本發(fā)明涉及葉輪機技術領域，提出了一種模擬葉輪機葉尖泄漏流動的射流實驗裝置。

背景技術：

航空發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的形變、工作時溫度變化導致轉(zhuǎn)靜子的形變、軸承的游離、氣動載荷、加工和裝配工藝等因素的影響，需要在發(fā)動機轉(zhuǎn)子和機匣之間預留足夠的葉尖間隙，以免正常工作時相互摩擦。由于葉片壓力面和吸力面的壓差作用和葉尖間隙的存在，在葉輪機中會產(chǎn)生葉尖泄漏流動，泄漏流與葉輪通道橫向流相互作用，造成泄漏損失，葉輪做功能力下降，效率降低，使葉輪機性能惡化。因此葉尖泄漏流動是葉輪機研究中非常重要的課題。

目前對葉尖泄漏流動的研究手段有實驗和數(shù)值模擬兩種。實驗主要針對真實葉片進行，其特征是高雷諾數(shù)、幾何復雜，能夠代表葉輪機中的真實流動情況；但影響因素多，實現(xiàn)起來較為困難，對實驗設備和操作要求高。數(shù)值模擬依托實驗進行，計算的幾何和邊界條件一般都由實驗給出，因此針對葉尖泄漏流動的數(shù)值模擬也是在高雷諾數(shù)、復雜幾何下進行的。在現(xiàn)有計算能力下，只能通過雷諾平均(rans)的方式進行研究，而無法適用于dns、les等高精度計算方法。這就導致了在葉尖泄漏流動的機理研究中缺乏必要的數(shù)據(jù)支持，給葉輪機流動模擬、設計優(yōu)化等帶來了很多問題。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述背景技術中存在的問題，本發(fā)明提出一種模擬葉輪機葉尖泄漏流動的射流實驗裝置，其目的在于，使用簡化的條件，模擬出和真實葉尖泄漏相似的流動，從而實現(xiàn)簡單幾何下不同雷諾數(shù)的實驗和計算，為更精確地進行葉尖泄漏流動的機理研究創(chuàng)造條件。

本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種模擬葉輪機葉尖泄漏流動的射流實驗裝置，包括實驗段主流通道、射流噴管組件及位于實驗段主流通道側(cè)面頂端的矩形狹縫，所述實驗段主流通道為一方腔，其垂直流向截面為矩形；所述實驗段主流通道中部側(cè)面頂端開有狹縫；所述狹縫形狀為矩形，其長邊沿主流流向，其一側(cè)長邊與方腔上壁內(nèi)壁面重合；所述狹縫寬度為固定值，其變化區(qū)間為主流道高度0.5％到5％之間。

其中，所述實驗段可為直流道或彎曲流道。

其中，所述實驗段流道截面面積可保持不變或變化，其變化可為收縮或擴張。

其中，所述實驗裝置工質(zhì)可以為氣體或液體。

其中，所述實驗段主流通道入口接有風洞或水泵等裝置，所述矩形狹縫外接有射流裝置，所述矩形狹縫射流工質(zhì)與所述實驗段主流通道內(nèi)工質(zhì)一致。

其中，所述矩形狹縫射流方向與主流方向垂直或成一定角度。

本發(fā)明的有益效果是，利用外接射流模擬真實葉輪機中葉片壓力面與吸力面的壓差驅(qū)動效應，利用狹縫模擬葉尖間隙。射流進入主流后，發(fā)生摻混、剪切，受方腔壁面限制，從而形成流向渦，并向下游發(fā)展。其形成機理與葉尖泄漏流動一致，流動現(xiàn)象也與葉尖泄漏流動十分接近。相對真實葉輪機實驗裝置，本發(fā)明排除了無關因素，可以專注于對泄漏流動中射流-主流剪切機制進行研究，具有容易實現(xiàn)、成本低的優(yōu)點。實驗段可選材料范圍更廣，可選擇透明材料，以方便光學測量儀器(piv、ldv等)進行實驗，研究了解實驗中的流動現(xiàn)象；其他實驗手段也可以很容易地實現(xiàn)。同時，實驗條件靈活多變，可以針對不同雷諾數(shù)流動進行，也可以結(jié)合壓力梯度與曲率等要素進行研究。幾何與邊界條件簡單，為高精度計算提供了條件。

附圖說明

圖1是射流實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是射流實驗裝置沿射流方向示意圖。

圖3是射流實驗裝置垂直流向剖面示意圖。

圖4是射流實驗裝置流向渦流線示意圖。

圖5是真實轉(zhuǎn)子葉尖泄漏渦流線示意圖。

圖6是射流實驗裝置某截面渦量分布。

圖7是真實轉(zhuǎn)子葉尖泄漏區(qū)域某截面渦量分布。

圖中，1：實驗段主流通道；2：矩形狹縫；3：射流噴管組件。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行說明。以下實例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明由實驗段主流通道1和射流噴管組件3組成。主流通道1為一方腔，其垂直流向截面為矩形，在側(cè)面頂端開有矩形狹縫2。射流噴管組件3的射流通道與狹縫2對齊。

實施例1：

在使用時，主流通道1入口接有風洞裝置，射流噴管3由另一套裝置引入射流流體，射流方向與主流方向垂直或成一定角度。射流進入主流后，與主流剪切，受上壁面和對側(cè)壁面限制，形成流向渦。配合測量裝置，如piv、ldv、熱線、探針等，可以得到通道中的流場，從而研究泄漏渦中的剪切機制、流動結(jié)構(gòu)、湍流機理等。

如圖4、圖6所示，數(shù)值模擬結(jié)果表明，從狹縫中射出的流體進入主流后，形成涌向渦，并隨主流向下游發(fā)展，這與圖5、圖7所示的真實轉(zhuǎn)子的葉尖泄漏流動流場十分相似，可以采用本裝置模擬葉尖泄漏流動。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，所不同之處在于，本實施例的工作介質(zhì)為液體，在使用時，主流通道1入口接有水泵等裝置。

實施例3：

本實施例與實施例1基本相同，所不同之處在于，本實施例的流道為擴張流道，在使用時，流道面積變化引起逆壓梯度，可以用于研究逆壓梯度對泄漏渦影響。

實施例4：

本實施例與實施例1基本相同，所不同之處在于，本實施例的流道為彎曲流道，在使用時，流動方向變化引起流線曲率，可以用于研究曲率對泄漏渦影響。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

技術特征：

技術總結(jié)
本發(fā)明屬于葉輪機技術領域，提出了一種模擬葉輪機葉尖泄漏流動的射流實驗裝置。本實驗裝置實驗段主流道為一方腔，在其中部側(cè)面頂端開有狹縫，狹縫外接射流裝置。射流與主流垂直或成一定角度，射流進入主流后，與主流摻混剪切，受主流流道壁面限制，形成流向渦，并隨主流向下游發(fā)展，從而模擬葉輪機葉尖泄漏渦的形成和發(fā)展機理。配合測量儀器，可以研究了解實驗中的流動現(xiàn)象。本發(fā)明通過構(gòu)造簡單流動，排除了無關因素，從而專注于對泄漏流動中射流?主流剪切機制進行研究，具有容易實現(xiàn)、成本低的優(yōu)點。同時，實驗條件靈活多變，可以針對不同雷諾數(shù)流動進行，幾何與邊界條件簡單，為高精度計算提供了條件。

技術研發(fā)人員：柳陽威;高雁飛;陸利蓬
受保護的技術使用者：北京航空航天大學
技術研發(fā)日：2017.07.24
技術公布日：2017.10.03