CN108775850B - 一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置及试验方法，包括叶栅试验件、安装架，安装架包括设置有测试面，安装架内设置有空腔，还包括驱动装置。包括以下步骤：步骤S1：设定叶栅试验件顶部距离测试面的距离为h0；步骤S2：设定直线电机运动端向靠近测试面运动时的运动行程﹢S，设定直线电机运动端向远离测试面运动时的运动行程‑S；步骤S3：当直线电机向靠近测试面运动时的叶栅试验件的高度H=h0+S,当直线电机向远离测试面运动时的叶栅试验件的高度H=h0‑S。有效的实现所需研究的叶顶间隙范围内连续调节；能够用于研究叶顶间隙变化过程的瞬态气动特性；研究叶顶间隙方案的试验研究时，不用更换试验件，可显著缩短试验时间。

Description

一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及叶栅试验装置技术领域，具体的说，是一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置及其试验方法。

背景技术

叶顶间隙是压气机或涡轮叶栅顶部到机匣之间的距离，其是压气机和涡轮叶栅气动性能的重要影响参数之一。叶顶间隙会导致叶顶气流泄漏，会对叶轮性能产生严重的影响，如：①叶顶泄漏使得部分流体直接从叶片前缘通过间歇流出叶片尾缘，没有流经叶轮通道膨胀做功，降低叶轮做功能力；②叶顶泄漏流进入主流通道后与主流相互作用、掺混，并诱导多种流动涡相互作用，改变流场结构并增加流动损失、降低叶轮机效率。

叶顶间隙流动及其与主流的相互作用是一个复杂的流动过程，主要包括：①受叶盆与叶背压力差迫使流体从叶盆侧经叶顶间隙向叶背侧泄漏，形成泄漏涡系并改变叶片负荷分布；②叶尖与叶根的附面层对间隙流动的影响；③叶片和机匣间的相对运动对泄漏流动的影响；④叶尖间隙大小影响，间隙越大，泄漏流动越强。为了探索和掌握叶顶泄漏流流动特征及其对叶轮性能的影响，通常需要对不同叶顶间隙方案的叶栅气动性能进行研究。在研究叶顶间隙对叶栅气动性能的影响规律和物理机理研究方面一般是从流动相对简单的二元平面叶栅入手，如图3所示为考虑叶顶间隙的叶栅试验件示意图。

平面叶栅试验是叶轮机械气动设计研究领域的基础性试验研究项目，是压气机和涡轮气动设计中验证和校核叶型气动性能的最经济、最快捷、最有效的技术途径。在对压气机和涡轮叶片性能的基础研究中，除了要不断地进行叶片设计、性能改进等理论研究以外，还要进行大量的平面叶栅试验，对理论研究进行验证。通过平面叶栅试验，可以对叶栅的性能有深入的认识，了解叶型在不同方案下的气动性能，并为新的叶型的设计制造积累资料，对提高压气机和涡轮总体性能来说具有重大的意义。平面叶栅试验设备主要由进气段、稳定段、喷管、平面叶栅试验件和排气段等组成。

传统的平面叶栅试验改变叶顶间隙的方法

在研究不同叶顶间隙方案对叶栅性能影响的平面叶栅试验研究过程中，传统的试验方法是加工不同高度的平面叶栅试验件。试验前加工好不同高度h的叶栅试验件，试验时通过更换不同高度的h叶栅试验件来进行不同叶顶间隙δ方案的平面叶栅试验研究。

直线电机简介：

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电机的形状可以是平板式、U型槽式、圆柱形和管式，哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。

直线电机的固定端称为初级，直线运动部件称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度和形状，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。

传统的平面叶栅试验改变叶顶间隙的方法是通过加工不同高度的平面叶栅试验件来实现，所以一个叶顶间隙方案就需要加工一套平面叶栅试验件。试验前确定好不同高度h的叶栅试验件，来进行不同叶顶间隙δ方案的平面叶栅试验研究。在进行不同叶顶间隙方案试验研究时需要加工多套平面叶栅试验件，这使得叶顶间隙参数的研究工作在所选定的范围内是存在阶差的，即试验研究不能得到研究范围内叶顶间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律，且不能研究叶顶间隙变化过程中平面叶栅气动性能的瞬态变化过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置及其试验方法，能够有效的针对目前平面叶栅试验研究中开展不同叶顶间隙方案时，叶栅试验件加工件数多导致的成本高昂、不能得到叶顶间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律和不能开展叶顶间隙变化过程中平面叶栅气动性能的瞬态变化过程研究的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置，包括多个相互平行设置的叶栅试验件、用于安装多个叶栅试验件的安装架，所述安装架包括设置有测试面，所述安装架内设置有用于安装多个叶栅试验件的空腔，还包括与多个叶栅试验件连接且用于驱动多个叶栅试验件靠近/远离测试面的驱动装置。

