一種葉頂噴氣試驗裝置的制造方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及船用燃?xì)廨啓C性能領(lǐng)域，特別涉及一種通過主動控制方法降低燃?xì)廨?機內(nèi)部間隙流動損失從而提高燃?xì)廨啓C效率及整體輸出功率的試驗裝置。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 燃?xì)廨啓C是21世紀(jì)大功率艦船的核心動力設(shè)備，其發(fā)展水平可以體現(xiàn)出一個國 家船舶工業(yè)的先進(jìn)程度，因此需要對其進(jìn)行大力發(fā)展。而流道內(nèi)部流動損失則是制約燃?xì)?輪機效率的主要因素之一，因此眾多研究機構(gòu)將其作為他們的課題研究重心。
[0005] 間隙流動損失是動葉內(nèi)部流動損失的重要組成部分之一。高壓渦輪中，動葉45% 流動損失，渦輪級中30%流動損失都是由間隙流動引起的。研究證明，間隙流動使得葉頂傳 熱系數(shù)上升約200%。
[0006] 由于間隙流動對渦輪性能有較大的影響，因此必須采取措施來削弱間隙流動。其 中一種有效的減弱間隙流動的方法就是葉頂噴氣。Pougare于1986年首次對葉頂噴氣進(jìn)行 了初步簡單的研究。研究結(jié)果顯示，葉頂噴氣可以有效的減弱間隙流動及間隙渦的出現(xiàn)。
[0007] 目前研究認(rèn)為，葉頂噴氣對間隙流動的作用主要表現(xiàn)在以下三個方面：（1)葉頂 噴氣對間隙流動起到阻塞作用，降低間隙流動損失；(2)噴氣孔下游間隙入口速度降低，間 隙流動與主流的摻混作用減弱；（3)間隙內(nèi)噴氣孔附近熵增減小。
[0008] 但目前國內(nèi)針對間隙流動的葉頂噴氣控制研究尚停留在數(shù)值模擬階段，尚無相應(yīng) 的試驗裝置對葉頂噴氣方案進(jìn)行研究。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明旨在提供一種可行的葉頂噴氣試驗裝置，通過該裝置對葉頂噴氣方案對控 制間隙流動損失的實際效果進(jìn)行試驗研究，從而可以較好地驗證葉頂噴氣方案是否具備工 業(yè)實際推廣價值。
[0011] 為了實現(xiàn)目的，本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種葉頂噴氣試驗裝置，包 括亞音速渦輪平面葉柵風(fēng)洞，所述風(fēng)洞包括風(fēng)機，穩(wěn)壓筒，蜂窩器，收斂器，進(jìn)口段，活動側(cè) 板，試驗葉柵和可轉(zhuǎn)動的半圓盤；氣流經(jīng)風(fēng)機加壓后進(jìn)入所述穩(wěn)壓筒，經(jīng)過蜂窩器，氣流被 均化、整直；然后經(jīng)過收斂器，進(jìn)口段和活動側(cè)板，進(jìn)入試驗葉柵，所述葉柵由試驗葉片組 成，所述葉柵塊嵌裝在所述半圓盤上，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時可以調(diào)節(jié)葉柵入口的沖角；該試驗裝置 還包括用于制作葉片頂部的薄片，所述薄皮與所述試驗葉片固定并與其位置完全重合；所 述葉片與所述半圓盤之間存在間隙高度；該試驗裝置還包括葉頂噴氣孔，其在距所述葉片 前緣一段距離的弦長范圍內(nèi)分布可調(diào)節(jié)；所述噴氣孔在所述葉片厚度方向上的分布可調(diào) 節(jié)；所述噴氣孔切向噴氣角度可調(diào)節(jié)；所述噴氣孔流向噴氣角度可調(diào)節(jié)；所述噴氣孔噴氣 流量可調(diào)節(jié)；所述試驗葉片表面分布有靜壓孔；所述葉柵出口截面分布有測試點。
[0012] 進(jìn)一步，該試驗裝置的還包括三孔探針，設(shè)置于相隔所述葉片前緣一段距離的位 置和相隔所述葉片尾緣的位置，用于獲得氣流來流的總壓、靜壓和方向角度的數(shù)據(jù)；電控平 移臺，實現(xiàn)位移自動化及實驗數(shù)據(jù)逐點采集；恒溫式熱線風(fēng)速儀，用于測量氣流二維流動的 兩個速度分量；數(shù)字多通道壓力掃描閥，用于測量所述葉片表面靜壓，葉柵出口截面總壓； 空氣壓縮機，用于提供葉頂噴氣所需的高壓氣體；質(zhì)量流量計，用于測量葉頂噴氣流量。
