[发明专利]一种单级轴流压气机实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种压气机转子叶片区域流场分析实验装置，属于测试技术领域。

背景技术

压气机是用于将气体压缩到特定的压力的设备，可分为旋转式（或叶片式）和活塞式两类，而旋转式压气机又可分为轴流式和离心式。轴流式压气机是燃气轮机的重要组成部分，广泛用于航空、地面、舰船和飞航导弹等领域，是重要的动力系统。叶片是压气机的主要部件，气体流过叶片组成的流道时受到叶片对其的作用力并获得机械能。在压气机的众多失效模式中，积垢、腐蚀、磨损和外物撞击等均造成压气机叶片形貌的变化，但是积垢是造成压气机性能退化的最重要的因素。尽管在压气机的进口端安装有高性能的过滤装置，但是直径小于2微米的颗粒物仍然可以进入压气机内部，在润滑油泄露以及水分存在的情况下，进入压气机内部的颗粒物沉积于压气机叶片表面，造成叶片型面的变化，从而影响其空气动力学特性，导致压气机性能的退化。研究表明，积垢造成通道壁面以及叶片表面粗糙度增大, 减小压气机喉部面积和气流通道的流通能力，这将使压气机的压比、效率下降，降低发动机的输出功率，进而影响整机性能。为了揭示压气机积垢形成的机理，从微观角度研究压气机转子叶栅中的流动过程，探索气动损失、压力分布等气动参数与叶片基元级几何参数之间的相互关系，开展压气机叶片流场物理实验研究工作是十分基本和必要的，仍是现有的理论分析和数值计算、软件仿真方法所无法替代的。

目前，对于压气机内部流场的分析通常采用数值仿真的方法，但是由于仿真过程中都存在着一定的假设，因此造成仿真结果和实际情况不完全相符。压气机叶片是一种扭转叶片，设计数据很难得到，其制造和装配非常困难。因此，压气机的实验平台通常采取简化处理，利用平面叶栅静态实验设备（如图1所示）来研究压气机流场。平面叶栅静态实验设备中叶片分布在一个平面上，叶片不能运动。这种方式存在的弊端是无法真实复原和再现实际压气机的内部流动情况，因此这种研究无法得到准确的结果。

要想获得压气机叶片周围流场分布的真实情况，压气机实验装置必须满足其真实的运转工况，即转速、质量流量、压比等参数达到要求。但是能满足以上要求的跨音速轴流式压气机流场测试装置目前在市场上还处于一片空白。关键原因在于跨音速轴流压气机的额定转速一般比较高，尤其是燃气轮机或者航空发动机上的轴流压气机额定转速一般都在10000转/分以上。如此高的转速给转子叶片周围流场分布的测量造成了困难。因此，如何快速获取旋转叶片周围的流场分布就成为解决上述问题的关键，也是有关技术人员目前所面临的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可以快速获取旋转叶片周围的流场分布的单级轴流压气机实验装置。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种单级轴流压气机实验装置，构成中包括电动机、轴流压气机和PIV测试系统，所述电动机通过联轴器驱动轴流压气机，所述PIV测试系统包括测控电路及与之相连的CCD镜头、激光发射器和光电开关，所述CCD镜头固定在轴流压气机的机匝内侧，其镜头朝向轴流压气机的转子叶片；所述激光发射器固定在轴流压气机内壳的外壁上，其发光面朝向CCD镜头的拍摄视野；所述光电开关固定在轴流压气机内壳上并与轴流压气机转子上涂抹的反光材料相对应。

上述单级轴流压气机实验装置，所述轴流压气机的排气管内设置有流孔板和节流阀，所述流孔板的流量信号输出端接测控电路的输入端。

上述单级轴流压气机实验装置，所述轴流压气机为单级轴流压气机，其转子叶片通过环状的转子盘固定在轴流压气机转子端部的轮毂上，所述转子盘的内侧设置有键槽，外缘均布有多个转子叶片插槽；单级轴流压气机的静子叶片通过环状的定子盘与轴流压气机的机匝连接，所述定子盘的外缘上设置有与机匝内侧的凹槽相匹配的凸耳，其中心孔内壁上均布有多个静子叶片插槽。

上述单级轴流压气机实验装置，所述轴流压气机的入口端设置有入口传感器，出口端设置有出口传感器，入口传感器和出口传感器的结构相同，均包括压力传感器和温度传感器，它们均固定在轴流压气机机匝的内壁上并与测控电路连接。

上述单级轴流压气机实验装置，所述入口传感器或出口传感器包括四个压力传感器和两个温度传感器，四个压力传感器分别位于轴流压气机机匝周向的45°、135°、225°和315°位置，两个温度传感器分别位于轴流压气机机匝周向的0°和30°位置，角度的起始边为穿过轴心的垂线。

上述单级轴流压气机实验装置，所述电动机采用高速变频电动机。