[发明专利]一种对转涡轮的模型实验装置及方法

说明书

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。

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；