CN113188748B - 一种超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置。该调节装置以叶栅风洞来流为前方，包括安装在叶栅试验模型首叶片上方的上抽吸组件，上抽吸组件的后方安装有前端固定、后端悬空的上尾板，首叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的上挡板；还包括安装在叶栅试验模型尾叶片下方的下抽吸组件，下抽吸组件的后方安装有前端固定、后端悬空的下尾板，尾叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的下挡板。该调节装置能够稳定抽吸试验段内泄流通道质量流量，提供局部低压环境稳定泄流通道激波结构，调控栅前压力分布情况，实现超声速流场的启动和均匀性调节。

Description

一种超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置

技术领域

本发明属于航空发动机集成研究试验设备领域，具体涉及一种超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置。

背景技术

航空发动机的换代发展不断推进航空叶轮机设计技术的进步，其中风扇、压气机转子叶片的叶尖相对马赫数、涡轮叶片出口马赫数已经超过声速，部分气动设计方案达到马赫数1.5量级以上，超声速激波的出现给部件气动设计引入了较大难题，不仅需要充分利用激波的增压效应实现压力的有效提升，还需要有效组织激波结构避免激波与叶片附面层、端壁附面层相互干涉，产生过量的气流损失。这些设计技术的进步都需要进行大量的叶栅气动性能试验研究和技术验证，分析叶栅通道内部的流动机理、特征和规律，建立和完善新的叶片设计方法。

平面叶栅风洞作为验证超声速叶栅气动设计方法的主要研究平台，在超声速叶栅试验中会面临较大的技术挑战，既要确保试验段内超声速流场能够有效启动，又要有足够的调控措施获得更加均匀的来流条件，在试验段有限的空间内高效模拟风扇、压气机圆周超声速无限叶栅的周期性流动。

目前，由于超声速平面叶栅试验平台相对匮乏，限制了开展来流超声速的压气机平面叶栅试验，更难以对超声速来流条件进行有效调节。事实上，由于超声速压气机叶栅试验件安装角非常小，进入试验段区域后，相同轴向位置的模型堵塞度相差极大；同时由于栅前存在激波系，气流每经过一道正激波/斜激波，都会存在激波损失和气流角的偏转，直接导致试验件首、尾叶片的来流条件相差极大；由于超声速流场对试验件上、下泄流孔的流动状态极为敏感，泄流通道激波系是否处于槽道内，或者处于弓形激波状态，直接关系试验段内首叶片的激波系结构，并影响后续系列叶片；首叶片前端激波是否存在反射，影响大部分叶片通道的流场启动问题。

当前，迫切需要发展一种超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置。

本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置，其特点是，以叶栅风洞来流为前方，所述的调节装置包括安装在叶栅试验模型首叶片上方的上抽吸组件，上抽吸组件的后方安装有前端固定、后端悬空的上尾板，首叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的上挡板；还包括安装在叶栅试验模型尾叶片下方的下抽吸组件，下抽吸组件的后方安装有前端固定、后端悬空的下尾板，尾叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的下挡板。

进一步地，所述的上抽吸组件包括盒式中空结构的上抽吸驻室，上抽吸驻室位于叶栅试验模型首叶片上方，上抽吸驻室内部的空腔为抽吸腔Ⅰ；

上抽吸驻室的底面为上驻室壁板，上驻室壁板开有阵列的通孔Ⅰ；

上抽吸驻室的顶面安装有固定在叶栅风洞试验段内壁的上支撑杆，还安装有与外置的抽吸装置连接的上抽吸管；

上抽吸驻室的后侧壁安装有支撑板Ⅰ，支撑板Ⅰ的下部通过销轴Ⅰ固定连接上尾板，上尾板末端的上表面固定有铰链Ⅰ，铰链Ⅰ固定连接上螺杆，上螺杆上套装有移动螺母Ⅰ，移动螺母Ⅰ上安装有上手动转盘，支撑板Ⅰ的上部固定有支撑架Ⅰ，支撑架Ⅰ通过销轴Ⅱ固定连接在移动螺母Ⅰ上；转动上手动转盘，移动螺母Ⅰ沿上螺杆上下移动，带动上尾板转动，改变上尾板与叶栅风洞来流的夹角α1。

