一种超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道结构及方法

技术领域

本发明涉及超跨音速压气机平面叶栅试验技术领域，特别涉及一种超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道结构及方法。

背景技术

随着超音速风扇/压气机叶片的设计发展，基于超音速压气机叶片设计的试验研究也随之兴起。超跨音速压气机平面叶栅试验是高负荷、高推重航空发动机的风扇/压气机设计过程中的基础性试验，可以使用相对简单、功能齐全的流体试验设备在很宽广的飞行条件范围内来研究流动的机理，快速的提供叶片的基础性信息，例如载荷、损失和气流转折等特性。超跨音速平面叶栅试验与实际转子试验相比，可以花费很少的时间和费用来获得相似的信息，而且当准确的理解且可以控制这些重要的气动边界条件的时候，试验结果可以明显的与数值计算结果相比较。

超跨音速平面叶栅试验进口流道的作用为超跨音速平面叶栅试验件提供均匀、稳定的流场环境，实现压缩气体有效流过超跨音速平面叶栅试验件。另外，在超跨音速平面叶栅试验过程中，试验件进口马赫数是关键的状态控制参数，超跨音速平面叶栅试验件进口总压测取的准确性和超跨音速喷管曲线设计的合理性直接决定了试验件进口马赫数的准确性，保证稳压段中总压测试仪表所在截面和超跨音速喷管流动状态监测对流场品质是否满足试验要求是十分重要的。

现有技术方案的缺点如下：

①稳流段的直径不合适，稳流段直径关系到稳流段气流速度和收敛段的收缩比，如果稳流段直径太小则造成稳流段内气流速度过大而影响流场品质，如果稳流段直径太大则会增加试验件进气结构的占用空间、重量及加工成本。

②收敛段位于稳流段与超跨音速喷管段之间，其作用是将稳流段截面尺寸平滑地过渡到超跨音速喷管段入口截面尺寸，同时使气流在无分离流的情况下加速到喷管段入口截面气流参数。如果收敛段型面造型不合适，则会造成气流在收敛段流动分离。

③超音速喷管段的作用是加速气流，型面曲线设计不合适则会造成气流分离、喉部气流不均匀、达不到试验件进口流场要求等。

④平直段压力梯度，需要抽吸装置来调整气流流动，抽吸装置设计不合理则会导致平直段内存在激波，降低试验件进口速度。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道结构，包括：

稳压段、收敛段、超跨音速喷管、抽吸装置、平直段、试验件；

其中，稳压段的进口通入气源，稳压段的出口与收敛段的进口连接，收敛段的出口与平直段的进口之间可拆卸连接超音速喷管，平直段的出口布置有试验件；

平直段包括两侧壁以及均具有开孔的上抽吸开孔板、下抽吸开孔板，上抽吸开孔板与下抽吸开孔板均安装有抽吸装置；

试验件包括与平直段两侧壁平行对接的两个端壁、位于两个端壁之间的叶片排，其中，叶片排的叶片由上至下逐渐向后倾斜阵列分布。

优选的是，下抽吸开孔板的抽吸装置包括位于前方的下前抽吸装置，以及位于叶片排投影下方的下后抽吸装置。

一种超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道结构设计方法，用于设计所述的超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道结构，步骤一：基于设定的通过试验件气体的物理流量、压力、进口速度以及气流温度，建立通过稳压段气体的压力、流速与截面面积之间的关系，进而得到稳压段直径d；

步骤二：选取多种曲线作为收敛段的收敛曲线，将多种收敛曲线以收敛段长度L最短，气流在沿收敛段加速时洞壁上不出现分离为优化目标进行优化，选取一种收敛曲线或者将多种收敛曲线拟合作为最终收敛曲线；

