CN115560945B - 一种多模式变雷诺数叶栅风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式变雷诺数叶栅风洞，包括风洞主体；气源系统，向所述风洞主体提供实验用气；进气调节系统，连接于所述气源系统和所述风洞主体之间以调节所述风洞主体的进气压力；实验舱，其内部设有连接所述风洞主体且供叶栅安装测试的试验段；抽吸系统，分别连接所述实验舱和所述试验段；排气系统，包括连接所述实验舱的排气管道、设于所述排气管道的开式排气口的开式排气切换阀和设于所述排气管道的闭式换气口的闭式换气切换阀，所述开式排气口连接大气，所述闭式换气口连接所述气源系统。上述多模式变雷诺数叶栅风洞能够分别进行开式和闭式模式运行的切换，满足压气机叶栅和涡轮叶栅变雷诺数测量的需求。

Description

一种多模式变雷诺数叶栅风洞

技术领域

本发明涉及航空发动机与燃气轮机叶轮机械部件气动性能试验领域，特别涉及一种多模式变雷诺数叶栅风洞。

背景技术

叶栅实验作为现代燃气轮机、航空发动机等叶轮机械设计研发过程中重要的一环，其内容包括压气机叶栅实验和涡轮叶栅实验两类。

叶栅实验是研究叶轮机械流动过程最简单、最基本的实验方法，抓住了叶轮机械通过叶片将气体周向折转这一本质。叶栅的来流气流条件主要包括马赫数、雷诺数、湍流度等。目前常规叶型性能测试中，对雷诺数变化导致叶栅性能的变化远低于马赫数变化的关注。于常规叶栅实验而言，通常采用开式运行，流速变化后，马赫数和雷诺数同步变化，当实验时遇到叶表流动处于转捩区间内，由于无法进一步独立调节雷诺数和马赫数，得到的实验结果会与湍流自模化区内的流动规律有较大区别。目前对于叶栅变雷诺数性能研究尚处于较低水平，且具有变雷诺数功能的叶栅风洞较为稀缺。现有风洞不能兼顾开式运行和闭式运行模式，无法满足压气机叶栅和涡轮叶栅变雷诺数测量的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多模式变雷诺数叶栅风洞，该风洞能够分别进行开式模式和闭式模式的运行及切换，满足压气机叶栅和涡轮叶栅变雷诺数测量的需求。

为实现上述目的，本发明提供一种多模式变雷诺数叶栅风洞，包括：

风洞主体；

气源系统，向所述风洞主体提供实验用气；

进气调节系统，连接于所述气源系统和所述风洞主体之间以调节所述风洞主体的进气压力；

实验舱，其内部设有连接所述风洞主体且供叶栅安装测试的试验段；

抽吸系统，分别连接所述实验舱和所述试验段；

排气系统，包括连接所述实验舱的排气管道、设于所述排气管道的开式排气口的开式排气切换阀和设于所述排气管道的闭式换气口的闭式换气切换阀，所述开式排气口连接大气，所述闭式换气口连接所述气源系统。

可选地，还包括用以向所述试验段充气的次流系统。

可选地，所述试验段包括试验段壳体和用以装设并调整叶栅位置的试验段圆盘，所述试验段壳体设有连接所述风洞主体的试验段进气口、对称设于所述试验段进气口两侧的上壁板和下壁板、及对称设于所述试验段进气口两侧的上驻室和下驻室，所述上驻室设有上驻室抽吸管路，所述下驻室设有下驻室抽吸管路。

