一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构

摘要

本发明公开了一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构，包括呈圆柱状的探针支杆，探针支杆周向两侧相对设置有两个薄弧面板，且两个薄弧面板关于探针支杆平行于来流方向的直径对称；沿探针支杆的半径方向，两个薄弧面板的内弧面与探针支杆圆柱面的距离从两个薄弧面板的前缘端向尾缘端逐渐收缩；两个薄弧面板的前缘端与探针支杆中心的连线构成的夹角为两个薄弧面板的前缘开度，两个薄弧面板的尾缘端与探针支杆中心的连线构成的夹角为两个薄弧面板的尾缘开度。本发明利用罩型薄板结构，将支杆绕流分流为内流与外流，并通过渐收缩通道使内流由后端喷出后裹挟外侧分离流，消减探针支杆绕流尾迹，结构简单且便于安装，成本较低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构，属于流体动力探测领域。

背景技术

在流体机械工程领域，各种复杂的流动现象为流体试验增加了难度，为了在各类流体试验中便捷精确地采集实验数据，各类稳态测试探针是实验数据采集工具的首选。稳态测试探针通过与其实验环境相匹配的探针支杆固定，结构简单且技术成熟，是气动测试中最常用的试验工具。但是探针及其支杆进入到流场中，支杆尾迹不可避免地对下游流场造成不良影响，这种不良影响尤其体现在多级结构的叶轮机械中。在叶轮机械测试中，为了削弱这种影响，国内外研究者提出了支杆型面采用流线型设计、静子上采用叶型探针等设计方法。然而，流线型设计会使探针支杆长度增加，不易安装；进口无导叶时叶型探针则无法使用。因此，带圆柱型支杆的稳态测试探针仍然是叶轮机械性能测试所采用的主要测试工具。

针对探针支杆绕流尾迹对下游流场的不良影响，国内外研究者做了很多数值模拟和实验研究。研究发现，插入探针支杆后的流场在近探针支杆处的静压分布、轴向流速均有明显改变。当探针支杆安装位置接近静子叶片时，静子叶片的尾迹由于速度较低而对下游转子造成影响，而支杆尾迹造成的影响可能更为严峻，降低了叶轮机械的整体测试精度与实验可信度。探针支杆的绕流尾迹问题已经成为叶轮机械测试中的一个重要难题。

因此，本领域技术人员致力于开发一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构，具有结构简单、便于安装、成本较低等特点，能够有效降低探针支杆绕流尾迹对下游流场造成的不良影响，从而提高探针在流体动力试验中的测试精度。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构，具有结构简单、便于安装、成本较低等特点，能够有效消减探针支杆绕流尾迹对下游流场造成的不良影响，从而提高探针在流体动力试验中的测试精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构，包括呈圆柱状的探针支杆，探针支杆周向两侧相对设置有两个薄弧面板，且两个薄弧面板关于探针支杆平行于来流方向的直径对称；两个薄弧面板的厚度均匀一致，两个薄弧面板的内、外弧面均与探针支杆的中心轴线平行；沿探针支杆的半径方向，两个薄弧面板的内弧面与探针支杆圆柱面的距离从两个薄弧面板的前缘端向尾缘端逐渐减小；两个薄弧面板的前缘端与探针支杆中心的连线构成的夹角为两个薄弧面板的前缘开度，两个薄弧面板的尾缘端与探针支杆中心的连线构成的夹角为两个薄弧面板的尾缘开度。本发明中，厚度在探针支杆半径的1％–30％内的弧面板为薄弧面板。

该结构通过在探针支杆周向两侧近支杆圆柱面处对称设置两个厚度均匀的薄弧面板，使探针支杆周围的绕流流体分流为内流与外流，并使薄弧面板的内弧面与支杆圆柱面形成渐缩通道，从而使内流流体稳定通过支杆两侧，并逐渐加速到达支杆尾缘处，从支杆尾缘与薄板尾缘形成的射流缝隙中喷出。喷出的射流流体可以有效地抑制支杆后部圆柱面的附面层分离；同时，由薄板外壁面附面层分离产生的脱落涡被内流射流流体裹挟、抵消，产生的尾迹明显减小。此外，射流流体对支杆后方低能流体的吹除作用，加快了尾迹中涡的耗散。综合以上作用机理，本发明能够使支杆圆柱绕流尾迹中的涡流强度减小，绕流尾迹的影响范围收缩，达到消减支杆绕流尾迹及消减圆柱涡激振动的目的。

优选的，为确保有足够的射流流量，沿探针支杆的半径方向两个薄弧面板的尾缘端与探针支杆圆柱面的距离为探针支杆半径的5％-10％；为确保流体加速充分，板前缘距支杆柱面的距离通常为板尾缘距支杆柱面距离的2-5倍，因此，沿探针支杆的半径方向两个薄弧面板的前缘端与探针支杆圆柱面的距离为探针支杆半径的10％-50％。

