一种孔板式背压调节装置的制作方法

本发明涉及一种孔板式背压调节装置，可以用于涡轮或压气机试验台的试验件的出口背压调节，通过调节本装置的面积开度，能够实现试验件出口背压的准确快速调节。

背景技术：

背压调节装置广泛应用于压气机或涡轮等试验台上，用于调节试验件的出口背压，进而实现不同出口背压条件下试验件的性能测试目的。以往的背压调节装置采用尾锥式背压调节方式对试验件的出口背压进行调节，这种尾锥式背压调节装置主要由步进电机、行程尾锥及档板构成，通过步进电机带动尾锥沿轴向运动，进而控制档板的开度。由于尾锥沿轴向行程的需要，这种调节装置的轴向长度往往在1米以上，这部分长度导致在涡轮或压气机试验台扩张段的出口至背压调节装置出口之间形成较大的容腔。对于压气机或涡轮的试验台来讲，由于试验台的储气罐储存的实验气体体积有限，当储气罐内的气体完全流进试验段时，容腔内尚未达到试验所需的出口压力，导致实验失败。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种用于压气机或涡轮试验台的孔板式背压调节装置，并提出了该装置孔板排气口和堵板排气口的几何尺寸计算方法。本发明的孔板式背压调节装置结构简单，可以直接安装在涡轮或压气机试验台扩张段的出口处，通过孔板上的法兰孔与试验台的部件相连接，通过堵板的旋转调节本装置的面积开度，实现对试验件的出口背压的调节。因此，本发明的孔板式背压调节装置在试验台上不需要进行轴向运动，消除了涡轮或压气机试验台扩张段的出口至背压调节装置出口的容腔，因而能够实现试验件出口背压的准确快速调节。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种孔板式背压调节装置，用于涡轮或压气机试验台的背压调节，包括配合安装在一起的孔板和堵板，其特征在于，

--所述孔板至少基本为圆形，其中心设有一旋转轴，所述孔板的周向边缘向外突出形成一法兰凸面，所述法兰凸面未完全覆盖所述孔板的周向边缘，从而在所述孔板的周向边缘上形成至少一未被所述法兰凸面覆盖的缺口，所述法兰凸面以及所述缺口上开设有法兰孔，在所述法兰凸面和所述旋转轴之间的所述孔板上沿周向均布有若干个孔板排气口；

--所述堵板至少基本为圆形，其外径小于所述法兰凸面的内径，所述堵板的周向边缘上沿周向均布有若干个堵板排气口，所述堵板的中心设有一旋转孔，所述堵板通过其旋转孔配合安装在所述孔板的旋转轴上；所述堵板的侧面设有一旋转柄，所述堵板配合安装在所述孔板上后，所述堵板的旋转柄位于所述孔板的缺口中，通过转动所述堵板的旋转柄，所述堵板以所述孔板的旋转轴为中心进行旋转，所述堵板在旋转的过程中，使得所述孔板的排气口面积开度发生改变，进而实现孔板式背压调节装置的排气面积控制，从而达到调节试验件出口背压的目的。

进一步地，所述孔板排气口的总面积与涡轮或压气机试验件的出口面积相等。

进一步地，所述堵板贴合安装在所述孔板上。

进一步地，所述孔板通过其周向设置的法兰孔采用螺栓与涡轮或压气机试验台扩张段、涡轮或压气机试验台排气管路相连接，孔板无法旋转。

进一步地，所述堵板配合安装在所述孔板上后，所述孔板排气口及堵板排气口基本位于同一径向位置。

进一步地，所述孔板排气口及堵板排气口均为扇面结构，扇面结构是由左侧直线、右侧直线、上沿圆弧和下沿圆弧构成的扇面。

进一步地，所述扇面结构的左侧直线与右侧直线的夹角为扇面角θ，所述孔板排气口及堵板排气口的扇面角θ数值相同，扇面角θ选取10°到25°之间。

进一步地，所述孔板排气口和堵板排气口的数量均为n₀，n₀取值为4，6，8，10。

进一步地，所述孔板排气口的上沿圆弧的半径r_s1小于涡轮或压气机试验台扩张段的流道的出口外径R₁，孔板排气口的下沿圆弧的半径r_s2大于涡轮或压气机试验台扩张段的流道的出口内径R₂。

