一種具有正n棱柱側面出口的無葉擴壓段結構及加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構及其加工方法，屬于中小型航空發(fā)動機壓氣機【技術領域】，其關鍵在于通過在鉆孔結束的管式擴壓器進口采用去除由擴壓器前緣點所構成的正N棱柱區(qū)域內(nèi)材料的方式加工無葉擴壓段，或銑完葉片的混合式擴壓器進口采用去除由擴壓器蓋側前緣點所構成的正N邊形沿著旋轉軸拉伸到盤側所構成的正N棱柱區(qū)域內(nèi)材料的方式加工無葉擴壓段，完成無葉擴壓段與管式擴壓器或混合式擴壓器前緣的光滑轉接。該發(fā)明可直接用于應用管式擴壓器或混合式擴壓器的中小型航空發(fā)動機高壓比離心壓氣機，能夠在不增加壓氣機擴壓器加工制造成本的前提下提高離心壓氣機的效率和穩(wěn)定工作裕度。
【專利說明】一種具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構及加工方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明闡述了一種具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構及加工方法，能夠在不增加擴壓器加工難度和制造成本的前提下實現(xiàn)管式擴壓器或混合式擴壓器復雜前緣形狀與無葉擴壓段的光滑連接，減小無葉擴壓段與管式擴壓器或混合式擴壓器前緣連接處的損失，提高管式擴壓器和混合式擴壓器的性能，進而提高離心壓氣機的效率和穩(wěn)定工作裕度，特別適用于采用管式擴壓器或混合式擴壓器的中小型航空發(fā)動機高壓比離心壓氣機。

【背景技術】
[0002]離心壓氣機由于具有單級壓比高、工作范圍寬、結構簡單、可靠性高等優(yōu)點在小型燃氣輪機及中小型航空發(fā)動機中得到了廣泛的應用。然而隨著離心壓氣機壓比的不斷提高，離心葉輪出口馬赫數(shù)也不斷增加，出口氣流變得更加不均勻，使得擴壓器的工作條件惡化，增加了擴壓器內(nèi)的損失，同時造成離心葉輪與擴壓器之間的匹配困難，大大降低了離心壓氣機的性能。
[0003]管式擴壓器是由沿周向均布的一系列擴壓管道構成，相鄰的兩個通道在進口部分相貫，在進口輪盤和輪蓋側形成大前掠的燕尾型前緣，相比于傳統(tǒng)的葉片式擴壓器，管式擴壓器這種特殊的前緣結構對于高馬赫數(shù)的氣流適應性較好，能夠有效提高高壓比離心壓氣機的效率和穩(wěn)定工作裕度，十分適合高壓比離心壓氣機。但是管式擴壓器加工上有一定的難度，加工精度較難保證。
[0004]混合式擴壓器較好的解決了管式擴壓器加工問題，采用類似于D形的通道截面，只在輪蓋處形成大前掠的前緣來適應葉輪出口由于葉頂間隙泄漏流產(chǎn)生的不均勻流動。這樣混合式擴壓器就能夠采用與普通楔形擴壓器相同的方法完成加工。
[0005]然而不論是管式擴壓器還是混合式擴壓器，其相貫形成的前緣與無葉擴壓段相接時都會產(chǎn)生不連續(xù)現(xiàn)象。以管式擴壓器為例，如圖1所示，加工時先在圓環(huán)材料上按照特定的中心線5經(jīng)過鉆孔完成擴壓器加工。這樣在圓環(huán)材料的內(nèi)圓柱面3上就會出現(xiàn)由于圓柱相貫而形成的起伏12。當葉輪I出口 2處的超聲速流體進入無葉擴壓段10到達擴壓器內(nèi)環(huán)面3處時由于起伏12的存在會產(chǎn)生強烈的激波，造成總壓損失，激波與附面層相互干涉容易造成流動分離進一步增大損失，同時不利于氣流在擴壓通道6中的擴壓。