CN113029576B - 一种平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法。该联调方法通过可调高度声速喷管中的高度调节器和亚声速试验舱的壁板角度调节器，实现喷管出口高度与试验段上下壁板高度的联合调节；通过亚声速试验舱的壁板长度调节器，实现试验段上下壁板长度调节。该联调方法可以方便快速地实现亚声速喷管出口高度和试验段上下壁板高度和长度的联合调节，满足各类平面叶栅亚声速气动性能试验研究和技术验证的要求，节省了试验准备时间，提高了试验效率。

Description

一种平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法

技术领域

本发明属于航空发动机基础研究试验设备领域，具体涉及一种平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法。

背景技术

航空叶轮机(包括风扇/压气机和涡轮)和燃气轮机是维持热力循环并产生推力的关键部件，其转/静叶片的气动外形决定了航空叶轮机和燃气轮机的气动性能。为设计出高性能的航空喷气发动机和燃气轮机，需要在叶栅(二维叶型)层面研究叶轮机的设计方法和流动特性。为了能在地面进行真实飞行条件下的叶栅通道流动试验研究，必须建造能够模拟实际飞行时叶栅流动马赫数和雷诺数等参数的地面设备，以保证能够在接近实际工作状态的条件下，进行大量的气动性能试验研究和技术验证，以分析研究叶栅通道内的流动机理、特点和规律，验证新的设计方案。对于带气膜冷却及内部气冷的涡轮叶栅流动研究，还需要试验设备主流与次流之间具备足够的温度差或者温度比调节能力以及不同介质的引入能力，用以模拟两股同种或者不同种介质气流及涡轮叶片间的传热传质过程。

目前，国内外开展航空发动机叶轮机(包括风扇/压气机和涡轮)和燃气轮机叶型叶栅试验通常采用平面叶栅试验装置，其中使用较为广泛的是平面叶栅亚声速试验装置。由于试验叶栅进口气流角范围大，试验段叶栅堵塞度高，在进行压气机试验时，为保证栅前来流马赫数均匀性，须根据试验进口气流角不同状态，调节叶栅上下端壁泄流流量。在进行带气膜冷却涡轮叶栅试验时，为保证主流、次流流量比精确控制，同样须根据试验不同状态，调节叶栅上下端壁泄流流量。要实现叶栅上下端壁泄流流量的精确控制，必然要求试验段具备出口高度调节功能，也为试验段前段喷管出口高度调节提出了严苛要求。现有平面亚声速叶栅试验装置，由于声速喷管大都为固态喷管，不具备喷管出口高度调节功能，要满足不同试验条件下叶栅上下端壁泄流流量控制，一般采取在喷管出口连接不同高度过渡段并更换试验段上下壁板不同长度来实现，这种喷管高度和试验段上下壁板调节方式带来很多缺点：1、不同高度过渡段与喷管连接会造成喷管出口尺寸突变和阶差，导致试验段流场品质变差，试验精准度降低；2、改变试验状态时，需要频繁更换不同高度过渡段和试验段不同长度上下壁板，操作极不方便，劳动强度大，试验效率低下；3、无法实现喷管高度和试验段高度的连续调节，也无法实现试验段上下壁板长度的连续调节，可能导致部分试验条件无法实现。

当前，迫切需要发展一种操作方便高效的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，满足先进航空发动机叶轮机和燃气轮机叶型叶栅气动性能试验基础研究和技术验证的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法。

本发明的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，其特点是，所述的联调方法使用的平面叶栅亚声速试验装置包括安装在安装平台上，沿气流方向顺序连接的可调高度声速喷管和亚声速试验舱；亚声速试验舱内安装涡轮叶栅试验模型或压气机叶栅试验模型，亚声速试验舱左右侧壁中心安装有观察窗；

