CN115436043A - 一种对转涡轮的模型实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于叶轮机械领域，具体涉及一种对转涡轮的模型实验装置及方法。包括流场大畸变漩涡发生器，所述的流场大畸变漩涡发生器设置在叶栅上游。本发明的有益效果在于：通过在涡轮叶栅台上游放置畸变装置，可以模拟上游来流中高压涡轮叶顶附近的复杂来流条件，特别是叶顶泄漏流。进行叶栅实验，可以模拟低压涡轮叶顶在来流发生畸变条件下流动特性、气动性能和传热特性。该实验所得的结果比没有采用畸变装置情况更有可信性。

Description

一种对转涡轮的模型实验装置及方法

技术领域

本发明属于叶轮机械领域，具体涉及一种对转涡轮的模型实验装置及方法。

背景技术

为了避免涡轮动叶叶顶与机匣发生剐蹭，叶顶附近会留有一定的间隙。由于叶顶间隙进出口存在压力差，叶顶附近流体在其驱动下，从间隙进口(压力侧)流向出口(吸力侧)，形成叶顶泄漏流。由于流出间隙的流体与主流在速度大小与方向上存在差异，所以两股流体将发生粘性剪切而形成叶顶泄漏涡，这一流动现象不仅会提升流场复杂性，还将导致流场熵增增大，降低涡轮气动性能。

叶顶泄漏流问题涉及复杂的分离、剪切和涡旋流动，以及泄漏流和主流的掺混，目前还没有有效的数值方法能做到对具有这些流动特性流体十分精确的模拟。这使得数值模拟中获得的流动损失和实际情况下的流动损失会有不同，这就需要通过实验来确定其中的差别到底有多大。相对于高速条件下的实验，在低速叶栅台上进行的实验费用低，周期短，测量精度高。因此，很多研究中都在低速叶栅台上研究叶顶泄漏流特性和验证叶顶设计。按照优化设计的理念，获得低速叶栅台上的叶顶实验模型，研究采用优化设计后叶尖泄漏涡的特性等流动特性和流动损失。通过和数值模拟方法的对比，可以进一步深入对优化设计的理解，使得在后继的工作中能够采用性能更好的叶顶设计。

引入新型发动机设计理念的对转涡轮构型中，由于两排动叶之间不存在传统涡轮构型中常见的导叶进行整流，高压动叶出口(即低压动叶进口)，机匣附近流场具有大畸变特性，叠加周期性非定常效应，难以进行全工况的研究，必须要进行模化。如何进行准确的模化，提取叶顶泄漏流模型、并根据模型实验的结果来发展优化设计的方法是一个关键技术难点。

研究对转涡轮构型中泄漏流损失的产生机理，需要分析高压动叶出口的三维流动形态和径向分布，具体包括端壁二次涡、尾迹、叶顶泄漏流等复杂流动结构，考察该三维畸变在低压动叶通道内的非定常迁移规律和对气动性能的影响，重点关注周期性非定常效应对叶尖流动特性的作用机理。此外，传统的损失预测模型大多基于时均场，在计算中多采用掺混面模型。这种模型形式简单，但是对实际发动机的效率预测往往偏差较大。

为了解决以上问题，国内外已经进行了很多的相关研究和探索，目前关于模拟流场畸变的办法大致有使用尖锥、正四面体、不对称尖劈等，但是效果都不是很理想。除此之外，还有一些小型的简易漩涡发生器，但模拟出的流场畸变强度不够，同时模拟精度不高，与发动机真实工况偏差较大。因此，针对对转涡轮高压动叶出口流场大畸变对低压动叶流场的影响，目前的研究是不足的，相应的模化实验也不够完备。

发明内容

本发明的目的是提供一种对转涡轮的模型实验装置及方法，在大尺寸低速叶栅台上构建出对转涡轮高压动叶出口大畸变流场条件，从而在叶栅实验台上模拟出上游具有畸变来流的流场特性，对数值计算工具进行标定，从而提高数值计算工具的可靠性和准确性。