當起伏12較小時一般不對其進行處理，而當起伏較大時，通過機加將鉆孔終止點11與圓環(huán)材料內(nèi)圓柱面3之間的起伏除去，與葉輪出口接平，這樣無葉擴壓段的出口為圓柱面。雖然這種處理方式可以大大減小無葉擴壓段內(nèi)的起伏，但是在無葉擴壓段出口與燕尾型前緣相接處仍然會出現(xiàn)臺階13，它的存在也會在高速來流下產(chǎn)生激波，沒有從根本上解決無葉擴壓段與燕尾型前緣的轉接問題?；旌鲜綌U壓器在蓋側也有類似問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種簡單的無葉擴壓段結構使其能夠在不破壞管式擴壓器或混合式擴壓器前緣結構的前提下，與管式擴壓器或混合式擴壓器的前緣光滑轉接，減小由于二者轉接不光滑產(chǎn)生的流動損失。
[0007]對于管式擴壓器，加工時先按照擴壓通道中心線經(jīng)過兩次鉆孔形成擴壓器前緣喉部、擴壓通道及葉片。其中鉆孔的最深處為擴壓器前緣點，即管式擴壓器的鉆孔終止點。此時在圓環(huán)材料的內(nèi)圓柱面上就會出現(xiàn)由于圓柱相貫而形成的起伏。將擴壓器通道輪盤側的鉆孔終止點與相鄰通道的鉆孔終止點用直線相連，則這些直線在擴壓器通道50%葉高截面上的投影會與相應的擴壓通道的中心線部分重合，所有直線在輪盤平面上組成一個正N邊形，其中N為管式擴壓器的擴壓通道數(shù)目。同樣將擴壓器輪蓋側的鉆孔終止點用直線相連，這些直線在擴壓器通道50%葉高平面上的投影也會與相應的通道中心線部分重合，在輪蓋平面上形成一個正N邊形。以這兩個正N邊形為底面組成一個正N棱柱。通過機加將管式擴壓器環(huán)形材料與該正N棱柱相交的材料去除形成無葉擴壓段的出口，此時無葉擴壓段的出口為正N棱柱的側面。
[0008]由于輪盤面和輪蓋面均平行于擴壓器通道50%葉高截面，且相鄰通道鉆孔終止點的連線在擴壓器通道50%葉高截面上的投影與相應的通道中心線重合，所以在無葉擴壓段出口處輪盤面與輪蓋面均與管式擴壓器前部圓柱面相切。這樣就完成了無葉擴壓段與管式擴壓器前緣的光滑轉接。
[0009]對于混合式擴壓器，首先按照設計好的葉型及前緣結構在銑床上將擴壓器前緣、喉部、擴壓通道及葉片銑出。將輪蓋側各個通道的前緣點與相鄰通道的前緣點用直線相連形成正N邊形。將該正N邊形沿著與葉輪旋轉軸線平行的方向拉伸直到輪盤面形成無葉擴壓段的正N邊形柱面?zhèn)让娉隹?。將正N棱柱與擴壓器輪蓋處相交的材料去除，同樣輪蓋面上的正N邊形與混合式擴壓器前緣相貫管道圓柱面相切，完成無葉擴壓段與輪蓋側圓柱面的光滑轉接。
[0010]所述無葉擴壓段結構適用于在滿足能夠形成相貫前緣的前提下通道數(shù)目為10到41的任意整數(shù)的管式擴壓器和混合式擴壓器，且在通道截面形狀不變的條件下，通道數(shù)目越少，通過使用所述結構完成其與擴壓器前緣光滑轉接所能起到的減小氣流損失的作用就越強。
[0011]進一步地，所述無葉擴壓段結構適用于包括圓形、橢圓形以及類橢圓形在內(nèi)的具有任意通道截面形狀的管式擴壓器和包括D形和U形在內(nèi)的具有任意截面形狀的混合式擴壓器，且在通道數(shù)目確定的條件下相貫形成大前掠前緣的兩曲面的曲率半徑越大，通過使用所述結構完成其與擴壓器前緣光滑轉接所能起到的減小氣流損失的作用就越強。
