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一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置制造方法及圖紙

技術編號:23189770 閱讀:16 留言:0更新日期:2020-01-24 15:51
本發明專利技術公開了一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置。該裝置包括電力驅動裝置、以及依次連接的進氣道、壓氣機、擴壓器、燃燒室和排氣口,是對典型燃氣渦輪發動機的進氣道、壓氣機和燃燒室區段的模擬。本發明專利技術可以靈活更換不同的葉輪和擴壓器,以設置不同的入口參數進行實驗模擬,使得針對低損失擴壓器與火焰筒優化匹配的研究成為現實。通過本發明專利技術,可以研究火焰筒實際上游來流條件與火焰筒性能的關系,掌握擴壓器設計對火焰筒及頭部流場組織、流量分配和燃燒性能的影響規律,形成低損失擴壓器優化方法及與火焰筒及頭部的優化匹配方法,對火焰筒先進燃燒組織的實現具有重要意義。

An experimental research device for optimal matching of diffuser and flame tube

【技術實現步驟摘要】
一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置
本專利技術涉及燃氣渦輪發動機領域,特別涉及一種低損失擴壓器與火焰筒優化匹配的實驗裝置。
技術介紹
現代燃氣渦輪航空發動機主要由進氣道(Intake)、壓氣機(compressor)、火焰筒(combustionchamber)、渦輪(turbine)、噴管(Exhaust)等部分構成。壓氣機是燃氣渦輪發動機中利用高速旋轉的葉片給空氣做功以提高空氣壓力的部件,壓氣機葉輪葉片的前端部分呈彎曲狀稱為導輪,其作用是將氣體無沖擊的導入工作葉輪,減小氣流沖擊損失。小型增壓器的壓氣機葉輪一般將導輪與工作葉輪制成一體。擴壓器(diffuser)將壓氣機出口的部分氣流與火焰筒耦合,使氣體在葉輪中獲得的動能盡可能多地轉化為壓力。擴壓器的種類繁多,有流線型、突擴式、葉片式等類型,其性能和適用的環境各有不同。燃燒室是燃料或推進劑在其中燃燒生成高溫燃氣的裝置,是一種用耐高溫合金材料制作的燃燒設備,是發動機的動力來源。燃燒室入口的流動條件,對燃燒組織和火焰筒性能影響較大。通常,高壓壓氣機出口導葉(OGV)出來的高速氣流會經過擴壓器,在擴張通道中減速,以實現穩定燃燒和減少熱損失。壓氣機出口的氣流進入燃燒室內,會分成兩部分,一部分進入火焰筒參與燃燒反應,一部分作為冷卻空氣冷卻火焰筒表面。二者的流量分配關系是影響燃燒組織和火焰筒性能的主要因素。壓氣機出口的速度分布、擴壓器的設計參數對燃燒室的流量分配和壓力分布有很大影響。高壓比高溫升新一代航空發動機的研制,也將使得擴壓器入口溫度和馬赫數有較大的提升,進口溫度和馬赫數等參數對擴壓器流動特性的影響尚沒有相關系統研究?;跍u輪沖壓組合發動機寬速域飛行目標,為適應高馬赫數下工作要求,渦輪基須在壓氣機低換算轉速條件下工作,此時火焰筒擴壓器進口馬赫數達到0.4甚至更高,擴壓器與火焰筒的流動損失和匹配難度大大提高,是制約火焰筒性能的重要方面。通過研究火焰筒實際上游來流條件與火焰筒性能的關系,掌握擴壓器設計對火焰筒及頭部流場組織、流量分配和燃燒性能的影響規律,形成低損失擴壓器優化方法及與火焰筒及頭部的優化匹配方法,對火焰筒先進燃燒組織的實現具有重要意義。由于擴壓器的流動中存在著流動分離等非定常流動結構,流動細節和機理研究的深度不夠,仿真結果與實驗結果誤差相對較大,流動損失的計算精度過低,工程上不可接受,擴壓器及火焰筒頭部匹配優化設計方法及評價準則缺失。目前相關研究絕大部分以發動機型號為背景,其設計結構導致其不具備靈活改變組件參數的能力,或者改變組件參數的成本較高,設計變量選取囿于發動機型號數據,具有較大局限性,無法在足夠大的范圍內選取變量,導致研究不夠系統,難以通過實驗的方法尋找最優參數,不同的擴壓器流動特性尚沒有系統數據庫可參考,亟需開展基礎研究提供技術支撐。然而,目前針對此類問題的相關研究模型。本專利技術期望設計一種低成本、可以靈活調整配件的實驗裝置,能夠測量發動機內壓氣機與火焰筒耦合部分的壓力場、速度場、溫度場等參數,以評價各種擴壓器與火焰筒優化匹配的性能,為燃氣渦輪發動機的設計與優化提供指導。
技術實現思路
