叶轮机实验报告

1、叶轮机械原理教学实验指导书北京航空航天大学能源与动力工程学院流体机械系二零零六年二月26实验一 平面亚音扩压叶栅实验1.1实验目的1)通过实验使学生熟悉平面叶栅实验设备和实验方法；2)作出叶栅攻角特性和叶片表面压力分布曲线；3)了解平面叶栅实验在压气机气动设计中的作用和地位。1.2实验内容1.2.1平面叶栅的攻角特性气流通过平面扩压叶栅后，其方向要发生转折，气流转折角为Db。气流通过叶栅损失的大小可用损失系数来表示。Db和随攻角i和来流马赫数M1而变化，它们都是i和M1的函数。低速叶栅吹风实验不考虑M1对叶栅性能的影响，只讨论Db和随攻角i的变化。叶栅的攻角特性如图1示。图 1.1 平面叶栅的

2、攻角特性由图1可以看出，当i增加时, Db开始直线上升，几乎不变。到某一攻角， Db达到最大值。攻角再提高，Db下降很快，急剧增加，这时叶背气流发生严重分离。在很大的负攻角情况下，气流在叶盆分离。Db的大小反映了叶栅的功增压能力,而的大小则反映了叶栅有效增压的程度, 表征气流流经平面叶栅发生的机械能损失，叶栅的效率和有直接关系。压气机设计取为叶栅名义工作点，把不同几何参数叶栅的名义工作点汇集在一起，即得到平面叶栅的额定特性线，这是压气机气动设计的依据。1.2.2叶片表面压力分布叶片表面压力分布以无因次压力系数表示式中、分别为叶栅进口的总压和静压，P为叶片上任一点的静压。为正值说明叶片上某点的当

3、地速度低于叶栅进口速度，为负值表明当地速度大于叶栅进口速度。图 1.2 叶片表面压力分布典型的叶片表面压力分布曲线如图2所示，横坐标为弦长百分比。进行叶片表面压力分布实验时，只测量一个攻角(例如5°攻角)的叶片表面压力分布。同时，还可以改变几个攻角(-10°,10°,18°)，观察叶片表面压力分布变化情况，特别要注意大攻角时，叶片表面出现严重分离(失速)现象。当叶片表面出现分离时，分离点后叶栅不再增压，水排上指示水柱高度不变。1.3实验设备1.3.1叶栅风洞图3表示平面叶栅实验设备示意图图 1.3 平面叶栅实验设备示意图叶栅实验由连续气源供气，气流经过扩

4、压段减速扩压，稳定箱内安装了蜂窝器和阻尼网（钢网）,消除旋涡，使气流稳定均匀，再经过维他辛斯基曲线的收敛段，使稳定箱出来的气流均匀膨胀加速，造成叶栅进口截面各点压力、速度都相同的一股均匀气流进入叶栅。叶栅实验段由10个叶片组成一排叶栅，叶栅装在圆盘上，转动圆盘可以改变攻角。测量探针装在三自由度位移机构上。1.3.2叶栅几何参数实验选用C-4叶型C-4叶型几何参数： 中弧线 圆弧半径r=138.60mm 弦长 b=60 mm 最大绕度 mm ， 距前缘距离 mm ， 最大厚度 mm ， 距前缘距离 mm ， 叶型弯度 叶型前缘角 叶型前缘角 叶栅几何参数： 叶型安装角 (与轴线夹角?) 栅距 m

5、m 叶栅稠度 几何进口角 几何出口角 1.3.3测量探针叶栅前用一支装在端壁上的总静压管，测量叶栅进口总压和静压。叶栅出口用一支装在位移架上的 总、静、方向组合探针，测量叶栅出口、和。在中间叶片内装了8根静压管测量叶片表面压力分布.全部压力的数值在水排上显示(见图4)图 1.4 指示压力的水排1.3.4测温装置在叶栅前装一支镍铬-康铜热电偶,通过UJ36直流电位差计测量出栅前的气流温度。1.4实验步骤1.4.1开车前的准备在进行实验以前，同学们必须阅读实验说明书，明确实验目的、方法和步骤。检查测量探针是否堵塞，然后把探针放在叶栅通道叶高中部，离叶栅前缘及后缘一个栅距位置上进行测量。为保证测准叶

