CN104500452A - 一种具有正n棱柱侧面出口的无叶扩压段结构及加工方法 - Google Patents

一种具有正n棱柱侧面出口的无叶扩压段结构及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构及其加工方法，属于中小型航空发动机压气机技术领域，其关键在于通过在钻孔结束的管式扩压器进口采用去除由扩压器前缘点所构成的正N棱柱区域内材料的方式加工无叶扩压段，或铣完叶片的混合式扩压器进口采用去除由扩压器盖侧前缘点所构成的正N边形沿着旋转轴拉伸到盘侧所构成的正N棱柱区域内材料的方式加工无叶扩压段，完成无叶扩压段与管式扩压器或混合式扩压器前缘的光滑转接。该发明可直接用于应用管式扩压器或混合式扩压器的中小型航空发动机高压比离心压气机，能够在不增加压气机扩压器加工制造成本的前提下提高离心压气机的效率和稳定工作裕度。

Description

一种具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构及加工方法
技术领域
本发明阐述了一种具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构及加工方法，能够在不增加扩压器加工难度和制造成本的前提下实现管式扩压器或混合式扩压器复杂前缘形状与无叶扩压段的光滑连接，减小无叶扩压段与管式扩压器或混合式扩压器前缘连接处的损失，提高管式扩压器和混合式扩压器的性能，进而提高离心压气机的效率和稳定工作裕度，特别适用于采用管式扩压器或混合式扩压器的中小型航空发动机高压比离心压气机。
背景技术
离心压气机由于具有单级压比高、工作范围宽、结构简单、可靠性高等优点在小型燃气轮机及中小型航空发动机中得到了广泛的应用。然而随着离心压气机压比的不断提高，离心叶轮出口马赫数也不断增加，出口气流变得更加不均匀，使得扩压器的工作条件恶化，增加了扩压器内的损失，同时造成离心叶轮与扩压器之间的匹配困难，大大降低了离心压气机的性能。
管式扩压器是由沿周向均布的一系列扩压管道构成，相邻的两个通道在进口部分相贯，在进口轮盘和轮盖侧形成大前掠的燕尾型前缘，相比于传统的叶片式扩压器，管式扩压器这种特殊的前缘结构对于高马赫数的气流适应性较好，能够有效提高高压比离心压气机的效率和稳定工作裕度，十分适合高压比离心压气机。但是管式扩压器加工上有一定的难度，加工精度较难保证。
混合式扩压器较好的解决了管式扩压器加工问题，采用类似于D形的通道截面，只在轮盖处形成大前掠的前缘来适应叶轮出口由于叶顶间隙泄漏流产生的不均匀流动。这样混合式扩压器就能够采用与普通楔形扩压器相同的方法完成加工。
然而不论是管式扩压器还是混合式扩压器，其相贯形成的前缘与无叶扩压段相接时都会产生不连续现象。以管式扩压器为例，如图1所示，加工时先在圆环材料上按照特定的中心线5经过钻孔完成扩压器加工。这样在圆环材料的内圆柱面3上就会出现由于圆柱相贯而形成的起伏12。当叶轮1出口2处的超声速流体进入无叶扩压段10到达扩压器内环面3处时由于起伏12的存在会产生强烈的激波，造成总压损失，激波与附面层相互干涉容易造成流动分离进一步增大损失，同时不利于气流在扩压通道6中的扩压。当起伏12较小时一般不对其进行处理，而当起伏较大时，通过机加将钻孔终止点11与圆环材料内圆柱面3之间的起伏除去，与叶轮出口接平，这样无叶扩压段的出口为圆柱面。虽然这种处理方式可以大大减小无叶扩压段内的起伏，但是在无叶扩压段出口与燕尾型前缘相接处仍然会出现台阶13，它的存在也会在高速来流下产生激波，没有从根本上解决无叶扩压段与燕尾型前缘的转接问题。混合式扩压器在盖侧也有类似问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单的无叶扩压段结构使其能够在不破坏管式扩压器或混合式扩压器前缘结构的前提下，与管式扩压器或混合式扩压器的前缘光滑转接，减小由于二者转接不光滑产生的流动损失。