进一步地，所述的上挡板为上小下大的梯形盒式中空结构；

上挡板的顶面安装有支撑座，上挡板通过固定连接在支撑座的支撑杆固定在叶栅风洞试验段内壁上；

上挡板的底面为多孔壁板，多孔壁板上开有阵列的垂直的通孔Ⅲ；

上挡板的前端设置有旋转轴Ⅰ，通过旋转轴Ⅰ与叶栅试验模型首叶片的后端固定连接，上挡板沿旋转轴Ⅰ旋转，改变多孔壁板与叶栅风洞来流的夹角α3。

进一步地，所述的上驻室壁板的通孔Ⅰ包括壁板孔和调节缝；壁板孔位于上驻室壁板的前段，为圆形、矩形或者菱形通孔；调节缝位于上驻室壁板的后段，为腰型或者椭圆型通孔，通孔顺气流方向倾斜60°角。

进一步地，所述的下抽吸组件包括盒式中空结构的下抽吸驻室，下抽吸驻室位于叶栅试验模型尾叶片下方，下抽吸驻室内部的空腔为抽吸腔Ⅱ；

下抽吸驻室的顶面为下驻室壁板，下驻室壁板开有阵列的通孔Ⅱ；

下抽吸驻室的底面安装有固定在叶栅风洞试验段内壁的下支撑杆，还安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管；

下抽吸驻室的后侧壁安装有支撑板Ⅱ，支撑板Ⅱ的上部通过销轴Ⅲ固定连接下尾板，下尾板末端的下表面固定有铰链Ⅱ，铰链Ⅱ固定连接下螺杆，下螺杆上套装有移动螺母Ⅱ，移动螺母Ⅱ上安装有下手动转盘，支撑板Ⅱ的下部固定有支撑架Ⅱ，支撑架Ⅱ通过销轴Ⅳ固定连接在移动螺母Ⅱ上；转动下手动转盘，移动螺母Ⅱ沿下螺杆上下移动，带动下尾板转动，改变下尾板与叶栅风洞来流的夹角α2。

进一步地，所述的下抽吸驻室中间通过竖直的隔板分成前长后短两个部分；前部的顶面为下驻室壁板Ⅱ，前部的底面安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管Ⅱ，位于下驻室壁板Ⅱ处的通孔Ⅱ为圆形、矩形或者菱形通孔；后部位于叶栅试验模型尾叶片下方，后部的顶面为下驻室壁板Ⅰ，后部的底面安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管Ⅰ，位于下驻室壁板Ⅱ处的通孔Ⅱ，前段为圆形、矩形或者菱形通孔，后段为腰型或者椭圆型通孔，通孔顺气流方向倾斜60°角。

进一步地，所述的下挡板为平板，下挡板的下表面安装有支撑座，上挡板通过固定连接在支撑座的支撑杆固定在叶栅风洞试验段内壁上；

下挡板的前端设置有旋转轴Ⅱ，通过旋转轴Ⅱ与叶栅试验模型尾叶片的后端固定连接，下挡板沿旋转轴Ⅱ旋转，改变下挡板与叶栅风洞来流的夹角α4。

本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置中的上抽吸驻室位于叶栅试验模型首叶片上方，与首叶片形成上泄流通道；下抽吸驻室位于叶栅试验模型尾叶片下方，与尾叶片形成下泄流通道。

本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置通过更换不同形式的上、下驻室壁板改变壁板开孔率，调节抽吸压力，通过旋转手动转盘实现上、下尾板的角度调节。

本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置中的上挡板的支撑座上连接可收缩的支撑杆，通过支撑杆的收缩调节实现多孔壁板绕旋转轴Ⅰ的小范围角度调节，同时，多孔壁板的开孔率和开孔形式可变；上挡板的上抽吸驻室压力均衡，能够实现试验件尾端激波撞击时候的反射激波减弱和消除。下挡板为平板实壁结构，也具有旋转轴Ⅱ和支撑杆，通过支撑杆的收缩调节实现多孔壁板绕旋转轴Ⅱ的小范围角度调节，具有稳定试验件栅后流场的作用。

本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置的工作过程是：叶栅风洞启动，上、下抽吸驻室处于首、尾叶片相邻位置，与叶栅风洞的试验段壁板之间形成的泄流通道，上、下抽吸驻室抽吸泄流通道的气流，建立泄流通道局部低压环境，形成超声速流场。当上、下泄流通道建立超声速流场后，由于叶栅试验模型栅前方的超声速流动由上游喷管型面决定，且在叶栅试验模型的首叶片产生的激波系之前，试验段流场马赫数应是均匀一致的，从而建立起栅前均匀的超声速流场。下抽吸驻室壁板前段采用多孔壁板，可有效减弱首个叶片产生强激波撞击下壁板的反射激波，提高靠近下壁板区域来流的均匀性。上、下挡板均可绕着旋转轴进行转动，用于调节栅后气流的均匀性，同时由于叶栅试验模型超声速流场启动以后，栅后激波系会撞击上挡板；上挡板设计为中空结构，上挡板的多孔结构可均匀壁面压力，减弱栅后激波撞击上挡板形成的反射激波，提高栅后流场均匀性。上、下尾板为可调尾板，用于调节上、下泄流通道的进、出口面积比，通过调节上、下尾板与叶栅风洞来流的夹角，有利于降低泄流通道的堵塞度、启动泄流通道的超声速流场。

