专利名称：一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法
技术领域：
本发明涉及气体流量测量领域，具体来说，是针对于复杂结构通道的设计，提出的一种基于浓度法的复杂结构通道内气体(主流气体)流量测量方法，通过分析复杂结构通道的进口端及出口端的某种选定控制气体的体积浓度差异，实现对复杂结构通道内主流气体流量测量，尤其适用于航空发动机空气系统中复杂结构通道下的空气流量测量及流量分配测量。
背景技术：
在航空发动机研制领域，随着对航空发动机性能要求的提高，根本的一条途径就是提高涡轮前总温。但是材料所能承受高温的能力是有限的，只有通过对涡轮部件的充分热防护来实现其能在高温下正常工作。而对涡轮等工作叶片的冷却的空气来源是由压气机部件提供并由具有复杂结构通道的航空发动机空气系统进行分配的。航空发动机空气系统是指从压气机适当位置抽取空气，使该空气通过发动机主流的内侧或外侧各种流动结构元件按设计的流路及要求的流动参数流动并完成规定的各项功能。如图I所示，航空发动机空气系统典型的空气流路图，盘腔与盘腔之间的流路有相互分流与混合，形成极为复杂的流动。由于空气系统中所涉及到的气体流道复杂多变，流路错综复杂且彼此交叉。其流道基本特点是多通道，具有复杂结构，其气体流路是从转动的叶片根部开始引气，经过由旋转件组成的盘腔，部分气体进入轴内通道，部分气体经过转静系之间的孔通道，最后各部分气体又分别在不同的盘腔处进行汇合，其流量分配及测量显得极为困难。目前的航空发动机空气系统流量分配主要还是采用过余设计，只能以过多的冷空气来保证足够的热防护强度，这也是制约航空发动机效率的一个重要因素。在航空发动机空气系统中，以最少的冷却气体达到所需要的冷却效果是航空发动机空气系统热防护的最终目标，由此精确测量及分配好涡轮转子、涡轮静子及盘腔之间的空气流量就显得尤为重要。但是由于航空发动机空气系统流道结构的极端复杂性，在目前的设计中，其流量分配主要依靠热力计算及程序计算的数据，并没有可实现的手段测量出各冷却部件之间分配的流量，还没有成熟的技术来检验其流量的分配是否达到足够的精度，对换热冷却及设计造成了很大的困难，严重制约着航空发动机整体性能的提升。目前常用的气体流量测量技术中，包括压差式、速度式、容积式、面积式、质量式、 热式测量等。虽然种类繁多，但是每种测量都有其一定的局限性，在航空发动机空气系统中更是无法实现测量。速度式测量与容积式测量需要将流量计置于被测流体中，在整流器的作用下对流体进行整流加速，对初始流场进行了强烈的干扰，同时也无法在旋转的复杂通道下实现。压差式测量，是通过在管道内节流形成局部收缩产生压降，测量压降从而实现测量流量，节流装置是在管道中安装一个局部收缩元件，在旋转的复杂结构下也实现不了。 热式气体质量流量是利用热扩散原理测量气体流量，通过插入管道中的传感器感受流体温度，受流体速度影响从而实现对温度变化的监控来计算出流体流量。但是也存在诸多弊端，在航空发动机空气系统中，温度变化范围很大，而且空气中杂质很多，测热式气体质量流量测量造成很大影响。现有的技术都不能很好测量复杂通道内的气体流量，对于复杂通道内的气体流量测量，亟需发明一种测量可行性好、精度容易保证，且量程范围宽的测量方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种可操作性好，测量精度容易保证，量程范围宽的复杂结构通道内气体(主流气体)流量测量方法。本发明复杂结构通道内气体流量测量方法，通过下述步骤来完成步骤I :向复杂结构通道内主流气体中喷射控制气体；设复杂结构通道具有m个进口与η个出口，ISjSn ;在复杂结构通道中m-Ι个进口端处、η个出口端处设定喷入点，也可在m个进口端处、η-I个出口端处设定喷入点；对于各个进口端，喷入点设定为进口端端口处；对于各个出口端，喷入点设定为距出口端I 2倍管径处；外置气体喷射装置通过复杂结构通道外壁上的喷射通道向喷入点位置喷入控制气体，使η个出口端与m个进口端的控制气体浓度产生差异；步骤2 :测量复杂结构通道各个进口端与出口端的控制气体浓度，并且测量复杂结构通道各个出口端的主流气体压力、温度以及各喷入点处的控制气体流量；步骤3 :获得复杂结构通道内的主流气体流量；A、具有I个进口 η个出口的复杂结构通道，m = 1，η彡I :I、得到η个出口端主流气体的密度为
权利要求
1.一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，其特征在于通过下述步骤来完成步骤I:向复杂结构通道内主流气体中喷射控制气体；设复杂结构通道具有m个进口与η个出口，m，Sn ;在复杂结构通道中 m-Ι个进口端处、η个出口端处设定喷入点，也可在m个进口端处、n_l个出口端处设定喷入点；对于各个进口端，喷入点设定为进口端端口处；对于各个出口端，喷入点设定为距出口端I 2倍管径处；外置气体喷射装置通过复杂结构通道外壁上的喷射通道向喷入点位置喷入控制气体，使η个出口端与m个进口端的控制气体浓度产生差异；步骤2 :测量复杂结构通道各个进口端与出口端的控制气体浓度，并且测量复杂结构通道各个出口端的主流气体压力、温度以及各喷入点处的控制气体流量；步骤3 :获得复杂结构通道内的主流气体流量；A、具有I个进口 η个出口的复杂结构通道，m = 1，η彡I :I、得到η个出口端主流气体的密度为
2.如权利要求I所述一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，其特征在于所述喷入点处设置有气体混合器。
3.如权利要求2所述一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，其特征在于所述气体混合器为小型涡轮导向器。
4.如权利要求I所述一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，其特征在于所述喷入通道为4或8个，均匀分布在复杂通道结构侧壁周向上。
5.如权利要求I所述一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，其特征在于所述控制气体为二氧化碳。
6.如权利要求I所述一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，其特征在于各个进口端与出口端的控制气体浓度通过控制气体测量仪测量复杂结构通道测得，且各个进口端与出口端的浓度测量点分别设为距进口端、出口端I 2倍管径处；复杂结构通道各个出口端主流气体压力、温度分别通过温度及压力传感器测得，各个出口端控制气体流量通过高精度微小流量计测得。
7.如权利要求6所述一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，其特征在于所述控制气体浓度测量仪采用测量高精度在线式红外线分析器。
全文摘要
本发明公开一种基于浓度法的复杂结构通道内气体流量测量方法，通过喷射装置向通道入口端与出口端处喷入控制气体。测量复杂结构通道各进口端与出口端的控制气体浓度，并测量复杂结构通道各出口端的主流气体压力、温度以及各喷入点的控制气体流量。由于在通道内部加入了控制气体，造成了通道的进口端和出口端的控制气体浓度产生了一定的差异，根据进口端与出口端的控制气体浓度差异和喷入的控制气体流量可得复杂结构通道内气体流量。本发明的优点为所测量的参数主要是取自进出口，其结构的复杂程度对于测量的可操作性没有影响，且对主流气体几乎没有影响，不存在由于测量参数而引起的流动损失及压力损失，在复杂结构通道的条件下具有很大的优势。
文档编号G01F9/00GK102607658SQ201210060150
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者孙纪宁, 徐国强, 李洋, 邓宏武, 闻洁, 陶智 申请人:北京航空航天大学