一种压气机测试结构的制作方法

1.本发明属于航空燃气轮机领域，尤其涉及一种航空燃气涡轮发动机内主动控制扩稳措施的测量方法及结构。具体地本发明涉及一种基于高频振荡射流器的主动扩稳测试结构的设计方案，主要用于定量研究多参变量下主动射流式振荡器对航空压气机的扩稳能力及发生机制。


背景技术：

2.风扇/压气机是航空发动机/燃气涡轮发动机的主要部件之一，高性能风扇和轴流压气机的研制一直是现代航空发动机/燃气涡轮发动机设计中的关键问题。然而，在压气机设计中追求高压比，意味着更高的叶尖切向速度、更大的气流转弯角和更小的叶片展弦比，这些都会增加压气机内部的流动损失，从而影响压气机的效率与稳定工作裕度。这就引出压气机研制中的一组关键矛盾，压气机在保证高速、高压比的条件下还要保证高的工作稳定性和足够宽广的失速裕度。而这对矛盾的解决措施就是采取流动控制方法。
3.流动控制方法主要包括被动流动控制技术及主动流动控制技术。被动流动控制技术作用的有效范围有限，存在工作期间无法根据实际工况进行调节的缺陷，控制效果容易受流动状态变化的影响，且在非设计状态下会带来额外的附加阻力，降低原有的气动性能。与被动控制相比，主动流动控制是通过辅助能量引入流动的控制方法，它是在流动环境中直接注入合适的扰动，使其与系统内流动发生某种相互作用达到控制目的，其控制特性可根据实际情况进行自适应调节控制。主动流动控制需要引入外界扰动和能量注入，与稳态吹气/吸气方法相比，基于周期性非稳态激励的主动流动控制方法效率更高，以附加动量系数来计算，其效率可以提升两个数量级，这在各种领域内的应用研究中都得到了验证。这些周期性非稳态的扰动由各种激励器产生，比较典型的激励器有合成射流激励器，等离子体激励器，流体振荡器等等。但是航空发动机内的工作条件恶劣，对所有零部件的可靠性要求极高，使用非稳态流动控制的难点就在于缺乏结构简单、可靠性高的激励器。
4.流体振荡器是一种在入口输入给定压力气源，在出口产生周期性振荡射流的主动控制装置。由于其无可移动部件、结构简单、出口设流动量大、自激振荡、自激维持等优点，极大地引起了研究人员的兴趣。其设计要点主要有两个：一是康达效应，即流体的附壁效应；二是反馈通道，即流体附着在一侧壁面时，部分流体从出口流出，另一部分流体会沿着反馈通道流回出口，在反馈通道中回流的流体作用下，会使主流与壁面之间产生一个分离包，分离包会迫使主流流向另外一侧壁面移动，直到附着于另一侧壁面。这两个要点使得混合腔内的主流来回附着于两侧壁面，从而产生出口周期性振荡的射流。目前主要应用于控制机翼边界层分离、提升飞机升力、燃烧室中混合增强、燃气轮机叶片气模冷却、噪音抑制等方面。
5.目前有关射流振荡器的测试及分析更多的应用于外流中，然而，对于压气机内部分离流动方面的控制问题，振荡射流器的应用及测试方案还有待进一步完善。由于流体振荡器本身的出口尺寸小，影响区域有限，而受控制的区域相比之下一般较大。为了将流体振
荡器应用到实际的流动分离控制场景当中，需要在被控制的流动区域内布置一系列的流体振荡器阵列。由此，就在被控制区域的表面形成了一系列的离散型周期性的振荡射流激励。振荡射流的出口布置在流动分离的前缘，以延迟或消除流动分离的发生。同时，将流体振荡器的内部流道与进气锥壁面、压气机/涡轮机匣的设计相结合，从外部或者后级压气机引入高压气源，通过调节流体振荡器流道进口处的压力，在振荡器出口处形成所需的振荡射流工作频率和幅值，由此将会在不增加现有结构复杂性、不降低现有燃气涡轮发动机可靠性和安全性的前提下，同时实现发动机工作效率、工作裕度以及整体性能的大幅提升。基于自激发振荡射流的航空发动机内流动分离主动控制技术同时结合了主动流动控制效率高，以及被动流动控制可靠性高/安全性高的优点，以被动控制的形式获得了主动控制的良好效果。应用到进气锥、压气机、涡轮上，能够显著提高航空发动机的工作效率和工作裕度以及整体性能，同时兼顾了安全性、可靠性以及系统结构的复杂性，在实际工程应用上具有广阔的前景。