可选地，所述气源系统包括依次连接的鼓风机、冷却器和储气罐。

可选地，所述排气管道设有连接所述实验舱的轴向排气口的第一进气管和连接所述实验舱的侧向排气口的第二进气管。

可选地，所述闭式换气口的一侧还连接有开式进气口，所述开式进气口设有开式进气切换阀。

可选地，所述风洞主体包括依次连接的膨胀节、扩散段、稳定段、收缩段和喷管段。

可选地，所述次流系统包括压缩机、连接所述压缩机的缓冲罐和连接所述缓冲罐并分别向所述试验段、所述实验舱及所述风洞主体的充气密封垫充气的三支供气支路。

可选地，所述抽吸系统包括抽气机、连接所述抽气机的真空罐、连接于所述真空罐与所述试验段之间的第一抽气支路、以及连接于所述真空罐与所述实验舱之间的第二抽气支路。

可选地，还包括用以监测预设位置的气体流量、温度和压力的监测系统，以及连接所述气源系统、所述进气调节系统、所述实验舱、所述试验段、所述排气系统、所述抽吸系统和所述次流系统以调节所述试验段和所述实验舱的进气/排气的控制系统。

相对于上述背景技术，本发明所提供的多模式变雷诺数叶栅风洞由气源系统和进气调节系统向风洞主体供气，以便借助设置风洞主体出风口的试验段和实验舱对叶栅的动力性能进行检测，通过抽吸系统和排气系统调节试验段及实验舱压力/流速。当需要进行开式模式运行时，关闭排气管道的闭式换气切换阀，打开开式排气切换阀，将气体排向大气；当需要进行闭式模式运行时，调节关闭开式排气切换阀，打开闭式换气切换阀，将气体输向气源系统实现闭式循环，借助叶栅风洞的多种模式满足压气机叶栅和涡轮叶栅变雷诺数的测量需求。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的多模式变雷诺数叶栅风洞的系统图；

图2为气源系统的示意图；

图3为试验段的结构示意图；

图4为抽吸系统的示意图；

图5为次流系统的示意图；

图6为排气系统的示意图；

图7为监测系统的框架示意图；

图8为开式模式运行的流程图；

图9为闭式模式运行的流程图。

其中：

1-气源系统、11-鼓风机、12-截止阀一、13-冷却器、14-截止阀二、15-储气罐；2-进气调节系统、21-进气调压阀；3-风洞主体、31-膨胀节、32-扩散段、33-稳定段、34-收缩段、35-喷管段；4-实验舱；5-试验段、501-试验段进气口、502-上壁板、503-上驻室、504-上驻室抽吸管路、505-上壁尾板、506-试验段圆盘、507-上挡板、508-上节流器、509-栅后流场参数测量槽、510-下节流器、511-下挡板、512-下壁尾板、513-试验段壳体、514-下驻室抽吸管路、515-下驻室、516-下壁板；6-抽吸系统、61-抽气机、62-截止阀三、63-真空罐、64-补气调压阀一、65-抽气调节阀一、66-流量计一、67-补气调压阀二、68-抽气调节阀二；7-次流系统、71-压缩机、72-截止阀四、73-缓冲罐、74-流量计三、75-抽吸补气调节阀、76-手动截止阀、77-手动减压阀、78-截止阀五、79-干燥机；8-排气系统、81-排气管道、82-第一进气管、83-第二进气管、84-开式排气口、85-开式排气切换阀、86-闭式换气口、87-闭式换气切换阀、88-开式进气口、89-开式进气切换阀；9-监测系统、91-流量计、92-温度探针、93-压力探针、94-采集模块、95-数据交换机、96-数据终端；10-控制系统。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

风洞(wind tunnel)，是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。

雷诺数的定义Re＝ρvd/μ(其中ρ为密度，v为特征速度，d为特征尺寸，μ为动力粘度)，对于气流流经叶栅时，其主要影响因素有3个：气流密度、气流速度和叶片尺寸，动力粘度的变化幅度较前三者较小，视为次要因素进行忽略。