[0012]跟傳統(tǒng)的無葉擴壓段與管式擴壓器或混合式擴壓器前緣轉接的方式相比，所述的具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構能夠在不破壞擴壓器前緣的前提下完成與擴壓前緣和內(nèi)部通道的光滑轉接，避免了在超聲速來流條件下流體流過由于無葉擴壓段與擴壓器前緣轉接形成的起伏或臺階而產(chǎn)生的激波及流動分離損失，改善了擴壓器的進口條件，進一步減小了擴壓器內(nèi)部的損失，能有效提高高壓比離心壓氣機的性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為環(huán)形材料鉆孔結束后沿50%通道高度的剖視圖。
[0014]圖2為環(huán)形材料鉆孔結束后沿徑向剖開，顯示擴壓器前緣和無葉擴壓段的局部視圖。
[0015]圖3為環(huán)形材料鉆孔結束并按照傳統(tǒng)方法處理無葉擴壓段后沿50%通道高度的剖視圖。
[0016]圖4為環(huán)形材料鉆孔結束并按照傳統(tǒng)方法處理無葉擴壓段后沿徑向剖開，顯示擴壓器前緣和無葉擴壓段的局部視圖。
[0017]圖5為環(huán)形材料鉆孔結束并按照本發(fā)明所述方法處理無葉擴壓段后沿50%通道高度的剖視圖。
[0018]圖6為環(huán)形材料鉆孔結束并按照本發(fā)明所述方法處理無葉擴壓段后沿徑向剖開，顯示擴壓器前緣和無葉擴壓段的局部視圖。

【具體實施方式】
[0019]下面結合實例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0020]以截面形狀為圓形的管式擴壓器為例，如圖1所示，按照設計好的鉆孔方向，選用與設計擴壓器喉部具有相同直徑的鉆頭在環(huán)形鋁材或鋼材上沿中心線5鉆確定數(shù)目的孔，精確控制每一個孔的鉆孔結束點11，即擴壓器前緣點。
[0021]取與擴壓器設計擴張角相同的鉆頭沿軸線5鉆孔，當喉部9的長度達到設計值時結束鉆孔，完成擴壓通道6的加工。此時獲得的擴壓器前緣與無葉擴壓段如圖2所示，在環(huán)形材料內(nèi)環(huán)面3處每一個通道進口處盤側和蓋側均有起伏12。
[0022]將所有通道在盤側和蓋側的鉆孔終止點11與相鄰通道的鉆孔終止點相連，同時在盤側和蓋側形成如圖5虛線14處所示的正N邊形，盤側和蓋側的兩個正N邊形形成一個正N棱柱，采用機加方式將這個正N棱柱與環(huán)形材料相交的材料去除形成如圖6所示的擴壓器前緣與無葉擴壓段結構。
[0023]由于盤側與蓋側的虛線14形成的平面通過通道的中心線5，且無葉擴壓段盤側平面與蓋側平面與擴壓器通道50%葉高截面平行，所以在虛線14處，無論在盤側還是蓋側無葉擴壓段均與管式擴壓器圓柱形通道面相切，即無葉擴壓段與管式擴壓器前緣完成了光滑轉接。
[0024]按照類似的加工方式，對于混合式擴壓器，首先按照設計好的葉型及前緣結構在銑床上將擴壓器前緣8、喉部9、擴壓通道6及葉片7銑出。將輪蓋側各個通道的前緣點11與相鄰通道的前緣點用直線相連形成正N邊形。將該正N邊形沿著與葉輪旋轉軸線平行的方向拉伸直到輪盤面形成無葉擴壓段的正N邊形柱面?zhèn)让娉隹凇⒄齆棱柱與擴壓器輪蓋處相交的材料去除，同樣輪蓋面上的正N邊形與混合式擴壓器前緣相貫管道圓柱面相切，完成無葉擴壓段與輪蓋側圓柱面的光滑轉接。
[0025]此外，需要說明的是，本說明書中描述的具體實例，對于能夠形成相貫前緣的前提下具有任意通道數(shù)目的管式擴壓器和混合式擴壓器以及具有包括圓形、橢圓形以及類橢圓形在內(nèi)的具有任意通道截面形狀的管式擴壓器和包括D形和U在內(nèi)的具有任意截面形狀的混合式擴壓器均適用，且其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發(fā)明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構，應用于管式擴壓