CN102352778A - 一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，包括封装外壳、压电晶体、电极板、绝缘层、液压放大器、挡板、弹簧和隔板；液压放大器的压力输入活塞杆端面通过绝缘层与压电晶体连接，绝缘层上有两个相互平行的电极板，相互平行处于电极板之间；液压放大器的压力输出活塞杆穿过外机匣与隔板固定连接；封装外壳与外机匣固定连接，将压电晶体、电极板和液压放大器包在封装外壳内；隔板为圆弧型分段结构，相邻两段隔板采用圆弧卡槽配合圆弧连接件方式连接。本装置采用压电晶体作为关键部件，不仅可以控制轴对称叶尖间隙，而且也可以针对非轴对称接叶尖间隙进行有效地控制。

Description

一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置
技术领域
本发明涉及发动机叶尖间隙的快速主动控制技术领域，具体为一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置。
背景技术
航空发动机叶尖间隙通常是指轴流式发动机转子叶片叶尖与机匣之间的径向间隙。叶尖间隙的大小对压气机和涡轮，特别是对高压压气机的后几级和高压涡轮的效率有重大影响，进而影响整个航空发动机的耗油率和品质。为了提高现代航空发动机的经济性和可靠性，国内外很多的研究机构都先后开展了叶尖间隙主动控制技术方面的研究。这是因为，先进的涡轮叶顶间隙主动控制技术可以显著地降低燃油消耗率(SFC)和排气温度(EGT)；提高了发动机效率的同时，还增大了飞机的飞行半径和发动机的寿命。因此进一步开展高压涡轮叶顶间隙主动控制技术的研究具有实际的工程意义。
现在常用的涡轮叶尖间隙主动控制方法大都是通过控制气流的流动来实现的，而这种方法只能将叶尖间隙的变化范围控制在0.015-0.020英寸之间，而且在整个工况下的控制范围也较小，相比较而言，机械式的主动控制可以把叶尖间隙的变化范围控制在0.010英寸甚至更小。所以在叶尖间隙主动控制中机械式还是有很大的优势和好处的。
清华大学的岂兴明发明了一种新型涡轮叶尖间隙快速主动控制系统的执行机构(中国专利101063415，2007年10月31日)，这种执行机构是一种采用了凸轮、连杆技术的机械式执行机构，外部由电机和齿轮带动，内部通过改变连杆顶部的滑轮与凸轮内型面接触点的半径大小来控制连杆的作动，从而控制隔板与叶尖之间的叶尖间隙大小，但这种结构要达到高灵敏度、高精度(微米级)的控制要求，势必要求部件要有很高的制造精度和装配精度，这一点是很难实现的；还有这个执行机构的缺点是只能针对轴对称叶尖间隙的变化进行控制，无法实现非轴对称叶尖间隙变化的控制，这使得该执行机构的实用范围大大的较小。目前在国内还没有应用于工程实践的机械主动控制系统，所以在机械控制方面理论和技术还很薄弱，需要进一步深入研究。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：包括封装外壳、压电晶体、电极板、绝缘层、液压放大器、挡板、弹簧和隔板；液压放大器的压力输入活塞杆端面与绝缘层胶粘固定连接；两个电极板相互平行卡在绝缘层端面卡槽内，并且垂直于绝缘层，两个电极板分别与外部电源连接，在电极板之间形成均匀电场；在两个电极板之间有长方体型的压电晶体，压电晶体与绝缘层胶粘固定连接，并且压电晶体有两个相对的侧面与电极板平面平行，压电晶体的变形面为面向电极板的两个侧面以及面向绝缘层和背对绝缘层的两个侧面；液压放大器的压力输出活塞杆穿过外机匣与隔板固定连接，在外机匣与液压放大器之间的压力输出活塞杆上套有挡板，挡板与压力输出活塞杆过盈配合，在挡板与外机匣之间的压力输出活塞杆上套有弹簧，弹簧处于压缩状态；封装外壳与外机匣固定连接，将压电晶体、电极板和液压放大器包在封装外壳内，且压电晶体背对绝缘层的侧面与封装外壳顶端端面接触；隔板为圆弧型分段结构，相邻两段隔板采用圆弧卡槽配合圆弧连接件方式连接，圆弧卡槽开在隔板端面上，圆弧连接件两端分别插入相邻隔板的圆弧卡槽内，当一段隔板随液压放大器的压力输出活塞杆运动时，该段隔板两端沿圆弧连接件运动，且保持隔板与圆弧连接件连接。
