CN107762955B - 旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台和试验方法 - Google Patents

旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台和试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台和试验方法,包括依次设置的旋流发生器、进气管道、整流罩、轴流压气机、排气管道、节流阀和第一驱动电机;通过调整旋流发生器内两个调节板的旋转角度,实现进气管道内同向单涡、反向单涡、对涡这三种典型旋流结构的切换;通过第二驱动电机控制离心压气机的转速,实现进气管道内旋流的强度控制;对比均匀进气和旋流进气条件下轴流压气机的工作特性,获得旋流对轴流压气机性能和稳定性的影响。本发明结构简单,操作方便,安全可靠,通过在压气机进口模拟不同强度、结构形式的旋流,便于开展不同形式旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验,探索旋流影响压气机性能和稳定性的机理和规律。

Description

旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台和试验方法
技术领域
本发明涉及一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台和试验方法,属于叶轮机械技术领域。
背景技术
航空发动机除了受到总压、总温不均匀的影响外,还会受到旋流的影响。对于战斗机而言,旋流是由于S弯进气道的采用,使得气流进入进气道后至少面临两次转弯,造成气流的横向二次流动,最终发展成为三维旋涡流动。旋流一般包括单涡和双涡两种类型。旋流对航空发动机性能和稳定性有较大的影响,随着转速的增加,旋流降低稳定裕度的程度增大;旋流导致推力降低、耗油率增加;旋流对航空发动机影响很大的主要原因是其会明显改变压气机的工作点和稳定边界;低压压气机在同向单涡影响下的效率和总压比均高于反向单涡的情况。目前国内外尚没有专门用于研究旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验平台。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台和试验方法,具有结构简单、操作方便、安全可靠等特点,能够方便的在压气机进口模拟不同强度、结构形式的旋流,不用停机就可以开展不同形式旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验。
技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台,包括从前到后依次设置的进气管道、整流罩、轴流压气机、排气管道、节流阀、第一驱动电机,且进气管道的进气口一侧底部设置有旋流发生器;
其中,所述旋流发生器包括第二驱动电机、离心压气机以及用于连通离心压气机出气蜗壳和进气管道的发生器转接段,且第二驱动电机的输出轴与离心压气机的转轴相连,通过第二驱动电机实现离心压气机的转速控制;所述发生器转接段为一段竖直扁平管道,其底部进气口与出气蜗壳的出气口连通,且顶部与进气管道弧形壁面连通;所述发生器转接段的进气口处设置有第一矩形调节板和第二矩形调节板,两者初始水平对称布置且一端相互铰接,且发生器转接段内设置有与第一矩形调节板和第二矩形调节板连接于同一点的竖直支撑板,起到支撑和稳定气流的作用;
所述进气管道通过轴流压气机与排气管道连通,且进气管道内轴流压气机前端设置有用于光滑过渡气流的整流罩,整流罩通过支杆固定在轴流压气机前端的机匣上;
所述排气管道的排气口处设置有液压式节流阀,且排气管道尾端设置有节流阀液压控制***,通过节流阀液压控制***来调节节流阀沿排气管道的轴向位置,以实现轴流压气机的流量控制;所述第一驱动电机的输出轴与轴流压气机的转轴相连,通过第一驱动电机实现轴流压气机的转速控制。
优选的,所述进气管道的进气口呈喇叭形,从而提高进气管道的进气效果。
优选的,所述节流阀的截面呈三角形,通过调节节流阀沿排气管道的轴向位置来改变节流阀锥面与排气管道壁面之间的流通面积,从而调节轴流压气机的流量。
一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验方法,包括以下步骤:
步骤一:准备工作
将第一矩形调节板和第二矩形调节板旋转至设定位置,并通过节流阀液压控制***调整排气管道的节流阀位置,使排气口处于完全打开状态;
