用於航空發動機的可調導流葉片結構的製作方法

2023-06-07 00:53:56

本實用新型涉及航空發動機技術，尤其涉及用於航空發動機的可調導流葉片結構。

背景技術：

為了使現代民機航空發動機為達到較高的性能和經濟性，高壓壓氣機具有接近材料極限的切線速度，較高的級壓比，採用小展弦比葉片，導致高壓壓氣機中的流動變得極為複雜。高壓壓氣機前面級為跨音級，第一級轉子葉尖相對馬赫數大於1.4，葉片通道存在較強的通道激波，葉片前緣處可能存在斜激波，與前面導流葉片的尾跡、葉尖洩漏渦和端壁邊界層存在著複雜的相互作用，是發生旋轉失速的主要成因。因此第一級轉子葉片的工作環境最為惡劣，與其前面導流葉片的尾跡相互作用，使得轉/靜子間、級間的相互影響具有很強的非定常效應。高壓壓氣機進口導流葉片主要通過周向旋轉調節進口導流葉片的安裝角，控制流量的同時，引導氣流在進入第一級轉子葉片前產生預先旋轉，一般採用正預旋以降低第一級轉子葉片的進口相對馬赫數。

常規構型中，高壓壓氣機進口導流葉片只能周向旋轉調節控制氣流。當壓氣機在偏堵的情況下工作時，第一級轉子葉片常常會產生雙激波結構，這時近前緣處的斜激波會和進口導流葉片的尾跡的相互影響具有很強的非定常效應，尤其是現代壓氣機要求較高的裕度，採用較厚的導流葉片來適應不同的來流條件，從而產生較寬的尾跡直接與下遊的斜激波或脫體激波相交，甚至會加厚第一級轉子葉片的邊界層，引氣激波和邊界層幹涉，它造成的損失往往比激波本身的損失大得多。當壓氣機工作接近喘點時，槽道激波被前推，逐漸變成附體的正激波、略微脫體的正激波，完全脫體的正激波，直至基元流動發生失速。

因此，本領域需要一種改進的導流葉片結構。

技術實現要素：

以下給出一個或多個方面的簡要概述以提供對這些方面的基本理解。此概述不是所有構想到的方面的詳盡綜覽，並且既非旨在指認出所有方面的關鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的範圍。其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一些概念以為稍後給出的更加詳細的描述之序。

根據本實用新型的一方面，提供了一種用於航空發動機的可調導流葉片結構，包括位於中介機匣與高壓壓氣機的第一級轉子葉片之間、繞發動機旋轉軸周向分布的多個靜子葉片，該可調導流葉片結構還包括用於將該多個靜子葉片懸接於外機匣的葉片安裝座，該葉片安裝座包括環狀基座，該外機匣繞周向設有開口且在該開口處的邊緣部分皆設有凹部以容納該葉片安裝座的環狀基座，該凹部在發動機旋轉軸軸向上的尺寸大於該環狀基座在發動機旋轉軸軸向上的尺寸以使該葉片安裝座能沿發動機旋轉軸軸向移動，在該環狀基座上分布有多個葉片定位通孔，每個靜子葉片的軸頸穿過相應的葉片定位通孔以通過該葉片安裝座懸接於該外機匣，該可調導流葉片結構還包括用於使該葉片安裝座沿發動機旋轉軸作軸向運動的軸向作動機構。

在一實例中，該軸向作動機構包括設置於該外機匣的外側的至少一個軸向作動筒，該至少一個軸向作動筒經由連杆耦接至該葉片安裝座的作動筒連接部。

在一實例中，該外機匣在該開口處的邊緣部分的該凹部內設有上滑軌和下滑軌以咬合該葉片安裝座的該環狀基座。

在一實例中，該葉片安裝座還包括位於該環狀基座下方的環狀唇部，該環狀唇部與該外機匣的內壁相貼合。

在一實例中，該環狀唇部上與該外機匣的內壁相對的一面設有紋路以增強該環狀唇部與該外機匣的內壁的貼合程度。

在一實例中，還包括繞該外機匣的外側設置的聯動環，每個靜子葉片的軸頸與一搖臂的一端固定連接，以使該靜子葉片隨搖臂的轉動而旋轉，該搖臂的另一端連接至該聯動環上的搖臂連接部，該可調導流葉片結構還包括使該聯動 環周向轉動的周向作動機構，該聯動環在該周向作動機構作用下旋轉時使該搖臂轉動進而帶動該靜子葉片旋轉。

在一實例中，該聯動環上設有作動機構連接部，該作動機構連接部設有沿發動機旋轉軸軸向的螺栓，連杆的一端連接該周向作動機構，另一端套在該螺栓上以驅動該聯動環，當該軸向作動機構驅動該葉片安裝座作軸向運動時，該聯動環同步地軸向移動以保持該搖臂的角度不變。

