CN113624505B - 一种压气机出口流场模拟装置 - Google Patents

一种压气机出口流场模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压气机出口流场模拟装置，所述模拟装置包括从气源站出口到燃烧室入口之间依次连接的进气段、转接段和扩压器；其中，所述扩压器包括扩压器内腔和覆盖所述扩压器内腔的扩压器外壳；所述扩压器外壳包括扩压器盖，所述扩压器盖入口处设置90°转弯段，所述转弯段与转接段外环连接；所述扩压器内腔包括扩压器盘，所述扩压器盘入口处同样设置90°转弯段，所述转弯段与转接段内环连接，所述扩压器盘上从靠近所述转弯段一端向燃烧室一端依次设置径向叶片和轴向叶片；本发明的模拟装置可以形成与发动机整机压气机出口相同流场分布的气流，并将其引入燃烧室试验件，结构简单；为燃烧室的试验提供更真实的数据以获得更真实的试验性能。

Description

一种压气机出口流场模拟装置
技术领域
本发明属于组合压气机领域，特别涉及一种压气机出口流场模拟装置。
背景技术
在航空燃气涡轮发动机/燃气轮机核心机中，压气机位于燃烧室上游，压气机通过不断地压缩空气，形成具有一定压力和温度的空气，连续不断地提供给燃烧室，燃烧室则燃烧生成高温燃气，提供给涡轮膨胀做功。在发动机整机试验中，从压气机出口流出的高温、高压气体周向分布很不均匀。在燃烧室部件试验中，由于前方没有压气机提供来流，因此需要从气源站引出一股高温、高压的气流进入燃烧室。目前常规的做法是：在气源站采用加热和加压的方式形成高温、高压气流，并通过管道输出，气流依次经过进气段机匣和进气帽锥形成的环形通道、转接段外环和转接段内环形成的环形流道，再流入测量段外环和测量段内环形成的测量段流道，对气流的总温、总压、静压、气流角、流量等参数进行测量，最后经过试验段外环和试验段内环形成的试验段流道，流入到燃烧室中。将测量段测得的气流参数值反馈到气源站，以控制对气流的加热、加压程度和空气流量的大小。
但目前在燃烧室部件试验中，由于进入燃烧室的高温、高压气体来自气源站，气源站可以控制输出的气体温度和压力平均值与整机试验相当，但无法模拟压气机出口(即燃烧室入口)流场的非均匀性。目前关于入口流场非均匀性对燃烧室性能影响的研究鲜有报道，但一般认为，入口流场不均匀可能会导致燃烧室试验中发生火焰不均、摆动明显等现象，导致燃烧效率下降，性能恶化。因此这种方法不能获得燃烧室的真实试验性能，需要发展一种可以模拟压气机出口流场的装置，为燃烧室部件试验提供符合实际非均匀状态的来流，以获得燃烧室的真实试验性能。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种压气机出口流场模拟装置，所述模拟装置包括从气源站出口到燃烧室入口之间依次连接的进气段、转接段和扩压器；
其中，所述扩压器包括扩压器内腔和覆盖所述扩压器内腔的扩压器外壳；
所述扩压器外壳包括扩压器盖，所述扩压器盖入口处设置90°转弯段，所述转弯段与转接段外环连接；
所述扩压器内腔包括扩压器盘，所述扩压器盘入口处同样设置90°转弯段，所述转弯段与转接段内环连接，所述扩压器盘上从靠近所述转弯段一端向燃烧室一端依次设置径向叶片和轴向叶片。
所述径向叶片沿所述扩压器盘周向均匀分布，所述轴向叶片沿所述扩压器盘周向均匀分布；
所述径向叶片的叶片数与发动机整机压气机径向扩压器相同；所述轴向叶片的叶片数与发动机整机压气机轴向扩压器相同。
进一步地，所述径向叶片的转折角为50～60°，所述轴向叶片的转折角为40～50°。
进一步地，所述扩压器外壳还包括扩压器外环，所述扩压器外环设置在扩压器盘的环形圆周表面。
进一步地，所述进气段的首端与气源站连通，所述进气段尾端与转接段首端连接；
所述进气段包括外部的进气段机匣和内部的进气帽椎，所述进气段机匣和进气帽椎之间形成第一环形通道。
所述进气段呈首端窄尾端宽的发散型，所述进气帽椎的首端与进气段机匣的首端不齐平但尾部保持齐平。
所述转接段承接进气段和扩压器；
所述转接段包括转接段外环和转接段内环，所述转接段外环和所述转接段内环的首端分别与进气段机匣和进气帽椎连接；所述转接段外环和所述转接段内环之间形成第二环形通道。
进一步地，所述模拟装置还包括测量段，所述测量段设置在燃烧室的外机匣上。
