CN115788961A - 一种拼接式组合整流器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械结构技术领域，具体提出了一种拼接式组合整流器及其制造方法，所述整流器由外环和叶片整体设计而成，外环用于定位支撑叶片，叶片对通过的进气气流进行减速增压并调整流动方向；所述外环采用三段拼接而成，任意一段的外环与叶片为同一锻件加工而成；三段拼接时，侧面通过外环侧壁配合进行角向定位，保证角向定位关系；同时在外环前、后两侧设计了定位止口，通过相配件止口定位的方式进行径向和轴向定位，外侧压紧在机匣内壁上。本发明解决一般整流器零件数量多，加工方式多，工序复杂，耗时长，效率低，加工、转工、装配复杂，总成本高加工以及叶片安装角控制困难等问题。

Description

一种拼接式组合整流器及其制造方法

技术领域

本发明属于机械结构技术领域，具体为机械-液压气动领域，涉及压气机整流器，特别涉及一种小型、高效、结构简单、低成本、易于批量加工、拼接式加工组合装配的整流器。

背景技术

压气机是向气体传输机械能、完成发动机热力循环中气体工质压缩过程，以提高气体压力的机械装置，是发动机的重要部件。整流器是压气机的重要组成结构之一，整流器的主要作用是将气体速度降低以进一步提高压力同时调整气流方向，按一定的方向流入下一级工作叶片。

常见的整流器结构见图1，其组成零件包括1外环、2内环、3叶片、4定位片等，一般采取叶片冷轧，焊接内外环的方式加工，工艺方法工序包括内、外环机械加工，激光打叶型孔，叶片冷轧，定位片取型，固定片切边，叶片焊接，焊缝X光检查，再整体加工基准等。当上游气流通过图1所示的整流器叶栅通道时，由于通道扩张，气流速度降低，气流静压增大，同时改变流动方向，以利于下一级进气。

上述结构存在的主要问题如下：

1)、零件数量多，加工方式多，工序复杂，耗时长，效率低，加工、管理、转工、装配复杂，总成本高；

2)、冷轧叶片精度低，应力大，工作后易应力变形，严重时会发生裂纹；

3)、组件焊接时变形大，应力大，工作时应力释放，可能造成应力裂纹，同时需要增加X光检查工序，耗时长，成本高；

4)、叶片角向定位困难，由于焊接方式必须在叶型孔内保持适当的焊缝间隙，导致叶片角向定位不准，安装角难以保证，影响发动机压气机气动性能；

5)、根部焊瘤会增大气动损失造成压气机性能下降；

6)、焊接状态加工叶尖直径必须采用锡铋合金固定叶片，加工叶尖后再融化，影响叶片表面状态。

在制造工艺上，整体外环+叶片一体铸造理论上可以解决上述问题，但由于为保证通道流通能力，气动效率，整流器叶片必须设计的极薄，叶身厚度可达 0.7mm，叶片前缘甚至可薄至R0.2mm左右，一般砂型铸造以及精铸零件最小厚度约为5mm，更为复杂和精密的离心铸造、压力铸造零件的最小厚度约为2mm，无法满足整流器叶片的尺寸要求。同时，铸造精度相对机械加工要低的多，一般公差约为0.1以上，而整流器叶片叶型公差一般约为±0.04左右，铸造精度无法满足设计要求。同时铸造易产生疏松、夹杂、缩孔等缺陷，部分缺陷很小，难以通过X光检查出来，对于厚度极薄的叶片而言是致命的，可能导致工作时折断，同时铸造表面也无法满足叶片0.08-0.16的粗糙度要求。因此，整体外环+叶片一体铸造无法满足整流器叶片、外环的制造加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

本发明要解决的技术问题是设计一种全新的整流器，解决一般整流器零件数量多，加工方式多，工序复杂，耗时长，效率低，加工、转工、装配复杂，总成本高加工以及叶片安装角控制困难等问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提出了一种拼接式组合整流器，所述整流器由外环和叶片整体设计而成，外环用于定位支撑叶片，叶片对通过的进气气流进行减速增压并调整流动方向；所述外环采用三段拼接而成，任意一段的外环与叶片为同一锻件加工而成；三段拼接时，侧面通过外环侧壁配合进行角向定位，保证角向定位关系；同时在外环前、后两侧设计了定位止口，通过相配件止口定位的方式进行径向和轴向定位，外侧压紧在机匣内壁上。