所述的可调高度声速喷管为方形喷管，包括安装在支撑架上，沿气流方向上、下对称布置，通过收缩型面搭接方式顺序连接的固定收缩段和可调高度收缩段；对称安装在支撑架左、右两侧的两个侧壁板；固定收缩段、可调高度收缩段和两个侧壁板内表面形成喷管流道；两个高度调节器对称安装在支撑架的上、下方；高度调节器的固定端固定在支撑架上，高度调节器的运动端通过铰链与可调高度收缩段连接；两组直线导轨分别安装在左侧壁板水平中心线的上、下两侧，直线导轨与水平方向夹角为35°～55°；可调高度收缩段上安装有滑块，滑块分别装卡在对应的直线导轨上；在高度调节器驱动下，高度调节器的运动端通过铰链带动可调高度收缩段的滑块沿直线导轨移动，可调高度收缩段同时沿固定收缩段的收缩型面滑动，实现喷管出口高度调节；

所述的亚声速试验舱为方形体，包括壳体，在壳体内并列安装的两个试验段圆盘，在壳体内上、下安装的两个壁板组件，以及两组对应的角度调节器和拉杆；两个试验段圆盘与亚声速试验舱的轴线平行，并列固定在轴线的左右两侧，试验段圆盘的下端安装在壳体的下表面上，试验段圆盘的前端与壳体的气流入口法兰相接；两个上、下壁板组件的前端通过销轴与可调高度声速喷管的气流出口端连接，两个上、下壁板组件的后端安装有长度补偿板；两个角度调节器的固定端分别对称安装在壳体上、下表面上，运动端通过销轴分别对称安装在上、下壁板组件上；两个拉杆一端固定在试验段圆盘上，另一端固定在上、下壁板组件上，实现对试验段上、下壁板辅助支撑的作用；角度调节器的运动端带动两个上、下壁板组件绕销轴旋转实现试验段上、下壁板组件的高度和角度调节，通过长度补偿板实现试验段上、下壁板组件的长度调节；

所述的壁板组件包括上、下两组，每组均包括旋转板、长度调节器、导轨、旋转连接座、平动板和尾板；旋转板为一根直板，旋转板的前端为固定端，固定端通过销轴固定在可调高度声速喷管气流出口，旋转板的后端为自由端，旋转板的上表面安装有导轨，旋转板后段的上表面还固定有旋转连接座，旋转连接座上的通孔用于安装角度调节器，实现旋转板绕后端销轴的角度调节；平动板为另一根直板，平动板的上表面固定有滑块，滑块装卡在导轨上，平动板的后端安装有尾板，尾板的上表面安装有拉杆连接座，拉杆连接座的通孔用于安装拉杆，实现平动板的辅助支撑；长度调节器的固定端安装在旋转板的上表面，长度调节器的运动端与平动板的后端通过销轴连接；长度调节器带动平动板上的滑块沿导轨移动，实现平动板的前后移动；

两个试验段圆盘内壁、两个上、下壁板组件和两个上、下长度补偿板之间的空间为试验段；两个试验段圆盘外壁与壳体之间的空间为试验段驻室；

上、下壁板组件与可调高度收缩段通过销轴连接；角度调节器的固定端固定在支撑架上，角度调节器的运动端通过销轴与旋转连接座连接，实现上、下壁板组件的扩开角调节；

所述的联调方法包括以下步骤：

a.分别拆除上、下尾板的拉杆；

b.分别启动上、下长度调节器，将试验段的上、下壁板长度均调整至零点位置；

c.分别启动上、下角度调节器，将上、下壁板均由零位扩开3°～5°；

d.依据叶栅模型的试验状态，计算出叶栅模型首叶片距离流道中心线高度的H1、尾叶片距离流道中心线高度的H2；

e.同时启动上方的高度调节器和角度调节器，将叶栅模型的首叶片距离流道中心线高度调整至H1，并在过程中保持上壁板3°～5°扩开角不变；

f.同时启动下方的高度调节器和角度调节器，将叶栅模型的尾叶片距离流道中心线高度调整至H2，并在过程中保持下壁板3°～5°扩开角不变，实现可调高度声速喷管气流出口高度和试验段上、下壁板组件高度的联合调节；