对于管式扩压器，加工时先按照扩压通道中心线经过两次钻孔形成扩压器前缘喉部、扩压通道及叶片。其中钻孔的最深处为扩压器前缘点，即管式扩压器的钻孔终止点。此时在圆环材料的内圆柱面上就会出现由于圆柱相贯而形成的起伏。将扩压器通道轮盘侧的钻孔终止点与相邻通道的钻孔终止点用直线相连，则这些直线在扩压器通道50％叶高截面上的投影会与相应的扩压通道的中心线部分重合，所有直线在轮盘平面上组成一个正N边形，其中N为管式扩压器的扩压通道数目。同样将扩压器轮盖侧的钻孔终止点用直线相连，这些直线在扩压器通道50％叶高平面上的投影也会与相应的通道中心线部分重合，在轮盖平面上形成一个正N边形。以这两个正N边形为底面组成一个正N棱柱。通过机加将管式扩压器环形材料与该正N棱柱相交的材料去除形成无叶扩压段的出口，此时无叶扩压段的出口为正N棱柱的侧面。
由于轮盘面和轮盖面均平行于扩压器通道50％叶高截面，且相邻通道钻孔终止点的连线在扩压器通道50％叶高截面上的投影与相应的通道中心线重合，所以在无叶扩压段出口处轮盘面与轮盖面均与管式扩压器前部圆柱面相切。这样就完成了无叶扩压段与管式扩压器前缘的光滑转接。
对于混合式扩压器，首先按照设计好的叶型及前缘结构在铣床上将扩压器前缘、喉部、扩压通道及叶片铣出。将轮盖侧各个通道的前缘点与相邻通道的前缘点用直线相连形成正N边形。将该正N边形沿着与叶轮旋转轴线平行的方向拉伸直到轮盘面形成无叶扩压段的正N边形柱面侧面出口。将正N棱柱与扩压器轮盖处相交的材料去除，同样轮盖面上的正N边形与混合式扩压器前缘相贯管道圆柱面相切，完成无叶扩压段与轮盖侧圆柱面的光滑转接。
所述无叶扩压段结构适用于在满足能够形成相贯前缘的前提下通道数目为10到41的任意整数的管式扩压器和混合式扩压器，且在通道截面形状不变的条件下，通道数目越少，通过使用所述结构完成其与扩压器前缘光滑转接所能起到的减小气流损失的作用就越强。
进一步地，所述无叶扩压段结构适用于包括圆形、椭圆形以及类椭圆形在内的具有任意通道截面形状的管式扩压器和包括D形和U形在内的具有任意截面形状的混合式扩压器，且在通道数目确定的条件下相贯形成大前掠前缘的两曲面的曲率半径越大，通过使用所述结构完成其与扩压器前缘光滑转接所能起到的减小气流损失的作用就越强。
跟传统的无叶扩压段与管式扩压器或混合式扩压器前缘转接的方式相比，所述的具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构能够在不破坏扩压器前缘的前提下完成与扩压前缘和内部通道的光滑转接，避免了在超声速来流条件下流体流过由于无叶扩压段与扩压器前缘转接形成的起伏或台阶而产生的激波及流动分离损失，改善了扩压器的进口条件，进一步减小了扩压器内部的损失，能有效提高高压比离心压气机的性能。
附图说明
图1为环形材料钻孔结束后沿50％通道高度的剖视图。
图2为环形材料钻孔结束后沿径向剖开，显示扩压器前缘和无叶扩压段的局部视图。
图3为环形材料钻孔结束并按照传统方法处理无叶扩压段后沿50％通道高度的剖视图。
图4为环形材料钻孔结束并按照传统方法处理无叶扩压段后沿径向剖开，显示扩压器前缘和无叶扩压段的局部视图。
图5为环形材料钻孔结束并按照本发明所述方法处理无叶扩压段后沿50％通道高度的剖视图。
图6为环形材料钻孔结束并按照本发明所述方法处理无叶扩压段后沿径向剖开，显示扩压器前缘和无叶扩压段的局部视图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
以截面形状为圆形的管式扩压器为例，如图1所示，按照设计好的钻孔方向，选用与设计扩压器喉部具有相同直径的钻头在环形铝材或钢材上沿中心线5钻确定数目的孔，精确控制每一个孔的钻孔结束点11，即扩压器前缘点。
取与扩压器设计扩张角相同的钻头沿轴线5钻孔，当喉部9的长度达到设计值时结束钻孔，完成扩压通道6的加工。此时获得的扩压器前缘与无叶扩压段如图2所示，在环形材料内环面3处每一个通道进口处盘侧和盖侧均有起伏12。
将所有通道在盘侧和盖侧的钻孔终止点11与相邻通道的钻孔终止点相连，同时在盘侧和盖侧形成如图5虚线14处所示的正N边形，盘侧和盖侧的两个正N边形形成一个正N棱柱，采用机加方式将这个正N棱柱与环形材料相交的材料去除形成如图6所示的扩压器前缘与无叶扩压段结构。
由于盘侧与盖侧的虚线14形成的平面通过通道的中心线5，且无叶扩压段盘侧平面与盖侧平面与扩压器通道50％叶高截面平行，所以在虚线14处，无论在盘侧还是盖侧无叶扩压段均与管式扩压器圆柱形通道面相切，即无叶扩压段与管式扩压器前缘完成了光滑转接。
