CN109737088B - 一种偏心压气机实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏心压气机实验装置，包括进口段、进口测量机匣组件、中部机匣组件、出口测量机匣组件、支撑机匣组件、转子平衡组件、常规法兰盘组件、特殊法兰盘组件；所述进口段、进口测量机匣组件、中部机匣组件之间通过常规法兰盘组件连接，且中部机匣组件、出口测量机匣组件之间通过特殊法兰盘组件实现偏移调整定位，出口测量机匣组件、支撑机匣组件之间通过常规法兰盘组件连接。本发明具有结构简单、操作方便、成本较低等特点，在不更换机匣的情况下，通过调整某段机匣相对于转子叶片的径向位移，来达到不同偏心度情况下的压气机，从而来研究不同偏心度对于该轴流压气机的性能及流场等方面的影响。

Description

一种偏心压气机实验装置

技术领域

本发明涉及一种偏心压气机实验装置，属于轴流压气机实验装置设计技术领域。

背景技术

大量的实验和数值仿真都表明了叶尖间隙对轴流式压气机的性能及稳定性的影响扮演着一个极其重要的角色。但是目前已公开的大量文献研究都是基于理想情况下均匀叶尖间隙轴流压气机这一前提。实际情况下，轴流式压气机在生产、加工、装配和长期使用过程中，不可避免的产生非均匀叶尖间隙的情况。

常见的非均匀叶尖间隙的形式可分为两类，第一类是静态非均匀叶尖间隙，主要由于转子偏心或机匣变形引起(如图1所示，内圆为转子，外圆为机匣)，该非均匀叶尖间隙可用ε＝ε(θ)来描述，式中ε为叶尖间隙，θ为圆周方位角；第二类是动态的非均匀叶尖间隙，主要由于叶片高度差异或受到Alford力和震动力所引起的转子回旋运动(如图2所示)，非均匀叶高可用ε＝ε(θ-ωt)来描述，转子受到Alford力或震动力作用后的回旋运动情况可用ε＝ε(θ-υt)来描述，式中ω为转子转速，υ为转子受到Alford力或震动力作用后的回旋转速，t为时间。O为转子中心，O′为机匣中心，参考系为大地坐标系。

实际轴流压气机在长期使用过程中，叶尖间隙沿周向的非均匀分布往往是机匣变形、转子偏心、转子叶片高度差异、转轴回旋等等复杂情况共同造成的。这样使得实际非均匀叶尖间隙研究起来将会非常复杂，为了简化非均匀叶尖间隙的复杂性；考虑到偏心是一种典型常见非均匀叶尖间隙存在的形式，另外，偏心情况认为转子和机匣为圆形，这种情况下机匣易于加工，圆形机匣的制造成本也较低。因此，本发明只针对偏心压气机的偏心装置进行实验。

为了更好的阐述和衡量本文中的偏心程度的大小，下面定义偏心度。

如图13所示，定义偏心度：

上式中ε_max为偏心压气机中转子的最大叶尖间隙，ε_min为偏心压气机中转子的最小叶尖间隙，ε_ave为均匀叶尖间隙压气机转子的平均叶尖间隙。(注：虽然本发明不仅能产生非均匀转子叶尖间隙，而且能产生非均匀静子叶尖间隙，但是本文中偏心度定义仍然采用转子叶尖间隙)。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种偏心压气机实验装置，具有结构简单、操作方便、成本较低等特点，在不更换机匣的情况下，通过调整某段机匣相对于转子叶片的径向位移，来达到不同偏心度情况下的压气机，从而来研究不同偏心度对于该轴流压气机的性能及流场等方面的影响。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种偏心压气机实验装置，包括进口段、进口测量机匣组件、中部机匣组件、出口测量机匣组件、支撑机匣组件、转子平衡组件、常规法兰盘组件、特殊法兰盘组件；

其中，所述进口段、进口测量机匣组件、中部机匣组件之间通过常规法兰盘组件连接，且中部机匣组件、出口测量机匣组件之间通过特殊法兰盘组件连接，出口测量机匣组件、支撑机匣组件之间通过常规法兰盘组件连接；