进一步地，所述进气段机匣、进气帽锥、转接段外环和转接段内环的各截面处半径均同等比例缩小，与扩压器盖、扩压器盘和扩压器外环适配，不设置台阶。
进一步地，所述进气段机匣、进气帽锥、转接段外环和转接段内环的各截面处半径均缩小30％。
本发明的有益效果：
本发明通过对扩压器内部进行改进，增设转弯段，同时设计了径向叶片和轴向叶片，先通过一个转弯段将气流流动方向由轴向转为径向，再通过两排叶片将气源站输出的均匀气流打乱，重新形成与发动机整机压气机出口相同流场分布的气流，并将其引入燃烧室试验件，整体结构简单；
本发明的测量段设置在燃烧室的机匣上，在扩压器出口形成仿真的气流后再对气流参数值进行测量，为燃烧室的试验提供更真实的数据获得更真实的试验性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有技术的常规燃烧室试验装置剖面示意图；
图2示出了本发明实施例的压气机出口流场模拟装置外部示意图；
图3示出了本发明实施例的压气机出口流场模拟装置通道内部示意图图；
图4示出了本发明实施例的压气机出口流场模拟装置剖面示意图；
图5示出了本发明实施例中径向叶片和轴向叶片的示意图；
图6示出了发动机整机压气机与本发明实施例的压气机出口流场模拟装置出口总压分布对比图；
图7示出了发动机整机压气机与本发明实施例的压气机出口流场模拟装置出口总温分布对比图；
图8示出了发动机整机压气机与本发明实施例的压气机出口流场模拟装置出口静压分布对比图；
图9示出了发动机整机压气机与本发明实施例的压气机出口流场模拟装置出口气流角分布对比图；
图10示出了发动机整机压气机与本发明实施例的压气机出口流场模拟装置出口马赫数分布对比图；
图11示出了发动机整机压气机与本发明实施例的压气机出口流场模拟装置出口子午速度分布对比图。
图6-11中，(a)表示的是涡轴发动机整机压气机出口流场分布，(b)表示的是压气机出口流场模拟装置出口流场分布。
图中：1、进气段；2、转接段；3、扩压器；4、测量段外环；5、试验段外环；6、测量段内环；7、试验段内环；8、支架；9、转弯段；11、进气段机匣；12、进气帽椎；13、第一环形通道；21、转接段外环；22、转接段内环；23、第二环形通道；31、扩压器盖；311、第一端面；312、第二端面；32、扩压器盘；33、扩压器外环；34、轴向叶片；35、径向叶片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种压气机出口流场模拟装置结构，可以准确模拟出发动机整机压气机出口流场分布，给燃烧室部件提供真实的试验性能。
以下描述中以气源站为上游，燃烧室为下游，每一个阶段中的首端均均指靠近气源站的一端，尾端均指向燃烧室的一端。
图1是现有技术中常规燃烧室试验装置示意图，具体包括气源站、进气段1、转接段2、测量段和试验段。
具体地，气源站与进气段1连通，气源站中的加热加压装置产生高温高压气流，高温高压气流进入进气段1。进气段1设置于模拟装置的上游，包括进气段机匣11和进气帽椎12，外部的进气段机匣11和内部进气帽椎12之间形成扩张型的第一环形通道13，为压气机提供稳定的且具有一定压力和温度的气流，进气段1前端进气口与气源站出口对接，进气帽椎12的尾端与转接段内环22首端连接。
转接段2包括转接段外环21和转接段内环22，转接段外环21和转接段内环22形成第二环形通道23，进气段1中第一环形通道13内的气流进入第二环形通道23中后流入测量段。
测量段包括测量段外环4和测量段内环6，测量段外环4和测量段内环6之间形成测量段流道，测量段流道内部设置多个测量孔，对气流参数值进行测量，如气流的总温、总压、静压、气流角、流量等参数。测量段末端与试验段首端承接，试验段包括外层的试验段外环5与内部的试验段内环7以及支架8，支架8的上端固定在试验室内环上，支架8的下端固定在燃烧室上，用于支撑试验段内环7，并将试验段内环7固定在燃烧室底部安装边上。
上述设置中虽然气源站可以控制输出的气体温度和压力平均值与整机试验相当，但无法模拟压气机出口(即燃烧室入口)流场的非均匀性。针对这一问题，本发明提出了压气机出口流场模拟装置，下面以附图2-5所示的装置进一步说明。