本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置具有以下特点：

1.通过调节抽吸驻室的长度、驻室壁板的开孔形式以及开孔率，能够实现超声速叶栅泄流通道的抽吸位置和抽吸压力的调节，有效调节泄流通道的超声速流场，进而在实现试验段栅前超声速流场的启动的同时，实现试验段栅前超声速流场的均匀性。

2.调节尾板的角度能够实现泄流通道的面积比调节，有利于建立泄流通道的超声速流场，实现试验段栅前超声速流场的有效启动。

3.驻室壁板和上挡板采用多孔壁板，多孔壁板的开孔形式、开孔率可变，便于减弱或消除栅前首叶片激波、栅后尾叶片激波的反射问题，提高栅前、栅后流场均匀性。

4.上、下挡板设置有旋转轴，上、下挡板的角度可调，便于调节栅后流场均匀性。

本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置用于抽吸叶栅风洞试验段内泄流通道质量流量，稳定泄流通道激波结构，实现超声速流场的启动；抽吸调控栅前压力分布，实现来流均匀性调节；建立下壁板均匀压力条件，消除下壁板激波反射问题；采用可旋转式上、下挡板和多孔中空上挡板，减弱或消除栅后试验件尾端激波撞击挡板的反射问题。

总而言之，本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置能够稳定抽吸试验段内泄流孔质量流量，提供局部低压环境稳定泄流孔激波结构，调控栅前压力分布情况，实现超声速流场的启动和均匀性调节。

附图说明

图1为本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置的总体结构图；

图2为本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置中的上抽吸驻室与上尾板侧视图；

图3为本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置中的上挡板侧视图；

图4为本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置中的上驻室壁板俯视图；

图5为本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置中的下抽吸驻室与下尾板侧视图。

图中，1.上抽吸组件2.下抽吸组件；

101.上抽吸驻室102.上尾板103.上挡板104.上驻室壁板105.上抽吸管106.上支撑杆107.上手动转盘108.上螺杆；

201.下抽吸驻室202.下尾板203.下挡板204.下驻室壁板Ⅰ205.下抽吸管Ⅰ206.下支撑杆207.下手动转盘208.下螺杆209.下驻室壁板Ⅱ210.下抽吸管Ⅱ211.隔板；

1031.旋转轴Ⅰ1032.支撑座1033.多孔壁板；

1041.壁板孔1042.调节缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，以叶栅风洞来流为前方，本发明的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置包括安装在叶栅试验模型首叶片上方的上抽吸组件1，上抽吸组件1的后方安装有前端固定、后端悬空的上尾板102，首叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的上挡板103；还包括安装在叶栅试验模型尾叶片下方的下抽吸组件2，下抽吸组件2的后方安装有前端固定、后端悬空的下尾板202，尾叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的下挡板203。

进一步地，如图2所示，所述的上抽吸组件1包括盒式中空结构的上抽吸驻室101，上抽吸驻室101位于叶栅试验模型首叶片上方，上抽吸驻室101内部的空腔为抽吸腔Ⅰ；

上抽吸驻室101的底面为上驻室壁板104，上驻室壁板104开有阵列的通孔Ⅰ；

上抽吸驻室101的顶面安装有固定在叶栅风洞试验段内壁的上支撑杆106，还安装有与外置的抽吸装置连接的上抽吸管105；

上抽吸驻室101的后侧壁安装有支撑板Ⅰ，支撑板Ⅰ的下部通过销轴Ⅰ固定连接上尾板102，上尾板102末端的上表面固定有铰链Ⅰ，铰链Ⅰ固定连接上螺杆108，上螺杆108上套装有移动螺母Ⅰ，移动螺母Ⅰ上安装有上手动转盘107，支撑板Ⅰ的上部固定有支撑架Ⅰ，支撑架Ⅰ通过销轴Ⅱ固定连接在移动螺母Ⅰ上；转动上手动转盘107，移动螺母Ⅰ沿上螺杆108上下移动，带动上尾板102转动，改变上尾板102与叶栅风洞来流的夹角α1。

