CN106205346B - 具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种航空教学设备技术领域的具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法，包括以下步骤：1)对原型机机匣和转子外环进行改装：磨削设置于原型机机匣内的转子外环内侧表面的石墨，并将转子外环分割成上下插接的分半结构；在原型机机匣上开设观察窗，得到改装机匣；2)选取原型机的第一级转子叶片进行榫头结构的改进；3)在转子上设置平衡螺钉以调节转子的总不平衡量，最后重新装配并确定电机带转所需功率和第一级转子叶片攻角，实现改装。本发明通过对退役设备进行改造，能够演示压气机气动、振动，以及转静子刮磨故障，降低了教学演示成本，提高了教学效果。

Description

具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种航空教学设备领域的技术，具体是一种用于教学演示具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法。

背景技术

压气机是航空发动机的主要组成部分，随着航空技术的逐步发展，压气机的结构有了重大的变化，离心式压气机已无法满足航空航天的需求，轴流式压气机则得到了广泛的研究应用。轴流式压气机与离心式压气机相比结构复杂、制造成本高，对于设计、制造及维护均有较高要求，因而需要相关设计、生产制造及维修人员能够深入理解轴流式压气机的结构特点和工作原理。

目前因设计、制造导致的压气机故障以及运行维护过程中出现的压气机故障，主要集中于压气机转子叶片。转子叶片与轮盘通过榫槽相连接，在高转速下工作，惯性负荷大，应力复杂，易出现各种故障。

轴流式压气机较高的生产制造成本使得航空工程专业的教学过程中难以进行真实设备的演示，对于在设计、制造和运行过程中出现的问题，无法给学习者以直观的感受，进而会影响学习者对于压气机结构特点和工作原理的深入理解，阻碍航空宇航技术的发展。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法，通过对退役设备进行改造，能够演示压气机气动、振动，以及转静子刮磨故障，降低了教学演示成本，提高了教学效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明涉及一种具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法，包括以下步骤：

1)对原型机机匣和转子外环进行改装：磨削设置于原型机机匣内的转子外环内侧表面的石墨，并将转子外环分割成上下插接的分半结构，得到改装转子外环；在原型机机匣上开设观察窗，得到改装机匣，改装转子外环以圆柱面配合装配在改装机匣内；

2)选取原型机的第一级转子叶片进行榫头结构的改进；

3)在转子上设置平衡螺钉以调节转子的总不平衡量，最后重新装配并确定电机带转所需功率和第一级转子叶片攻角，实现改装。

改装完成后可以进一步选定教学演示中应用的电机类型及转子叶片气动设计原理。

所述的榫头结构的改进是指：在所有第一级转子叶片中，选取正常T尺寸的1～2片叶片对其榫头底面进行磨削或选取T尺寸小的1～2片叶片，以保证榫头与轮盘榫槽间隙配合的尺寸达到0.10mm～0.20mm。

所述的转子的总不平衡量为其中：ω是转子转动角速度，单位rad/s；e是偏心距，单位μm。

所述的电机带转所需功率为其中：k为完全气体比热比，C_p为比定压热容，q_m为压气机进口的质量流量，为空气进口总温，分别为压气机的压比和效率，η_m为电机轴功率转换效率。

所述的第一级转子叶片攻角为i＝β_1k-β₁，其中：β₁＝arctan(C_1a/u₁)，u₁＝π×D₁×n÷60，所述的β_1k为第一级转子叶片平均半径处的金属进气角，β₁为第一级转子叶片平均半径处的气流进气角，C_1a为第一级转子叶片的进口轴向速度，λ_1a为第一级转子叶片的进口轴向速度系数，u₁为第一级转子叶片的进口牵连速度，D₁为第一级转子叶片的进口外径，n为选定的压气机转子转速，q_m1为第一级转子叶片的进口质量流量，k为完全气体比热比，K是常数，取其中是由秒S、温度K和长度m组成的单位，P₁ ^*、T₁ ^*分别为第一级转子叶片的进口总压和总温，A₁为第一级转子叶片的进口面积，q(λ_1a)为第一级转子叶片的进口无因次密流。

本发明涉及采用上述方法得到的轴流式压气机，包括：轮盘、转子、改装机匣以及设置于其内部的改装转子外环，其中：改装机匣设有观察窗，转子设置在改装机匣内，平衡螺钉装配在沿转子后端颈部周向均布的螺钉孔中，转子上套设有各级轮盘，各级轮盘沿周向均布有若干各级转子叶片。