雷诺数变化的现实意义如下：飞行器高空飞行时，处于低密度环境，使得发动机叶片机中的弦长雷诺数处于较低的水平，特别是低压涡轮，是航空发动机雷诺数水平最低的部件，容易使得流动从湍流变为层流，从而过早发生层流边界层分离现象，劣化流动性能。压气机在低转速工作条件下，压力水平及速度水平较低，此时为低雷诺数状态，流动损失增加，压气机裕度下降。叶轮机械系列化设计过程中，容易遇到缩尺寸模化的情况，这时候由于特征尺寸的减小，会使得雷诺数下降，亦需要在设计过程中考虑尺寸因素对雷诺数的影响，以便研究在雷诺数变化时叶栅的动力学性能。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图9，图1为本发明实施例所提供的多模式变雷诺数叶栅风洞的系统图，图2为气源系统1的示意图，图3为试验段5的结构示意图，图4为抽吸系统6的示意图，图5为次流系统7的示意图，图6为排气系统8的示意图，图7为监测系统9的框架示意图，图8为开式模式运行的流程图，图9为闭式模式运行的流程图。

本发明所提供的多模式变雷诺数叶栅风洞包括气源系统1、进气调节系统2、风洞主体3、实验舱4、试验段5、抽吸系统6、次流系统7和排气系统8。其中气源系统1连接进气调节系统2，通过进气调节系统2向风洞主体3提供稳定压力的气流。风洞主体3的出风口连接试验段5，试验段5设置在实验舱4内，由实验舱4为试验段5提供封闭空间，以便调整在试验段5中叶栅的环境压力。

抽吸系统6的抽气口分别连接试验段5和实验舱4，调节试验段5和实验舱4的压力，次流系统7连接试验段5和实验舱4，用于向试验段5和实验舱4内分别充气/补气，配合抽吸系统6调节试验段5和实验舱4的工作压力。排气系统8连接实验舱4的出气口，将风洞主体3吹向叶栅的气体排出。当需要进行开式模式运行时，关闭排气管道81的闭式换气切换阀87，打开开式排气切换阀85，将气体排向大气；当需要进行闭式模式运行时，调节关闭开式排气切换阀85，打开闭式换气切换阀87，将气体输向气源系统1实现闭式循环，借助叶栅风洞的多种模式满足压气机叶栅和涡轮叶栅变雷诺数的测量需求。

风洞主体3包括依次连接的膨胀节31、扩散段32、稳定段33、收缩段34和喷管段35，其主要作用是接收来自气源系统1和进气调节系统2的气流并在喷管段35处产生向试验段5和实验舱4喷出预设速度(马赫数)和预设压力的气流，以研究马赫数、雷诺数对叶栅的气动性能的影响，具体结构可参考图1及现有风洞设置。

实验舱4是用于满足高空负压条件的密闭容腔，容腔内用于安装试验段5。收缩段34与喷管段35、喷管段35与实验舱4之间均采用充气密封垫密封。试验段5用于安装固定试验件(叶栅)，同时具有调整叶栅进口攻角的作用，满足测试需求。试验段5的布设如图1和图3所示，试验段5主要包括试验段壳体513、试验段圆盘506、上驻室503、下驻室515、上壁板502、下壁板516、上驻室抽吸管路504、下驻室抽吸管路514、上壁尾板505、下壁尾板512、上挡板507、下挡板511、上节流器508、下节流器510、栅后流场参数测量槽509、及调节机构、试验栅板、测试探针及位移机构等，上壁板502和下壁板516、上驻室503和下驻室515等均关于试验段进气口501的上下两侧对称设置。风洞主体3的出风口也即喷管段35连接试验段壳体513的试验段进气口501，通过转动试验段圆盘506调节叶栅的位姿，上挡板507和下挡板511等用于调节气流方向；借助次流系统7和抽吸系统6以调节上驻室503、下驻室515和侧壁附面层的抽吸压力，并保证流场品质，图3中，a表示侧壁附面层的抽吸位置，b表示装设在试验段圆盘506上的叶栅。