在一實例中，該靜子葉片的軸頸與該搖臂的該一端經由齒輪連接。

在一實例中，該周向作動機構包括兩個周向作動筒。

在一實例中，每個靜子葉片的軸頸的端部裝配有壓緊螺母以使該靜子葉片懸掛於該葉片安裝座上。

根據本實用新型的方案，使得在保證不發生流動分離的前提下，通過將進口導流葉片可在中介機匣和第一級轉子葉片間軸向移動，改善偏堵工況下第一級轉子葉片的流動情況，延遲壓氣機近喘點的失速。

進一步地，進口導流葉片也保持了可周向旋轉。通過對可調導流葉片的合理利用來尋找最優的第一級轉子葉片進口條件，極大的改善改善了壓氣機第一級非設計點的進口條件，雖然稍稍增加了壓氣機整機本身的結構複雜性，但消除了進口導流葉片的尾跡與下遊葉片的相互影響，尤其是非定常幹涉。達到控制壓氣機裕度和效率的目的。

附圖說明

在結合以下附圖閱讀本公開的實施例的詳細描述之後，能夠更好地理解本實用新型的上述特徵和優點。在附圖中，各組件不一定是按比例繪製，並且具有類似的相關特性或特徵的組件可能具有相同或相近的附圖標記。

圖1示出了航空發動機中可調導流葉片結構的安裝環境；

圖2示出了常規的導流葉片結構的示意圖；

圖3示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的安裝原理示意圖；

圖4示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的爆炸圖；

圖5示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的一部分的立體視圖；

圖6示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的一部分的俯視圖；以及

圖7示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的靜子葉片的軸向移位示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作詳細描述。注意，以下結合附圖和具體實施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應被理解為對本實用新型的保護範圍進行任何限制。

傳統上，壓氣機在偏堵工況下，第一級轉子葉近前緣處的斜激波會和進口導流葉片的尾跡的相互影響，壓氣機在偏喘工況下，第一級轉子葉葉近前緣處的正激波會和進口導流葉片的尾跡的相互影響，而在設計轉速或超轉情況下，高壓壓氣機第一級特性的高效率工作區間過窄。

針對上述問題，本實用新型提供了一種可調的導流葉片結構，通過此結構，進口導流葉片可在不發生流動分離的前提下，在中介機匣和第一級轉子葉片間軸向移動，且保持進口導流葉片可周向旋轉，達到控制壓氣機裕度和效率的目的。

圖1示出了航空發動機中可調導流葉片結構的安裝環境。如圖1所示，可調導流葉片結構位於中介機匣和高壓壓氣機之間，更具體地，位於高壓壓氣機的第一級轉子和中介機匣之間。

中介機匣用來承接上下遊高低壓部件間的氣流過渡，並且為滿足結構上設備通過和強度方面的承力需求，中介機匣內一般有多塊支板。中介機匣內部有傳動軸和管路穿過。

高壓壓氣機是利用高速旋轉的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件。在高壓壓氣機的第一級轉子葉片之前，即高壓壓氣機進口處設置導流葉片。傳統地，導流葉片能夠周向旋轉調節導流葉片的氣流，進而引導進入高壓壓氣機的 氣流。

圖1中的虛線為發動機旋轉軸，航空發動機整體呈以發動機旋轉軸為軸向的中心對稱的環形。圖中僅示出了發動機位於旋轉軸上半圓周部分的側視圖，關於發動機旋轉軸對稱的下半圓周部分並未示出。

圖2是示出了常規的導流葉片結構的示意圖。如圖2所示，該導流葉片結構包括繞發動機旋轉軸軸向分布的多個靜子葉片。每個葉片的一端懸接在外機匣上，另一端靠近內機匣(未示出)。整個一圈的葉片起到調節進入高壓壓氣機的氣流的作用。

圖3是示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的安裝原理示意圖，圖4是示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的爆炸圖，圖5是示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的一部分的立體視圖，以及圖6示出了根據本實用新型的一方面的可調導流葉片結構的一部分的俯視圖。

下文結合圖3-圖6來描述本實用新型的可調導流葉片結構。

如前所述，可調導流葉片結構位於中介機匣與高壓壓氣機的第一級轉子葉片之間，主要包括繞發動機旋轉軸周向分布的多個靜子葉片210。從圖4的爆炸圖中可以看到一個靜子葉片210。在本實用新型中，可調導流葉片結構特別設有葉片安裝座100，靜子葉片210通過葉片安裝座100懸接至外機匣310。要說明的是，圖3和圖4是沿發動機徑向的剖面示意圖。從圖3中可看到，靜子葉片210之後是高壓壓氣機第一級的轉子葉片200。

葉片安裝座100整體呈環形，如圖5所示，其中示出了葉片安裝座100周向維度上的一部分。葉片安裝座100可包括環狀基座110，環狀基座110與外機匣310同軸地安裝在外機匣上。

具體地，外機匣310繞周向設有繞整個圓周的開口320，該開口使得外機匣310在發動機旋轉軸軸向上斷開，此開口320處用於安裝葉片安裝座100。外機匣310在開口320處的邊緣部分設有凹部330。此凹部330用於容納葉片安裝座100的環狀基座110。

