1.5级跨音速轴流压气机试验装置制造方法
【专利摘要】本发明所设计的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，包括压气机、高速膜盘联轴器、齿轮箱、低速端联轴器、电机和公共底盘，所述的电机通过低速端联轴器与齿轮箱传动连接，齿轮箱再通过高速膜盘联轴器与压气机传动连接，所述的压气机由按空气的流向依次设有进气道、转子、通流部分、出气道，所述的出气道是设有可开闭的圆孔，在转子设有润滑系统，且转子通过轴承系统支撑。压气机工作时，空气从进气道进入通流部分，再通过出气道排入大气；高速膜盘联轴器具有良好的补偿能力，以满足轴系的要求。转子由轴承系统支撑并由润滑系统润滑冷却；为了得到跨音速流动过程中的试验样机参数，测量系统合理布置。
【专利说明】1 5级跨音速轴流压气机试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高转速的跨音速轴流压气机的试验机，特别是1.5级跨音速轴流压气机试验装置。
【背景技术】
[0002]压气机是燃机的重要组成部件之一，对燃机的性能具有重要的影响。压气机的跨音级设计主要用于民航发动机的第一级或者用于军用发动机的前几级。压气机跨音级的滞止压比一般在1.2 — 2.2左右，其中民用接近1.2，军用接近2.2。而压气机跨音级的设计水平又很大程度地影响了压气机的性能，所以研究压气机跨音速级，无论对于设计新一代压气机，还是改进现有压气机都是非常必要的。
[0003]现今，国内为了对引进的F级燃机进行消化吸收，需要通过实验来提供跨音压气机流场的详细数据，而国内在此之前还没有这方面的试验台。
[0004]为了突破先进压气机核心技术的壁垒，在国家973项目的支持下建立该1.5级跨音速压气机试验台，对压气机跨音级性能及内部流场进行深入研究，为F级燃机的消化吸收提供详细的实验数据。
[0005]现有压气机试验台主要用于低马赫数，低转速的民用压气机的内部流场的观测。对于高马赫数、高转速的跨音速压气机试验装置，不论从结构、强度、材料、气动、振动及转子动力学等方面都比一般的低马赫数、低转速方案有更高的要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种为填补对高转速轴流压气机跨音速级的试验研究空白，可以很好的解决对压气机跨音级性能及内部流场进行深入研究，为F级燃机的消化吸收提供详细的实验数据的1.5级跨音速轴流压气机试验装置。
[0007]为了达到上述目的，本发明所设计的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，包括压气机、高速膜盘联轴器、齿轮箱、低速端联轴器、电机和公共底盘，其特征是所述的电机通过低速端联轴器与齿轮箱传动连接，齿轮箱再通过高速膜盘联轴器与压气机传动连接，所述的压气机由按空气的流向依次设有进气道、转子、通流部分、出气道，所述的出气道是设有可开闭的圆孔，在转子设有润滑系统，且转子通过轴承系统支撑。压气机工作时，空气从进气道进入通流部分，再通过出气道排入大气；高速膜盘联轴器具有良好的补偿能力，以满足轴系的要求。转子由轴承系统支撑并由润滑系统润滑冷却；为了得到跨音速流动过程中的试验样机参数，测量系统合理布置；电机将电能转化为机械能通过轴系由动叶传递给空气，并进而转换成空气的压力能以满足不同的需要。
[0008]通流部分按空气的流向依次包括进口导叶、动叶和静叶，且前后通过两组支撑筋支撑，所述的转子与动叶传动连接，所述的动叶为燕尾型叶根。所述的支撑筋为一组八片，并且为NACA叶型结构。
[0009]所述的润滑系统与齿轮箱共用一套油路系统。[0010]所述的密封系统由多重齿式密封环组成，多重齿式密封环主要包括油封环、气封环一和气封环二。
[0011]所述转子的进气侧开有动平衡的配重螺孔。
[0012]所述的轴承系统由两个支撑轴承和一个推力轴承组成，其中支持轴承采用大刚度、大阻尼轴承。
[0013]所述的测量系统包括静压、总压、温度、以及动叶叶顶压力分布和动叶叶顶PIV测量装置，其中所述的测孔设置在以下位置:前支撑前、后支撑后、前支撑与进口导叶之间、静叶与出口导叶之间、出口导叶与后支撑之间、动叶之后、动叶叶顶及动叶顶部的Piv测孔。测量孔暂不使用时采用测孔堵头进行封闭。
[0014]本发明提供的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其有益效果是:压气机单级压比达1.3意味着叶片气流流动速度大大加快,叶顶气流速度达到音速以上,马赫数在1.2左右。而叶片根部的气流在亚音速区，这使得轴流压气机的通流设计和结构设计制造难度大大增加。动叶采用的燕尾型叶根，材料采用10705BY以满足气动和强度的要求。因为激波的存在，使得气流对结构的敏感性提高，在一定的动叶叶顶线速度下该样机转子使用了高转速方案，所以样机的结构相对非常紧凑。
