Установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины Российский патент 2023 года по МПК G01M15/02 G01M15/14 B64C11/32 F01D7/00 

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики и может быть использовано для проведения газодинамических испытаний авиационной техники.

Одной из важных проблем авиационного двигателестроения является создание лопаточной машины с поворотными рабочими лопатками для использования ее в распределенной силовой установке летательного аппарата. Рабочая лопатка должна поворачиваться относительно оси хвостовика лопатки и занимать определенное положение, в зависимости от режима полета летательного аппарата.

С целью определения оптимального углового положения лопатки в зависимости от режима работы лопаточной машины, требуется проведение испытаний на специализированных наземных стендах.

Известные механизмы для изменения углового положения лопатки рабочего колеса лопаточной машины (патент США №3873235, 1975 г.) имеют достаточно сложную конструкцию и требуют значительных габаритов для его размещения на рабочем колесе. Поэтому применение подобных устройств для проведения испытаний модельной лопаточной машины с уменьшенными размерами практически невозможно, в связи с техническими проблемами, возникающими с размещением такого механизма и его привода на рабочем колесе модельной лопаточной машины.

Известна установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины, содержащая цилиндрический наружный корпус с входным газопроводом, внутренний корпус с обтекаемой поверхностью, установленный внутри наружного корпуса соосно с ним и с образованием газодинамического тракта, приводной вал, установленный во внутреннем корпусе, испытуемое рабочее колесо с лопатками, установленное на приводном валу и приборы для измерения газодинамических параметров потока, размещенные в газодинамическом тракте (патент США №5078009, 1992 г.).

Известная установка предназначена для испытания рабочих колес лопаточных машин на переходных режимах работы и не имеет механизма для изменения углового положения лопаток рабочих колес.

Известна установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины, содержащая цилиндрический наружный корпус с входным газопроводом, внутренний корпус с обтекаемой поверхностью, установленный внутри наружного корпуса соосно с ним и с образованием газодинамического тракта, приводной вал с обтекаемым коком, установленный во внутреннем корпусе, испытуемое рабочее колесо с лопатками, установленное на приводном валу и сопряженное с обтекаемым коком, и приборы для измерения газодинамических параметров потока, размещенные в газодинамическом тракте (опубликованная заявка США №20200317370, 2020 г.).

Известная установка предназначена для выявления дефектов, возникающих в процессе эксплуатации лопаточных машин, и не предназначена для проведения модельных испытаний рабочего колеса с изменяемым угловым положением лопатки.

Наиболее близким аналогом изобретения является установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины, содержащая цилиндрический наружный корпус с входным газопроводом, внутренний корпус с обтекаемой поверхностью, установленный внутри наружного корпуса соосно с ним и с образованием газодинамического тракта, установленный в наружном корпусе выходной статор с направляющими лопатками, расположенными в газодинамическом тракте, приводной вал с обтекаемым коком, установленный во внутреннем корпусе, испытуемое рабочее колесо с лопатками, установленное на приводном валу перед выходным статором и сопряженное с обтекаемым коком, и приборы для измерения газодинамических параметров потока, размещенные в газодинамическом тракте (патент РФ №2255319, 2005 г.).

Известная установка предназначена для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных колес лопаточных машин. Для проведения таких исследований установка снабжена механизмом изменения относительного углового положения статоров, при этом изменение в процессе испытаний углового положения лопаток рабочего колеса в известной установке не производится.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является определение оптимального углового положения лопаток на рабочем колесе лопастной машины в зависимости от режима ее работы.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности результатов испытания при проведении модельных исследований лопаточных машин за счет точности позиционирования углового положения лопаток на испытуемом рабочем колесе.

Этот технический результат достигается тем, что установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины содержит цилиндрический наружный корпус с входным газопроводом, внутренний корпус с обтекаемой поверхностью, установленный внутри наружного корпуса соосно с ним и с образованием газодинамического тракта, установленный в наружном корпусе выходной статор с направляющими лопатками, расположенными в газодинамическом тракте, приводной вал с обтекаемым коком, установленный во внутреннем корпусе, испытуемое рабочее колесо с лопатками, установленное на приводном валу перед выходным статором и сопряженное с обтекаемым коком, и приборы для измерения газодинамических параметров потока, размещенные в газодинамическом тракте. Рабочее колесо выполнено в виде двух сопряженных между собой дисков с пазами, в которых установлены лопатки с возможностью их поворота, и снабжено механизмом для изменения углового положения каждой лопатки, выполненным в виде червячной передачи, зубчатое колесо которой установлено на хвостовике лопатки, а червяк установлен на валу с концом, выступающим за торцевую поверхность рабочего колеса, обращенную к обтекаемому коку, и снабженным съемной шестерней, связанной с приводом и установленной на выступающем конце вала червяка с возможностью углового перемещения и фиксации с помощью двух резьбовых стопоров, взаимодействующих с поверхностью профилированных выточек, выполненных на выступающем конце вала червяка.

