CN114486150B - 一种应用于二维涡轮叶型平面叶栅叶顶间隙调整装置 - Google Patents
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Abstract
本发明针对不同叶顶结构的平面叶栅实验流场测量的需求，并基于现有实验台的结构以及尺寸，公开了一种应用于二维涡轮叶型平面叶栅叶顶间隙调整装置，可精确控制平叶顶或叶顶密封结构的间隙大小。本发明通过调节螺栓引导带有密封圈的矩形活塞平行滑动，从而实现对不带冠叶片的叶顶间隙或叶冠结构篦齿间隙大小的控制并防止气体泄漏。通过在透明活塞底座外围印上刻度，实现对密封间隙尺度的精确控制。通过光滑定位圆柱与螺栓连接活塞底座和顶板，确保叶顶间隙在调整过程中的均匀分布。这种构型相对简单，能在确保实验台流场品质的基础上实现叶顶间隙的精确控制，特别适用于高压涡轮叶顶泄漏或低压涡轮叶冠容腔密封结构的气动性能以及流场机理研究。
Description
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机叶轮机械流场测试领域，涉及一种平面叶栅叶顶间隙调整装置，尤其涉及一种应用于二维涡轮叶型平面叶栅实验叶顶间隙的调整装置。
背景技术
带冠叶片因其减小叶顶泄漏并提高叶片叶顶刚度等优点，广泛应用于涡扇发动机低压涡轮设计中。随着高推重比、高效率、低能耗的先进民用涡扇发动机的发展，低级数、高压比、高转速低压涡轮设计被广泛采用。由此，为提高单级涡轮做功能力以及叶片叶顶刚度，在机械强度限制下，需要进一步探索具有最优气动性能的耦合了先进密封和减重扇形叶冠结构设计。在此基础上，加深对具有不同叶冠密封容腔结构的涡轮叶顶流场损失机理的理解。平面叶栅实验是验证叶型设计、进行叶轮机械流场机理研究的常用方法。对于平面叶栅叶顶间隙流动损失机理以及各种叶顶泄漏控制方法的性能验证的研究也是平面叶栅实验研究内容的一部分。现有的叶顶泄漏流场测量实验，通常根据实验目的设计不同间隙大小的多套叶栅实验件模型或加工多套机匣底座模型。这种做法会导致实验件加工的成本过高，并难以精确控制叶顶间隙，从而在反复尝试中延长实验周期。针对这一问题，相关学者和技术人员提出多种解决方案。公开号为CN 108757433 B的中国发明创造中，采用中间栅板结构作为理论上的叶根端壁，并调整叶根处左安装板的位置，从而达到对于叶顶间隙大小的控制，这种方法中，螺栓对于叶顶间隙的控制精度较低并难以达到及时的反馈。在此基础上，公开号为CN 113418716 A的中国发明创造中，采用调整垫片组调整叶栅安装板相对于中间栅板的高度，对于叶顶间隙实现较为精确的控制，以上结构都依赖中间栅板的叶型孔从而实现叶栅组件沿叶高方向的调整位移，然而位于栅板上的叶型孔与叶片表面间的缝隙可能会导致一定程度的泄漏，从而降低流场品质使得测量精度下降。在公开号为CN111579197A的中国发明创造中，将中空栅板与叶型安装栅板之间通过螺栓封闭从而解决了气体泄漏问题，再采用千分尺顶杆实现叶顶间隙的精确控制，然而由于叶型与安装板之间为焊接，导致实验件加工以及更换的成本增加。现有的方法则局限于平叶顶、凹槽叶顶、叶顶小肋等叶顶结构，对于带冠平面叶栅的结构，这种方式会在调整篦齿密封间隙的同时改变篦齿密封底座的进、出口容腔结构，而不符合控制变量的研究思想。
发明内容
针对不同叶顶结构的平面叶栅实验流场测量的需求，并基于现有实验台的结构以及尺寸，本发明旨在提供一种应用于二维涡轮叶型平面叶栅的叶顶间隙控制装置，可精确控制平叶顶或叶顶密封结构的间隙大小。本发明通过四个螺栓引导带有密封圈的矩形活塞平行滑动，从而实现对不带冠叶片的叶顶间隙或叶冠结构篦齿间隙大小的控制并防止气体泄漏。通过在透明活塞底座外围印上刻度，实现对密封间隙尺度的精确控制。通过光滑定位圆柱与螺栓连接活塞底座和顶板，确保叶顶间隙在调整过程中的均匀分布。这种构型相对简单，能在确保实验台流场品质的基础上实现叶顶间隙的精确控制，特别适用于高压涡轮叶顶泄漏或低压涡轮叶冠容腔密封结构的气动性能以及流场机理研究。