其中，气源系统1采用鼓风机11供气，为模拟高空飞行的低温环境，鼓风机11的出风口设置冷却气流的冷却器13。如图1和图2所示，鼓风机11经管路连接冷却器13换热降温，将满足温度需求的气流输送至储气罐15储存和缓冲，由储气罐15输向进气调节系统2，储气罐15和进气调节系统2之间设置控制气流通断的截止阀。鼓风机11和冷却器13之间设置节流阀一，鼓风机11和储气罐15设置有和冷却器13并联的旁路，旁路设置截止阀二14，当需要常温进气时，可关闭截止阀一12，开启截止阀二14。进气调节系统2主要通过进气调压阀21调节进气压力，控制风洞主体3的稳定段33的压力以维持风洞主体3的运行。风洞主体3运行过程中，随着气源压力的下降，通过控制调压阀的开度，以保证稳定段33内气流压力未定在某一运行压力值。

如图1、图3和图6所示，实验舱4设有轴向排气口和侧向排气口，排气系统8包括排气管道81，排气管道81设有第一进气口、第二进气口、开式排气口84和闭式换气口86，开式排气口84设置开式排气切换阀85，闭式换气口86设有闭式换气切换阀87且闭式换气口86与气源系统1的鼓风机11进风口连接。第一进气口和第二进气口垂直设置，第一进气口连接于实验舱4的轴向排气口，第二进气口连接于实验舱4的一组侧向排气口；第一进气口与开式排气口84直通，通过切换开式排气切换阀85和闭式换气切换阀87的开启和关闭调节该叶栅风洞的运行模式，借助实验舱4的轴向和侧向排气，适应宽广排气角度的叶栅排气需求，减小排气损失以及排气回流对叶栅流场的影响。进一步地，闭式换气口86一侧还设有开式进气口88，开式进气口88设置开式进气切换阀89，开式进气口88和闭式换气口86并联至闭式换气切换阀87处。闭式换气口86用于实验舱4排气和鼓风机1进气，根据运行模式及实验舱4的压力需求调整闭式换气切换阀87，根据运行模式和鼓风机1的进气需求调节开式进气切换阀89的开启或关闭。

抽吸系统6的设置可参考图1和图4，抽吸系统6包括抽气机61、连接抽气机61的真空罐63、连接在真空罐63与试验段5的上驻室503、下驻室515及侧壁附面层抽吸位置的第一抽气支路、以及连接在真空罐63与实验舱4侧部排气口的第二抽气支路。通过对试验段5的上驻室503、下驻室515和侧壁附面层进行抽吸，应用于扩压平面叶栅实验；对上驻室503和下驻室515的抽吸得到稳定的跨声速流场，对侧壁附面层抽吸有助于减小附面层厚度，削弱壁面对流场的干扰。而对实验舱4抽吸满足高空条件下闭式运行所需要的压力条件。

在上述实施例中，抽气机61和真空罐63之间设置截止阀三62，当真空罐63的真空度下降不满足抽吸需求时才打开截止阀三62启动抽气机61；真空罐63还连接补气调压阀，以快速调节真空罐63的真空度，调节试验段5及实验舱4的压力。第一抽气支路设置抽气调节阀一65和流量计一66，第二抽气支路设置抽气调节阀二68和流量计二。第二抽气支路进一步连接补气调压阀二67。通过补气调压阀降低对实验舱4的抽吸力，调节实验舱4压力。

次流系统7的设置则是为了满足涡轮平面叶栅冷却实验、闭式循环超声速实验运行所需的干燥气、对充气密封垫进行供气以及在试验过程中对实验舱4进行充气和补气。其具体设置可参考图1和图5，次流系统7包括供气的压缩机71，连接压缩机71的缓冲罐73和连接缓冲罐73的三条供气支路，三条供气支路中的一条连接于实验舱4，其设有手动截止阀76和手动减压阀77，用来向实验舱4充气补气；一条连接在收缩段34与喷管段35之间及喷管段35与试验段5之间的充气密封垫，其设有手动截止阀76和手动减压阀77，用来向充气密封垫充气；第三条设置流量计三74和抽吸补气调节阀75，用于向试验段5补气和冷却叶栅。

