本发明提供一种用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，包括：收敛段；扇形叶栅实验段，包括导叶上栅板、导叶下栅板、可调导叶、左右抽吸腔室、静叶上栅板、静叶下栅板、滑动静叶和级间测量装置；抽吸系统，包括流量计、节流阀、水循环式真空泵、三相异步电动机和变频控制器，变频控制器和节流阀调节水循环式真空泵的抽吸流量，并通过管路将水循环式真空泵与左右抽吸腔相连通；实验测试与数据采集系统，与收敛段的出口和扇形叶栅实验段的进口相连，用于对预设参数的测量。本发明通过构建扇形叶栅实验系统，通过各部分的配合实现较低成本和简单的操作，从而获得非均匀流场中各参数性能测量及分析，为后续研究奠定基础。
1.一种用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，包括：
收敛段(1)，具有符合维氏曲线形状的扇形气流截面的筒体；
扇形叶栅实验段(2)，包括导叶上栅板(5)、导叶下栅板(8)、可调导叶(9)、左右抽吸腔室、静叶上栅板(16)、静叶下栅板(21)、滑动静叶(23)和级间测量装置；
坐标位移机构固定座(4)安装在所述导叶上栅板(5)上；所述可调导叶(9)通过导叶上下固定块(28)安装在所述导叶上栅板(5)和所述导叶下栅板(8)之间；导叶调节定位块(6)与所述可调导叶(9)上端的导叶旋转轴(27)连接构成导叶调节定位机构；
左侧抽吸板(11)、左侧抽吸腔挡板(12)、右侧抽吸侧板(15)和右侧抽吸腔挡板(22)固定在所述导叶上栅板(5)和所述导叶下栅板(8)的两端构成所述左右抽吸腔室；
所述滑动静叶(23)与所述静叶上栅板(16)和所述静叶下栅板(21)之间采用滑道连接；
PIV视窗堵块(13)嵌入所述静叶上栅板(16)构成所述静叶上栅板(16)的密封；在进行PIV实验时，PIV视窗滑块(14)安装在所述静叶上栅板(16)的滑道中；级间测量滑道(19)安装在所述静叶上栅板(16)上，级间测量堵块(18)嵌入所述静叶上栅板(16)构成密封；在进行级间测量时，取下所述级间测量堵块(18)，并将级间测量滑块(17)安装在所述级间测量滑道(19)上构成所述级间测量装置；
抽吸系统，包括流量计、节流阀、水循环式真空泵、三相异步电动机和变频控制器，所述变频控制器和所述节流阀调节所述水循环式真空泵的抽吸流量，并通过管路将所述水循环式真空泵与所述左右抽吸腔相连通；
实验测试与数据采集系统(3)，通过各个数据采集装置与所述收敛段(1)的出口和所述扇形叶栅实验段(2)的进口相连，将得到的压力信号转化为电信号，传输给计算机进行处理，完成对预设的实验参数的采集与处理。
2.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，所述收敛段(1)的出口截面尺寸与所述扇形叶栅实验段(2)的入口完全匹配，并在所述收敛段(1)的出口位置区域设置总压探针安装孔和壁面静压孔。
3.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，所述抽吸系统采用在左、右侧抽吸板布置抽吸缝对流到内部流场进行抽吸，所述左侧抽吸板(11)和所述右侧抽吸板(15)通过定位螺钉固定在导叶上、下栅板上，并与所述左侧抽吸腔挡板(12)和所述右侧抽吸腔挡板(22)分别建立密封抽吸腔，在所述左侧抽吸板(11)和所述右侧抽吸板(15)上开抽吸孔与所述水循环式真空泵进行连接，完成抽吸。
4.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，所述坐标位移机构固定座(4)通过螺栓与所述扇形叶栅实验段(2)的法兰盘连接，根据叶栅出口测量截面的变化改变坐标位移机构在法兰盘周向位置。
5.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，所述导叶上栅板(5)、所述导叶下栅板(8)和所述导叶上下固定块(28)的连接面均采用球面设计，所述可调导叶(9)通过所述导叶调节定位块(6)调节角度，且由上端定位螺丝与所述导叶上栅板(5)上的定位螺纹孔固定，并通过垫圈(29)和下端螺母对定位后的所述可调导叶(9)进行固定。
