CN115235723A - 一种分流环防冰试验装置、系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种分流环防冰试验装置、系统及其试验方法。其中的试验装置包括：增压级内流道部件、分流环部件、增压级IGV平面叶栅部件以及引气结构，增压级内流道部件与分流环部件之间通过增压级IGV平面叶栅部件固定连接，引气结构与分流环部件相连接，增压级内流道部件、分流环部件及增压级IGV平面叶栅部件分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅的周向局部或者周向局部的展开。在所述试验系统中，冰风洞底壁固定安装增压级内流道部件，其顶壁设有孔，引气结构输气段伸出该孔外引入热气。本发明还提供该分流环防冰试验方法。本发明将分流环全环三维试验简化为二维试验，使其可以在小尺寸冰风洞中进行试验。

Description

一种分流环防冰试验装置、系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种防冰试验装置、系统及其试验方法，尤其是分流环的防冰试验装置、系统及其试验方法。

背景技术

由于云层中可能含有温度低于冰点的亚稳态过冷液态水，当飞行器穿越这些云层时，在飞行器的迎风部件表面很容易产生结冰现象。对于航空发动机部件，如帽罩、风扇叶片、进气支板及发动机传感器等，由于气流在受到发动机抽吸作用时会产生加速和降温，因此发生结冰现象的概率更大。

分流环一般位于发动机进口旋转风扇后，可将进口气流分离为外涵道气流和内涵道气流两路。由于分流环位于发动机进口位置且为静止部件，在遭遇结冰天气时，表面容易发生结冰。分流环表面发生结冰会改变原有的分流环气动外形，使发动机的工作偏离设计状态；结冰通常还会引起流道沿周向的不均匀阻塞，可能导致进气畸变或喘振；如果结冰较为严重，脱落的冰块还极有可能被吸入发动机内涵并与高速旋转的发动机叶片发生碰撞，造成发动机的结构性损伤。

由于分流环存在结冰可能性，为此需要进行防冰设计，并通过防冰性能试验，验证分流环具有足够的防冰能力。防冰性能试验需要冰风洞或者露天环境模拟分流环所处的结冰气象条件，目前的整机分流环尺寸较大，窄体客机发动机分流环直径约为1米左右，宽体客机发动机分流环直径甚至接近2米，全世界大多数冰风洞长宽均小于1米，能够完整模拟分流环结构的冰风洞屈指可数，少数冰风洞尺寸能够满足窄体客机发动机分流环全尺寸试验，但无法满足宽体客机发动机分流环全尺寸试验，且这些冰风洞内径较大，模拟真实结冰环境需要耗费巨大的资源。因此在发动机防冰性能验证中，仅仅只进行整机防冰试验，通过验证整机防冰性能满足要求间接证明分流环防冰性能满足要求。但是整机防冰试验无法观测到分流环的结冰情况，因此分流环的结防冰特性无法完全通过整机防冰试验进行验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种分流环防冰试验装置，能够在小尺寸冰风洞内模拟航空发动机真实运行环境中进行的分流环防冰试验。

本发明的另一目的是提供一种分流环防冰试验系统，其包括冰风洞和前述分流环防冰试验装置。

本发明的另一目的是提供一种分流环防冰试验方法，在小尺寸冰风洞中模拟航空发动机真实运行环境中进行的分流环防冰试验。

在一可选实施例中，该分流环防冰试验装置，用于冰风洞试验，包括增压级内流道部件、分流环部件及增压级IGV平面叶栅部件，所述增压级内流道部件与所述分流环部件之间通过所述增压级IGV平面叶栅部件固定连接，所述试验装置还包括引气结构，所述引气结构与所述分流环部件相连接；所述增压级内流道部件、所述分流环部件及所述增压级IGV平面叶栅部件分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅的周向局部或者周向局部的展开。