进一步的，三段的截面通过结构空间计算，在满足强度的前提下尽量增大了截面面积，保证角向定位的稳定性。

进一步的，所述外环端拼接端设置有外定位面、角定位槽、前止口、后止口、减重槽；相连两段外环之间的前止口与后止口相配；外定位面不参与拼接，三段拼接后形成整环，在外径凹槽处采用保险丝勒紧，然后轴向压入机匣，当部分外径轴向进入机匣后，与机匣内径形成配合,拆除保险丝，装配下一级，直至所有级别装配完成；

机匣上设计有轴向定位凸台，与整流器角向定位槽相配合，拼接后的整流器轴向压入机匣时,需将角向定位槽与机匣定住凸台对正，以防止整流器在工作时在气动力和据动力作用下周向转动。

进一步的，前止口、后止口均呈L型结构。

进一步的，外环前端面设计有角定位槽，用于叶片角向初始位置定位，同时装配时保证该角向槽向前，以保证装配关系。

进一步的，前后止口轴向宽度不一致，保证整流器前后装反后无法实现装配。

进一步的，所述叶片与外环构成悬臂结构；所述叶片的叶型及叶尖直径通过气动数值模拟分析优化确定；叶片设计时，通过气动设计确定叶型的设计和叶片数量要求，以保证在优先的紧凑空间内实现整流器减速增压以及流向调整的功能。通过叶型轮廓度、位置度、叶片、数量的规定来保证。

进一步的，所述叶片采用较为简单的类直纹面设计，轴向扭转小。

本发明另一方面还提出了一种拼接式组合整流器的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

S1、将整流器划分为三段，第一段圆心角为122°，第二段圆心角为118°，第三段圆心角为120°，切分时沿轴向进行偏转，以避开叶片；

S2、每一段整流器加工时，首先内外环粗基准，然后加工外径主基准，加工过外径主基准后，以此定位经历两轮叶型加工，首轮加工为粗加工，留有一定余量，铣刀完成从叶盆到叶背的整个叶型加工；第二轮为精加工，两轮加工加工刀具、进给量的工艺参数有所差别，第二轮加工精度更高，以兼顾加工效率和加工精度。

S3、三段加工的整流器需通过工装进行模拟装配，以保证正式装配的快速准确；正式装配前除模拟装配，不需要拼接，装配时通过机匣内壁、相配件直径止口径向压紧定位，通过相配件止口端面轴向定位，通过外环侧面角向定位。

进一步的，步骤S1中，圆心角的确定根据叶片数量进行计算。

进一步的，步骤S2加工过程中只进行一次装夹，以避免二次装夹导致的接刀。

有益技术效果：

该整流器通过整体设计加工方式，将叶片、内环、外环、定位片、固定片等多种零件整合成1个零件，解决一般整流器零件多、零件材料种类多、工艺方法多且包含特种工艺、工序复杂的问题；创新设计拼接组合结构，该定位结构通过了发动机装配试车，定位稳定可靠；解决重复装夹定位精度问题，同时可以保证一次装配加工到位，还可以解决转静子装配干涉问题；创新用优化叶型设计结合气动计算、强度计算方法，取消了整流器常见的内环结构，进一步控制了加工成本，本发明设计的整流器相对于常用的整流器，零件数量减少约98％，加工工时减少约30％，成本降低了约50％。

附图说明

图1为传统整流器结构示意图，

图2为拼接式组合整流器结构示意图，

图3为本发明外环拼接区截面示意图，

图4为拼接式组合整流器拼接装配状态与切分加工状态对比示意图，

图5为拼接式组合整流器分瓣切分角度控制示意图，

图6为叶片构型，

其中，1—外环，2内环，3叶片，4定位片，1a—外定位面，1b—减重槽， 1c—角定位槽，1d—前止口，1e—后止口。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明进行详细描述，本发明中外环与叶片采用同一锻件加工而成，不需要焊接，减少了定位片等结构；消除了常规整流器的焊接应力和焊瘤导致的气动损失；相对于外环和叶片焊接方式组合，整体设计加工能够保证安装角更精确；同时焊接状态加工叶片叶尖直径必须采用锡铋合金固定叶片，加工叶尖后再融化，影响叶片表面状态，整体设计消除了该负面影响，不需要使用锡铋合金。机械加工工艺加工叶片而非冷轧工艺消除了常规冷轧叶片的加工应力及裂纹隐患，

