CN103958346A - 具有无接触致动的旋转机械系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种机械系统(10)，其包括：-轴(12)，所述轴安装为具有围绕其主轴线相对于一结构性元件(14)旋转的能力；-可移动构件(16)，所述可移动构件安装在该轴(12)上，使得其与轴(12)围绕主轴线(A)旋转，并且其可相对于轴(12)选择性地移动；-驱动装置(18)，所述驱动装置用于驱动可移动构件(16)相对于轴(12)的移动，其包括安装在该结构性元件(14)上的固定的第一部分(20)和安装在轴(12)上且与所述可移动构件(16)相连的移动的第二部分(22)，其特征在于，所述驱动装置(18)包括在该第一部分(20)和该第二部分(22)之间具有气隙的机电致动器。

Description

具有无接触致动的旋转机械系统

技术领域

本发明涉及一种包括安装在一可移动轴上的构件的旋转机电系统，其适于相对于可移动轴移动。

该机电系统包括无摩擦驱动设备，其中一个部件相对于可移动轴是可移动的，对于所述可移动轴，驱动设备的使用寿命通过减少移动零件之间的摩擦力而提高。

背景技术

在例如包括可变叶片节距对准机构的涡轮引擎的旋转机械系统中，叶片由围绕其主轴线可旋转安装的轴支承。

每个叶片进一步相对于轴围绕相对于主轴线的径向轴线可移动地安装，以修改叶片节距。

叶片借助于与叶片相连的驱动系统旋转，其中一个零件安装在涡轮引擎的结构性元件上。

根据实施例的已知例子，用于驱动叶片的装置包括旋转密封液压系统或旋转电接触电子系统。

这种实施例包括彼此接触的多个可移动元件。这导致部件磨损并产生大量的热。以这种方式，机械系统也可以包括用于限制发热和这些部件的磨损的冷却和润滑装置。此外，有时候需要对机械系统实施定期维护操作。

本发明的目的是提供一种机械系统，对于该机械系统的用于相对于轴移动叶片的装置被包括，以限制可移动元件之间的摩擦力。

发明内容

本发明涉及一种机械系统，其包括：

-轴，所述轴相对于一结构性元件围绕其主轴线可旋转地安装；

-可移动构件，所述可移动构件安装在所述轴上，使得其固定到该轴上，用于与其围绕主轴线旋转，并使得其适合于相对于所述轴选择性地移动；

-驱动装置，所述驱动装置用于相对于所述轴移动所述可移动构件，其包括安装在所述结构性元件上的第一固定部分和安装在所述轴上并且与所述可移动构件相连的第二可移动部分；

其特征在于，所述驱动装置包括在所述第一部分与所述第二部分之间的气隙机电致动器。

在所述致动器的两个部分之间的气隙使得可消除在与结构性元件相连的元件和相对于结构性元件可移动的元件之间的任何接触，因而减小摩擦力。

优选地，该驱动装置包括径向场气隙机电致动器。

优选地，该驱动装置包括轴向场气隙机电致动器。

优选地，该驱动装置的第二部分与所述轴同轴地可旋转安装并通过用于围绕所述轴的主轴线引导旋转的装置与所述轴相连。

优选地，该机械系统包括用于将第二部分相对于该轴的旋转运动转换成该可移动构件相对于该轴的移动的装置，所述装置包括与第二部分相连的运动输入构件，所述运动输入构件在该可移动构件的移动过程中相对于该轴可选择性地旋转。

优选地，该机械系统包括用于控制该驱动装置以根据轴的旋转速度相对于所述第一部分控制该驱动装置的第二部分的旋转速度的装置。

优选地，所述控制装置被包括以使该运动输入构件围绕该轴旋转，从而相对于所述轴移动该可移动构件。

优选地，所述可移动构件相对于所述轴围绕一第二轴线(B)可旋转地安装，所述第二轴线具有相对于所述主轴线的径向方向，所述第二轴线(B)固定到所述轴上，用于与其围绕主轴线旋转。

本发明还涉及一种航空器涡轮引擎，其特征在于其包括根据上述权利要求中的任何一项所述的机械系统，其中该可移动构件包括可变方向叶片。

优选地，一种涡轮引擎包括围绕所述轴的主轴线分布的多个叶片。

附图说明

-图1是根据本发明的机械系统的示意图；

-图2是图1中的机械系统的相似图，其显示用于转换运动的装置的第二实施例；

-图3是根据本发明的机械系统的详细示意图，对于该机械系统，驱动装置包括异步磁体或异步发动机；

-图4是图3中机械系统的类似图，其中驱动装置包括场线圈同步发动机；以及

-图5是图3中机械系统的类似图，其中驱动装置包括轴向气隙同步发动机。

具体实施方式

附图表示例如涡轮引擎转子的机械系统10，该机械系统包括相对于该涡轮引擎的一结构性元件14围绕其主轴线A的可旋转轴12。此结构性元件可以反过来固定在该涡轮引擎中，或者其在涡轮引擎中是可移动的。为了清楚起见，结构性元件14被认为相对于轴12固定。

