CN112098060A - 一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法，基于测量压力、温度和质量流量间接测量喷嘴出口平均马赫数Ma，通过测量喷嘴进口气流总温T₀ ^*、喷嘴出口气流静压P₁和流经喷嘴的气流质量流量m获得喷嘴出口平均马赫数Ma，无需将测量仪器插入喷嘴出口的高速流场中，减少了对流场的扰动。相较于通过激光多普勒流速仪LDV和粒子图像测速仪PIV获得喷嘴出口平均马赫数Ma的方法而言，本发明只需要在喷嘴进口布置进口总温测点，在喷嘴出口布置静压测点，并测得流经喷嘴的流量即可，测量成本相对较低且无需向流场中添加固体颗粒。根据该方法计算得到的喷嘴出口平均马赫数Ma与CFD数值计算结果的最大偏差不超过6.2％。

Description

一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法

技术领域

本发明涉及航空发动机预旋供气系统应用领域，具体地说，涉及一种用于预旋喷嘴出口平均马赫数的测量方法。

背景技术

预旋喷嘴作为航空发动机预旋供气系统的重要部件，其功能是加速气流形成较大的周向分量，降低气流静温以及气流和转盘间的相对速度，从而达到降低气流相对总温的目的。对任意预旋系统，若预旋喷嘴产生的周向速度足够大，系统出口的相对总温甚至会低于进口的绝对总温，可实现预旋系统的温降。

对一个绝热的预旋系统且预旋腔封严良好时，其温降效率主要取决于预旋喷嘴出口旋转比，也即喷嘴出口的马赫数Ma和出气角度θ的余弦值。对一个预旋角度小于25°并且叶型设计良好的预旋喷嘴而言，落后角一般会小于1°，其对出气角度的余弦值影响小于1％，此时，测量出喷嘴出口的马赫数Ma将对预估预旋系统的温降及温降效率具有重要意义。

目前，测量喷嘴出口平均马赫数Ma的常用方法通常有3种：一种是通过多孔探针测量得到当地的总压、静压进而得到当地的马赫数Ma，进而求出喷嘴出口平均马赫数Ma，王涛和李飞行在2012年《现代机械》上发表的论文《五孔探针结构和校准》中介绍了五孔探针的测量方法。一种是通过热线风速仪测速，利用对流换热与气体流速的关系将气流速度转换为电信号，进而得到当地的速度，从而得到喷嘴出口平均马赫数Ma，刘祖唐和沈懋如在1982年《河海大学学报：自然科学版》上发表的论文《热线风速仪》中介绍了该测量方法。一种方法是通过激光多普勒流速仪LDV测速，其利用激光多普勒频移的频移量与粒子运动速度成比例的关系，进而得到喷嘴出口气流速度，从而得到喷嘴出口平均马赫数Ma，朱宁、李宁和徐旷宇在2018年《计量技术》上发表的《用LDV测量液体管道流速分布的研究》中介绍了该测量方法。另外一种是通过粒子图像测速仪PIV测速，其通过在流场中布撒示踪粒子跟随流场运动，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，得到前后两帧粒子图像，对图像中的粒子图像进行相关计算得到速度场，进而得到喷嘴出口平均马赫数，杨小林和严敬在2005年《西华大学学报：自然科学版》上发表的《PIV测速原理及应用》中介绍了该测量方法。这四种测量方法除LDV和PIV测量方法外，其他两种方法都属于接触式测量，需要将测点插入喷嘴出口的高速流场中，如果测点布置过多会严重干扰喷嘴出口的流场，导致测量结果失真，但是如果测点布置过少则会影响测量结果的可靠性。而LDV和PIV法对测量对象要求较高，需要能够直接拍摄到流场，且往往需要向测量对象中添加颗粒，测量喷嘴出口流速时很少使用。

发明内容

为了克服接触式测量喷嘴出口平均马赫数Ma所带来的困难，本发明提出一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法。