进一步地，所述堵板排气口的上沿圆弧的半径r_b1小于等于涡轮或压气机试验台扩张段的流道的出口外径R₁，堵板排气口的下沿圆弧的半径r_b2大于等于涡轮或压气机试验台扩张段的流道的出口内径R₂。

进一步地，所述孔板排气口的上沿圆弧的半径r_s1＝a·(R₁-R₂)+R₂，其中R₁为涡轮或压气机试验台扩张段流道的出口外径，R₂为涡轮或压气机试验台扩张段流道的出口内径，a的取值范围为：0.75＞a＞0.5。

进一步地，所述孔板排气口的下沿圆弧的半径为其中，θ为扇面角，A₀为涡轮或压气机试验件的出口面积，r_s1为孔板排气口的上沿圆弧的半径，n₀为孔板排气口的数量。

进一步地，所述堵板排气口的上沿圆弧的半径r_b1＝b₁·r_s1，b₁的取值范围为：1.1＞b₁≥1.0。

进一步地，所述堵板排气口的下沿圆弧的半径为r_b2＝b₂·r_s2，b₂的取值范围为：1.0≥b₂＞0.9。

进一步地，对于已知涡轮或压气机试验件，在实验过程中，为了调节试验件的出口背压，所述孔板式背压调节装置的面积开度计算公式为：

式中，A_i为本次实验所需的面积开度。P^*为本次实验涡轮或压气机试验件的出口总压理论值，该数值为已知参数。T^*为本次实验涡轮或压气机试验件的出口总温理论值，该数值为已知参数。m为本次实验涡轮或压气机试验件的流量，该数值为已知参数。

其中，λ＝1，即q(λ)＝1。k为常数，对于空气介质，k＝0.0404。

进一步地，通过旋转所述堵板，将所述孔板式背压调节装置的面积开度调节至A_i，面积开度A_i对应的面积开度角α_i计算方式为：

其中，A_i为面积开度，A₀为涡轮或压气机试验件的出口面积，θ为孔板排气口的扇面角。

同现有技术相比，本发明的孔板式背压调节装置结构简单，可以直接安装在涡轮或压气机试验台扩张段的出口处，通过孔板上的法兰孔与试验台的部件相连接，通过堵板的旋转调节本装置的面积开度，实现对试验件的出口背压的调节。因此，本发明的孔板式背压调节装置在试验台上不需要进行轴向运动，消除了涡轮或压气机试验台扩张段的出口至背压调节装置出口的容腔，因而能够实现涡轮或压气机试验件出口背压的准确快速调节。

附图说明

图1为本发明的孔板式背压调节装置的结构示意图。

图2为本发明的孔板式背压调节装置中孔板的结构示意图。

图3为本发明的孔板式背压调节装置中堵板的结构示意图。

图4为本发明的孔板式背压调节装置中孔板排气口的扇面结构示意图。

图5为本发明的孔板式背压调节装置中堵板排气口的扇面结构示意图。

图6为本发明的孔板式背压调节装置的面积开度示意图。

图7为本发明的孔板式背压调节装置安装于涡轮或压气机试验台的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1～3所示，本发明的孔板式背压调节装置，配合安装在一起的孔板1和堵板2。孔板1至少基本为圆形，其中心设有一旋转轴13，孔板1的周向边缘向外突出形成一法兰凸面11，法兰凸面11未完全覆盖孔板1的周向边缘，从而在孔板1的周向边缘上形成至少一未被法兰凸面11覆盖的缺口14，法兰凸面11以及缺口14上开设有法兰孔15，在法兰凸面11和旋转轴13之间的孔板1上沿周向均布有若干个孔板排气口12。孔板1通过其周向设置的法兰孔15安装在压气机或涡轮试验台扩张段流道的出口上。孔板排气口12的总面积与涡轮或压气机试验件的出口面积相等。

堵板2至少基本为圆形，其外径小于法兰凸面11的内径，堵板2的周向边缘上沿周向均布有若干个堵板排气口23，孔板排气口12和堵板排气口23的数量均为n₀，n₀取值为4，6，8，10。堵板2配合安装在孔板1上后，孔板排气口12及堵板排气口23基本位于同一径向位置。堵板2的中心设有一旋转孔21，堵板2通过其旋转孔21配合安装在孔板1的旋转轴13上；堵板2的侧面设有一旋转柄22，堵板2配合安装在孔板1上后，二者相互贴合，堵板2的旋转柄22位于孔板1的缺口14中，通过转动堵板2的旋转柄22，堵板2以孔板1的旋转轴13为中心进行旋转，堵板2在旋转的过程中，使得孔板1的排气口面积开度发生改变，进而实现孔板式背压调节装置的排气面积控制，从而达到调节试验件出口背压的目的。