g.分别启动上、下角度调节器，将上、下壁板扩开角均调整至零位；

h.启动上方的长度调节器带动平动板向前移动伸长至首叶片前缘位置；

i.启动下方的长度调节器带动平动板向前移动伸长至尾叶片前缘位置。

j.分别安装上、下尾板的拉杆。

进一步地，所述的销轴替换为铰链，铰链替换为销轴。

进一步地，所述的可调高度收缩段的前端开有密封槽，密封槽内安装橡胶条，固定收缩段和可调高度收缩段之间搭接的型面通过橡胶条密封。

进一步地，所述的高度调节器、角度调节器、长度调节器为丝杠或电动缸。

进一步地，所述的上、下壁板组件的前端开有密封槽，密封槽内安装有橡胶条。

进一步地，所述的导轨为直线导轨。

本发明的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，通过可调高度声速喷管中的高度调节器和亚声速试验舱的角度调节器，实现喷管出口高度与试验段上下壁板高度的联合调节；通过亚声速试验舱的长度调节器，实现试验段上下壁板长度调节。

本发明的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法操作便捷，可以方便快速地实现亚声速喷管出口高度和试验段上下壁板高度联合调节和上下壁板长度的连续调节，满足各类平面叶栅亚声速气动性能试验研究和技术验证的要求，节省了试验准备时间，降低了劳动强度，提高了试验效率。

附图说明

图1为本发明的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法使用的平面叶栅亚声速试验装置结构示意图；

图2为本发明的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法中的可调高度声速喷管和亚声速试验舱结构示意图；

图3为本发明的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法中的壁板组件结构示意图；

图中，1.安装平台 2.可调高度声速喷管 3.亚声速试验舱 4.观察窗；

201.支撑架 202.固定收缩段 203.可调高度收缩段 204.高度调节器 205.铰链206.侧壁板 207.直线导轨；

301.壳体 302.试验段圆盘 303.壁板组件 304.拉杆 305.角度调节器；

3031.旋转板 3032.长度调节器 3033.导轨 3034.旋转连接座 3035.平动板3036.尾板 3037.拉杆连接座 3038.滑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1所示，本发明的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法使用的平面叶栅亚声速试验装置包括安装在安装平台1上，沿气流方向顺序连接的可调高度声速喷管2和亚声速试验舱3；亚声速试验舱3内安装涡轮叶栅试验模型或压气机叶栅试验模型，亚声速试验舱3左右侧壁中心安装有观察窗4；

如图2所示，所述的可调高度声速喷管2为方形喷管，包括安装在支撑架201上，沿气流方向上、下对称布置，通过收缩型面搭接方式顺序连接的固定收缩段202和可调高度收缩段203；对称安装在支撑架201左、右两侧的两个侧壁板206；固定收缩段202、可调高度收缩段203和两个侧壁板206内表面形成喷管流道；两个高度调节器204对称安装在支撑架201的上、下方；高度调节器204的固定端固定在支撑架201上，高度调节器204的运动端通过铰链205与可调高度收缩段203连接；两组直线导轨207分别安装在左侧壁板206水平中心线的上、下两侧，直线导轨207与水平方向夹角为35°～55°；可调高度收缩段203上安装有滑块，滑块分别装卡在对应的直线导轨207上；在高度调节器204驱动下，高度调节器204的运动端通过铰链205带动可调高度收缩段203的滑块沿直线导轨207移动，可调高度收缩段203同时沿固定收缩段202的收缩型面滑动，实现喷管出口高度调节；