所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：每个电极板与压电晶体邻近一侧侧面的距离为0.1mm～1mm。
所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：封装外壳由三层材料组成，中间层材料采用隔热材料。
所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：隔板由三层材料组成，中间层材料采用隔热材料，朝向叶片方向的外层材料采用强度小于叶尖材料强度的耐磨材料。
所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：圆弧连接件采用隔热材料。
有益效果
本发明采用压电晶体作为关键部件，提出了一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置。该装置组成元件少，尺寸小，相对纯机械液压或是带有电机减速等执行机构的作动装置而言，在重量上要轻得多，不会给航空发动机的推重比等重要性能带来负面的影响，也便于安装。而且该装置不仅可以控制轴对称叶尖间隙，而且也可以针对非轴对称接叶尖间隙进行有效地控制。该装置作动速度快，部件之间都是线性连接，使得整个控制系统的建模分析相对容易，便于获得较高的控制精度。所以，简要总结该作动装置具有以下优点：1、可以实现轴对称和非轴对称叶尖间隙控制；2、结构简单、尺寸小、重量轻；3、便于安装和维护；4、响应速度快；5、控制精度高；6、可靠性高。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：图1中隔板连接结构的局部放大图；
其中：1、封装外壳；2、电极板；3、压电晶体；4、绝缘层；5、液压放大器；6、挡板；7、弹簧；8、外机匣；9、隔板；10、圆弧连接件。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
参照附图1，本实施例中的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置包括封装外壳1、压电晶体3、电极板2、绝缘层4、液压放大器5、挡板6、弹簧7和隔板9。
封装外壳1由三层材料组成，其中外侧和内侧两层材料相同，都是合金材料，是为了保证封装壳体的强度要求和刚度要求；中间层的材料是隔热材料，这时因为外机匣8的温度在600°F左右，为了使液压放大器的液压介质温度不至于过高，这里需要通过隔热措施降低外机匣高温对液压放大器液压介质的影响。
压电晶体3作为一种新型材料，具有逆压电现象，即当压电晶体受到电场作用时，在它的某些方向出现应变，而且电场强度和应变之间也存在着线性关系，而且目前发展的压电晶体堆栈技术使得压电晶体的应变能力很强，可以满足高频的变化。研究表明，其应变产生的力远远超过作动器所需承受的最大载荷，所以压电晶体材料的各项性能完全可以满足该作动装置的作动要求。
液压放大器5由液压缸、两个活塞杆和液体介质组成，金属液压缸和活塞杆使用耐高温耐高压的合金材料。由于液压缸的两端面积不同，压力输入活塞杆将液体介质由面积大的一端挤压到面积小的一端时，会使液体压强增大，同时也会使得压力输出活塞杆的位移量增大，实现力放大和位移放大的效果。
如附图1所示，液压放大器5的压力输入活塞杆端面与绝缘层4胶粘固定连接，绝缘层4采用高温的绝缘材料制成，作用是使得压电晶体与外部金属完全绝缘，不会产生漏电现象，便于控制。两个电极板2相互平行卡在绝缘层端面卡槽内，并且垂直于绝缘层，两个电极板分别与外部电源连接，在电极板之间形成均匀电场。在两个电极板之间有压电晶体，压电晶体与绝缘层胶粘固定连接，并且压电晶体有两个相对的侧面与电极板平面平行，每个电极板与压电晶体邻近一侧侧面的距离应取合适距离，距离既不能太小，防止压电晶体变形后对电极板形成干扰，距离也不能过大，防止降低压电晶体变形的控制精度，通过大量实验，每个电极板与压电晶体邻近一侧侧面的距离优选0.1mm～1mm，本实施例中取0.5mm，压电晶体的变形面为面向电极板的两个侧面以及面向绝缘层和背对绝缘层的两个侧面。