6、栅出口气流方向，还应检查叶栅出口探针是否对准零位。转动圆盘，把叶栅转到实验的第一个功角位置。参加实验者，明确分工，准备好记录纸和笔。1.4.2开车实验指导教师检查准备情况，符合要求后即可启动40千瓦罗茨鼓风机，气流连续不断进入叶栅风洞，这时将叶栅前探针调到对准气流方向，并固定紧。检查叶栅是否有漏气情况，叶栅工作正常方能读取数据.1.4.3数据测量叶栅工作正常后，即可读取数据，对给定攻角，记录叶栅前气流总压和静压。 测量叶栅出口气流总压,静压和方向 。转动探针,水排上指示方向管两孔液面高度相同时,才可以从位移机构的标尺上读取出口气流角 ,由于叶栅出口气流不均匀，沿栅距测量4个点取算术平均。改变攻

7、角，重复测量上面的参数,至少要作5-6个攻角,方能画出一条攻角特性曲线。测量5°攻角的压力分布。再改变几个攻角，观察圆盘上压力分布的变化，注意大攻角时叶片上出现的分离现象。记录某一攻角（如5°）栅前总温，与测量的总压和静压计算马赫数和雷诺数。1.4.4停车实验完毕，检查数据齐全后，即可停车。停车后整理好实验间，并记录好当天的大气压数值。1.5实验报告1.5.1原始数据记录 大气压力： 栅前气流温度： 表1.1123412341234表 1.2表1.3x/b0.0420.1150.1200.3970.4990.5990.6990.782叶背叶盆1.5.2数据整理及回答问题1）

8、叶栅进口气流角 （度）（表1.2）2）落后角 （度）（表1.2）3）气流转折角 （度）（表1.2）4）计算攻角栅前马赫数 M1，由 =查气动函数表可得M1 5）计算总压恢复系数（表1.2）6）计算叶栅损失系数（表1.2）7）计算攻角栅前雷诺数式中 空气粘性系数,其值为1.789´105 帕/秒b 叶片弦长，单位米 栅前气流的密度W1 栅前气流的速度8）画出叶栅的攻角特性曲线，9）画出叶片表面的压力分布曲线。10）分析和随变化的规律及原因11）说明叶栅攻角特性与额定特性的联系与区别。实验二 压气机性能实验2.1实验目的1)掌握轴流压气机内流动、加功增压原理和特性；2)熟悉压气机气动参数

9、测量和计算方法。2.2实验内容2.2.1性能测试中的气动参数测量与速度三角形一台压气机在设计完成后，组装到核心机之前一定要经过部件试验的验证。达到设计指标的才能进行组装。这部分试验内容称之为压气机的性能测试。其中最主要的性能参数集中反映在流量、压比和效率这几个参数上。为了能够绘制速度三角形，本次试验要求在设计和近失速这两个特征状态下，测量如下气动参数：流量管静压、转子进出口外壁静压、静子出口外壁静压、转子进出口和静子出口平均半径处的总压、转子出口平均半径处的气流偏角以及其它必要的辅助参数。图 2.1 压气机特性曲线2.2.2额定折合转速下压气机特性曲线压气机的性能用特性曲线来表示。对于高速压气

