一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置

摘要

一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置。本发明属于燃气轮机加力燃烧室技术领域，具体涉及一种叶片几何出口角以及安装角可调节的余旋畸变发生装置，用于产生自主可控的加力燃烧室进口气流条件。本发明利用步进电机支杆通过控制终端输出调节信号驱动滑杆沿固定轴做周向旋转，带动滑块沿弧形滑轨滑动，从而实现余旋叶片的安装角可实时调节。其中余旋叶片各个部分由不同相变温度形状记忆合金通过增材制造，通过改变来流进气温度获得沿叶片径向不同几何出口角的几何型面，从而获得余旋角沿叶片径向的不均匀分布。本发明无须拆卸叶片，通过控制终端即可在时间空间尺度上获得燃气轮机加力燃烧室进口所需复杂极端的余旋角分布流场，实现了瞬态余旋畸变特性模拟，降低了试验成本。

权利要求

1.一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，其特征在于，所述的装置包括矩形机匣（1），所述的矩形机匣（1）底部设置有若干调节机构（3），所述的调节机构（3）上方均设置有余旋叶片（2），所述的调节机构（3）驱动余旋叶片（2）转动；

所述的调节机构（3）包括滑块（5），所述的滑块（5）顶部与余旋叶片（2）下方的中部位置焊接，所述的滑块（5）上部置于弧形开孔（13）内，且弧形开孔（13）嵌套有可伸缩弹簧管件（12），同时滑块（5）上部横向开孔，孔内设置弧形滑轨（6），滑块（5）可沿弧形滑轨（6）相对运动；所述的滑块（5）中部，且位于弧形开孔（13）下方固定设置有弧形密封片（7）；所述的滑块（5）下部纵向开孔，孔内设置有滑杆（8），滑块（5）可沿滑杆（8）相对运动；所述的滑杆（8）一端部活动设置有步进电机支杆（11），所述的步进电机支杆（11）通过设定程序输出调节信号驱动滑杆（8）沿固定轴（4）做周向旋转，带动滑块（5）沿弧形滑轨（6）滑动，实现余旋叶片的安装角可实时调节；所述的弧形滑轨（6）放置于机匣（1）弧形开孔（13）内，且嵌套有可伸缩弹簧管件（12），弧形开孔可设定角度为30°～60°。

2.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，其特征在于，所述的滑杆（8）一端部设置有第一三通管件（9），所述的第一三通管件（9）上端活动设置有固定轴（4），所述的固定轴（4）再与余旋叶片（2）的下方一端连接；所述的滑杆（8）另一端部设置有第二三通管件（10），利用第二三通管件（10）与步进电机支杆（11）活动连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，其特征在于，所述的余旋叶片（2）为基于增材制造的记忆合金，各个部分由不同相变温度形状记忆合金制造；所述的余旋叶片（2）上部与叶片下部为两种不同相变温度的记忆合金，通过调节来流进气温度获得不同几何出口角的叶片型面，获得余旋角沿叶片径向的不均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，其特征在于，所述的弧形密封片（7）作为密封装置，弧形密封片（7）的角度为弧形开孔（13）角度的两倍以上。

5.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，其特征在于，所述的步进电机支杆（11）力矩大于滑块（5）力矩。

说明书

一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置

技术领域

[0001] 本发明属于燃气轮机加力燃烧室技术领域，具体涉及一种叶片几何出口角以及安装角可智能调节的进气余旋畸变发生装置。

背景技术

[0002] 加力燃烧室进口气流（即低压涡轮出口气流）的速度方向与加力燃烧室中心轴线所之间的角度，称为进气余旋角。加力燃烧室进口一般会存在一定的余旋角度进气，进气余
旋角一般在5°左右；随着加力燃烧室朝一体化加力燃烧室，极端条件下进口气流余旋角超
过20°。