压缩机71的出气口还连接干燥机79，压缩机71和缓冲罐73之间设置截止阀四72，压缩机71和干燥机79之间设置截止阀五78，通过向干燥机79输气经干燥机79干燥后供给储气罐15，以提供闭式循环超声速实验所需的干燥气体。在不同对应运行模式下，可通过调节截止阀四72、截止阀五78、抽吸补气调节阀75、手动截止阀76和手动减压阀77的开闭状态即可。

为优化上述实施例，本发明所提供的多模式变雷诺数叶栅风洞进一步包括用来监测叶栅风洞的运行状态的监测系统9以及根据监测到的气体流量、温度、压力和流速等参数调节试验段5和实验舱4进气和排气以达到目标工况的控制系统10。监测系统9为三层构架系统，包括数据源层、数据中间层和数据终端96层，数据源层包括流量计91、温度探针92和压力探针93等检测传感器，检测传感器设置在预设监测位；数据中间层包括采集模块94和数据交换机95，采集模块94采集检测传感器的检测信息通过数据交换机95传递给数据终端96层，数据终端96层为计算机。

控制系统10连接气源系统1、气源调节系统、实验舱4、试验段5、次流系统7、排气系统8和抽吸系统6的阀门及设备如鼓风机11和压缩机71等的电源开关，实现对进气调节系统2、抽吸系统6、次流系统7及排气系统8等的操控。控制终端为连接数据交换机95的计算机，以便根据传感器监测参数调整系统运行，主要实现如下功能：

电源控制，为气源系统1的鼓风机11、次流系统7的压缩机71、抽吸系统6的抽气机61、全部电动阀以及试验段5上节流板等运行提供稳定的交直流电源；自动调节对应阀门开度，通过冷热气的掺混实现气源供气温度的自动调节；通过调整进排气和抽补气维持目标位置的压力、温度等参数，当目标位置超过设定参数时进行系统故障报警及安全保护。

上述多模式变雷诺数叶栅风洞的开式运行模式的实验流程及闭式运行模式的实验流程分别如图8和图9所示。

开式运行模式：

1、在上位机界面实验舱4部分调节试验段圆盘506角度、上节流板、下节流板、上挡板507及下挡板511位置；

2、检查测试、控制系统10状态，确保风洞系统运行正常；

3、关闭闭式换气切换阀87，打开开式排气切换阀85；

4、打开进气调压阀21；

5、在上位机界面鼓风机11部分设定出口压力，启动鼓风机11。鼓风机11将自动切换大气进气，并运行自动恒压排气模式，确保出口压力稳定。

6、在稳压段界面设定进气压力，系统将根据设定压力和实际反馈压力自动控制进气调压阀21，保证稳压段压力满足要求；

7、根据试验内容进行试验，并采集数据；

8、试验完毕，停止鼓风机11，待管路气体放出后，关闭对应管路阀门。

闭式运行模式：

1、在上位机界面实验舱4部分调节试验段圆盘506角度、上节流、下节流板、上挡板507及下挡板511位置；

2、检查测试、控制系统10状态，确保风洞系统运行正常

3、关闭开式排气切换阀85，打开闭换气切换阀；

4、打开抽吸系统6的截止阀三62；

5、设定真空罐63的压力值，启动抽气机61；系统根据真空罐63的实际压力将自动调节真空罐63的补气调压阀一64和抽吸管路的补气调压阀二67；当真空罐63压力低于设定压力时，开大补气调压阀一64和补气调压阀二67，让大气进入抽吸管路和真空罐63；

