CN103835984A - 可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，属叶轮机械技术领域。包括旋转盘、若干根扰流棒、平衡装置和电机，所述旋转盘的内圈为与驱动电机连接的凸台，所述平衡装置安装在旋转盘的中圈，所述旋转盘的外圈设有若干个螺纹孔，所述若干根扰流棒以可拆卸方式安装在螺纹孔上。本发明在扰流棒与旋转盘之间采用可拆卸连接结构，从而可以产生不同周向范围、不同扰动团个数的高阶旋转畸变，能适应各类实验需求；通过在旋转盘上设置可拆卸的配重装置来调节畸变发生器的静平衡，使本发明的畸变发生器可以在较高的转速下工作。

Description

可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器

技术领域

本发明涉及一种扰流棒式高阶旋转畸变发生器，具体讲是一种可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，属叶轮机械技术领域。

背景技术

进气畸变是诱发压气机流动失稳的关键因素之一，其极大地限制了航空发动机压气机的性能和稳定工作范围。现代的航空燃气涡轮发动机广泛采用双轴或多轴的结构，这种结构的航空发动机存在高、低压压气机之间的相互影响问题，尤其是对各自的失速边界或稳定裕度的影响。在多轴结构的航空燃气涡轮发动机中，当上游压气机发生旋转失速时，周向传播的失速团会随主流向下游传播，从而使得下游压气机工作在一种特殊的进口流场下，称之为旋转进气畸变。

目前，国内外研究旋转进气畸变对压气机稳定性影响的主要技术手段之一就是进行旋转进气畸变试验，而试验的关键在于模拟压气机进口的旋转进气畸变，因为实验中不可能在压气机进口放置一台真实旋转失速的压气机来产生旋转失速。为了研究旋转进气畸变对压气机稳定性的影响则需要改变进气畸变的转速、强度、周向范围、扰动团数等，以模拟上游压气机真实的失速团结构。

现阶段常用的旋转进气畸变模拟装置有两种：（1）、旋转畸变网。由支架、托网、基网和贴网组成，其中贴网有不同的规格和形状，可以做到改变畸变强度和畸变区范围。由于存在支架等干扰因素，畸变网旋转后产生的压力波形比较杂乱，不同转速下不能维持相同的波形，实验时就不能排除波形的影响。这种结构最大的缺点是强度较差，转速不能过高，一旦畸变网旋转时发生解体，吸入压气机实验件后就会造成重大事故。因此，旋转畸变网只能在低转速条件下使用，大大限制了其在实验中的应用。（2）、扰流棒式模拟器。2001年，Thomas Peters，Thomas Burgener和Leonhard Fottner在ASME TURBO EXPO 2001上发表论文“EFFECTS OF ROTATING INLET DISTORTION ON A 5-STAGE HP-COMPRESSOR”，设计了一种扰流棒式旋转畸变模拟器。它由旋转盘以及固定其上的扰流棒组成，扰流棒覆盖周向120度的范围，且每根扰流棒的横剖面为边长5mm的正方形。此种旋转畸变模拟器能够在高转速下工作，但由于扰流棒和旋转盘之间采用了一体式构造，不可拆卸，因此只能模拟一定强度、周向范围的单团的旋转畸变，此外方形的横剖面还会扰乱产生的畸变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能模拟不同周向范围、不同强度、不同扰动团个数的旋转进气畸变的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，包括旋转盘、若干根扰流棒、平衡装置和电机，所述旋转盘的内圈为与驱动电机连接的凸台，所述平衡装置安装在旋转盘的中圈上，所述旋转盘的外圈设有若干个螺纹孔，所述若干根扰流棒以可拆卸方式安装在螺纹孔上。

本发明的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器中，所述扰流棒包括工作段和连接段，所述连接段上设有用于连接螺纹孔的螺纹和定位的凸台。

本发明的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器中，所述扰流棒的工作段横剖面为圆形。

本发明的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器中，所述平衡装置包括平衡滑块和配重块，所述平衡滑块安装在旋转盘中圈沿周向分布的滑轨内，所述配重块安装在位于滑轨外侧和旋转盘的外圈之间的配重螺纹孔上。

本发明的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器中，所述平衡滑块包括第一滑块和第二滑块，第二滑块置于滑轨内，第一滑块套接固定在第二滑块上。