Существенность отличительных признаков установки подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышение достоверности результатов испытания при проведении модельных исследований лопаточных машин за счет точности позиционирования углового положения лопаток на испытуемом рабочем колесе.

Существо изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 изображен общий вид установки для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины в продольном разрезе;

на фиг. 2 показано рабочее колесо вид А на фиг. 1;

на фиг. 3 представлен вид червячной передачи в сечении Б-Б фиг. 2;

на фиг. 4 показана установка съемной шестерни на валу червяка;

на фиг. 5 представлен вид В фиг. 2 рабочего колеса с оснасткой.

Установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины содержит цилиндрический наружный корпус 1 с входным газопроводом 2, внутренний корпус 3 с обтекаемой поверхностью 4, установленный внутри наружного корпуса 1 соосно с ним и с образованием газодинамического тракта 5 (фиг. 1). В наружном корпусе 1 установлен выходной статор 6 с направляющими лопатками 7, расположенными в газодинамическом тракте 5.

Во внутреннем корпусе 3 установлен приводной вал 8 с обтекаемым коком 9. Испытуемое рабочее колесо 10 с лопатками 11 установлено на приводном валу 8 перед выходным статором 6 и выполнено сопряженным своей торцевой поверхностью с обтекаемым коком 9. В газодинамическом тракте 5 размещены приборы 12 для измерения газодинамических параметров потока.

Рабочее колесо 10 выполнено в виде двух сопряженных между собой дисков 13 и 14 с пазами 15 (фиг. 2), в которых установлены с возможностью поворота лопатки 11, и снабжено механизмом 16 для изменения углового положения каждой лопатки 11, который выполнен в виде червячной передачи 17 (фиг. 3). Зубчатое колесо 18 червячной передачи 17 установлено на хвостовике 19 лопатки 11, а червяк 20 установлен на валу 21 с концом 22, выступающим за торцевую поверхность рабочего колеса 10, обращенную к обтекаемому коку 9. Передаточное отношение червячной передачи 17 подобрано так, чтобы она являлась самостопорящейся.

Червяк 20 снабжен съемной шестерней 23, установленной на выступающем конце 22 вала 21 червяка 20 с возможностью углового перемещения и фиксации с помощью двух резьбовых стопоров 24 (фиг. 4), взаимодействующих с поверхностью профилированных выточек 25, выполненных на выступающем конце 22 вала 21.

Съемная шестерня 23 связана с приводом 26 (фиг. 5), который может быть выполнен в виде съемной оснастки с шлицевым диском 27, входящим в зацепление с съемной шестерней 23.

Во входном газопроводе 2 может быть установлен интерцептор 28 для создания входной неравномерности потока, имитирующей реальные условия работы лопаточной машины. Приводной вал 8 установки приводится от электродвигателя 29 с регулируемой частотой вращения.

Установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины работает следующим образом.

Перед проведением испытаний рабочего колеса 10 каждую лопатку 11 устанавливают в нулевое положение посредством вращения червяка 20 со стороны еще не установленной съемной шестерни 23 до совмещения рисок, нанесенных на диске 13 и на хвостовике 19 лопатки 11. Затем на выступающие концы валов 22 устанавливаются съемные шестерни 23, на которых они занимают свободное угловое положение, за счет чего каждая из этих съемных шестерней 23 вводится в зацепление с шлицевым диском 27 оснастки. После этого съемные шестерни 23 фиксируются относительно вала 21 червяка 20 при помощи пары резьбовых стопоров 24. Таким образом производится точная начальная настройка одинакового углового положения лопаток 11 относительно рабочего колеса 10.

Серия испытаний на установке для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины проводится с целью определения оптимальных параметров испытуемого рабочего колеса 10 с лопатками 11, таких, как степень повышения (понижения) полного давления, адиабатический КПД η, суммарный приведенный расход воздуха G_в.пр.Σ, запас газодинамической устойчивости и др. в зависимости от угла установки лопаток 11. Неравномерность распределения параметров потока на входе, воссоздающая реальные условия работы, формируется при помощи интерцептора 28, установленного перед входным газопроводом 2. Для снятия основных газодинамических параметров потока (давления и температуры) перед лопатками 11, за ними и за направляющими лопатками 7 устанавливаются приборы для измерения 12.