6.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，所述滑动静叶(23)采用叶片和上下流道一体加工成型，通过滑齿与所述静叶上栅板(16)和所述静叶下栅板(21)连接。
7.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，在进行级间参数测量时，所述导叶上、下栅板的出口段通过法兰与级间测量延长段(10)连接；在进行静叶栅实验时，所述导叶上、下栅板的出口段通过法兰与所述静叶上、下栅板的入口段相连。
8.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，所述静叶上栅板(16)的出口段通过法兰还设置有不同高度的径向压力梯度挡板，即30％叶高挡板(25)和50％叶高挡板(26)。
9.根据权利要求1所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，实验测试与数据采集系统(3)，包括总压探针、壁面静压气动探针、五孔气动探针、五点三孔梳状探针、十二孔总压耙子、粒子图像测速仪、坐标位移机构、压力扫描阀和远程计算机；所述总压探针安装在所述收敛段(1)出口和所述扇形叶栅实验段(2)进口，深入待测区域的中心区域；所述五孔气动探针和所述十二孔总压耙子设置在所述扇形叶栅实验段(2)的出口位置；所述压力扫描阀由多个压力扫描模块组成，内部集成了压力传感器和A/D变换器，感受压力信号后，经过处理直接输出数字信号到远程计算机。
10.根据权利要求9所述的用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，所述五点三孔梳状探针设置在所述可调导叶(9)和所述滑动静叶(23)之间，测量导叶出口气流的总压、静压和马赫数，实时记录所述五点三孔梳状探针所测得的气动参数，通过对气源的调节，使所述五点三孔梳状探针测得的最大马赫数达到目标值，进而开始静叶出口参数的测量。
一种用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验
系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种可实现畸变条件下，用于非均匀流场中压气机静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统。
背景技术
[0002] 燃气轮机作为一种先进的动力装置以其卓越的性能在航空、舰船、发电、石油化工、天然气输送及铁路运输等部门得到广泛应用。作为国防工业和国民经济的重大战略产品，其相关技术是21世纪动力系统的核心技术，直接影响着一个国家的国防、能源、安全和工业竞争能力。压气机是燃气轮机的核心部件，其在不同工况下的工作性能对整机性能有着直接影响，一直是国内外学者研究的重点。近年来，为了满足飞机飞行高度、飞行速度、以及高性能机动性的需求，压气机进口流场变得越来越复杂，在压气机中经常发生明显的流场畸变。由于压气机叶片设计属于高科技范畴，虽然有理论计算方法，但主要还是依靠各种实验才能获得理想结果，
[0003] 因此，为了能够进一步研究进气畸变对静叶流道内部流场的影响，需要针对畸变流体影响的静叶流道开展实验测量，但整级实验难度大、成本高，且数据不易测量。并且受畸变流体影响的静叶流道呈现明显的非均匀性，各流道的流动状态均不相同，也增加了实验测量的难度。因此，设计带有可调导叶的扇形叶栅实验件，保证静叶进气条件与其在级中一致，又计入畸变条件的影响，同时还要保证足够的可测流道数量，这样的实验和数据测量方法是十分必要的。
发明内容
[0004] 根据上述提出的技术问题，而提供一种用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统。本发明主要通过收敛段配合扇形叶栅实验段、抽吸系统与实验测试系统和数据采集系统，从而具有实验难度小、成本低、操作简单，且可开展不同来流马赫数、不同气流角、变节距和变动静叶相对周向位置等条件下的实验的优点。