在一可选实施例中，所述增压级内流道部件设有安装边，用于通过焊接或者螺栓连接方式连接于冰风洞的底壁。

在一可选实施例中，所述分流环部件后部设有引起口，连接所述引气结构。

在一可选实施例中，所述引气结构分为送气段与输气段，送气段与分流环部件连接的一端设有一圈凸起，以卡扣的方式连接分流环部件。

在一可选实施例中，所述引气结构的送气段与输气段采用一体成型或分体成型卡压式连接方式连接。

在一可选实施例中，所述增压级IGV平面叶栅部件，通过焊接或者安装边螺栓连接方式连接分流环部件与增压级内流道部件，模拟增压级IGV叶片在发动机中的安装状态。

在一可选实施例中，一种分流环防冰试验系统，包括：

如前所述的分流环防冰试验装置和冰风洞，所述增压级内流道部件连接于冰风洞的底壁，所述引气结构由冰风洞顶壁的孔延伸出去，引入热气模拟分流环的防冰热气。

在一可选实施例中，所述冰风洞为矩形冰风洞。

在一可选实施例中，一种分流环防冰试验方法，用于冰风洞试验，所述方法包括步骤：

提供增压级内流道部件、分流环部件及增压级IGV平面叶栅部件，其分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅部件的周向局部或者周向局部的展开；

将增压级内流道部件固定连接于冰风洞的底壁，用于模拟真实增压级内流道；

将增压级IGV平面叶栅部件连接于增压级内流道部件与分流环部件之间，模拟真实增压级IGV叶片在发动机中的安装状态；

将引气结构一端连接分流环部件，另一端由冰风洞顶壁的孔延伸出去并将热气引入，模拟真实分流环的防冰热气；

装配完成后，模拟真实分流环运行环境，进行冰洞试验。

本发明的有益效果在于：

由于所述增压级内流道部件、所述分流环部件及所述增压级IGV平面叶栅部件分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅部件的周向局部或者周向局部的展开，可模拟分流环所处真实运行环境，无需采用全环试验验证。试验装置尺寸的减小降低了试验装置质量、降低风险、减少加工分流环试验装置所需的资源和成本，同时降低分流环防冰试验对于试验设备的要求，使其可以在小尺寸冰风洞中进行防冰试验，进一步降低试验成本，节约资源，减少试验所需的时间，并同时满足分流环防冰性能验证要求。

附图说明

下面将通过结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明可使本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势变得更加明显，其中：

图1为涡扇发动机局部剖视图；

图2为增压级内流道部件的示意图；

图3为矩形冰风洞部件的示意图；

图4为增压级内流道部件安装在冰风洞中的示意图；

图5为分流环部件的示意图；

图6为分流环引气结构的示意图；

图7为分流环部件与引气结构组装的示意图；

图8为增压级IGV平面叶栅部件的示意图；

图9为分流环防冰试验系统的示意图；

图10为分流环防冰试验系统的剖视图；

图11为分流环防冰试验系统的左视图。

附图标记：

1-风扇，2-低压压气机，21-低压压气机出口，3-高压压气机，4-燃烧室，5-高压涡轮，6-低压涡轮，7-风扇机匣，71-风扇出口，72-分流环，8-分流环部件，81-前缘环形通道，82-进口集气腔，83-引气口，9-引气结构，91-凸起，92-送气段，93-输气段，10-矩形冰风洞，101-底壁，102-顶壁，11-增压级内流道，111-底板，112-流道板，1120-增压级内流道面，12-增压级IGV平面叶栅部件。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其它实施方案。

后述实施方式通过将分流环全环三维试验简化为二维试验，使其可以在小尺寸冰风洞中进行防冰试验，该小尺寸冰风洞可为如图3所示的矩形冰风洞10，该矩形冰风洞10包括底壁101及顶壁102，用于安装试验装置。试验装置包括增压级内流道部件11、分流环部件8、增压级IGV平面叶栅部件12以及引气结构9，其分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅的周向局部或者周向局部的展开。