所述特殊法兰盘组件包括左特殊法兰盘、右特殊法兰盘，且右特殊法兰盘上开设有沿圆周均布的基准螺栓孔以及径向对称分布的两列基准销钉孔；所述左特殊法兰盘上有与基准螺栓孔相对应的放大螺栓孔以及与基准销钉孔相匹配的两列偏移销钉孔，通过圆锥销钉穿过匹配的偏移销钉孔与基准销钉孔实现左特殊法兰盘、右特殊法兰盘之间的上下偏移定位；所述放大螺栓孔的孔径大于基准螺栓孔，通过螺栓组件贯穿相对应的放大螺栓孔与基准螺栓孔实现左特殊法兰盘、右特殊法兰盘之间的轴向固定。

所述常规法兰盘两法兰盘之间利用螺栓螺母进行轴向定位，利用两法兰接触面的凸台进行径向定位。

进一步的，所述基准销钉孔呈竖直等间距排列，且径向对称分布的偏移销钉孔呈竖直非等间距排列，其与相匹配的基准销钉孔之间设置有多种偏移量。

进一步的，所述进口测量机匣组件包括进口外机匣、进口内机匣、设置于进口外机匣上的外机匣测量系统、设置于进口内机匣上的内机匣测量系统，且进口外机匣与进口内机匣之间设置有进口整流板；

所述中部机匣组件包括中部外机匣、设置于中部外机匣上的外机匣测量系统，且中部外机匣内侧通过静子固定组件连接有静子叶片；所述出口测量机匣组件包括出口外机匣、设置于出口外机匣上的外机匣测量系统，且中部外机匣、出口外机匣之间通过左特殊法兰盘、右特殊法兰盘的配合实现偏移调整固定；

所述支撑机匣组件包括机匣外罩、固定内机匣，且机匣外罩与固定内机匣之间设置有导流支撑板；所述转子平衡组件包括主轴、套接于主轴上的转子轮盘，且主轴一端连接有联轴器；所述转子轮盘的外端延伸至进口内机匣与固定内机匣之间的开口处，且转子轮盘的外端通过转子固定组件连接有转子叶片，通过联轴器带动主轴及主轴上转子叶片的转动。

进一步的，所述固定内机匣内侧设置有用于实现支撑的前支撑板、后支撑板，且前支撑板、后支撑板之间设置有用于实现辅助支撑的支承肋条及中部支撑板。

进一步的，所述主轴分别通过圆柱滚子轴承、滚动轴承而与前支撑板、后支撑板转动连接。

有益效果：本发明提供的一种非均匀叶尖间隙压气机实验装置，相对于现有技术，具有以下优点：1、不仅能够产生非均匀转子叶尖间隙，同时也能产生非均匀静子叶尖间隙，能够在不更换机匣的情况下实现多组偏心度的轴流压气机，且能兼顾均匀叶尖间隙的情况，另外在制造精度较高的情况下，能够保证很高的精度；

2、显注降低了偏心压气机的制造成本，变换偏心度方便简单，大大加快实验进程，非均匀叶尖间隙尺寸精度高，且不影响均匀叶尖间隙压气机的实验工作，对于开展叶尖非定常流动、叶尖泄漏涡、旋转不稳定、失速机理、尖脉冲型失速、失速预警信号等课题的研究和实验设计的工作具有重要意义。