[0005] 本发明采用的技术手段如下：
[0006] 一种用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，其特征在于，包括：
[0007] 收敛段，具有符合维氏曲线形状的扇形气流截面的筒体；
[0008] 扇形叶栅实验段，包括导叶上栅板、导叶下栅板、可调导叶、左右抽吸腔室、静叶上栅板、静叶下栅板、滑动静叶和级间测量装置；
[0009] 坐标位移机构固定座安装在所述导叶上栅板上；所述可调导叶通过导叶上下固定块安装在所述导叶上栅板和所述导叶下栅板之间；导叶调节定位块与所述可调导叶上端的导叶旋转轴连接构成导叶调节定位机构；
[0010] 左侧抽吸板、左侧抽吸腔挡板、右侧抽吸侧板和右侧抽吸腔挡板固定在所述导叶上栅板和所述导叶下栅板的两端构成所述左右抽吸腔室；
[0011] 所述滑动静叶与所述静叶上栅板和所述静叶下栅板之间采用滑道连接；PIV视窗堵块嵌入所述静叶上栅板构成所述静叶上栅板的密封；在进行PIV实验时，PIV视窗滑块安装在所述静叶上栅板的滑道中；级间测量滑道安装在所述静叶上栅板上，级间测量堵块嵌入所述静叶上栅板构成密封；在进行级间测量时，取下所述级间测量堵块，并将级间测量滑块安装在所述级间测量滑道上构成所述级间测量装置；
[0012] 抽吸系统，包括流量计、节流阀、水循环式真空泵、三相异步电动机和变频控制器，所述变频控制器和所述节流阀调节所述水循环式真空泵的抽吸流量，并通过管路将所述水循环式真空泵与所述左右抽吸腔相连通；
[0013] 实验测试与数据采集系统，通过各个数据采集装置与所述收敛段的出口和所述扇形叶栅实验段的进口相连，将得到的压力信号转化为电信号，传输给计算机进行处理，完成对预设的实验参数的采集与处理。
[0014] 进一步地，所述收敛段的出口截面尺寸与所述扇形叶栅实验段的入口完全匹配，并在所述收敛段的出口位置区域设置总压探针安装孔和壁面静压孔。
[0015] 进一步地，所述抽吸系统采用在左、右侧抽吸板布置抽吸缝对流到内部流场进行抽吸，所述左侧抽吸板和所述右侧抽吸板通过定位螺钉固定在导叶上、下栅板上，并与所述左侧抽吸腔挡板和所述右侧抽吸腔挡板分别建立密封抽吸腔，在所述左侧抽吸板和所述右侧抽吸板上开抽吸孔与所述水循环式真空泵进行连接，完成抽吸。
[0016] 进一步地，所述坐标位移机构固定座通过螺栓与所述扇形叶栅实验段的法兰盘连接，根据叶栅出口测量截面的变化改变坐标位移机构在法兰盘周向位置。
[0017] 进一步地，所述导叶上栅板、所述导叶下栅板和所述导叶上下固定块的连接面均采用球面设计，所述可调导叶通过所述导叶调节定位块调节角度，且由上端定位螺丝与所述导叶上栅板上的定位螺纹孔固定，并通过垫圈和下端螺母对定位后的所述可调导叶进行固定。
[0018] 进一步地，所述滑动静叶采用叶片和上下流道一体加工成型，通过滑齿与所述静叶上栅板和所述静叶下栅板连接。
[0019] 进一步地，在进行级间参数测量时，所述导叶上、下栅板的出口段通过法兰与级间测量延长段连接；在进行静叶栅实验时，所述导叶上、下栅板的出口段通过法兰与所述静叶上、下栅板的入口段相连。
[0020] 进一步地，所述静叶上栅板的出口段通过法兰还设置有不同高度的径向压力梯度挡板，即30％叶高挡板和50％叶高挡板。
[0021] 进一步地，实验测试与数据采集系统，包括总压探针、壁面静压气动探针、五孔气动探针、五点三孔梳状探针、十二孔总压耙子、壁面静压气动探针、粒子图像测速仪、坐标位移机构、压力扫描阀和远程计算机；所述总压探针安装在所述收敛段出口和所述扇形叶栅实验段进口，深入待测区域的中心区域；所述五孔气动探针和所述十二孔总压耙子设置在所述扇形叶栅实验段的出口位置；所述压力扫描阀由多个压力扫描模块组成，内部集成了压力传感器和A/D变换器，感受压力信号后，经过处理直接输出数字信号到远程计算机。
[0022] 进一步地，所述五点三孔梳状探针设置在所述可调导叶和所述滑动静叶之间，测量导叶出口气流的总压、静压和马赫数，实时将所述五点三孔梳状探针所测得的气动参数通过对气源的调节，使所述五点三孔探针测得的最大马赫数达到目标值，进而开始静叶出口参数的测量。
