超高速渦輪用超音速噴嘴流出系數(shù)的試驗(yàn)研究

郭 超，郝小龍，王 學(xué)

1 前言

超音速噴嘴作為重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，在各種小型透平機(jī)械上有著廣泛應(yīng)用，其主要功用是將一定質(zhì)量流量的高壓氣體的焓降轉(zhuǎn)變?yōu)榇祫?dòng)渦輪的高速氣流動(dòng)能［1，2］。通常超音速噴嘴被設(shè)計(jì)成典型的縮擴(kuò)管結(jié)構(gòu)形式（見圖1）。高壓氣體通過(guò)收縮段進(jìn)行膨脹加速，在最小截面處（喉徑）氣流速度達(dá)到音速，然后通過(guò)擴(kuò)張段繼續(xù)加速直至超音速狀態(tài)。

圖1 縮擴(kuò)管結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)噴嘴設(shè)計(jì)理論［1，3］，影響通過(guò)噴嘴氣體流量的主要因素有噴嘴前后氣體壓力比、噴嘴喉徑及噴嘴形狀。當(dāng)噴嘴前后氣體壓力比超過(guò)臨界狀態(tài)時(shí)，通過(guò)噴嘴喉徑的氣流速度將達(dá)到音速，通過(guò)進(jìn)一步降低噴嘴出口背壓來(lái)改變噴嘴前后壓力比，將不會(huì)影響到噴嘴喉徑處氣流速度，此時(shí)噴嘴的通流能力將被喉徑的大小所限制。在相同喉徑的噴嘴結(jié)構(gòu)中，其通流能力還受到喉徑前噴嘴結(jié)構(gòu)形狀的影響［4～8］。噴嘴喉徑前入口截面形狀的變化，會(huì)使氣體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生不同的渦流區(qū)及附面層（見圖2），直接影響噴嘴喉部有效面積，降低噴嘴流通能力。

圖2 渦流區(qū)及附面層示意

將噴嘴實(shí)際工作過(guò)程中測(cè)量到的質(zhì)量流量與其理論計(jì)算值的比值定義為噴嘴的流出系數(shù)。由于氣體在噴嘴結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的復(fù)雜性，通過(guò)數(shù)值計(jì)算流出系數(shù)缺乏統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，目前通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量是非常有效便捷的方法。在設(shè)計(jì)及應(yīng)用過(guò)程中，準(zhǔn)確地掌握特定形狀的超音速噴嘴流出系數(shù)，對(duì)于分析計(jì)算實(shí)際工作中噴嘴的質(zhì)量流量、輸出氣體等熵膨脹功非常重要，對(duì)于預(yù)估噴嘴后渦輪輸出性能也必不可少。……