步骤二:变量控制
启动第一驱动电机,并通过第一驱动电机实现轴流压气机的转速控制;通过第二驱动电机实现离心压气机的转速控制,以实现进气管道内旋流的强度控制,并通过调整第一矩形调节板和第二矩形调节板的旋转角度,实现进气管道内同向单涡、反向单涡、对涡这三种典型旋流结构的切换;
步骤三:参数测量
采用稳态压力测量***(如美国生产的DTC net压力扫描阀***)测量进气管道的进气口静压,采用动态压力测量仪(如比利时生产的LMS ScadaⅢ动态压力测量仪)测量进气口和排气口的瞬态总压,并采用小惯性热电偶来测量进气口和排气口的瞬态总温,以获得轴流压气机的瞬时流量、总压比和效率;
通过节流阀液压控制***来调整节流阀沿排气管道的轴向位置,改变节流阀锥面与排气管道壁面之间的流通面积,以调节轴流压气机的流量,使压气机工作点向稳定边界移动,从而获得压气机稳定边界;测量对比均匀进气和旋流进气条件下轴流压气机的工作特性,从而获得旋流对轴流压气机性能和稳定性影响的影响。
有益效果:本发明提供的一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台和试验方法,相对于现有技术,具有以下优点:1、结构简单,操作方便,安全可靠,能够反复进行,且试验结果直观、全面、可靠;2、通过在压气机进口模拟不同强度、结构形式的旋流,便于开展不同形式旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验,探索旋流影响压气机性能和稳定性的机理和规律,对航空发动机的安全可靠运行具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台的结构示意图;
图2为本发明中离心压气机的结构示意图;
图3为本发明中发生器转接段内部的结构示意图;
图4a~4c为本发明中发生器转接段内部的控制状态图;
图中包括:1、进气管道的进气口,2、进气管道,3、整流罩,4、支杆,5、轴流压气机,6、排气管道,7、节流阀,8、轴流压气机的转轴,9、第一驱动电机,10、节流阀液压控制***,11、离心压气机的转轴,12、离心压气机,13、出气蜗壳,14、发生器转接段,15、第二驱动电机,20、竖直支撑板,21、第一矩形调节板,22、第二矩形调节板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台,包括从前到后依次设置的进气管道2、整流罩3、轴流压气机5、排气管道6、节流阀7和第一驱动电机9,且进气管道2的进气口1一侧底部设置有旋流发生器;
其中,所述旋流发生器包括第二驱动电机15、如图2所示的离心压气机12以及用于连通离心压气机12出气蜗壳13和进气管道2的发生器转接段14,且第二驱动电机15的输出轴与离心压气机12的转轴11相连,通过第二驱动电机15实现离心压气机12的转速控制;
如图3所示,所述发生器转接段14为一段竖直扁平管道,其底部进气口与出气蜗壳13的出气口连通,且顶部与进气管道2弧形侧壁连通;所述发生器转接段14的进气口处设置有第一矩形调节板21和第二矩形调节板22,两者初始水平对称布置且一端相互铰接,且发生器转接段14内设置有与第一矩形调节板21和第二矩形调节板22连接于同一点的竖直支撑板20,起到支撑和稳定气流的作用;
所述进气管道2通过轴流压气机5与排气管道6连通,且进气管道2内轴流压气机5前端设置有用于光滑过渡气流的整流罩3,整流罩3通过支杆4固定在轴流压气机5前端的机匣上;
所述排气管道6的排气口处设置有液压式节流阀7,且排气管道6尾端设置有节流阀液压控制***10,通过节流阀液压控制***10来调节节流阀7沿排气管道6的轴向位置,以实现轴流压气机5的流量控制;所述第一驱动电机9的输出轴与轴流压气机5的转轴8相连,通过第一驱动电机9实现轴流压气机5的转速控制。
本实施例中,所述进气管道2的进气口1呈喇叭形;所述节流阀7的截面呈三角形,通过调节节流阀7沿排气管道6的轴向位置来改变节流阀7锥面与排气管道6壁面之间的流通面积,从而调节轴流压气机5的流量。
本实施例中,所述轴流压气机5为两级结构,包括与转轴相连的两级转子以及固定在机匣上、与转子相对应的两级静子。
一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验方法,包括以下步骤:
步骤一:准备工作
将第一矩形调节板21和第二矩形调节板22旋转至设定位置,并通过节流阀液压控制***10调整排气管道6的节流阀7位置,使排气口处于完全打开状态;
步骤二:变量控制