[0023] 本发明具有以下优点：
[0024] 本发明通过构建用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，各个部分的相互配合可以以较低的成本和简单的操作获得非均匀流场中不同来流马赫数和攻角条件下的叶栅内部流场结构和气动性能，为今后进行畸变条件下压气机流场特性分析、性能优化和叶片气动造型设计积累经验，也为以后压气机抗畸变能力研究和级实验的开展奠定基础，具有重要的理论意义和现实应用价值。
附图说明
[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026] 图1为本发明扇形叶栅实验系统的结构示意图。
[0027] 图2为本发明抽吸系统的结构框图。
[0028] 图3为本发明扇形叶栅实验段的结构示意图。
[0029] 图4为本发明可调导叶的结构示意图。
[0030] 图5为本发明滑动静叶的结构示意图。
[0031] 图6为本发明粒子图像测速系统的结构示意图。
[0032] 图中：1、收敛段；2、扇形叶栅实验段；3、实验测试与数据采集系统；4、坐标位移机构固定座；5、导叶上栅板；6、导叶调节定位块；7、总压探针座；8、导叶下栅板；9、可调导叶；10、级间测量延长段；11、左侧抽吸板；12、左侧抽吸腔挡板；13、PIV视窗堵块；14、PIV视窗滑块；15、右侧抽吸侧板；16、静叶上栅板；17、级间测量滑块；18、级间测量堵块；19、级间测量滑道；20、右侧尾板；21、静叶下栅板；22、右侧抽吸腔挡板；23、滑动静叶；24、左侧尾板；25、
30％叶高挡板；26、50％叶高挡板；27、导叶旋转轴；28、导叶上下固定块；29、垫圈；30、激光发生器；31、CCD相机；32、悬臂滑动静叶。
具体实施方式
[0033] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 如图1、图6所示，一种用于非均匀流场中静叶气动性能研究的扇形叶栅实验系统，包括：
[0035] 收敛段1，所述收敛段1位于风洞筒体之后，通过螺栓连接，具有符合维氏曲线形状的扇形气流截面的筒体(即具有扇形截面的“小半圆筒体”)，将现有技术中的圆形气流截面转换为扇形。所述收敛段1的出口截面尺寸与扇形叶栅实验段2的入口完全匹配；
[0036] 如图3所示，扇形叶栅实验段2，包括导叶上栅板5、导叶下栅板8、可调导叶9、左右抽吸腔室、静叶上栅板16、静叶下栅板21、滑动静叶23和级间测量装置；
[0037] 坐标位移机构固定座4通过螺栓与所述扇形叶栅实验段2的法兰盘连接，即安装在所述导叶上栅板5上，根据叶栅出口测量截面的变化改变坐标位移机构在法兰盘周向位置。
[0038] 如图4所示，所述可调导叶9通过导叶上下固定块28安装在所述导叶上栅板5和所述导叶下栅板8之间，所述导叶上栅板5、所述导叶下栅板8和所述导叶上下固定块28的连接面均采用球面设计，导叶上、下栅板的栅板内侧与导叶上下固定块28的连接面采用球面设计；导叶调节定位块6与所述可调导叶9上端的导叶旋转轴27连接构成导叶调节定位机构；所述可调导叶9通过所述导叶调节定位块6调节角度，且由上端定位螺丝与所述导叶上栅板
5上的定位螺纹孔固定可进行精确调节，并通过垫圈29和下端螺母对定位后的所述可调导叶9进行固定，垫圈29可以方便可调导叶9的安装、定位和固定。所述导叶下栅板8上设置五点三孔探针安装槽。
[0039] 左侧抽吸板11、左侧抽吸腔挡板12、右侧抽吸侧板15和右侧抽吸腔挡板22通过定位螺钉固定在所述导叶上栅板5和所述导叶下栅板8的两端构成所述左右抽吸腔室；
[0040] 在进行级间参数测量时，所述导叶上、下栅板的出口段通过法兰与级间测量延长段10连接；在进行静叶栅实验时，所述导叶上、下栅板的出口段通过法兰与所述静叶上、下栅板的入口段相连。