[0003] 传统的余旋畸变发生装置只能产生单一的进气余旋畸变流场，每次更换工况都需要中断试验，并拆卸更换余旋畸变发生装置，给试验带来了巨大的成本；其次，传统余旋畸
变发生装置只能产生稳态进气余旋畸变流场，无法复现工况变化时产生的瞬态余旋畸变流
场。现有的一些可调节的余旋畸变发生装置只能产生简单的余旋畸变流场，不能复现复杂
极端的余旋畸变流场，无法满足未来在研究余旋畸变特性以及实时模拟进气余旋畸变流场
的试验需求。

[0004] 形状记忆效应是指具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的一种特性，具有这种特性的
材料称为形状记忆材料（Shape Memory Materials，SMM）。其中形状记忆合金具有抗疲劳性
能和延展性能优异，并且在高温环境下，形状记忆合金相对普通合金性能更加优异。本发明
针对此设计一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，以解决传统装置中的问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种加力燃烧室智能可调节进气余旋畸变发生装置，在无须中断试验情况下通过程序控制叶片安装角以及几何出口角，解决目前加力燃烧室无法实时
生成复杂极端余旋角沿径向及周向不均匀分布的目标进气流场问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用方案是：

[0007] 一种基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，其特征在于，所述的装置包括矩形机匣，所述的矩形机匣底部设置有若干调节机构，所述的调节机构上方均设置有余旋叶
片；所述的调节机构包括滑块，所述的滑块顶部与余旋叶片下方的中部位置焊接，所述的滑
块上部置于弧形开孔内，且弧形开孔嵌套有可伸缩弹簧管件，同时滑块上部横向开孔，孔内
设置弧形滑轨，滑块可沿弧形滑轨相对运动；所述的滑块中部，且位于弧形开孔下方固定设
置有弧形密封片；所述的滑块下部纵向开孔，孔内设置有滑杆，滑块可沿滑杆相对运动；所
述的滑杆一端部活动设置有步进电机支杆，所述的步进电机支杆通过设定程序输出调节信
号驱动滑杆沿固定轴做周向旋转，带动滑块沿弧形滑轨滑动，实现余旋叶片的安装角可实
时调节。装置中各个叶片所匹配的步进电机由控制终端程序操控，控制终端根据所需流场
余旋角分布，计算出各个叶片安装角以及沿径向分布的几何出口角，进而传递调节信号到
步进电机以及电加温器进行控制。驱动叶片转动的调节机构放置于机匣外部，通过滑块与
余旋叶片相连接，避免了调节装置与机匣内流场的相互影响。

[0008] 进一步，所述的滑杆一端部设置有第一三通管件，所述的第一三通管件上端活动设置有固定轴，所述的固定轴再与余旋叶片的下方一端连接；所述的滑杆另一端部设置有
第二三通管件，利用第二三通管件与步进电机支杆活动连接。

[0009] 进一步，所述的余旋叶片为基于增材制造的记忆合金，各个部分由不同相变温度形状记忆合金制造；所述的余旋叶片上部与叶片下部为两种不同相变温度的记忆合金，通
过调节来流进气温度获得不同几何出口角的叶片型面，获得余旋角沿叶片径向的不均匀分
布。

[0010] 进一步，所述的弧形滑轨放置与机匣弧形开孔内，且嵌套有可伸缩弹簧管件，弧形开孔可设定角度为30°～60°。

[0011] 进一步，所述的弧形密封片作为密封装置，弧形密封片的角度为弧形开孔角度的两倍以上。

[0012] 进一步，所述的步进电机支杆力矩大于滑块力矩，降低了步进电机驱动余旋叶片转动时所需驱动力；并且本发明的调节机构结构简单，具有较短的力传递距离，因此具有更
短的响应时间。

[0013] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：

[0014] 本发明的基于形状记忆合金的可智能调节余旋畸变发生装置，通过程序设置实时控制步进电机，经调节机构可以实时对不同余旋叶片安装角独立控制。无须拆卸更换叶片，
可以在不中断试验情况下于时间空间尺度上获得目标余旋畸变进气流场，实现了瞬态余旋
畸变模拟。

