前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法
前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法，属叶轮机械技术领域。
【背景技术】
[0002]对于工业轴流压气机或燃气涡轮发动机轴流压气机，为了扩大其高效率工作范围，可采用静子叶片安装角可调技术。如:Linder, c.G.and Jones.B.A发表的题为“Single-stage experimental evaluat1n of variable geometry guide vanes andstators.Part II annular cascade investigat1ns of candidate variable geometrydesigns” (NASA CR-54555、1967 年)的文章。
[0003]对于第一级进口导叶，采用安装角可调，会造成叶片进口较大正攻角或负攻角，导致损失增加。Grahl, k.和 Tabakoff, W.于 1967 年发表的 “Off-design behav1r foraxial flow compressor stages with invariable and variable geometry blades，，(AD767265，Sep.1973)提出前段固定、后段转动叶片结构，以实现叶片出口角度调整时进口角度不变，使叶片始终处于有利攻角(不造成叶片表面流动分离的低损失进气角)。
[0004]对于最后一级静子，出口气流流动方向需要保持轴向，通常最后一级(末级)静子不可调。因此随着压气机工作状态变化，末级静子可能处于较大正、负攻角下工作，导致损失增加。周正贵、李琪申请的发明专利“前半段可调静子叶片”(专利申请号:201510000610.6)中提出一种前半段可调、后半段固定静子，适用于未级静子、改善其非设计工况性能。
[0005]但是对于多级轴流压气机的中间级静子，随着压气机工作状态变化，其上游转子出口气流亦即该中间级静子上游的进口气流角变化；并且该静子下游转子进口气流方向也会相应变化。因此对于压气机中间级静子叶片，需要叶片前半段可调以使中间级静子叶片本身处于有利攻角；后半段可调以使该静子下游转子处于有利攻角。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法，适应于轴流压气机中间级静子，达到对中间级静子叶片自身攻角调节和其下游转子攻角的调节，提高压气机高效工作范围。
[0007]一种前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统，其特征在于:由单级静子和静子调节机构组成；上述单级静子包括若干静子叶片和静子内环；每个静子叶片均由前半段叶片、后半段叶片和连接圆柱组成；前半段叶片上半部具有套环结构，后半段叶片下半部具有套环结构；所述前半段叶片、后半段叶片与连接圆柱通过套环结构相连构成静子完整叶片，前半段叶片、后半段叶片与连接圆柱之间留有径向间隙；所述连接圆柱位于所形成的静子完整叶片最大厚度处；外机匣为分半式机匣，静子内环也分成两个半环；所述连接圆柱安装于外机匣与静子内环之间；上述静子调节机构包括前半段叶片调节机构和后半段叶片调节机构；其中前半段叶片调节机构由第一转动圈和第一转动圈驱动机构组成；上述外机匣具有第一环槽，上述每个静子叶片的前半段叶片均具有第一柱形牵动块，第一转动圈位于第一环槽内，并与所有第一柱形牵动块相连；第一转动圈驱动机构驱动第一转动圈转动，通过第一柱形牵动块带动前半段叶片进行前半段叶片角度调节；上述后半段叶片调节机构由第二转动圈和第二转动圈驱动机构组成；上述外机匣具有第二环槽，上述每个静子叶片的后半段叶片均具有第二柱形牵动块，第二转动圈位于第二环槽内，并与所有第二柱形牵动块相连；第二转动圈驱动机构驱动第二转动圈转动，通过第二柱形牵动块带动后半段叶片进行后半段叶片角度调节。
