CN105917079B - 包括用于改变运动构件的共振频率的装置的涡轮机的运动构件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种航空器涡轮机的转子(10)，所述转子具有主轴线(A)，所述转子包括：装置(14)，其用于根据所述转子(10)的旋转速度低于或高于预定的旋转速度来更改所述转子(10)的临界速度；部件(16)，其能够根据所述转子(10)的旋转速度低于高于所述预定的旋转速度而占据第一状态或第二状态，所述部件(16)的每个状态对应于所述转子(10)的临界速度；以及驱动装置(18)，其用于根据所述转子(10)的旋转速度，将所述部件(16)驱动成所述部件的两个状态中的一个或另一个，其特征在于，用于更改所述转子(10)的临界速度的装置(14)还包括部件(38)，所述部件与所述驱动装置(18)接合并且能够在两个稳定形态中的一个与另一者之间弹性变形，所述两个稳定形态中的每一个对应于所述部件(16)的状态。

Description

包括用于改变运动构件的共振频率的装置的涡轮机的运动 构件

技术领域

本发明提出一种航空器涡轮机的转子，该转子包括用以根据涡轮机的操作状况更改转子的临界速度的装置。临界速度限定为转子的旋转频率与共振频率之间的一致。

背景技术

涡轮机的运动构件比如涡轮机转子具有其特定的临界速度。当转子以非常接近该临界速度的旋转速度旋转时，转子的振动逐渐增大，这对涡轮机的效率有害。

用以限制这些振动的已知的解决方案包含将转子经由减震装置连接至涡轮机的定子。

其他已知的解决方案包含减少转子以接近临界速度的旋转速度旋转的时间。为了实现该目的，迅速地实施转子的加速或减速，这具有对转子和整个涡轮机组件施加高的机械应力的缺点。

这些解决方案仅部分地有效，这是由于当转子以接近转子的临界速度旋转时，其仍然使涡轮机遭受显著振幅的振动。

文献US-2005/152626描述一种用于更改转子的导向轴承支撑件的临界速度的装置，该导向轴承支撑件包括结合的具有不同刚度的两个机械结构件以支撑该轴承，两个机械结构件的特定的共振频率不同。该支撑件还包括用于更改结构件相对于彼此的角度位置，使得支撑件的临界速度等于结构件的两个临界速度中的一个或另一个的装置。

因此，该文献描述一种需要控制构件的装置，该控制构件触发两个结构件的相对角度位置的改变。

本发明的目的是提出一种转子，该转子能够以与转子的临界速度始终不同的旋转速度进行旋转。

发明内容

本发明提出一种航空器涡轮机的转子，所述转子具有主轴线，所述转子包括装置，所述装置用于根据所述转子的旋转速度低于或高于第一临界速度与第二临界速度之间的预定的旋转速度，而在所述第一临界速度与所述第二临界速度之间更改所述转子的临界速度，

用于更改所述转子的临界速度的所述装置包括：

-部件，所述部件能够根据所述转子的旋转速度低于高于所述预定的旋转速度而占据第一状态或第二状态，所述部件的每个状态对应于所述转子的临界速度，和

-驱动装置，所述驱动装置用于根据所述转子的旋转速度将所述部件朝向该部件的两个状态中的一个或另一者驱动，

其特征在于，用于更改所述转子的临界速度的装置还包括与所述驱动装置接合并且能够在两个稳定形态中的一个与另一个之间弹性变形的部件，所述两个稳定形态中的每一个对应于所述部件的状态。

在操作期间，涡轮机的转子的临界速度的更改允许当转子的旋转速度接近临界速度中的一个时从临界速度切换至另一速度。

这防止转子以对应于其临界速度的速度旋转，因此，限制了涡轮机内的机械应力。此外，可以快速地实现切换。

优选地，所述部件由例如柔性反转笼的系统组成，所述柔性反转笼根据所述部件处于该部件的两个操作状态中的一个或另一个，对用于更改所述转子的临界速度的所述装置提供灵活度或不提供灵活度。

优选地，所述驱动装置包括至少一个致动构件，所述至少一个致动构件可移动地安装，并且当所述转子的旋转速度高于所述预定的旋转速度时能够在离心作用下径向移动。

优选地，所述驱动装置包括插入件，所述插入件能够沿着所述转子的主轴线移动并且所述插入件能够与所述部件联接以改变所述部件的状态。

优选地，所述驱动装置包括用于将所述致动构件的径向移动转换为所述插入件的轴向移动的装置。

优选地，用于转换所述致动构件的径向移动的所述装置包括面向彼此且相对于彼此运动的两个回转部分，所述致动构件定位在所述两个回转部分之间，并且所述回转部分的面向彼此的支撑表面相对于彼此倾斜。

优选地，所述驱动装置包括弹性装置，所述弹性装置用于将所述插入件朝向一位置驱动，该位置对应于所述部件的与所述转子的低于所述预定的旋转速度的临界速度相关的状态。

优选地，驱动装置包括为轴向凸面且连结至插入件的主径向定向壁。所述凸面壁能够弹性变形且能够占据两个稳定形态，所述两个稳定形态分布在穿过所述凸面壁的径向外边缘的径向平面的两侧上。