液压放大器的压力输出活塞杆穿过外机匣8与隔板9螺栓固定连接，在外机匣与液压放大器之间的压力输出活塞杆上套有挡板6，挡板与压力输出活塞杆过盈配合，挡板的作用是实现机械安全保护，限定了隔板9向上运动的最大位移，在控制系统突然失效的情况下，挡板可以限制隔板不会产生过大的向上移动，也就不会引起叶尖间隙过大，发动机的性能下降等一系列问题。在挡板6与外机匣8之间的压力输出活塞杆上套有弹簧7，弹簧处于压缩状态，弹簧的第一个作用是在压电晶体收缩时，其产生的弹力作用在挡板上，使得压力输出活塞杆向上移动，第二个作用是当弹簧完全被压缩式，其自身厚度限制了压力输出活塞杆继续向下移动，起到机械保护的作用。封装外壳1与外机匣8螺栓固定连接，将压电晶体、电极板和液压放大器包在封装外壳内，且压电晶体背对绝缘层的侧面与封装外壳顶端端面接触，并加上预紧力。
参照附图1和附图2，隔板为圆弧型分段结构，相邻两段隔板采用圆弧卡槽配合圆弧连接件方式连接，圆弧卡槽开在隔板端面上，圆弧连接件两端分别插入相邻隔板的圆弧卡槽内，当一段隔板随液压放大器的压力输出活塞杆运动时，该段隔板两端沿圆弧连接件运动，且保持隔板与圆弧连接件连接。隔板由三层不同的材料组成，内侧是易磨材料，要求易磨材料的强度小于叶尖材料的强度，以保证当控制系统出现问题，导致叶尖间隙减少为零甚至为负值时，涡轮叶片顶部刮削易磨材料形成凹槽，而不至于折断涡轮叶片造成严重的事故，本实施例中易磨材料采用的是镍石墨材料。隔板的中间层是隔热材料，用来降低整个装置各个部件的工作温度，避免由于温度原因造成控制的精度下降，隔板的外侧是结构部件合金材料，要求具有足够的刚度和强度，保证整个作动装置具有较高的控制精度。
本装置工作时，在两个电极板施加电压，在电极板之间形成均匀电场，使得处于均匀电场内的压电晶体产生形变，驱动液压放大器的压力输入杆，进而驱动液压放大器的压力输出杆带动隔板移动，实现对叶尖间隙的控制。
在实际应用中，针对不同型号的发动机可以选择适当数目的作动装置，按照对称结构分布安装，驱动任意一个作动装置就可以改变相应方向上的叶尖间隙大小，实现叶尖间隙的非轴对称控制。

Claims (5)

1.一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：包括封装外壳、压电晶体、电极板、绝缘层、液压放大器、挡板、弹簧和隔板；液压放大器的压力输入活塞杆端面与绝缘层胶粘固定连接；两个电极板相互平行卡在绝缘层端面卡槽内，并且垂直于绝缘层，两个电极板分别与外部电源连接，在电极板之间形成均匀电场；在两个电极板之间有长方体型的压电晶体，压电晶体与绝缘层胶粘固定连接，并且压电晶体有两个相对的侧面与电极板平面平行，压电晶体的变形面为面向电极板的两个侧面以及面向绝缘层和背对绝缘层的两个侧面；液压放大器的压力输出活塞杆穿过外机匣与隔板固定连接，在外机匣与液压放大器之间的压力输出活塞杆上套有挡板，挡板与压力输出活塞杆过盈配合，在挡板与外机匣之间的压力输出活塞杆上套有弹簧，弹簧处于压缩状态；封装外壳与外机匣固定连接，将压电晶体、电极板和液压放大器包在封装外壳内，且压电晶体背对绝缘层的侧面与封装外壳顶端端面接触；隔板为圆弧型分段结构，相邻两段隔板采用圆弧卡槽配合圆弧连接件方式连接，圆弧卡槽开在隔板端面上，圆弧连接件两端分别插入相邻隔板的圆弧卡槽内，当一段隔板随液压放大器的压力输出活塞杆运动时，该段隔板两端沿圆弧连接件运动，且保持隔板与圆弧连接件连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：每个电极板与压电晶体邻近一侧侧面的距离为0.1mm～1mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：封装外壳由三层材料组成，中间层材料采用隔热材料。
4.根据权利要求3所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：隔板由三层材料组成，中间层材料采用隔热材料，朝向叶片方向的外层材料采用强度小于叶尖材料强度的耐磨材料。
5.根据权利要求4所述的一种用于主动控制涡轮叶尖间隙的电子机械式作动装置，其特征在于：圆弧连接件采用隔热材料。
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