CN116771709A - 一种五级轴流压气机动态失速试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种五级轴流压气机动态失速试验系统，包括：试样压气机；测控模块，所述测控模块用于接收扭矩检测单元发送的扭矩信号、失速检测单元发送的失速信号、壁压检测单元发送的静压信号、稳态测量单元发送的参数信号。本发明不仅能够进行稳态特性试验，还可以进行动态流场测量，以及针对压气机各级叶片及其对流动失稳影响的研究。
Description
技术领域
本发明属于压气机试验技术领域，尤其涉及一种五级轴流压气机动态失速试验系统。
背景技术
舰船燃气轮机压气机工作的稳定性是制约我国舰船燃机变工况性能的重要因素。而对于压气机低工况流动失稳机理和匹配失衡机理认识，是改善和提升舰船燃机压气机稳定性的重要基础。相对于航空发动机压气机来说，舰船燃机的变工况特点使压气机偏离设计工况较多。而压气机低转速失稳特征与高转速失稳特征有所不同，失稳关键部位不同、流动匹配机制也有其特点。尤其是对于双转子的低压压气机来说，低转速变工况流动失稳机理和扩稳技术是解决问题的关键所在。
传统的实验中多针对单级压气机开展流动失稳机理的实验研究，但在实际的多级压气机中，变工况下的级间匹配变化同样关键，会对流动失稳机制造成影响。因此有必要对多级压气机开展实验研究，在充分认识多级压气机变工况下旋转失速初始扰动特性的基础上，研究旋转失速效应在多级压气机内部的传递过程。
同时，可调导叶也是调节多级压气机变工况匹配性能的重要技术手段和有效途径，在考虑可调导叶影响下讨论压气机的失稳问题对于进一步认识在变几何条件下，舰船燃机压气机低工况的失稳机制是必要和具有实际意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种五级轴流压气机动态失速试验系统，以解决上述问题，不仅能够进行稳态特性试验，还可以进行动态流场测量，以及针对压气机各级叶片及其对流动失稳影响的研究。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种五级轴流压气机动态失速试验系统，包括：
测控模块，所述测控模块用于接收扭矩检测单元发送的扭矩信号、失速检测单元发送的失速信号、壁压检测单元发送的静压信号、稳态测量单元发送的参数信号；
扭矩检测单元，通过外接扭矩仪对试样压气机试验过程中产生的扭矩值进行检测，得到扭矩信号；
失速检测单元，通过第一压力仪对试样压气机各级动叶进行动态压力检测以及失速发生采集，得到失速信号；
壁压检测单元，通过第二压力仪对试样压气机各级叶片进行壁面静压检测，得到静压信号；
稳态检测单元，所述稳态检测单元包括区间测量部和行程测量部，所述区间测量部通过第一流量计对试样压气机各级叶片进行流量检测，得到第一流量信号，所述行程测量部通过第二流量计对试样压气机内场流量检测，得到第二流量信号，第一流量信号、第二流量信号共同组成参数信号。
优选的，还包括：
转速调节单元，通过外接直流电机运转试样压气机，所述直流电机与试样压气机之间设置有增速组件，所述增速组件用于提升试样压气机转速；
流量调节单元，通过进气道将空气导入试样压气机并由排气道排出，所述排气道内设置有节流组件，所述节流组件用于控制所述排气道的排气量；
光学测量单元，通过激光监测仪对试样压气机运行状态下的流场进行测量，得到速度信号；
运行监测单元，通过监测传感器对试样压气机轴承的温度、振动位移和加速度进行监测。
优选的，所述第一压力仪包括设置在试样压气机各级动叶叶顶的高频压力传感器、沿各级动叶前缘周向均布的动态静压传感器、以及设置在试样压气机末级静叶出口处的动态总压传感器；
所述第二压力仪包括对应试样压气机各级叶片设置的壁面静压传感器，所述壁面静压传感器测点贴附于试样压气机的外侧壁上。
优选的，所述第一流量计包括分别设置在试样压气机进出口的梳状总温总压探针和总压耙、间隔设置在各级叶片间隙处的梳状总温总压探针；
所述第二流量计包括设置在试样压气机出口和末级静叶处的五孔探针。
优选的，所述监测传感器包括用于监测试样压气机前后轴承温度的温度传感器、用于监测轴承加速度的加速度传感器、用于监测轴承位移情况的位移传感器。
优选的，所述激光监测仪包括用于向试样压气机内传播示踪粒子的烟雾发生器，发射激光的激光探针，和设置在试样压气机末级动叶的激光测速仪，所述激光测速仪用于测量示踪粒子的速度。
