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发动机及其部件的试验研究

[2018-06-01]

 伴随现代激光技术的发展,光学诊断方法在发动机及其部件的试验研究中得到越来越广泛的应用。这些技术可以实现发动机内气体速度温度压力组份和浓度以及燃油液雾的空间分布和两相流场的测量,为发动机部件的调试以及验证改进数值计算程序提供充足的数据。
  在随后的几年,由于光学电子计算机硬件和软件的进步,最主要的是需求的增加,促使应用激光速度仪研究涡轮机械流场获得的数据质量和数量持续提高。通过对涡轮和压气机转子和静子叶栅以及燃烧室的大量研究,对于加深了解涡轮机械和燃烧室内部的流动大有好处。由于需要将激光射人机械内部的测量区域,三维在涡轮机械测试中曾受到一定的限制。
  随着三维流动数据需要的日益增长,已经大大加强了三维系统的发展和应用,并取得了相当大的进展。激光多普勒速度仪有许多光学配置可以用来测量三维速度分量。目前,三维是用三色激光产生三维测量区域实现的,例如氢离子激光器。这种系统测量径向速度分量的准确性直接和径向偏角有关。为了使测量误差减小,建议调整系统布置的方向与流动矢量一致。这样的三维刀系统已成功应用到不同的涡轮机械测试中。激光进人测量区时通常采用平面窗。由于涡轮机械的壳体是曲面的,平面窗不能和壳体外形相符,以至引起流动的局部畸变,因此,观察窗周向尺寸受到限制。
  实践证明系统对于光线的扭曲像系统一样并不敏感,因为它们的光线在探测区域中并没有被极度精确地聚焦。系统能容忍足够薄的曲面玻璃产生微小的光线扭曲。
  研究中心已用对涡轮部件内的流场进行了详细的三维测量,目的是为开式离心压气机与涡轮的一次流和二次流日期一年航空发动机第期的发展提供详细的实验数据。在年发展了一种相当复杂的三维系统,它和二维系统有着同样的激光进人测量区域的方式,在涡轮机械形成的流场中应用更广泛。它应用一个标准的条纹配置,并用能发出荧光的悬浮颗粒示踪,测量轴向和周向的速度分量。径向分量是用共焦点一干涉仪扫描,直接分析粒子产生的散射光的多谱勒频移得到的。两种配置组合成光学系统,同时运行。该方法已成功应用于涡轮环形静子叶片的测量。但由于它的复杂性稳定性的限制以及需要较长的数据采集时间,还不能应用到转子叶片的流场测量,在涡轮机械流场的研究中并没有占据很重要的地位。在燃烧室的研究中也发挥了巨大作用,已经完成了许多有意义的测量。
  由于在非反应流中激光进入测量区域比较容易,所以大多数测量都在非反应流中完成,得到的测量结果也比较准确。在反应流中的应用情况很复杂,主要是由于组分粒子折射系数的不同,使激光变得不均匀,探测体积扭曲,从而影响测量数据的质量和数量。即使这样,用测量简化的燃烧室和实际的扇形燃烧室火焰也已获得成功,但实验不是在低压条件下就是在小尺寸的实验设备上进行的。
  建立起可以进行和三维测量的设备,试验温度达压力空气质量流量当压力达到时,由于折射系数的波动,测量严重失真。激光二焦速度仪标准的是二维测量装置,它在和光轴垂直的平面上测量速度分量的方向和大小。当标准的系统沿光轴不同方向在流场中逐点连续测量时,也可以测量三维分量。由于的固有特性,它主要应用在大流量高速度的涡轮机械测量中,例如压气机和涡轮。在这样的条件下,只有以极小固焦角运行的砚系统才可以用作三维速度测量。通常的系统由两个独立的二维系统组合而成。
  目前市场上出售的和欧洲的研究机构使用的都是这种系统。最新发展的三维系统已应用于分析转子叶片相互作用形成的非稳态流动。它能测量到激波的位置和三维流动特性。新发展的系统把二维测量和散射光的频率分析结合起来,测量到的频移代表了光头光轴方向的速度分量。在大多数涡轮机械试验室已建立了系统,用于压气机和涡轮流场的测量。对于燃烧试验的流场,由于扰动强度大,超过了抗扰动测量的能力,因此该系统不能应用。
  相干反斯托克斯拉曼波谱法是一种很好的测量温度的方法。探测区的产生和相类似,都是通过叠加两束或更多不同频率光束产生相干的信号。实际的系统通常用双倍频率的激光器,以的脉冲重复运行。系统的应用遇到了和同样的问题,即激光怎样进人测量区域,也遇到了不适应烟灰粒子密度大和折射系统变化大的难题,因而限制了在高压条件下运行的燃气涡轮燃烧设备中的应用。
  在测量中,数据量大幅减少,在混合强度很高的临界位置甚至测量不到数据,这表明已接近月又测量的极限。葬滚热发履恢其祝测量几乎所有的区域,甚至最复杂的试验设备内。除了对在高压条件下运行的燃烧室由于激光扭曲不能测量外,这些测量技术提供的数据用来验证计算程序的有效性是足够的。但应用这些技术进行测量所需的时间和费用都很高。数字粒子图象测速仪数字粒子图象测速仪是一种强有力的测量装置,在广泛的应用研究领域可以作为激光多谱勒测速仪的替代和补充。可以在涡轮机械形成的复杂流场中获得瞬态平面测量结果,使之成为颇具吸引力的技术。在应用于旋转机械产生的流场中也会遇到与同样的问题。



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