本发明采用的技术方案是：一种对转涡轮的模型实验装置，包括流场大畸变漩涡发生器，所述的流场大畸变漩涡发生器设置在叶栅上游。

所述的流场大畸变漩涡发生器可以为一个或多个。

所述的流场大畸变漩涡发生器距离叶片前缘的0到15倍叶片弦长的范围内。

所述的流场大畸变漩涡发生器包括旋流器，侧板和安装座，所述的旋流器的两侧设有侧板，侧板的两端分别设有安装座。

一种对转涡轮的模型实验方法，包括如下步骤：

步骤1：根据所需模拟出的高压动叶出口流场畸变特征，设计出相应外框尺寸、形状、数量与内置叶片特征的旋流器；

步骤2，将若干旋流器固定于叶栅进口，距离叶片前缘在一定的范围内；

步骤3：测量出旋流器下游一定距离的漩涡特征；

步骤4：进一步处理出漩涡特征，给出不同坐标点上的速度、压强等，获得流场特性；

步骤5：将上述步骤3和步骤4所得漩涡特征与所要需模拟出的流场畸变特征相比较，若差异控制在误差范围内，则开始进行模拟的高压动叶出口流场畸变实验，否则，重复步骤1-4的过程进行迭代。

所述步骤2中的一定范围为0到15倍叶片弦长的范围内。

所述步骤3中的一定距离为0到100倍旋流器直径的范围内。

所述步骤3中的所述的漩涡特征包括但不限于气压、流速等。

所述步骤4中的包括同时获得包括但不限于涡量、螺旋度等参数。

所述步骤3中使用探针或PIV测量出旋流器下游的漩涡特征。

本发明的有益效果在于：通过在涡轮叶栅台上游放置畸变装置，可以模拟上游来流中高压涡轮叶顶附近的复杂来流条件，特别是叶顶泄漏流。进行叶栅实验，可以模拟低压涡轮叶顶在来流发生畸变条件下流动特性、气动性能和传热特性。该实验所得的结果比没有采用畸变装置情况更有可信性。

附图说明

图1是大尺寸叶栅实验台以及本发明的流场大畸变漩涡发生器的示意图；

图2是流场大畸变漩涡发生器的示意图；

图3是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片周向实验测试叶片吸力侧附近示意图；

图4是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片周向实验测试叶片吸力侧与下方临近叶片压力侧之间示意图；

图5是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片周向下方临近叶片压力侧附近示意图；

图6是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片展向紧贴端壁的位置示意图；

图7是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片展向与端壁存在距离的位置示意图；

图8是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片展向叶中附近的位置示意图；

图9是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片前缘上游40％叶片轴向弦长处示意图；

图10是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片前缘上游20％叶片轴向弦长处示意图；

图11是流场大畸变漩涡发生器放置于叶片前缘上游10％叶片轴向弦长处示意图；

图12是叶片轴向视角下，叶栅上游同时放置两个流场大畸变漩涡发生器的示意图；

图13是叶片展向视角下，叶栅上游同时放置两个流场大畸变漩涡发生器的示意图；

图14是旋流器直径分别为20mm时，30mm时，40mm时的总压损失系数分布情况；

图15是旋流器直径分别为20mm时，30mm时，40mm时的无量纲流向涡量分布情况；

图16是偏转角分别为10度时，20度时，30度时的无量纲流向涡量分布情况；

图17是是流场大畸变漩涡发生器的第二种实施例示意图。

图中：101大尺寸叶栅实验台，102叶栅台进口，103流场大畸变漩涡发生器，103位于叶栅进口且距离叶片前缘距离小于50％叶片轴向弦长，104用于固定和调整103位置的长杆结构，205用于固定和调整103位置的短杆结构，701直径为20mm的旋流器下游总压损失系数表征的涡旋，702直径为30mm的旋流器下游总压损失系数表征的涡旋，703直径为40mm的旋流器下游总压损失系数表征的涡旋，801直径为20mm的旋流器下游无量纲流向涡量表征的涡旋，802直径为30mm的旋流器下游无量纲流向涡量表征的涡旋，803直径为40mm的旋流器下游无量纲流向涡量表征的涡旋，901叶片偏转角为10度的旋流器下游无量纲流向涡量表征的涡旋，902叶片偏转角为20度的旋流器下游无量纲流向涡量表征的涡旋，903叶片偏转角为30度的旋流器下游无量纲流向涡量表征的涡旋，1031旋流器，1032侧板，1033安装座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