6、打开抽吸系统6抽气调节阀二68，对实验舱4进行抽吸至一定负压；

7、启动压缩机71、干燥机79，对储气罐15充入干燥空气；

8、打开次流系统7的抽吸补气调节阀75；对系统补充干燥气；

9、设定实验舱4压力值，预设抽气调节阀二68和抽吸补气调节阀75的阀位，PID自动控制抽吸压力，使得实验舱4压力达到负压条件并稳定；

10、打开进气调压阀21，启动鼓风机11，通过自动调节鼓风机11的进口导叶、鼓风机11转速使鼓风机11流量和叶栅试验流量匹配；

11、根据稳压段进气压力要求，自动控制进气调压阀21；

12、根据试验内容进行试验，并采集数据；

13、试验完毕，停止鼓风机11，待管路气体放出后，关闭管路阀门。

本发明所提供的多模式变雷诺数叶栅风洞既能实现开式模式运行，又能实现闭式模式运行，方便独立调节雷诺数和马赫数，满足压气机叶栅和涡轮叶栅变雷诺数测量的需求。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的多模式变雷诺数叶栅风洞进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种多模式变雷诺数叶栅风洞，其特征在于，包括：

风洞主体；

气源系统，向所述风洞主体提供实验用气；

进气调节系统，连接于所述气源系统和所述风洞主体之间以调节所述风洞主体的进气压力；

实验舱，其内部设有连接所述风洞主体且供叶栅安装测试的试验段；

抽吸系统，分别连接所述实验舱和所述试验段；

排气系统，包括连接所述实验舱的排气管道、设于所述排气管道的开式排气口的开式排气切换阀和设于所述排气管道的闭式换气口的闭式换气切换阀，所述开式排气口连接大气，所述闭式换气口连接所述气源系统；

所述风洞主体包括依次连接的膨胀节、扩散段、稳定段、收缩段和喷管段，所述喷管段用于向所述试验段和所述实验舱喷出预设速度和预设压力的气流；

所述气源系统包括依次连接的鼓风机、冷却器和储气罐，所述储气罐与所述进气调节系统连通；

还包括用以向所述试验段充气的次流系统；

所述试验段包括试验段壳体、用以装设并调整叶栅位置的试验段圆盘和用以调节气流方向的上挡板、下挡板，所述试验段壳体设有连接所述风洞主体的试验段进气口、对称设于所述试验段进气口两侧的上壁板和下壁板、及对称设于所述试验段进气口两侧的上驻室和下驻室，所述上驻室设有上驻室抽吸管路，所述下驻室设有下驻室抽吸管路，所述次流系统和所述抽吸系统可作用以调节所述上驻室、所述下驻室和侧壁附面层的抽吸压力；

所述次流系统包括压缩机、连接所述压缩机的缓冲罐和连接所述缓冲罐并分别向所述试验段、所述实验舱及所述风洞主体的充气密封垫充气的三支供气支路，所述三支供气支路中的一支与所述实验舱连通；

所述实验舱为用于安装所述试验段的密闭容腔，可满足高空负压条件；

所述闭式换气口用于所述实验舱排气和所述鼓风机进气，所述闭式换气口的一侧还连接有开式进气口，所述开式进气口设有开式进气切换阀，所述开式进气口、所述闭式换气口并联至所述闭式换气切换阀处。

2.根据权利要求1所述的多模式变雷诺数叶栅风洞，其特征在于，所述排气管道设有连接所述实验舱的轴向排气口的第一进气管和连接所述实验舱的侧向排气口的第二进气管。

3.根据权利要求1所述的多模式变雷诺数叶栅风洞，其特征在于，所述抽吸系统包括抽气机、连接所述抽气机的真空罐、连接于所述真空罐与所述试验段之间的第一抽气支路、以及连接于所述真空罐与所述实验舱之间的第二抽气支路。

4.根据权利要求1-3任一项所述的多模式变雷诺数叶栅风洞，其特征在于，还包括用以监测预设位置的气体流量、温度和压力的监测系统，以及连接所述气源系统、气源调节系统、所述实验舱、所述试验段、所述排气系统、所述抽吸系统和所述次流系统以调节所述试验段和所述实验舱的进气/排气的控制系统。