所述的改装转子外环包括上下插接的第一转子外环和第二转子外环，与第一级转子叶片之间可调间隙的范围为0.2mm～0.7mm。

所述的改装转子外环与改装机匣之间通过圆柱面配合。

所述的轴流式压气机有三组，即三组改装机匣与转子叶片之间间隙分别为小于设计值、等于设计值和大于设计值，相应的设置三组平衡螺钉配重。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过对压气机进行改造，使得部分转子叶片可更换，同时通过在转子上增加不平衡量模拟转子的振动，并通过在改装转子外环和转子叶片之间设置间隙模拟转静子刮磨故障，实现了在航空发动机教学过程中对压气机设计制造出现的问题的演示，节省了教学成本，提高了教学效果。

附图说明

图1为原型机纵向剖面图；

图2为本发明中榫头结构示意图；

图3为本发明中改装转子外环与转子叶片装配结构示意图；

图4为本发明中观察窗结构示意图；

图中：轮盘1、转子2、第一级转子叶片3、改装转子外环4、平衡螺钉6、榫头7、榫槽8、改装机匣9、观察窗10、第一转子外环41、第二转子外环42。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例选用成熟的WJ5AI型发动机压气机进行结构改进，作为教学演示设备。

本实施例涉及一种用于教学演示的轴流式压气机的实现方法，先拆卸如图1所示的WJ5AI型发动机压气机，然后对拆卸得到的零件分别进行加工，包括以下步骤：

1)对原型机机匣和转子外环进行改装：磨削设置于原型机机匣内转子外环内侧表面的石墨，并将转子外环分割成上下插接的分半结构，得到改装转子外环4；在原型机机匣上开设观察窗10，得到改装机匣9；

2)选取原型机的第一级转子叶片3进行榫头7结构的改进，第一级转子叶片榫头为轴向燕尾型榫头，可以进行单片的拆卸改进；

3)在转子2上设置平衡螺钉6以调节转子2的总不平衡量；

在对各零件进行加工改进后，重新装配，并确定电机带转所需功率和第一级转子叶片攻角，选定教学演示中应用的电机类型及转子叶片气动设计原理。

如图2所示，所述对榫头7结构的改进是指在所有第一级转子叶片3中，选取正常T尺寸的1～2片叶片对其榫头底面进行磨削或选取T尺寸小的1～2片叶片，以保证榫头7与轮盘榫槽8间隙配合的尺寸达到0.10mm～0.20mm，便于在教学演示过程中对部分叶片进行分解拆换，从而掌握叶片榫头7和轮盘榫槽8的设计结构以及间隙配合规律。

所述的转子2的总不平衡量为其中：ω是转子转动角速度，单位rad/s；e是偏心距，单位μm；航空发动机压气机转子部件推荐的平衡精度一般为G2.5～G6.3，G后的数字即为A值。

所述的电机带转所需功率为其中：k为完全气体比热比，C_p为比定压热容；对于空气，k＝1.4，C_p＝1006J/(kg·K)；选定压气机的转速n＝10000rpm，该转速是设计转速的64.1％；该转速下q_m为2.65kg/s，为2.0，为0.60，η_m取0.98，据此计算得出电机带转所需功率N＝51.3KW；选取电机的设计裕度为1.46倍，则最终选取的电机的功率为75KW。

所述的第一级转子叶片攻角为i＝β_1k-β₁，其中：β₁＝arctan(C_1a/u₁)，u₁＝π×D₁×n÷60，测量得到β_1k＝41°，q_m1＝2.65kg/s，k＝1.4，P₁ ^*＝0.995×101.32×10³kpa，T₁ ^*＝288℃，A₁＝3.94×10^-2m²，D₁＝0.3084m，则q(λ_1a)＝0.2797，可计算得出：λ_1a＝0.18，故u₁＝π×D₁×n÷60＝161.5m/s，β₁＝19°，i＝β_1k-β₁＝22°；在上述设计条件下，第一级转子叶片攻角i很大，压气机出现振动现象；通过调整压气机运行条件，可以使学习者掌握一定的压气机转子叶片气动设计原理，即第一级转子叶片攻角i虽然可以很大，但过大的攻角不仅会诱发压气机的气动不稳定，而且会降低压气机的效率。

如图3和图4所示，本实施例涉及采用上述方法制得的用于教学演示的轴流式压气机，包括：轮盘1、转子2、改装机匣9以及设置于其内部的改装转子外环4，其中：改装机匣9设有观察窗10，转子2设置在改装机匣9内，平衡螺钉6装配在沿转子后端颈部周向均布的螺钉孔中，转子2上共套设有十级轮盘，所述的十级轮盘沿周向均布对应设有若干各级转子叶片；

