1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明所設計的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，包括壓氣機、高速膜盤聯軸器、齒輪箱、低速端聯軸器、電機和公共底盤，所述的電機通過低速端聯軸器與齒輪箱傳動連接，齒輪箱再通過高速膜盤聯軸器與壓氣機傳動連接，所述的壓氣機由按空氣的流向依次設有進氣道、轉子、通流部分、出氣道，所述的出氣道是設有可開閉的圓孔，在轉子設有潤滑系統，且轉子通過軸承系統支撐。壓氣機工作時，空氣從進氣道進入通流部分，再通過出氣道排入大氣；高速膜盤聯軸器具有良好的補償能力，以滿足軸系的要求。轉子由軸承系統支撐并由潤滑系統潤滑冷卻；為了得到跨音速流動過程中的試驗樣機參數，測量系統合理布置。
【專利說明】1 5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高轉速的跨音速軸流壓氣機的試驗機，特別是1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置。
【背景技術】
[0002]壓氣機是燃機的重要組成部件之一，對燃機的性能具有重要的影響。壓氣機的跨音級設計主要用于民航發動機的第一級或者用于軍用發動機的前幾級。壓氣機跨音級的滯止壓比一般在1.2 — 2.2左右，其中民用接近1.2，軍用接近2.2。而壓氣機跨音級的設計水平又很大程度地影響了壓氣機的性能，所以研究壓氣機跨音速級，無論對于設計新一代壓氣機，還是改進現有壓氣機都是非常必要的。
[0003]現今，國內為了對引進的F級燃機進行消化吸收，需要通過實驗來提供跨音壓氣機流場的詳細數據，而國內在此之前還沒有這方面的試驗臺。
[0004]為了突破先進壓氣機核心技術的壁壘，在國家973項目的支持下建立該1.5級跨音速壓氣機試驗臺，對壓氣機跨音級性能及內部流場進行深入研究，為F級燃機的消化吸收提供詳細的實驗數據。
[0005]現有壓氣機試驗臺主要用于低馬赫數，低轉速的民用壓氣機的內部流場的觀測。對于高馬赫數、高轉速的跨音速壓氣機試驗裝置，不論從結構、強度、材料、氣動、振動及轉子動力學等方面都比一般的低馬赫數、低轉速方案有更高的要求。
【發明內容】

[0006]本發明的目的是為了解決上述現有技術的不足而提供一種為填補對高轉速軸流壓氣機跨音速級的試驗研究空白，可以很好的解決對壓氣機跨音級性能及內部流場進行深入研究，為F級燃機的消化吸收提供詳細的實驗數據的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置。
[0007]為了達到上述目的，本發明所設計的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，包括壓氣機、高速膜盤聯軸器、齒輪箱、低速端聯軸器、電機和公共底盤，其特征是所述的電機通過低速端聯軸器與齒輪箱傳動連接，齒輪箱再通過高速膜盤聯軸器與壓氣機傳動連接，所述的壓氣機由按空氣的流向依次設有進氣道、轉子、通流部分、出氣道，所述的出氣道是設有可開閉的圓孔，在轉子設有潤滑系統，且轉子通過軸承系統支撐。壓氣機工作時，空氣從進氣道進入通流部分，再通過出氣道排入大氣；高速膜盤聯軸器具有良好的補償能力，以滿足軸系的要求。轉子由軸承系統支撐并由潤滑系統潤滑冷卻；為了得到跨音速流動過程中的試驗樣機參數，測量系統合理布置；電機將電能轉化為機械能通過軸系由動葉傳遞給空氣，并進而轉換成空氣的壓力能以滿足不同的需要。
[0008]通流部分按空氣的流向依次包括進口導葉、動葉和靜葉，且前后通過兩組支撐筋支撐，所述的轉子與動葉傳動連接，所述的動葉為燕尾型葉根。所述的支撐筋為一組八片，并且為NACA葉型結構。
[0009]所述的潤滑系統與齒輪箱共用一套油路系統。[0010]所述的密封系統由多重齒式密封環組成，多重齒式密封環主要包括油封環、氣封環一和氣封環二。
[0011]所述轉子的進氣側開有動平衡的配重螺孔。
[0012]所述的軸承系統由兩個支撐軸承和一個推力軸承組成，其中支持軸承采用大剛度、大阻尼軸承。
[0013]所述的測量系統包括靜壓、總壓、溫度、以及動葉葉頂壓力分布和動葉葉頂PIV測量裝置，其中所述的測孔設置在以下位置:前支撐前、后支撐后、前支撐與進口導葉之間、靜葉與出口導葉之間、出口導葉與后支撐之間、動葉之后、動葉葉頂及動葉頂部的Piv測孔。測量孔暫不使用時采用測孔堵頭進行封閉。
