CN112179671B - 一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台 - Google Patents

一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,至少包括一低压涡轮环形叶栅、一同轴设置在低压涡轮环形叶栅上游的涡轮导叶环、一在轴向上设置在二者之间的圆柱棒转盘以及沿周向均匀设置在圆柱棒转盘边缘上的多个圆柱棒,分别利用圆柱棒的旋转、环形叶栅、改变电机转速和辐条间距、调整湍流网格丝径大小、间距和安装位置、调节离心风机变频器频率来充分再现真实低压涡轮内部上游尾迹扫掠、径向压力梯度、尾迹扫掠频率、湍流强度及湍流尺度、来流雷诺数等复杂工作环境,并且流场参数方便可控,容易实现低压涡轮内部精细化流场测量。

Description

一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台
技术领域
本发明属于航空发动机/燃气轮机非定常试验领域,涉及一种低压涡轮环形叶栅试验台,尤其涉及一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台。由于圆柱棒与叶片下游的尾迹结构相似,因此利用圆柱棒来模拟叶片尾迹被广泛采用。本发明分别利用旋转圆柱棒、环形叶栅、改变电机转速和辐条间距、调整湍流网格丝径大小、间距和安装位置、调节离心风机变频器频率来充分再现真实低压涡轮内部上游尾迹扫掠、径向压力梯度、尾迹扫掠频率、湍流强度及湍流尺度、来流雷诺数等复杂工作环境,并且流场参数方便可控,容易实现低压涡轮内部精细化流场测量。
背景技术
长期以来,人们在定常环境下对低压涡轮端区复杂流动特征及损失机理开展了大量的研究工作,却忽略了低压涡轮内部固有的非定常流动效应。民用大涵道比涡扇发动机多级低压涡轮气动热力学特点决定了高负荷低压涡轮气动设计必须考虑涡轮内部主要的非定常流动现象及其效应。上游尾迹的非定常作用已被许多研究者视为轴流涡轮内部最重要的非定常作用机制之一,尤其是在低压涡轮内部。尾迹扫掠下附面层发展的非定常特性表明,上游尾迹会通过干涉附面层与端区二次流之间的相互作用,来影响端区二次流动的形成和发展过程。然而,值得注意的是:虽然近年来上游尾迹对低压涡轮端区非定常流动的影响已经引起了一些学者重视,但大多是针对平面叶栅开展的实验和计算工作,平面叶栅实验虽然可以方便、快捷和经济地研究低压涡轮中的一些基本流动现象,然而受到二维流动的限制,平面叶栅实验无法再现真实发动机低压涡轮叶片通道内的径向压力梯度,不能准确得到叶轮机械内部复杂的三维流动特性。而真实低压涡轮内部,由于轮毂和机匣的环形端壁曲率,其内部的压力梯度既有来自压力面指向吸力面的横向压差,又有由机匣指向轮毂的径向压力梯度,因此叶片通道内部的压力梯度沿中截面呈不对称分布,而这种径向压力梯度必将直接影响端区马蹄涡、通道涡和尾缘脱落涡等涡系结构的发展,这是导致平面叶栅端区二次流与真实低压涡轮不同的主要原因。
虽然对低压涡轮进行整级实验可以得到真实的叶轮机械气动特性,但是整级实验对实验室设备仪器要求高,实验成本高昂,并且实现对涡轮级通道内部流场精细化测量难度大。相比较而言,环形叶栅实验可以更真实的模拟叶轮机械内部的径向压力梯度和径向二次流动,还可考虑真实叶栅进口端区边界层的扭曲和旋转等,本发明设计的环形叶栅非定常尾迹模拟装置容易实现高转速,获得较精确的三维非定常流场结构,又可以节省实验成本,降低测量难度。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足,本发明旨在提供一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,分别利用旋转圆柱棒、环形叶栅、改变电机转速和辐条间距、调整湍流网格丝径大小、间距和安装位置、调节离心风机变频器频率来充分再现真实低压涡轮内部上游尾迹扫掠、径向压力梯度、尾迹扫掠频率、湍流强度及湍流尺度、来流雷诺数等复杂工作环境,并且流场参数方便可控,容易实现低压涡轮内部精细化流场测量。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下:
一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,至少包括一低压涡轮环形叶栅、一同轴设置在所述低压涡轮环形叶栅上游的涡轮导叶环,其特征在于,
所述涡轮导叶环的上方设置有湍流网格,通过调整湍流网格的丝径大小、间距和安装位置来调整来流的湍流强度和湍流尺度;