器或混合式擴壓器，其特征是:對于管式擴壓器，在環(huán)形本體鉆孔加工結束后，通過將管式擴壓器通道盤側及蓋側鉆孔終止點與相鄰通道鉆孔終止點相連形成兩個正N邊形，進一步由所述兩個正N邊形形成一個正N棱柱，通過機加方式將正N棱柱與管式擴壓器鉆孔后的環(huán)形本體相交的材料去除，加工出無葉擴壓段；對于混合式擴壓器，在葉片加工完成之后，將蓋側擴壓器通道的前緣點與相鄰通道的前緣點相連，形成正N邊形，將正N邊形沿著與葉輪旋轉軸線相同的方向拉伸至盤側形成正N棱柱，通過機加方式將正N棱柱與銑完葉片的混合式擴壓器相交的部分材料去除，加工出無葉擴壓段。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構，其特征是:所述無葉擴壓段與管式擴壓器或混合式擴壓器通道在進口相切，保證無葉擴壓段與管式擴壓器或混合式擴壓器前緣的光滑轉接。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構，其特征是:所述無葉擴壓段的出口為正N棱柱側面，所述正N棱柱由管式擴壓器各通道盤側與蓋側前緣點組成或者由混合式擴壓器各通道蓋側前緣點形成的正N邊形沿旋轉軸線拉伸至盤側形成。
4.根據(jù)權利要求1至3所述的具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構，其特征是:所述正N棱柱的棱數(shù)N與擴壓器通道數(shù)相同。
5.根據(jù)權利要求1至4所述的具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構，其特征是:在能夠形成相貫前緣的前提下擴壓器通道數(shù)目為整數(shù)值，且所述擴壓器通道數(shù)目為10到41。
6.根據(jù)權利要求1至5所述的具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構，其特征是:與所述無葉擴壓段相接的管式擴壓器截面形狀為包括圓形、橢圓形以及類橢圓形在內(nèi)的能夠通過相貫在盤側和蓋側形成大前掠前緣的任意通道截面形狀。
7.根據(jù)權利要求1至5所述的具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構，其特征是:與所述無葉擴壓段相接的混合式擴壓器截面形狀為包括D形和U形在內(nèi)的能夠通過相貫在蓋側形成大前掠前緣的任意通道截面形狀。
8.一種具有正N棱柱側面出口的無葉擴壓段結構的加工方法，應用于管式擴壓器或混合式擴壓器，其特征是:對于管式擴壓器，在環(huán)形本體鉆孔加工結束后，通過將管式擴壓器通道盤側及蓋側鉆孔終止點與相鄰通道鉆孔終止點相連形成兩個正N邊形，進一步由所述兩個正邊形形成一個正N棱柱，通過機加方式將正N棱柱與管式擴壓器鉆孔后的環(huán)形本體相交的材料去除，加工出無葉擴壓段；對于混合式擴壓器，在葉片加工完成之后，將蓋側擴壓器通道的前緣點與相鄰通道的前緣點相連，形成正N邊形，將正N邊形沿著與葉輪旋轉軸線相同的方向拉伸至盤側形成正N棱柱，通過機加方式將正N棱柱與銑完葉片的混合式擴壓器相交的部分材料去除，加工出無葉擴壓段。
【文檔編號】B23P15/00GK104500452SQ201410779739
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月16日 優(yōu)先權日:2014年12月16日
【發(fā)明者】韓戈, 盧新根, 趙勝豐, 陽誠武, 朱俊強 申請人:中國科學院工程熱物理研究所