В процессе испытаний изменение угла установки лопаток 11 на рабочем колесе 10 осуществляется с помощью привода 26 оснастки при частичной разборке входного газопровода 2 и снятии обтекаемого кока 9. Угол поворота лопаток 11 контролируется по шкале, нанесенной на торце привода 26, и рискам на торце шлицевого диска 27. Поскольку шкала и риски наносятся высокоточным методом, то установка лопаток в необходимом угловом положении происходит в пределах погрешности изготовления деталей, что повышает точность и достоверность получаемых замеров. После демонтажа привода 26 дополнительного стопорения для каждой лопатки не требуется, так как червячное зацепление является самостопорящимся за счет подобранного передаточного отношения червяк - зубчатое колесо. Затем устанавливается обтекаемый кок 9, часть входного газопровода 2 и продолжаются испытания.

После измерения параметров потока при определенном угле установки лопаток 11 на разных режимах работы испытуемого рабочего колеса 10, происходит частичная разборка входного газопровода 2 и обтекаемого кока 9, изменение угла установки лопаток на следующее значение угла согласно программе испытаний, и последующая сборка в обратном порядке. Затем вновь проводятся испытания и снятие параметров ступени при новом угле установки лопаток 11. Параметры потока при каждом угле установки лопаток 11 контролируются в процессе эксперимента и записываются для последующего анализа по известным зависимостям, по итогам которого могут быть подобраны оптимальные углы установки лопаток 11 для каждого режима работы рабочего колеса 10, при которых получаемые газодинамические параметры будут оптимальными, т.е. при достаточных запасах газодинамической устойчивости и расходе воздуха будет обеспечен максимальный КПД.

Таким образом, наличие систем диагностики состояния лопаток и самой установки в процессе эксперимента, а также комплекта датчиков для замера параметров потока на входе в рабочее колесо и выходе из него в процессе эксперимента, позволяют проводить испытания с высокой надежностью и достоверностью получаемых результатов, а по анализу этих результатов подбирать оптимальные углы установки лопаток на определенных режимах.

Изобретение относится к области промышленной аэродинамики и может быть использовано для проведения газодинамических испытаний авиационной техники. Установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины содержит цилиндрический наружный корпус с входным газопроводом, внутренний корпус с обтекаемой поверхностью, установленный внутри наружного корпуса соосно с ним и с образованием газодинамического тракта, установленный в наружном корпусе выходной статор с направляющими лопатками, расположенными в газодинамическом тракте, приводной вал с обтекаемым коком, установленный во внутреннем корпусе, испытуемое рабочее колесо с лопатками, установленное на приводном валу перед выходным статором и сопряженное с обтекаемым коком, и приборы для измерения газодинамических параметров потока, размещенные в газодинамическом тракте. Рабочее колесо выполнено в виде двух сопряженных между собой дисков с пазами, в которых установлены лопатки с возможностью их поворота, и снабжено механизмом для изменения углового положения каждой лопатки, выполненным в виде червячной передачи, зубчатое колесо которой установлено на хвостовике лопатки, а червяк установлен на валу с концом, выступающим за торцевую поверхность рабочего колеса, обращенную к обтекаемому коку, и снабженным съемной шестерней, связанной с приводом и установленной на выступающем конце вала червяка с возможностью углового перемещения и фиксации с помощью двух резьбовых стопоров, взаимодействующих с поверхностью профилированных выточек, выполненных на выступающем конце вала червяка. В результате повышается достоверность результатов испытания при проведении модельных исследований лопаточных машин за счет точности позиционирования углового положения лопаток на испытуемом рабочем колесе. 5 ил.

Установка для газодинамических испытаний рабочего колеса лопаточной машины, содержащая цилиндрический наружный корпус с входным газопроводом, внутренний корпус с обтекаемой поверхностью, установленный внутри наружного корпуса соосно с ним и с образованием газодинамического тракта, установленный в наружном корпусе выходной статор с направляющими лопатками, расположенными в газодинамическом тракте, приводной вал с обтекаемым коком, установленный во внутреннем корпусе, испытуемое рабочее колесо с лопатками, установленное на приводном валу перед выходным статором и сопряженное с обтекаемым коком, и приборы для измерения газодинамических параметров потока, размещенные в газодинамическом тракте,

отличающаяся тем, что рабочее колесо выполнено в виде двух сопряженных между собой дисков с пазами, в которых установлены лопатки с возможностью их поворота, и снабжено механизмом для изменения углового положения каждой лопатки, выполненным в виде червячной передачи, зубчатое колесо которой установлено на хвостовике лопатки, а червяк установлен на валу с концом, выступающим за торцевую поверхность рабочего колеса, обращенную к обтекаемому коку, и снабженным съемной шестерней, связанной с приводом и установленной на выступающем конце вала червяка с возможностью углового перемещения и фиксации с помощью двух резьбовых стопоров, взаимодействующих с поверхностью профилированных выточек, выполненных на выступающем конце вала червяка.