一种用于轴向转动孔流量系数测量的装置及不转动法

摘要

本发明提出一种用于轴向转动孔流量系数测量的不转动法，首先将进气气流的绝对进气角度转化为相对进气角度，将轴向转动孔变为静止孔。其次在轴向转动孔前设置预旋喷嘴，预旋角按照气流相对进气角度给定，使气流通过预旋喷嘴预旋后再进入轴向转动孔，最后，将热电偶粘在预旋喷嘴进口，引出补偿导线到采集板卡对预旋喷嘴入口绝对总温进行测量；通过引压管连接到差压表等压力测量仪器对预旋喷嘴出口和轴向转动孔出口静压进行测量；从而通过理想流量的计算公式得到理想流量，通过流量计对通过孔的流量进行测量，得到通过孔的实际流量，从而得到流量系数。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机空气系统领域，具体地说，涉及一种用于轴向转动孔流量系数测量的装置及不转动法。

背景技术

目前，航空发动机推重比的提高意味着需要相应提升涡轮进口前燃气温度，每提高55℃，发动机的推力约可提高10％。现代航空发动机涡轮前温度已经高达2000K，远大于发动机金属材料的耐温上限，单纯的提高金属材料的耐温极限已经难以满足发动机性能的提升，更多的是需要从压气机抽取空气并通过内流空气系统对高温部件进行有效的冷却。

在现代涡轮喷气发动机中，空气系统内的气体流量约占发动机总流量的20％～30％，并主要具有冷却发动机高温部件、封严、轴承轴向负载的控制、防止燃气入侵与轮缘封严等作用，直接影响着发动机工作的可靠性以及其工作寿命。然而，空气系统的流路结构十分复杂，冷却空气必须通过各种流动结构元件(如管道、孔、封严、盘腔等)才能到达目标结构，完成相应的功能。孔是空气系统中常见的限流和损失元件，其类型多种多样，如涡轮叶片上的气膜孔、转盘上的轴向转动孔、发动机轴上的径向转动孔等。准确把握各类孔结构的流量系数及压力和温度变化，对于空气系统设计具有十分重要的意义。

目前现有的轴向转动孔实验测量方法需要测量孔进口的相对总压、相对总温，孔出口的静压以及通过孔的流量，国内外进行了大量的数值与实验研究，得到了不同几何尺寸和气动工况下轴向转动孔的流量系数，但这种实验方法存在两个显著缺点：1.由于孔是转动的，实验模拟和实验测量难度和成本很大。2.实验研究中未对通过封严篦齿的泄漏流量进行测量，从而导致转动孔流量系数的实验结果误差较大。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：为了克服现有测量方法准确度低，测量难度大，成本高的问题，本发明提出一种用于轴向转动孔流量系数测量的不转动法。

本发明的技术方案是：一种用于轴向转动孔流量系数测量的装置，包括预旋喷嘴3和第一外环体4；预旋喷嘴3在第一外环体4内周向均布，预旋喷嘴3开有通孔，且通孔轴线与第一外环体4的轴线存在夹角；气流通过预旋喷嘴3的通孔预旋后，进入轴向转动孔。

本发明进一步的技术方案是：一种基于上述装置对轴向转动孔流量系数测量的不转动法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将绝对进气角度转换为相对进气角度；

轴向转动孔(1)与第二外环体(2)以相同速度进行轴向转动，进气气流与轴向转动孔(1)的轴线形成绝对进气角度θ；将θ转换为相对于第二外环体(2)的相对进气角度θ_r，公式为

其中，为来流速度V的周向分量，U为轴向转动孔与第二固体的转动速度，V_z为来流速度V的轴向分量；

步骤二：预旋喷嘴以及预旋角的设定；

停止第二固体和轴向转动孔的转动，保持轴向转动孔静止；在轴向转动孔前设置预旋喷嘴，使进气气流通过预旋喷嘴预旋后再进入轴向转动孔；预旋喷嘴中的预旋角计算如下：

θ₀＝90°-θ_r

步骤三：实验工况调节和温度、压力、流量的测量；

在预旋喷嘴进口处设置温度测点，通过热电偶测量进气气流的绝对总温；在预旋喷嘴的出口和轴向转动孔的出口处均设置静压测点，通过差压表等压力测量仪表对预旋喷嘴出口和轴向转动孔出口静压进行测量；进气气流通过孔后进入流量计，对气流的流量进行测量；

通过调节气源的压力和进气阀门的开度控制进气气流的流量和压力，通过调节加热器的功率控制进气气流的温度，(上面喷嘴前后的测点测温度、压力、流量，如果跟相应的实际工况不相同，通过调气源、阀门和加热器达到目标值)从而保证进气气流的绝对总温与相应实际工况进气气流的相对总温相同；轴向转动孔的出口的静压与相应实际工况的静压相同，通过孔的流量与相应实际工况相同。