10、机，通常的特性曲线图为流量总压比图和流量效率图。但对于低速压气机，其横坐标则常用流量系数来表示，而压比可用压升或压升系数来表示。试验时首先要在流量全开的情况下将转速开至待测转速。待转速稳定后逐渐减小排气阀关度，通过减小排气面积来提高反压，从而得到同一转速下不同流量点的特性。当流量减小到一定值时就会发生失速或喘振，此时应退出失速或喘振状态。将同一转速下的这些测点连接起来就成为一条特性线。如需完整的特性图，还应返回大流量状态，然后开至其它转速，重复这个过程。图2.1为某低速压气机额定转速下的特性曲线示意图。图 2.2 压气机气动力学实验台2.3实验设备2.3.1压气机实验台如图2.2所示，实验台为

11、一排动叶和一排静叶组成的单级轴流压气机，可增加叶片排数，扩展为双级相同级或三级相同级。实验台可移动，压气机进口流场均匀，空气流量可微调。气流通道外径500mm，内径375mm（轮毂比0.75），通道平直，可改变叶片安装角和动静叶排间轴向间隙。额定转速2400转/分，最高转速3000转/分，可调转速，转速稳定性2转/分。2.3.2测试系统图 2.3 数据采集系统图2.3为本压气机实验台的配套数据采集系统。该系统由计算机控制数据采集处理，可测气流参数：空气流量，动叶进口、动静叶排间和静叶出口三个截面上外壁气流静压和气流总压、静压、速度及偏角沿叶高分布，级温升。流量测量精度1%，压升（或压比）测量精

12、度1%，效率测量精度3%。气动参数的测点位置详见图2.2。2.4实验步骤1）根据当时的大气温度，算出换算转速2400转/分时的实际转速，启动后平缓加速到该转速；转/分；运行过程中，视大气温度变化，随时修正转速；2）按下列排气阀关度次序逐一测量各流量状态下的各项参数：阀门关度(mm)：12、22、30、37、42、45、48、49、50、60、70、50、42、37、303）测量参数：（1） 流量管静压（表压）；（2） 转子进口、转子出口和静子出口三个截面外壁气流静压（表压）、（表压）和（表压）；（3） 转子进口、转子出口和静子出口三个截面平均半径处气流总压（表压）、（表压）、（表压）和转子出口

13、气流偏角（相对于轴线）；（4） 转子进口总温和静子出口与转子进口总温差2.5实验报告2.5.1原始数据记录1）填写表2.1测量参数2）计算不同阀门关度下的各项性能参数（可按不可压流计算，填写表2.1性能参数）根据进气总温（同大气温度，也同转子进口总温）、进气总压（同大气压力）和流量管壁面静压先算出流量管内空气轴向速度，再推算出压气机内轴向速度和轴向速度系数（流量系数）。，其中： 空气密度=；、（表压），； ，； 气体常数，287.05 流量管通道面积，0.10124 压气机内通道面积，0.085903 转子平均半径切线速度，33.322 ；级静压升和静压升系数；级静压比； 基于静压比的级效率，

14、可取1.40表2.1日期：= , = , = 转/分， = 阀门关度(mm)1222303641444648失速前失速点6070504238恢复前恢复点30测量参数性能参数2.5.2数据整理及回答问题1）画出：设计状态和近失速状态转子进出口平均半径速度三角形；级特性曲线。平均半径动静叶栅和速度三角形级特性设计状态近失速状态2）用动量原理说明轴流压气机加功原理，用柏努利方程说明增压原理。3）轴流压气机中有哪些损失？体现在什么参数上？如何获得转子和静子出口损失分布？4）解释压升系数（或压比）和效率随轴向速度系数（或流量）变化的规律。5）如何获得基于总压的级特性？分析在本实验压气机条件下，基于总压比

15、的级特性与基于外壁静压比的级特性的差别。实验三 进气畸变实验3.1实验目的1)了解进气畸变对压气机性能的影响；2)掌握畸变流场的评价指标。3.2实验内容3.2.1测量进气畸变下的压气机特性在理想状态下，压气机的进口截面流动是均匀一致的。通常的压气机性能实验也都是在这种情况下测量的。当发动机安装到飞机上，在实际的飞行过程中，各种不稳定工况会破坏这种均匀性。其中，进气畸变就是最为常见和典型的例子。当飞机处于大迎角飞行，导弹发射等情况下都会引发进气畸变。进气畸变将会严重恶化压气机的性能，导致其过早失速。因此，稳定性评估已经成为当代航空发动机定型前必须考察的重点内容。本次实验的内容之一就是测量压气机均

