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發動機及其部件的試驗研究

[2018-06-01]

 伴隨現代激光技術的發展,光學診斷方法在發動機及其部件的試驗研究中得到越來越廣泛的應用。這些技術可以實現發動機內氣體速度溫度壓力組份和濃度以及燃油液霧的空間分布和兩相流場的測量,為發動機部件的調試以及驗證改進數值計算程序提供充足的數據。
  在隨后的幾年,由于光學電子計算機硬件和軟件的進步,最主要的是需求的增加,促使應用激光速度儀研究渦輪機械流場獲得的數據質量和數量持續提高。通過對渦輪和壓氣機轉子和靜子葉柵以及燃燒室的大量研究,對于加深了解渦輪機械和燃燒室內部的流動大有好處。由于需要將激光射人機械內部的測量區域,三維在渦輪機械測試中曾受到一定的限制。
  隨著三維流動數據需要的日益增長,已經大大加強了三維系統的發展和應用,并取得了相當大的進展。激光多普勒速度儀有許多光學配置可以用來測量三維速度分量。目前,三維是用三色激光產生三維測量區域實現的,例如氫離子激光器。這種系統測量徑向速度分量的準確性直接和徑向偏角有關。為了使測量誤差減小,建議調整系統布置的方向與流動矢量一致。這樣的三維刀系統已成功應用到不同的渦輪機械測試中。激光進人測量區時通常采用平面窗。由于渦輪機械的殼體是曲面的,平面窗不能和殼體外形相符,以至引起流動的局部畸變,因此,觀察窗周向尺寸受到限制。
  實踐證明系統對于光線的扭曲像系統一樣并不敏感,因為它們的光線在探測區域中并沒有被極度精確地聚焦。系統能容忍足夠薄的曲面玻璃產生微小的光線扭曲。
  研究中心已用對渦輪部件內的流場進行了詳細的三維測量,目的是為開式離心壓氣機與渦輪的一次流和二次流日期一年航空發動機第期的發展提供詳細的實驗數據。在年發展了一種相當復雜的三維系統,它和二維系統有著同樣的激光進人測量區域的方式,在渦輪機械形成的流場中應用更廣泛。它應用一個標準的條紋配置,并用能發出熒光的懸浮顆粒示蹤,測量軸向和周向的速度分量。徑向分量是用共焦點一干涉儀掃描,直接分析粒子產生的散射光的多譜勒頻移得到的。兩種配置組合成光學系統,同時運行。該方法已成功應用于渦輪環形靜子葉片的測量。但由于它的復雜性穩定性的限制以及需要較長的數據采集時間,還不能應用到轉子葉片的流場測量,在渦輪機械流場的研究中并沒有占據很重要的地位。在燃燒室的研究中也發揮了巨大作用,已經完成了許多有意義的測量。
  由于在非反應流中激光進入測量區域比較容易,所以大多數測量都在非反應流中完成,得到的測量結果也比較準確。在反應流中的應用情況很復雜,主要是由于組分粒子折射系數的不同,使激光變得不均勻,探測體積扭曲,從而影響測量數據的質量和數量。即使這樣,用測量簡化的燃燒室和實際的扇形燃燒室火焰也已獲得成功,但實驗不是在低壓條件下就是在小尺寸的實驗設備上進行的。
  建立起可以進行和三維測量的設備,試驗溫度達壓力空氣質量流量當壓力達到時,由于折射系數的波動,測量嚴重失真。激光二焦速度儀標準的是二維測量裝置,它在和光軸垂直的平面上測量速度分量的方向和大小。當標準的系統沿光軸不同方向在流場中逐點連續測量時,也可以測量三維分量。由于的固有特性,它主要應用在大流量高速度的渦輪機械測量中,例如壓氣機和渦輪。在這樣的條件下,只有以極小固焦角運行的硯系統才可以用作三維速度測量。通常的系統由兩個獨立的二維系統組合而成。
  目前市場上出售的和歐洲的研究機構使用的都是這種系統。最新發展的三維系統已應用于分析轉子葉片相互作用形成的非穩態流動。它能測量到激波的位置和三維流動特性。新發展的系統把二維測量和散射光的頻率分析結合起來,測量到的頻移代表了光頭光軸方向的速度分量。在大多數渦輪機械試驗室已建立了系統,用于壓氣機和渦輪流場的測量。對于燃燒試驗的流場,由于擾動強度大,超過了抗擾動測量的能力,因此該系統不能應用。
  相干反斯托克斯拉曼波譜法是一種很好的測量溫度的方法。探測區的產生和相類似,都是通過疊加兩束或更多不同頻率光束產生相干的信號。實際的系統通常用雙倍頻率的激光器,以的脈沖重復運行。系統的應用遇到了和同樣的問題,即激光怎樣進人測量區域,也遇到了不適應煙灰粒子密度大和折射系統變化大的難題,因而限制了在高壓條件下運行的燃氣渦輪燃燒設備中的應用。
  在測量中,數據量大幅減少,在混合強度很高的臨界位置甚至測量不到數據,這表明已接近月又測量的極限。葬滾熱發履恢其祝測量幾乎所有的區域,甚至最復雜的試驗設備內。除了對在高壓條件下運行的燃燒室由于激光扭曲不能測量外,這些測量技術提供的數據用來驗證計算程序的有效性是足夠的。但應用這些技術進行測量所需的時間和費用都很高。數字粒子圖象測速儀數字粒子圖象測速儀是一種強有力的測量裝置,在廣泛的應用研究領域可以作為激光多譜勒測速儀的替代和補充。可以在渦輪機械形成的復雜流場中獲得瞬態平面測量結果,使之成為頗具吸引力的技術。在應用于旋轉機械產生的流場中也會遇到與同樣的問題。

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