步骤三：采用维托辛斯基曲线作为超跨音速喷管的亚音速收缩段的型面曲线，以气流沿收缩段流动时洞壁上不出现分离、收缩段长度最短设计超跨音速喷管的收缩段型面曲线；

步骤四：根据平直段的高度以及平直段壁板的厚度设定平直段开孔孔径，根据平直段的高度设定抽吸装置的高度。

优选的是，步骤二所述多种曲线包括：维托辛斯基曲线、双三次曲线或五次方曲线。

优选的是，步骤四中，开孔孔径设计为平直段高度(H)的1/80～1/100，平直段壁板的厚度与孔径的比值为1～2，抽吸装置的高度为平直段高度的40％～50％。

优选的是，所述超跨音速喷管包括亚音速收缩段与超音速扩散段；

其中，亚音速收缩段的型面曲线采用维托辛斯基曲线；

超音速扩散段的型面曲线沿气流方向依次包括圆心位于喷管外侧的喉部圆弧段、与喉部圆弧段相切的扩张直线段以及内径沿气流方向逐渐增大的扩张曲线段。

优选的是，根据给定的喷管长与半高比Blh以及试验段半高度h计算出喷管长度l，

根据所述喷管长度l以及给定的附面层厚度修正角q计算出喷管出口处的附面层位移厚度；

根据所述喷管出口处的附面层位移厚度计算喷管出口处曲线粘性的修正量；

根据喷管出口马赫数M计算出喷管出口面积F1与喉部面积F*的比值，基于所述比值、喷管出口处曲线粘性的修正量以及喷管出口几何关系计算出喉部高度y*；

基于喉部高度y*计算喉部圆弧段的圆弧半径；

根据喷管出口马赫数M计算普朗特一迈耶角v1；

根据普朗特一迈耶角v1计算出最大膨胀角βB；

根据最大膨胀角βB计算得到扩张直线段末点B的马赫数Mb；

根据末点B的马赫数Mb以及喉部高度y*计算出泉流的音速半径r0；

根据泉流的音速半径r0计算得到末点B的半径rB，基于末点B的半径rB得到末点B的位置；

基于喷管出口马赫数M、末点B的马赫数Mb以及最大膨胀角βB计算出使气体转折角逐渐为o的扩张曲线段。

优选的是，超跨音速喷管出口尺寸R*＝0.5H，H为平直段的进口尺寸。

优选的是，超跨音速喷管包括马赫数在0.8～2.0之间的多个型号。

本申请的优点包括：

①合理设计稳压段直径，在保证稳压段流速和流场均匀性的前提下，降低占用空间和加工成本。

②形成参数化收敛段流道型面设计方法，以降低收敛段流道型面的设计难度。

③形成参数化超跨音速喷管流道型面设计方法，以降低超跨音速喷管流道型面的设计难度，实现不同马赫数范围的超跨音速喷管参数化设计能力。

④形成参数化的平直段和抽吸装置设计方法，以适应不同试验进口马赫数的抽吸要求，统一设计准则，避免不同设计方法带来的结构误差而导致试验件流场差异。

附图说明

图1是收敛段维氏曲线示意图；

图2是收敛段双三次曲线、五次方曲线示意图；

图3是不同形式收敛曲线示意图；

图4是喷管中的泉流；

图5是喷管曲线示意图；

图6平直段开孔结构示意图；

图7超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。

此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。

本发明提供了一种超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道设计方法及基于此设计方法得到的试验件进气流道的整体结构。

一方面提供了一种超跨音速压气机平面叶栅试验件进口流道参数化的设计方法：

步骤一：确定稳压段直径D

稳流段起到整流的作用，保证流场品质。稳流段的直径直接关系到风洞的收缩比，同时也影响扩散段和收敛段的结构尺寸。稳流段中气流流速不宜过大，否则会影响流场品质，流速控制在10～15m/s，稳流段内压力控制在2～3倍大气压。根据试验件的物理流量、压力、进口速度、气流温度范围等参数，依据W＝ρVA、p/ρ＝RT得出稳流段内压力、流速与截面面积之间的关系，进而得到稳压段直径d。

步骤二：确定收敛段长度和收敛曲线

收敛段位于稳流段与超跨音速喷管段之间，其作用是将稳流段截面尺寸平滑地过渡到超跨音速喷管段入口截面尺寸，同时使气流在无分离流的情况下加速到超跨音速喷管段入口截面气流参数。在设计收敛段时，主要应考虑以下几点：

①气流在沿收敛段加速时，洞壁上不出现分离；

②收敛段出口截面的气流均匀、平行和稳定；

③收敛段不宜过长和过短，收敛段的长度通常不宜过长，这主要是从设备的造价来考虑的；收敛段的长度也不能过短，以免气流出现不均匀甚至发生分离。

跨超声速风洞收敛段的长径比(收敛段长度/收敛段入口直径)通常为0.5～1.3。根据稳流段出口直径d，同时其他部分结构和尺寸，确定收敛段长度L。

风洞收敛段的收敛型面均设计为平滑过渡的曲线型面。由于收敛段出口为长方形，所以按长和宽的中点分别做收敛曲线，其余边平滑过渡。收敛曲线通常选择维托辛斯基曲线(维氏曲线)、双三次曲线或五次方曲线，如图1-图3所示。

维氏曲线公式如下式表示：

式中R

R

R——轴向距离为x处的截面半径；

L——收敛段长度。

根据以上数据可算出收敛段内壁面曲线。

当收缩比(C＝(R

令R

得R

代入原式可得收敛段内壁面维氏曲线。

双三次曲线公式如下式表示：

式中x

D

D

D——轴向距离为x出截面直径(m)。

五次方曲线公式如下式表示：

步骤三：超跨音速喷管型面曲线

超跨音速喷管(以下简称喷管)是保证试验段获得设计马赫数Ma的均匀气流的重要部件，其作用在于使气流等熵加速膨胀。喷管由亚音速收缩段和超音速扩散段组成。

亚音速收缩段采用维托辛斯基曲线。其公式为：

式中R

R

x为相对坐标；

R为任意x处的截面半径。

扩散段由初始膨胀段AB和平行段BC组成，B为转折点。初始膨胀段采用克朗(Crown)方法设计，其目的是把喉部的音速来流变成转折点处的泉流，如图4所示。平行段BC在于把此超音速泉流转变成均匀的平行于轴线的流动，喷管的外形如图5所示。