[0014]本發明提供的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其有益效果是:壓氣機單級壓比達1.3意味著葉片氣流流動速度大大加快,葉頂氣流速度達到音速以上,馬赫數在1.2左右。而葉片根部的氣流在亞音速區，這使得軸流壓氣機的通流設計和結構設計制造難度大大增加。動葉采用的燕尾型葉根，材料采用10705BY以滿足氣動和強度的要求。因為激波的存在，使得氣流對結構的敏感性提高，在一定的動葉葉頂線速度下該樣機轉子使用了高轉速方案，所以樣機的結構相對非常緊湊。
[0015]上述的軸承系統、潤滑系統及膜盤聯軸器的有效設計同樣使得該機在跨音速運行中保持穩定。
[0016]圓孔用作防止壓氣機喘振，喘振發生時迅速打開圓孔，接通大氣以增加壓氣機流量。
[0017]測量系統中的級前后及中間的總壓、總溫、靜壓、葉片表面表面載荷、動葉葉頂壓力分布和動葉葉頂Piv測孔的布置。結合CFD的數值模擬能相互校核試驗壓氣機的測量數據。以更準確的測量出跨音速級的整體性能和內部流場流動情況。
[0018]從工廠試車及現場運行的情況看，該發明的各項設計能滿足測量跨音速壓氣機各項指標的要求。
[0019]本發明提供的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，單級壓比達到1.3，較之日前常規使用的單級軸流壓氣機(在1.15左右)提高很大。提高單級軸流壓氣機的壓比和整機壓比有非常重要的意義，一直是工業領域追求的目標。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發明壓氣機通流部分子午流道圖；
[0021]圖2是本發明壓氣機試驗機組主要結構布置圖(不含變頻器)；
[0022]圖3是圖2中的壓氣機的結構剖視圖；
[0023]圖4是壓氣機動葉俯視圖；
[0024]圖5是數值模擬出的壓氣機動葉頂部激波25 ；
[0025]圖6是壓氣機葉柵中間截面的展開圖；
[0026]圖7是壓氣機密封封系統不意圖；
[0027]圖8是壓氣機測量系統堵頭結構圖；
[0028]圖9是支撐軸承剖面圖；
[0029]圖10是推力軸承剖面圖。[0030]其中:壓氣機1、高速膜盤聯軸器2、齒輪箱3、低速端聯軸器4、電機5、公共底盤6、進氣道7、測量系統8、進口導葉9、動葉10、靜葉11、支撐筋12、出氣道13、潤滑系統14、軸承系統15、支撐軸承15-1、推力軸承15-2、密封系統17、轉子18、圓孔19、油封環20、氣封環
一21、氣封環二 22、堵頭23、測量探頭套管24、激波25。
[0031]所有圖中，A方向均表不氣流流動方向，B方向均表不葉輪旋轉方向。
【具體實施方式】
[0032]下面通過實施例結合附圖對本發明作進一步的描述。
[0033]實施例1:
[0034]本實施例描述的如圖1-8所示，本實施例提供的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，主要包括壓氣機1、高速膜盤聯軸器2、齒輪箱3、低速端聯軸器4、電機5、公共底盤6，電機5通過低速端聯軸器4帶動齒輪箱3旋轉；齒輪箱3增速后通過高速膜盤聯軸器2帶動壓氣機I。
[0035]其中壓氣機I是最為復雜最為核心的部件，壓氣機I主要包括通流部分、進氣道7、出氣道13、轉子18、潤滑系統14、軸承系統15、密封系統17及測量系統8，壓氣機I工作時，空氣從進氣道7進入通流部分，再通過出氣道13排入大氣；轉子18由軸承系統15支撐并由潤滑系統14潤滑冷卻；為了得到跨音速流動過程中的試驗樣機參數，測量系統8的合理布置和實施很重要；所述通流部分主要包括進口導葉9，動葉10和靜葉11，進口導葉9，動葉10和靜葉11是壓氣機I的核心部件；電機5將電能轉化為機械能通過軸系由動葉10傳遞給空氣，并進而轉換成空氣的壓力能以滿足不同的需要。
[0036]空氣通過壓氣機進氣道7進入壓氣機1，在進入壓氣機前設置了過濾網以防止雜質進入破壞壓氣機I相關的葉片。空氣在進氣道7中聚集并改變流向，經前支撐筋分流后進入進口導葉9進一步改變方向以滿足動葉10對氣流的預旋要求，動葉10在軸系的帶動下將電機5的電能轉換為機械能傳遞給空氣。在動葉10處，空氣被帶動加速。在額定工作狀態，由于結構和轉速的原因，動葉10的葉頂部分的空氣隨動葉10超過音速，葉根部位空氣仍然處于亞音速區。空氣的動能一部分在靜葉11中得到回收轉變為壓力能。通過出口導葉和后支撐筋進入擴壓器進一步提升空氣壓力，回收動能。出氣道13為空氣在壓氣機I中的最終出口，空氣在此進入管網或者排向大氣。出氣道13上的圓孔19在正常運行情況下為關閉狀態。當空氣流量減小壓氣機I出現喘振的時候迅速開啟圓孔19以防止對壓氣機I產生破壞性影響。
[0037]所述的通流部分由前后兩組支撐筋12支撐，支撐筋一組八片，有NACA葉型加工而成，以滿足氣動和強度需要。
[0038]所述的潤滑系統14于齒輪箱3潤滑系統共用一套油系統。