本发明所提供的一种对转涡轮的模型实验方法，通过设计与布置特定的大尺寸涡旋发生器来模化流场特性，实现对转涡轮高低压动叶模型实验的解耦。通过调整旋流器叶片的数量和偏转角、旋流器外壳的尺寸和形状以及旋流器的数量来控制叶栅进口流场大畸变条件，主要用于模化高压动叶出口流场大畸变对低压动叶叶顶附近流场的作用。

如图1所示的大尺寸低速叶栅实验台，该实验台具有易测量、精度高和低造价的优点，同时可更换叶型、调整叶顶间隙尺寸、调节进口气流攻角等来满足不同实验工况的需求。

如图2所示，本发明所使用的流场大畸变漩涡发生器，用于模化不同的高压动叶出口(即低压动叶进口)流场大畸变条件。该流场大畸变漩涡发生器可通过3D打印技术加工成型。实际应用中，根据所需模拟的流场畸变特征，结合流体力学和空气动力学理论，设计出相应的外框尺寸、形状、数量与内置叶片特征(偏转角、厚度、数量)。

本发明的一种对转涡轮的模型实验方法，通过在叶栅实验台进口组合布置大尺寸旋流器去模拟出不同的来游大畸变流场。使用旋流器在其下游所模化出的流场大畸变条件可以通过调整旋流器叶片的数量和偏转角、旋流器外壳的尺寸和形状以及旋流器的数量来进行调整，并可通过前述测量手段(热线风速仪、五孔探针和PIV等)得到旋流器下游流场信息，以保证匹配不同的高压动叶出口(即低压动叶进口)流场大畸变条件。同时，根据得到的大畸变流动结构对下游叶顶附近流场作用的机理指导高压动叶出口(即低压动叶进口)流场大畸变的控制与设计，进一步降低涡轮气动损失。

如图1和2所示，一种对转涡轮的模型实验装置，可以模拟出高压动叶出口流场畸变特征，包括设置在叶栅上游的流场大畸变漩涡发生器103，所述的流场大畸变漩涡发生器103可以为一个或多个，流场大畸变漩涡发生器103距离叶片前缘在一定的范围内(0到15倍叶片弦长的范围内)，所述的流场大畸变漩涡发生器103包括旋流器1031，侧板1032和安装座1033，旋流器1031的两侧固定有侧板1032，侧板1032的两端分别固定连接有U型的安装座1033。其中的旋流器1031可以采用不同外框尺寸、形状、数量与内置叶片，从而获得不同的涡旋结构；采用多个旋流器时候，通过选择不同旋流器的几何、采用不同旋流器相对位置的方法来模拟不同的旋流特性。

一种对转涡轮的模型实验方法，具体包括如下步骤：

步骤1：根据所需模拟出的高压动叶出口(即低压动叶进口)流场畸变特征，设计出相应外框尺寸、形状、数量与内置叶片特征的旋流器；

步骤2，将若干(一般为两个)旋流器固定于叶栅进口，距离叶片前缘在一定的范围内(0到15倍叶片弦长的范围内)；

步骤3：使用探针(或PIV等)测量出旋流器下游一定距离(0到100倍旋流器直径的范围内)的漩涡特征，所述的特征包括但不限于气压、流速等；

步骤4：通过编程代码进一步处理出漩涡特征，给出不同坐标点上的速度、压强等，获得流场特性，同时推导获得包括但不限于涡量、螺旋度等参数；

步骤5：将上述步骤3和步骤4所得漩涡特征与所要需模拟出的流场畸变特征相比较，若差异控制在误差范围内(误差范围是多少)，则开始进行模拟的高压动叶出口(即低压动叶进口)流场畸变实验，否则，重复步骤1-4的过程进行迭代。