[0008]所述的用于轴流压缩机中间级的前后半段可调静子叶片系统的工作方法，其特征在于包括以下过程:步骤1、所述单级静子作为轴流压气机的中间级静子；中间级静子叶型由叶型设计方法得到，中间级静子的可调前半段叶片和后半段叶片不作旋转即为设计工况下的中间级静子叶型；步骤2、计算各种工况上游转子叶片出口气流角，据此旋转中间级静子前半段叶片、使其进口处于有利攻角；步骤3、计算各种工况下游转子叶片进口气流角，据此旋转中间级静子后半段叶片、使其下游转子进口处于有利攻角；步骤4、根据几何关系，由可调前半段叶片和可调后半段叶片的偏转的角度，分别计算出与前后半段叶片相连的转动圈需要的转动角度；进一步通过计算确定步进电机行程。
[0009]上述第一转动圈驱动机构和第二转动圈驱动机结构相同，具体如下:包括步进电机、布置于转动圈上的丝杆，还包括安装于步进电机输出轴并与丝杆配合的蜗杆。
[0010]本项发明与现有技术比较有以下优点:1)对于中间级静子通过转动前半段叶片可使该叶片自身处于有利攻角；转动后半段叶片可使该静子下游转子处于有利攻角；2)调节机构简单、易于工程实现。
[0011]本项发明所提出的可调前后半段静子叶片结构，可直接用于工业轴流压气机或燃气涡轮发动机轴流压气机中间级静子或需要进行叶片前后段角度调节的进口导叶和未级静子，提高压气机高效率工作范围和扩大稳定工作范围。
【附图说明】
[0012]图1前后半段可调静子叶片结构叶高方向投影；
图2前后半段可调静子叶片结构叶高侧向投影；
图3前后半段可调静子叶片结构剖视图；
图4叶片在压气机上安装子午面方向投影；
图5第一转动圈及蜗轮蜗杆机构；
图中标号名称:1.前半段叶片、2.连接圆柱、3.套环、4.后半段叶片、5-1.第一柱形牵动块 、5-2.第二柱形牵动块、6.外机匣、7-1.第一环槽、7-2.第二环槽、8-1.第一转动圈、
8-2.第二转动圈、9-1.上游转子叶片、9-2.下游转子叶片、10.静子内环、11.轮毂、12.转动角度、13.蜗轮丝杆、14.蜗杆、15.步进电机。
[0013]具体实施方法
以下结合图1至图5说明本发明前后半段可调静子叶片实施方法。静子叶片前后半段组合构成静子叶片整体，叶片整体按常规设计方法设计，即根据设计点静子叶片进出口气流角沿叶高分布，进行沿叶高方向若干个二维叶型设计，再沿叶高将这些二维叶型积叠构成三维叶片。根据以上设计的三维叶片外形选定连接圆柱2外径与所处叶片位置(在叶片最大厚度附近);进而将叶片分割成前半段叶片I和后半段叶片4。前半段叶片I加工时，上半部加工出套环3、后半段叶片4加工时，下半部加工出套环3 ;前后半段叶片通过套环与连接圆柱相连、并留有间隙可相对转动。连接圆柱与叶片前后半段构成整体静子叶片；连接圆柱两端插入外机匣6和静子内环10上孔内，实现静子叶片在外机匣上与静子内环的安装。根据前后半段叶片上柱形牵动块的位置确定与其相配的转动圈在外机匣上的安装位置；根据转动圈和安装与其上的蜗轮丝杆13以及配合的蜗杆14、步进电机15的尺寸及位置，确定外机匣上开槽形状、尺寸；所开槽分为两部分，大致为一环形槽(安装转动圈)和一矩形槽(安装步进电机、蜗杆、并为蜗杆运动留有空间)。转动圈安装在外机匣槽内应可转动，步进电机在外机匣上采用螺钉固定。前半段叶片和后半段叶片各装一套由转动圈、蜗轮蜗杆、步进电机组成的角度调节机构。
[0014]具体实施过程。根据叶片前后半段转动角度要求，分别计算出与前后半段叶片相连的转动圈需要的转动角度12 ;进一步通过计算确定步进电机行程。步进电机转动逐次带动蜗杆转动、蜗轮转动、转动圈转动、柱形牵动块运动、前半段或后半段叶片转动。
【主权项】
