CN115095543A - 一种构造压气机进口流场的双通道实验装置 - Google Patents

一种构造压气机进口流场的双通道实验装置 Download PDF

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王春雪
张希
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Abstract

本发明公开了一种构造压气机进口流场的双通道实验装置，所述双通道实验装置包括依次连接的喇叭口段、圆形套筒管段、气流构造段和实验段，圆形套筒管段机匣的下端通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与喇叭口段机匣紧固在一起，圆形套筒管段机匣的上端通过通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与气流构造段机匣的下端紧固在一起，气流构造段机匣的上端通过通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与实验段机匣的下端紧固在一起。该装置可将风洞来流分割为内通道流场和外通道流场，为构造小径高比压气机进口提供可能，并且装置结构简单容易加工，保证了实验装置安装分解和维修的方便快捷。

Description

一种构造压气机进口流场的双通道实验装置
技术领域
本发明涉及一种环形叶栅实验装置，具体涉及一种构造压气机进口流场的双通道实验装置。
背景技术
在航空发动机和航改燃气轮机中，由于压气机进口处的风扇和低压压气机叶片径高比较小，根部和叶顶周向速度差别较大，导致气流马赫数和总压等参数在径向往往呈大梯度分布。为了在实验件静止状态下进行小径高比压气机动叶的实验研究，使用构造压气机动叶进口来流的实验设备是极为必要的。
目前，为实现所述的进口来流条件，通常采用实验件前安装较小扭转角导叶或直叶片导叶的方法，增大实验件进口叶尖与根部的速度梯度。这种单通道的设计方法效果并不理想，因为导叶较小的扭转角度极容易引起流体径向压力的失稳产生附加掺混损失，影响风洞流场的稳定性。采用多通道进口可以减少以上缺陷的影响并通过对流道的分割增加了不同流道流动结构的可调性。然而，现有技术中的多通道主要存在以下问题：采用多通道设计，过多的通道数导致实验件的零件数增加，加工难度提高，装配过程变得复杂，进一步增加风洞实验时间，降低风洞实验效率。
发明内容
针对现有实验技术存在的缺陷，本发明提供了一种构造压气机进口流场的双通道实验装置。该装置可将风洞来流分割为内通道流场和外通道流场，为构造小径高比压气机进口提供可能，并且装置结构简单容易加工，保证了实验装置安装分解和维修的方便快捷。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种构造压气机进口流场的双通道实验装置，包括依次连接的喇叭口段、圆形套筒管段、气流构造段和实验段，其中：
所述喇叭口段包括喇叭口段机匣；
所述圆形套筒管段包括圆形套筒管段机匣以及设置在圆形套筒管段机匣内部的内外通道隔板、内通道整流锥和内外通道导流板；
所述气流构造段包括气流构造段机匣和设置在气流构造段机匣内部的心轴；
所述实验段包括实验段机匣以及设置在实验段机匣内部的实验段叶片和实验段整流锥；
所述圆形套筒管段机匣的下端通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与喇叭口段机匣紧固在一起，圆形套筒管段机匣的上端通过通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与气流构造段机匣的下端紧固在一起，气流构造段机匣的上端通过通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与实验段机匣的下端紧固在一起；
所述内外通道隔板和内通道整流锥沿周向均匀分布有多个导流板槽，内外通道导流板由内通道整流锥内部依次穿过内通道整流锥和内外通道隔板上的导流板槽与圆形套筒管段机匣固连在一起；
所述内外通道隔板由圆形套筒管段入口延伸至气流构造段出口，将气流构造段的流道分割为内通道流道和外通流道；
所述气流构造段机匣的进出口处各有一排预留孔，进口处预留孔用于安装涡轮叶栅、压气机叶栅或碎涡网用以流场的总压和速度的构造，出口处预留孔用于安装扰流杆或可调导叶用以来流尾迹模拟与进口气流角的调整；
所述实验段整流锥的外壁沿周向均匀分布有多个实验段叶片，实验段整流锥的前端设置有传动轴固定座；
所述心轴的两端分别与内通道整流锥和实验段传动轴固定座连接。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、喇叭口采用维氏曲线设计，保证了实验装置进口加速的同时又能获得比较好的气流品质；
2、通过圆形套筒管段的内外通道道隔板将实验件进口流场分为内通道流道与外通道流道，以便根据实验要求在气流构造段加装流动调节装置，构建实验所需流场；
3、喇叭口段以及同轴安装的圆形套筒管段、气流构造段和实验段的机匣与轴采用固定螺栓连接，保证了实验装置结构的稳定以及拆装与更换的方便；
4、实验段整流锥前的传动轴固定座可固定传动轴，若内通道安装可调导叶，传动轴可连接内通道可调导叶，以实现内通道可调导叶安装角的调整；
5、各结构的机匣与轴采用固定螺栓连接，保证实验件的简易拆装与加工。
附图说明
图1为双通道实验装置的纵剖面构造图；
图2为双通道实验装置的结构图；
图3为喇叭口段的结构图；
图4为喇叭口段的左视图；
图5为喇叭口段的俯视图；
图6为圆形套筒管段的结构图；
图7为圆形套筒管段的装配关系图
图8为气流构造段的结构图；
图9为气流构造段的装配关系图；