本发明的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器中，所述旋转盘的内圈与中圈之间设有若干个减重孔。

本发明的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器中，还包括以可拆卸方式安装在旋转盘外圈螺纹孔上的堵头。

本发明的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器中，所述堵头与扰流棒的连接段结构相同。

本发明的有益效果在于：（1）、本发明畸变发生器在扰流棒与旋转盘之间采用可拆卸连接结构，从而可以产生不同周向范围、不同扰动团个数的高阶旋转畸变，能适应各类实验需求；（2）、通过改变扰流棒的粗细，可以控制旋转进气畸变的强度；（3）、通过在旋转盘上设置可拆卸的配重装置来调节畸变发生器的静平衡，使本发明的畸变发生器可以在较高的转速下工作。

附图说明

图1为本发明中扰流棒结构示意图,图中(a)为俯视图、(b)为主视图；

 图2为本发明中旋转盘结构示意图，图中(a)为剖视图、(b)为主视图、1-凸台、2-螺纹孔、3-滑轨、4-配重螺纹孔、5-减重孔；

图3为本发明中堵头示意图，图中(a)为主视图、(b)为俯视图；

图4为本发明中配重块示意图，图中(a)为主视图、(b)为俯视图、(c)为左视图；

图5为本发明中第一滑块示意图，图中(a)为主视图、(b)为俯视图、(c)为左视图；

图6为本发明中第二滑块示意图，图中(a)为主视图、(b)为俯视图、(c)为左视图；

图7为本发明中畸变扇区改变示意图；

图8为本发明中畸变扰动团个数改变示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步介绍。

本发明可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器由旋转盘、若干根扰流棒、堵头、平衡滑块、配重块以及驱动电机组成。

如图1所示，扰流棒分成两段，图1（b）中左半段为工作段，气流流过后产生低压区，图1（b）中右半段为连接段，包括用于连接的螺纹孔和定位的凸台。扰流棒的工作段横剖面为圆形，其直径为8mm，改变工作段的直径即可改变旋转进气畸变的强度。

如图2(a)、图2(b)所示，旋转盘用于带动扰流棒的旋转。设计旋转盘时，旋转盘的直径根据压气机进气管道内径确定，旋转盘的厚度根据强度要求来确定。旋转盘包括内圈、中圈、外圈，其中内圈是用于与电机轴连接的凸台1，凸台1内有键槽以及用于轴向固定的螺孔。旋转盘的中圈设有沿周向分布的滑轨3，滑轨3水平位置处对称设置两个豁口，用于放置平衡滑块，平衡滑块可沿滑轨3自由滑动并固定，以实现对旋转盘静平衡的微调；滑轨3的外侧与旋转盘的外圈之间设有多对配重螺纹孔4，用于连接固定配重块，以实现对旋转盘静平衡的粗调。平衡滑块和配重块的数量、具体位置可以根据实际平衡需要进行调整。旋转盘的外圈上开有若干个螺纹孔2，用于连接扰流棒，为了保证旋转盘的强度螺纹孔2间应保持一定的距离。为减轻旋转盘重量，旋转盘的内圈与中圈之间（即旋转盘心处）开有多个减重孔5，减重孔其数量也可以根据实际需要增减。本实施例中旋转盘外圈的上半圈均布49个螺纹孔2，下半圈均布3个螺纹孔2；配重螺纹孔4为4对，均匀分布在旋转盘的下半圈；减重孔5为4个。

当旋转盘外圈周向的螺纹孔2未安装扰流棒时，为防止气流从螺纹孔2中泄漏需要通过堵头将螺纹孔2堵上。如图3(a)、图3(b)所示所示，堵头和扰流棒的连接段结构相同，使用时将堵头插入旋转盘外圈的螺纹孔2后拧紧螺母固定，其上端刚好填平螺纹孔2上用于定位的沉头孔。