工作原理：使用时，操作人员控制与叶栅试验件连接的驱动装置向靠近/远离测试面运动，由于在驱动装置工作前叶栅试验件靠近测试面一侧与测试面的距离是固定不变的，通过控制驱动装置向靠近/远离测试面的行程，使得叶栅试验件在空腔内的高度发生变化；通过高度的变化能够有效的得到叶顶间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律，同时有利于研究人员对叶顶间隙变化过程中平面叶栅气动性能的瞬态变化过程的研究；相比现有技术，本发明只需要一套叶栅试验件即可完成试验，可有效的降低成本。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述安装架包括设置有测试面的上壁板、与上壁板平行设置的下壁板以及设置在上壁板与下壁板之间的两个螺栓，两个所述螺栓、上壁板、以及下壁板形成用于安装多个叶栅试验件的空腔；所述下壁板与驱动装置连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述叶栅试验件靠近下壁板的一端设置有运动导杆，所述下壁板设置有第二动密封导槽；所述运动导杆穿过第二动密封导槽与驱动装置连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述驱动装置包括与运动导杆远离叶栅试验件一端连接且与下壁板平行设置的运动板、设置在运动板与下壁板之间的直线电机；所述直线电机的运动端与运动板连接，直线电机的固定端与下壁板连接。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述下壁板靠近上壁板的一侧还设置有用于安装叶栅试验件的靠近下壁板一端的第一动密封导槽，所述第一动密封导槽与第二动密封导槽连通；所述叶栅试验件、第一动密封导槽以及第二动密封导槽数量相同且一一对应设置。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述多个相互平行的叶栅试验件等间距设置。

一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：设定直线电机在运动之前，叶栅试验件顶部距离下壁板测试面的距离为h0；

步骤S2：控制直线电机的运动端向靠近/远离测试面的运动行程S，设定直线电机运动端向靠近测试面运动时的运动行程为﹢S，设定直线电机运动端向远离测试面运动时的运动行程为-S；

步骤S3：计算得出:当直线电机向靠近测试面运动时的叶栅试验件的高度H=h0+S,当直线电机向远离测试面运动时的叶栅试验件的高度H=h0-S。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明能够有效的实现所需研究的叶顶间隙范围内连续调节；

（2）本发明能够用于研究叶顶间隙变化过程的瞬态气动特性；

（3）本发明结构简单，易于实现、降低不同叶顶间隙研究过程中的试验件加工费用；

（4）本发明用于研究叶顶间隙方案的试验研究时，不用更换试验件，可显著缩短试验时间。

附图说明

图1为本发明中试验装置的立面图；

图2为本发明中直线电机与下壁板的连接关系示意图；

图3为考虑叶顶间隙的叶栅试验件示意图；

其中1-叶栅试验件，21-螺栓，22-下壁板，221-第二密封导槽，222-第二密封导槽，23-上壁板，231-测试面，31-运动端，32-固定端，33-运动导板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1-图2所示，一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置，包括多个相互平行设置的叶栅试验件1、用于安装多个叶栅试验件1的安装架，所述安装架包括设置有测试面231，所述安装架内设置有用于安装多个叶栅试验件1的空腔，还包括与多个叶栅试验件1连接且用于驱动多个叶栅试验件1靠近/远离测试面231的驱动装置。

需要说明的是，通过上述改进，使用时，操作人员控制与叶栅试验件1连接的驱动装置向靠近/远离测试面231运动，由于在驱动装置工作前叶栅试验件1靠近测试面231一侧与测试面231的距离是固定不变的，通过控制驱动装置向靠近/远离测试面231的行程，使得叶栅试验件1在空腔内的高度发生变化；通过高度的变化能够有效的得到叶顶间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律，同时有利于研究人员对叶顶间隙变化过程中平面叶栅气动性能的瞬态变化过程的研究；相比现有技术，本发明只需要一套叶栅试验件1即可完成试验，有效的降低成本低。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述安装架包括设置有测试面231的上壁板23、与上壁板23平行设置的下壁板22以及设置在上壁板23与下壁板22之间的两个螺栓21，两个所述螺栓21、上壁板23、以及下壁板22形成用于安装多个叶栅试验件1的空腔；所述下壁板22与驱动装置连接。