1.一种前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统，其特征在于: 由单级静子和静子调节机构组成； 上述单级静子包括若干静子叶片和静子内环(10);每个静子叶片均由前半段叶片(I )、后半段叶片(4)和连接圆柱(2)组成；前半段叶片(I)上半部具有套环结构，后半段叶片(4)下半部具有套环结构；所述前半段叶片(1)、后半段叶片(4)与连接圆柱(2)通过套环结构相连构成静子完整叶片，前半段叶片、后半段叶片与连接圆柱(2)之间留有径向间隙；所述连接圆柱(2)位于所形成的静子完整叶片最大厚度处；外机匣(6)为分半式机匣，静子内环(10)也分成两个半环；所述连接圆柱(2)安装于外机匣(6)与静子内环(10)之间； 上述静子调节机构包括前半段叶片调节机构和后半段叶片调节机构； 其中前半段叶片调节机构由第一转动圈(8-1)和第一转动圈驱动机构组成；上述外机匣(6 )具有第一环槽(7-1)，上述每个静子叶片的前半段叶片(I)均具有第一柱形牵动块(5-1),第一转动圈(8-1)位于第一环槽(7-1)内，并与所有第一柱形牵动块(5-1)相连；第一转动圈驱动机构驱动第一转动圈(8-1)转动，通过第一柱形牵动块(5-1)带动前半段叶片(I)进行前半段叶片角度调节； 上述后半段叶片调节机构由第二转动圈(8-2)和第二转动圈驱动机构组成；上述外机匣(6)具有第二环槽(7-2)，上述每个静子叶片的后半段叶片(4)均具有第二柱形牵动块(5-2)，第二转动圈(8-2)位于第二环槽(7-2)内，并与所有第二柱形牵动块(5-2)相连；第二转动圈驱动机构驱动第二转动圈(8-2)转动，通过第二柱形牵动块(5-2)带动后半段叶片(4)进行后半段叶片角度调节。2.根据权利要求1所述的前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统，其特征在于:上述第一转动圈驱动机构和第二转动圈驱动机结构相同，具体如下: 包括步进电机(15)、布置于转动圈上的丝杆(13)，还包括安装于步进电机(15)输出轴并与丝杆(13)配合的蜗杆(14)。3.根据权利要求1所述的用于轴流压缩机中间级的前后半段可调静子叶片系统的工作方法，其特征在于包括以下过程: 步骤1、所述单级静子作为轴流压气机的中间级静子；中间级静子叶型由叶型设计方法得到，中间级静子的可调前半段叶片(I)和后半段叶片(4)不作旋转即为设计工况下的中间级静子叶型； 步骤2、计算各种工况上游转子叶片(9-1)出口气流角，据此旋转中间级静子前半段叶片(I)、使其进口处于有利攻角； 步骤3、计算各种工况下游转子叶片(9-2)进口气流角，据此旋转中间级静子后半段叶片(4)、使其下游转子(9-2)进口处于有利攻角； 步骤4、根据几何关系，由可调前半段叶片(I)和可调后半段叶片(4)的偏转的角度，分别计算出与前后半段叶片相连的转动圈需要的转动角度(12);进一步通过计算确定步进电机行程。
【专利摘要】本发明涉及前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法，属叶轮机械技术领域。该单级静子叶片分成前半段可调叶片（1）和后半段可调叶片（4），前后半段可调叶片的套环结构（3）通过连接圆柱（2）连接，连接圆柱（2）位于末级静子叶片最大厚度处，并安装于外机匣与静子内环之间；步进电机转动逐次带动蜗杆转动、蜗轮转动、转动圈转动、柱形牵动块运动、前半段或后半段叶片转动，实现角度调节。本项发明与现有技术比较有以下优点：1）对于中间级静子通过转动前半段叶片可使该叶片自身处于有利攻角；转动后半段叶片可使该静子下游转子处于有利攻角；2）调节机构简单、易于工程实现。
【IPC分类】F04D29/38
【公开号】CN104895839
【申请号】CN201510191499
【发明人】周正贵, 曹晖
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月22日
【技术领域】