所述的改装转子外环4包括上下插接的第一转子外环41和第二转子外环42，与第一级转子叶片3之间可调间隙的范围为0.2mm～0.7mm。

优选地，所述的轴流式压气机有三组，三组改装转子外环4与第一级转子叶片3之间间隙分别为0.2mm、0.4mm和0.7mm，其中0.4mm为设计间隙，可以演示转子叶片间隙对航空压气机转静子刮磨的影响；相应的平衡螺钉6配重为三组，分别为50g·mm、100g·mm和150g·mm，可在压气机转子转动时演示不同不平衡量对压气机振动的影响，该影响通过振动值的变化反应。

如图4所示，所述的观察窗10为弧形曲面，外径、厚度和长度与改装机匣9的外径、厚度和长度相同，观察窗底部位于改装机匣径向高度(D/2+100)mm的水平面上，D为改装机匣外径，所述观察窗10的长度贯穿各级转子外环，所述观察窗10弧长为圆周周长的1/4；所述的观察窗10采用透明有机玻璃，观察窗的弧形切口处设有橡胶垫密封层。

Claims (9)

1.一种具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对原型机机匣和转子外环进行改装：磨削设置于原型机机匣内的转子外环内侧表面的石墨，并将转子外环分割成上下插接的分半结构，得到改装转子外环；在原型机机匣上开设观察窗，得到改装机匣，改装转子外环以圆柱面配合装配在改装机匣内；

2)选取原型机的第一级转子叶片进行榫头结构的改进；

3)在转子上设置平衡螺钉以调节转子的总不平衡量，最后重新装配并确定电机带转所需功率和第一级转子叶片攻角，实现改装；

所述对榫头结构的改进是指在所有第一级转子叶片中，选取正常T尺寸的1～2片叶片对其榫头底面进行磨削或选取T尺寸小的1～2片叶片，以保证榫头与轮盘榫槽间隙配合的尺寸达到0.10mm～0.20mm。

2.根据权利要求1所述的具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法，其特征是，所述的转子的总不平衡量为其中：ω是转子转动角速度，单位rad/s；e是偏心距，单位μm。

3.根据权利要求1所述的具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法，其特征是，所述的电机带转所需功率为其中：k为完全气体比热比，C_p为空气比定压热容，q_m为压气机进口的质量流量，为空气进口总温，分别为压气机的压比和效率，η_m为电机轴功率转换效率。

4.根据权利要求1所述的具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法，其特征是，所述的第一级转子叶片攻角为i＝β_1k-β₁，其中： β₁＝ arctan(C_1a/u₁) ，u₁＝π×D₁×n÷60，k为完全气体比热比，所述的β_1k为第一级转子叶片平均半径处的金属进气角，β₁为第一级转子叶片平均半径处的气流进气角，C_1a为第一级转子叶片的进口轴向速度，λ_1a为第一级转子叶片的进口轴向速度系数，u₁为第一级转子叶片的进口牵连速度，D₁为第一级转子叶片的进口外径，n为选定的压气机转子转速，q_m1为第一级转子叶片的进口质量流量，K是常数，取其中是由秒S、温度K和长度m组成的单位，P₁*、T₁*分别为第一级转子叶片的进口总压和总温，A₁为第一级转子叶片的进口面积，q(λ_1a)为第一级转子叶片的进口无因次密流。

5.一种具有三组改装机匣的轴流式压气机，其特征在于，通过上述任一权利要求所述方法实现，包括：轮盘、转子、改装机匣和设置于其内的改装转子外环，其中：改装机匣设有观察窗，转子设置在改装机匣内，平衡螺钉装配在沿转子后端颈部周向均布的螺钉孔中，转子上套设有各级轮盘，各级轮盘沿周向均布有若干各级转子叶片；

所述的改装转子外环包括上下插接的第一转子外环和第二转子外环，与第一级转子叶片之间可调间隙的范围为0.2mm～0.7mm。

6.根据权利要求5所述的轴流式压气机，其特征是，所述的轴流式压气机用于教学演示，其有三组，各组中改装转子外环与第一级转子叶片之间间隙值分别为小于设计值、等于设计值和大于设计值，相应的平衡螺钉配重为三组。

7.根据权利要求5所述的轴流式压气机，其特征是，所述的观察窗为弧形曲面，外径、厚度和长度与改装机匣的外径、厚度和长度相同，观察窗底部位于改装机匣径向高度(D/2+100)mm的水平面上，D为改装机匣外径，所述观察窗的长度贯穿各级转子外环，所述观察窗弧长为改装机匣圆周周长的1/4。

8.根据权利要求5或7所述的轴流式压气机，其特征是，所述的观察窗采用透明有机玻璃，观察窗的弧形切口处设有橡胶垫密封层。

9.根据权利要求5所述的轴流式压气机，其特征是，所述的改装转子外环与改装机匣之间通过圆柱面配合。