优选的，所述节流组件包括设置在所述排气道内的节流阀和所述排气道出气端的蝶阀，所述节流阀与试样压气机之间还设置有排气蜗壳，所述排气蜗壳用于减小气流损失。
优选的，所述增速组件包括齿轮增速箱和联轴器，所述齿轮增速箱通过所述联轴器分别与所述直流电机和试样压气机的转轴连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明对应压气机设置试验系统，通过稳态检测单元测量压气机各分级叶片的流量参数信号，结合失速检测单元对各级动叶检测的动态压力以及失速发生情况而得出的失速信号，以及第二压力仪对各级叶片壁面静压检测而得出的静压信号，还有整体压气机的扭矩信号，利用测控模块接收上述检测各信号产生的信息，从而对压气机计算包括流量、压比、效率以及各级叶片分别的静压升系数，和压气机叶片的总静压升系数等综合数据信息，辅助试验人员判断多级叶片的动态失速影响以及对稳态数据的测量，实现针对压气机多级可调叶片及其对流动失速影响的研究。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为整体试验结构的运行流程图；
图2为压气机的结构剖视图；
图3为测量机构与压气机各级叶片的位置关系图；
其中，1、进气道；2、压气机；3、排气蜗壳；4、输出联轴器；5、齿轮增速箱；6、输入联轴器；7、直流电机；8、排气道；9、节流阀；10、排气蝶阀；11、壁面静压传感器；12、梳状总温总压探针；13、叶面压力传感器；14、动态静压传感器；15、总压耙；16、五孔探针；17、高频压力传感器；18、支板；19、动态总压传感器；20、温度传感器；21、位移传感器；22、加速度传感器。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：参照图1-图3，一种五级轴流压气机动态失速试验系统，包括：
测控模块，测控模块用于接收扭矩检测单元发送的扭矩信号、失速检测单元发送的失速信号、壁压检测单元发送的静压信号、稳态测量单元发送的参数信号；
扭矩检测单元，通过外接扭矩仪对试样压气机试验过程中产生的扭矩值进行检测，得到扭矩信号；
失速检测单元，通过第一压力仪对试样压气机各级动叶进行动态压力检测以及失速发生采集，得到失速信号；
壁压检测单元，通过第二压力仪对试样压气机各级叶片进行壁面静压检测，得到静压信号；
稳态检测单元，稳态检测单元包括区间测量部和行程测量部，区间测量部通过第一流量计对试样压气机各级叶片进行流量检测，得到第一流量信号，行程测量部通过第二流量计对试样压气机内场流量检测，得到第二流量信号，第一流量信号、第二流量信号共同组成参数信号。
需要特别说明的是，本专利中试样压气机对应五级轴流压气机，以下均指代为压气机2，其具有可调导叶，且可调导叶的转角范围±15°，流道机匣外径550mm，具有设计转速6000rpm，设计流量13kg/s，最高流量可达15kg/s，且为鼓盘式结构，轮盘采用齿封结构。
本发明对应压气机2设置试验系统，通过稳态检测单元测量压气机2各分级叶片的流量参数信号，结合失速检测单元对各级动叶检测的动态压力以及失速发生情况而得出的失速信号，以及第二压力仪对各级叶片壁面静压检测而得出的静压信号，还有整体压气机2的扭矩信号，利用测控模块接收上述检测各信号产生的信息，从而对压气机2计算包括流量、压比、效率以及各级叶片分别的静压升系数，和压气机2叶片的总静压升系数等综合数据信息，辅助试验人员判断多级叶片的动态失速影响以及对稳态数据的测量，实现针对压气机2多级可调叶片及其对流动失速影响的研究。
进一步的，还包括：
转速调节单元，通过外接直流电机7运转试样压气机，直流电机7与试样压气机之间设置有增速组件，增速组件用于提升试样压气机转速；
流量调节单元，通过进气道1将空气导入试样压气机并由排气道8排出，排气道8内设置有节流组件，节流组件用于控制排气道8的排气量；
光学测量单元，通过激光监测仪对试样压气机运行状态下的流场进行测量，得到速度信号；
运行监测单元，通过监测传感器对试样压气机轴承的温度、振动位移和加速度进行监测。
可以理解的，速度信号以及通过监测传感器监测的轴承信息均通过测控模块接收，本技术方案测控模块为电脑，通过电脑中的信息处理器接收信号后并进行运算得出试验数据，并且电脑接收各类信号后进行对应数据运算的方式为现有技术，不做过多陈述。