该轴支承多个叶片16，所述叶片相对于主轴线A围绕轴12均匀地分布并固定到轴12上，用于与其相对于结构性元件14围绕主轴线A旋转。

机械系统10包括用于设定叶片16的节距以使该系统满足涡轮引擎的运行条件的装置。

以此方式，每个叶片16均围绕一第二轴线Ｂ相对于轴12可移动地安装，所述第二轴线B相对于主轴线A具有径向主方向。每个第二轴线B均是关联叶片16的主轴线，其因此固定到轴12上，用于围绕主轴线A与其旋转。

该用于设定叶片16的节距的装置包括用于围绕关联的第二轴线B旋转每个叶片16的驱动装置18。

该驱动装置主要包括附接到结构性元件14上的第一固定部分20和与每个叶片16相连的第二可移动部分22。

该第二部分相对于结构性元件14围绕主轴线A可旋转地安装。

在此，该第一部分20和该第二部分22与轴12同轴，并包括在轴12上径向地重叠的两个旋转元件。

驱动装置18包括气隙机电致动器。这意味着在固定部分20和可移动部分22之间存在间隙。

以此方式，在固定部分20与可移动部分之间不存在机械接触。

可移动部分22借助于要求该两部分20，22之间不存在接触的电磁力相对于固定部分20旋转。

根据图3中所显示的第一实施例，驱动装置18包括永磁体同步电动机。

根据此实施例，可移动部分22支承一个或多个永磁体(未示出)，该固定部分20包括生成引致支承永磁体的可移动部分的旋转的电磁场的装置。

根据图4中所显示的第二实施例，驱动装置18包括场线圈同步电动机。

根据此实施例，可移动部分22支承一个或多个绕组，所述绕组供应有电流，以起到一个或多个电磁体的作用。

根据本发明，为了消除固定部分20与可移动部分22之间的任何电接触，可移动部分22借助于也为无接触类型的电流感应系统24来提供动力。

根据另一实施例，驱动装置18包括异步电动机。

在机械系统10的运行过程中，轴12和可移动部分22均围绕主轴线A旋转。

机械系统10被包括，使得第二部分22适合于以与轴12的旋转速度不同的速度旋转，以使叶片16能够移动。

此外，由于在第二部分22与第一部分20之间以及更普遍地在第二部分22与结构性元件14之间无接触，因此第二部分22由将第二部分22与轴12连接的装置26引导围绕主轴线A连接旋转，所述装置26是用于引导第二部分22相对于轴12围绕主轴线A旋转的装置。

如可以在图1和2中所看到的，驱动装置18的第二部分22经由运动转换装置28进一步与叶片16相连。

运动转换装置28安装在轴12上，使得它们固定到轴12上，用于与其围绕主轴线A旋转。运动转换装置28包括与驱动装置18的第二部分22相连的运动输入构件36。运动转换构件36适于根据驱动装置18的第二部分22围绕主轴线A的旋转速度围绕轴12选择性地旋转。

运动转换装置28被包括，使得当运动输入构件36相对于轴12旋转时，每个叶片16均围绕关联的第二轴线B旋转。

根据图1中所示出的实施例，运动转换装置28的类型包括锥齿轮连接器32。

根据图2中所示出的实施例，运动转换装置28的类型包括曲轴系统34。

在此，运动输入构件36经由齿轮系统30与驱动装置18的第二部分22相连，所述齿轮系统30用于相对于第二部分22围绕主轴线A的旋转速度修改运动输入构件36围绕主轴线A的旋转速度。

此齿轮系统30的齿轮比被确定，以根据形成驱动装置18的致动器的类型以及根据轴12的旋转速度的范围减少或增加第二部分22的旋转速度。

根据一个可替代实施例，驱动装置18的第二部分22直接地与运动输入构件36相连。

驱动装置18也包括调节装置(未示出)，所述调节装置设计成相对于结构性元件14根据轴12的旋转速度相对于结构性元件14以及根据齿轮系统30的齿轮比来调节第二部分22的旋转速度。

当叶片16的方向需要修改时，该调节装置被包括，以选择性地引致运动输入构件相对于轴12旋转。

实际上，在机械系统10的运行过程中，且当叶片16不应相对于轴12移动时，运动输入构件36应相对于轴12保持静止，即，其以与轴12相对于结构性元件14相同的速度旋转。

以此方式，第二部分22相对于结构性元件14的旋转速度被限定，以使得运动输入构件36相对于结构性元件14的旋转速度等于轴12相对于结构性元件14的旋转速度。

然而，当叶片16的方向将被修改时，调节装置修改第二部分22相对于结构性元件14的旋转速度一段特定的时间，这样使得运动输入构件36相对于轴12以对应于每个叶片16角位置修改的预定角度旋转。

第二部分22相对于结构性元件14的旋转速度的修改可以包括第二部分22的旋转速度的增加、降低或颠倒。

当获得每个叶片16所寻求的角位置时，调整装置修改第二部分22相对于结构性元件14的旋转速度，以使运动输入构件36以与轴12相对于结构性元件14相同的速度旋转，这样使得运动输入构件36相对于轴12是静止的。