[0013] 進(jìn)一步，所述試驗葉片采用了軸流燃?xì)廨啓C高壓渦輪動葉葉片，取其50%葉高截 面葉型作為試驗葉型。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，其提出的葉頂噴氣試驗裝置可以較好地測量葉頂噴氣后葉片 通道內(nèi)二次流分布的變化情況，并借助于葉片表面靜壓分布變化，從而方便地研究間隙流 動受葉頂噴氣的影響。同時，借助于調(diào)整噴氣位置、噴氣角度、噴氣量等參數(shù)，可以輕松得出 一個最佳的噴氣方案，并驗證該方案在實際葉片的沖角范圍內(nèi)的性能表現(xiàn)。通過以上研究， 可以較好地驗證葉頂噴氣方案是否具備工業(yè)實際推廣價值。
[0015]
【附圖說明】
[0016] 通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它 特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯： 圖1是渦輪平面葉柵風(fēng)洞示意圖； 圖2葉柵測量流道及進(jìn)出口測量截面分布示意圖； 圖3渦輪葉片葉型圖； 圖4葉頂噴氣結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5渦輪葉片表面靜壓孔位置分布示意圖； 圖6出口截面測點分布示意圖； 圖7部分試驗裝置實物圖； 圖8主要試驗方案圖； 圖9不同沖角工況下，間隙流量、出口截面總壓損失分布圖； 圖1中，1是穩(wěn)壓筒1，2是經(jīng)過蜂窩器2, 3和4是收斂器3,4, 5是進(jìn)口段、6是活動側(cè) 板，8是試驗葉柵，7是半圓盤。
[0017] 附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。
[0018]
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明而 不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明優(yōu)選實施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制 該發(fā)明僅為所述的【具體實施方式】。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本 說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使 所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效 物的限制。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或 修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
[0020] 本發(fā)明的船用燃?xì)廨啓C流動損失控制試驗是在亞音速渦輪平面葉柵風(fēng)洞上進(jìn)行 的，其試驗裝置如圖1所示。
[0021] 氣流經(jīng)風(fēng)機加壓后進(jìn)入穩(wěn)壓筒1，經(jīng)過蜂窩器2后，氣流基本均化、整直，然后經(jīng)過 收斂器3,4,進(jìn)口段5、活動側(cè)板6,進(jìn)入試驗葉柵8。葉柵塊嵌裝在可以轉(zhuǎn)動的半圓盤7上， 當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時可以調(diào)節(jié)葉柵入口沖角。結(jié)合圖2所示，試驗葉柵8安裝在風(fēng)洞出口后730_ 位置,風(fēng)洞出口截面積226mm X 125mm。
[0022] 試驗葉柵8共有7個葉片，組成了六個有效流道，其中中間兩個葉片#3、#4設(shè)計為 空心結(jié)構(gòu)，作為主要測量區(qū)域，葉柵兩側(cè)葉片#1、#7通過墊片保證其不存在葉頂間隙，但與 側(cè)板之間有l(wèi)~2mm的狹縫，主要是為了削弱側(cè)板累積的邊界層厚度，保證進(jìn)口流場的均勻 性。
