一种点阵式电加热可调温度畸变发生器及方法

1.本发明涉及一种发动机进气畸变试验装置，特别涉及点阵式电加热可调温度畸变发生器及方法。


背景技术：

2.飞机在执行任务时往往会需面临很多非常恶劣的工作环境，导致发动机进口参数分布不均匀，产生各种类型的进气畸变，严重危害飞机的安全稳定运行，比如，飞机在做翻转等动作时，来流会与进气道唇口形成一定夹角，产生流动分离，导致局部压力发生变化，进而形成压力畸变；飞机在执行火灾救援、导弹发射以及多排飞行等任务时，往往会吸入高温气体，在进口形成严重的温度畸变；对于采用s型进气道的先进战机，由于其结构的特殊性，发动机进口处通常会形成旋流畸变。这几种类型的进口畸变一般都会导致压气机的喘振线以及稳定工作线发生迁移，稳定工作范围变窄，对发动机危害很大。
3.为进行畸变相关的实验研究，需要在发动机或者压气机进口处设计相应的畸变发生器。对于温度畸来说，目前常用的温度畸变发生器形式有“热流导入式”、“嵌入燃烧式”和“电加热式”。“热流导入式”温度畸变发生器需在外部设置相应的高温气源，经管路引导进入进气管路，结构较为复杂，适用于动态畸变；“嵌入燃烧式”温度畸变发生器一般采用氢气为燃料，需在进气管路内安装氢燃烧器，并配有复杂的燃料控制系统和点火系统，较为危险，适用于动态畸变；“电加热式”相对于另外两种形式的温度畸变发生器具有设计、制造和使用相对简单、成本低、使用安全的优点，适用于稳态畸变，并且温度畸变范围以及畸变强度更易控制和调节，不会对进口管路造成显著影响。
4.中国专利cn111623512所呈现的温度畸变发生器虽属于“电加热式”，但其仅能形成周向畸变，不能产生径向畸变和组合畸变，功能较为单一。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种点阵式电加热可调温度畸变发生器，各电加热管的控制完全独立，采用点阵式分布的思想，可以产生多种类型的温度畸变，比如，径向畸变、周向畸变、对称形式畸变以及组合畸变，以不拆卸管路的前提，实现改变温度畸变类型和畸变强度。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种点阵式电加热可调温度畸变发生器，包括管体、支撑部件以及多个电加热管；支撑部件安装在管体内侧，支撑部件为圆盘形的网状结构，网状结构的节点沿周向分布若干圈，每一圈的节点沿周向均匀分布，相邻节点采用连接管相互连通，每个节点处还连接有电加热管承托套管，电加热管承托套管的轴线与管体轴线平行，电加热管穿入电加热管承托套管，导线穿过支撑部件与电加热管承托套管连接，电加热管的长度方向沿管体轴向，每根电加热管设置独立开关及功率控制器。
7.支撑部件设置两个，分别位于管体管壁进出口处，管体管壁进出口开设用于连接支撑部件以及穿入导线的贯通孔，支撑部件的最外圈设置若干管体约束端，管体约束端与
管体通过螺栓相连，支撑部件管体约束端外表面与管体的内表面完全贴合；管体的两端设置有法兰。
8.支撑部件分别设置在电加热管的两端，连接管体与电加热管承托套管内外径大小相同，电加热管承托套管与电加热管间隙配合或过盈配合。
9.每个电加热管的影响半径为r，管体的内径为r，根据几何关系得到r＝7r，各个节点位于半径为2r、4r和6r的圆上；位于半径为2r圆上的6个节点，第一个节点周向位置为30
°
，其余依次相差60
°
，位于半径为4r圆上的12个节点，第一个节点周向位置为15
°
，其余依次相差30
°
，位于半径为6r圆上的18个节点，第一个节点周向位置为10
°
，其余依次相差20
°
。
10.支撑部件的外形均为圆柱面和圆弧面。
11.电加热管为直线型，导线由端部引出。
12.电加热管为直管，电加热管表面设置翅片。
13.电加热管采用不锈钢加热管。
14.根据本发明所述点阵式电加热可调温度畸变发生器产生温度畸变的方法，控制不同区域和数量电加热管的开关实现径向畸变、多区周向畸变、对称形式畸变、弧形畸变或组合畸变；通过控制电加热管的功率改变畸变温度。