6.压气机稳定裕度的主动调节效果，跟射流激励的位置、激励的角度、激励器的分布位置、激励器的个数、激励射流的速度和频率密切相关。但是流体振荡器的设计几何结构一旦确定，当工作介质特性不变时，其随进口压力变化的频率响应特性、速度响应特性也随之确定。只能通过调节进口压力，来调节激励速度和激励频率。为了定量研究以上不同激励参数对压气机主动扩稳的影响，需要进行大量的参数化实验研究，除了激励速度和频率外，还包括射流激励位置、激励角度、激励器个数、激励器分布位置的影响。每组参数的组合都需要在环形的压气机机匣上加工出多个流体振荡器的复杂流道，这就导致试验成本过高、试验周期过长。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种压气机测试结构，能够降低实验研究的成本和周期，基于以上选定的射流式高频振荡器，就必须要设计一种可变参数的压气机主动扩稳试验测试结构，以方便、快捷、低成本的研究基于流体振荡器的非稳态叶顶微喷气激励下的多参数扩稳机理。本发明的目的通过以下方案实现：
8.一种压气机测试结构，包括转子机匣、激励器安装环及固定部，所述转子机匣分别与进气锥和静子机匣固定连接，所述转子机匣上设置有若干第一通孔；所述激励器安装环设置有若干与所述第一通孔相对应的并成角度设置的激励器安装槽，所述安装槽贯穿设置；所述激励器安装环与所述转子机匣同轴连接，并且所述转子机匣与所述激励器安装环通过所述固定部固定连接；所述激励器安装槽适于与激励器和/或挡板固定连接。
9.进一步地，还包括激励器安装座，所述激励器安装座设置有与所述激励器安装环固定的第一固定区、用于与激励器固定的第二固定区以及适于与所述激励器安装槽导通的第二通孔，所述第二通孔还适于插入所述激励器。
10.进一步地，所述第一通孔与所述激励器安装槽的倾斜角度相同，该倾斜角与转子机匣的轴线夹角不大于30
°
。
11.进一步地，所述夹角为25
°
。
12.进一步地，所述激励器安装槽的宽度与激励器出口部分的厚度一致。
13.进一步地，所述激励器安装槽的两侧设置有螺纹孔，所述第一固定区为贯穿所述
激励器安装座上下表面的通孔，所述第一固定区的通孔与所述螺纹孔相对应。
14.进一步地，所述第二通孔的接近所述转子机匣轴线的出口设置有圆角。
15.进一步地，所述激励器安装环上还开设有用于安装测量压力脉动传感器的安装孔。
16.进一步地，所述转子机匣的周向等分加工若干毫米级的小孔，所述小孔用于安装测量转子叶尖扰动的传感器。
17.进一步地，所述固定部包括若干定位环，所述第一通孔为矩形通孔，所述第一通孔的长边与所述转子机匣的轴线平行，所述定位环用于调整所述激励器安装环的位置，所述激励器安装槽在所述第一通孔的所对应的范围内移动。
18.进一步地，所述激励器的喷口气动范围为-0.4c至0.2c，其中c为转子叶尖弦长。
19.进一步地，所述激励器的喷口分别位于距离转子前缘-0.4c、-0.2c、0c、0.2c的位置，其中c为118mm-120mm。
20.相比于现有技术本发明的优势在于：本发明提供了一种压气机测试结构。所述结构中的主体，转子机匣实现了与进气锥和静子机匣的连接，同时由于激励器安装环与所述转子机匣是分离设置，能够灵活地调整激励器安装环与所述转子机匣的位置，从而实现了对激励器位置的调整，而激励器安装环与转子机匣是分离设计，还能够根据不同的需求，实施对激励器安装环的更换从而改变激励器的安装角度，激励器数量等。本发明的激励器安装环上还设置有用于与激励器和/或挡板固定连接的激励器安装槽，能够在不更改激励器安装环的条件下，将挡板与激励器配合，形成具有不同激励器数量的测试，进一步降低成本及试验周期。
附图说明
21.附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
22.图1是本发明压气机测试结构与进气锥装配示意图；
23.图2是图1装配结构的轴向剖面图；
24.图3是压气机测试结构安装激励器示意图；
25.图4是图2中转子机匣示意图；
26.图5是图3中同时安装激励器和挡板示意图。
27.图6是图2中激励器安装环示意图；
28.图7是图2中激励器安装座第一示意图；
29.图8是图2中激励器安装座第二示意图；
30.图9是脉冲式流体振荡器的两种构型；
31.图10是脉冲式流体振荡器出口的典型速度响应图。
32.图11是扫掠式射流器示意图。
33.其中：100、进气锥；200、压气机测试结构；210、转子机匣；211、机匣本体；212、第一法兰；213、第二法兰；214、第一通孔；220、激励器安装环；221、安装环本体；222、激励器安装槽；223、螺纹孔；230、固定部；240、激励器安装座；241、第二通孔；242、第一固定区；243、第
二固定区；244、安装面；250、挡板；300、激励器。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