[0001]本发明涉及前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法，属叶轮机械技术领域。
【背景技术】
[0002]对于工业轴流压气机或燃气涡轮发动机轴流压气机，为了扩大其高效率工作范围，可采用静子叶片安装角可调技术。如:Linder, c.G.and Jones.B.A发表的题为“Single-stage experimental evaluat1n of variable geometry guide vanes andstators.Part II annular cascade investigat1ns of candidate variable geometrydesigns” (NASA CR-54555、1967 年)的文章。
[0003]对于第一级进口导叶，采用安装角可调，会造成叶片进口较大正攻角或负攻角，导致损失增加。Grahl, k.和 Tabakoff, W.于 1967 年发表的 “Off-design behav1r foraxial flow compressor stages with invariable and variable geometry blades，，(AD767265，Sep.1973)提出前段固定、后段转动叶片结构，以实现叶片出口角度调整时进口角度不变，使叶片始终处于有利攻角(不造成叶片表面流动分离的低损失进气角)。
[0004]对于最后一级静子，出口气流流动方向需要保持轴向，通常最后一级(末级)静子不可调。因此随着压气机工作状态变化，末级静子可能处于较大正、负攻角下工作，导致损失增加。周正贵、李琪申请的发明专利“前半段可调静子叶片”(专利申请号:201510000610.6)中提出一种前半段可调、后半段固定静子，适用于未级静子、改善其非设计工况性能。
[0005]但是对于多级轴流压气机的中间级静子，随着压气机工作状态变化，其上游转子出口气流亦即该中间级静子上游的进口气流角变化；并且该静子下游转子进口气流方向也会相应变化。因此对于压气机中间级静子叶片，需要叶片前半段可调以使中间级静子叶片本身处于有利攻角；后半段可调以使该静子下游转子处于有利攻角。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提出一种前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法，适应于轴流压气机中间级静子，达到对中间级静子叶片自身攻角调节和其下游转子攻角的调节，提高压气机高效工作范围。
[0007]一种前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统，其特征在于:由单级静子和静子调节机构组成；上述单级静子包括若干静子叶片和静子内环；每个静子叶片均由前半段叶片、后半段叶片和连接圆柱组成；前半段叶片上半部具有套环结构，后半段叶片下半部具有套环结构；所述前半段叶片、后半段叶片与连接圆柱通过套环结构相连构成静子完整叶片，前半段叶片、后半段叶片与连接圆柱之间留有径向间隙；所述连接圆柱位于所形成的静子完整叶片最大厚度处；外机匣为分半式机匣，静子内环也分成两个半环；所述连接圆柱安装于外机匣与静子内环之间；上述静子调节机构包括前半段叶片调节机构和后半段叶片调节机构；其中前半段叶片调节机构由第一转动圈和第一转动圈驱动机构组成；上述外机匣具有第一环槽，上述每个静子叶片的前半段叶片均具有第一柱形牵动块，第一转动圈位于第一环槽内，并与所有第一柱形牵动块相连；第一转动圈驱动机构驱动第一转动圈转动，通过第一柱形牵动块带动前半段叶片进行前半段叶片角度调节；上述后半段叶片调节机构由第二转动圈和第二转动圈驱动机构组成；上述外机匣具有第二环槽，上述每个静子叶片的后半段叶片均具有第二柱形牵动块，第二转动圈位于第二环槽内，并与所有第二柱形牵动块相连；第二转动圈驱动机构驱动第二转动圈转动，通过第二柱形牵动块带动后半段叶片进行后半段叶片角度调节。