本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案为：
一种平面叶栅叶顶间隙控制装置，包括平面叶栅实验台、平面叶栅实验件、叶顶间隙调节机构，所述平面叶栅实验台包括实验台上端壁和实验台下端壁，所述叶顶间隙调节机构固定设置在所述实验台上端壁上，所述平面叶栅实验件固定设置在所述实验台下端壁上，所述实验台上端壁上开设有空槽，所述空槽位于所述平面叶栅实验件的上方，其特征在于，
所述叶顶间隙调节机构包括一透明底座、一矩形移动活塞、一顶板，其中，
所述透明底座，包括一底座底板和一形成在所述底座底板中部且两端开口的矩形中空筒体，其中，所述底座底板固定设置在所述实验台上端壁的空槽中，且所述底座底板的底面与所述实验台上端壁的内壁平齐；所述矩形中空筒体的长边的延伸方向与所述平面叶栅实验件的长度方向保持一致，且所述矩形中空筒体的顶部的左右两侧设有沿其长度方向延伸的安装翻边；
所述矩形中空筒体的左右两侧的安装翻边上设有多个等高的定位导柱，所述顶板固定设置在各所述定位导柱的顶部；
所述矩形移动活塞，设置在所述顶板与矩形中空筒体之间，包括一矩形活塞体以及设置在所述矩形活塞体顶部的左右两活塞翻边，所述矩形活塞体的形状与所述矩形中空筒体的内壁相适配，并可沿所述矩形中空筒体的内壁上下移动，所述左右两活塞翻边上设有若干与所述定位导柱一一对应的导向孔，所述矩形移动活塞通过各所述导向孔设置在所述矩形中空筒体的定位导柱上；
所述矩形中空筒体左右两侧的安装翻边上设有若干用于顶抵所述矩形移动活塞左右两侧活塞翻边底面的调节螺栓，所述顶板设有若干用于顶抵所述矩形移动活塞左右两侧活塞翻边顶面的调节螺栓，通过配合调节所述矩形中空筒体以及顶板上的调节螺栓可以调节所述矩形移动活塞的矩形活塞体在所述矩形中空筒体中的深度，继而调节所述矩形活塞体的底面与所述平面叶栅实验件的叶尖之间的距离，从而实现对所述平面叶栅实验件的叶顶间隙的调节。
优选地，所述平面叶栅实验件包括一叶根侧底板和多个等高且平行布置的叶片，各所述叶片均通过其叶根部固定设置在所述叶根侧底板上，所述叶根侧底板通过连接件固定设置在所述实验台下端壁上。
优选地，所述矩形活塞体与矩形中空筒体之间设有防止气体泄漏的密封圈。
优选地，所述矩形中空筒体的侧壁上设有用于指示所述矩形活塞体深度的刻度。
优选地，通过配合调节所述矩形中空筒体以及顶板上的调节螺栓将所述矩形活塞体的初始位置设置在直接与所述平面叶栅实验件的叶尖紧贴，当需要调节所述平面叶栅实验件的叶顶间隙时，对照所述矩形中空筒体侧壁上的刻度，利用各所述调节螺栓将所述矩形活塞体推送至制定位置。
优选地，所述平面叶栅实验件的叶片为带冠叶片或不带冠叶片，从而实现对不带冠叶片的叶顶间隙或叶冠结构篦齿间隙大小的控制并防止气体泄漏。
同现有技术相比，本发明的平面叶栅实验台叶顶间隙调整结构，具有以下显著的技术优点：1)结构简单，实验成本低：叶顶调整结构便于拆卸，与叶型相互分开，可适用于多种不同叶型以及叶顶结构，减小了实验件加工的成本的和因更换实验件延长的实验周期。2)应用范围广、精度较高：不受实验台安装方向影响，对于水平或竖直安放的平面叶栅实验台均适用，叶根与叶顶处不存在气体泄漏的问题，流场品质得以保证，调整容腔处存在流场；3)弥补现有技术的不足：现有叶顶流场的平面叶栅实验研究往往局限于，对于叶顶带冠等低压涡轮叶顶泄漏控制常用的结构的气动研究则较为缺乏。本发明则提供一种适用于各种结构的叶顶流场的间隙控制结构，便于平面叶栅叶顶泄漏流场的基础研究。
附图说明
图1为本发明的平面叶栅实验件及叶顶间隙调整装置安装正三轴测图。