[0039]所述轉子18的進氣側開有動平衡的配重螺孔。
[0040]所述的軸承系統15由兩個支持軸承和一個推力軸承組成，其中支持軸承采用大剛度、大阻尼設計。
[0041]為了測量不同工況下的壓氣機I性能并描繪出壓氣機的性能曲線，軸系的轉速需要可以調整。因此，在電機側配置了變頻器以便平順的開啟壓氣機I并在不同電機轉速0-3000rpm間調整以得到不同的工況。與此同時，進口導葉9的角度也需要調整以滿足流動需要。
[0042]為了避免空氣在動靜結合部的泄漏，所述的密封系統17由多重齒式密封環組成，也就是在適當的地方采用了油封環20、氣封環一 21和氣封環二 22的密封系統17。這種措施可以盡可能減少空氣的泄漏，盡管空氣的泄漏對機組不會產生重大的影響及對人員產生安全隱患。在軸承潤滑系統14中設置了油封環20。由于軸系的高轉速，最高可達24840rpm，設置了大剛度、大阻尼的軸承系統15以滿足轉子動力學的要求。同時軸承的潤滑也需要非常高效以防止軸承溫度過高破壞軸瓦。
[0043]為了有效的測量試驗壓氣機的性能，測量系統8的設置也是一個關鍵因素。該壓氣機I分別在以下位置設置了測量孔:前支撐前、后支撐后、前支撐與進口導葉9之前、靜葉11與出口導葉之間、出口導葉與后支撐之間、動葉10之后、動葉10葉頂及動葉10頂部的PIV測口。這些測孔要求很高，最小的孔徑達0.5毫米。不論對壓氣機I結構和加工的設備的要求都是挑戰。這些測孔對于研究該壓氣機I的整體性能和詳細的內部流動是不可或缺的。另外需要指出的是，該測量系統8的測孔在某些時候是不需要全部用到的，比如試車或者探測探頭損壞的情況。本發明中對每一個測孔均配備了不同規格的堵頭23以滿足上述需求。
[0044]本實施例提供的如圖1所示，該跨音速軸流壓氣機試驗樣機，單級壓比達到1.3，較之日前常規使用的單級軸流壓氣機(在1.15左右)提高很大。提高單級軸流壓氣機的壓比和整機壓比有非常重要的意義，一直是工業領域追求的目標。
【權利要求】
1.一種1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，包括壓氣機、高速膜盤聯軸器、齒輪箱、低速端聯軸器、電機和公共底盤，其特征是所述的電機通過低速端聯軸器與齒輪箱傳動連接，齒輪箱再通過高速膜盤聯軸器與壓氣機傳動連接，所述的壓氣機由按空氣的流向依次設有進氣道、轉子、通流部分、出氣道，所述的出氣道是設有可開閉的圓孔，在轉子設有潤滑系統，且轉子通過軸承系統支撐。
2.根據權利要求1所述的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其特征是通流部分按空氣的流向依次包括進口導葉、動葉和靜葉，且前后通過兩組支撐筋支撐，所述的轉子與動葉傳動連接，所述的動葉為燕尾型葉根。
3.根據權利要求2所述的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其特征是所述的支撐筋為一組八片，并且為NACA葉型結構。
4.根據權利要求1所述的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其特征是所述的潤滑系統與齒輪箱共用一套油路系統。
5.根據權利要求1所述的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其特征是其特征是所述的密封系統由多重齒式密封環組成，多重齒式密封環主要包括油封環、氣封環一和氣封環二。
6.根據權利要求1所述的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其特征是所述轉子的進氣側開有動平衡的配重螺孔。
7.根據權利要求1所述的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其特征是所述的軸承系統由兩個支撐軸承和一個推力軸承組成，其中支持軸承采用大剛度、大阻尼軸承。
8.根據權利要求2所述的1.5級跨音速軸流壓氣機試驗裝置，其特征是所述的測量系統包括靜壓、總壓、溫度、以及動葉葉頂壓力分布和動葉葉頂PIV測量裝置，其中所述的測孔設置在以下位置:前支撐前、后支撐后、前支撐與進口導葉之間、靜葉與出口導葉之間、出口導葉與后支撐之間、動葉之后、動葉葉頂及動葉頂部的PIV測孔。
【文檔編號】G01M15/14GK103969053SQ201410130064
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】徐志明, 顧春偉, 周一飛, 葉鐘, 黃慶春 申請人:杭州汽輪動力集團有限公司, 杭州汽輪機械設備有限公司