T-CSAA 40-2025 燃气涡轮发动机旋转通道流阻测试方法

燃气涡轮发动机旋转通道流阻测试方法Testmethodsforflowresistanceofrotatingchannels2025-7-16发布2025-10-1实施中国航空学会发布 I 12规范性引用文件 13术语和定义 14测试原理 25试验设备及试验件 3 35.2试验件 45.3测量仪器精度 5 5 7 8试验报告编写 附录A(资料性)离心压差修正方法推导 Ⅲ本文件附录A为资料性附录。本文件依据T/CAS1.1—2017《团体标准的结构和编写指南》的有关要求编写。本文件由中国航空学会提出并归口。本文件起草单位：北京航空航天大学、中国航发湖南动力机械研究所、中国航空贵阳发动机设计所、中国航空学会、中国航发四川燃气涡轮研究院、中国航发沈阳发动机研究所、中国航发商用航空发动机有限责任公司。本文件起草人：李海旺、由儒全、车俊新、张学姣、王钦钦、刘松、曾飞、杨德林、栗尼娜、马世岩、李洋、陈文彬、田淑青、郭文、高杰、屈云凤、黄启鹤。考虑到本文件中的某些条款可能涉及专利，中国航空学会不负责对任何该类专利的鉴别。本文件首次制定。1燃气涡轮发动机旋转通道流阻测试方法2………………(5)c)旋转数(Ro)相等：通过转速与特征尺寸的协同设计，模化哥氏力对流动的影响；d)浮力数(Buo)相等：针对加热工况，通过温度边界条件控制，模化浮升力作用效果；e)离心功数(CW)相等：通过转速与通道径向尺寸的匹配，模化流体压缩性的影响。在流动截面积不变的不可压缩流动中，可采用静压差近似表征总压差以简化分析。为获取精准静压分布，需沿通道流向合理布置静压测点，通过引压管将信号传输至压力传感器。由于旋转环境下引压管内流体受离心力作用产生径向压力梯度，需基于径向动量守恒方程对测量数据进行修正，消除离心效应对静压值的干扰。通道总压差由旋转离心压差与流动阻力压差两部分构成。通过高精度传感器测量总压差，并结合理论模型计算离心压差分量(参见附录A),可分离出纯流动阻力压差。基于该关键参数，通过公式(1)计算范宁阻力系数，为旋转冷却通道的流动性能评估与结构优化提供量化依据。5试验设备及试验件5.1.1试验台组成试验设备主要包括温度采集模块、压力采集模块、流量控制模块、转速控制模块等。试验设备应满足试验件对流量、压力的需求。典型的涡轮转子叶片内部冷却通道阻力系数测试试验台如图1所示。若开展航空发动机旋转通道流阻试验，试验设备需满足试验件进口流动最大雷诺数不小于50000,试验件进口流动最大旋转数不小于0.3。实验仪器集成温度信号采集气滑环压力信号采集电信号传输控制与采集电滑环驱动装置旋转通道旋转实验段配重5.1.2温度采集模块温度采集模块应满足以下要求：a)包含热电偶或其他温度传感器，以实现对试验件温度的精确测量；b)热电偶信号需通过适配的采集卡转换为数字信号，并通过电滑环传输至计算机；c)能够实现对多个热电偶信号的同时采集，并具备实时监控和数据记录功能。5.1.3压力采集模块压力采集模块应满足以下要求：a)配备多路绝压传感器和相对压力传感器，以测量试验件关键点的压力；b)压力传感器的输出信号应为标准格式，并可通过适配的采集卡转换为数字信号；4d)压力采集系统应具备高精度和稳定性，以确保试验数据的准确性；b)流量控制阀的开度应能通过适配的控制器输出的标准信号进行调节；d)控制算法应能够有效维持流量的稳定，并能根据试验需求提供多种流量控制模式；e)系统应具备自适应能力，能够根据实时反馈调整流量，c)模块应能够实时监测轴承的振动值和温度，并在超出预d)系统应具备故障诊断功能，能够及时识别并记录e)监测数据应能够实时显示，并具备历史数据存储和回放功能。b)电机保证旋转部件可在0~5000转/分钟的转速范围c)可稳定在试验转速，转速测量装置测量并传输试验转速。b)整流元件：包括六边形格栅和精细滤网，确保气流均匀，提高测试准确性。整流格栅采用高流通能力的六边形设计，其整流长度与单孔水力直径的比例需超过10,以有效消除流动中的大尺度旋涡，矫正速度方向。滤网则选用细丝径(小于0.1mm)和多层致密结构，根据d)通道主体部分：用于模拟涡轮叶片的冷却结构，并在其中布置必要的测点；e)承压腔：容纳并保护试验通道，承受由于流体压力和旋转产生的负载，确保其在测试过程按照不同试验内容，试验件制造工艺也不同。当进行非加热壁面条件的试验时，试验件采用机加工或3D打印树脂材料进行测试。当研究壁面加热条件对通道阻力特性影响时，一般采用耐高温的尼龙或聚四氟乙烯等作为支撑结构，金属(一般为紫铜、铝等)作为加热壁面。5a)所有零部件的尺寸和技术指标应严格依照工程图纸的规定，确保与设计要求的一致性；b)试验件在旋转试验前应通过密封性检验，以保证在测试过程中无泄漏，维持测试环境的稳a)静压孔直径的推荐范围是0.5至1.0mm,过大可能导致对流场的显著扰动，过b)静压孔的孔口应保持光滑，无毛刺，并确保轴线与壁面垂直。