图2为本发明的平面叶栅叶顶间隙调整装置装配关系图。
图3为本发明的平面叶栅实验件及叶顶间隙调整装置的安装正视图。
图4为平面叶栅实验件及叶顶间隙调整装置的装配左视图。
附图标记说明：
顶板1，定位导柱2，定位导柱螺栓3，垫片3-1，移动活塞4，调节螺栓5，密封圈6，透明底座7，压板8，固定螺栓9，平面叶栅实验件10，叶片10-1，安装底板10-2，叶冠10-3。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～4所示，本发明的平面叶栅叶顶间隙调节实验装置，包括平面叶栅实验台、平面叶栅实验件10、叶顶间隙调节机构，平面叶栅实验台包括实验台上端壁和实验台下端壁，叶顶间隙调节机构固定设置在实验台上端壁上，平面叶栅实验件10固定设置在实验台下端壁上，实验台上端壁上开设有空槽，空槽位于平面叶栅实验件10的上方。
叶顶间隙调节机构包括一透明底座7、一矩形移动活塞4、一顶板1，其中，透明底座7，包括一底座底板和一形成在底座底板中部且两端开口的矩形中空筒体，其中，底座底板固定设置在实验台上端壁的空槽中，且底座底板的底面与实验台上端壁的内壁平齐；矩形中空筒体的长边的延伸方向与平面叶栅实验件的长度方向保持一致，且矩形中空筒体的顶部的左右两侧设有沿其长度方向延伸的安装翻边；矩形中空筒体的左右两侧的安装翻边上设有多个等高的定位导柱2，顶板1固定设置在各定位导柱2的顶部；矩形移动活塞4，设置在顶板1与矩形中空筒体之间，包括一矩形活塞体以及设置在矩形活塞体顶部的左右两活塞翻边，矩形活塞体的形状与矩形中空筒体的内壁相适配，并可沿矩形中空筒体的内壁上下移动，左右两活塞翻边上设有若干与定位导柱2一一对应的导向孔，矩形移动活塞4通过各导向孔设置在矩形中空筒体的定位导柱2上；矩形中空筒体左右两侧的安装翻边上设有若干用于顶抵矩形移动活塞4左右两侧活塞翻边底面的调节螺栓5，顶板1设有若干用于顶抵矩形移动活塞4左右两侧活塞翻边顶面的调节螺栓5，通过配合调节矩形中空筒体以及顶板1上的调节螺栓5可以调节矩形移动活塞4的矩形活塞体在矩形中空筒体中的深度，继而调节矩形活塞体的底面与平面叶栅实验件的叶尖之间的距离，从而实现对平面叶栅实验件的叶顶间隙的调节。
本发明优选的实例中，平面叶栅实验件包括一叶根侧底板和多个等高且平行布置的叶片10-1，各叶片10-1均通过其叶根部固定设置在叶根侧底板上，叶根侧底板通过连接件固定设置在实验台下端壁上。
本发明优选的实例中，矩形活塞体与矩形中空筒体之间设有防止气体泄漏的密封圈6。
本发明优选的实例中，矩形中空筒体的侧壁上设有用于指示矩形活塞体深度的刻度。
本发明优选的实例中，通过配合调节矩形中空筒体以及顶板1上的调节螺栓5将矩形活塞体的初始位置设置在直接与平面叶栅实验件的叶尖紧贴，当需要调节平面叶栅实验件的叶顶间隙时，对照矩形中空筒体侧壁上的刻度，利用各调节螺栓5将矩形活塞体推送至制定位置。
更加具体的，参照图1～4，本发明的叶顶间隙调节机构，其组成包括：顶板1、定位导柱2、定位导柱螺栓3、移动活塞4、调节螺栓5、密封圈6、透明底座7、压板8、固定螺栓9、平面叶栅实验件10。平面叶栅实验台两侧端壁在搭建时相互平行，距离固定。平面叶栅实验件10包括叶根侧底板和多个叶片10-1，叶片10-1的数量为N，通过螺纹孔固定于叶根侧底板上，叶根侧底板通过螺栓固定于安装底板10-2上，以叶冠10-3为例，叶顶间隙调节机构固定于实验台上端壁上，安装完毕后叶顶与实验台上端壁的内壁平齐；刻有多个刻度的透明底座7安装于实验台上端壁，并填充之前设计好的空槽，随后采用固定螺栓9将压板8与透明底座7固定于实验台上端壁上；将套有密封圈6的矩形活塞4缓慢安装入透明底座7内部，随后令定位圆柱2穿过矩形活塞4通孔，使用定位导柱螺栓3固定定位圆柱2，随后于定位导柱另一侧安放顶板1并采用定位导柱螺栓3固定；于顶板1和透明底座7处的螺纹孔中旋入调节螺栓5，直到顶上矩形活塞4的边缘板。