步骤四：流量系数计算；

通过步骤二确定的预旋角θ₀和步骤三测量得到气流的流量计算进入轴向转动孔气流的周向速度和轴向速度V_z，如下式：

$>V_z=\frac{{\stackrel{·}{m}}_{actual}}{{\mathrm{\rho A}}_0}$>

其中A₀为预旋喷嘴出口轴向横截面积，ρ为气流密度；

通过步骤三测量得到为预旋喷嘴进口绝对总温计算进入轴向转动孔气流的静温T₁，由下式确定：

其中c_p为气流定压比热；

通过步骤三测量得到预旋喷嘴出口静压P₁，计算进入轴向转动孔气流的总压由下式确定：

其中γ为气流比热比；

最后由进气气流的总温总压和孔出口测得的静压P₂，计算轴向转动孔的流量系数，由下式确定：

$>C_d=\frac{{\stackrel{·}{m}}_{actual}}{{\stackrel{·}{m}}_{ideal}}=\frac{{\stackrel{·}{m}}_{actual}}{{P_1}^{*}A\sqrt{\frac{2\gamma }{\gamma -1}\frac{1}{R_g{T_0}^{*}}[{\left(\frac{P_2}{{P_1}^{*}}\right)}^{\frac{2}{\gamma }}-{\left(\frac{P_2}{{P_1}^{*}}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma }}]}}$>

其中R_g为气体常数。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出一种用于轴向转动孔流量系数测量的不转动法，可以在静止条件下，对复杂的转动实验工况进行模拟。静止条件下对孔流量系数进行测量，不存在转静件封严泄露的问题，不需要对泄露流量进行测量，大大提高了实验精度，同时由于是在静止条件下进行的测量，不需要在转动件上测量相对状态参数，大大降低了实验成本。转动实验由于涉及振动等问题，实验的危险系数很高，容易出现安全事故，而在静止状态下进行实验，大大提高了实验的安全性。准确把握各类孔的流量系数及压力和温度分布是空气系统设计中关键的环节，由于流量系数是由流量，压力和温度综合计算得到，因此流量系数的偏差大小可以在很大程度上说明不转动法的准确性。使用不转动法得到的流量系数与实际工况下流量系数的偏差仅为3.54％，不转动法的准确度很高。发动机设计时，需要得到各种类型，尺寸的孔在不同进出口压力条件下的流量系数及压力和温度分布，从而进行选择，而流量系数及压力和温度需要通过实验得到，不转动法的目的就是在静止条件下得到这些参数，流量系数是通过流量，压力，温度计算得到，所以我选择流量系数作为衡量不转动法的准确度的参数，目的就是说明这种方法准确度高，实际应用时，要得到各种轴向转动孔的流量系数及压力和温度分布，可以用这种方法

附图说明

图1进气速度矢量图

图2不转动法进气示意图

图3不转动法测点示意图

图4不转动法实验结构示意图

图5预旋喷嘴整环结构图

图6轴向转动孔整环结构图

图中：

1—轴向转动孔2—孔外固体3—预旋喷嘴 4—喷嘴外固体

5—预旋喷嘴进口6—预旋喷嘴出口7—轴向转动孔出口

V来流绝对速度来流速度V的周向分量V_z来流速度V的轴向分量

U孔及孔外固体的转动速度W来流相对速度θ₀预旋角

θ气流绝对进气角度θ_r气流相对进气角度实际流量

具体实施方式

不转动法的基本思想是根据流动和转动的相对性，采用固体不动，流体气体，即发动机空气系统里面的空气相对流动的方法。首先将进气气流的绝对进气角度转化为相对进气角度，(实际转动工况由进气流量，进气绝对角度；进气相对总温，孔出口静压确定)，其次将轴向转动孔变为静止孔，不给转速。逆着流动方向，在轴向转动孔前设置预旋喷嘴，预旋角按照气流相对进气角度给定，使气流通过预旋喷嘴预旋后再进入轴向转动孔，最后，在预旋喷嘴的进口设置温度测点，通过热电偶对预旋喷嘴入口绝对总温进行测量，预旋喷嘴的出口和轴向转动孔的出口设置静压测点，通过引压管连接到差压表等压力测量仪表对预旋喷嘴出口和轴向转动孔出口静压进行测量，温度可以用热电偶进行测量，直接将热电偶粘在喷嘴进口，引出补偿导线到采集板卡就能对温度进行测量。静压是在喷嘴出口和孔出口附近固体打静压孔，通过引压管连接到压力表或者差压表进行测量，从而得到通过孔的理想流量，最后对通过孔的流量收集进行测量，得到通过孔的实际流量，从而得到流量系数。第一外环体4和第二外环体2为圆环形；若干所述预旋喷嘴3位于第一外环体4内，且在第一外环体4内进行周向均布；预旋喷嘴3开有通孔，且通孔轴线与第一外环体4的轴线不平行；若干所述轴向转动孔在第二外环体2内周向均布，且轴向转动孔的轴线与第二外环体2的轴线平行，预旋喷嘴3和轴向转动孔的数量、转动半径和轴向横截面积相同；且预旋喷嘴3和轴向转动孔为一一对应的关系，气流通过预旋喷嘴3的通孔预旋后，进入轴向转动孔。不转动法通过预旋喷嘴给定气流的相对进气角度，模拟轴向孔转动时的进气方向，并保证孔进口气流绝对总温与实际工况的相对总温相同，孔出口的静压相同，使实验在相同压比下进行，也就是说，不转动法与实际工况的相对进气角度、进气温度和流量以及出口静压都是相同的。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步描述:

实施例1：

结合附图1，轴向转动孔1位于转动件上，与孔外固体2以相同转动速度U绕转动轴转动，气流以绝对进气角度θ进入轴向转动孔1，而对于轴向转动孔实际感受到的是相对进气角度θ_r，相对进气角度可以由下式确定：

通过上式将绝对进气角度转化为相对进气角度。

结合附图2，将轴向转动孔1变为静止孔，不给转速U。逆着流动方向，在轴向转动孔1前设置预旋喷嘴3，使气流通过预旋喷嘴预旋后再进入轴向转动孔，预旋角按照气流相对进气角度给定：

θ₀＝90°-θ_r

结合附图2，5，使用孔型预旋喷嘴对进气气流进行预旋，改变进入轴向转动孔的气流方向，为了保证进入孔气流的方向和均匀性，预旋喷嘴长度与直径L₀/D₀选用在4～5之间长径比，如果使用其他高性能的预旋喷嘴，如叶片式预旋喷嘴，长径比没有特殊要求。

结合附图3，4，6，在预旋喷嘴进口5设置温度测点，用热电偶来测量进入孔1气流的绝对总温需要说明的是，在第二外环体2与轴向转动孔以相同速度转动时，孔进口气流温度为相对总温，当轴向转动孔处于静止时，孔进口气流温度为绝对总温。(在预旋喷嘴3的出口6和轴向转动孔1的出口7设置静压测点，通过引压管连接到差压表等压力测量仪表对预旋喷嘴出口静压P₁和轴向转动孔出口静压P₂进行测量。在使用不转动法进行实验时，通过调节气源的压力和进气阀门的开度控制进气气流的流量和压力，调节加热器的功率控制进气气流的流量，并保证预旋喷嘴进口5的绝对总温与相应实际工况进气气流的相对总温相同，轴向转动孔的出口7的静压与相应实际工况的静压相同，通过孔的流量与相应实际工况相同。

预旋喷嘴3出口气流，即进入轴向转动孔气流的周向速度和轴向速度V_z由下式计算：

$>V_z=\frac{{\stackrel{·}{m}}_{actual}}{{\mathrm{\rho A}}_0}$>

其中A₀为预旋喷嘴出口轴向横截面积，ρ为气流密度。

进入轴向转动孔1气流的总压由下式计算：

其中为预旋喷嘴进口测得的绝对总温，P₁为预旋喷嘴出口测得的静压，c_p为气流定压比热，γ为气流比热比。

最后通过不转动法可以得到通过孔的流量系数，如下式所示：

$>C_d=\frac{{\stackrel{·}{m}}_{actual}}{{\stackrel{·}{m}}_{ideal}}=\frac{{\stackrel{·}{m}}_{actual}}{{P_1}^{*}A\sqrt{\frac{2\gamma }{\gamma -1}\frac{1}{R_g{T_0}^{*}}[{\left(\frac{P_2}{{P_1}^{*}}\right)}^{\frac{2}{\gamma }}-{\left(\frac{P_2}{{P_1}^{*}}\right)}^{\frac{\gamma +1}{\gamma }}]}}$>

其中为理想条件下通过孔的理论流量，P₂为孔出口测得的静压，A为孔横截面积，R_g为气体常数。

实施例2：

在同一转动孔结构参数条件下，对比不转动法和实际转动工况流量系数的偏差：轴向转动孔的结构参数为：孔半径位置R＝170.7，孔长L＝10mm，孔直径D＝6.5mm，轴向转动孔整环数目为N＝60。预旋喷嘴与轴向转动孔半径位置相同，整环数目相同，出口截面积与孔截面积相同，预旋角由相对进气角度确定。

下表给出了不转动法的实验工况，并通过CFD数值模拟得到不同相对进气角度下，不转动法得到的流量系数和实际流量系数的对比。从表中可以看出，不转动法得到的流量系数与实际流量系数的偏差最大仅有3.54％。可以看出，不转动法的准确度很高，在工程应用上很有实用价值。