如图3-11所示，旋流发生器分别可以在叶片周向、展向与轴向自由调整来满足模拟高压动叶出口(即低压动叶入口)流场大畸变(漩涡)的要求。

具体实现措施如下：针对旋流器在叶片周向位置的要求，通过调整和移动用于固定和调整103位置的长杆结构来满足。针对旋流器在叶片轴向位置的要求，通过更换不同长度的来满足。针对旋流器在叶片展向位置的要求，通过调整用于固定和调整103位置的长杆结构104和用于固定和调整103位置的短杆结构205的相对固定位置来满足。

如图12和13所示，叶栅上游还可以同时布置数量大于一的旋流器来满足模拟流场畸变要求。

具体实现措施如下：针对旋流器位置的要求，通过在叶栅上游叶片轴向一前一后安装两套用于固定和调整103位置的长杆结构104和用于固定和调整103位置的短杆结构205的组合结构，或直接在用于固定和调整103位置的长杆结构104上安装两套尺寸不同的和用于固定和调整103位置的短杆结构205来满足。针对旋流器外壳形状和尺寸的要求，通过参考所模拟的高压动叶出口流场畸变而确定的旋流器各项参数(旋流器叶片的数量和偏转角、旋流器外壳的尺寸和形状)来满足。

旋流器叶片的数量和偏转角、旋流器外壳的尺寸和形状(圆、椭圆以及更高阶的幂指对数曲线)以及旋流器的数量都可以根据所需模化的大畸变流场进行调整，如图14所示，701为直径20mm的旋流器下游总压损失系数表征的涡旋，702为直径30mm的旋流器下游总压损失系数表征的涡旋，703为直径40mm的旋流器下游总压损失系数表征的涡旋。

Claims (10)

1.一种对转涡轮的模型实验装置，其特征在于：包括流场大畸变漩涡发生器，所述的流场大畸变漩涡发生器设置在叶栅上游。

2.如权利要求1所述的一种对转涡轮的模型实验装置，其特征在于：所述的流场大畸变漩涡发生器可以为一个或多个。

3.如权利要求1所述的一种对转涡轮的模型实验装置，其特征在于：所述的流场大畸变漩涡发生器距离叶片前缘的0到15倍叶片弦长的范围内。

4.如权利要求1至3任一所述的一种对转涡轮的模型实验装置，其特征在于：所述的流场大畸变漩涡发生器包括旋流器，侧板和安装座，所述的旋流器的两侧设有侧板，侧板的两端分别设有安装座。

5.一种对转涡轮的模型实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据所需模拟出的高压动叶出口流场畸变特征，设计出相应外框尺寸、形状、数量与内置叶片特征的旋流器；

步骤2，将若干旋流器固定于叶栅进口，距离叶片前缘在一定的范围内；

步骤3：测量出旋流器下游一定距离的漩涡特征；

步骤4：进一步处理出漩涡特征，给出不同坐标点上的速度、压强等，获得流场特性；

步骤5：将上述步骤3和步骤4所得漩涡特征与所要需模拟出的流场畸变特征相比较，若差异控制在误差范围内，则开始进行模拟的高压动叶出口流场畸变实验，否则，重复步骤1-4的过程进行迭代。

6.如权利要求5所述的一种对转涡轮的模型实验方法，其特征在于：所述步骤2中的一定范围为0到15倍叶片弦长的范围内。

7.如权利要求5所述的一种对转涡轮的模型实验方法，其特征在于：所述步骤3中的一定距离为0到100倍旋流器直径的范围内。

8.如权利要求5所述的一种对转涡轮的模型实验方法，其特征在于：所述步骤3中的所述的漩涡特征包括但不限于气压、流速等。

9.如权利要求5所述的一种对转涡轮的模型实验方法，其特征在于：所述步骤4中的包括同时获得包括但不限于涡量、螺旋度等参数。

10.如权利要求5所述的一种对转涡轮的模型实验方法，其特征在于：所述步骤3中使用探针或PIV测量出旋流器下游的漩涡特征。

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