本发明的具体过程是：

步骤1：确定喉部面积A₁；

所述喷嘴的喉部面积A₁＝w×h；其中w为喷嘴喉部截面的宽度，h为喷嘴高度。

步骤2：喷嘴进口气流总温T₀ ^*测量：

在进气腔内表面中间的任意位置设置一个总温测点；在该进气腔壳体上加工一个孔，并使该孔与所述总温测点相对应。将总温探针通过所述孔装入该进气腔内，利用总温探针测量喷嘴进口气流总温T₀ ^*。测量喷嘴进口气流总温T₀ ^*时，连续采集20次喷嘴进口气流总温，并取其平均值作为该工况下的喷嘴进口气流总温T₀ ^*。

所述总温探针的端头与该总温测点之间的垂直距离为5mm。

步骤3：喷嘴出口气流静压P₁测量：

所述喷嘴的出口为矩形。在喷嘴出口端的端面上布置6个静压测点。所述6个静压测点均分为两组，对称的均布在该出口端端面的上端面上和下端面上，并使各测点中心与所在端面内表面之间的垂直距离ds为3mm，取6个测点的静压平均值作为喷嘴出口气流静压P₁。

所述6个静压测点均分为两组，对称的均布在该出口端端面的上端面上和下端面上，并使各测点中心与所在端面内表面之间的垂直距离ds为3mm。

步骤4：质量流量m测量：

通过流量计测量流经喷嘴的气流质量流量m。所述流量计安装在进气管道4进口或者出气管道6的出口。

步骤5：确定喷嘴出口平均马赫数Ma：

通过测量分别得到的喷嘴喉部面积A₁、喷嘴进口气流总温T₀ ^*、喷嘴出口气流静压P₁和流经喷嘴的气流质量流量m，得到所述喉部面积A₁、喷嘴进口气流总温T₀ ^*、喷嘴出口气流静压P₁、流经喷嘴的气流质量流量m与喷嘴出口气流速度V₁五者之间的关系式：

式中：R_g为气体常数；c_P为比定压热容；V₁为喷嘴出口气流速度。

所述喷嘴出口的气流速度V₁通过公式(2)得到：

式中：k为定熵指数；m为流经喷嘴的气流质量流量；A₁为喉部面积；T₀ ^*为喷嘴进口气流总温；P₁为喷嘴出口气流静压；R_g为气体常数。

所述马赫数Ma通过公式(3)得到：

式中，V₁是喷嘴出口气流速度；k为定熵指数；T₀ ^*为喷嘴进口气流总温；R_g为气体常数；c_P为比定压热容。

至此，完成对喷嘴出口平均马赫数的测量。

本发明是一种通过测量压力、温度和质量流量来间接测量喷嘴出口平均马赫数Ma的方法。

该方法的基本思想是根据能量方程和质量连续性方程导出喷嘴出口平均马赫数Ma的表达式。本发明通过以下的技术措施来实现其目的：

a.气流流经喷嘴的过程可视为绝热绝功过程，喷嘴进出口的总温保持不变。喷嘴进口速度较低，可在喷嘴进口较为准确地测得喷嘴进口气流总温T₀ ^*；

b.气流流经喷嘴的过程其质量流量保持不变，根据需要可在喷嘴进口上游或者喷嘴出口下游测得质量流量m；

c.在喷嘴出口气流静压分布较为均匀的位置，布置多个压力测点，用测点压力的平均值代替喷嘴出口气流静压P₁。

根据以上的测量物理量，可由式(1)、(2)和(3)分别计算出喷嘴出口气流速度V₁、喷嘴出口静温T₁和喷嘴出口平均马赫数Ma。

式中，A₁为喷嘴出口气流的实际流通面积，一般是未知的，在计算时可以用喷嘴喉部面积近似代替，k为喷嘴进口气流总温下的绝热指数，R_g为气体常数，式中均采用国际单位制。