本发明能够满足整流器减速增压以及调整气流方向的功能要求，同时由于采用了叶片外环一体加工大幅降低了零件数量，相对于一般整流器，加工及管理成本降低1/2以上。具体制造时，将整流器圆周切分3瓣，保证可以一次装夹完成全部加工，避免了多次装夹导致的叶身表面接刀痕和定位不准确问题，同时，分瓣加工而装配时拼接的设计可以保证压气机部件装配时整流器径向插入，解决了整体压气机转子与静子的装配干涉问题。整流器角向切分，采用斜切46°的最优角度，既能保证切分，又可避免损伤叶片，同时保证3处切分统一为该角度，降低加工难度，降低错误切分角度概率。

在叶片的设计上，通过气动数值模拟分析，设计了合理的叶尖直径，可以将该整流器叶片叶尖与转子的间隙控制到设计范围内，取消了整流器常用的内环设计，设计为悬臂结构，精简零件数量，降低了零件成本。

设计结构中，外环外圆柱面中部加工减重槽，既能保证整流器的径向定位，又减小了配合面的宽度，从而保证装配时既能保证径向定位又不会因为装配面变形造成装配干涩而无法装配，同时减小了零件重量，满足发动机尽量减重的原则。

同时，外环前后端面附近设计了径向止口，既保证了径向压紧，又保证了轴向定位，同时也可以保证切分3瓣后组合装配状态的整体刚性。

外环前端面设计了角向定位槽，保证加工叶片叶型时角向定位，作为前侧标志，作为防错措施避免整流器前后装反。

最终设计得到的一种具体的整流器，该整流器结构紧凑，在外径仅约φ200，轴向宽度仅约13mm空间内设计了80余片叶片，可以保证约5kg/s的气流流量。

将强度计算分析结合到零件设计全过程，在保证结构功能和强度安全裕度的情况下，采用了控制壁厚、设计减重槽、减小根部倒R、增大非工作区域倒角等方式减小零件重量，相对一般整流器重量轻约10％，仅约120g。

采用本发明设计思想，将设计结构应用于一款小型航空发动机轴流压气机，作为整流器压气机的重要组成部分，实现对发动机进气增压的作用。本发明结合压气机单级转子实现约1.4的单级增压比，零件稳定性好，长期应力变形小，相对于常规整流环设计，加工工时缩短30％，加工工序减少90％，材料种类减少50％，装配工时减少100％，特种工艺减少100％，特种工艺减少工时100％，总成本减低50％。

一种小型高效低成本拼接式组合整流器，其结构如图2所示，主要包括80 片叶片3结构和1件外环1，由材料为1Cr17Ni2的锻件整体加工而成，角向切分3瓣。该整流器前侧承接上游压气机转子增压的气流，经该整流器减速增压并调整气流方向流入下一级转子，结合其前侧构成的转子单级增压比可达1.4。

叶片3的主要作用是为通过整流器通道的气流减速增压并调整气流方向，是整流器的核心结构，设计过程中采用了较为简单的类直纹面设计(图6)，轴向扭转小，在满足设计性能要求(增压比约1.4)下，减小扭曲量，减小气动损失，同时降低加工难度，保证在较大稠度，叶片间距很小(仅约8mm)的情况下铣刀仍然可以完成型面加工。外环1的主要作用为支撑叶片3，保证叶片在承受高压高速气流冲击作用下不发生位移，固定其位置，经强度计算分析，在保证强度安全裕度的情况下，外环厚度仅为1mm，有效满足发动机减重需求。外环上设计有外定位面1a、减重槽1b、角定位槽1c、前止口1d、后止口 1e，外定位面1a采用圆柱定位面结构，用于保证径向定位及支撑要求，中部开设的减重槽1b可以减小定位面宽度，防止装配过约束，避免装配干涉，同时减小零件重量。角定位槽1c用于加工叶片叶型时的角向定位，同时作为防错措施之一防止前后装反。前止口1d、后止口1e呈L型相配设计形式，保证径向定位和轴向定位，同时前轴向长度的不一致设计可以作为防装反措施。