如图1所示，涡扇发动机包括风扇1，低压压气机2，高压压气机3，燃烧室4，高压涡轮5，低压涡轮6和风扇机匣7组成，其中高压压气机3、燃烧室4、高压涡轮5三部分统称为核心机。经过风扇1的气流在分流环72处分流，一部分空气进入低压压气机2，这部分称为内涵气流；大部分空气从核心机外壳的外环流过，称为外涵气流。内涵气流的空气经压气机压缩，在燃烧室和燃油混合燃烧，燃气经涡轮和喷管膨胀，从尾喷口高速排出，产生推力，流经路程为低压压气机2、高压压气机3、燃烧室4、高压涡轮5、低压涡轮6，最后从喷管排出。涡扇发动机的外涵气流经过风扇后经外涵道直接排入大气或同内涵燃气一起从喷管排出。涡扇发动机转换大部分的燃气能量成驱动风扇和压气机的扭矩，其余的转换成推力。

真实增压级内流道是从图1所示的风扇1的出口71到低压压气机2的出口21之间的环形面。如图2所示为增压级内流道部件11，增压级内流道部件11用于模拟真实增压级内流道，是真实增压级内流道的周向局部的直线展开，包括底板111、流道板112，底板111用于安装增压级内流道部件11，流道板112的上侧表面提供增压级内流道面1120，该增压级内流道面1120的宽度是真实的增压级内流道沿直线方向展开后的尺寸，长度与真实的增压级内流道的长度一致。底板111和流道板112是一体成型件或者分体成型后通过焊接、连接件连接。增压级内流道对分流环的结冰影响较大，因此通过模拟增压级内流道，可以模拟出航空发动机分流环所处的真实运行环境。底板111设有安装边，可通过焊接或者螺栓等固定连接方式，使内流道部件如图4所示固定连接至冰风洞的底壁101。

真实的分流环72是位于图1所示的风扇1的出口71内涵气流与外涵气流分流处的环形结构。如图5所示为分流环部件8，分流环部件8用于模拟真实分流环部件，是真实分流环的周向局部的直线展开，其宽度是真实的分流环沿周向直线方向展开后的尺寸，长度与真实的分流环的长度一致。该分流环部件8的前部包括前缘81，为防冰结构，模拟真实分流环的防冰结构；其内部为中空结构的进口集气腔82，模拟真实航空发动机的集气腔；其后部开设有引气口83，连接如图6所示的引气结构9。分流环部件8能够模拟发动机分流环整环结构，不需较大尺寸的全尺寸分流环就可完成试验，减少了加工分流环试验件所需的资源和成本。

真实的增压级IGV叶片是位于图1所示的低压压气机2进口前部的第一个固定叶片。如图8所示的增压级IGV平面叶栅部件12是采用真实的发动机叶片构成平面叶栅结构，通过焊接或者安装边螺栓连接等方式固定连接分流环部件8与增压级内流道部件11，模拟真实增压级IGV叶片在发动机中的安装状态。

在本发明的其他可选实施例中，增压级内流道部件11、分流环部件8、增压级IGV平面叶栅部件12的结构及尺寸可根据试验所用冰风洞的形状及尺寸来确定，所述增压级内流道部件11、分流环部件8、增压级IGV平面叶栅部件12并不限于是真实增压级内流道、真实分流环、真实增压级IGV叶栅的周向局部的直线展开，其还可为真实增压级内流道、真实分流环、真实增压级IGV叶栅的周向局部或周向局部的其他形式的展开。