如图2所示，所述的亚声速试验舱3为方形体，包括壳体301，在壳体301内并列安装的两个试验段圆盘302，在壳体301内上、下安装的两个壁板组件303，以及两组对应的角度调节器305和拉杆304；两个试验段圆盘302与亚声速试验舱3的轴线平行，并列固定在轴线的左右两侧，试验段圆盘302的下端安装在壳体301的下表面上，试验段圆盘302的前端与壳体301的气流入口法兰相接；两个上、下壁板组件303的前端通过销轴与可调高度声速喷管2的气流出口端连接，两个上、下壁板组件303的后端安装有长度补偿板；两个角度调节器305的固定端分别对称安装在壳体301上、下表面上，运动端通过销轴分别对称安装在上、下壁板组件303上；两个拉杆304一端固定在试验段圆盘302上，另一端固定在上、下壁板组件303上，实现对试验段上、下壁板辅助支撑的作用；角度调节器305的运动端带动两个上、下壁板组件303绕销轴旋转实现试验段上、下壁板组件303的高度和角度调节，通过长度补偿板实现试验段上、下壁板组件303的长度调节；

如图3所示，所述的壁板组件303包括上、下两组，每组均包括旋转板3031、长度调节器3032、导轨3033、旋转连接座3034、平动板3035和尾板3036；旋转板3031为一根直板，旋转板3031的前端为固定端，固定端通过销轴固定在可调高度声速喷管2气流出口，旋转板3031的后端为自由端，旋转板3031的上表面安装有导轨3033，旋转板3031后段的上表面还固定有旋转连接座3034，旋转连接座3034上的通孔用于安装角度调节器305，实现旋转板3031绕后端销轴的角度调节；平动板3035为另一根直板，平动板3035的上表面固定有滑块3038，滑块3038装卡在导轨3033上，平动板3035的后端安装有尾板3036，尾板3036的上表面安装有拉杆连接座3037，拉杆连接座3037的通孔用于安装拉杆304，实现平动板3035的辅助支撑；长度调节器3032的固定端安装在旋转板3031的上表面，长度调节器3032的运动端与平动板3035的后端通过销轴连接；长度调节器3032带动平动板3035上的滑块3038沿导轨3033移动，实现平动板3035的前后移动；

两个试验段圆盘302内壁、两个上、下壁板组件303和两个上、下长度补偿板之间的空间为试验段；两个试验段圆盘302外壁与壳体301之间的空间为试验段驻室；

上、下壁板组件303与可调高度收缩段203通过销轴连接；角度调节器305的固定端固定在支撑架201上，角度调节器305的运动端通过销轴与旋转连接座3034连接，实现上、下壁板组件303的扩开角调节；

所述的联调方法包括以下步骤：

a.分别拆除上、下尾板3036的拉杆304；

b.分别启动上、下长度调节器3032，将试验段的上、下壁板长度均调整至零点位置；

c.分别启动上、下角度调节器305，将上、下壁板均由零位扩开3°～5°；

d.依据叶栅模型的试验状态，计算出叶栅模型首叶片距离流道中心线高度的H1、尾叶片距离流道中心线高度的H2；

e.同时启动上方的高度调节器204和角度调节器305，将叶栅模型的首叶片距离流道中心线高度调整至H1，并在过程中保持上壁板3°～5°扩开角不变；

f.同时启动下方的高度调节器204和角度调节器305，将叶栅模型的尾叶片距离流道中心线高度调整至H2，并在过程中保持下壁板3°～5°扩开角不变，实现可调高度声速喷管2气流出口高度和试验段上、下壁板组件303高度的联合调节；