針對現有技術中存在的缺陷,本專利技術提供一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置。該裝置可用于研究火焰筒實際上游來流條件與火焰筒性能的關系,為擴壓器及火焰筒頭部的匹配優化提供指導。本專利技術采用以下技術方案實現:一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置,其特征在于,所述的裝置包括電力驅動裝置、以及依次連接的進氣道、壓氣機、擴壓器、燃燒室和排氣口,所述的電力驅動裝置位于實驗裝置的中心軸線位置,為該裝置壓氣機工作提供動力;所述的進氣道包括進氣口、整流葉輪、進氣通道,為壓氣機提供穩定的氣流;所述的壓氣機包括依次連接的進口導葉、轉子葉片、以及出口導葉OGV,總共1.5級渦輪,氣流經過出口導葉OGV進入擴壓器中;所述的擴壓器用于對氣流進行減速和升壓,并使氣流方向由徑向轉為軸向,將氣體輸送至燃燒室中;所述的燃燒室包括燃油噴嘴、旋流器、火焰筒、燃燒室外殼和燃燒室內殼,經過燃油噴嘴進入的燃油與進入燃燒室的空氣流混合后,在旋流器出口點燃,火焰筒內燃燒,燃燒產生的氣體直接經排氣口排出;所述的壓氣機、擴壓器以及燃燒室在需要進行實驗數據采集的位置開有測量孔,供外部測量儀器對實驗數據進行采集,所述的測量孔采用螺紋密封。上述技術方案中,進一步地,所述的整流葉輪共包含4片葉片,所述的進氣通道上開有測量孔。進一步地,在進口導葉與轉子葉片,轉子葉片與出口導葉之間各開有一個測量孔。進口導葉、轉子葉片以及出口導葉可根據需要更換不同葉輪稠度。進一步地,所述的擴壓器作為獨立部件,能方便更換為流線型、突擴式或葉片式,所述的擴壓器(3)內部開有一個測量孔。進一步地,所述的燃燒室的外殼與內殼上布置各4個測量孔,其中一半的測量孔直通火焰筒內部,以便測量火焰筒內部的流場信息。燃燒室外殼上還開有實驗觀察窗,能夠利用粒子圖像測速、平面激光誘導熒光和紅外熱像技術對燃燒室內部流場及火焰筒壁面溫度和熱流進行測量。進一步地,所述的電力驅動裝置包括電機、機軸和聯軸器部分,電機與機軸通過聯軸器相連,電機做功帶動機軸,機軸作為裝置的中心軸,帶動壓氣機的轉子葉片轉動。進一步地,所述的排氣口包括6-24個排氣噴嘴以及燃燒室出口導葉,燃燒室出口導葉位于火焰筒出口,將火焰筒燃燒尾氣直接排放;排氣噴嘴位于燃燒室出口,在燃燒室外殼與火焰筒之間、火焰筒和內殼之間布置。進一步地,所述的實驗數據采集的方法為粒子圖像測速、平面激光誘導熒光、紅外熱像技術、五孔探針壓力傳感器和熱電偶,所采集的實驗數據包括速度場、壓力、溫度和燃燒火焰組分濃度。進一步地,所述的擴壓器進口的平均馬赫數范圍為0.15-0.4,溫度覆蓋范圍300-950K。本專利技術是對典型燃氣渦輪發動機的進氣道、壓氣機、燃燒室三部分結構的模擬:在進氣道中,氣體來流從進氣口,經過整流葉輪進行整流,再經過進氣通道進入壓氣機。隨后氣流在經過第一級固定的進口導葉進行整流后,進入壓氣機的后排離心轉子葉片。不同于真實發動機的是,轉子葉片轉動所需要的動能完全來自于電力驅動裝置。轉子葉片利用離心力對氣流做功,大大增加了氣體的流速。之后經過出口導葉OGV的氣流進入擴壓器中,該結構用于對氣流進行減速和升壓,并使氣流方向由徑向轉為軸向。經過擴壓器后,氣流分流成兩部分進入燃燒室中,一部分通過火焰筒與燃油混合,點火發生燃燒反應,燃燒產生的尾氣直接通過燃燒室出口導葉排出。另一部分氣流從擴壓器出口進入火焰筒外壁和燃燒室內外殼之間的區域,通過火焰筒壁面的冷卻孔吹掃進行氣冷,防止壁面過熱。因而從擴壓器出口的氣流會以一定的配比方式進入燃燒室中,極大的影響燃燒組織以及火焰筒的燃燒性能。本專利技術可針對不同的擴壓器研究擴壓器與火焰筒的優化匹配關系,建立數據庫。由于實驗專利技術只針對低損失擴壓器與火焰筒的優化匹配研究,不需要火焰筒額外提供實驗裝置運轉的動能。在實驗段,即壓氣機、擴壓器和本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置,其特征在于,所述的裝置包括電力驅動裝置(5)、以及依次連接的進氣道(1)、壓氣機(2)、擴壓器(3)、燃燒室(4)和排氣口(6),/n所述的電力驅動裝置(5)位于實驗裝置的中心軸線位置,為該裝置壓氣機(2)工作提供動力;/n所述的進氣道(1)包括進氣口(101)、整流葉輪(102)、進氣通道(103),為壓氣機(2)提供穩定的氣流;/n所述的壓氣機(2)包括依次連接的進口導葉(201)、轉子葉片(202)、以及出口導葉OGV(203),總共1.5級渦輪,氣流經過出口導葉OGV(203)進入擴壓器(3)中;/n所述的擴壓器(3)用于對氣流進行減速和升壓,并使氣流方向由徑向轉為軸向,將氣體輸送至燃燒室(4)中;/n所述的燃燒室(4)包括燃油噴嘴(401)、旋流器(402)、火焰筒(403)、燃燒室外殼(404)和燃燒室內殼(405),經過燃油噴嘴(401)進入的燃油與進入燃燒室(4)的空氣流混合后,在旋流器(402)出口點燃,火焰筒(403)內燃燒,燃燒產生的氣體直接經排氣口(6)排出;/n所述的壓氣機(2)、擴壓器(3)以及燃燒室(4)在需要進行實驗數據采集的位置開有測量孔,供外部測量儀器對實驗數據進行采集,所述的測量孔采用螺紋密封。/n...