图10为实验段的结构关系图；
图11为实验段段的装配关系图；
图12为传动轴固定座的结构关系图；
图13为传动轴固定座的侧视图；
图中：1-喇叭口段；2-圆形套筒管段；3-气流构造段；4-实验段；5-喇叭口段机匣；6-内外通道通道隔板；7-内通道整流锥；8-内外通道导流板；9-圆形套筒管段机匣；10-预留孔；11-内通道流道；12-内轮毂固定环；13-气流构造段机匣；14-外通道流道；15-传动轴固定座；16-实验段叶片；17-实验段整流锥；18-实验段机匣；19-法兰盘；20-心轴；21-传动轴；22-前排螺纹孔；23-后排螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种构造小径高比压气机进口流场的双通道实验装置，主要包括以下方面的创新研究：
(1)实现风洞出口流场的分割，将风洞来流分割为内通道流道和外通道流道。
(2)可对内外通道进行单独调节，实现实验段进口来流的气动参数沿径向呈大梯度分布。
(3)实验装备结构简单，容易加工和拆装。
(4)流场构造段足够长，为加装多个流动调节装置提供可能。
(5)实验段整流锥前的传动轴固定座可固定传动轴，若内通道安装可调导叶，传动轴可连接内通道可调导叶，以实现内通道可调导叶安装角的调整。
下面结合图1至图11对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，构造小径高比压气机进口流场的双通道实验装置的装配顺序为：实验装置进口的喇叭口段1的喇叭口段机匣5通过法兰盘19上安装固定螺栓连接至圆形套筒管段2的圆形套筒管段机匣9；气流构造段3的气流构造段机匣13通过法兰盘19分别连接圆形套筒管段2的圆形套筒管段机匣9和实验段4的实验段机匣18，并通过心轴20连接内通道整流锥7与实验段传动轴固定座15，保证各部件的同轴连接与稳定。所述喇叭口段1以及同轴安装的圆形套筒管段2、气流构造段3和实验段4的机匣与轴采用固定螺栓连接，方便各装置的拆装维修与更换。
如图3～图5所示，喇叭口段位于装置最前端与风洞出口连接用以加速风洞来流。喇叭口段1由喇叭口段机匣5组成，喇叭口段机匣5的收缩曲线采用维氏曲线，用于实现风洞出口气流的稳定加速。维氏曲线即维辛斯基曲线，采用维氏曲线可以缓解实验装置进口处收缩过快的问题，保证出口速度分布均匀、稳定同时又能获得比较好的气流品。维氏曲线公式如下：
Figure BDA0003703297010000061
其中：H为任意轴向位置x处截面的半径；H0为喇叭口段进口半径；Hi为喇叭口段出口半径；
Figure BDA0003703297010000062
L为中间机匣流道的轴向长度。
如图6所示，圆形套筒管段2由圆形套筒管段机匣9、内外通道隔板6、内通道整流锥7和四个沿周向均匀分布的内外通道导流板8组成，内外通道隔板6穿过内外通道导流板8延伸至实验段4进口，将风洞来流分割为内通道流道11和外通流道14；圆形套筒管段机匣9通过12根在法兰盘周向均匀布置的固定螺栓与喇叭口段1的喇叭口段机匣5连接。
如图7所示，内外通道隔板6和内通道整流锥7沿周向均匀分布有四个导流板槽，内外通道导流板8由内通道整流锥7内部依次穿过内通道整流锥7和内外通道隔板6上的导流板槽与圆形套筒管段机匣9焊接在一起。内外通道导流板8与圆形套筒管段机匣9和内通道整流锥7相连，用以支撑内外通道隔板6与内通道整流锥7，由于远离实验段进口减少了内外通道导流板8对实验段4进口的影响。
如图8和图9所示，气流构造段3位于实验段4的进口，通过18根在法兰盘19周向均匀布置的固定螺栓与圆形套筒管段机匣9连接，可通过在气流构造段3加装流动调节装置构造不同的内通道和外通道流场，实现压气机进口处径向参数的大梯度分布。气流构造段3由气流构造段机匣13和心轴20组成，气流构造段机匣13距离进出口10cm处各有一排预留孔，距离气流构造段3进口较近的预留孔10可以安装涡轮叶栅、压气机叶栅和碎涡网等用以流场的总压和速度的构造，距离气流构造段3出口较近的预留孔可以安装扰流杆、可调导叶用以来流尾迹模拟与进口气流角的调整，具体安装部件可进一步根据实验要求优化来流参数在径向的分布。心轴20的前端和尾端各布置一个内轮毂固定环12，通过螺栓与螺母的外式连接方法连接内通道整流锥7和传动轴固定座15，保证实验装置的同轴安装与实验结构的稳定。圆形套筒管段2中的内外通道隔板6穿过气流构造段机匣13和心轴20，将气流构造段3中的流道分割为内通道流道11和外通道流道14。
如图10～图13所示，实验段4由实验段机匣18、实验段叶片16和实验段整流锥17组成，其中：实验段整流锥17的外壁沿周向均匀分布有多个实验段叶片16，实验段整流锥17的前端设置有传动轴固定座15，传动轴固定座15通过其后端布置的周向均匀分布的后排内螺纹23和螺栓连接实验段整流锥17，传动轴固定座15通过其前端布置的周向均匀分布的前排螺纹孔22与螺栓紧固于内轮毂固定环12，传动轴固定座15通过过盈配合安装在传动轴21上。传动轴21可通过与电机连接，电机带动传动轴21，实现实验段叶片16的转动。
本发明的双通道实验装置能够实现单流道难以完成的流场构造——内外通道隔板将实验段来流分割为内外通道流体，保证内通道和外通道流体相互独立；通过在气流构造段加装流动调节装置构造不同的内通道和外通道流场，实现压气机进口处径向参数的大梯度分布。
本发明的双通道实验装置在气流构造段中轴向方向上距离气流构造段10cm进口处的预留孔加装涡轮导叶可以增大流场速度，加装压气机叶栅可以减小流场速度，增加扰流板可以减小流场总压，在气流构造段中轴向方向上距离气流构造段10cm出口处的预留孔加装扰流杆可模拟来流尾迹，加装可调导叶可以实现进口攻角的改变，可根据具体要求，在气流构造段选则安装相应流动调节装置。