所述试验台还包括一圆柱棒转盘以及多个沿周向均匀设置在所述圆柱棒转盘边缘上的圆柱棒,所述圆柱棒转盘同轴设置在所述涡轮导叶环与低压涡轮环形叶栅之间且临近所述低压涡轮环形叶栅设置,所述圆柱棒转盘的边缘沿其周向均匀设置有多个沿径向延伸的圆柱棒安装孔,各所述圆柱棒以数量可调节的方式设置在各所述圆柱棒安装孔中;所述圆柱棒转盘的中心处固定设置一转轴,所述转轴与一外部动力源传动连接;
所述涡轮导叶环的上游设有一轴向来流气源。
优选地,所述涡轮导叶环上的各涡轮导叶的安装角可调,从而为所述低压涡轮环形叶栅提供合适的进口气流角度。
优选地,所述轴向来流气源通过一交流变频离心风机产生。
优选地,所述圆柱棒转盘为实心转盘,各所述圆柱棒安装孔沿周向等角度设置,以保证良好的动平衡。
优选地,各所述圆柱棒安装孔为螺纹孔,各所述螺纹孔中对应设有一安装螺栓,每一所述安装螺栓的中心均设有一沿其轴向延伸的中心通孔,各所述圆柱棒的底端设有辐条帽,各所述圆柱棒的自由端穿过对应的安装螺栓的中心通孔后借助其底部的辐条帽固定设置在所述安装螺栓与螺纹孔之间。
优选地,所述圆柱棒的安装数量可调,以调节辐条间距,从而控制流量系数。
优选地,所述外部动力源为一变频电机,固定设置在所述圆柱棒转盘上的所述转轴与所述变频电机传动连接。
进一步地,所述变频电机的转速可调,从而控制所述圆柱棒转盘及圆柱棒的旋转速度,继而控制尾迹扫掠频率。
优选地,所述圆柱棒转盘的转动方向是从所述低压涡轮环形叶栅的吸力面往压力面方向移动,上游气流在各所述圆柱棒的扰动下形成为上游周期性非定常尾迹。
优选地,所述圆柱棒转盘与所述低压涡轮环形叶栅的轴向距离可调,从而改变上游尾迹打到涡轮叶片吸力面上的不同位置,以更好的控制叶片吸力面分离和端区二次流强度。
同现有技术相比,本发明的具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,其显著的技术效果在于:
(1)本发明分别利用旋转圆柱棒、环形叶栅、改变电机转速和辐条间距、调整湍流网格丝径大小、间距和安装位置、调节离心风机变频器频率来充分再现真实低压涡轮内部上游尾迹扫掠、径向压力梯度、尾迹扫掠频率、湍流强度及湍流尺度、来流雷诺数等复杂工作环境,并且流场参数方便可控,容易实现低压涡轮内部精细化流场测量;
(2)本发明的具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,结构简单、加工方便、易于实现,能够充分模拟真实低压涡轮内部的非定常尾迹以及由于壁面环形曲率而导致的径向压力梯度,较准确的还原低压涡轮内部的流动状态;
(3)本发明的具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台中,利用上游的涡轮导叶环来调整低压涡轮环形叶栅的进口气流角,利用旋转圆柱棒来模拟环形叶栅上游尾迹的非定常效应,利用环形叶栅来还原真实低压涡轮内部的径向压力梯度;
(4)本发明的具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台中,通过调整电机转速和圆柱棒数量来调整环形叶栅上游尾迹的扫掠频率和流量系数;圆柱棒转盘的转轴与涡轮轮毂机匣同心设置,易于实现圆柱棒高速旋转,较真实的再现低压涡轮内部的真实尾迹扫掠频率。
附图说明
图1为本发明的具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台示意图;
图2为环形湍流网格示意图,其中(A)为整体网格示意图,(B)为局部放大示意图;
图3为圆柱棒示意图;
图4为螺栓二维图;
图5为圆柱棒在转盘上的安装示意图,其中(A)为整体安装示意图, (B)为圆柱棒、螺栓和转盘装配局部放大示意图;
图中,轴向来流气源1,环形湍流网格2,涡轮导叶环3,圆柱棒4,圆柱棒转盘5,低压涡轮环形叶栅6,外涵机匣7,内涵轮毂8,转轴9,外部动力源10,安装螺栓11。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,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。所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例,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例,都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述,给出本发明的一个实施例。
如图1所示,为了模拟叶轮机械级环境下的非定常特征,利用圆柱棒的转动来模拟叶片尾迹特征,本发明的具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,包括一低压涡轮环形叶栅6、一同轴设置在低压涡轮环形叶栅6上游的涡轮导叶环3、以及一同轴设置在涡轮导叶环3与低压涡轮环形叶栅6之间且临近低压涡轮环形叶栅6设置的圆柱棒转盘5,圆柱棒转盘5 的边缘沿其周向均匀设置有多个沿径向延伸的圆柱棒安装孔,各圆柱棒4以数量可调节的方式周向均匀的安装在各圆柱棒安装孔中;圆柱棒转盘5的中心处固定设置一转轴9,转轴9与一外部动力源10通过联轴器连接;涡轮导叶环3的上游设有环形湍流网格2,环形湍流网格2的上游设有一轴向来流气源1。