【技術特征摘要】
1.一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置,其特征在于,所述的裝置包括電力驅動裝置(5)、以及依次連接的進氣道(1)、壓氣機(2)、擴壓器(3)、燃燒室(4)和排氣口(6),
所述的電力驅動裝置(5)位于實驗裝置的中心軸線位置,為該裝置壓氣機(2)工作提供動力;
所述的進氣道(1)包括進氣口(101)、整流葉輪(102)、進氣通道(103),為壓氣機(2)提供穩定的氣流;
所述的壓氣機(2)包括依次連接的進口導葉(201)、轉子葉片(202)、以及出口導葉OGV(203),總共1.5級渦輪,氣流經過出口導葉OGV(203)進入擴壓器(3)中;
所述的擴壓器(3)用于對氣流進行減速和升壓,并使氣流方向由徑向轉為軸向,將氣體輸送至燃燒室(4)中;
所述的燃燒室(4)包括燃油噴嘴(401)、旋流器(402)、火焰筒(403)、燃燒室外殼(404)和燃燒室內殼(405),經過燃油噴嘴(401)進入的燃油與進入燃燒室(4)的空氣流混合后,在旋流器(402)出口點燃,火焰筒(403)內燃燒,燃燒產生的氣體直接經排氣口(6)排出;
所述的壓氣機(2)、擴壓器(3)以及燃燒室(4)在需要進行實驗數據采集的位置開有測量孔,供外部測量儀器對實驗數據進行采集,所述的測量孔采用螺紋密封。


2.根據權利要求1所述的一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置,其特征在于,所述的整流葉輪(102)共包含4片葉片,所述的進氣通道(103)上開有測量孔。


3.根據權利要求1所述的一種擴壓器與火焰筒優化匹配實驗研究裝置,其特征在于,在進口導葉(201)與轉子葉片(202),轉子葉片(202)與出口導葉(203)之間各開有一個測量孔;所述進口導葉(201)、轉子葉片(202)以及出口導葉(203)的葉輪稠度可變。


4.根據權利要求1...

【專利技術屬性】
技術研發人員:王高峰,鐘亮,王崯矚,葉振輝,方元祺,鄭耀,
申請(專利權)人:浙江大學,
類型:發明
國別省市:浙江;33

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