需要说明的是，通过上述改进，所述安装架包括设置有测试面231的上壁板23、与上壁板23平行设置的下壁板22以及设置在上壁板23与下壁板22之间的两个螺栓21，两个所述螺栓21、测试面231、以及下壁板22形成用于安装多个叶栅试验件1的空腔；所述下壁板22与驱动装置连接；所述测试面231设置在上壁板23靠近叶栅试验件1的一侧。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图2所示，所述叶栅试验件1靠近下壁板22的一端设置有运动导杆，所述下壁板22设置有第二动密封导槽222；所述运动导杆穿过第二动密封导槽222与驱动装置连接。

需要说明的是，通过上述改进，运动导杆、第二密封导槽、叶栅试验件1的数量相同且一一对应设置。使用时，多个叶栅试验件1分别通过与其靠近下壁板22一侧连接的运动导杆与驱动装置连接实现叶栅试验件1靠近上壁板23一侧与上壁板23之间的间隙发生变化；通过第二动密封导槽222，有效的对运动导杆的运动方向进行限制。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，如图1所示，所述驱动装置包括与运动导杆远离叶栅试验件1一端连接且与下壁板22平行设置的运动板33、设置在运动板33与下壁板22之间的直线电机；所述直线电机的运动端31与运动板33连接，直线电机的固定端32与下壁板22连接。

所述远动导杆远离叶栅试验件1的一端与运动板33固定连接，直线电机的运动端31与运动板33螺纹连接，直线电机的固定端32通过连接螺栓与下壁板22固定连接。

所述下壁板22靠近上壁板23的一侧还设置有用于安装叶栅试验件1的靠近下壁板22一端的第一动密封导槽221，所述第一动密封导槽221与第二动密封导槽222连通；所述叶栅试验件1、第一动密封导槽221以及第二动密封导槽222数量相同且一一对应设置。

设置第一动密封导槽221，使得对于叶栅试验件1在空腔内的高度更加清晰地表示。

所述多个相互平行的叶栅试验件1等间距设置。等间距设置避免间距不相等对后期研究造成影响。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例5：

如图1所示，一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：设定直线电机在运动之前，叶栅试验件1顶部距离下壁板22测试面231的距离为h0；

步骤S2：控制直线电机的运动端31向靠近/远离测试面231的运动行程S，设定直线电机运动端31向靠近测试面231运动时的运动行程为﹢S，设定直线电机运动端31向远离测试面231运动时的运动行程为-S；

步骤S3：计算得出:当直线电机向靠近测试面231运动时的叶栅试验件1的高度H=h0+S,当直线电机向远离测试面231运动时的叶栅试验件1的高度H=h0-S。

需要说明的是，通过上述改进，目前在进行不同叶顶间隙方案的平面叶栅试验研究时，通常采用的方法是加工不同叶高的平面叶栅试验件1来实现，一个叶顶间隙方案就需要加工一套平面叶栅试验件1，且研究的叶顶间隙在试验过程中不能连续调节。但是在叶顶间隙参数对叶栅气动性能影响的试验研究过程中往往需要根据平面叶栅试验结果进行不断的调节，因此会导致开展不同叶顶间隙方案研究时试验件更换复杂、试验周期长和试验件加工费用异常高昂的问题；同时现有技术中无法得到研究范围内叶顶间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律且不能研究叶顶间隙变化过程中平面叶栅气动性能的瞬态变化过程。

相比现有的，本设计采用直线电机能够有利于研究人员对于叶栅试验件1靠近测试面231一侧间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律和不能开展叶顶间隙变化过程中平面叶栅气动性能的瞬态变化过程研究的问题。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例最佳实施例，如图1-图2所示，一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置，包括多个相互平行设置的叶栅试验件1、用于安装多个叶栅试验件1的安装架，所述安装架包括设置有测试面231，所述安装架内设置有用于安装多个叶栅试验件1的空腔，还包括与多个叶栅试验件1连接且用于驱动多个叶栅试验件1靠近/远离测试面231的驱动装置。

所述安装架包括设置有测试面231的上壁板23、与上壁板23平行设置的下壁板22以及设置在上壁板23与下壁板22之间的两个螺栓21，两个所述螺栓21、上壁板23、以及下壁板22形成用于安装多个叶栅试验件1的空腔；所述下壁板22与驱动装置连接。两个螺栓21与螺母配合将上壁板23和下壁板22固定。

