CN110320002B - 一种在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置 - Google Patents

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Abstract

本申请属于燃气涡轮发动机防冰试验技术领域，涉及一种在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置。该装置主要包括一个安装于通道型构件前端的溢流装置，溢流装置包括筒体与环形构件，筒体安装于通道型构件的进气口，且具有内径与通道型构件进气口内径相同的整流内壁，环形构件安装于筒体的外壁，且位于筒体的靠近通道型构件的进气口处，通过调整环形构件的外环与冰风洞试验段的内壁之间的距离来调整通道型构件的来流速度。本申请采用溢流装置控制通道型构件来流速度等参数，可以使冰风洞能够进行小尺寸通道型构件的结冰、防冰试验，避免了由于参数或几何缩比带来的结果偏差问题，保证了试验结果的准确性。

Description

一种在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置
技术领域
本申请属于燃气涡轮发动机防冰试验技术领域，特别涉及一种在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置。
背景技术
燃气涡轮发动机进口零部件的结冰、防冰效果试验是发动机设计过程中的重要验证活动之一。零部件的结防冰试验要在冰风洞设备上开展，冰风洞一般有两种类型：自由射流式和闭循环式。对于闭循环式冰风洞，在进行通道型零组件(例如，进气机匣)结防冰试验时，为了保证通道型构件的来流速度、流量以及构件表面水撞击特性，通常是将冰风洞试验段与通道型构件进行直连，即冰风洞主流空气全部从通道型构件内的气流通道流过，在通道型构件进出口设计专用的转接段进行整流和转接，通过调整风洞风机的转速来控制流过通道型构件的气流速度，如图1所示。
由于冰风洞设备都有一定的运行包线，存在如最小流量、最大压比等参数上的限制，因此，其试验段尺寸也有最小的限制值。对于一些尺寸较小或进出口面积急剧减小的特殊通道型构件，其流通面积有限，采用直连的方式则无法达到所需的试验件进口速度和流量等参数要求，也就是说，通道型构件尺寸与冰风洞设备能力（试验段尺寸）不匹配。因此，需要针对此类构件，设计相应的方法和装置来解决试验参数无法满足的问题。
现有技术中，用于解决构件尺寸与冰风洞试验段尺寸不匹配、无法达到通道型构件所需来流参数的技术方案为缩比验证方案，也就是采用一定的相似准则，对试验段的来流参数如速度、液态水含量、水滴直径和构件几何参数进行适当的放大和缩小，通过这些参数和几何的相似性，来保证试验结果的相似。但是，现有技术方案存在如下缺陷和不足：
1、目前的相似准则仅适用于结冰特性的验证，并不适用于构件表面有防冰措施(例如热气防冰或电加热防冰)且需要进行防冰验证的情况，采用相似准则进行防冰试验，其试验结果可能会与实际情况偏离较大；
2、采用相似准则得到的结冰特性与实际情况下的结冰特性也会存在一定的差异，并不能完全反映实际的情况。
缩比验证方案是一种无可奈何的让步方案。在某些情况下，例如构件尺寸超过风洞试验段尺寸，则必须要采用缩比验证方案。但是对于构件尺寸过小，采用直连的方法无法达成试验参数的情况，如果能够更好的方案来保证来流参数和构件几何结构的真实性，则可以避免由于参数或几何缩比带来的结果偏差问题，保证试验结果的准确性。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供了一种在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，针对通道型构件尺寸与冰风洞试验段尺寸不匹配的问题，将构件内置于试验段内并设置专用的流通面积控制装置，以气体旁通溢流的方式来控制通道型构件的来流条件，使其满足结冰、防冰试验参数要求。
本申请在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，所述通道型构件置于冰风洞试验段内，且具有沿冰风洞来流方向的进气口与出气口，控制来流参数的装置包括：
溢流装置，所述溢流装置包括筒体与环形构件，所述筒体安装于所述通道型构件的进气口，且具有内径与所述通道型构件进气口内径相同的整流内壁，环形构件安装于所述筒体的外壁，且位于所述筒体的靠近所述通道型构件的进气口处，通过调整所述环形构件的外环与所述冰风洞试验段的内壁之间的距离来调整所述通道型构件的来流速度。
优选的是，所述筒体通过螺栓连接在所述通道型构件的进气口。
优选的是，所述溢流装置与所述通道型构件通过支座固定于所述冰风洞试验段中部。
优选的是，所述支座包括多个支板类结构，采用周向布置的方式连接于溢流装置与冰风洞试验段内壁之间。
优选的是，所述环形构件包括沿筒体轴向方向前后布置的两个环板形成的空腔，所述空腔连接有热气管路。
优选的是，所述溢流装置还包括集气腔，所述集气腔设置在筒体的外壁上，且位于所述环形构件的沿来流方向的前部，集气腔的外径不大于环形构件的外径，集气腔连接所述热气管路，且集气腔具有连通所述环形构件空腔的通道。
