具有三组改装机匣的轴流式压气机的实现方法技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术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，Cp为比定压热容，qm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，ηm为电机轴功率转换效率。所述的第一级转子叶片攻角为i＝β1k-β1，其中：β1＝arctan(C1a/u1)，u1＝π×D1×n÷60，所述的β1k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，C1a为第一级转子叶片的进口轴向速度，λ1a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，qm1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(λ1a)为第一级转子叶片的进口无因次密流。本专利技术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，本专利技术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为本专利技术中榫头结构示意图；图3为本专利技术中改装转子外环与转子叶片装配结构示意图；图4为本专利技术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专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术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，但本专利技术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，Cp为比定压热容；对于空气，k＝1.4，Cp＝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qm为2.65kg/s，为2.0，为0.60，ηm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＝β1k-β1，其中：β1＝arctan(C1a/u1)，u1＝π×D1×n÷60，测量得到β1k＝41°，qm1＝2.65kg/s，k＝1.4，P1*＝0.995×101.32×103kpa，T1*＝288℃，A1＝3.94×10-2m2，D1＝0.3084m，则q(λ1a)＝0.2797，可计算得出：λ1a＝0.18，故u1＝π×D1×n÷60＝161.5m/s，β1＝19°，i＝β1k-β1＝22°；在上本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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。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。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，所述的电机带转所需功率为其中：k为完全气体比热比，Cp为空气比定压热容，qm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，ηm为电机轴功率转换效率。5.根据权利要求1或2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＝β1k-β1，其中：β1＝arctan(C1a/u1)，u1＝π×D1×n÷60，所述的β1k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，C1a为第一级转子叶片的进口轴向速度，λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕金芳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31