16、匀进气的理想特性和总压畸变来流条件下的畸变特性。图3.1为某低速压气机均匀进气与畸变来流条件下的特性对比。图 3.1 某低速压气机均匀与畸变特性对比3.2.2进气总压畸变曲线或图谱既然进气条件的破坏造成了压气机进气畸变，为了掌握和评价进气畸变的强度，需要在压气机进口某处截面测量畸变图谱。本次实验只针对周向总压畸变。通过米字形总压梳的方法来测量。如图3.2所示，为某压气机进口截面的总压畸变图谱。由于飞机大迎角飞行等来流条件影响，使得压气机进口截面周向呈现较强的不均匀性，将会出现低能的低总压区域。在不同的半径位置绘制出其沿周向的变化，可以得到图3.3所示的曲线。图中清晰地显示了低能团带来的进气总压

17、亏损分布。这也是本次实验的内容之一。低压区图 3.2 某总压畸变流场图谱图 3.3 不同半径处总压沿周向分布图3.3实验设备3.3.1畸变压气机实验台1 进口集流器 2 流量管壁面静压孔 3 插板 4 压气机进口总压梳（测畸变图谱） 5 压气机进口总压梳（测气动性能） 6 压气机转子 7 压气机静子 8 压气机出口总压梳 9 异步交流电动机 10 排气管道 11 节流堵锥 12 压气机出口总压耙图 3.4 实验台简图图3.4为实验台简图，该低速压气机为单级轴流式，由异步交流电机提供动力，额定转速2900转/分，由伺服机构控制转速，控制精度为1转/分。机匣外径450mm，轮毂比0.75。出气流量

18、由节流尾锥控制，手动调节。除节流尾锥外，各种参数的采集、转速控制全部由计算机完成。3.3.2实验方案如图3.4所示，进口畸变来流由插板产生。插板的横截面如图3.5所示。插板的高度h越大，堵塞比(插板面积与所占截面面积之比)越大，则插板后的畸变低压区也就越大。为了测量图谱，在图3.4截面4位置的整个圆周内布置了八个总压梳(梳子沿径向分布若干个总压探针孔，可以测量某一周向位置的不同径向总压数据)，其测点布置如图3.6所示，呈米字型分布。 图 3.5 插板截面示意图 图 3.6 畸变图谱的总压梳测点布置在性能测试中，通过图3.4中截面2的流量管静压计算流量。对于畸变压气机，由于畸变的流场破坏了进气条

19、件的周向均匀性，因此在截面5周向均布了四根总压梳测量进口总压，在截面8周向均布了四根总压梳测量出口总压。3.4实验步骤3.4.1均匀进气特性的测量1) 准备工作。包括电机及各种测量仪器预热，将排气堵锥摇至全开位置，以便实验特性首先从最大流量点开始；2) 读取大气温度，大气压力，大气湿度；3) 根据当时的大气温度，算出换算转速3000转/分的实际转速，启动后加速到该转速；4) 待转速和气动状态稳定后，测量记录该状态的性能数据：流量管静压、进气总压梳总压、级后总压梳总压，电机轴功率N；5) 调节排气堵锥，进行100%n逼喘特性实验，记录至少5个特性点；6) 测量并记录设计点状态的畸变米字形总压梳总

