一种稳态和动态分量比例可调的总压畸变发生装置及方法与流程

本发明属于一种影响航空发动机、压气机进口管道内气体流动的装置，属航空系统技术领域。

背景技术：

总压畸变是指航空发动机进气道出口或者风扇/压气机进口截面总压呈现不均匀分布。总压畸变会造成多种危害，如使得压气机总压比与效率下降、稳定裕度减小、威胁航空发动机飞行安全等。要开展这方面的实验研究来评估总压畸变的影响，必须要有模拟进气总压畸变的装置。

总压畸变含有两种分量：稳态分量和动态分量。欧美在模拟总压畸变时通常使用畸变网发生器，将网格置于气流通道中，利用气流经过网格会造成总压损失来产生总压畸变，使用疏密分布不同的网格可产生不同的畸变图谱。由于网后气流脉动较小，此种方法产生的主要是稳态总压畸变；俄罗斯则通常使用插板扰流器，它是一块月牙形的实心插板，气流通过后会产生低压区，并在板边形成湍流，从而产生稳态和动态组合的总压畸变，但比例无法调整。

已有研究表明，稳态与动态分量比例的不同会改变总压畸变对发动机稳定性的影响，然而，现有的总压畸变发生装置的构型无法满足相关实验研究的需要，需要设计一种能够分别调节稳态和动态分量的总压畸变发生器。

在多级压气机中，低压压气机的出口存在着非均匀的压力波动。当压气机工作时，随着流量的减小，低压压气机和高压压气机的工作点逐渐向稳定边界靠近，当低压压气机首先进入旋转失速状态，而高压压气机仍然处于稳定工作时，高压压气机进口会产生严重的旋转总压畸变，降低高压压气机的稳定裕度，可能导致全台发动机进入旋转失速/喘振状态，造成严重后果，因此有必要对旋转总压畸变开展研究。目前模拟旋转总压畸变多使用旋转的畸变网发生器，无法模拟出总压畸变的动态分量。因此，所设计的总压畸变发生器最好还能产生旋转总压畸变，同时具有稳态分量和动态分量，且比例可调。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种稳态和动态分量比例可调的总压畸变发生装置及方法，该装置能够产生单独的稳态或动态总压畸变，也能够产生稳态与动态组合的总压畸变，且稳态分量和动态分量的比例可调。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种稳态和动态分量比例可调的总压畸变发生装置，包括依次安装于气动稳定性实验的进口管道中沿气流流动方向的稳态总压畸变发生器与动态总压畸变发生器，其中：

所述稳态总压畸变发生器包括第一支架和金属丝网，金属丝网可拆卸式安装在支架上；

所述动态总压畸变发生器包括第二支架、扬声器、集线盒，扬声器为多个，固定在第二支架上，扬声器的导线引出到集线盒中。

进一步的，所述稳态总压畸变发生器还包括电机、传动皮带、传动系统，传动系统固定于电机的输出轴上，第一支架的中心设置有中心轴，中心轴通过传动皮带与传动系统传动连接，通过电机带动第一支架转动。

进一步的，所述金属丝网为多个孔径大小不同的金属丝网，通过更换不同孔径的金属丝网实现获得不同的总压畸变。

进一步的，所述金属丝网为一层或多层。

进一步的，所述金属丝网通过螺栓固定在第一支架上。

进一步的，所述动态总压畸变发生器的第二支架中设置有多根梁，扬声器分布在梁上。

进一步的，所述梁为4根或8根；若为4根，则呈十字型排布；若为8根，则呈米字型排布。

进一步的，所述扬声器均匀分布在梁上。

一种上述的稳态和动态分量比例可调的总压畸变发生装置的实验方法，包括以下步骤：

(1)首先根据实验需求确定所需产生的总压畸变形式，包括：是否需要动态总压畸变，是否需要模拟旋转总压畸变，以及稳态与动态分量的比例；

(2)将金属丝网安装在支架上，形成稳态总压畸变发生器；

(3)若需要产生动态总压畸变，则将稳态总压畸变发生器与动态总压畸变发生器一同安装在气动稳定性实验的进口管道中，并将计算机、多通道d/a转换器与动态总压畸变发生器的集线盒连接起来；若不需要产生动态总压畸变，则仅安装稳态总压畸变发生器；

(4)若需要产生旋转畸变，则在稳态总压畸变发生器上安装传动皮带，并通过传动系统与电机连接；

(5)开始实验，通过计算机控制动态总压畸变发生器中各扬声器输入信号的频率与功率，产生所需的动态总压畸变强度；

(6)使稳态总压畸变发生器旋转，并通过计算机控制动态总压畸变图谱以相同转速旋转，产生所需的旋转总压畸变。

所述步骤(2)中，根据畸变图谱和畸变强度，确定出总压损失的空间分布，依据金属丝网格孔径和层数与总压损失之间的关联曲线，确定出金属丝网的孔径和层数空间分布，通过螺栓将裁剪好的金属丝网安装在支架上，形成稳态总压畸变发生器。