15.径向畸变包括内环畸变和外环畸变，多区周向畸变沿周向多扇区或矩形区加热畸变，对称畸变包括关于轴线对称的扇区畸变或矩形区加热畸变，组合畸变包括以上畸变的任意组合。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：整体结构简单，由若干加热管、支撑部件以及管体组成，安装简易方便；本发明中通过合理设置电加热管，且各个电加热管完全独立，可以实现涵盖：不同畸变强度下的周向畸变、径向畸变以及组合畸变。本发明操作简易，根据需求，只需控制不同位置电加热管电源的开启与闭合以及功率大小即可实现相应区域的加热，就可实现在压气机进口产生不同畸变形式和不同畸变强度下温度畸变的目的；本发明操作成本低，改变畸变条件时不需要拆卸进口管路，不易发生危险且方便实验。
17.进一步的，本发明所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器两端设计有法兰，可直接安装在试验压气机管路入口，其内直径与压气机进口直径相等，可以通过改变不同位置处电加热管电源开关的开启以及功率大小实现不同温度畸变的分布。
18.进一步的，支撑部件的外形均为圆柱面和圆弧面，可降低流动阻力，支撑部件均为中空结构，电加热管的导线通过其引出。
19.说明书附图
20.图1为点阵式电加热可调温度畸变发生器的整体结构图；
21.图2为点阵式电加热可调温度畸变发生器中支撑部件与电加热管的具体结构图；
22.图3为点阵式电加热可调温度畸变发生器的拆卸零件图；
23.图4为点阵式电加热可调温度畸变发生器支撑部件的具体结构图；
24.图5为三种周向畸变方案示意图；
25.图6为两种径向畸变方案示意图；
26.图7为每转多区畸变方案示意图；
27.图8为对称畸变方案示意图；
28.图9为组合畸变方案示意图；
29.图中，1-管体、2-支撑部件，3-电加热管，21-管体约束端，22-连接管体，23-电加热管承托套管。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明进行详细说明。
31.参见图1、图2、图3，点阵式电加热可调温度畸变发生器，温度畸变发生器安装在压气机试验管路的进气道，温度畸变发生器包括：管体1、支撑部件2、以及多个电加热管3；支撑部件2为网状结构，网状结构的节点沿周向分布若干圈，每一圈的节点沿周向均匀分布，相邻节点采用连接管22相互连通，每个节点处还连接有电加热管承托套管23，电加热管承托套管23的轴向与管体1轴向相同，其中，管体1是通过一段圆管加工而成，内径与试验过程中压气机进口直径一致，所述管体1管壁进出口附近沿周向均匀开设6
×3×
2个贯通孔，管体1同一位置开设3个贯通孔，其中两个用于紧固管体约束端21，另一个用于穿过导线；管体1与支撑部件2可通过螺栓固定连接；支撑部件2为中空结构，支撑部件2有两个，相对放置于管体1的进出口附近，支撑部件2的结构布局决定了电加热管3的分布位置，为约束电加热管3与管体1的相对位置，并起到引出导线的作用，为使电加热管影响的范围尽量大且不重叠；参考图4a和图4b，采用以下方法确定每个节点的中心坐标：这里假设每个电加热管的影响半径为r，管体1的内径为r，根据几何关系可得r＝7r，因而各个节点均位于半径为2r、4r和6r的圆上，为满足周向对称的要求，位于半径为2r圆上的6个节点，第一个节点周向位置为30
°
，其余依次相差60
°
，位于半径为4r圆上的12个节点，第一个节点周向位置为15
°
，其余依次相差30
°
，位于半径为6r圆上的18个节点，第一个节点周向位置为10
°
，其余依次相差20
°
；电加热管3为直管，可套于支撑部件2上，加热管3的导线可通过支撑部件2以及管体1上的贯通孔穿出；另外，管体1的进出口设置有法兰，可与下游部件相连，螺孔位置可根据实际需要布置。