进一步地，如图3所示，所述的上挡板103为上小下大的梯形盒式中空结构；

上挡板103的顶面安装有支撑座1032，上挡板103通过固定连接在支撑座1032的支撑杆固定在叶栅风洞试验段内壁上；

上挡板103的底面为多孔壁板1033，多孔壁板1033上开有阵列的垂直的通孔Ⅲ；

上挡板103的前端设置有旋转轴Ⅰ1031，通过旋转轴Ⅰ1031与叶栅试验模型首叶片的后端固定连接，上挡板103沿旋转轴Ⅰ1031旋转，改变多孔壁板1033与叶栅风洞来流的夹角α3。

进一步地，如图4所示，所述的上驻室壁板104的通孔Ⅰ包括壁板孔1041和调节缝1042；壁板孔1041位于上驻室壁板104的前段，为圆形、矩形或者菱形通孔；调节缝1042位于上驻室壁板104的后段，为腰型或者椭圆型通孔，通孔顺气流方向倾斜60°角。

进一步地，如图5所示，所述的下抽吸组件2包括盒式中空结构的下抽吸驻室201，下抽吸驻室201位于叶栅试验模型尾叶片下方，下抽吸驻室201内部的空腔为抽吸腔Ⅱ；

下抽吸驻室201的顶面为下驻室壁板，下驻室壁板开有阵列的通孔Ⅱ；

下抽吸驻室201的底面安装有固定在叶栅风洞试验段内壁的下支撑杆206，还安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管；

下抽吸驻室201的后侧壁安装有支撑板Ⅱ，支撑板Ⅱ的上部通过销轴Ⅲ固定连接下尾板202，下尾板202末端的下表面固定有铰链Ⅱ，铰链Ⅱ固定连接下螺杆208，下螺杆208上套装有移动螺母Ⅱ，移动螺母Ⅱ上安装有下手动转盘207，支撑板Ⅱ的下部固定有支撑架Ⅱ，支撑架Ⅱ通过销轴Ⅳ固定连接在移动螺母Ⅱ上；转动下手动转盘207，移动螺母Ⅱ沿下螺杆208上下移动，带动下尾板202转动，改变下尾板202与叶栅风洞来流的夹角α2。

进一步地，所述的下抽吸驻室201中间通过竖直的隔板211分成前长后短两个部分；前部的顶面为下驻室壁板Ⅱ209，前部的底面安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管Ⅱ210，位于下驻室壁板Ⅱ209处的通孔Ⅱ为圆形、矩形或者菱形通孔；后部位于叶栅试验模型尾叶片下方，后部的顶面为下驻室壁板Ⅰ204，后部的底面安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管Ⅰ205，位于下驻室壁板Ⅱ209处的通孔Ⅱ，前段为圆形、矩形或者菱形通孔，后段为腰型或者椭圆型通孔，通孔顺气流方向倾斜60°角。

进一步地，所述的下挡板203为平板，下挡板203的下表面安装有支撑座，上挡板103通过固定连接在支撑座的支撑杆固定在叶栅风洞试验段内壁上；

下挡板203的前端设置有旋转轴Ⅱ，通过旋转轴Ⅱ与叶栅试验模型尾叶片的后端固定连接，下挡板203沿旋转轴Ⅱ旋转，改变下挡板203与叶栅风洞来流的夹角α4。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置，其特征在于，以叶栅风洞来流为前方，所述的调节装置包括安装在叶栅试验模型首叶片上方的上抽吸组件(1)，上抽吸组件(1)的后方安装有前端固定、后端悬空的上尾板(102)，首叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的上挡板(103)；还包括安装在叶栅试验模型尾叶片下方的下抽吸组件(2)，下抽吸组件(2)的后方安装有前端固定、后端悬空的下尾板(202)，尾叶片的后方安装有前端固定、后端悬空的下挡板(203)；

上抽吸组件(1)的上抽吸驻室(101)位于叶栅试验模型首叶片上方，与首叶片形成上泄流通道；下抽吸组件(2)的下抽吸驻室(201)位于叶栅试验模型尾叶片下方，与尾叶片形成下泄流通道；