进一步的，第一压力仪包括设置在试样压气机各级动叶叶顶的高频压力传感器17、沿各级动叶前缘周向均布的动态静压传感器14、以及设置在试样压气机末级静叶出口处的动态总压传感器19；
第二压力仪包括对应试样压气机各级叶片设置的壁面静压传感器11，壁面静压传感器11测点贴附于试样压气机的外侧壁上。
本技术方案中，需要特别说明的，壁面静压传感器11对应各级叶片设置具体指代的是用于对各级叶片进行静压检测，在检测只需贴附在压气机2外壁即可，失速测量主要包括各个动叶叶顶布置的高频压力传感器17阵列，以及在各级动叶前缘周向均布的至少四个动态静压传感器14，从而对叶顶失速信号的发展以及传播进行捕捉。
并且静叶表面还有布置有叶面压力传感器13能够对进行静叶表面动态压力测量，通过将动态总压传感器19设置在最末级静叶出口处，进行静叶角区失速进行的动态采集。
其中，高速数据采集频率为100kHz，可实现最高32路信号的同步采集。通过测控模块(图中未示出)将稳态信号以及失速信号采集集成到同一平台，实现压气机2试验测量的全部功能。
进一步的，第一流量计包括分别设置在试样压气机进出口的梳状总温总压探针12和总压耙15、间隔设置在各级叶片间隙处的梳状总温总压探针12；
第二流量计包括设置在试样压气机出口和末级静叶处的五孔探针16。
本技术方案中的稳态测量主要是通过梳状总温总压探针12和总压耙15，并结合着在压气机2各级叶片的两侧均分布的壁面静压传感器11检测的信号通过计算完成测量，在压气机2各级叶片中包括间隔设置的若干静叶和若干动叶，参照图3可知相邻两梳状总温总压探针12之间分布有至少一动叶和一静叶，利用进出口梳状总温总压探针12计算总压比，流量的测量则通过间隔设置在各级叶片上的梳状总温总压探针12结合大气温度和压力计算得知；
而当对压气机2上的各级叶片分别进行对应的静压升系数测量时，只需通过对应叶片前端的梳状总温总压探针12与其后端的壁面静压传感器11配合即可计算得出，例如，将压气机2动叶和静叶按首尾分级并依次标记为R1-R5和S1-S5，当计算动叶R1的静压升通过其进气口梳状总温总压探针12与排气口的壁面静压传感器11计算即可得出，并且可以理解的，通过各级叶片与壁面静压传感器11和总温总压探针间隔分布，根据需要可直接计算相邻动叶和静叶(如S3R4或S4R5等)共同产生的静压升系数，以及仅针对全部动叶或全部静叶进行测量计算的静压升系数，从而有效增加了试验数据测量的信息量，提高了试验精确度和试验的适应范围。
进一步的，监测传感器包括用于监测试样压气机前后轴承温度的温度传感器20、用于监测轴承加速度的加速度传感器22、用于监测轴承位移情况的位移传感器21。
在压气机2转轴的轴承处设置有温度传感器20、位移传感器21和加速度传感器22，用于监测动力轴运行情况，保障试验的安全性。
进一步的，激光监测仪包括用于向试样压气机内传播示踪粒子的烟雾发生器，发射激光的激光探针，和设置在试样压气机末级动叶的激光测速仪，所述激光测速仪用于测量示踪粒子的速度。
本技术方案中激光测速仪为激光多普勒测速仪，通过在位于试样压气机相距出气口最近的动叶上方设置光学测量窗口，可以使用激光多普勒测速仪LDV对靠近出气口的动叶的叶顶流场进行非接触测量；由于试样压气机内部空间的限制，在光学测量窗口后布置LDV激光探针孔，将LDV激光探针伸入流道内，由进气口释放示踪粒子DEHS，从而进行光学试验测量。
进一步的，节流组件包括设置在排气道8内的节流阀9和排气道8出气端的蝶阀，节流阀9与试样压气机之间还设置有排气蜗壳3，排气蜗壳3用于减小气流损失。
空气直接沿轴向通过进气道1的喇叭口及整流锥进入，经过排气道8内的前整流板后进入压气机2，通过压气机2后从出口排出；为了改变压气机2出口气流方向以及高度以便顺畅地进入排气道8中，在压气机2出口设置排气蜗壳3，在其进口设置支板18，减小流动损失，压气机2动力源由直流电机7提供，经过增速齿轮增速箱5后为压气机2提供合适的转速，空气经过压气机2后，排出气体通过支板18进入排气蜗壳3转变气流方向和高度，进入排气道8，在排气道8中间布置的节流阀9能够调节压气机2流量大小，从而实现压气机2在各转速特性线上的移动，最后通过排气蝶阀10排出，排气蝶阀10始终保持最大开度。