按上述步骤安装实验件和叶顶间隙调整装置后，先放松调节螺栓5，缓慢推动矩形活塞4直至紧贴叶冠结构10-3的封严篦齿顶部，透过透明底座7的刻度记录下此时活塞底部平面的位置；均匀拧动透明底座7处的调节螺栓5，观察刻度直至调整到需要的位置，此刻矩形活塞4底部平面的位置所在刻度与之前刻度之差即为篦齿密封间隙的尺度；拧动顶板1处的调节螺栓5，紧贴矩形活塞4边缘平面，随后拧紧所有的调节螺栓5，确保矩形活塞4不会出现细微位移从而影响实验结果。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种平面叶栅叶顶间隙控制装置，包括平面叶栅实验台、平面叶栅实验件、叶顶间隙调节机构，所述平面叶栅实验台包括实验台上端壁和实验台下端壁，所述叶顶间隙调节机构固定设置在所述实验台上端壁上，所述平面叶栅实验件固定设置在所述实验台下端壁上，所述实验台上端壁上开设有空槽，所述空槽位于所述平面叶栅实验件的上方，其特征在于，
所述叶顶间隙调节机构包括一透明底座、一矩形移动活塞、一顶板，其中，
所述透明底座，包括一底座底板和一形成在所述底座底板中部且两端开口的矩形中空筒体，其中，所述底座底板固定设置在所述实验台上端壁的空槽中，且所述底座底板的底面与所述实验台上端壁的内壁平齐；所述矩形中空筒体的长边的延伸方向与所述平面叶栅实验件的长度方向保持一致，且所述矩形中空筒体的顶部的左右两侧设有沿其长度方向延伸的安装翻边；
所述矩形中空筒体的左右两侧的安装翻边上设有多个等高的定位导柱，所述顶板固定设置在各所述定位导柱的顶部；
所述矩形移动活塞，设置在所述顶板与矩形中空筒体之间，包括一矩形活塞体以及设置在所述矩形活塞体顶部的左右两活塞翻边，所述矩形活塞体的形状与所述矩形中空筒体的内壁相适配，并可沿所述矩形中空筒体的内壁上下移动，所述左右两活塞翻边上设有若干与所述定位导柱一一对应的导向孔，所述矩形移动活塞通过各所述导向孔设置在所述矩形中空筒体的定位导柱上；
所述矩形中空筒体左右两侧的安装翻边上设有若干用于顶抵所述矩形移动活塞左右两侧活塞翻边底面的调节螺栓，所述顶板设有若干用于顶抵所述矩形移动活塞左右两侧活塞翻边顶面的调节螺栓，通过配合调节所述矩形中空筒体以及顶板上的调节螺栓可以调节所述矩形移动活塞的矩形活塞体在所述矩形中空筒体中的深度，继而调节所述矩形活塞体的底面与所述平面叶栅实验件的叶尖之间的距离，从而实现对所述平面叶栅实验件的叶顶间隙的调节；
所述矩形中空筒体的侧壁上设有用于指示所述矩形活塞体深度的刻度；
通过配合调节所述矩形中空筒体以及顶板上的调节螺栓将所述矩形活塞体的初始位置设置在直接与所述平面叶栅实验件的叶尖紧贴，当需要调节所述平面叶栅实验件的叶顶间隙时，对照所述矩形中空筒体侧壁上的刻度，利用各所述调节螺栓将所述矩形活塞体推送至制定位置。
2.根据权利要求1所述的平面叶栅叶顶间隙控制装置，其特征在于，所述平面叶栅实验件包括一叶根侧底板和多个等高且平行布置的叶片，各所述叶片均通过其叶根部固定设置在所述叶根侧底板上，所述叶根侧底板通过连接件固定设置在所述实验台下端壁上。
3.根据权利要求1所述的平面叶栅叶顶间隙控制装置，其特征在于，所述矩形活塞体与矩形中空筒体之间设有防止气体泄漏的密封圈。
4.根据权利要求1所述的平面叶栅叶顶间隙控制装置，其特征在于，所述平面叶栅实验件的叶片为带冠叶片或不带冠叶片，从而实现对不带冠叶片的叶顶间隙或叶冠结构篦齿间隙大小的控制并防止气体泄漏。
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| CN114486150A (zh) | 2022-05-13 |
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