附图说明

图1a、1b为静态非均匀叶尖间隙的结构示意图；

图2a、2b为动态非均匀叶尖间隙的结构示意图；

图3为本实施例中单级轴流压气机实验装置的结构示意图；

图4为本实施例中进口测量机匣组件的结构示意图；

图5为本实施例中中部机匣组件的结构示意图；

图6为本实施例中出口测量机匣组件的结构示意图；

图7为本实施例中支承机匣组件的结构示意图；

图8为本实施例中转子平衡组件的结构示意图；

图9a和9b分别为常规法兰盘组件和特殊法兰盘组件的轴向联接放大图；

图10a和10b分别为左特殊法兰盘和右特殊法兰盘上螺栓孔和销钉孔的分布示意图；

图11a和11b分别为左、右两特殊法兰盘上销钉孔分布的放大图；

图12a和12b为不同偏心度情况下的机匣与转子相对位置关系图(其中a为偏心度为0情况，b为偏心度不为0的情况)；

图13为本实施例在偏心情况下的轴流压气机流道图(其中a是最小间隙位置处的压气机流道图，b是最大间隙位置处的压气机流道图)；

图14为封严篦齿与进口测量机匣组件内轮毂之间的间隙放大图；

图中包括：1、进口段，2、常规法兰盘组件，3、进口测量机匣组件，4、中部机匣组件，5、特殊法兰盘组件，6、出口测量机匣组件，7、支撑机匣组件，8、转子平衡组件，9、外机匣测量系统，10、进口外机匣，11、内机匣测量系统，12、进口整流板，13、进口内机匣，14、中部外机匣，15、静子固定组件，16、静子叶片，17、左特殊法兰盘，18、右特殊法兰盘，19、出口外机匣，20、机匣外罩，21、固定内机匣，22、导流支撑板，23、前支撑板，24、支承肋条及中部支撑板，25、后支撑板，26、主轴，27、转子轮盘，28、联轴器，29、转子固定组件，30、转子叶片，31、圆锥销钉，32、螺栓组件，33、基准螺栓孔，34、基准销钉孔，35、放大螺栓孔，36、偏移销钉孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本实施例以4mm转子叶尖间隙单级轴流压气机为例进行说明，该实例中静子为悬臂式静子，但本发明不限于悬臂式静子单级轴流压气机，对于多级轴流压气机和戴冠静子仍然有效。另外，为了体现本实验装置可实现多组偏心度，本实例设置了较多的销钉孔C1～C7和D1～D7共14个。

如图3所示为一种偏心压气机实验装置，包括进口段1、进口测量机匣组件3、中部机匣组件4、出口测量机匣组件6、支撑机匣组件7、转子平衡组件8、常规法兰盘组件2、特殊法兰盘组件5；

其中，所述进口段1、进口测量机匣组件3、中部机匣组件4之间通过常规法兰盘组件2连接，且中部机匣组件4、出口测量机匣组件6之间通过特殊法兰盘组件5连接，出口测量机匣组件6、支撑机匣组件7之间通过常规法兰盘组件2连接；

所述特殊法兰盘组件5包括左特殊法兰盘17、右特殊法兰盘18，且右特殊法兰盘18上开设有沿圆周均布的基准螺栓孔33以及径向对称分布的两列基准销钉孔34；所述左特殊法兰盘17上开设有与基准螺栓孔33相对应的放大螺栓孔35以及与基准销钉孔34相匹配的两列偏移销钉孔36，通过圆锥销钉31穿过匹配的偏移销钉孔36与基准销钉孔34实现左特殊法兰盘17、右特殊法兰盘18之间的上下偏移定位；所述放大螺栓孔35的孔径大于基准螺栓孔33，通过螺栓组件32贯穿相对应的放大螺栓孔35与基准螺栓孔33实现左特殊法兰盘17、右特殊法兰盘18之间的轴向固定。

如图4-8所示，所述进口测量机匣组件3包括进口外机匣10、进口内机匣13、设置于进口外机匣10上的外机匣测量系统9、设置于进口内机匣13上的内机匣测量系统11，且进口外机匣10与进口内机匣13之间设置有进口整流板12；

所述中部机匣组件4包括中部外机匣14、设置于中部外机匣14上的外机匣测量系统9，且中部外机匣14内侧通过静子固定组件15连接有静子叶片16；所述出口测量机匣组件6包括出口外机匣19、设置于出口外机匣19上的外机匣测量系统9，且中部外机匣14、出口外机匣19之间通过左特殊法兰盘17、右特殊法兰盘18的配合实现偏移调整固定；

所述支撑机匣组件7包括机匣外罩20、固定内机匣21，且机匣外罩20与固定内机匣21之间设置有导流支撑板22；所述固定内机匣21内侧设置有用于实现支撑的前支撑板23、后支撑板25，且前支撑板23、后支撑板25之间设置有用于实现辅助支撑的支承肋条及中部支撑板24；