32.所述电加热管3是直线型电加热管，其导线可有一端或两端引出，共有36个，用于加热流过的气体；
33.本发明的支撑部件2可通过3d打印加工，共有两个，支撑部件2包括管体约束端21、连接管体22以及电加热管承托套管23，连接管体22将管体约束端21和电加热管承托套管23连接起来，管体约束端21与管体1可通过螺栓相连；
34.参考图3和图4a，本发明的支撑部件2的外形均为圆柱面和圆弧面，可降低流动阻力；管体约束端21与管体1上贯通孔的孔径相匹配，在将畸变发生器组装完成后可以使用螺栓固定；电加热管承托套管23内径需与电加热管外径相匹配，以便于电加热管套入其中，导线通过支撑部件2内部引出；本发明的电加热管3各自独立，互不干扰，互不影响，可单独开启电源。
35.作为优选的实施例，电加热管3采用不锈钢加热管，采用市售产品。
36.本发明管体1上法兰上的螺孔位置可根据实际需要布置，法兰厚度与管壁厚度相同。
37.本发明可以通过控制相应电加热管的开启与关闭实现不同温度畸变的分布，可以实现涵盖：不同畸变范围和不同畸变强度下的周向畸变，不同径向位置处的径向畸变，组合畸变和对称畸变等。
38.在试验过程中，在压气机进口部位安装好该电加热式可调温度畸变发生器后，可以不经过拆卸管路系统就能实现不同畸变类型、不同畸变强度的压气机进口畸变条件，只需改变相应电加热管电源开启和电功率即可。
39.图5a、图5b、图5c-图9展示了点阵式电加热可调温度畸变发生器几种不同的工作状态，这里仅显示电加热管，且为均正视图，黑色区域代表处于加热状态的电加热管3，白色区域代表处于未加热状态的电加热管。
40.为点阵式电加热可调温度畸变发生器三种周向畸变方案图，分别是：图5a中60
°
扇区畸变、图5b中，120
°
扇区畸变和图5c中180
°
扇区畸变，该状态下会产生60
°
、120
°
和180
°
的扇形高温区，使得压气机进口温度分布不均匀，产生不同畸变范围的周向畸变。
41.如图6所示，为点阵式电加热可调温度畸变发生器两种径向畸变方案图，分别为内环畸变和外环畸变，内环畸变和外环畸变状态下会产生环形的高温区，形成不同径向位置处的径向畸变。
42.如图7所示，为点阵式电加热可调温度畸变发生器每转多区周向畸变方案图，其中三个畸变区域中心位置相隔120
°
，畸变角为60
°
，产生三个相对的高温区域，实现每转多区周向畸变的方案。
43.如图8所示，为点阵式电加热可调温度畸变发生器对称畸变方案图，其中两个畸变区域中心位置相隔180
°
，畸变角为60
°
，产生两个相对的高温区域，实现对称畸变的方案。
44.如图9所示，为点阵式电加热可调温度畸变发生器设置一个畸变区域的组合温度畸变，该状态下，可产生一个不规则的高温区域，实现组合畸变的方案；所述组合畸变还可以包括扇区畸变或矩形区畸变。
45.进一步的，可在电加热管表面增加翅片，增强电加热管与流体间的对流换热，这有利于缩短电加热管的长度，减小点阵式电加热可调温度畸变发生器的体积。
46.进一步的，对于点阵式电加热可调温度畸变发生器，可实现一定程度的拓展。如果电加热管的尺寸相对于管体内径更小，可以增添更多的电加热管，以产生更加精准的畸变区域，实现更多样式的畸变方案。
47.本发明可以通过控制各电加热管的电源以及功率来实现不同温度畸变的分布，且各个电加热管的控制完全独立，可以实现涵盖：径向畸变，周向畸变，对称形式畸变，组合畸变等，结构简单、操作简易，改变畸变条件时不需要拆卸进口管路，只需控制相应电加热管电源和功率即可，方便试验。

技术特征：