整流环角向切分3瓣，保证可以一次装夹完成全部加工，避免了多次装夹导致的叶身表面接刀痕和反复装拆定位不准确问题，同时，加工分瓣而装配时拼接的设计可以保证压气机部件装配时整流器可以实现径向插入的装配方式，解决了整体压气机转子与静子的装配干涉问题。整流器角向切分时采用斜切 46°的最优角度(图5)，既能保证切分，又可避免损伤叶片，同时保证3处切分统一为该角度，降低加工难度，降低错误切分角度概率。

本发明提供的一种小型高效低成本拼接式组合整流器，解决小型压气机批量加工的效率低、成本高、耗时长，零件多，工序复杂，生产管理困难等问题；本发明创新设计拼接组合结构，该定位结构通过了发动机装配试车，定位稳定可靠。

以上具体实施方式或案例仅用于解释说明本发明的技术方案，并非对本申请进行限制，未详细说明部分均视为本领域常规技术手段或公知常识；本领域的普通技术人员应当理解：基于本申请的设计思想，应当可以对前述实施方式所记载的技术方案进行适应性修改，或对其中部分或全部技术特征进行等同替换，这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种拼接式组合整流器，其特征在于，所述整流器由外环和叶片整体设计而成，外环用于定位支撑叶片，叶片对通过的进气气流进行减速增压并调整流动方向；所述外环采用三段拼接而成，任意一段的外环与叶片为同一锻件加工而成；三段拼接时，侧面通过外环侧壁配合进行角向定位，保证角向定位关系；同时在外环前、后两侧设计了定位止口，通过相配件止口定位的方式进行径向和轴向定位，外侧压紧在机匣内壁上。

2.如权利要求1所述的拼接式组合整流器，其特征在于，三段外环的截面通过结构空间计算，在满足强度的前提下增大了截面面积，保证角向定位的稳定性。

3.如权利要求1所述的拼接式组合整流器，其特征在于，所述外环端拼接端设置有外定位面、角定位槽、前止口、后止口、减重槽；相连两段外环之间的前止口与后止口相配；外定位面不参与拼接，三段拼接后形成整环，在外径凹槽处采用保险丝勒紧，然后轴向压入机匣，当部分外径轴向进入机匣后，与机匣内径形成配合,拆除保险丝，装配下一级，直至所有级别装配完成；

机匣上设计有轴向定位凸台，与整流器角向定位槽相配合，拼接后的整流器轴向压入机匣时,需将角向定位槽与机匣定住凸台对正，以防止整流器在工作时在气动力和据动力作用下周向转动。

4.如权利要求3所述的拼接式组合整流器，其特征在于，外环前端面设计有角定位槽，用于叶片角向初始位置定位，同时装配时保证该角向槽向前，以保证装配关系。

5.如权利要求3所述的拼接式组合整流器，其特征在于，前止口、后止口均呈L型结构。

6.如权利要求5所述的拼接式组合整流器，其特征在于，前、后止口轴向宽度不一致。

7.如权利要求1所述的拼接式组合整流器，其特征在于，所述叶片与外环构成悬臂结构；所述叶片的叶型及叶尖直径通过气动数值模拟分析优化确定；叶片设计时，通过气动设计确定叶型的设计和叶片数量要求，以保证在优先的紧凑空间内实现整流器减速增压以及流向调整的功能。

8.如权利要求7所述的拼接式组合整流器，其特征在于，所述叶片采用较为简单的类直纹面设计，轴向扭转小。

9.一种拼接式组合整流器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

S1、将整流器划分为三段，第一段圆心角为122°，第二段圆心角为118°，第三段圆心角为120°，切分时沿轴向进行偏转，以避开叶片；

S2、每一段整流器加工时，首先内外环粗基准，然后加工外径主基准，加工过外径主基准后，以此定位经历两轮叶型加工，首轮加工为粗加工，留有一定余量，铣刀完成从叶盆到叶背的整个叶型加工；第二轮为精加工，两轮加工加工刀具、进给量的工艺参数有所差别，第二轮加工精度更高，以兼顾加工效率和加工精度；

S3、三段加工的整流器需通过工装进行模拟装配，以保证正式装配的快速准确；正式装配前除模拟装配，不需要拼接，装配时通过机匣内壁、相配件直径止口径向压紧定位，通过相配件止口端面轴向定位，通过外环侧面角向定位。

10.如权利要求9所述的一种拼接式组合整流器的制造方法，其特征在于，步骤S2加工过程中只进行一次装夹，以避免二次装夹导致的接刀。

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