按照类似的加工方式，对于混合式扩压器，首先按照设计好的叶型及前缘结构在铣床上将扩压器前缘8、喉部9、扩压通道6及叶片7铣出。将轮盖侧各个通道的前缘点11与相邻通道的前缘点用直线相连形成正N边形。将该正N边形沿着与叶轮旋转轴线平行的方向拉伸直到轮盘面形成无叶扩压段的正N边形柱面侧面出口。将正N棱柱与扩压器轮盖处相交的材料去除，同样轮盖面上的正N边形与混合式扩压器前缘相贯管道圆柱面相切，完成无叶扩压段与轮盖侧圆柱面的光滑转接。
此外，需要说明的是，本说明书中描述的具体实例，对于能够形成相贯前缘的前提下具有任意通道数目的管式扩压器和混合式扩压器以及具有包括圆形、椭圆形以及类椭圆形在内的具有任意通道截面形状的管式扩压器和包括D形和U在内的具有任意截面形状的混合式扩压器均适用，且其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构，应用于管式扩压器或混合式扩压器，其特征是：对于管式扩压器，在环形本体钻孔加工结束后，通过将管式扩压器通道盘侧及盖侧钻孔终止点与相邻通道钻孔终止点相连形成两个正N边形，进一步由所述两个正N边形形成一个正N棱柱，通过机加方式将正N棱柱与管式扩压器钻孔后的环形本体相交的材料去除，加工出无叶扩压段；对于混合式扩压器，在叶片加工完成之后，将盖侧扩压器通道的前缘点与相邻通道的前缘点相连，形成正N边形，将正N边形沿着与叶轮旋转轴线相同的方向拉伸至盘侧形成正N棱柱，通过机加方式将正N棱柱与铣完叶片的混合式扩压器相交的部分材料去除，加工出无叶扩压段。
2.根据权利要求1所述的具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构，其特征是：所述无叶扩压段与管式扩压器或混合式扩压器通道在进口相切，保证无叶扩压段与管式扩压器或混合式扩压器前缘的光滑转接。
3.根据权利要求1所述的具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构，其特征是：所述无叶扩压段的出口为正N棱柱侧面，所述正N棱柱由管式扩压器各通道盘侧与盖侧前缘点组成或者由混合式扩压器各通道盖侧前缘点形成的正N边形沿旋转轴线拉伸至盘侧形成。
4.根据权利要求1至3所述的具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构，其特征是：所述正N棱柱的棱数N与扩压器通道数相同。
5.根据权利要求1至4所述的具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构，其特征是：在能够形成相贯前缘的前提下扩压器通道数目为整数值，且所述扩压器通道数目为10到41。
6.根据权利要求1至5所述的具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构，其特征是：与所述无叶扩压段相接的管式扩压器截面形状为包括圆形、椭圆形以及类椭圆形在内的能够通过相贯在盘侧和盖侧形成大前掠前缘的任意通道截面形状。
7.根据权利要求1至5所述的具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构，其特征是：与所述无叶扩压段相接的混合式扩压器截面形状为包括D形和U形在内的能够通过相贯在盖侧形成大前掠前缘的任意通道截面形状。
8.一种具有正N棱柱侧面出口的无叶扩压段结构的加工方法，应用于管式扩压器或混合式扩压器，其特征是：对于管式扩压器，在环形本体钻孔加工结束后，通过将管式扩压器通道盘侧及盖侧钻孔终止点与相邻通道钻孔终止点相连形成两个正N边形，进一步由所述两个正边形形成一个正N棱柱，通过机加方式将正N棱柱与管式扩压器钻孔后的环形本体相交的材料去除，加工出无叶扩压段；对于混合式扩压器，在叶片加工完成之后，将盖侧扩压器通道的前缘点与相邻通道的前缘点相连，形成正N边形，将正N边形沿着与叶轮旋转轴线相同的方向拉伸至盘侧形成正N棱柱，通过机加方式将正N棱柱与铣完叶片的混合式扩压器相交的部分材料去除，加工出无叶扩压段。
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