1.一种点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，包括管体(1)、支撑部件(2)以及多个电加热管(3)；支撑部件(2)安装在管体(1)内侧，支撑部件(2)为圆盘形的网状结构，网状结构的节点沿周向分布若干圈，每一圈的节点沿周向均匀分布，相邻节点采用连接管(22)相互连通，每个节点处还连接有电加热管承托套管(23)，电加热管承托套管(23)的轴线与管体(1)轴线平行，电加热管(3)穿入电加热管承托套管(23)，导线穿过支撑部件(2)与电加热管承托套管(23)连接，电加热管(3)的长度方向沿管体(1)轴向，每根电加热管(3)设置独立开关及功率控制器。2.根据权利要求1所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，支撑部件(2)设置两个，分别位于管体(1)管壁进出口处，管体(1)管壁进出口开设用于连接支撑部件(2)以及穿入导线的贯通孔，支撑部件(2)的最外圈设置若干管体约束端(21)，管体约束端(21)与管体(1)通过螺栓相连，支撑部件管体约束端(22)外表面与管体(1)的内表面完全贴合；管体(1)的两端设置有法兰。3.根据权利要求1所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，支撑部件(2)分别设置在电加热管(3)的两端，连接管体(22)与电加热管承托套管(23)内外径大小相同，电加热管承托套管(23)与电加热管(3)间隙配合或过盈配合。4.根据权利要求1所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，每个电加热管的影响半径为r，管体(1)的内径为r，根据几何关系得到r＝7r，各个节点位于半径为2r、4r和6r的圆上；位于半径为2r圆上的6个节点，第一个节点周向位置为30
°
，其余依次相差60
°
，位于半径为4r圆上的12个节点，第一个节点周向位置为15
°
，其余依次相差30
°
，位于半径为6r圆上的18个节点，第一个节点周向位置为10
°
，其余依次相差20
°
。5.根据权利要求1所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，支撑部件(2)的外形均为圆柱面和圆弧面。6.根据权利要求1所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，电加热管(3)为直线型，导线由端部引出。7.根据权利要求1所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，电加热管(3)为直管，电加热管(3)表面设置翅片。8.根据权利要求1所述的点阵式电加热可调温度畸变发生器，其特征在于，电加热管(3)采用不锈钢加热管。9.根据权利要求1-8任一项所述点阵式电加热可调温度畸变发生器产生温度畸变的方法，其特征在于，控制不同区域和数量电加热管(3)的开关实现径向畸变、多区周向畸变、对称形式畸变、弧形畸变或组合畸变；通过控制电加热管(3)的功率改变畸变温度。10.根据权利要求9所述的产生温度畸变的方法，其特征在于，径向畸变包括内环畸变和外环畸变，多区周向畸变沿周向多扇区或矩形区加热畸变，对称畸变包括关于轴线对称的扇区畸变或矩形区加热畸变，组合畸变包括以上畸变的任意组合。

技术总结
本发明公开一种点阵式电加热可调温度畸变发生器及方法，温度畸变发生器包括管体、支撑部件以及多个电加热管；支撑部件安装在管体内侧，支撑部件为圆盘形的网状结构，网状结构的节点沿周向分布若干圈，每一圈的节点沿周向均匀分布，相邻节点采用连接管相互连通，每个节点处还连接有电加热管承托套管，电加热管承托套管的轴线与管体轴线平行，电加热管穿入电加热管承托套管，导线穿过支撑部件与电加热管承托套管连接，电加热管的长度方向沿管体轴向，每根电加热管设置独立开关及功率控制器；通过合理设置电加热管，且各个电加热管完全独立，可以实现涵盖：不同畸变强度下的周向畸变、径向畸变以及组合畸变。径向畸变以及组合畸变。径向畸变以及组合畸变。


技术研发人员：王震飞 王志恒 王铭毅 席光
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/7