CN114689329B - 一种环形叶栅试验台及其气动弹性试验系统 - Google Patents

Abstract

本公开了一种环形叶栅试验台及其气动弹性试验系统，环形叶栅试验台包括依次连接的收缩流道、试验段和扩张流道，试验段包括测试段外侧管道以及设置在其内部的测试段内侧管道，测试段内侧管道设有用于固定叶栅的固定结构，收缩流道为沿进气方向收敛的结构，扩张流道为沿出气方向扩张的结构，测试段外侧管道和测试段内侧管道形成可替换的试验段。通过上述，本公开提供的环形叶栅试验台及其气动弹性试验系统，在试验过程中通过替换测试段内侧管道和试验段外侧管道来实现更换测量叶栅的功能，通过更换不同的试验段，可以对不同叶栅进行试验，可以复现更接近实际情形的被动振动现象。

Description

一种环形叶栅试验台及其气动弹性试验系统

技术领域

本公开涉及压气机叶片实验台的技术领域，尤其涉及一种环形叶栅试验台及其气动弹性实验系统。

背景技术

随着航空发动机向高推重比、高负荷的方向发展，压气机叶片的气弹失稳问题日益突出。气弹失稳是叶轮机械中最常见的气弹不稳定现象，难以预测且破坏性大。在众多气弹失稳影响因素中，描述叶片排间相互干扰的中间因素叶间相位角是叶轮机械气弹研究区别于其他气弹研究的重要因素，然而现有试验研究针对叶间相位角的实验数据和相关研究十分有限。

目前在气弹问题研究中被广泛应用的研究工具之一是平面叶栅试验台，由安装在一个平板上的叶片组成。由于平面叶栅具有的叶片数量较少，因此具有试验成本低、设计与测量简单等优点。但叶间相位角是描述叶片排之间相互干扰的周向循环性参数，而平面叶栅在周向上是不封闭的，不存在周向传递的行波，壁面对整个叶栅都有抑振的作用。因此在复现叶间相位角并探究其影响气弹稳定性的机理的研究中，必须建立周向封闭的环形叶栅，以确保出现合理叶间相位角的可能性。

发明内容

针对上述存在的问题，本公开的目的在于提供一种环形叶栅试验台，可通过替换试验段的方式对多种叶栅参数进行试验，环形叶栅的周向无限性解决了平面叶栅中振动受抑制、扰动波反射干扰等壁面效应，因此在研究气弹失稳问题上，环形叶栅试验台可在试验中复现更接近实际情形的被动振动现象，是综合性价比较高的一种试验台。

为实现上述目的，本公开提供了一种环形叶栅试验台，包括依次连接的收缩流道、试验段和扩张流道，所述试验段包括测试段外侧管道以及设置在其内部的测试段内侧管道，所述测试段内侧管道设有用于固定叶栅的固定结构，所述收缩流道为沿进气方向收敛的结构，所述扩张流道为沿出气方向扩张的结构，所述测试段外侧管道和测试段内侧管道形成可替换的试验段。

优选的，所述收缩流道和所述扩张流道分别设有用于固定连接所述测试段内侧管道的前支板和后支板，所述前、后支板均采用中空的结构。

优选的，所述测试段外侧管道上设有多个用于放置多孔探针的第一沉头孔。

优选的，所述测试段内侧管道上设有多个用于固定连接叶栅的第二沉头孔。

优选的，所述测试段内侧管道上设有多个用于传感器导线引出的通孔。

优选的，所述收缩流道包括依次连接的进气喇叭口和进气导锥整体，所述进气导锥整体与所述测试段外侧管道在其连接处内径相同。

优选的，所述扩张流道包括依次连接的出气导锥整体和扩张管道，所述出气导锥整体与所述测试段外侧管道在其连接处内径相同。

优选的，所述扩张流道的扩张角度控制在5°以内。

优选的，所述收缩流道、试验段和扩张流道均采用止口定位结构连接在一起，所述测试段外侧管道来流方向的外侧设置有密封圈凹槽，另一侧设置对应的止口槽。

为实现上述目的，本公开还提供了一种基于环形叶栅试验台的气动弹性试验系统，包括权利要求1-9任一所述的环形叶栅试验台、软性连接在环形叶栅实验台后端的风机以及设置在环形叶栅试验台下方的三个支架，前两个所述支架装有丝杆升降机，最前方支架的下端还设置有移动脚轮。

本公开的有益效果是：本公开提供的环形叶栅试验台及其气动弹性试验系统，在试验过程中通过替换测试段内侧管道和试验段外侧管道来实现更换测量叶栅的功能，通过更换不同的测试段，可以对不同叶栅进行试验，可以复现更接近实际情形的被动振动现象。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为环形叶栅实验台的结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为测试段外侧管道的剖视图；