启动第一驱动电机9,并通过第一驱动电机9实现轴流压气机5的转速控制;通过第二驱动电机15实现离心压气机12的转速控制,以实现进气管道2内旋流的强度控制,并通过调整第一矩形调节板21和第二矩形调节板22的旋转角度,实现进气管道2内同向单涡、反向单涡、对涡这三种典型旋流结构的切换;
步骤三:参数测量
采用稳态压力测量***(如美国生产的DTC net压力扫描阀***)测量进气管道2的进气口1静压,采用动态压力测量仪(如比利时生产的LMS ScadaⅢ动态压力测量仪)测量进气口和排气口的瞬态总压,并采用小惯性热电偶来测量进气口和排气口的瞬态总温,以获得轴流压气机5的瞬时流量、总压比和效率;
通过节流阀液压控制***10来调整节流阀7沿排气管道6的轴向位置,改变节流阀7锥面与排气管道6壁面之间的流通面积,以调节轴流压气机5的流量,使压气机工作点向稳定边界移动,从而获得压气机稳定边界;测量对比均匀进气和旋流进气条件下轴流压气机5的工作特性,从而获得旋流对轴流压气机5性能和稳定性影响的影响。
本发明提供的一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台及试验方法可以开展以下试验研究:
1)同向单涡对压气机性能和稳定性影响的试验;
2)反向单涡对压气机性能和稳定性影响的试验;
3)双涡对压气机性能和稳定性影响的试验;
4)旋流产生动态过程对压气机性能和稳定性影响的试验。
其中,稳态旋流(包括同向单涡、反向单涡、对涡三种典型旋流结构下)对压气机性能和稳定性影响的试验具体包括以下步骤:
A1)开始时将第一矩形调节板21和第二矩形调节板22旋转至设定位置(通过调整两个调节板角度,可以实现同向单涡、反向单涡、对涡这三种典型旋流结构的切换),比如:假设轴流压气机5顺时针旋转,将第一矩形调节板21旋至竖直,第二矩形调节板22旋至水平,则进气管道2内产生反向单涡;反之则产生同向单涡;当两个调节板均旋至竖直状态时进气管道2内产生对涡,如图4a~4c所示;
A2)通过节流阀液压控制***10来调整节流阀7沿排气管道6的轴向位置,使排气口处于完全打开状态;
A3)启动第一驱动电机9,并通过第一驱动电机9将轴流压气机5调节至设定转速;
A4)通过第二驱动电机15控制离心压气机12的转速,实现进气管道2内旋流的强度控制;
A5)通过节流阀液压控制***10来调整节流阀7沿排气管道6的轴向位置,减小排气口流通面积,降低轴流压气机5的流量;
A6)采用稳态压力测量***测量进气管道2的进气口1静压,采用动态压力测量仪测量进气口和排气口的瞬态总压,并采用小惯性热电偶测量进气口和排气口的瞬态总温,以获得轴流压气机5的瞬时流量、总压比和效率;
A7)重复步骤A5-A6,通过节流阀7调节轴流压气机5的流量,使压气机工作点向稳定边界移动,直至轴流压气机5失稳,最后一个稳定工作点就是该压气机在当前转速下的稳定边界点;
A8)通过第二驱动电机15控制离心压气机12的转速,实现进气管道2内旋流的强度控制,并重复步骤A4-A7,从而获得不同旋流强度下的压气机等转速线;
A9)通过第一驱动电机9控制轴流压气机5的转速,并重复步骤A4-A8,从而获得不同轴流压气机5转速条件下不同旋流强度下的压气机流量、总压比和效率;
A10)对比均匀进气和稳态旋流进气条件下压气机的特性,获得稳态旋流对轴流压气机气动稳定性影响的影响。
以及,动态旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验具体包括以下步骤:
B1)开始时将第一矩形调节板21和第二矩形调节板22旋转至设定位置(通过调整两个调节板角度,可以实现同向单涡、反向单涡、对涡这三种典型旋流结构的切换),比如:假设轴流压气机5顺时针旋转,将第一矩形调节板21旋至竖直,第二矩形调节板22旋至水平,则进气管道2内产生反向单涡;反之则产生同向单涡;当两个调节板均旋至竖直状态时进气管道2内产生对涡;
B2)通过节流阀液压控制***10来调整节流阀7沿排气管道6的轴向位置,使排气口处于完全打开状态;
B3)启动第一驱动电机9,并通过第一驱动电机9将轴流压气机5调节至设定转速;
B4)通过第二驱动电机15控制离心压气机12的转速,实现进气管道2内旋流的强度控制;
B5)通过节流阀液压控制***10调整节流阀7沿排气管道6的轴向位置,减小排气口流通面积,降低轴流压气机5的流量;
B6)通过调整两个调节板角度,实现同向单涡、反向单涡、对涡这三种典型旋流结构的切换,在此动态过程中,采用稳态压力测量***测量进气管道2的进气口1静压,采用动态压力测量仪测量进气口和排气口的瞬态总压,并采用小惯性热电偶测量进气口和排气口的瞬态总温,以获得轴流压气机5的瞬时流量、总压比和效率;