所述转子平衡组件8包括主轴26、套接于主轴26上的转子轮盘27，且主轴26一端连接有联轴器28；所述转子轮盘27的外端延伸至进口内机匣13与固定内机匣21之间的开口处，且转子轮盘27的外端通过转子固定组件29连接有转子叶片30；所述主轴26分别通过圆柱滚子轴承、滚动轴承而与前支撑板23、后支撑板25转动连接。

如图9所示，特殊法兰盘(图9b)与常规法兰盘(图9a)具有明显差异，图9a是常规法兰盘联接图，常规法兰盘两法兰盘之间利用螺栓螺母进行轴向定位，利用两法兰接触面的凸台进行径向定位。图9b是本发明装置中的特殊法兰盘，也是为了实现机匣径向位移的关键结构，与常规法兰盘结构不同，该特殊法兰联接组件间中的左侧法兰螺栓孔孔径更大，允许螺栓在孔内径向有较大位移，该特殊法兰中的螺栓组件仅仅起到轴向定位的作用，允许径向上的位移，左、右特殊法兰之间另有圆锥销钉联接，圆锥销钉的定位精度高，这样起到了高精度的径向定位作用。

如图10所示，图10a为图9b中左特殊法兰盘17的端面示意图，图10b为图9b中右特殊法兰盘18的端面示意图，对比10a、10b可以发现左右法兰盘总体结构形状相同，两者销钉孔和螺栓孔数量相等，其螺栓孔用于轴向定位，销钉孔用于周向定位。

如图11所示，图11a和图11b分别是左右两特殊法兰盘上销钉孔的放大图，对比图a、图b的尺寸，发现销钉孔的排列总体上无差异，但是在设计尺寸上有所差异，图11a中左法兰盘上的7个销钉孔为竖直非等间距排列，该销钉孔间距尺寸见如表1左侧两列；图11b中右法兰盘上的7个销钉孔为竖直等间距排列，该销钉孔间距尺寸见如表1右侧两列(表中di4表示第i个销钉孔圆心与第4个销钉孔圆心之间的距离，其中i＝1，2，3，5，6，7)。左法兰盘上的销钉孔C4和右法兰盘上的销钉孔D4在各自的法兰盘上的相对位置是一样的，所以当C4与D4匹配时，为0偏心度情况，这样左法兰盘上非均匀排列的7个销钉孔与右法兰盘上均匀排列的7个销钉孔之间一一对应匹配可以实现7种不同的偏移量，也就可以实现7种偏心度情况如表2。具体操作如下：为了产生不同非均匀叶尖间隙的分布结构，实验中需要松开螺栓，径向移动机匣组件到适合的位置，然后用圆锥销钉插入相应的圆锥孔中，实现法兰盘间的径向定位，再拧紧螺栓，从而实现不同偏心度情况下的非均匀叶尖间隙分布。

如图12所示，图a和图b分别为均匀叶尖间隙压气机和非均匀叶尖间隙压气机转子与外机匣相对位置的对比图，经过图11中不同销钉孔的匹配关系，可以将均匀叶尖间隙转变为非均匀叶尖间隙即图a→图b。

表1该特殊法兰盘上销钉孔间距布局

表2可以实现的7种偏移量和相应的偏心度

如图13所示，图13为偏心机匣定位安装后的流道图，其中图a为最小叶尖间隙所对应的流道剖面图，从图可以看出偏心机匣与前后圆形机匣安装定位后产生了上凹的流道横截面；其中图b为最大叶尖间隙所对应的流道剖面图，从图可以看出偏心机匣与前后圆形机匣安装定位后产生了上凸的流道横截面，该凹凸流道均分布压气机静子后出口部位，因此对压气机内的流动影响可以忽略不计；不仅如此，对比图a、图b，可得转子叶尖间隙大的位置，其下游静子的叶尖间隙相应也大，转子叶尖间隙小的位置，其下游静子的叶尖间隙相应也小，所以本发明还可以产生非均匀静子叶尖间隙；另外值得注意是在本实例中，在进行偏心压气机实验时，为了保证静子叶片与轮毂不发生干涉，应保证静子叶尖间隙大于转子叶尖间隙。