36.参见说明书附图1，本发明提供了一种压气机测试结构200，所述测试结构200适于与进气锥100对接，使得转子部分进入所述测试结构中。
37.附图2展示了所述测试结构200与进气锥对接的具体情况。所述测试结构200包括转子机匣210、激励器安装环220及固定部。
38.转子机匣210分别与进气锥100固定连接，转子机匣210首先要满足和上游进气锥100和下游静子机匣相配合，交界面采用止口设计，保证配合后的密封性。参见附图4，所述转子机匣210包括机匣本体211、第一法兰212、第二法兰213及第一通孔214。所述第一法兰212与第二法兰213夹设于所述机匣本体211的两侧。第一法兰212用于与所述进气锥100对接，所述第二法兰213用于与静子机匣对接。所述第一法兰212上设有与进气锥100相对应的台阶，即为止口设计。通过上述止口实现进气锥100与转子机匣210之间的密封。第一法兰212上开设有均布的锁紧孔，进气锥100上设有与上述锁紧孔相对应的螺纹孔或光孔，通过螺栓对以上结构实现锁紧连接。第二法兰213上同样设有用于与静子机匣锁紧锁紧孔。所述机匣本体211中部设置第一通孔214。激励器300能够通过第一通孔214将激励射流导入至转子叶片。在优选的实施方案中，为了避免应力集中，第一通孔214采用矩形通孔，并在矩形通孔的直角部位采用倒角结构。并在铸造完成后，进一步消除材料的内应力，保证试验件强度。当激励器300周向上安装了的最大数目的激励器时，转子机匣210上也开等距的数量个矩形孔。此外，在周向上等分的加工不少于6个的两毫米小孔，从而能够在实验过程中安装动态库莱特传感器，来测量转子叶尖的扰动发展演化。转子机匣210还设置有定位凸台，所述定位凸台优选地设置与第一通孔214靠近进气锥100的侧边。
39.激励器安装环220适于抵接所述定位凸台，从而形成对激励器安装环220的定位。在优选的方案中，所述激励器安装环220设置与所述转子机匣210内部，并与所述转子机匣210同轴连接。此时，所述固定部230也设置于所述转子机匣210内部，从而对激励器安装环220锁紧定位。本发明并未排除将激励器安装环220设置于转子机匣210外部的方案，当激励器安装环220设置于转子机匣210外部时，定位凸台设置于机匣本体211的外侧面，同时所述固定部230也设置于转子机匣210外侧面。在优选的方案中，所述固定部230包括若干定位环，所述第一通孔214为矩形通孔，所述第一通孔214的长边与所述转子机匣210的轴线平行，所述定位环用于调整所述激励器安装环220的位置，所述激励器安装槽222在所述第一通孔214的所对应的范围内移动。具体地，激励器安装环220与定位环的位置可以进行调整，在激励器安装环220的前后两端设置若干定位环，此时将使用定位环抵接所述定位凸台。根据安装顺序的不同，调整激励器安装环220的轴向位置，即可实现激励器300轴向位置的改变，从而探究轴向位置变化下激励器300对压气机扩稳能力的改变。由于激励器安装环220
轴向位置的改变，必定导致激励器安装槽222与第一通孔214间的相对位置变化，为了使得激励器安装槽222一直暴露在第一通孔214的区域内，因此第一通孔214为矩形通孔，所述第一通孔214的长边与所述转子机匣210的轴线平行。
40.由于压气机最终失稳是由转子叶尖扰动导致，因此通过定位环使激励器的喷口能够位于转子机匣的不同轴线位置。在转子机匣210安装激励器定位环后，转子机匣210内壁面还有部分沿轴向的长度，该长度用定位环填充。并将剩下的长度进行等分，加工尺寸相同的圆环，在定位的基础上，通过调正一个或多个定位环与激励器安装环220的轴向位置。通过调整与激励器安装环220相对于转子机匣210不同的轴向安装顺序，实现激励器300的轴向移动。以转子叶尖前缘为基准，主流方向为正方向，尺寸的选取保证激励器300可以轴向上移动范围包含-0.4c至0.2c，其中c为转子叶尖弦长。在本方案中，基于定位环的具体宽度，所述激励器的喷口分别位于距离转子前缘-0.4c、-0.2c、0c、0.2c的位置，其中c为118mm-120mm。
41.参见附图6，所述激励器安装环220包括安装环本体221及激励器安装槽222。所述激励器安装槽222沿着所述安装环本体221的环形表面均布。激励器安装座240与第一通孔214的位置相对应，并成角度设置。为了避免影响主流发展和扰动径向传播，该倾斜角与机匣的轴线夹角应不大于30
°