图4为测试段内侧管道其中一段的剖视图；

图5为气动弹性试验系统的结构示意图；

附图中的标记为：1、环形叶栅试验台；2、支架；3、丝杆升降机；4、移动脚轮；101、进气喇叭口；102、进气导锥整体；103、测试段外侧管道；104、测试段内侧管道；105、出气导锥整体；106、扩张管道；107、前支板；108、后支板；109、叶栅；110、密封圈凹槽；111、止口槽；112、第一沉头孔；113、第二沉头孔；114、通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开

请参阅图1至图5，本实施例包括：

一种环形叶栅试验台1，包括依次连接的收缩流道、试验段和扩张流道，试验段包括测试段外侧管道103以及设置在其内部的测试段内侧管道104，测试段内侧管道104设有用于固定叶栅的固定结构，收缩流道为沿进气方向收敛的结构，扩张流道为沿出气方向扩张的结构，收缩流道将气流加速并降低湍流度，气流流过收缩流道后，进入径向长度稳定的试验段，保证试验段的进气质量，在扩张流道中，气流易出现大面积分离和回旋，增大总压损失提高风机负荷，同时会影响风机进气质量进而影响风机效率，因此扩张段的设计以减小分离为主要目标。其中，收缩流道、试验段和扩张流道均采用止口定位结构连接在一起。

具体到本实施例中，该环形叶栅实验台1采用后置抽气气源的收缩风洞形式，主要由六个部件组成，分别为进气喇叭口101、前方进气导锥整体102、测试段外侧管道103、测试段内侧管道104、出气导锥整体105和扩张管道106。进气喇叭口101、进气导锥整体102、测试段外侧管道103、出气导锥整体105和扩张管道106依次连接在一起，测试段内侧管道104设置在内部。

进气喇叭口101和进气导锥整体102依次连接成为一个整体，作为收缩流道；出气导锥整体105和扩张管道106依次连接成为一个整体，作为扩张流道；进气导锥整体102、出气导锥整体105分别与测试段外侧管道103在其连接处内径相同，可以保证较高的进气质量。测试段外侧管道103和测试段内侧管道104形成可替换的测试段，在试验过程中通过替换测试段外侧管道103和测试段内侧管道104来实现更换测量叶栅的功能，通过更换不同的测试段，可以对不同叶栅进行试验。

上述中，进气喇叭口101和扩张管道106的整体结构相似，由于扩张管道106流动分离严重，因此扩张管道106的扩张角度控制在5°以内，扩张管道106与出气导锥整体105相对较长。同时进气喇叭口101和扩张管道106由于尺寸大，难以在机床上加工，综合考虑成本后，采用3D打印的方式制成。进气导锥整体102、测试段外侧管道103、测试段内侧管道104和出气导锥整体105是试验台的主体结构，因此加工精度和表面粗糙度尤为重要，采用铝材料机械精加工的方式制成，使用铝制部件的另一个优势是质量轻，考虑到试验段要多次拆装，轻质部件便于拆装。

收缩流道和扩张流道分别设有用于固定连接测试段内侧管道104的前支板107和后支板108，前、后支板均采用中空的结构，可以作为传感器导线引出的通道。本实施例中，前支板107和后支板108分别与进气导锥整体102和出气导锥整体105采用焊接连接的方式固定在一起。

试验流道内径150mm，外径300mm；流道长度，即前支板107的后方到后支板108的前方为16倍弦长，480mm；试验用的叶栅109弦长30mm。

进气喇叭口101和进气导锥整体102，二者共同为测试段提供收缩加速的进气结构，提高测试段马赫数和进气均匀度，同时为了保加工精度，降低加工难度，因此进气导锥整体102和出气导锥整体105均为分段制作并最终连接成整体，测试段内侧管道104由三段拼接而成，前支板107和后支板108与测试段内侧管道104螺纹固定。

进气喇叭口101、进气导锥整体102、测试段外侧管道103、出气导锥整体105和扩张管道106均采用止口定位结构连接在一起。其中，测试段外侧管道103和测试段内侧管道104是安装叶栅109的部件，也是该试验台的核心部件，同时也是为了进行其他试验要替换的部件。

测试段外侧管道103来流方向的外侧设置有密封圈凹槽110，另一侧设置对应的止口槽111，且其外周上还设置有多个用于放置多孔探针的第一沉头孔112。测试段内侧管道104上设置有多个用于固定连接叶栅109的第二沉头孔113，还设有多个用于传感器导线引出的通孔114，叶栅109通过第二沉头孔113并配合螺纹连接的方式紧固在测试段内侧管道104的内部。

本实施例中，测试段内侧管道104上共有12个第二沉头孔113作为测试叶栅109的基座，叶栅109通过螺纹连接紧固在测试段内侧管道104上，第二沉头孔113下方圆面作为配合受力面，模拟叶根固支悬臂梁的受力状态，传感器的导线引入测试段内侧管道104的通孔114内，最终从后支板108内引到外部。

本公开还提供了一种基于环形叶栅试验台的气动弹性试验系统，包括环形叶栅试验台1、软性连接在环形叶栅实验台后端的风机(图未视)以及设置在环形叶栅试验台1下方的三个支架2，前两个所述支架2装有丝杆升降机3，最前方支架2的下端还设置有移动脚轮4。