如图14所示，图14是图3中I-I区域的放大图，图中Δ是封严篦齿与进口测量机匣组件的内轮毂之间的间隙，在进行偏心实验时，为了避免封严篦齿与内轮毂摩擦，在设计实验装置时应保证Δ≥ε_ave。

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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种偏心压气机实验装置，其特征在于，包括进口段(1)、进口测量机匣组件(3)、中部机匣组件(4)、出口测量机匣组件(6)、支撑机匣组件(7)、转子平衡组件(8)、常规法兰盘组件(2)、特殊法兰盘组件(5)；

其中，所述进口段(1)、进口测量机匣组件(3)、中部机匣组件(4)之间通过常规法兰盘组件(2)连接，且中部机匣组件(4)、出口测量机匣组件(6)之间通过特殊法兰盘组件(5)连接，出口测量机匣组件(6)、支撑机匣组件(7)之间通过常规法兰盘组件(2)连接；

所述特殊法兰盘组件(5)包括左特殊法兰盘(17)、右特殊法兰盘(18)，且右特殊法兰盘(18)上开设有沿圆周均布的基准螺栓孔(33)以及径向对称分布的两列基准销钉孔(34)；所述左特殊法兰盘(17)上开设有与基准螺栓孔(33)相对应的放大螺栓孔(35)以及与基准销钉孔(34)相匹配的两列偏移销钉孔(36)，通过圆锥销钉(31)穿过匹配的偏移销钉孔(36)与基准销钉孔(34)实现左特殊法兰盘(17)、右特殊法兰盘(18)之间的上下偏移定位；所述放大螺栓孔(35)的孔径大于基准螺栓孔(33)，通过螺栓组件(32)贯穿相对应的放大螺栓孔(35)与基准螺栓孔(33)实现左特殊法兰盘(17)、右特殊法兰盘(18)之间的轴向固定。

2.根据权利要求1所述的一种偏心压气机实验装置，其特征在于，所述基准销钉孔(34)呈竖直等间距排列，且径向对称分布的偏移销钉孔(36)呈竖直非等间距排列，其与相匹配的基准销钉孔(34)之间设置有多种偏移量。

3.根据权利要求1所述的一种偏心压气机实验装置，其特征在于，所述进口测量机匣组件(3)包括进口外机匣(10)、进口内机匣(13)、设置于进口外机匣(10)上的外机匣测量系统(9)、设置于进口内机匣(13)上的内机匣测量系统(11)，且进口外机匣(10)与进口内机匣(13)之间设置有进口整流板(12)；

所述中部机匣组件(4)包括中部外机匣(14)、设置于中部外机匣(14)上的外机匣测量系统(9)，且中部外机匣(14)内侧通过静子固定组件(15)连接有静子叶片(16)；所述出口测量机匣组件(6)包括出口外机匣(19)、设置于出口外机匣(19)上的外机匣测量系统(9)，且中部外机匣(14)、出口外机匣(19)之间通过左特殊法兰盘(17)、右特殊法兰盘(18)的配合实现偏移调整固定；

所述支撑机匣组件(7)包括机匣外罩(20)、固定内机匣(21)，且机匣外罩(20)与固定内机匣(21)之间设置有导流支撑板(22)；所述转子平衡组件(8)包括主轴(26)、套接于主轴(26)上的转子轮盘(27)，且主轴(26)一端连接有联轴器(28)；所述转子轮盘(27)的外端延伸至进口内机匣(13)与固定内机匣(21)之间的开口处，且转子轮盘(27)的外端通过转子固定组件(29)连接有转子叶片(30)。

4.根据权利要求3所述的一种偏心压气机实验装置，其特征在于，所述固定内机匣(21)内侧设置有用于实现支撑的前支撑板(23)、后支撑板(25)，且前支撑板(23)、后支撑板(25)之间设置有用于实现辅助支撑的支承肋条及中部支撑板(24)。

5.根据权利要求4所述的一种偏心压气机实验装置，其特征在于，所述主轴(26)分别通过圆柱滚子轴承、滚动轴承而与前支撑板(23)、后支撑板(25)转动连接。

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