20、压。3.4.2畸变进气实验1） 准备工作。更换进气流量管机匣段，加入畸变发生器插板；2） 读取大气温度，大气压力，大气湿度3）重新启动压气机，加速到换算转速3000转/分；4）状态稳定后，测量参数：流量管静压、进气总压梳总压、级后总压梳总压，电机轴功率N；5）调节排气堵锥，进行100%n逼喘特性实验，记录至少5个特性点；6）测量并记录设计点状态的畸变米字形总压梳总压。3.5实验报告3.5.1原始数据记录1）填写表3.1的原始、总压梳数据以及表3.2的性能计算参数(设计点的性能参数需自行计算，其它工况点可直接记录实验输出数据)，性能计算采用如下计算过程及公式：体积流量：其中为因粘性附面层引起的流

21、量系数，A0.159为进气面积，为实测当地密度（当大气湿度大于50%需修正，本次实验忽略）,为流量管静压。总压升： =1.22kg/m3为标准大气密度（根据相似理论折合）。效率：, N为电机输出功率（KW，用于对气体作功，电机输出功率电机轴功率×电机效率）表 3.1 设计点级进出口总压数据(Pa)日期： K, Pa, 径向位置周向位置总压孔1总压孔2总压孔3总压孔4总压孔5总压梳(0o)均匀畸变总压梳(90o)均匀畸变总压梳(180o)均匀畸变总压梳(270o)均匀畸变总压梳(0o)均匀畸变总压梳(90o)均匀畸变总压梳(180o)均匀畸变总压梳(270o)均匀畸变表 3.2 性能参

22、数计算流量1流量2流量3流量4流量5流量6均匀来流流量管静压(Pa)体积流量Q(m3/s)级前平均总压(Pa)级后平均总压(Pa)级总压升(Pa)电机轴功率N0(KW)电机输出功率N(KW)级效率畸变来流流量管静压(Pa)体积流量Q(m3/s)级前平均总压(Pa)级后平均总压(Pa)级总压升(Pa)电机轴功率N0(KW)电机输出功率N(KW)级效率注：本次实验中流量2的位置定为设计点2）填写表3.3中的米字形总压梳实验数据表 3.3 设计点米字形总压梳总压记录(Pa)径向位置(mm)周向位置(o)总压孔1R=175.2总压孔2R=187.4总压孔3R=198.9总压孔4R=209.7总压孔5R

23、=220.0总压梳(0o)均匀畸变总压梳(45o)均匀畸变总压梳(90o)均匀畸变总压梳(135o)均匀畸变总压梳(180o)均匀畸变总压梳(225o)均匀畸变总压梳(270o)均匀畸变总压梳(315o)均匀畸变3.5.2数据整理及回答问题1）参考图3.1，根据表3.2绘制100%n均匀和畸变进气条件下的压升特性和效率特性，根据所绘均匀特性和畸变特性的对比，分析畸变对发动机整体性能有何影响。2）参考图3.3，根据表3.3，绘制均匀和畸变来流条件下的畸变曲线簇。要求横坐标为周向位置，用角度表示，纵坐标为总压，曲线簇由不同半径的曲线构成。分析二者的异同及其对下游流场的影响。 均匀进气 畸变进气3）

24、稳态周向总压畸变流场的评价指标可采用周向畸变不均匀度来定量表示： 其中，其中为畸变测试截面平均总压，为此截面低压区平均总压，低压区定义为此截面内总压低于的周向扇形区域。试计算本实验条件下，设计点的周向畸变不均匀度。4）本次实验中，为了统一测量方案，进行对比。对于均匀进气的性能测试采用了与畸变进气相同的方案。事实上，单纯测量均匀进行性能时并不需要如此多的总压测点，试问对于正常的均匀进气性能，应该怎样布置和的总压测点。这样布置的依据是什么？(提示：梳子沿径向分布若干个总压探针孔，利用梳子可以同时测量某一周向位置不同半径处的总压；耙子沿周向分布若干个总压探针孔，利用耙子可以同时测量某一径向位置不同周