如图4、5所示，孔板排气口12及堵板排气口23均为扇面结构。孔板排气口12及堵板排气口23均为扇面结构。孔板排气口12的扇面结构是由左侧直线121、右侧直线122、上沿圆弧123和下沿圆弧124构成的扇面，左侧直线121、右侧直线122的夹角为扇面角θ125。堵板排气口23的扇面结构是由左侧直线231、右侧直线232、上沿圆弧233和下沿圆弧234构成的扇面，左侧直线231、右侧直线232的夹角为扇面角θ235。孔板排气口12及堵板排气口23的扇面角θ125、235数值相同，选取10°到25°之间。

孔板排气口12的上沿圆弧的半径r_s1＝a·(R₁-R₂)+R₂，其中R₁为涡轮或压气机试验台扩张段流道的出口外径，R₂为涡轮或压气机试验台扩张段流道的出口内径，a的取值范围为：0.75＞a＞0.5。孔板排气口的下沿圆弧的半径为其中，θ为扇面角，A₀为涡轮或压气机试验件的出口面积，r_s1为孔板排气口的上沿圆弧的半径，n₀为孔板排气口的数量。

堵板排气口的上沿圆弧的半径r_b1＝b₁·r_s1，b₁的取值范围为：1.1＞b₁≥1.0。堵板排气口的下沿圆弧的半径为r_b2＝b₂·r_s2，b₂的取值范围为：1.0≥b₂＞0.9。

如图6所示，对于已知涡轮或压气机试验件，在实验过程中，为了调节试验件的出口背压，孔板式背压调节装置的面积开度计算公式为：

式中，A_i为本次实验所需的面积开度。P^*为本次实验涡轮或压气机试验件的出口总压理论值，该数值为已知参数。T^*为本次实验涡轮或压气机试验件的出口总温理论值，该数值为已知参数。m为本次实验涡轮或压气机试验件的流量，该数值为已知参数。

其中，λ＝1，即q(λ)＝1。k为常数，对于空气介质，k＝0.0404。

通过旋转堵板2，将孔板式背压调节装置的面积开度调节至A_i，面积开度A_i对应的面积开度角101α_i计算方式为：

其中，A_i为面积开度，A₀为涡轮或压气机试验件的出口面积，θ为孔板排气口的扇面角。

图7为本发明的孔板式背压调节装置安装于涡轮或压气机试验台的结构示意图，图中30为涡轮或压气机试验件，涡轮或压气机试验件30的末端设置涡轮或压气机试验台扩张段31，涡轮或压气机试验台扩张段31的末端设置涡轮或压气机试验台排气管路32，涡轮或压气机试验台扩张段31和涡轮或压气机试验台排气管路32之间通过螺栓33设置本发明的孔板式背压调节装置100。

以本发明具体用于压气机试验件为例，根据实验要求，设计完成孔板式背压调节装置。

1、已知压气机试验件的出口面积A₀＝0.029m²，压气机试验台扩张段的流道的出口外径R₁＝0.40m，压气机试验台扩张段的流道的出口内径R₂＝0.285m。

2、扇面角θ选取15°，孔板排气口的数量n₀选取6个，a的取值为2/3。经计算可得：孔板排气口的上沿圆弧的半径为r_s1＝a·(R₁-R₂)+R₂＝0.362m。孔板排气口的下沿圆弧的半径为

3、对于堵板排气口，扇面角θ＝15^°，堵板排气口的数量n₀＝6。堵板排气口的上沿圆弧的半径r_b1＝b₁·r_s1，b₁取1.0，计算可得：r_b1＝b₁·r_s1＝0.362m。堵板排气口的下沿圆弧的半径为r_b2＝b₂·r_s2，b₂取1.0，计算可得：r_b2＝b₂·r_s2＝0.310m。

4、对于已知压气机试验件，在实验过程中，当试验件出口总压P^*为500kPa，出口总温T^*为400K，流量为8kg/s时，为了调节压气机试验件的出口背压，孔板式背压调节装置的面积开度为：

5、面积开度A_i对应的面积开度角α_i为：

通过旋转堵板，将孔板式背压调节装置的面积开度角调节至4.14°，即可实现本次实验。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。