优选的是，所述溢流装置还包括前部环腔，所述前部环腔位于集气腔的前部，且延伸到筒体的进风口端部，前部环腔的外径不大于环形构件的外径，且集气腔具有连通所述前部环腔的通道。
优选的是，所述通道为圆孔、异型孔或者细缝。
本发明的有益效果如下：
1、采用溢流装置控制通道型构件来流速度等参数，可以使冰风洞能够进行小尺寸通道型构件的结冰、防冰试验。
2、采用真实比例构件和真实参数进行试验，避免了由于参数或几何缩比带来的结果偏差问题，保证试验结果的准确性。
附图说明
图1是现有的典型直连式构件安装方法示意图。
图2是本申请在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置的结构示意图。
图3是本申请在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置的图2所示实施例的溢流装置结构示意图。
其中，1-通道型构件，2-溢流装置，3-内部通道，4-支座，5-冰风洞试验段，6-筒体，7-前部环腔，8-环形构件，9-集气腔，10-开口结构，11-热气管路，12-外部通道，13~16-流通结构。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本发明提供了一种在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，针对通道型构件尺寸与冰风洞试验段尺寸不匹配的问题，将构件内置于试验段内并设置专用的流通面积控制装置，以气体旁通溢流的方式来控制通道型构件的来流条件，使其满足结冰、防冰试验参数要求。
本发明要解决的技术问题如下：
1、解决构件尺寸与冰风洞试验段尺寸不匹配的问题，使得冰风洞能够进行小尺寸通道型构件的结冰防冰试验；
2、解决没有相应防冰试验相似准则而无法进行小尺寸通道型构件防冰试验的问题；
3、解决由于参数或尺寸缩比带来的试验结果偏差问题。
图2给出了一种基于旁通溢流法来控制通道型构件来流参数的结冰、防冰试验装置示意图。 通常，通道型构件1为圆形、矩形或其他任意可形成内部通道的形状，构件内部通道的流通面积可以是定值，也可以是渐变的(渐缩或渐扩通道)。在通道型构件前（来流方向），设置有一个用于控制通道型构件来流参数的溢流装置2，该溢流装置2的外形与通道型构件1保持一致，通过装配的方式与通道型构件1前安装边连接，共同形成一个光滑完整的内部通道3。
溢流装置2与通道型构件1的安装可以是焊接、螺栓、铆接或其他任何能够保证二者可靠相连的方式，在图2给出的实例中，安装方式为螺栓连接。
采用支座4将溢流装置2与通道型构件1一同安装于冰风洞试验段5内，支座4可以是任意结构形式的构件，在一些实例中，支座4为支板类型结构，且数量多于一个，采用周向布置的方式连接于溢流装置2与冰风洞试验段5之间。 同样，支座4与溢流装置2和通道型构件1之间的安装可以是焊接、螺栓、铆接或其他任何能够保证三者可靠相连的方式，在图2给出的实例中，安装方式同样为螺栓连接。支座4以螺栓、铆接或其他方式安装于冰风洞试验段5壁面上，支座4的设计要能够保证溢流装置和通道型构件在冰风洞试验段内的可靠固定。
本发明的核心部分为溢流装置2，如图3所示，该装置由以下几个部分组成：一个与通道型构件1进口形状保持一致的筒体6，该筒体的轴向长度要够长以保证气流的整流和稳定；在筒体6的外环，设置有一个用于对筒体迎风面和进口内壁进行防冰的前部环腔7、一个用于控制风洞试验段流通面积的环形构件8以及一个用于向前部环腔7和环形构件8提供热气的集气腔9，在集气腔9的外壁上，设置有一个或多个开口结构10，用于连接向集气腔9供气的热气管路11。
通常，前部环腔7和集气腔9的外环尺寸不能超过对应周向位置环形构件8的外环尺寸。
在集气腔9与前部环腔7之间的隔板上，设置有若干周向布置的流通结构13，在集气腔9与环形构件8之间的隔板上，同样设置有若干周向布置的流通结构14，在前部环腔的前缘外环，设置有若干周向布置的流通结构15，在环形构件的前缘外环，同样设置有若干周向布置的流通结构16。流通结构13、流通结构14、流通结构15和流通结构16可以是圆孔、异型孔或者细缝。
热气经由热气管路11和开口结构10进入集气腔9，之后分别经过流通结构13和流通结构14进入到前部环腔7和环形构件8的空腔内，对前部环腔7的内壁和环形构件8的迎风面进行加热之后，通过流通结构15和流通结构16排出。
在一些实例中，可能不会考虑溢流装置的结冰问题，装置中并不包括前部环腔7和集气腔9，但无论如何，环形构件8是必不可少的。
在不考虑溢流装置结冰问题的实例中，环形构件8为单层壁结构。
在不考虑溢流装置结冰问题的实例中，溢流装置并不包括流通结构13、流通结构14、流通结构15和流通结构16。
溢流装置2连同通道型构件1一同安装于冰风洞试验段5内，分别形成内部通道3和外部通道12两个气流的通道，内部通道3为被试件所在通道，外部通道12为溢流通道。内部通道3的进口面积A1in和最小流通面积A1min由通道型构件1的自身结构所决定，外部通道12为环形通道，其最小流通面积A2min由环形构件8和风洞试验段5内壁共同形成。流通面积A1min和流通面积A2min共同形成风洞试验段气流通道面积Atotal，且Atotal=A1min+A2min。