25、向处的总压)实验四 涡轮叶栅流场显示实验4.1实验目的1、熟悉流动显示的实验方法，掌握通过实验观察来帮助认识流动机理这一重要的科研方法；2、认识涡轮叶栅内复杂的非定常流动现象。4.2实验内容1、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高通道内的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅压力面、吸力面附近以及通道中部的流动特点；2、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在20°、0°、20°不同攻角情况下中间叶高叶片尾迹的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶片尾迹的流动特点；3、在水槽

26、中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁区二次流的非定常流场，认识不同攻角下涡轮叶栅端壁区前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点；4、在水槽中，利用氢气泡法流场显示技术显示涡轮叶栅分别在20°、0°、20°不同攻角情况下涡轮端壁泄漏流的非定常流场，认识涡轮叶栅存在叶尖径向间隙后不同攻角下叶栅端壁泄漏流、泄漏涡、前缘马蹄涡、通道涡、端壁附面层、叶背附面层、角区流动等以及它们相互作用、相互影响的非定常特点，帮助理解涡轮内的流动现象。4.3

27、氢气泡法流场显示方法氢气泡流动显示技术是近几十年发展起来的流动显示技术，跟随性好、分辨率高，既可作定性观察又能作定量测量，适用于湍流、旋涡等非定常流动和紊流脉动的研究。氢气泡法应用水的电解原理，在水中通上电流使其电解，在阴阳极分别产生氢气泡和氧气泡，由于阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，产生的氢气泡数量多, 氢气泡的体积可以比氧气泡小得多，所以利用氢气泡作为示踪粒子来显示流场。用极细的导线作为阴极布置在被观察流场的上游，阳极则可以为任意形状置于下游被观察流场之后的水中。由此可通过产生的氢气泡来显示流场内的流动情况。阴极导线一般采用铂丝、钨丝、铜丝或不锈钢丝制作，为了避免对流场造成过大的影响，

28、并使氢气泡尽可能小，其直径多为0.10.02mm，工作电压为10100V，产生的氢气泡直径约为金属丝直径的一半。氢气泡随水流运动，如果用光源照亮被观测截面，则氢气泡呈现白色，便可以观察到水流中氢气泡的绕流情况，并可用于照相记录。图41是在水槽中利用氢气泡法显示的涡轮平面叶栅在25°攻角下距端壁2叶高的非定常流场。可以较清楚地观测到，前缘马蹄涡存在多涡结构，马蹄涡在压力面和吸力面的两个分支在叶栅通道端区发生相互干扰，压力面分支的涡脚可以作用在端区吸力面的后部，发生涡附面层干扰，叶栅通道内的端区流动呈现复杂的非定常性。 图41 涡轮平面叶栅25°攻角下距端壁2叶高的非定常流场若

29、将阴极金属丝垂直布置于来流方向，并加上周期性脉冲电压，沿金属丝便周期性产生一排排氢气泡，其间隔宽度由脉冲间隔决定，而氢气泡线的宽度则由脉冲宽度决定，这就是所谓的氢气泡时间线法。它可以方便地显示局部速度剖面或边界层的速度型，可以作为定量分析，也可以用来定性的研究流场的不均匀度。本次实验是利用氢气泡法流场显示技术在水槽中显示涡轮叶栅内的复杂流动现象。4.3实验设备1、回流式水槽图4.2 水槽平面图水槽为上下循环的闭式结构，全长6.8米，分为四个部分：加速段，回流段，整流段和实验段。其中水槽上层工作段长3000mm，宽700mm，高550mm；实验段长1000mm，宽700mm，高500mm（约数，视水位而定）。水槽以叶轮机驱动水循环，来流速度在00.12m/s内连续可调。2、电机电源及调压器电机带动叶轮机转动，叶轮转动使水槽内水流循环流动。通过调压器调节改变电机转速，进而改变流速。本实验所使用的直流电机采用的为北京市微电机总厂生产的SYL-50型永磁直流力矩电动机。其最