尖锐的孔口边缘有助于减少c)静压孔的开孔深度与直径之比大于3,以确保孔内压力场的稳定和代表性；d)静压孔应布置在内壁局部光滑的直线段上，避免在曲面或转角处开孔，以减少局部流动的若受测试能力限制仅能布置一处静压测点，需在旋转通道侧壁面中央布置，以减小旋转哥f)压力接嘴与试验器壁的连接应尽可能采用螺纹连接，以保证连接的紧密性和重复使用性，测试系统的测量仪表均在常温常压环境下工作，仪器测试精度应至少满足表1要求，且使用时1压力2温度热电偶3456a)试验件装配应完全依据设计图纸要求执行，安装前需对热电偶、静压孔等关键部件进行功b)对壁面加热器的电阻数值进行测试并记录；6a)试验台动平衡：试验台动平衡测试需符合GB/Tc)测试仪器检测：通过标准信号源b)初始化数据采集系统，连续记录系统初始d)在预定的雷诺数、旋转数、离心功数与温比下，稳定运行一段时间后，待温度稳定以后(稳e)根据试验要求，调整流量、转速、加热功率、参考压力等，完整获取不同工况点(雷诺数、旋转数、浮力数、离心功数)的测试数据；应对。1)当气源供应不稳定或中断，导致试验件出现严重超温现象时，应立即中断试验，并对供气2)若试验过程中设备发出异常声响，须立即停止试验，对设备结构及运动部件进行详细检查，3)发生供电中断时，应立即中止试验，同时检查主电源线路及备用电源系统运行状态；4)一旦发生火警，必须立即终止所有试验操作，启动紧急疏散预案，并按照消防规程采取相5)当试验设备控制系统或测试系统出现故障，可能影响数据准确性或造成设备损坏时，应立6)当发生其他安全隐患，包括但不限于设备泄漏、过热等可能危及操作人员或在场人员安全7)所有试验中断操作均应按照以上应急预案执行，并做好详细的过程记录。f)若非正常原因结束测试，应详细记录试验中断时间、71开尔文(K)2进口压力(轴心测量)帕斯卡(Pa)3进出口相对压力(轴心测量)帕斯卡(Pa)4Ω弧度/秒(rad/s)5m千克/秒(kg/s)6电阻R欧姆(Ω)7电流I安培(A)试验件的密度可通过当地压力p(r),当地流体温度T(r)计算，见公式(7)。…………在通道内，旋转半径r₁与r2两测点间流阻压差可以表示为公式(9):8其中，通道内各点位置的旋转离心压变化可以表示为公式(10):考虑压缩效应的非加热通道内旋转半径r₁与r₂两测点间由于离心力做功导致的温度改变可以计算为公式(11):式中：以上详细推导过程参见附录A。6.2.5加热通道内的旋转离心压差计算在通道内，旋转半径r与r2两测点间流阻压差△p,可以表示为公式(13):此时，通道内的压力随旋转半径的变化可以表示为公式(14):……考虑压缩效应的加热通道内旋转半径r₁与r₂两测点间由于离心力做功与加热导致的温度改变可9b)根据仪器仪表的量程、精度以及试验前后的试验件尺寸数据，按GB/T27759-2011中A类(统计法)和B类(非统计法)不确定度评估流程计算试验数据不确定度；c)根据试验数据，分析气动参数(雷诺数、旋转数)及几何参数等对范宁阻力系数的影响规b)试验项目；附录A(资料性)由于高速旋转过程中，压力会造成旋转测试系统内气体的沿径向密度改变。在试验中，采用引压方案，将压力引入轴心进行测量。因此首先将压力转换到测点位置。引压管内的压力可以等效为等温条件。…而在旋转转速较低的通道内，离心力产生的压力梯度小，引压管内的密度改变几乎可以忽略不在高转速的旋转通道内，由于离心力的显著压缩，通道内的温度与压力均会沿程显著增加。这就造成了密度不能作为常数进行处理。因此为了方便进行通道内的参数预估，给出了一维状态下的通道内的温度与压力的计算方法。一方面可以实现阻力系数计算是离心力产生的压差评估。另一方面，可以在数值计算中确定流体的状态，因为高速旋转产生压力差显著强于阻力造成的压差。在计算流阻系数时，需要将旋转产生的压差效果消除，而确定流体状态时，忽略阻力对压力变化产生的当通道的壁面可以简化为非加热壁面，离心力对流体的做功均用来增加流体的总温。通道内的压缩效应主要是受到离心力的显著影响，通道内流体的马赫数并不高。因此实际上流体的总温与静温的差异几乎可以忽略。此时忽略流体的动能改变，离心力做功可以等效为流体静温的升高。由通道某一半径位置ro到r1的能量变化过程可以表达为：因此，在表征压力随旋转半径变化的函数p(x)中，利用流体的状态方程将通道内的流体密度表方程A.14的通解可以表达为：将半径为ro位置的初值代入，也即对应位置的压力po,温度为To。离心作用产生的压力随旋转如图A.1,基于一维假设的非加热通道内的预测方法与三维数值方法的计算结果的最大差异为0.2%。等温计算的结果随着温度的升高预测偏离逐渐增大。而NASA基于进出口温度与压力的线性预测方法预测精度与测点数量有关。—本文计算方法…--等温方法--NASA-插值法米数值结果z/DhA.3加热通道内旋转离心压差计算在通道内，当考虑壁面传热，假设在rno到r1的过程中，壁面向流体的总传热量为Q,在这个过程中，如果假设壁面向流体的传热量均匀。那么传热量造成的流体温升可以表示为：因此流体温度的增长可以表示为：该方法最后推导得到的结果过于复杂，在实际使用中难以应用。因此本文在这里仅给出最终结果。该方法相比非加热通道计算复杂的根本原因在