特別地，該凹部330在發動機旋轉軸軸向上(圖中為左右方向)的尺寸大 於環狀基座110在發動機旋轉軸軸向上的尺寸，在此配置下，葉片安裝座100能沿發動機旋轉軸軸向移動。圖7示出了葉片安裝座100軸向移動的兩個不同位置對比。

在環狀基座110上分布有多個葉片定位通孔111，每個靜子葉片210的軸頸220穿過相應的葉片定位通孔111以通過葉片安裝100座懸接於外機匣310。作為實例，靜子葉片210的軸頸220穿過對應的葉片定位通孔111後，頂端套有壓緊螺母130以使靜子葉片210懸掛在葉片安裝座100上。

另外，還未可調導流葉片結構設置了軸向作動機構410，軸向作動機構用於使葉片安裝座100沿發動機旋轉軸作軸向運動。作為示例，軸向作動機構410可包括設置在外機匣的外側的至少一個軸向作動筒，軸向作動筒可經由連杆411耦接至葉片安裝座100上的作動筒連接部。

為了使軸向移動更加順暢，在外機匣310的凹部330內設有上滑軌341和下滑軌342。例如，上滑軌341和下滑軌342上可設有滾軸等減輕摩擦力的部件。上滑軌341和下滑軌342咬合住葉片安裝座100的環狀基座110。

在一些實施例中，葉片安裝座100還可包括位於環狀基座110下方的環狀唇部120，該環狀唇部與外機匣的內壁相貼合，如圖3所示。為了進一步增強環狀唇部120與外機匣310的內壁的貼合程度，還可在環狀唇部120上與外機匣310的內壁相對的一面設有紋路。

在本實用新型中，通過葉片安裝座100的軸向移動，實現了靜子葉片210在軸向上的移動。設計軸向位置可調的高壓壓氣機進口導流葉片會增加洩露損失，但是相比改善第一級轉子葉片的進口條件的收益，多餘的洩露損失可以忽略。

靜子葉片210除了軸向上的移動外，也保持了繞自身周向旋轉的能力。具體而言，可調導流葉片結構還設置有聯動環600。聯動環600與現有技術一致，即聯動環600為設置在外機匣310外側的環狀部件，用於實現靜子葉片210的旋轉。

在本實用新型中，每個靜子葉片210的軸頸220通過搖臂510連接到聯動環600上的搖臂連接部610。即，靜子葉片210的軸頸220與搖臂510的一端 固定連接，這裡的「固定連接」是指此連接方式使得靜子葉片能以軸頸220為軸隨搖臂510的轉動而旋轉。例如，這裡的「固定連接」可以是齒輪連接。

搖臂510的另一端連接至聯動環600上的搖臂連接部610，這從圖6中可以清楚看到，圖6是俯視圖，其中僅示出了葉片安裝座100的對應於一個靜子葉片210的部分結構。

類似地，可調導流葉片結構還設置有使聯動環600周向轉動的周向作動機構700。聯動環600在周向作動機構700作用下旋轉時，由於搖臂連接部610的轉動使搖臂510轉動，進而帶動靜子葉片210繞軸頸220旋轉。

作為示例，周向作動機構700可包括兩個周向作動筒，例如這兩個周向作動筒可關於聯動環600作中心對稱地布置。

實例中，聯動環600上設有作動機構連接部620，該作動機構連接部620上設有沿發動機旋轉軸軸向的螺栓630，如圖5所示。連杆640的一端連接周向作動機構700，另一端套在螺栓630上以驅動聯動環600。

當軸向作動機構410驅動葉片安裝座100作軸向運動時，聯動環600同步地軸向移動以保持搖臂510的角度不變。從圖6可以清楚地看到，當葉片安裝座100軸向移動時，聯動環600在搖臂510的帶動下，也可以同步地軸向移動。由於，連杆640的一端套在作動機構連接部620上的螺栓630上，因此，在聯動環600軸向移動時，連杆640可相對於螺栓630作運動從螺栓630的一端移動到另一端，但連杆640及軸向作動機構700軸向上的絕對位置保持不變。

根據本實用新型的方案，使得在保證不發生流動分離的前提下，通過將進口導流葉片可在中介機匣和第一級轉子葉片間軸向移動，改善偏堵工況下第一級轉子葉片的流動情況，延遲壓氣機近喘點的失速。

進一步地，進口導流葉片也保持了可周向旋轉。通過對可調導流葉片的合理利用來尋找最優的第一級轉子葉片進口條件，極大的改善改善了壓氣機第一級非設計點的進口條件，雖然稍稍增加了壓氣機整機本身的結構複雜性，但消除了進口導流葉片的尾跡與下遊葉片的相互影響，尤其是非定常幹涉。達到控制壓氣機裕度和效率的目的。

一般情況下，傳統高壓壓氣機進口導流葉片除了改變氣流方向和控制流量 外，打開時可提高近喘點效率但近堵點效率會降低0.02～0.05；關閉時可提高近堵點效率但近喘點效率會降低0.02～0.05。若採用此實用新型可同時提高壓氣機第一級近喘點和近堵點的工作效率，拓寬了第一級特性的高效率工作區間，採用軸向位置和安裝角兩個維度最優匹配，可進一步提高其穩定裕度。

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