该溢流装置可以保证最内部通道3的小流通面积A1min处和外部通道12的最小流通面积A2min处具有相同的气流速度，由于流经内部通道3的气体质量守恒，由此可以推算出通道型构件1进口处的气流速度。
本申请通过调整所述环形构件的外环与所述冰风洞试验段的内壁之间的距离来调整所述通道型构件的来流速度。可以理解的是，调整方式包括更换外径尺寸不同的环形构件，该实施方式下，筒体外侧可以固定设置有翅片，不同外径的环形构件贴合在所述翅片上，并通过螺栓固定。备选实施方式中，调整方式还可以是将环形构件设置为多段环形结构，第一层环形结构具有适配于筒体外壁的内径，从而固定在筒体外壁，第二层环形结构具有适配第一层环形结构外径的内径，从而安装于第一层环形结构上，依次类推，通过安装或卸载最外侧的环形结构，使得环形构件整体的最外侧与风洞内壁的距离变为可调。
在进行试验方案设计时，为了满足通道型构件1的来流速度要求，需要在特定的试验段结构限制下，合理设计环形构件8的外环尺寸，保证总的气流流通面积Atotal处于合理的范围内，如果Atotal太小，很可能由于流量过小而超出风洞运行能力，Atotal也不能太大，否则达不到通道型构件所需要的进口速度条件。通常，可以通过一维方法进行简单估算，或者通过数值模拟方法进行仿真分析来确定环形构件8的外环尺寸。
同样，为了满足通道型构件1的来流速度稳定性，也需要合理地设置环形构件8与筒体6的相对轴向位置，一般来说，为了避免由于气流“撞壁”导致的局部紊流，环形构件8应该尽可能地布置于筒体6的下游方向，也就是轴向靠后的位置，以减少局部紊流对进口气流中水滴运行轨迹的影响。
本申请采用溢流装置控制通道型构件来流速度等参数，可以使冰风洞能够进行小尺寸通道型构件的结冰、防冰试验，避免了由于参数或几何缩比带来的结果偏差问题，保证了试验结果的准确性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，所述通道型构件置于冰风洞试验段（5）内，且具有沿冰风洞来流方向的进气口与出气口，其特征在于，控制来流参数的装置包括：
溢流装置（2），所述溢流装置（2）包括筒体（6）与环形构件（8），所述筒体（6）安装于所述通道型构件（1）的进气口，且具有内径与所述通道型构件（1）进气口内径相同的整流内壁，环形构件（8）安装于所述筒体（6）的外壁，且位于所述筒体（6）的靠近所述通道型构件（1）的进气口处，通过调整所述环形构件（8）的外环与所述冰风洞试验段（5）的内壁之间的距离来调整所述通道型构件（1）的来流速度；
其中，冰风洞试验段（5）具有内部通道（3）和外部通道（12）两个气流的通道，内部通道（3）为被试件所在通道，外部通道（12）为溢流通道，内部通道（3）的最小流通面积A1min由通道型构件（1）的自身结构所决定，外部通道（12）为环形通道，其最小流通面积A2min由环形构件（8）和风洞试验段（5）内壁共同形成，其中，调整所述环形构件（8）的外环与所述冰风洞试验段（5）的内壁之间的距离包括：使内部通道（3）的流通面积A1min处和外部通道（12）的流通面积A2min处具有相同的气流速度，所述环形构件（8）布置于筒体（6）的下游方向。
2.如权利要求1所述的在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，其特征在于，所述筒体（6）通过螺栓连接在所述通道型构件（1）的进气口。
3.如权利要求1所述的在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，其特征在于，所述溢流装置（2）与所述通道型构件（1）通过支座（4）固定于所述冰风洞试验段（5）中部。
4.如权利要求3所述的在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，其特征在于，所述支座（4）包括多个支板类结构，采用周向布置的方式连接于溢流装置与冰风洞试验段内壁之间。
5.如权利要求1所述的在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，其特征在于，所述环形构件（8）包括沿筒体（6）轴向方向前后布置的两个环板形成的空腔，所述空腔连接有热气管路（11）。
6.如权利要求5所述的在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，其特征在于，所述溢流装置（2）还包括集气腔（9），所述集气腔（9）设置在筒体（6）的外壁上，且位于所述环形构件（8）的沿来流方向的前部，集气腔（9）的外径不大于环形构件（8）的外径，集气腔（9）连接所述热气管路（11），且集气腔（9）具有连通所述环形构件（8）空腔的通道。
7.如权利要求6所述的在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，其特征在于，所述溢流装置（2）还包括前部环腔（7），所述前部环腔（7）位于集气腔（9）的前部，且延伸到筒体（6）的进风口端部，前部环腔（7）的外径不大于环形构件（8）的外径，且集气腔（9）具有连通所述前部环腔（7）的通道。
8.如权利要求6所述的在冰风洞内控制通道型构件来流参数的装置，其特征在于，所述通道为圆孔、异型孔或者细缝。
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