进一步的，增速组件包括齿轮增速箱5和联轴器，齿轮增速箱5通过联轴器分别与直流电机7和试样压气机的转轴连接。
联轴器包括输入联轴器6和输出联轴器4，并且本技术方案中在输入联轴器6上安装扭矩仪(图中未示出)，从而监测扭矩的动态变化，直流电机7装有光电编码器实现电机转速测量，通过计算得到压气机2对应转速。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于，包括：
测控模块，所述测控模块用于接收扭矩检测单元发送的扭矩信号、失速检测单元发送的失速信号、壁压检测单元发送的静压信号、稳态测量单元发送的参数信号；
扭矩检测单元，通过外接扭矩仪对试样压气机试验过程中产生的扭矩值进行检测，得到扭矩信号；
失速检测单元，通过第一压力仪对试样压气机各级动叶进行动态压力检测以及失速发生采集，得到失速信号；
壁压检测单元，通过第二压力仪对试样压气机各级叶片进行壁面静压检测，得到静压信号；
稳态检测单元，所述稳态检测单元包括区间测量部和行程测量部，所述区间测量部通过第一流量计对试样压气机各级叶片进行流量检测，得到第一流量信号，所述行程测量部通过第二流量计对试样压气机内场流量检测，得到第二流量信号，第一流量信号、第二流量信号共同组成参数信号。
2.根据权利要求1所述的五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于，还包括：
转速调节单元，通过外接直流电机(7)运转试样压气机，所述直流电机(7)与试样压气机之间设置有增速组件，所述增速组件用于提升试样压气机转速；
流量调节单元，通过进气道(1)将空气导入试样压气机并由排气道(8)排出，所述排气道(8)内设置有节流组件，所述节流组件用于控制所述排气道(8)的排气量；
光学测量单元，通过激光监测仪对试样压气机运行状态下的流场进行测量，得到速度信号；
运行监测单元，通过监测传感器对试样压气机轴承的温度、振动位移和加速度进行监测。
3.根据权利要求1所述的五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于：所述第一压力仪包括设置在试样压气机各级动叶叶顶的高频压力传感器(17)、沿各级动叶前缘周向均布的动态静压传感器(14)，以及设置在试样压气机末级静叶出口处的动态总压传感器(19)；
所述第二压力仪包括对应试样压气机各级叶片设置的壁面静压传感器(11)，所述壁面静压传感器(11)测点贴附于试样压气机的外侧壁上。
4.根据权利要求1所述的五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于：所述第一流量计包括分别设置在试样压气机进出口的梳状总温总压探针(12)和总压耙(15)、间隔设置在各级叶片间隙处的梳状总温总压探针(12)；
所述第二流量计包括设置在试样压气机出口和末级静叶处的五孔探针(16)。
5.根据权利要求2所述的五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于：所述监测传感器包括用于监测试样压气机前后轴承温度的温度传感器(20)、用于监测轴承加速度的加速度传感器(22)、用于监测轴承位移情况的位移传感器(21)。
6.根据权利要求2所述的五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于：所述激光监测仪包括用于向试样压气机内传播示踪粒子的烟雾发生器，发射激光的激光探针，和设置在试样压气机末级动叶的激光测速仪，所述激光测速仪用于测量示踪粒子的速度。
7.根据权利要求2所述的五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于：所述节流组件包括设置在所述排气道(8)内的节流阀(9)和所述排气道(8)出气端的蝶阀，所述节流阀(9)与试样压气机之间还设置有排气蜗壳(3)，所述排气蜗壳(3)用于减小气流损失。
8.根据权利要求2所述的五级轴流压气机动态失速试验系统，其特征在于：所述增速组件包括齿轮增速箱(5)和联轴器，所述齿轮增速箱(5)通过所述联轴器分别与所述直流电机(7)和试样压气机的转轴连接。
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