[0008]所述的用于轴流压缩机中间级的前后半段可调静子叶片系统的工作方法，其特征在于包括以下过程:步骤1、所述单级静子作为轴流压气机的中间级静子；中间级静子叶型由叶型设计方法得到，中间级静子的可调前半段叶片和后半段叶片不作旋转即为设计工况下的中间级静子叶型；步骤2、计算各种工况上游转子叶片出口气流角，据此旋转中间级静子前半段叶片、使其进口处于有利攻角；步骤3、计算各种工况下游转子叶片进口气流角，据此旋转中间级静子后半段叶片、使其下游转子进口处于有利攻角；步骤4、根据几何关系，由可调前半段叶片和可调后半段叶片的偏转的角度，分别计算出与前后半段叶片相连的转动圈需要的转动角度；进一步通过计算确定步进电机行程。
[0009]上述第一转动圈驱动机构和第二转动圈驱动机结构相同，具体如下:包括步进电机、布置于转动圈上的丝杆，还包括安装于步进电机输出轴并与丝杆配合的蜗杆。
[0010]本项发明与现有技术比较有以下优点:1)对于中间级静子通过转动前半段叶片可使该叶片自身处于有利攻角；转动后半段叶片可使该静子下游转子处于有利攻角；2)调节机构简单、易于工程实现。
[0011]本项发明所提出的可调前后半段静子叶片结构，可直接用于工业轴流压气机或燃气涡轮发动机轴流压气机中间级静子或需要进行叶片前后段角度调节的进口导叶和未级静子，提高压气机高效率工作范围和扩大稳定工作范围。
【附图说明】
[0012]图1前后半段可调静子叶片结构叶高方向投影；
图2前后半段可调静子叶片结构叶高侧向投影；
图3前后半段可调静子叶片结构剖视图；
图4叶片在压气机上安装子午面方向投影；
图5第一转动圈及蜗轮蜗杆机构；
图中标号名称:1.前半段叶片、2.连接圆柱、3.套环、4.后半段叶片、5-1.第一柱形牵动块 、5-2.第二柱形牵动块、6.外机匣、7-1.第一环槽、7-2.第二环槽、8-1.第一转动圈、
8-2.第二转动圈、9-1.上游转子叶片、9-2.下游转子叶片、10.静子内环、11.轮毂、12.转动角度、13.蜗轮丝杆、14.蜗杆、15.步进电机。
[0013]具体实施方法
以下结合图1至图5说明本发明前后半段可调静子叶片实施方法。静子叶片前后半段组合构成静子叶片整体，叶片整体按常规设计方法设计，即根据设计点静子叶片进出口气流角沿叶高分布，进行沿叶高方向若干个二维叶型设计，再沿叶高将这些二维叶型积叠构成三维叶片。根据以上设计的三维叶片外形选定连接圆柱2外径与所处叶片位置(在叶片最大厚度附近);进而将叶片分割成前半段叶片I和后半段叶片4。前半段叶片I加工时，上半部加工出套环3、后半段叶片4加工时，下半部加工出套环3 ;前后半段叶片通过套环与连接圆柱相连、并留有间隙可相对转动。连接圆柱与叶片前后半段构成整体静子叶片；连接圆柱两端插入外机匣6和静子内环10上孔内，实现静子叶片在外机匣上与静子内环的安装。根据前后半段叶片上柱形牵动块的位置确定与其相配的转动圈在外机匣上的安装位置；根据转动圈和安装与其上的蜗轮丝杆13以及配合的蜗杆14、步进电机15的尺寸及位置，确定外机匣上开槽形状、尺寸；所开槽分为两部分，大致为一环形槽(安装转动圈)和一矩形槽(安装步进电机、蜗杆、并为蜗杆运动留有空间)。转动圈安装在外机匣槽内应可转动，步进电机在外机匣上采用螺钉固定。前半段叶片和后半段叶片各装一套由转动圈、蜗轮蜗杆、步进电机组成的角度调节机构。
[0014]具体实施过程。根据叶片前后半段转动角度要求，分别计算出与前后半段叶片相连的转动圈需要的转动角度12 ;进一步通过计算确定步进电机行程。步进电机转动逐次带动蜗杆转动、蜗轮转动、转动圈转动、柱形牵动块运动、前半段或后半段叶片转动。
【主权项】