如图4 (a)、图4(b) 、图4(c)所示所示，配重块用于粗调静平衡，其上下两条圆弧卡在旋转盘中圈上滑轨与旋转盘外圈之间，使用两个M6的螺钉螺母固定在配重螺纹孔上。本发明畸变发生器中的平衡滑块用于静平衡的微调，共有上下两块，包括第一滑块，如图5(a)、图5(b) 、图5(c)所示，和第二滑块，如图6(a)、图6(b) 、图6(c)所示。第二滑块沉在旋转盘中圈的滑轨内，将第一滑块套在第二滑块上并用螺母拧紧即可固定。本例中的畸变发生器设计的最高转速1500r/min，转速较低，且弹性变形可忽略，平衡问题属于刚性转子的平衡，可利用力系平衡理论解决。转子径向尺寸D=540mm，轴向尺寸b=30mm，径宽比D/b=18，对于径宽比D/b≥5的刚性转子，因其轴向尺寸较小，可近似地认为其质量分布于同一回转平面内，只要实现静平衡即可。

如图7所示，图中三种结构从左至右分别可用于产生180°、90°和30°周向范围的畸变。以180°的情况为例：当气流以一定速度的流过扰流棒，会在其后产生一个低压区；因为扰流棒分布很密集，49根扰流棒产生的49个低压区会相互掺混，最终形成一个覆盖周向180°范围的低压区，即180°周向畸变。90°和30°的情况与此类似。采用这种方法，该畸变发生器可以模拟0°~180°（调节精度为3.75°）周向范围的单团畸变，在其下游压气机进口产生相应的方波型总压分布。

如图8所示，图中四种结构从左至右分别为用于产生单团、双团、四团和八团的高阶旋转畸变。由于扰流棒分布稀疏、间隔很大，气流流经各个扰流棒产生低压区不能充分掺混，导致在下游压气机进口产生多个低压区，即高阶旋转畸变。

本发明产生的进气畸变属于周向进气畸变。其可用于产生不同周向范围的单团畸变，表现为进口参数呈方波型分布，该分布沿周向的傅里叶展开为周向坐标的各阶傅里叶级数之和；还可用于产生具有多个扰动团个数的周向畸变，进口参数沿周向的傅里叶展开主要包含周向坐标的高阶项，即高阶旋转畸变。本发明的可拆卸扰流棒式旋转畸变发生器，可直接用于旋转进气畸变试验中，所涉及的压气机为轴流式压气机；其扰流棒与旋转盘通过螺纹实现可拆卸连接，气流流过扰流棒会产生低压区。电机带动旋转盘产生方波形式的压力波形，通过拆装扰流棒可方便地改变旋转进气畸变的周向范围和扰动团个数，改变扰流棒的粗细即可改变旋转进气畸变的强度，改变电机的转速和转向即可改变进气畸变的转速和转向，实现了在压气机进口模拟各类旋转进气畸变的要求。旋转盘通过配重块和平衡滑块来调节畸变发生器的静平衡，使本畸变发生器可以在较高的转速下工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，包括旋转盘、若干根扰流棒、平衡装置和驱动电机，所述旋转盘的内圈为与驱动电机连接的凸台，所述平衡装置安装在旋转盘的中圈上，其特征在于：所述旋转盘的外圈设有若干个螺纹孔，所述若干根扰流棒以可拆卸方式安装在螺纹孔上。

2.根据权利要求1所述的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，其特征在于：所述扰流棒包括工作段和连接段，所述连接段上设有用于连接螺纹孔的螺纹和定位的凸台。

3.根据权利要求2所述的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，其特征在于：所述扰流棒的工作段横剖面为圆形。

4.根据权利要求1至3任一项所述的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，其特征在于：所述平衡装置包括平衡滑块和配重块，所述平衡滑块安装在旋转盘中圈沿周向分布的滑轨内，所述配重块安装在位于滑轨外侧和旋转盘的外圈之间的配重螺纹孔上。

5.根据权利要求4所述的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，其特征在于：所述平衡滑块包括第一滑块和第二滑块，第二滑块置于滑轨内，第一滑块套接固定在第二滑块上。

6.根据权利要求1至3任一项所述的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，其特征在于：所述旋转盘的内圈与中圈之间设有若干个减重孔。

7.根据权利要求1至3任一项所述的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，其特征在于：还包括以可拆卸方式安装在旋转盘外圈螺纹孔上的堵头。

8.根据权利要求7所述的可拆卸扰流棒式高阶旋转畸变发生器，其特征在于：所述堵头与扰流棒的连接段结构相同。

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