g.分别启动上、下角度调节器305，将上、下壁板扩开角均调整至零位；

h.启动上方的长度调节器3032带动平动板3035向前移动伸长至首叶片前缘位置；

i.启动下方的长度调节器3032带动平动板3035向前移动伸长至尾叶片前缘位置。

j.分别安装上、下尾板3036的拉杆304。

进一步地，所述的销轴替换为铰链，铰链替换为销轴。

进一步地，所述的可调高度收缩段203的前端开有密封槽，密封槽内安装橡胶条，固定收缩段202和可调高度收缩段203之间搭接的型面通过橡胶条密封。

进一步地，所述的高度调节器204、角度调节器305、长度调节器3032为丝杠或电动缸。

进一步地，所述的上、下壁板组件303的前端开有密封槽，密封槽内安装有橡胶条。

进一步地，所述的导轨3033为直线导轨。

实施例1

本实施例的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法使用的平面叶栅亚声速试验装置的可调高度声速喷管2的固定收缩段202入口尺寸为高1340mm×宽190mm，可调高度声速喷管2的出口高度调节范围为235mm～445mm；上、下壁板角度调节范围为-5°～5°，上、下壁板长度调节范围为0～400mm。

流场校测表明，亚声速试验舱3的试验段流场核心区在马赫数0.8时的偏差优于0.003，达到了《低速风洞和高速风洞流场品质要求》GJB 1179A-2012的先进指标。

尽管本发明的实施方案已公开如上，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，其特征在于，所述的联调方法使用的平面叶栅亚声速试验装置包括安装在安装平台(1)上，沿气流方向顺序连接的可调高度声速喷管(2)和亚声速试验舱(3)；亚声速试验舱(3)内安装涡轮叶栅试验模型或压气机叶栅试验模型，亚声速试验舱(3)左右侧壁中心安装有观察窗(4)；

所述的可调高度声速喷管(2)为方形喷管，包括安装在支撑架(201)上，沿气流方向上、下对称布置，通过收缩型面搭接方式顺序连接的固定收缩段(202)和可调高度收缩段(203)；对称安装在支撑架(201)左、右两侧的两个侧壁板(206)；固定收缩段(202)、可调高度收缩段(203)和两个侧壁板(206)内表面形成喷管流道；两个高度调节器(204)对称安装在支撑架(201)的上、下方；高度调节器(204)的固定端固定在支撑架(201)上，高度调节器(204)的运动端通过铰链(205)与可调高度收缩段(203)连接；两组直线导轨(207)分别安装在左侧壁板(206)水平中心线的上、下两侧，直线导轨(207)与水平方向夹角为35°～55°；可调高度收缩段(203)上安装有滑块，滑块分别装卡在对应的直线导轨(207)上；在高度调节器(204)驱动下，高度调节器(204)的运动端通过铰链(205)带动可调高度收缩段(203)的滑块沿直线导轨(207)移动，可调高度收缩段(203)同时沿固定收缩段(202)的收缩型面滑动，实现喷管出口高度调节；

所述的亚声速试验舱(3)为方形体，包括壳体(301)，在壳体(301)内并列安装的两个试验段圆盘(302)，在壳体(301)内上、下安装的两个壁板组件(303)，以及两组对应的角度调节器(305)和拉杆(304)；两个试验段圆盘(302)与亚声速试验舱(3)的轴线平行，并列固定在轴线的左右两侧，试验段圆盘(302)的下端安装在壳体(301)的下表面上，试验段圆盘(302)的前端与壳体(301)的气流入口法兰相接；两个上、下壁板组件(303)的前端通过销轴与可调高度声速喷管(2)的气流出口端连接，两个上、下壁板组件(303)的后端安装有长度补偿板；两个角度调节器(305)的固定端分别对称安装在壳体(301)上、下表面上，运动端通过销轴分别对称安装在上、下壁板组件(303)上；两个拉杆(304)一端固定在试验段圆盘(302)上，另一端固定在上、下壁板组件(303)上，实现对试验段上、下壁板辅助支撑的作用；角度调节器(305)的运动端带动两个上、下壁板组件(303)绕销轴旋转实现试验段上、下壁板组件(303)的高度和角度调节，通过长度补偿板实现试验段上、下壁板组件(303)的长度调节；