如图6所示的引气结构9分为送气段92与输气段93，可为扁形管状，送气段92与输气段93可为垂直连接，二者可为一体成型件或分体成型采用卡压式等连接方式紧密连接，送气段92与分流环部件连接的一端设有一圈凸起91，凸起91的外缘尺寸大于引气口83的尺寸，可以卡扣的方式连接分流环部件，冰风洞顶壁102开设有与输气段93尺寸相匹配的孔，输气段93通过该孔延伸出去。如图7所示，热气通过引气结构9引入并由引气口83进入分流环部件8，模拟真实分流环的防冰热气，可很好的减少分流环防冰试验所需的引气量，减少能耗。

上述所有试验结构装配完成后，构成如图9所示的包括前述分流环防冰试验装置和冰风洞的试验系统，可以模拟真实发动机分流环运行环境。

本发明还提供一种进行分流环防冰试验的方法，其步骤包括：提供增压级内流道部件11、分流环部件8及增压级IGV平面叶栅部件12，其分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅部件的周向局部或者周向局部的展开。接下来，将增压级内流道部件11固定连接于冰风洞的底壁101，将增压级IGV平面叶栅部件12连接于增压级内流道部件11与分流环部件8之间，将引气结构9的一端连接分流环部件、另一端由冰风洞顶壁的孔延伸出去并引入热气。装配完成后，模拟分流环运行环境，进行冰洞试验。采用本方法进行试验则无需采用全环试验验证，降低成本，减少试验所需时间。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的结构和工作原理进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (9)

1.一种分流环防冰试验装置，用于冰风洞试验，其特征在于，所述试验装置包括增压级内流道部件、分流环部件及增压级IGV平面叶栅部件，所述增压级内流道部件与所述分流环部件之间通过所述增压级IGV平面叶栅部件固定连接，所述试验装置还包括引气结构，所述引气结构与所述分流环部件相连接；所述增压级内流道部件、所述分流环部件及所述增压级IGV平面叶栅部件分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅的周向局部或者周向局部的展开。

2.根据权利要求1所述的分流环防冰试验装置，其特征在于，所述增压级内流道部件设有安装边，用于通过焊接或者螺栓连接方式连接于冰风洞的底壁。

3.根据权利要求1所述的分流环防冰试验装置，其特征在于，所述分流环部件后部设有引气口，连接所述引气结构。

4.根据权利要求1所述的分流环防冰试验装置，其特征在于，所述引气结构分为送气段与输气段，送气段与分流环部件连接的一端设有一圈凸起，以卡扣的方式连接分流环部件。

5.根据权利要求4所述的分流环防冰试验装置，其特征在于，所述引气结构的送气段与输气段采用一体成型或分体成型卡压式连接方式连接。

6.根据权利要求1所述的分流环防冰试验装置，其特征在于，所述增压级IGV平面叶栅部件，通过焊接或者安装边螺栓连接方式连接分流环部件与增压级内流道部件，模拟增压级IGV叶片在发动机中的安装状态。

7.一种分流环防冰试验系统，其特征在于，包括根据权利要求1-6任一项所述的分流环防冰试验装置和冰风洞，所述增压级内流道部件连接于冰风洞的底壁，所述引气结构由冰风洞顶壁的孔延伸出去，引入热气模拟分流环的防冰热气。

8.根据权利要求7所述的分流环防冰试验系统，其特征在于，所述冰风洞为矩形冰风洞。

9.一种分流环防冰试验方法，用于冰风洞试验，其特征在于，所述方法包括步骤：

提供增压级内流道部件、分流环部件及增压级IGV平面叶栅部件，其分别为真实增压级内流道、真实发动机分流环、真实增压级IGV叶栅部件的周向局部或者周向局部的展开；

将增压级内流道部件固定连接于冰风洞的底壁，用于模拟真实增压级内流道；

将增压级IGV平面叶栅部件连接于增压级内流道部件与分流环部件之间，模拟真实增压级IGV叶片在发动机中的安装状态；

将引气结构一端连接分流环部件，另一端由冰风洞顶壁的孔延伸出去并将热气引入，模拟真实分流环的防冰热气；

装配完成后，模拟真实分流环运行环境，进行冰洞试验。

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