叶栅能量损失系数测定实验

叶片机原理》实验指导书哈尔滨工业大学推进理论与技术研究所2012年12月一、实验目的叶栅效率是影响叶轮机械性能的一个重要因素，具有优良气动性能的叶栅通道是设计高性能叶轮机械的前提。目前叶栅中能量损失的研究方法分理论和实验两种。叶栅的理论研究需要大量的、烦杂的数学计算，到目前为止，虽然可以通过求解N-S方程的方法来确定叶栅的气动性能，但是其精度很差，因此，理论计算还需要由实验来修正，实验方法是研究叶栅中能量损失的重要方法。通过本实验，了解五孔探针测试方法在叶栅能量损失测量中的应用，通过实验得到叶栅损失系数，叶栅出口马赫数，叶栅出气流角分布，通过叶栅流道的气流流量等。该实验是《叶片机原理》课程的一个辅助教学部分。二、实验原理1、实验风洞实验在哈尔滨工业大学推进理论与技术研究所的大尺度低速压气机平面叶栅风洞上完成。整个系统是常规的，无附面层抽吸功能，实验段进口速度连续可调。风洞示意图如图1所示，来流由一台75KW的电机带动离心式风机提供。电机转动带动风机正常运转后，气流经风机通过调节闸板进入长3米的稳压筒1，调节闸板可调整气流的总压和速度，以满足实验的要求；气流流经稳压筒1后进入整流箱2,经过过滤网3,再通过整流栅4使气流基本均化。整流箱上设有观察窗5,用来观察整流网6上的杂质、粉尘等的堆积情况，便于及时清理，保证气流的均匀性。气流经整流栅4后，经过整流网6使气流的小尺度旋涡进一步破碎。气流进一步均化后经过收敛段7、叶栅进口段8和活动侧板9间的实验叶栅10。栅前总压和速度、栅内和栅后气流的总压、静压和流动角度由速度探针11和五孔探针测得。五孔探针安装在由计算机控制、步进电机驱动的位移机构12上，可以完成展向、流向、节距方向的位移和水平方向的移动。位移机构12可以在所要求的方向上实现探针的倾斜，以实现对各种叶栅流道内气流参数的测量。探针感受到的压力经过压力传感器由计算机采集并存盘，气流流动角度通过探针校准曲线计算得出。大气压力、温度和风洞内的温度及传感器温度由大气压力传感器、温度传感器和安装在筒体上的温度传感器及传感器箱中的温度传感器测得，实验段出口尺寸为540160mm2。1 2 J1 ? 6 右 91U1稳压筒2整流箱3过滤网4整流栅5观察窗6整流网7收敛段8叶栅进口段9活动侧板10实验叶栅11速度探针12位移机构13半圆盘图1实验风洞示意图2、五孔探针测量方法介绍

五孔探针采集的时均气流参数对叶栅三维流场的研究具有重要意义，可采用五孔探针来获取叶栅栅前、栅内及栅后的气流参数。该方法具有测量原理简单、投资较少，使用方便和便于维护、精度可靠等优点，目前仍然是测量叶栅流场的主要工具之一。五孔探针具有两种基本形状；球头形和L形，图2为L形五孔探针。图2L形五孔探针及其角度定义实验采用的五孔探针束状探针头的直径为2.6mm。测量时根据测压孔感受到的压力值以及压力和速度的关系，得到测量点处的气流总压P*、静压Ps、空间速度C的大小和气流的方向（偏转角a和俯仰角卩）。束状探针测压孔位置和气流方向角的定义如图图2L形五孔探针及其角度定义五孔探针测量三维流场有三种方法：（1）对向测量法；（2）半对向测量法；（3）非对向测量法。非对向测量是直接将探针头放入流场中，使探针气动中心方向和气流轴线方向一致。首先根据五个测压孔的压力值和探针的非对向校准曲线（Ka-Kp曲线）求出a和卩，然后根据a和卩，通过a~Cpt和a~Cps曲线和计算公式得到总压P*和静压Ps，从而得到所测气流速度的大小小和方向。这种方法在实际测量时操作简单，测量时探针无需调节直接采集数据，测量时间大大缩短。但是这种方法的探针校准和处理数据的工作量比其他两种方法要大。一般来说，五孔探针的测量角度范围在土40o以内，否则探针读数波动较大，测量精度下降，采集的数据已不可信。因此本实验应用非对向测量方法时，探针校准时a和卩的范围变化取在±30。以内，基本可满足一般流场的测量。在本实验叶栅流场的测量过程中，采用了非对向测量方法。

