[发明专利]一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法

说明书

一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法，基于测量压力、温度和质量流量间接测量喷嘴出口平均马赫数Ma，通过测量喷嘴进口气流总温T₀^*、喷嘴出口气流静压P₁和流经喷嘴的气流质量流量m获得喷嘴出口平均马赫数Ma，无需将测量仪器插入喷嘴出口的高速流场中，减少了对流场的扰动。相较于通过激光多普勒流速仪LDV和粒子图像测速仪PIV获得喷嘴出口平均马赫数Ma的方法而言，本发明只需要在喷嘴进口布置进口总温测点，在喷嘴出口布置静压测点，并测得流经喷嘴的流量即可，测量成本相对较低且无需向流场中添加固体颗粒。根据该方法计算得到的喷嘴出口平均马赫数Ma与CFD数值计算结果的最大偏差不超过6.2％。

技术领域

本发明涉及航空发动机预旋供气系统应用领域，具体地说，涉及一种用于预旋喷嘴出口平均马赫数的测量方法。

背景技术

预旋喷嘴作为航空发动机预旋供气系统的重要部件，其功能是加速气流形成较大的周向分量，降低气流静温以及气流和转盘间的相对速度，从而达到降低气流相对总温的目的。对任意预旋系统，若预旋喷嘴产生的周向速度足够大，系统出口的相对总温甚至会低于进口的绝对总温，可实现预旋系统的温降。

对一个绝热的预旋系统且预旋腔封严良好时，其温降效率主要取决于预旋喷嘴出口旋转比，也即喷嘴出口的马赫数Ma和出气角度θ的余弦值。对一个预旋角度小于25°并且叶型设计良好的预旋喷嘴而言，落后角一般会小于1°，其对出气角度的余弦值影响小于1％，此时，测量出喷嘴出口的马赫数Ma将对预估预旋系统的温降及温降效率具有重要意义。

目前，测量喷嘴出口平均马赫数Ma的常用方法通常有3种：一种是通过多孔探针测量得到当地的总压、静压进而得到当地的马赫数Ma，进而求出喷嘴出口平均马赫数Ma，王涛和李飞行在2012年《现代机械》上发表的论文《五孔探针结构和校准》中介绍了五孔探针的测量方法。一种是通过热线风速仪测速，利用对流换热与气体流速的关系将气流速度转换为电信号，进而得到当地的速度，从而得到喷嘴出口平均马赫数Ma，刘祖唐和沈懋如在1982年《河海大学学报：自然科学版》上发表的论文《热线风速仪》中介绍了该测量方法。一种方法是通过激光多普勒流速仪LDV测速，其利用激光多普勒频移的频移量与粒子运动速度成比例的关系，进而得到喷嘴出口气流速度，从而得到喷嘴出口平均马赫数Ma，朱宁、李宁和徐旷宇在2018年《计量技术》上发表的《用LDV测量液体管道流速分布的研究》中介绍了该测量方法。另外一种是通过粒子图像测速仪PIV测速，其通过在流场中布撒示踪粒子跟随流场运动，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，得到前后两帧粒子图像，对图像中的粒子图像进行相关计算得到速度场，进而得到喷嘴出口平均马赫数，杨小林和严敬在2005年《西华大学学报：自然科学版》上发表的《PIV测速原理及应用》中介绍了该测量方法。这四种测量方法除LDV和PIV测量方法外，其他两种方法都属于接触式测量，需要将测点插入喷嘴出口的高速流场中，如果测点布置过多会严重干扰喷嘴出口的流场，导致测量结果失真，但是如果测点布置过少则会影响测量结果的可靠性。而LDV和PIV法对测量对象要求较高，需要能够直接拍摄到流场，且往往需要向测量对象中添加颗粒，测量喷嘴出口流速时很少使用。

发明内容

为了克服接触式测量喷嘴出口平均马赫数Ma所带来的困难，本发明提出一种喷嘴出口平均马赫数的测量方法。

本发明的具体过程是：

步骤1：确定喉部面积A₁；

所述喷嘴的喉部面积A₁＝w×h；其中w为喷嘴喉部截面的宽度，h为喷嘴高度。

步骤2：喷嘴进口气流总温T₀^*测量：