1.一种前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统，其特征在于: 由单级静子和静子调节机构组成； 上述单级静子包括若干静子叶片和静子内环(10);每个静子叶片均由前半段叶片(I )、后半段叶片(4)和连接圆柱(2)组成；前半段叶片(I)上半部具有套环结构，后半段叶片(4)下半部具有套环结构；所述前半段叶片(1)、后半段叶片(4)与连接圆柱(2)通过套环结构相连构成静子完整叶片，前半段叶片、后半段叶片与连接圆柱(2)之间留有径向间隙；所述连接圆柱(2)位于所形成的静子完整叶片最大厚度处；外机匣(6)为分半式机匣，静子内环(10)也分成两个半环；所述连接圆柱(2)安装于外机匣(6)与静子内环(10)之间； 上述静子调节机构包括前半段叶片调节机构和后半段叶片调节机构； 其中前半段叶片调节机构由第一转动圈(8-1)和第一转动圈驱动机构组成；上述外机匣(6 )具有第一环槽(7-1)，上述每个静子叶片的前半段叶片(I)均具有第一柱形牵动块(5-1),第一转动圈(8-1)位于第一环槽(7-1)内，并与所有第一柱形牵动块(5-1)相连；第一转动圈驱动机构驱动第一转动圈(8-1)转动，通过第一柱形牵动块(5-1)带动前半段叶片(I)进行前半段叶片角度调节； 上述后半段叶片调节机构由第二转动圈(8-2)和第二转动圈驱动机构组成；上述外机匣(6)具有第二环槽(7-2)，上述每个静子叶片的后半段叶片(4)均具有第二柱形牵动块(5-2)，第二转动圈(8-2)位于第二环槽(7-2)内，并与所有第二柱形牵动块(5-2)相连；第二转动圈驱动机构驱动第二转动圈(8-2)转动，通过第二柱形牵动块(5-2)带动后半段叶片(4)进行后半段叶片角度调节。2.根据权利要求1所述的前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统，其特征在于:上述第一转动圈驱动机构和第二转动圈驱动机结构相同，具体如下: 包括步进电机(15)、布置于转动圈上的丝杆(13)，还包括安装于步进电机(15)输出轴并与丝杆(13)配合的蜗杆(14)。3.根据权利要求1所述的用于轴流压缩机中间级的前后半段可调静子叶片系统的工作方法，其特征在于包括以下过程: 步骤1、所述单级静子作为轴流压气机的中间级静子；中间级静子叶型由叶型设计方法得到，中间级静子的可调前半段叶片(I)和后半段叶片(4)不作旋转即为设计工况下的中间级静子叶型； 步骤2、计算各种工况上游转子叶片(9-1)出口气流角，据此旋转中间级静子前半段叶片(I)、使其进口处于有利攻角； 步骤3、计算各种工况下游转子叶片(9-2)进口气流角，据此旋转中间级静子后半段叶片(4)、使其下游转子(9-2)进口处于有利攻角； 步骤4、根据几何关系，由可调前半段叶片(I)和可调后半段叶片(4)的偏转的角度，分别计算出与前后半段叶片相连的转动圈需要的转动角度(12);进一步通过计算确定步进电机行程。
【专利摘要】本发明涉及前后半段可调的轴流压气机静子叶片系统及其工作方法，属叶轮机械技术领域。该单级静子叶片分成前半段可调叶片（1）和后半段可调叶片（4），前后半段可调叶片的套环结构（3）通过连接圆柱（2）连接，连接圆柱（2）位于末级静子叶片最大厚度处，并安装于外机匣与静子内环之间；步进电机转动逐次带动蜗杆转动、蜗轮转动、转动圈转动、柱形牵动块运动、前半段或后半段叶片转动，实现角度调节。本项发明与现有技术比较有以下优点：1）对于中间级静子通过转动前半段叶片可使该叶片自身处于有利攻角；转动后半段叶片可使该静子下游转子处于有利攻角；2）调节机构简单、易于工程实现。
【IPC分类】F04D29/38
【公开号】CN104895839
【申请号】CN201510191499
【发明人】周正贵, 曹晖
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月22日
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