做为非限制性的例子，其中驱动装置18包括永磁体同步电动机，在固定部分20处的电源频率应补偿轴12相对于主轴线A的旋转速度。

附图标记“F12”因此被定义为轴12相对于第一部分20的差别旋转频率(例如，轴12相对于主轴线A的1200rpm的旋转速度，这对应于20Hz的频率F12)。

附图标记“p”也被定义为磁体同步电动机的成对磁极的数量。

为了获得第二部分22相对于轴12的相对旋转频率“F22”，要求磁体同步电动机的电源频率为p*(F12+F22)。

对于具有三对磁极的磁体同步电动机以及10,200rpm的最大驱动速度，获得3*(20Hz+170Hz)＝570Hz的最大电源频率。

在使用异步电动机的情况下，电源由公式p*(F12+F22+Fr)定义，其中，Fr是第二部分22的转子电流频率。

Fr随着所应用的扭矩和操作点而变化。

对于具有三对磁极的异步电动机以及1200rpm的最大驱动速度，例如在稳定情况下，获得3*(20Hz+170Hz+10Hz)＝600Hz的最大电源频率。

应该理解的是第二部分22的旋转速度可以持续地修改，以防止出现任何抖动。

根据图1-4中所表示的实施例，驱动装置18为径向场气隙类型，即固定部分20和可移动部分22相对于彼此是同轴地且径向地偏移。

应理解的是，本发明不受限于此实施例，驱动装置18可以是另一种类型，例如在图5中所表示的，其中驱动装置为轴向场气隙类型。

根据此实施例，固定部分20和可移动部分22相对彼此轴向地偏移。

根据另一实施例(未示出)，驱动装置18为结合径向场气隙和轴向场气隙的类型。

此外，本发明结合围绕第二轴线Ｂ可旋转的涡轮引擎叶片16来描述。应该理解的是本发明不受限于此实施例，本发明可以与任何元件关联，所述元件沿着平移的第二轴线Ｂ沿着第二轴线Ｂ或根据结合相对于第二轴线Ｂ的平移和旋转的运动可移动地安装。

Claims (9)

1.一种机械系统(10)，其包括：

-轴(12)，所述轴相对于一结构性元件(14)围绕其主轴线可旋转地安装；

-可移动构件(16)，所述可移动构件安装在所述轴(12)上，使得其固定到所述轴(12)上，用于与所述轴(12)围绕所述主轴线(A)旋转，并使得该可移动构件(16)适于相对于所述轴(12)选择性地移动；

-驱动装置(18)，所述驱动装置用于相对于所述轴(12)移动所述可移动构件(16)，该驱动装置包含安装在所述结构性元件(14)上的第一固定部分(20)和安装在所述轴(12)上并且与所述可移动构件(16)相连的第二可移动部分(22)，包括在所述第一部分(20)与所述第二部分(22)之间的气隙机电致动器，

其特征在于，该机械系统包括用于控制所述驱动装置(18)，以根据所述轴(12)的旋转速度控制所述驱动装置(18)的第二部分(22)相对于所述第一部分(20)的旋转速度的装置。

2.根据权利要求1所述的机械系统(10)，其特征在于，所述驱动装置(18)包括一径向场气隙机电致动器。

3.根据上述权利要求中任何一项所述的机械系统(10)，其特征在于，所述驱动装置(18)包括轴向场气隙机电致动器。

4.根据上述权利要求中任何一项所述的机械系统(10)，其特征在于，所述驱动装置(18)的第二部分(22)可旋转地与所述轴(12)同轴地安装，并通过用于引导围绕所述轴(12)的主轴线(A)旋转的装置(26)与所述轴(12)相连。

5.根据权利要求4所述的机械系统(10)，其特征在于，该机械系统包括用于将所述第二部分(22)相对于所述轴(12)的旋转运动转换成所述可移动构件(16)相对于所述轴(12)的移动的装置(28)，所述装置(28)包括与所述第二部分(22)相连的运动输入构件(36)，所述运动输入构件(36)在所述可移动构件(16)的移动过程中相对于所述轴(12)可选择性地旋转。

6.根据上述权利要求中任何一项所述的机械系统(10)，其特征在于，所述控制装置被包括以使所述运动输入构件(36)围绕所述轴(12)旋转，从而相对于所述轴(12)移动所述可移动构件(16)。

7.根据上述权利要求中任何一项所述的机械系统(10)，其特征在于，所述可移动构件(16)相对于所述轴(12)围绕一第二轴线(B)可旋转地安装，所述第二轴线具有相对于所述主轴线(A)的径向方向，所述第二轴线(B)固定到所述轴(12)，用于与其围绕所述主轴线(A)旋转。

8.一种航空器涡轮引擎，其特征在于，该航空器涡轮引擎包括根据上述权利要求中任何一项所述的机械系统(10)，其中所述可移动构件(16)包括一可变方向叶片。

9.一种根据权利要求8的涡轮引擎，其特征在于，该涡轮引擎包括围绕所述轴(12)的主轴线(A)分布的多个叶片(16)。