所述叶栅试验件1靠近下壁板22的一端设置有运动导杆，所述下壁板22设置有第二动密封导槽222；所述运动导杆穿过第二动密封导槽222与驱动装置连接。

所述第二密封导槽沿运动导杆长方向的深度为3mm~12mm。

所述驱动装置包括与运动导杆远离叶栅试验件1一端连接且与下壁板22平行设置的运动板33、设置在运动板33与下壁板22之间的直线电机；所述直线电机的运动端31与运动板33连接，直线电机的固定端32与下壁板22连接。

所述下壁板22靠近上壁板23的一侧还设置有用于安装叶栅试验件1的靠近下壁板22一端的第一动密封导槽221，所述第一动密封导槽221与第二动密封导槽222连通；所述叶栅试验件1、第一动密封导槽221以及第二动密封导槽222数量相同且一一对应设置。

第一动密封导槽221沿运动导杆长方向的长方向的深度为2mm~15mm。所述运动导杆的直径为2~10mm。所述下壁板22沿运动导杆长方向的厚度为第一密封导槽的深度与第二密封导槽深度的总和。

所述多个相互平行的叶栅试验件1等间距设置。

所述直线电机设置有±1μm控制精度的直线编码器，直线电机以及直线编码器为现有技术，不属于本发明的改进点，对此不赘述其内部结构；

需要说明的是，通过上述改进，本发明能够有效的是针对目前平面叶栅试验研究中开展不同叶顶间隙方案时，叶栅试验件1加工件数多导致的成本高昂、不能得到叶顶间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律和不能开展叶顶间隙变化过程中平面叶栅气动性能的瞬态变化过程研究的问题。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置，包括多个相互平行设置的叶栅试验件（1）、用于安装多个叶栅试验件（1）的安装架，所述安装架包括设置有测试面（231），所述安装架内设置有用于安装多个叶栅试验件（1）的空腔，其特征在于：还包括与多个叶栅试验件（1）连接且用于驱动多个叶栅试验件（1）靠近/远离测试面（231）的驱动装置；

所述安装架包括设置有测试面（231）的上壁板（23）、与上壁板（23）平行设置的下壁板（22）以及设置在上壁板（23）与下壁板（22）之间的两个螺栓（21），两个所述螺栓（21）、上壁板（23）、以及下壁板（22）形成用于安装多个叶栅试验件（1）的空腔；所述下壁板（22）与驱动装置连接；所述叶栅试验件（1）靠近下壁板（22）的一端设置有运动导杆，所述下壁板（22）设置有第二动密封导槽（222）；所述运动导杆穿过第二动密封导槽（222）与驱动装置连接；

所述驱动装置包括与运动导杆远离叶栅试验件（1）一端连接且与下壁板（22）平行设置的运动板（33）、设置在运动板（33）与下壁板（22）之间的直线电机；所述直线电机的运动端（31）与运动板（33）连接，直线电机的固定端（32）与下壁板（22）连接；

使用时，操作人员控制与叶栅试验件（1）连接的驱动装置向靠近/远离测试面（231）运动，由于在驱动装置工作前叶栅试验件（1）靠近测试面（231）一侧与测试面（231）的距离是固定不变的，通过控制驱动装置向靠近/远离测试面（231）的行程，使得叶栅试验件（1）在空腔内的高度发生变化；通过高度的变化能够有效的得到叶顶间隙参数对平面叶栅气动性能的连续变化规律。

2.根据权利要求1所述的一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置，其特征在于：所述下壁板（22）靠近上壁板（23）的一侧还设置有用于安装叶栅试验件（1）的靠近下壁板（22）一端的第一动密封导槽，所述第一动密封导槽与第二动密封导槽（222）连通；所述叶栅试验件（1）、第一动密封导槽以及第二动密封导槽（222）数量相同且一一对应设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置，其特征在于：所述多个相互平行的叶栅试验件（1）等间距设置。

4.根据权利要求3所述的一种可连续变叶顶间隙的平面叶栅试验装置的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤S1：设定直线电机在运动之前，叶栅试验件（1）顶部距离下壁板（22）测试面（231）的距离为h0；

步骤S2：控制直线电机的运动端（31）向靠近/远离测试面（231）的运动行程S，设定直线电机运动端（31）向靠近测试面（231）运动时的运动行程为﹢S，设定直线电机运动端（31）向远离测试面（231）运动时的运动行程为-S；

步骤S3：计算得出:当直线电机向靠近测试面（231）运动时的叶栅试验件（1）的高度H=h0+S,当直线电机向远离测试面（231）运动时的叶栅试验件（1）的高度H=h0-S。