一种发动机内部高温燃气流湍流度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种发动机内部高温燃气流湍流度测量方法，将试验台在常温下运行，采集来流瞬时速度和瞬时静压，基于瞬时速度和瞬时静压计算来流的速度脉动u

【技术实现步骤摘要】
一种发动机内部高温燃气流湍流度测量方法


[0001]本专利技术属于湍流度测量
，具体涉及一种发动机内部高温燃气流湍流度测量方法。

技术介绍

[0002]涡轮(透平)是航空发动机/燃气轮机的主要热端部件，承受很高的热负荷。来流燃气的湍流强度是影响涡轮(透平)叶片热负荷和传热冷却特性的决定性因素之一，对发动机的性能和寿命影响非常显著，其准确测量和预估具有特别的现实意义。然而，第四代燃气涡轮发动机和J级燃气轮机的涡轮(透平)进口燃气温度已高达1600℃以上，叶片高温试验系统的工作温度也在700℃以上，如何在发动机各类中/高温试验台上准确测量发动机特征工况的来流湍流强度，存在很高难度，始终未能有效解决。
[0003]传统测量手段主要包括热线风速仪和粒子成像测速仪(PIV)。热线风速仪是常温条件下气流湍流度测算的重要手段，通过测量气流度的瞬时值和时均值，计算脉动速度和湍流度。但是，由于金属材料和尺寸限制，热线风速仪中热丝的使用温度很难用超过150℃，无法用于中/高温叶栅试验台和级试验台的高温流场湍流度测量。以粒子成像测速仪PIV为代表的可视化流速测量技术，也是用于常温条件下的湍流度测算，且需要光学窗口。可以看出，现有技术无法对发动机各类中/高温试验台的来流湍流强度进行测量。