[0015] 增材制造技术可以通过连续堆积方式方便的实现在叶片各个部分由不同相变温度形状记忆合金制造。通过改变进气温度，使得部分或全部叶片材料发生马氏体相变，精确
改变记忆合金材质叶片几何型面，进而改变沿余旋叶片径向的几何出口角，实现余旋角沿
叶片径向的不均匀分布。避免了在较大安装角时出现的附面层严重分离问题，使得旋流叶
片对高余旋角区域的复现能力增强，可以获得复杂极端目标余旋角分布进气流场。

[0016] 余旋叶片组的各个叶片安装角与几何出口角均可由控制终端独立调节，可以获得多个组合的周向以及径向余旋畸变，适用范围广，兼容性强，降低了试验成本。

附图说明

[0017] 图1是基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置的结构示意图；

[0018] 图2是基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置安装角调节机构示意图；

[0019] 图3是基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置安装角调节机构局部放大示意图；

[0020] 图4是通过增材制造的形状记忆合金叶片在不同温度下构型变化；

[0021] 其中：1‑矩形机匣，2‑余旋叶片，3‑调节机构，4‑固定轴，5‑滑块，6‑弧形滑轨，7‑弧形密封片，8‑滑杆，9‑第一三通管件，10‑第二三通管件，11‑步进电机支杆，12‑可伸缩弹簧
管件，13‑弧形开孔。

具体实施方式

[0022] 为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0023] 如图1所示为一种用于产生加力燃烧室真实进气试验条件的余旋畸变发生装置，包括矩形机匣1，机匣内部设置的若干基于增材制造的记忆合金余旋叶片2以及驱动叶片转
动的调节机构3组成。

[0024] 在本实施例中，余旋叶片数量为5个，叶片几何型面为NACA 1410，沿机匣宽度方向均匀间隔布置，在实际试验中，也可根据实际需要进行各参数和叶型型面的调整。

[0025] 如图2 图3所示，通过设定程序根据所需调整安装角角度控制步进电机支杆11沿~
矩形机匣宽度方向移动设定距离，驱动滑杆8沿固定轴4做周向旋转，带动滑块5沿弧形滑轨
6滑动，其中滑块与叶片焊接，即从而实现余旋叶片2的出口角可实时调节，叶片可调整的安
装角范围由机匣弧形开孔13长度限定，本发明中弧形开孔可以设定的角度，本实施例中的
弧形开孔角度为40°，当叶片安装角调节到最大极限时，此时的弧形密封片另一端恰好覆盖
凹槽末端，维持机匣密封效果。周向每个余旋叶片由步进电机独立控制，根据所需余旋分布
流场，控制终端输出设定调节信号到每个步进电机。

[0026] 增材制造技术可以通过连续堆积方式方便的实现在叶片各个部分由不同相变温度形状记忆合金制造。如图4所示，设定叶片上部与叶片下部为两种不同相变温度的记忆合
金。调整叶片安装角为零度，进气温度低于叶片记忆合金整体相变温度，即滑杆与进气方向
平行且叶片几何出口角为零度，如图4中A构型所示，此时流场余旋角为零度，即为初始流
场。提高进气来流温度达到上部分叶片记忆合金相变温度，叶片上部发生形变，如图4中B构
型所示，叶片上部几何出口角由零度增加，叶片下部分维持初始构型。进一步提高进气来流
温度，此时叶片发生完全形变，如图4中C构型所示，叶片几何出口角越大，所能产生的余旋
角也随之增加，可获得沿叶片径向余旋角的不均匀分布。在增材制造中，可根据所需流场余
旋角分布调整不同相变温度记忆合金在叶片中的分布。

[0027] 因此本发明所提出的基于记忆合金的可调节余旋畸变发生装置，通过控制终端调节余旋叶片安装角和几何出口角可以方便地模拟出加力燃烧室进口复杂极端的余旋角不
均匀分布流场，可以在不中断试验情况下获得空间时间上余旋畸变流场所需的各种试验进
气条件，实现了加力燃烧室进气瞬态余旋畸变模拟，降低了试验成本。

[0028] 上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质
对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。