本发明提出一种基于测量压力、温度和质量流量间接测量喷嘴出口平均马赫数Ma的方法，通过测量喷嘴进口气流总温T₀ ^*、喷嘴出口气流静压P₁和流经喷嘴的气流质量流量m，进而获得喷嘴出口平均马赫数Ma。相较于通过多孔探针和热线风速仪这两个仪器获得喷嘴出口平均马赫数Ma的方法而言，本发明提供的测量方法无需将测量仪器插入喷嘴出口的高速流场中，减少了对流场的扰动。相较于通过激光多普勒流速仪LDV和粒子图像测速仪PIV获得喷嘴出口平均马赫数Ma的方法而言，本发明提供的测量方法只需要在喷嘴进口布置进口总温测点，在喷嘴出口布置静压测点，并测得流经喷嘴的流量即可，测量成本相对较低且无需向流场中添加固体颗粒。根据该方法计算得到的喷嘴出口平均马赫数Ma与CFD数值计算结果的最大偏差不超过6.2％。

图1为CFD数值计算使用的某预旋喷嘴叶型结构示意图。该某预旋喷嘴叶型分为喉部截面1、喉部出口截面2和喷嘴出口截面3。预旋喷嘴的几何出气角度θ为12°，栅距t为15.01mm，固体域宽度s为16.39mm，喉部截面宽度w＝3.63mm。

图2为预旋喷嘴实验台结构示意图。图2b中图中叶片高度h＝7mm。

图3为喷嘴出口气流静压测点布置示意图。图中的9为静压测点，共布置6个，静压测点距离端壁的垂直距离ds＝3mm。

表1中给出了喷嘴出口气流静压为100kPa、喷嘴进口气流总温为300K、不同进口压力条件下，采用式(1)、(2)和(3)计算得到的喷嘴出口平均速度和出口平均马赫数Ma与CFD数值计算结果的对比。从表1中可以看出，采用式(1)、(2)和(3)计算得到的喷嘴出口平均速度V₁和喷嘴出口平均马赫数Ma与CFD计算值的最大偏差分别为5.67％和6.19％，计算偏差主要是由于喷嘴喉部出口截面2到喷嘴出口截面3的扩张引起的喷嘴出口实际流通面积大于喷嘴喉部面积导致的，也即喷嘴出口面积的估算偏差导致的。

表1测量计算值与CFD计算值对比

附图说明

图1是某预旋喷嘴叶型结构示意图。

图2是喷嘴实验台结构示意图；其中图2a是主视图，图2b是图2a中C-C向视图。

图3是喷嘴出口静压测点布置示意图。

图4是本发明的流程图。

图中：1.喉部截面；2.喉部出口截面；3.喷嘴出口截面；4.进气管道；5.喷嘴实验件；6.出气管道；7.进气腔；8.出气腔；9.静压测点；10.进口总温测点。

具体实施方式

本实施例是一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：确定喉部面积A₁：

通过测量喷嘴喉部截面1的宽度w和喷嘴高度h，得到喷嘴的喉部面积A₁，即A₁＝w×h；

步骤2：喷嘴进口气流总温T₀ ^*测量：

在进气腔7内表面中间的任意位置设置一个总温测点10；在该进气腔壳体上加工一个孔，并使该孔与所述总温测点相对应。将总温探针通过所述孔装入该进气腔内，并使该总温探针的端头与该总温测点之间的垂直距离为5mm。通过该总温探针测量喷嘴进口气流总温T₀ ^*。测量喷嘴进口气流总温T₀ ^*时，为减小测量总温的随机误差，一次连续采集总温20次并取其平均值作为该工况下的喷嘴进口气流总温T₀ ^*。

步骤3：喷嘴出口气流静压P₁测量：

所述喷嘴参与采用现有技术；该喷嘴的出口为矩形。在喷嘴实验件5出口端的端面上布置6个静压测点9。所述6个静压测点均分为两组，对称的均布在该出口端端面的上端面上和下端面上，并使各测点中心与所在端面内表面之间的垂直距离ds为3mm，在实验时，采用6个测点的静压平均值作为喷嘴出口气流静压P₁。