优选的，两个薄弧面板的前缘开度为40-80度，尾缘开度为50-80度。

优选的，两个薄弧面板可以通过铆钉或焊接的方式安装在探针支杆上，也可以安装在探针支杆的支撑体上，从而形成套筒状保护探针支杆。前者装配简单且固定平稳，后者便于更换探针支杆。

优选的，当薄弧面板的厚度小于1mm时，考虑其加工难度，两个薄弧面板的前缘端和尾缘端可不进行倒圆角处理。但薄弧面板的厚度超过1mm时，两个薄弧面板的前缘端和尾缘端均进行倒圆角处理。

优选的，为了在支杆轴向上完全覆盖支杆，两个薄弧面板沿探针支杆轴向的长度不小于需消减绕流尾迹的探针支杆轴向长度。

优选的，为了不过多增加探针支杆在测量流场中的流向长度，沿来流方向两个薄弧面板的尾缘端不超过探针支杆的尾缘端。

有益效果：本发明提供的一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构，相对于现有技术，具有以下优点：1、结构简单且便于安装，成本较低，占用空间较小，且适用于多种流体测试环境；2、加罩型薄板的绕流尾迹较无控制措施的探针支杆绕流尾迹大幅削弱，进一步消减了支杆对下游流场的不利影映，同时还可以达到消减圆柱涡激振动的效果。

附图说明

图1为本发明一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构的剖面示意图；

图2为本发明一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构的侧视图；

图中包括：1、探针支杆，2、薄弧面板，3、铆钉，4、前缘开度，5、尾缘开度。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种用于消减探针支杆绕流尾迹的罩型薄板结构，包括呈圆柱状的探针支杆1，探针支杆1周向两侧相对设置有两个薄弧面板2，两个薄弧面板2关于探针支杆1平行于来流方向的直径对称；两个薄弧面板2的厚度均匀一致，两个薄弧面板2的内、外弧面均与探针支杆1的中心轴线平行；沿探针支杆1的半径方向，两个薄弧面板2的内弧面与探针支杆1圆柱面的距离从两个薄弧面板2的前缘端向尾缘端逐渐收缩；两个薄弧面板2的前缘端与探针支杆1中心的连线构成的夹角为两个薄弧面板2的前缘开度4，两个薄弧面板2的尾缘端与探针支杆1中心的连线构成的夹角为两个薄弧面板2的尾缘开度5。

本实施例中，探针支杆1的半径为5mm，轴向长度为50mm；薄弧面板2的厚度均为1mm，两个薄弧面板2为椭圆柱面的组成部分。

本实施例中，沿探针支杆1的半径方向，两个薄弧面板2的尾缘端与探针支杆1圆柱面的距离为0.5mm；沿探针支杆1的半径方向，两个薄弧面板2的前缘端与探针支杆1圆柱面的距离为1.63mm。

本实施例中，两个薄弧面板2的前缘开度4为49.84度，尾缘开度5为70.64度。

本实施例中，两个薄弧面板2各自由上中下三排铆钉3固定在探针支杆1上，铆钉3分别位于探针支杆1轴长0.5、25、49.5mm处；铆钉3半径为0.5mm，铆钉3固定于探针支杆1垂直于来流方向的直径所在柱面上。

本实施例中，两个薄弧面板2沿探针支杆1轴向的长度为50mm，两个薄弧面板2的流向弦长为11.58mm，且沿来流方向两个薄弧面板2的尾缘端不超过探针支杆1的尾缘端。

本实施例中，探针支杆1为布置在航空发动机压气机进口处的稳态压力测试探针支杆1且距离叶片前缘0.5-1.5倍叶片轴向弦长。

本发明中，所述薄弧面板2的厚度在探针支杆1半径的1％–30％内。

本发明通过在探针支杆1两侧安装罩型薄板结构，分流圆柱绕流流体，使薄板内壁面与支杆壁面形成渐缩流道，使内流流体稳定通过支杆两侧，并逐渐加速到达支杆尾缘处，由支杆尾缘与薄板形成的射流缝隙中喷出，吹除支杆后方的低能流体并对分离涡产生裹挟作用，有效地减小了探针支杆1绕流尾迹。

本发明中，所述稳态测试探针包括压力稳态测试探针及温度稳态测试探针；所述流体工质为气体、液体或多相流体。

在保证薄板强度前提下，板厚度尽量薄，减少板本身的厚度对流场产生的堵塞影响。当薄弧面板2的厚度超过1mm时，两个薄弧面板2的前缘端和尾缘端均进行倒圆角处理。

本发明中两个薄弧面板2的内、外壁面均为光滑弧面，保证内流稳定通过收缩流道；两个薄弧面板2一般选用金属材料，以保证强度为前提使弧面板尽量轻薄；所述薄板弧面可为轴向上与支杆中轴距离一定，周向上与支杆中轴距离变化的柱面，其基线可选用椭圆弧、椭圆与圆弧的复合曲线、抛物线及高阶拟合曲线等。

本发明中两个薄弧面板2的安装方式及安装位置由被测试的叶轮机械测试要求决定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。