。在本方案中，为了射流激励器的安装，通过反复设计调整，最终确定在内环上开25
°
的激励器安装槽222。所述激励器安装槽222为矩形孔，与激励器300的壁面平行，从而使出口气流不受结构的影响。
42.进一步地，所述激励器安装槽222的宽度与激励器300出口部分的厚度一致。从而不影响射流器的出气。参见附图3，激励器安装槽222的宽度为矩形槽的垂直激励器安装槽222底部平面方向的尺寸。激励器安装环220上的激励器安装槽222数目与转子机匣210周向所能安装激励器的最大数目一致，此外要求激励器300的数目在转子机匣210周向上是均布的，当激励器300数目不满最大激励器数目时，空的空位由挡板250堵塞住。
43.此外，激励器安装环220的外壁面上每个矩形孔两侧都开两毫米的螺纹孔223，与激励器安装座240进行配合。同时轴向上加工如图6所示的两个安装孔，为了后续安装动态传感器测量压力脉动。
44.参见附图7-8，当激励器300以相同的倾斜角度安装到激励器安装环220上时，激励器的上表面超出了激励器安装环220的外表面，导致激励器无法进行固定。为了进一步固定激励器300，加工了激励器安装座240。所述激励器安装座240设置有与所述激励器安装环220固定的第一固定区242、用于与激励器300固定的第二固定区243以及适于与所述激励器安装槽222导通的第二通孔241，所述第二通孔241还适于插入所述激励器300。第二通孔241的倾斜角度应当与激励器安装槽222的倾斜角度一致。
45.第一固定区242为贯穿所述激励器安装座240上下表面的通孔，所述第一固定区242的通孔与所述螺纹孔223相对应。第二固定区243为贯穿激励器安装座240上表面与第二通孔241的光孔。用于试验的激励器300的对应位置上设置相应的激励器300固定螺纹孔。通过螺钉将激励器300与固定座实施固定连接。
46.激励器安装座240的相关参数与激励器安装环220上的一致，保证适配。具体而言激励器安装座240的安装面244为与激励器安装环220外表面曲率一致的曲面，从而能够保证激励器安装座240与激励器安装环220的紧密贴合。所述第二通孔241的接近所述转子机
匣210轴线的出口采用倒圆处理，尽量不使流体受到结构造型的影响，不改变出口气流的方向及振荡结构。
47.本发明多变量测试结构的具体使用方法如下所述：压气机实验台转子采用电机驱动，因此对转速的控制较稳定。在实验过程中，通过轴向移动出口锥形阀来实现节流，从而获得不同质量流量下的压气机工况。
48.激励器300采用自激发振荡射流激励器。自激发振荡射流激励器具有多种构型，本发明附图9中展示了自激发振荡射流激励器的两种构型，该两种构型均为脉冲式。这种形式的自激发振荡器在进口压力为表压1.0bar且工作介质为空气时，其出口的速度响应图如图10所示。以上激励器仅仅为示意，脉冲式激励器的其他构型或扫掠式激励器(图11)同样适合采用本发明的多变量测试结构进行试验。将激励器安装至本发明的多变量测试结构，利用能够产生自激发/自维持振荡射流的流体激励器组成的阵列，并在在外部压力的作用下，通过手动调节阀或电磁阀对激励器进口压力的控制，调节位于发动机内流道表面的射流出口处的工作频率和振幅。
49.在实验过程中，首先进行无射流的实验，即把所有激励器的阀门关闭，将此时得到的特性线作为参照基准。进一步，通过调整控制激励器频率的管道的长度，在保证振荡器射流频率与压力解耦的前提下找到最佳扩稳的管道长度。
50.在确定激励器管道长度后，进行不同空间参数对压气机稳定裕度的影响研究。本实验中激励器在轴向有4个位置，分别为-0.4c、-0.2c、0c、0.2c，其中c为转子叶尖弦长，具体数值为119mm。轴向位置的基准为转子叶尖前缘，正值代表下游，负值代表上游。为保证激励器在周向上均布及结合实验压气机转子机匣的周长，激励器的最大数目选定为30，因此本实验中，可开启的均布的激励器数量分别为5、10、15、30。综上，一共16组实验探究空间位置对激励器扩稳的影响。实验过程中，每组实验进行三次重复实验，减小误差，避免偶然性。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
52.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
53.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。