有益效果：本发明的稳态和动态分量比例可调的总压畸变发生装置用于航空发动机、压气机稳定性试验，可以产生单独的稳态或动态总压畸变，也可以产生稳态与动态组合的总压畸变，且稳态分量和动态分量的比例可调。稳态总压畸变大小的改变可通过更换不同孔径的金属丝网进行调节，动态总压畸变大小的调节通过改变扬声器的功率进行调节。在实验中，气流经过金属丝网产生稳态总压畸变，之后受到扬声器激励而产生动态总压畸变。更换金属丝网可以调整稳态总压畸变的强度与空间分布；调整输入各扬声器的信号功率与频率可以改变动态总压畸变的幅值、频率与空间分布；使稳态总压畸变发生器旋转，并控制动态总压畸变发生器产生的畸变图谱同步旋转，可以产生旋转总压畸变。

综上，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)可以产生单独的稳态或动态总压畸变；

(2)可以产生稳态与动态组合的总压畸变；

(3)稳态与动态总压畸变分量比例可调节，稳态分量占比0-100％；

(4)稳态总压畸变周向位置可以调节；

(5)稳态总压畸变区可以沿周向旋转。

附图说明

图1为总压畸变发生装置示意图；

图2为总压畸变发生装置安装示意图；

图3为稳态总压畸变发生器示意图；

图4a为动态总压畸变发生器的一个实施方式的示意图；

图4b为动态总压畸变发生器的另一个实施方式的示意图；

图中：

10-稳态总压畸变发生器，101-第一支架，102-金属丝网，103-电机，104-传动皮带，105-传动系统，106-中心轴；

20-动态总压畸变发生器，201-第二支架，202-扬声器，203-集线盒；

30-进口管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示为本发明的一种稳态和动态分量比例可调的总压畸变发生装置，包括稳态总压畸变发生器10与动态总压畸变发生器20。

图2给出了本发明的总压畸变发生装置安装示意图，在航空发动机或者压气机气动稳定性实验时，在进口管道30沿流动方向分别安装稳态总压畸变发生器10和动态总压畸变发生器20。

如图3所示，稳态总压畸变发生器10包括第一支架101和金属丝网102，金属丝网102可拆卸式安装在支架101上；气流经过金属丝网102后速度降低，形成稳态总压畸变，金属丝网102的孔径越小，总压损失越大，气流速度越大，总压损失也越大。金属丝网102通过螺栓与第一支架101固定，通过更换不同孔径的金属丝网102实现获得不同的总压畸变，金属丝网102可以为一层或者多层叠加。当需要产生旋转总压畸变时，可以安装电机103、传动皮带104、传动系统105，传动系统105固定于电机103的输出轴上，第一支架101的中心设置有中心轴106，中心轴106通过传动皮带104与传动系统105传动连接，通过电机103带动第一支架101转动；使用电机驱动稳态总压畸变发生器产生一定转速的旋转，转速可通过传动系统控制。

如图4a和4b所示，动态总压畸变发生器20包括第二支架201、扬声器202、集线盒203，扬声器202为多个，固定在第二支架201上，扬声器202的导线引出到集线盒203中。动态总压畸变发生器20的第二支架201中设置有多根梁204，扬声器202均匀分布在梁204上。其中，根据对动态总压畸变模拟细致程度的需要，梁204为4根或8根；若为4根，则呈十字型排布；若为8根，则呈米字型排布。通过计算机向各扬声器输入信号，并控制各信号的功率与频率，可控制总压畸变的频率、幅值与空间分布。动态总压畸变图谱可以在实验过程中不停机改变。当需要产生旋转总压畸变时，可以通过改变输入的信号，使动态总压畸变图谱产生与稳态总压畸变相同的旋转。

本发明的稳态和动态分量比例可调的总压畸变发生装置的实验方法包括以下步骤：

(1)首先根据实验需求确定所需产生的总压畸变形式，包括：是否需要动态总压畸变，是否需要模拟旋转总压畸变，以及稳态与动态分量的比例；

(2)将金属丝网安装在支架上，形成稳态总压畸变发生器；其中，根据稳态总压畸变图谱和畸变强度，选择金属丝网的孔径和层数，具体为：根据畸变图谱和畸变强度，确定出总压损失的空间分布，依据金属丝网格孔径和层数与总压损失之间的关联曲线，确定出金属丝网的孔径和层数空间分布，通过螺栓将裁剪好的金属丝网安装在支架上；

(3)若需要产生动态总压畸变，则将稳态总压畸变发生器与动态总压畸变发生器一同安装在气动稳定性实验的进口管道中，并将计算机、多通道d/a转换器与动态总压畸变发生器的集线盒连接起来；若不需要产生动态总压畸变，则仅安装稳态总压畸变发生器；

(4)若需要产生旋转畸变，则在稳态总压畸变发生器上安装传动皮带，并通过传动系统与电机连接；

(5)开始实验，通过计算机控制动态总压畸变发生器中各扬声器输入信号的频率与功率，产生所需的动态总压畸变强度；

(6)使稳态总压畸变发生器旋转，并通过计算机控制动态总压畸变图谱以相同转速旋转，产生所需的旋转总压畸变。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。