示例性地，该模拟装置整体的外观如图2所示，整体由进气段1、转接段2和扩压器3组成，进气段1与气源站连通，扩压器3与燃烧室连接。进气段1呈首端窄尾端宽的发散型(锥形)，尾端与转接段2连接(即进气段机匣11尾端和转接段外环21经安装边连接)；转接段2呈环形，转接段2尾端与扩压器3连接(即转接段外环21和扩压器盖31经安装边连接)，扩压器3整体呈环状，包括表面的扩压器盖31。
该装置的内部通道如图3所示，进气段1由外部的进气段机匣11和内部的进气帽椎12形成第一环形通道13，转接段外环21和转接段内环22之间形成第二环形通道23，第一环形通道13和第二环形通道23连通共同形成气流通道。第二环形通道23的尾端安装扩压器3，扩压器3包括扩压器外壳和扩压器内腔，扩压器外壳包括扩压器盖31和扩压器外环33，扩压器盖31和扩压器外环33自成一体，将扩压器内腔包裹在其中，扩压器盖31包括第一端面311和第二端面312，第一端面311面向转接段2，第二端面312面向扩压器盘32，扩压器3内腔从靠近转接段2一侧依次设置径向叶片35和轴向叶片34。
图4是本发明实施例的压气机出口流场模拟装置剖面示意图，该装置包括气源站、进气段1、转接段2、扩压器3和燃烧室。
具体地，气源站与进气段1连接，进气段1的进口处可以为圆形，气源站中的加热加压装置产生高温高压气流，高温高压气流进入进气段1中。进气段1包括进气段机匣11和进气帽椎12，进气段机匣11设置在进气段1的外周，形成外围的封闭，进气段机匣11内部设置进气帽椎12，进气帽椎12的首端与进气段机匣11的首端不齐平但尾端齐平，外部的进气段机匣11和内部进气帽椎12之间形成扩张型的第一环形通道13，气流在第一环形通道13内实现减速增压，进气帽椎12和进气段机匣11的截面半径相较于正常的帽椎和机匣截面半径均有所下降。
优选地，改进后的截面半径相较于原来的截面半径下降30％，更适于与后面转接段2的连接，在加工时可减小零件毛坯尺寸，便于降低成本、减轻重量。
转接段2承接进气段1和扩压器3，避免进气段过长，具体包括转接段外环21和转接段内环22，转接段外环21和转接段内环22之间形成第二环形通道23，转接段内环22和转接段外环21的截面处半径与进气段机匣11和进气帽椎12的截面半径同等比例缩小；优选地，转接段内环22和转接段外环21的截面半径均下降30％，与扩压器盖31、扩压器盘32和扩压器外环33适配。
扩压器包括扩压器内腔和覆盖扩压器内腔的扩压器外壳；扩压器盖31和扩压器盘32的入口处设置90°的转弯段9，转弯段9分别与转接段内环22和转接段外环21连接。扩压器盖31覆盖在扩压器盘32的径向表面，扩压器外环33设置在扩压器盘32的环形圆周表面，其中，扩压器3为圆环状与转弯段9尾端连接。扩压器盖31、扩压器盘32和扩压器外环33的尺寸均向下调整，优选地，扩压器盖31、扩压器盘32、扩压器外环33的截面半径均下降30％。
如图5所示，扩压器3内腔中包括扩压器盘32，扩压器盘32上从靠近转接段2一端向燃烧室一端依次设置径向叶片35和轴向叶片34，气流流动方向在进入扩压器3之前经转弯段9变向后转为径向，进入扩压器3后，再经径向叶片35和轴向叶片34转为轴向。具体地，径向叶片35沿扩压器盘32径向均匀分布(扩压器盘32远离转接段2一侧)，相邻的径向叶片35之间构成气流的连续入口通道；轴向叶片34均匀分布在扩压器3的圆周表面上(即扩压器外环33内部)。
具体地，径向叶片35的叶片数与发动机整机压气机径向扩压器相同，具有一定叶片转折角，径向叶片35的转折角一般为50～60°；轴向叶片34的叶片数与发动机整机压气机轴向扩压器相同、具有一定叶片转折角，轴向叶片34的转折角一般为40～50°，该模拟装置经过径向叶片35和轴向叶片34导流，可以形成与发动机整机压气机出口相同的流场分布。
需要说明的是，本发明中的测量段设置在燃烧室的外机匣上，在扩压器1出口形成仿真的气流后再对气流参数值进行测量，如气流的总温、总压、静压、气流角、流量等参数。测量段将测得的气流参数值反馈到气源站，以控制对气流的加热、加压程度和空气流量的大小，使得试验数据更加可靠。
进一步地，将本发明实施例中的压气机出口流场模拟装置设计在涡轴发动机、涡桨发动机中进行三维数值模拟的验证。以下以在涡轴发动机中设计该流场模拟装置为例，进行三维数值模拟结果显示，该流场模拟装置模拟出的流场分布与涡轴发动机整机压气机出口流场的对比分布图如图6-图10所示。