喷管的收缩段的作用是加速气流，收缩段应满足三个要求：

①气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离。对于一定的收缩比，

收缩段过短会导致壁面气流的分离和喉部气流的不均匀。

②收缩段出口的气流均匀、平直而且稳定。

③收缩段不宜过长，过长会增加建造成本，且能量损失也增大。超音速扩散段的型面曲线沿气流方向依次包括圆心位于喷管外侧的喉部圆弧段、与喉部圆弧段相切的扩张直线段以及内径沿气流方向逐渐增大的扩张曲线段。

根据给定的喷管长与半高比Blh以及试验段半高度h计算出喷管长度l，

根据所述喷管长度l以及给定的附面层厚度修正角q计算出喷管出口处的附面层位移厚度；

根据所述喷管出口处的附面层位移厚度计算喷管出口处曲线粘性的修正量；

根据喷管出口马赫数M计算出喷管出口面积F1与喉部面积F*的比值，基于所述比值、喷管出口处曲线粘性的修正量以及喷管出口几何关系计算出喉部高度y*；

基于喉部高度y*计算喉部圆弧段的圆弧半径；

根据喷管出口马赫数M计算普朗特一迈耶角v1；

根据普朗特一迈耶角v1计算出最大膨胀角βB；

根据最大膨胀角βB计算得到扩张直线段末点B的马赫数Mb；

根据末点B的马赫数Mb以及喉部高度y*计算出泉流的音速半径r0；根据泉流的音速半径r0计算得到末点B的半径rB，基于末点B的半径rB得到末点B的位置；

基于喷管出口马赫数M、末点B的马赫数Mb以及最大膨胀角βB计算出使气体转折角逐渐为o的扩张曲线段。

步骤四：平直段和抽吸装置

平直段具有抽吸功能，一般为开槽式和开孔式结构，本发明选择采用垂直于壁面30°的斜孔，如图6所示，开孔孔径设计为平直段高度(H)的1/80～1/100，平直段壁板厚度与孔径的比值为1～2，抽吸装置高度为平直段高度的40％～50％，开孔孔径、平直段段高度和抽吸装置高度根据试验流场需求再详细设计。

另一方面提供了一种基于本发明进口流道的设计方法得到的超跨音速平面叶栅试验件进气流道结构，进气流道结构示意图如图7所示，主要由稳压段1、收敛段2、超跨音速喷管3、平直段4、上抽吸装置5、下后抽吸装置6、下后抽吸装置7组成，各部分之间通过螺栓连接。其特征在于：稳压段1进口与进气管路连接，进气管路出口直径尺寸为d，稳压箱1出口与收敛段2进口连接，收敛段进口尺寸R1＝0.5d；收敛段2出口与超跨音速喷管3进口连接，收敛段长度L根据收敛段收缩比计算确定；收敛段2出口尺寸R2与超跨音速喷管3进口尺寸相同；超跨音速喷管3出口与平直段4连接，平直段4进口尺寸H，超跨音速喷管3出口尺寸R*＝0.5H，超跨音速喷管3长度尺寸LP根据总体设计要求而提前确定；上抽吸装置5、下后抽吸装置6和下后抽吸装置7分别于平直段4连接，抽吸装置高度尺寸h＝(0.4～0.5)H；平直段4出口与试验件连接。其中超跨音速喷管3为固定曲线型面，根据试验件不同进口速度的要求更换相应出口速度的超跨音速喷管3，不同出口速度的超跨音速喷管3曲线型面可使用“步骤三”中的“跨音速喷管型面曲线设计程序”输出；

该程序可满足出口马赫数范围为0.8～2.0的超跨音速喷管型面曲线设计；平直段4中具有抽吸功能的开孔板根据试验要求更换相应开孔率和开孔形式的开孔板；其余各组成部件均为通用部件，不需要更换；稳压段1上的总压测试截面用于计算超跨音速喷管3沿程壁面马赫数和出口马赫数；超跨音速喷管3上的超跨音速喷管端壁静压用于计算超跨音速喷管3沿程壁面马赫数，作用是监测试验过程中超跨音速喷管3的运行状态以及是否达到试验所需的流场状态。

基于该发明完成设计后，进行了模型比为1：1的数值仿真计算，以验证该发明方法的合理性和正确性。

相比现有技术方案，本发明的优点是：

①实现了基于开式的超跨音速平面叶栅试验件进口流道的参数化设计，为其他类似试验设备设计提供了有效指导；

②根据试验需求和超跨音速喷管空气动力学原理，设计开发了超跨音速喷管型面曲线设计程序，形成了超跨音速喷管型面曲线系列化设计能力，提高了超跨音速喷管型型面曲线准确度和设计效率；

③依据此设计方法得到的试验件进口流道结构，加工工艺相对简单，降低了试验件加工成本，且实现了轻量化，具有一定的通用性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。