环形叶栅试验台1的前方按标准设计喇叭口，对来流整流并加速；在最后方，用钢结构胶与密封胶片将环形叶栅试验台1与风机相连，以软性连接的方式隔绝风机自身振动对环形叶栅试验台1的影响。环形叶栅试验台1共由三个支架2进行支撑，最后方的支架2在风机前，以螺纹紧固的方式与地面和环形叶栅试验台1相连，起到定位和减振的作用；前方两个支架2装有丝杆升降机3，最前方的支架2还有下方移动脚轮4可以移动，以便拆装环形叶栅试验台1的测试段。

其中，环形叶栅试验台1后方的扩张管道106与风机软性连接并通过支架2锁死在地面上不再移动，试验中风机与匹配的变频器相连接，通过调整变频器的输出频率以改变电机转速，改变风机风扇的转动频率，进而调节试验的来流马赫数工况。

环形叶栅试验台1的进气喇叭口101和进气导锥整体102作为收缩流道，将气流加速并降低湍流度，气流流过收缩进气段后，经过前支板107，进入径向长度稳定的试验段，保证试验段中较高的进气质量。试验段后通过扩张管道106连通风机，因为后置风机的进口尺寸大于实验段尺寸。在扩张管道106中，气流易出现大面积分离和回旋，增大总压损失提高风机负荷，同时会影响风机进气质量进而影响风机效率，因此扩张管道106的设计以减小分离为主要目标，故扩张管道106的扩张角度控制在5°以内。

本公开提供的环形叶栅试验台及其气动弹性试验系统与现有技术的区别特征为：

1、测试段外侧管道和测试段内侧管道形成可替换的测试段，在试验过程中通过替换测试段内侧管道和试验段外侧管道来实现更换测量叶栅的功能，通过更换不同的测试段，可以对不同叶栅进行试验；

2、进气导锥整体、测试段外侧管道和出气导锥整体的径向长度一致，可以保证较高的进气质量；

3、由于扩张管道流动分离严重，因此扩张管道的扩张角度控制在5°以内；

4、风机与环形叶栅试验台软性连接在一起，以软性连接的方式隔绝风机自身振动对环形叶栅试验台的影响。

5、最前方的支架还有下方移动脚轮可以移动，以便拆装环形叶栅试验台的测试段。

综上所述，本公开提供的环形叶栅试验台及其气动弹性试验系统，在试验过程中通过替换测试段内侧管道和试验段外侧管道来实现更换测量叶栅的功能，通过更换不同的测试段，可以对不同叶栅进行试验。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种环形叶栅试验台，其特征在于：包括依次连接的收缩流道、试验段和扩张流道，所述试验段包括测试段外侧管道以及设置在其内部的测试段内侧管道，所述测试段内侧管道设有用于固定叶栅的固定结构，所述收缩流道为沿进气方向收敛的结构，所述扩张流道为沿出气方向扩张的结构；

所述测试段外侧管道和测试段内侧管道形成可替换的试验段，通过替换测试段外侧管道和测试段内侧管道实现更换测量叶栅，通过更换不同的试验段对不同叶栅进行试验；

其中，所述收缩流道包括依次连接的进气喇叭口和进气导锥整体，所述进气导锥整体与所述测试段外侧管道在其连接处内径相同；所述扩张流道包括依次连接的出气导锥整体和扩张管道，所述出气导锥整体与所述测试段外侧管道在其连接处内径相同。

2.根据权利要求1所述的环形叶栅试验台，其特征在于：所述收缩流道和所述扩张流道分别设有用于固定连接所述测试段内侧管道的前支板和后支板，所述前、后支板均采用中空的结构。

3.根据权利要求1所述的环形叶栅试验台，其特征在于：所述测试段外侧管道上设有多个用于放置多孔探针的第一沉头孔。

4.根据权利要求1所述的环形叶栅试验台，其特征在于：所述测试段内侧管道上设有多个用于固定连接叶栅的第二沉头孔。

5.根据权利要求1所述的环形叶栅试验台，其特征在于：所述测试段内侧管道上设有多个用于传感器导线引出的通孔。

6.根据权利要求1所述的环形叶栅试验台，其特征在于：所述扩张流道的扩张角度控制在5°以内。

7.根据权利要求1所述的环形叶栅试验台，其特征在于：所述收缩流道、试验段和扩张流道均采用止口定位结构连接在一起，所述测试段外侧管道来流方向的外侧设置有密封圈凹槽，另一侧设置对应的止口槽。

8.一种基于环形叶栅试验台的气动弹性试验系统，其特征在于：包括权利要求1-7任一所述的环形叶栅试验台、软性连接在环形叶栅实验台后端的风机以及设置在环形叶栅试验台下方的三个支架，前两个所述支架装有丝杆升降机，最前方支架的下端还设置有移动脚轮。