技术实现思路

[0004]基于上述目的，本专利技术提供了一种发动机内部高温燃气流湍流度测量方法，解决现有技术无法测量中/高温试验环境中的来流湍流度的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0006]一种发动机内部高温燃气流湍流度测量方法，该测量方法用于对发动机各类中/高温试验台中的来流湍流度进行测量，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1，将试验台在常温下运行，采集来流瞬时速度和瞬时静压，基于瞬时速度和瞬时静压计算来流的速度脉动u
′
和压力脉动p
′
，建立来流的速度脉动和压力脉动的关联函数r
u
′
p
′
；
[0008]步骤2，将试验台在试验所需温度下运行，采集试验所需温度下来流的瞬时静压，基于瞬时静压计算来流的压力脉动基于试验所需温度下来流的压力脉动和步骤1的关联函数r
u
′
p
′
，通过公式(9)获得试验所需温度下被预估点的来流速度脉动
[0009][0010]式中，x0,y0,z0分别表示被预估点在三维空间x，y，z方向上的位置坐标，Δx,Δy,Δz分别表示x，y，z三个方向上的变化步长；t0表示被预估点的时间坐标；Δt为时间变化步
长；p
′
rms
(x
i
,y
j
,z
k
)为p
′
(x
i
,y
j
,z
k
)的均方根，p
′
(x
i
,y
j
,z
k
)表示常温下来流的压力脉动；N
x
，N
y
，N
z
分别为x，y，z三个方向的压力采样点数；N
t
为采集时间总数；i＝1,2,3,
…
,N
x
；j＝1,2,3,
…
,N
y
；k＝1,2,3,
…
,N
z
；l＝1,2,3,
…
,N
t
；
[0011]步骤3，根据湍流度计算公式计算(10)试验所需温度下来流的湍流度，
[0012][0013]式中，Tu表示湍流度，表示试验所需温度下来流的平均速度。
[0014]优选的，所述步骤1中具体包括：使用热线探针测量来流的瞬时速度，根据瞬时速度获得速度脉动u
′
；
[0015]使用安装在试验台内侧壁面上的动态压力传感器测量来流的瞬时静压，对所述瞬时静压去噪处理，计算动态压力传感器安装点的压力脉动p
′
；
[0016]建立压力脉动和速度脉动的关联函数r
u
′
p
′
，
[0017][0018]式中，N
x
，N
y
，N
z
分别为x，y，z三个方向的压力采样点数；N
t
为采集时间总数；i＝1,2,3,
…
,N
x
；j＝1,2,3,
…
,N
y
；k＝1,2,3,
…
,N
z
；l＝1,2,3,
…
,N
t
。
[0019]更优选的，瞬时静压去噪处理方法为：使用安装在外侧壁面上的动态压力传感器同步测量脉动噪声，采用基于傅里叶变换的方法对来流的瞬时静压去除噪声。
[0020]优选的，所述步骤2中，在试验台在试验所需温度下运行前移除瞬时速度采集装置，避免对中/高温流场产生影响。
[0021]优选的，所述所需温度下来流的平均速度通过气动探针测量获得。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0023](1)本专利技术测量方法可以实现中/高温试验中流场的湍流度的测量，特别适合航空发动机/燃气轮机中温/高温叶栅试验和级试验；
[0024](2)本专利技术方法不需要在流场中插入探针，对流场影响非常小；
[0025](3)本专利技术方法通过在壁面布置动态压力传感器，测量脉动压力并推估湍流度，可避免传感器与高温气体直接接触；
[0026](4)本专利技术方法不需要在试验台壁面上开窗，对试验台结构强度无影响。
附图说明
[0027]图1是本专利技术实施例记载的试验台试验段结构示意图。
[0028]图中各标号的含义：1
‑
试验台，2
‑
热线探针，3
‑
动态压力传感器。
具体实施方式
[0029]本专利技术方法的原理是：
[0030]对于牛顿流体，控制方程中的动量方程包含速度与压力，微分形式的动量方程一般可写作：
[0031][0032]式中，ρ为密度，μ为动力粘性系数，f为质量力(对于本专利技术所述流动即为重力)，1、2、3为3个坐标方向。
[0033]湍流流动最为重要的特征是物理量(速度、压力、温度等)在时间上做随机的脉动，通过统计平均的方式进行研究。根据雷诺分解，湍流中物理量的瞬时值可表示为时均值与脉动值之和，对于速度u和压力p有：
[0034][0035]其中，表示速度的时均值，u'表示速度的脉动值，表示压力的时均值，p'表示压力的脉动值。
[0036]而湍流流动的瞬时值同样满足动量方程：
[0037][0038]由上式可知，湍流流动中，任意时刻速度和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发动机内部高温燃气流湍流度测量方法，其特征在于，该测量方法用于对发动机各类中/高温试验台中的来流湍流度进行测量，包括以下步骤：步骤1，将试验台在常温下运行，采集来流瞬时速度和瞬时静压，基于瞬时速度和瞬时静压计算来流的速度脉动u
′
和压力脉动p
′
，建立来流的速度脉动和压力脉动的关联函数r
u
′
p
′
；步骤2，将试验台在试验所需温度下运行，采集试验所需温度下来流的瞬时静压，基于瞬时静压计算来流的压力脉动基于试验所需温度下来流的压力脉动和步骤1的关联函数r
u
′
p
′
，通过公式(9)获得试验所需温度下被预估点的来流速度脉动，通过公式(9)获得试验所需温度下被预估点的来流速度脉动式中，x0,y0,z0分别表示被预估点在三维空间x，y，z方向上的位置坐标，Δx,Δy,Δz分别表示x，y，z三个方向上的变化步长；t0表示被预估点的时间坐标；Δt为时间变化步长；p
′
rms
(x
i
,y
j
,z
k
)为p
′
(x
i
,y
j
,z
k
)的均方根，p
′
(x
i
,y
j
,z
k
)表示常温下来流的压力脉动；N
x
，N
y
，N
z
分别为x，y，z三个方向的压力采样点数；N
t
为采集时间总数；i＝1,2,3,
…
,N
x
；j＝1,2,3,
…
,N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷蒋，张鲁增，张科，段敬添，姚家旭，尚梦雨，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：