[0041] 如图5所示，所述滑动静叶23采用叶片和上下流道一体加工成型，所述滑动静叶23与所述静叶上栅板16和所述静叶下栅板21之间采用滑齿与滑道连接，可以改变滑动静叶23在叶栅内部的周向相对位置，同时也可以进行变节距实验，即通过在滑动叶片之间增加滑块改变叶栅稠度，相邻两个滑动静叶23能够紧密相邻形成一个完整流道；所述静叶栅板16上设置有PIV测量视窗结构和级间测量装置，并且在所述静叶上栅板16的出口段通过法兰设置有不同高度的径向压力梯度挡板，即30％叶高挡板25和50％叶高挡板26。所述静叶下栅板21通过螺栓与所述导叶下栅板8连接，设有滑动静叶滑道和螺纹孔。左侧尾板24和右侧尾板20与所述静叶上栅板16和所述静叶下栅板21通过螺纹孔连接。
[0042] 所述PIV测量视窗结构由光学玻璃、PIV视窗堵块13和PIV视窗滑块14组成，光学玻璃镶嵌在所述PIV视窗滑块14上，通过PIV视窗滑块14和悬臂滑动静叶32的布置可以测量不同周向位置处叶栅内部速度场结构，PIV视窗堵块13嵌入所述静叶上栅板16构成所述静叶上栅板16的密封；在进行PIV实验时，PIV视窗滑块14安装在所述静叶上栅板16的滑道中，PIV视窗堵块13在不进行PIV实验时，通过螺钉与所述静叶上栅板16紧密连接实现上栅板的密封；
[0043] 级间测量滑道19安装在所述静叶上栅板16上，级间测量堵块18嵌入所述静叶上栅板16构成密封；在进行级间测量时，取下所述级间测量堵块18，并将级间测量滑块17安装在所述级间测量滑道19上构成所述级间测量装置；五孔气动探针可以透过测量滑块17深入叶栅内部进行测量，并且测量滑块17可以根据测量要求在级间测量滑到19内沿周向移动。
[0044] 如图2所示，抽吸系统，包括流量计、节流阀、水循环式真空泵、三相异步电动机和变频控制器，所述三相异步电动机带动水循环式真空泵建立真空，所述变频控制器和所述节流阀调节所述水循环式真空泵的抽吸流量，并通过管路将所述水循环式真空泵与所述左右抽吸腔相连通，通过节流阀和流量计进一步控制抽吸量；所述抽吸系统采用在左、右侧抽吸板布置密集抽吸缝对流到内部流场进行抽吸，所述左侧抽吸板11和所述右侧抽吸板15通过定位螺钉固定在导叶上、下栅板上，并与所述左侧抽吸腔挡板12和所述右侧抽吸腔挡板22分别建立密封抽吸腔，在所述左侧抽吸板11和所述右侧抽吸板15上开抽吸孔与所述水循环式真空泵进行连接，完成抽吸。
[0045] 实验测试与数据采集系统3，与所述收敛段1的出口和所述扇形叶栅实验段2的进口相连，用于对预设参数的测量；包括总压探针、壁面静压气动探针、五孔气动探针、五点三孔梳状探针、十二孔总压耙子、壁面静压气动探针、粒子图像测速仪、坐标位移机构、压力扫描阀和远程计算机，所述压力扫描阀由多个压力扫描模块组成，内部集成了压力传感器和A/D变换器，感受压力信号后，经过处理直接输出数字信号到远程计算机。
[0046] 在收敛段1出口位置区域和导叶上栅板5布置布置总压探针座7(即总压探针安装孔的设置)，并在导叶上栅板5接近尾缘附近的壁面静压孔，所述总压探针深入待测区域的中心区域通过气动探针测量导叶栅前来流总压，利用壁面静压孔测量导叶出口壁面静压。
[0047] 所述五点三孔梳状探针设置在所述可调导叶9和所述滑动静叶23之间，测量导叶出口气流的总压、静压和马赫数，实时将所述五点三孔梳状探针所测得的气动参数通过对气源的调节，使所述五点三孔探针测得的最大马赫数达到目标值，进而开始静叶出口参数的测量。
[0048] 所述五孔气动探针和所述十二孔总压耙子设置在所述扇形叶栅实验段2的出口位置；在静叶上栅板16上开设一条狭缝，方便五孔探针深入叶栅内部，坐标位移机构通过坐标位移机构固定座4安装在导叶上栅板5法兰上，通过远程计算机编程驱动步进电机控制五孔探针测量静叶出口流场参数。气动探针和五孔探针感知的压力信号通过气动软管传递到压力扫描模块进行数据采集，经过A/D转换后，输出数字信号到远程计算机，完成气动参数测量。
[0049] 粒子图像测速仪由激光发生器30、CCD相机31和粒子发生器组成，粒子发生器在收敛段前方筒体内散布示踪粒子，激光发生器30和CCD相机31通过同步器控制，PIV视窗滑块14上镶嵌光学玻璃，方便激光的投射和相机捕捉散射光信号，得到叶栅内部速度矢量场。
[0050] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