[0015]上述的轴承系统、润滑系统及膜盘联轴器的有效设计同样使得该机在跨音速运行中保持稳定。
[0016]圆孔用作防止压气机喘振，喘振发生时迅速打开圆孔，接通大气以增加压气机流量。
[0017]测量系统中的级前后及中间的总压、总温、静压、叶片表面表面载荷、动叶叶顶压力分布和动叶叶顶Piv测孔的布置。结合CFD的数值模拟能相互校核试验压气机的测量数据。以更准确的测量出跨音速级的整体性能和内部流场流动情况。
[0018]从工厂试车及现场运行的情况看，该发明的各项设计能满足测量跨音速压气机各项指标的要求。
[0019]本发明提供的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，单级压比达到1.3，较之日前常规使用的单级轴流压气机(在1.15左右)提高很大。提高单级轴流压气机的压比和整机压比有非常重要的意义，一直是工业领域追求的目标。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明压气机通流部分子午流道图；
[0021]图2是本发明压气机试验机组主要结构布置图(不含变频器)；
[0022]图3是图2中的压气机的结构剖视图；
[0023]图4是压气机动叶俯视图；
[0024]图5是数值模拟出的压气机动叶顶部激波25 ；
[0025]图6是压气机叶栅中间截面的展开图；
[0026]图7是压气机密封封系统不意图；
[0027]图8是压气机测量系统堵头结构图；
[0028]图9是支撑轴承剖面图；
[0029]图10是推力轴承剖面图。[0030]其中:压气机1、高速膜盘联轴器2、齿轮箱3、低速端联轴器4、电机5、公共底盘6、进气道7、测量系统8、进口导叶9、动叶10、静叶11、支撑筋12、出气道13、润滑系统14、轴承系统15、支撑轴承15-1、推力轴承15-2、密封系统17、转子18、圆孔19、油封环20、气封环
一21、气封环二 22、堵头23、测量探头套管24、激波25。
[0031]所有图中，A方向均表不气流流动方向，B方向均表不叶轮旋转方向。
【具体实施方式】
[0032]下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
[0033]实施例1:
[0034]本实施例描述的如图1-8所示，本实施例提供的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，主要包括压气机1、高速膜盘联轴器2、齿轮箱3、低速端联轴器4、电机5、公共底盘6，电机5通过低速端联轴器4带动齿轮箱3旋转；齿轮箱3增速后通过高速膜盘联轴器2带动压气机I。
[0035]其中压气机I是最为复杂最为核心的部件，压气机I主要包括通流部分、进气道7、出气道13、转子18、润滑系统14、轴承系统15、密封系统17及测量系统8，压气机I工作时，空气从进气道7进入通流部分，再通过出气道13排入大气；转子18由轴承系统15支撑并由润滑系统14润滑冷却；为了得到跨音速流动过程中的试验样机参数，测量系统8的合理布置和实施很重要；所述通流部分主要包括进口导叶9，动叶10和静叶11，进口导叶9，动叶10和静叶11是压气机I的核心部件；电机5将电能转化为机械能通过轴系由动叶10传递给空气，并进而转换成空气的压力能以满足不同的需要。
[0036]空气通过压气机进气道7进入压气机1，在进入压气机前设置了过滤网以防止杂质进入破坏压气机I相关的叶片。空气在进气道7中聚集并改变流向，经前支撑筋分流后进入进口导叶9进一步改变方向以满足动叶10对气流的预旋要求，动叶10在轴系的带动下将电机5的电能转换为机械能传递给空气。在动叶10处，空气被带动加速。在额定工作状态，由于结构和转速的原因，动叶10的叶顶部分的空气随动叶10超过音速，叶根部位空气仍然处于亚音速区。空气的动能一部分在静叶11中得到回收转变为压力能。通过出口导叶和后支撑筋进入扩压器进一步提升空气压力，回收动能。出气道13为空气在压气机I中的最终出口，空气在此进入管网或者排向大气。出气道13上的圆孔19在正常运行情况下为关闭状态。当空气流量减小压气机I出现喘振的时候迅速开启圆孔19以防止对压气机I产生破坏性影响。
[0037]所述的通流部分由前后两组支撑筋12支撑，支撑筋一组八片，有NACA叶型加工而成，以满足气动和强度需要。