[0023] 為了保證葉柵進(jìn)口流場沿著節(jié)距方向均勻分布，在距離葉片前緣90mm位置（Z/ Cax=-L 5)布置一個三孔探針，通過調(diào)節(jié)葉片尾緣側(cè)板來實現(xiàn)前緣氣流的均勻。葉片尾緣出 口截面總壓損失系數(shù)及氣流角分布主要是在距離葉片尾緣9_截面（Z/Cax=l. 15)測量得 出的。出口截面測量利用兩個三孔探針同時測量兩個相鄰的流道，以保證測量的準(zhǔn)確度。
[0024] 為了保證試驗結(jié)論具有普遍適用性，該試驗裝置中葉片采用了典型高負(fù)荷、低展 弦比的軸流燃?xì)廨啓C高壓渦輪動葉葉片，為蘇黎世瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的"LISA" 1. 5級軸流渦 輪中動葉葉片為原型，取其50%葉高截面葉型作為試驗葉型，如圖3。
[0025] 葉頂噴氣方案的設(shè)置考慮了易加工性以及在實際工業(yè)上的可實現(xiàn)性，不能過于復(fù) 雜，以至于大幅增加工業(yè)應(yīng)用的成本。
[0026] 在葉柵中將位于流道中央的#3、#4葉片設(shè)計為空心葉片，以便于空氣從葉頂噴 出。葉頂噴氣結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0027] 噴射空氣由外部空氣壓縮機提供，進(jìn)入葉片空腔后從葉頂噴出。葉片頂部薄片厚 約2mm，通過沉孔螺釘與葉片固定，并有三個定位銷保證與葉片位置完全重合。螺釘與定位 銷高度與葉頂平齊，保證葉片間隙高度在弦長方向上完全相同。
[0028] 葉片通過底部螺栓孔固定在底盤支架上，間隙高度是通過在葉片與底板之間添加 墊片來實現(xiàn)的。墊片型線與葉片葉型完全相同，并由定位銷來保證其位置與葉片位置完全 吻合。墊片厚度為1mm，因此間隙高度變化差值為1mm。
[0029] 葉頂噴氣孔直徑為1mm，按等距均勻分布在距離葉片前緣18~72%弦長范圍內(nèi)，相 鄰孔心之間的間距約4. 6mm。噴氣孔中心線與葉頂表面之間的夾角為45°，葉頂薄片的厚度 為2mm，因此噴氣孔長度約為2. 83mm。噴氣孔在流向方向上的分布，噴氣孔中心線在葉頂上 的投影垂直于葉頂壓力邊。噴氣孔與葉頂壓力邊之間間距設(shè)計為3_，基本與葉頂分離渦出 現(xiàn)位置相對應(yīng)。
[0030] 為了測量間隙流動對葉片表面靜壓的影響，分別在50%、97. 5%葉高高度布置了兩 排32個直徑為0. 7mm的靜壓孔，其中壓力面布置12個靜壓孔，吸力面20個靜壓孔。
[0031] 圖5中黑點即為葉片表面靜壓孔分布位置。
[0032] 葉柵出口截面上測點分布如圖6所示。
[0033] 沿葉高方向上，在47%~98%葉高范圍內(nèi)，每隔2. 5mm設(shè)置一行測點，共26行。在葉 柵節(jié)距方向上，測量距離共包括I. 5倍葉柵節(jié)距，每隔2. 5mm設(shè)置一列測點，共33列。因此 葉柵出口截面上分布的測點共有26X33=858個。
[0034] 試驗測量采用儀器主要包括： 1)三管形三孔探針。
[0035] 通過三孔探針，獲得來流的總壓、靜壓和方向角度的數(shù)據(jù)，其迎風(fēng)面積比圓柱形三 孔探針小，對氣流通道的堵塞比較小。
[0036] 為了減小三孔探針對葉柵尾緣后流場的影響，我們設(shè)計了非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的三孔探 針，測量位置距離探針桿部90mm，如圖7(a)。
[0037] 2)電控平移臺 本發(fā)明中坐標(biāo)架采用TSA400-B精密重載型電控平移臺，如圖7 (b)。該電控平移臺通過 步進(jìn)電機驅(qū)動，實現(xiàn)位移調(diào)整自動化。行程為400mm，最小分辨率為0. 003125mm，最大速度 可達(dá) 40mm/S0
[0038] 坐標(biāo)架控制系統(tǒng)采用SC300系列位移臺控制箱，可以實現(xiàn)在X、Y、Z三維方向上的 自由運動。由于高精度位移自動控制坐標(biāo)架的采用，使得實驗過程中的數(shù)據(jù)逐點采集顯得 極為快捷方便，且能保證足夠的精度。
[0039] 3)恒溫式熱線風(fēng)速儀 由丹麥DANTEC公司生產(chǎn)，熱線探頭采用55Ρ62型兩維熱線，如圖7(c)。恒溫?zé)峋€涮速 儀具有熱慣性小，頻響寬等特點。目前其頻響己超過5