步骤4：质量流量m测量

在进气管道4进口或者出气管道6的出口安装流量计，用于测量流经喷嘴的气流质量流量m。本实施例中，流量计安装在该出气管道的出口

步骤5：确定喷嘴出口平均马赫数Ma：

通过测量分别得到的喷嘴喉部面积A₁、喷嘴进口气流总温T₀ ^*、喷嘴出口气流静压P₁和流经喷嘴的气流质量流量m；根据质量守恒定律、理想气体状态方程和能量守恒定律，得到所述喉部面积A₁、喷嘴进口气流总温T₀ ^*、喷嘴出口气流静压P₁、流经喷嘴的气流质量流量m与喷嘴出口气流速度V₁五者之间的关系式：

式中：R_g为气体常数；c_P为比定压热容；V₁为喷嘴出口气流速度。

所述喷嘴出口气流速度V₁是(1)与结合迈耶公式联立得到喷嘴出口的气流速度V₁(2)：

式中：k为定熵指数。通过公式(3)得到喷嘴出口的气流平均马赫数Ma：

至此，完成对喷嘴出口平均马赫数的测量。

Claims (7)

1.一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1：确定喉部面积A₁；

步骤2：喷嘴进口气流总温

测量：

在进气腔内表面中间的任意位置设置一个总温测点；在该进气腔壳体上加工一个孔，并使该孔与所述总温测点相对应；将总温探针通过所述孔装入该进气腔内，利用总温探针测量喷嘴进口气流总温

测量喷嘴进口气流总温

时，连续采集20次喷嘴进口气流总温，并取其平均值作为该工况下的喷嘴进口气流总温

步骤3：喷嘴出口气流静压P₁测量：

所述喷嘴的出口为矩形；在喷嘴出口端的端面上布置6个静压测点；所述6个静压测点均分为两组，对称的均布在该出口端端面的上端面上和下端面上，并使各测点中心与所在端面内表面之间的垂直距离ds为3mm，取6个测点的静压平均值作为喷嘴出口气流静压P₁；

步骤4：质量流量m测量：

通过流量计测量流经喷嘴的气流质量流量m；

步骤5：确定喷嘴出口平均马赫数Ma：

通过测量分别得到的喷嘴喉部面积A₁、喷嘴进口气流总温

喷嘴出口气流静压P₁和流经喷嘴的气流质量流量m，得到所述喉部面积A₁、喷嘴进口气流总温

喷嘴出口气流静压P₁、流经喷嘴的气流质量流量m与喷嘴出口气流速度V₁五者之间的关系式：

式中：R_g为气体常数；c_P为比定压热容；V₁为喷嘴出口气流速度；

至此，完成对喷嘴出口平均马赫数的测量。

2.如权利要求1所述喷嘴出口平均马赫数的测量方法，其特征在于，所述喷嘴的喉部面积A₁＝w×h；其中w为喷嘴喉部截面的宽度，h为喷嘴高度。

3.如权利要求1所述喷嘴出口平均马赫数的测量方法，其特征在于，所述总温探针的端头与该总温测点之间的垂直距离为5mm。

4.如权利要求1所述喷嘴出口平均马赫数的测量方法，其特征在于，所述6个静压测点均分为两组，对称的均布在该出口端端面的上端面上和下端面上，并使各测点中心与所在端面内表面之间的垂直距离ds为3mm。

5.如权利要求1所述喷嘴出口平均马赫数的测量方法，其特征在于，步骤4中用于测量所述气流质量流量m的流量计安装在进气管道4进口或者出气管道6的出口。

6.如权利要求1所述喷嘴出口平均马赫数的测量方法，其特征在于，步骤5中所述喷嘴出口的气流速度V₁通过公式(2)得到：

式中：k为定熵指数；m为流经喷嘴的气流质量流量；A₁为喉部面积；

为喷嘴进口气流总温；P₁为喷嘴出口气流静压；R_g为气体常数。

7.如权利要求1所述喷嘴出口平均马赫数的测量方法，其特征在于，步骤5中所述马赫数Ma通过公式(3)得到

式中，V₁是喷嘴出口气流速度；k为定熵指数；

为喷嘴进口气流总温；R_g为气体常数；c_P为比定压热容。

Images