[0038]所述的润滑系统14于齿轮箱3润滑系统共用一套油系统。
[0039]所述转子18的进气侧开有动平衡的配重螺孔。
[0040]所述的轴承系统15由两个支持轴承和一个推力轴承组成，其中支持轴承采用大刚度、大阻尼设计。
[0041]为了测量不同工况下的压气机I性能并描绘出压气机的性能曲线，轴系的转速需要可以调整。因此，在电机侧配置了变频器以便平顺的开启压气机I并在不同电机转速0-3000rpm间调整以得到不同的工况。与此同时，进口导叶9的角度也需要调整以满足流动需要。
[0042]为了避免空气在动静结合部的泄漏，所述的密封系统17由多重齿式密封环组成，也就是在适当的地方采用了油封环20、气封环一 21和气封环二 22的密封系统17。这种措施可以尽可能减少空气的泄漏，尽管空气的泄漏对机组不会产生重大的影响及对人员产生安全隐患。在轴承润滑系统14中设置了油封环20。由于轴系的高转速，最高可达24840rpm，设置了大刚度、大阻尼的轴承系统15以满足转子动力学的要求。同时轴承的润滑也需要非常高效以防止轴承温度过高破坏轴瓦。
[0043]为了有效的测量试验压气机的性能，测量系统8的设置也是一个关键因素。该压气机I分别在以下位置设置了测量孔:前支撑前、后支撑后、前支撑与进口导叶9之前、静叶11与出口导叶之间、出口导叶与后支撑之间、动叶10之后、动叶10叶顶及动叶10顶部的PIV测口。这些测孔要求很高，最小的孔径达0.5毫米。不论对压气机I结构和加工的设备的要求都是挑战。这些测孔对于研究该压气机I的整体性能和详细的内部流动是不可或缺的。另外需要指出的是，该测量系统8的测孔在某些时候是不需要全部用到的，比如试车或者探测探头损坏的情况。本发明中对每一个测孔均配备了不同规格的堵头23以满足上述需求。
[0044]本实施例提供的如图1所示，该跨音速轴流压气机试验样机，单级压比达到1.3，较之日前常规使用的单级轴流压气机(在1.15左右)提高很大。提高单级轴流压气机的压比和整机压比有非常重要的意义，一直是工业领域追求的目标。
【权利要求】
1.一种1.5级跨音速轴流压气机试验装置，包括压气机、高速膜盘联轴器、齿轮箱、低速端联轴器、电机和公共底盘，其特征是所述的电机通过低速端联轴器与齿轮箱传动连接，齿轮箱再通过高速膜盘联轴器与压气机传动连接，所述的压气机由按空气的流向依次设有进气道、转子、通流部分、出气道，所述的出气道是设有可开闭的圆孔，在转子设有润滑系统，且转子通过轴承系统支撑。
2.根据权利要求1所述的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其特征是通流部分按空气的流向依次包括进口导叶、动叶和静叶，且前后通过两组支撑筋支撑，所述的转子与动叶传动连接，所述的动叶为燕尾型叶根。
3.根据权利要求2所述的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其特征是所述的支撑筋为一组八片，并且为NACA叶型结构。
4.根据权利要求1所述的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其特征是所述的润滑系统与齿轮箱共用一套油路系统。
5.根据权利要求1所述的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其特征是其特征是所述的密封系统由多重齿式密封环组成，多重齿式密封环主要包括油封环、气封环一和气封环二。
6.根据权利要求1所述的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其特征是所述转子的进气侧开有动平衡的配重螺孔。
7.根据权利要求1所述的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其特征是所述的轴承系统由两个支撑轴承和一个推力轴承组成，其中支持轴承采用大刚度、大阻尼轴承。
8.根据权利要求2所述的1.5级跨音速轴流压气机试验装置，其特征是所述的测量系统包括静压、总压、温度、以及动叶叶顶压力分布和动叶叶顶PIV测量装置，其中所述的测孔设置在以下位置:前支撑前、后支撑后、前支撑与进口导叶之间、静叶与出口导叶之间、出口导叶与后支撑之间、动叶之后、动叶叶顶及动叶顶部的PIV测孔。
【文档编号】G01M15/14GK103969053SQ201410130064
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】徐志明, 顾春伟, 周一飞, 叶钟, 黄庆春 申请人:杭州汽轮动力集团有限公司, 杭州汽轮机械设备有限公司