3、非对向测量时探针校准系数(a)方向校准系数(c)静压校准系数(b3、非对向测量时探针校准系数(a)方向校准系数(c)静压校准系数(b)总压校准系数图3五孔探针校准曲线方向校准系数1P—PK= _仝aP—P2P—PK= __壬卩P—P2(1)，总压校准系数CP—P*pt_P—P（2）2P—P静压校准系数C-云飞(3)psP—P2其中P=i/4(p1+p3+p4+p5),P*为当地总压，Ps为当地静压。探针校准是在标准校正风洞上进行的，探针校准风洞出口直径100mm,非对向测量时探针校准系数的定义如式(1)~(3)所示。在上述压力中，P1~P5分别为探针1~5孔所感受到的压力。校准时先将4、5孔调平，改变a值，作出a〜Ka曲线。应用同样的方法，改变3值，作出卩〜应曲线。最后做出不同卩值的a〜C和a〜Cps曲线，结果如图3所示。流场参数测量时，曲线的使用方法如下：首先根据五个测压孔的压力值和探针的非对向校准曲线(Ka-K3曲线)求出a和卩，然后根据a和卩，通过a〜Cpt和a〜Cps曲线和计算公式得到总压P*和静压Ps，从而得到所测气流速度的大小和方向。三、实验步骤(一)探针校准图4给出了探针校准方法示意图，探针校准是在标准风洞上进行的，考虑到实验时间有限，相关的探针数据采集工作由实验指导教师在实验前一天完成，相关数据见表1。

图4五孔探针校准示意图表1探针校准数据PP1P2P3P4P5PtaKaKCptCps1234567891011121314151617

二）准备工作1、将五孔测针放入盛有乙醇的杯子里，用针筒将五个测量孔打一遍并标出探针尾部接管与侧压探针校正是在标准风洞上进行的，考虑到实验时间有限，相关的探针数据采集工作由试验指导教孔的对应关系，检查管路是否通畅，然后将测针拿出使乙醇挥发。2、将五孔测针安装在三维坐标架上夹架，相应的胶管接在压力传感器头上，同时使五孔探针的表一方向基本对着叶栅的几何中心线方向。3、征得指导教师同意后开启75KW风机电源，在起动前必须将控制柜上电机选择开关拨至标有“75KW”的档位上，同时显示灯亮，才能按起动开关4、打开计算机，进入主菜单，选择布点项，进行测点布置，然后开始进行实验测量。（三）数据采集1、4、5压力孔调平衡，由学生在教师指导下手动操作实现；2、各压力孔参数，来流总压，相关气流温度的采集，数据存盘；3、节距方向移动探针到下一测点位置；4、重复1~3直到完成所有数据点的采集，将数据填入表2。表2数据记录P]PP]P3P412345678910P5T0P0P0*T0*四、叶栅能量损失的测量及结果处理测量时，由于时间的限制，仅在平面某一高度位置进行测量，即在叶栅出口截面某高度位置，沿节距方向的一个节距范围内测量10个测点，叶栅的节距大小为t=，叶高为h=。在原始数据的基础上，利用探针校正曲线，计算出其它相关的量，记入表3。表3数据处理KaaB12345678910P*PsCG表3中，K&K由(1)式确定，a与”由a〜Ka与阡％曲线插值得到，Ct和C由a,”查相关曲线得到，其它参数的计算可参考以下公式计算得到：" "p=p+C(p-p),p*=p+C(p-p)s2 ps 2 2pt 22k pk-iRT*[1-(§)k]

k-1 0p*C=CcosPcosa;C=CsinP;C=CcosPsinaaru总压损失系数：透平叶栅：=吐*,扩压叶栅：=p*-p0一p*-p0s能量损失系数：p*-p00pk-1k-1(s~)k