)的一端相连；驱动曲柄(8)的另一端与关节轴承套件(9) 的一端相接；关节轴承套件(9)的另一端通过一块固定块(10)连接在联动块(11)的中部；多个摇臂(12)的一端间隔距离连接在联动块(11)上，同时另一块叶栅栅板(6)的内侧面上与上述多个摇臂(12)外端相对应的部位分别安装一个轴承；多片可调静子叶片(18)一端的转动轴分别贯穿用于固定电机支架(5)的叶栅栅板(6)后与多个摇臂(12)的外端连接，另一端分别连接在另一块叶栅栅板(6)的多个轴承上；由多片可调静子叶片(18)构成叶栅；
编码器(16)安装在栅板定位柱(3)的外端上；控制器分别与风洞(20)上的风机、发烟装置(15)、编码器(16)、叶栅栅板驱动电机(14)、气动探针测量系统(2)和叶栅驱动电机(4)电连接。
2.根据权利要求1所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置，其特征在于：所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置还包括多个安装在整体框架(1)底面四角处的福马轮(21)。
3.根据权利要求1所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置，其特征在于：所述的编码器(16)采用增量式编码器。
4.根据权利要求1所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置，其特征在于：所述的控制器采用计算机。
5.根据权利要求1所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置，其特征在于：所述的可调静子叶片(18)的数量为4个。
6.根据权利要求1所述的航空发动机可调静子叶片运动控制实验装置，其特征在于：所述的叶栅栅板(6)上设有透明观测板(17)。
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