所述的壁板组件(303)包括上、下两组，每组均包括旋转板(3031)、长度调节器(3032)、导轨(3033)、旋转连接座(3034)、平动板(3035)和尾板(3036)；旋转板(3031)为一根直板，旋转板(3031)的前端为固定端，固定端通过销轴固定在可调高度声速喷管(2)气流出口，旋转板(3031)的后端为自由端，旋转板(3031)的上表面安装有导轨(3033)，旋转板(3031)后段的上表面还固定有旋转连接座(3034)，旋转连接座(3034)上的通孔用于安装角度调节器(305)，实现旋转板(3031)绕后端销轴的角度调节；平动板(3035)为另一根直板，平动板(3035)的上表面固定有滑块(3038)，滑块(3038)装卡在导轨(3033)上，平动板(3035)的后端安装有尾板(3036)，尾板(3036)的上表面安装有拉杆连接座(3037)，拉杆连接座(3037)的通孔用于安装拉杆(304)，实现平动板(3035)的辅助支撑；长度调节器(3032)的固定端安装在旋转板(3031)的上表面，长度调节器(3032)的运动端与平动板(3035)的后端通过销轴连接；长度调节器(3032)带动平动板(3035)上的滑块(3038)沿导轨(3033)移动，实现平动板(3035)的前后移动；

两个试验段圆盘(302)内壁、两个上、下壁板组件(303)和两个上、下长度补偿板之间的空间为试验段；两个试验段圆盘(302)外壁与壳体(301)之间的空间为试验段驻室；

上、下壁板组件(303)与可调高度收缩段(203)通过销轴连接；角度调节器(305)的固定端固定在支撑架(201)上，角度调节器(305)的运动端通过销轴与旋转连接座(3034)连接，实现上、下壁板组件(303)的扩开角调节；所述的联调方法包括以下步骤：

a.分别拆除上、下尾板(3036)的拉杆(304)；

b.分别启动上、下长度调节器(3032)，将试验段的上、下壁板长度均调整至零点位置；

c.分别启动上、下角度调节器(305)，将上、下壁板均由零位扩开3°～5°；

d.依据叶栅模型的试验状态，计算出叶栅模型首叶片距离流道中心线高度的H1、尾叶片距离流道中心线高度的H2；

e.同时启动上方的高度调节器(204)和角度调节器(305)，将叶栅模型的首叶片距离流道中心线高度调整至H1，并在过程中保持上壁板3°～5°扩开角不变；

f.同时启动下方的高度调节器(204)和角度调节器(305)，将叶栅模型的尾叶片距离流道中心线高度调整至H2，并在过程中保持下壁板3°～5°扩开角不变，实现可调高度声速喷管(2)气流出口高度和试验段上、下壁板组件(303)高度的联合调节；

g.分别启动上、下角度调节器(305)，将上、下壁板扩开角均调整至零位；

h.启动上方的长度调节器(3032)带动平动板(3035)向前移动伸长至首叶片前缘位置；

i.启动下方的长度调节器(3032)带动平动板(3035)向前移动伸长至尾叶片前缘位置；

J.分别安装上、下尾板(3036)的拉杆(304)。

2.根据权利要求1所述的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，其特征在于，所述的安装销轴的位置替换为安装铰链，安装铰链的位置替换为安装销轴。

3.根据权利要求1所述的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，其特征在于，所述的可调高度收缩段(203)的前端开有密封槽，密封槽内安装橡胶条，固定收缩段(202)和可调高度收缩段(203)之间搭接的型面通过橡胶条密封。

4.根据权利要求1所述的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，其特征在于，所述的高度调节器(204)、角度调节器(305)、长度调节器(3032)为丝杠或电动缸。

5.根据权利要求1所述的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，其特征在于，所述的上、下壁板组件(303)的前端开有密封槽，密封槽内安装有橡胶条。

6.根据权利要求1所述的平面叶栅亚声速试验装置中喷管与试验段联调方法，其特征在于，所述的导轨(3033)为直线导轨。

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