本发明的非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,主要由交流变频离心风机产生轴向来流气源1,圆柱棒4的主要作用是为了模拟上游动叶的周期性尾迹,而涡轮导叶环3的作用主要是为了给低压涡轮环形叶栅6 提供合适的进口气流角度。圆柱棒4安装在圆柱棒转盘5上,圆柱棒转盘5 与转轴9通过螺栓固定连接,并且与低压涡轮环形叶栅6的外涵机匣7和内涵轮毂8同心,外部动力源10优选为变频电机,并与转轴9通过联轴器连接。
在涡轮导叶环3的上方设有环形湍流网格2,可通过调整湍流网格2的丝径大小、间距t以及与环形导叶环3的安装距离来调整来流湍流强度和湍流尺度,如图2所示。圆柱棒4的一端有辐条帽,另一端光滑无凸起,如图 3所示。转盘5上沿圆周均匀加工60个螺纹孔,首先在安装螺栓11中心位置加工成沿其轴向延伸的中心通孔,如图4,然后将圆柱棒4的光滑端***安装螺栓10的中心通孔中,再将安装螺栓11拧到圆柱棒转盘5上的螺纹孔中,螺纹孔底端正好将辐条帽顶紧,如图5所示。可以通过调整外部动力源 10的转速从而控住圆柱棒4的旋转速度,同时也可以调整圆柱棒转盘5上的圆柱棒4的数目来调整辐条间距,从而控制流量系数和尾迹扫掠频率。本发明可以充分模拟真实低压涡轮内部的非定常尾迹和径向压力梯度,具有操作方便,易加工的优点。此外,圆柱棒转盘5的转动方向是从低压涡轮环形叶栅6的吸力面往压力面方向移动,上游气流在各圆柱棒4的扰动下形成为上游周期性非定常尾迹。圆柱棒转盘5与低压涡轮环形叶栅6的轴向距离可调,从而改变上游尾迹打到涡轮叶片吸力面上的不同位置,以更好的控制叶片吸力面分离和端区二次流强度。
通过上述实施例,完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明,但应知道,本发明并不限于所公开的实施例,任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (7)

1.一种具有非定常尾迹模拟功能的低压涡轮环形叶栅试验台,至少包括一低压涡轮环形叶栅、一同轴设置在所述低压涡轮环形叶栅上游的涡轮导叶环,其特征在于,
所述涡轮导叶环的上游设置有环形湍流网格,通过调整所述环形湍流网格的丝径大小、间距和安装位置来调整来流的湍流强度和湍流尺度;
所述涡轮导叶环上的各涡轮导叶的安装角可调,从而为所述低压涡轮环形叶栅提供合适的进口气流角度;
所述试验台还包括一圆柱棒转盘以及多个沿周向均匀设置在所述圆柱棒转盘边缘上的圆柱棒,所述圆柱棒转盘同轴设置在所述涡轮导叶环与低压涡轮环形叶栅之间,且所述圆柱棒转盘在轴向上临近所述低压涡轮环形叶栅设置,所述圆柱棒转盘的边缘沿其周向均匀设置有多个沿径向延伸的圆柱棒安装孔,各所述圆柱棒以数量可调节的方式设置在各所述圆柱棒安装孔中;所述圆柱棒转盘的中心处固定设置一转轴,所述转轴与一外部动力源传动连接;
所述环形湍流网格的上游设有一轴向来流气源;
所述圆柱棒转盘的转动方向是从所述低压涡轮环形叶栅的吸力面往压力面方向移动,使得上游气流在各所述圆柱棒的扰动下形成为上游周期性非定常尾迹;
所述圆柱棒转盘与所述低压涡轮环形叶栅的轴向距离可调,从而改变所述上游周期性非定常尾迹打到涡轮叶片吸力面上的不同位置,以控制涡轮叶片吸力面分离和端区二次流强度。
2.根据权利要求1所述的试验台,其特征在于,所述轴向来流气源通过一交流变频离心风机产生。
3.根据权利要求1所述的试验台,其特征在于,所述圆柱棒转盘为实心转盘,各所述圆柱棒安装孔沿周向等角度设置,以保证良好的动平衡。
4.根据权利要求1所述的试验台,其特征在于,各所述圆柱棒安装孔为螺纹孔,各所述螺纹孔中对应设有一安装螺栓,每一所述安装螺栓的中心均设有一沿其轴向延伸的中心通孔,各所述圆柱棒的底端设有辐条帽,各所述圆柱棒的自由端穿过对应的安装螺栓的中心通孔后借助其底部的辐条帽固定设置在所述安装螺栓与螺纹孔之间。
5.根据权利要求1所述的试验台,其特征在于,所述圆柱棒的安装数量可调,以调节辐条间距,从而控制流量系数。
6.根据权利要求1所述的试验台,其特征在于,所述外部动力源为一变频电机,固定设置在所述圆柱棒转盘上的所述转轴与所述变频电机传动连接。
7.根据权利要求6所述的试验台,其特征在于,所述变频电机的转速可调,从而控制所述圆柱棒转盘及圆柱棒的旋转速度,继而控制尾迹扫掠频率。
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