所述的上抽吸组件(1)包括盒式中空结构的上抽吸驻室(101)，上抽吸驻室(101)位于叶栅试验模型首叶片上方，上抽吸驻室(101)内部的空腔为抽吸腔Ⅰ；

上抽吸驻室(101)的底面为上驻室壁板(104)，上驻室壁板(104)开有阵列的通孔Ⅰ；

上抽吸驻室(101)的顶面安装有固定在叶栅风洞试验段内壁的上支撑杆(106)，还安装有与外置的抽吸装置连接的上抽吸管(105)；

上抽吸驻室(101)的后侧壁安装有支撑板Ⅰ，支撑板Ⅰ的下部通过销轴Ⅰ固定连接上尾板(102)，上尾板(102)末端的上表面固定有铰链Ⅰ，铰链Ⅰ固定连接上螺杆(108)，上螺杆(108)上套装有移动螺母Ⅰ，移动螺母Ⅰ上安装有上手动转盘(107)，支撑板Ⅰ的上部固定有支撑架Ⅰ，支撑架Ⅰ通过销轴Ⅱ固定连接在移动螺母Ⅰ上；转动上手动转盘(107)，移动螺母Ⅰ沿上螺杆(108)上下移动，带动上尾板(102)转动，改变上尾板(102)与叶栅风洞来流的夹角α1；

所述的上驻室壁板(104)的通孔Ⅰ包括壁板孔(1041)和调节缝(1042)；壁板孔(1041)位于上驻室壁板(104)的前段，为圆形、矩形或者菱形通孔；调节缝(1042)位于上驻室壁板(104)的后段，为腰型或者椭圆型通孔，通孔顺气流方向倾斜60°角。

2.根据权利要求1所述的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置，其特征在于，所述的上挡板(103)为上小下大的梯形盒式中空结构；

上挡板(103)的顶面安装有支撑座(1032)，上挡板(103)通过固定连接在支撑座(1032)的支撑杆固定在叶栅风洞试验段内壁上；

上挡板(103)的底面为多孔壁板(1033)，多孔壁板(1033)上开有阵列的垂直的通孔Ⅲ；

上挡板(103)的前端设置有旋转轴Ⅰ(1031)，通过旋转轴Ⅰ(1031)与叶栅试验模型首叶片的后端固定连接，上挡板(103)沿旋转轴Ⅰ(1031)旋转，改变多孔壁板(1033)与叶栅风洞来流的夹角α3。

3.根据权利要求1所述的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置，其特征在于，所述的下抽吸组件(2)包括盒式中空结构的下抽吸驻室(201)，下抽吸驻室(201)位于叶栅试验模型尾叶片下方，下抽吸驻室(201)内部的空腔为抽吸腔Ⅱ；

下抽吸驻室(201)的顶面为下驻室壁板，下驻室壁板开有阵列的通孔Ⅱ；

下抽吸驻室(201)的底面安装有固定在叶栅风洞试验段内壁的下支撑杆(206)，还安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管；

下抽吸驻室(201)的后侧壁安装有支撑板Ⅱ，支撑板Ⅱ的上部通过销轴Ⅲ固定连接下尾板(202)，下尾板(202)末端的下表面固定有铰链Ⅱ，铰链Ⅱ固定连接下螺杆(208)，下螺杆(208)上套装有移动螺母Ⅱ，移动螺母Ⅱ上安装有下手动转盘(207)，支撑板Ⅱ的下部固定有支撑架Ⅱ，支撑架Ⅱ通过销轴Ⅳ固定连接在移动螺母Ⅱ上；转动下手动转盘(207)，移动螺母Ⅱ沿下螺杆(208)上下移动，带动下尾板(202)转动，改变下尾板(202)与叶栅风洞来流的夹角α2。

4.根据权利要求3所述的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置，其特征在于，所述的下抽吸驻室(201)中间通过竖直的隔板(211)分成前长后短两个部分；前部的顶面为下驻室壁板Ⅱ(209)，前部的底面安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管Ⅱ(210)，位于下驻室壁板Ⅱ(209)处的通孔Ⅱ为圆形、矩形或者菱形通孔；后部位于叶栅试验模型尾叶片下方，后部的顶面为下驻室壁板Ⅰ(204)，后部的底面安装有与外置的抽吸装置连接的下抽吸管Ⅰ(205)，位于下驻室壁板Ⅱ(209)处的通孔Ⅱ，前段为圆形、矩形或者菱形通孔，后段为腰型或者椭圆型通孔，通孔顺气流方向倾斜60°角。

5.根据权利要求1所述的超声速平面叶栅流场启动及均匀性调节装置，其特征在于，所述的下挡板(203)为平板，下挡板(203)的下表面安装有支撑座，下挡板(203)通过固定连接在支撑座的支撑杆固定在叶栅风洞试验段内壁上；下挡板(203)的前端设置有旋转轴Ⅱ，通过旋转轴Ⅱ与叶栅试验模型尾叶片的后端固定连接，下挡板(203)沿旋转轴Ⅱ旋转，改变下挡板(203)与叶栅风洞来流的夹角α4。

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