图中分别展示出了本发明实施中压气机出口流场模拟器出口和涡轴发动机整机压气机出口的流场分布，包括总压、总温、静压、气流角、马赫数和子午速度。图6-图11中，(a)表示的是涡轴发动机整机压气机出口流场分布，(b)表示的是压气机出口流场模拟装置出口流场分布，从总压、总温、静压、气流角、马赫数和子午速度这些方面的对比分布图均可以看出，本发明实施例中的流场模拟装置模拟出的流场分布与涡轴发动机整机压气机出口流场分布基本一致，可准确反映整机压气机出口流场的非均匀性，可以为燃烧室部件试验提供符合实际的非均匀状态的来流，以获得燃烧室的真实试验性能，为后续的航空发动机燃烧室的研制提供技术支持。
本发明的原理：
本发明通过从气源站加热、加压装置产生高温、高压气流，气流经过进气段1的第一环形通道13和转接段2的第二环形通道23的引导进入扩压器3内。进入扩压器3之前首先通过转弯段9将气流流动方向由轴向转为径向，再经过一排径向叶片35和一排轴向叶片34将气源站输出的均匀的气流打乱，其中，径向叶片35周向均布、叶片数与发动机整机压气机径向扩压器相同、具有一定叶片转折角；轴向叶片34同样周向均布、叶片数与发动机整机压气机轴向扩压器相同、具有一定叶片转折角。从而将气源站输出的气流打乱重新形成与发动机整机压气机出口相同流场分布的气流，燃烧室机匣上的测量段对气流参数进行测量，并将其引入燃烧室试验件。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述模拟装置包括从气源站出口到燃烧室入口之间依次连接的进气段、转接段和扩压器；
其中，所述扩压器包括扩压器内腔和覆盖所述扩压器内腔的扩压器外壳；
所述扩压器外壳包括扩压器盖，所述扩压器盖入口处设置90°转弯段，所述转弯段与转接段外环连接；
所述扩压器内腔包括扩压器盘，所述扩压器盘入口处同样设置90°转弯段，所述转弯段与转接段内环连接，所述扩压器盘上从靠近所述转弯段一端向燃烧室一端依次设置径向叶片和轴向叶片；所述径向叶片沿所述扩压器盘周向均匀分布，所述轴向叶片沿所述扩压器盘周向均匀分布；所述径向叶片的叶片数与发动机整机压气机径向扩压器相同；所述轴向叶片的叶片数与发动机整机压气机轴向扩压器相同。
2.根据权利要求1所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述径向叶片的转折角为50～60°，所述轴向叶片的转折角为40～50°。
3.根据权利要求1所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述扩压器外壳还包括扩压器外环，所述扩压器外环设置在扩压器盘的环形圆周表面。
4.根据权利要求1所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述进气段的首端与气源站连通，所述进气段尾端与转接段首端连接；
所述进气段包括外部的进气段机匣和内部的进气帽椎，所述进气段机匣和进气帽椎之间形成第一环形通道。
5.根据权利要求4所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述进气段呈首端窄尾端宽的发散型，所述进气帽椎的首端与进气段机匣的首端不齐平但尾部保持齐平。
6.根据权利要求1所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述转接段承接进气段和扩压器；
所述转接段包括转接段外环和转接段内环，所述转接段外环和所述转接段内环的首端分别与进气段机匣和进气帽椎连接；所述转接段外环和所述转接段内环之间形成第二环形通道。
7.根据权利要求1所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述模拟装置还包括测量段，所述测量段设置在燃烧室的外机匣上。
8.根据权利要求6所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述进气段机匣、进气帽锥、转接段外环和转接段内环的各截面处半径均同等比例缩小，与扩压器盖、扩压器盘和扩压器外环适配，不设置台阶。
9.根据权利要求8所述的一种压气机出口流场模拟装置，其特征在于，
所述进气段机匣、进气帽锥、转接段外环和转接段内环的各截面处半径均缩小30％。
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