Claims (8)

1.一种构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述双通道实验装置包括依次连接的喇叭口段、圆形套筒管段、气流构造段和实验段，其中：
所述喇叭口段包括喇叭口段机匣；
所述圆形套筒管段包括圆形套筒管段机匣以及设置在圆形套筒管段机匣内部的内外通道隔板、内通道整流锥和内外通道导流板；
所述气流构造段包括气流构造段机匣和设置在气流构造段机匣内部的心轴；
所述实验段包括实验段机匣以及设置在实验段机匣内部的实验段叶片和实验段整流锥；
所述内外通道隔板和内通道整流锥沿周向均匀分布有多个导流板槽，内外通道导流板由内通道整流锥内部依次穿过内通道整流锥和内外通道隔板上的导流板槽与圆形套筒管段机匣固连在一起；
所述内外通道隔板由圆形套筒管段入口延伸至气流构造段出口，将气流构造段的流道分割为内通道流道和外通流道；
所述实验段整流锥的外壁沿周向均匀分布有多个实验段叶片，实验段整流锥的前端设置有传动轴固定座；
所述心轴的两端分别与内通道整流锥和实验段传动轴固定座连接。
2.根据权利要求1所述的构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述圆形套筒管段机匣的下端通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与喇叭口段机匣紧固在一起，圆形套筒管段机匣的上端通过通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与气流构造段机匣的下端紧固在一起，气流构造段机匣的上端通过通过在法兰盘周向均匀布置的螺栓和螺母的外式连接方式与实验段机匣的下端紧固在一起。
3.根据权利要求1所述的构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述气流构造段机匣的进出口处各有一排预留孔，进口处预留孔用于安装涡轮叶栅、压气机叶栅或碎涡网用以流场的总压和速度的构造，出口处预留孔用于安装扰流杆或可调导叶用以来流尾迹模拟与进口气流角的调整。
4.根据权利要求1所述的构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述喇叭口段机匣的收缩曲线采用维氏曲线。
5.根据权利要求4所述的构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述维氏曲线公式如下：
Figure FDA0003703297000000021
其中：H为任意轴向位置x处截面的半径；H0为喇叭口段进口半径；Hi为喇叭口段出口半径；
Figure FDA0003703297000000022
L为中间机匣流道的轴向长度。
6.根据权利要求1所述的构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述心轴的前端和尾端各布置一个内轮毂固定环，通过螺栓与螺母的外式连接方法连接内通道整流锥和传动轴固定座。
7.根据权利要求1所述的构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述传动轴固定座通过其后端布置的周向均匀分布的后排内螺纹和螺栓连接实验段整流锥，传动轴固定座通过其前端布置的周向均匀分布的前排螺纹孔与螺栓紧固于心轴的内轮毂固定环上。
8.根据权利要求1所述的构造压气机进口流场的双通道实验装置，其特征在于所述传动轴固定座通过过盈配合安装在传动轴上，传动轴与电机连接，电机带动传动轴，实现实验段叶片的转动。
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