B7)重复步骤B5-B6,通过节流阀7调节轴流压气机5的流量,使压气机工作点向稳定边界移动,直至压气机失稳,则最后一个稳定工作点就是该压气机在当前转速下的稳定边界点(若该工作点是稳定工作点,则将两个调节板旋转至水平位置);
B8)通过第二驱动电机15控制离心压气机12的转速,实现进气管道2内旋流的强度控制,并重复步骤B4-B7,从而获得不同旋流强度下的压气机等转速线;
B9)通过第一驱动电机9控制轴流压气机5的转速,并重复步骤B4-B8,从而获得不同轴流压气机5转速条件下不同旋流强度下的压气机流量、总压比和效率;
B10)对比均匀进气和动态旋流进气条件下压气机的特性,获得动态旋流对轴流压气机气动稳定性影响的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,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,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台,其特征在于,包括从前到后依次设置的进气管道(2)、整流罩(3)、轴流压气机(5)、排气管道(6)、节流阀(7)、第一驱动电机(9),且进气管道(2)的进气口(1)一侧底部设置有旋流发生器;
其中,所述旋流发生器包括第二驱动电机(15)、离心压气机(12)以及用于连通离心压气机(12)出气蜗壳(13)和进气管道(2)的发生器转接段(14),且第二驱动电机(15)的输出轴与离心压气机(12)的转轴(11)相连,通过第二驱动电机(15)实现离心压气机(12)的转速控制;所述发生器转接段(14)为一段竖直扁平管道,其底部进气口与出气蜗壳(13)的出气口连通,且顶部与进气管道(2)弧形侧壁连通;所述发生器转接段(14)的进气口处设置有第一矩形调节板(21)和第二矩形调节板(22),两者初始水平对称布置且一端相互铰接,且发生器转接段(14)内设置有与第一矩形调节板(21)和第二矩形调节板(22)连接于同一点的竖直支撑板(20);
所述进气管道(2)通过轴流压气机(5)与排气管道(6)连通,且整流罩(3)通过支杆(4)固定在轴流压气机(5)前端的机匣上;所述节流阀(7)设置于排气管道(6)的排气口处,且排气管道(6)尾端设置有节流阀液压控制***(10),通过节流阀液压控制***(10)来调节节流阀(7)沿排气管道(6)的轴向位置;所述第一驱动电机(9)的输出轴与轴流压气机(5)的转轴(8)相连,通过第一驱动电机(9)实现轴流压气机(5)的转速控制。
2.根据权利要求1所述的一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台,其特征在于,所述进气管道(2)的进气口(1)呈喇叭形。
3.根据权利要求1所述的一种旋流对轴流压气机气动稳定性影响的试验台,其特征在于,所述节流阀(7)的截面呈三角形,通过调节节流阀(7)沿排气管道(6)的轴向位置来改变节流阀(7)锥面与排气管道(6)壁面之间的流通面积。
4.一种根据权利要求1所述旋流对轴流压气机气动稳定性影响试验台的试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:准备工作
将旋流发生器的第一矩形调节板(21)和第二矩形调节板(22)旋转至设定位置,并通过节流阀液压控制***(10)调整节流阀(7)沿排气管道(6)的轴向位置,使轴流压气机排气口处于完全打开状态;
步骤二:变量控制
启动第一驱动电机(9),并通过第一驱动电机(9)实现轴流压气机(5)的转速控制;通过第二驱动电机(15)实现离心压气机(12)的转速控制,并通过调整旋流发生器的第一矩形调节板(21)和第二矩形调节板(22)的旋转角度,实现进气管道(2)内同向单涡、反向单涡、对涡这三种典型旋流结构的切换;
步骤三:参数测量
采用稳态压力测量***测量进气管道(2)的进气口(1)静压,采用动态压力测量仪测量轴流压气机进气口和排气口的瞬态总压,并采用小惯性热电偶来测量进气口和排气口的瞬态总温,以获得轴流压气机(5)的瞬时流量、总压比和效率;通过节流阀液压控制***(10)来调整节流阀(7)沿排气管道(6)的轴向位置,实现轴流压气机(5)流量的控制,使轴流压气机工作点向稳定边界移动,从而获得轴流压气机稳定边界;对比均匀进气和旋流进气条件下轴流压气机(5)的工作特性,从而获得旋流对轴流压气机(5)性能和稳定性的影响。
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