优选地，用于改变所述转子的临界速度的所述装置被制作为：使得当所述转子的旋转速度高于所述预定的旋转速度时，该装置减小所述转子的临界速度，以及使得当所述转子的旋转速度低于所述预定的旋转速度时，该装置增大所述转子的临界速度。

本发明还提出一种航空器涡轮机，所述航空器涡轮机包括根据本发明的转子，所述转子配备有当所述转子的旋转速度高于或低于预定的旋转速度时能够更改所述转子的临界速度的装置。

附图说明

通过阅读以下参照附图给出的详细描述会更佳地理解本发明的其他特征和优点，在附图中：

-图1是根据本发明制造的涡轮机的转子的一部分的轴向截面的示意性表示；

-图2是以分开位置表示的用以联接运动构件与轴的装置的放大比例的细节图；

-图3是类似于图2的视图，示出了在联接位置的联接装置。

具体实施方式

图1示出航空器涡轮机比如涡轮螺旋桨发动机的转子10的一部分。

应理解的是，本发明不限于转子10，本发明还可以应用于涡轮机的能够旋转移动的另一部件，比如动力传动轴。

转子10包括轴12，轴12安装成使得其绕转子10的主轴线A相对于涡轮机的定子(未示出)旋转移动。轴12支撑转子10的多个部件(未示出)，比如压缩机叶片或涡轮叶片。

在涡轮机操作期间，不管转子10的动态平衡如何，转子10和轴12以对应于旋转速度的频率振动。

转子10的和轴12的振动的振幅取决于转子10的旋转速度。具体地，振动的振幅随着转子10的旋转速度接近转子10的临界速度而增大。临界速度限定为转子的旋转频率与共振频率之间的一致。

转子10的临界速度取决于涡轮机的设计；具体地，其取决于转子10的部件的质量并取决于在定子中旋转的轴12的导向支撑件的位置。

在转子10以该临界速度旋转的情况下，转子10的振动具有能够使转子10或定子损坏的高振幅。

为了防止转子10以接近其临界速度的旋转速度旋转，转子包括装置14，装置14用于当转子10的旋转速度接近转子10的临界速度时更改转子10的临界速度。

用于更改转子10的临界速度的装置14制造成：比如当转子的旋转速度超过预定的旋转速度时或者当转子10的旋转速度降低在预定的旋转速度以下时，以几乎瞬间的方式改变转子10的临界速度。

因此，用于更改临界速度的装置14形成称为“双稳定”的系统，“双稳定”能够占据两个稳定操作状态，每个稳定操作状态与转子10的旋转速度高于或低于预定的旋转速度的范围相关。

该预定的旋转速度在称为下临界速度的第一临界速度与称为上临界速度的第二临界速度之间，第一临界速度是当用于更改临界速度的装置14在第一状态时的转子10的临界速度，第二临界速度是当用于更改临界速度的装置14在其第二状态时的转子10的临界速度。

同样，用于更改临界速度的装置14设计成使得：当转子10以低于预定的旋转速度的速度旋转时，用于更改临界速度的装置14处于其第二状态，转子10的临界速度因而为上临界速度。转子10的旋转速度因而低于以上限定的上临界速度。

然而，当转子10以高于预定的旋转速度的速度旋转时，用于更改临界速度的装置14处于其第一状态，转子10的临界速度因而为下临界速度。转子10的旋转速度因而仍高于以上限定的下临界速度。

因此，无论转子10的旋转速度如何，由于用于更改临界速度的装置14的状态的变化，转子10因而不能达到对应于其临界速度的旋转速度。

为了更改转子的临界速度，用于更改临界速度的装置14包括部件16，部件16的状态根据用于更改临界速度的装置14处于其第一状态或处于其第二状态而改变。

根据一个优选实施例，部件16是比如柔性反转笼的系统，即，柔性笼联接至转子10。在常规的柔性笼系统中，柔性笼联接至定子。

柔性笼16的状态的改变通过其与插入件40联接或无联接而实现。如可以在图中看到，插入件40由紧固至转子10的元件组成，该元件在图1和2表示的插入件和柔性笼16联接的联接位置与插入件和柔性笼16无联接的无联接位置之间相对于转子10以及相对于柔性笼16轴向移动。

柔性笼16设计成使得：当其与插入件40联接时，转子10与定子之间的应力通过柔性笼16和转子10的导向支撑件在柔性笼的高度处传递。这两个应力路径建立柔性笼16的刚度，这为转子10提供了上临界速度或下临界速度。

因此，当插入件40与柔性笼16联接时，用于更改临界速度的装置14处于其第二状态。

然而，当插入件40与柔性笼16无联接时，在柔性笼16的高度处传递的应力仅经由柔性笼16传递。该单个应力路径为系统提供灵活性，这为转子10提供其下临界速度。

因此，当插入件40与柔性笼16无联接时，用于更改临界速度的装置14处于其第一状态。

如图1所示，柔性笼16紧固至轴12，例如其通过焊接固定至轴12。

用于更改转子10的临界速度的装置14包括用于驱动插入件40的装置18，当转子10的旋转速度超过或低于预定的旋转速度时，装置18触发插入件40在其和柔性笼16联接的联接位置与其和柔性笼16无联接的无联接位置之间的移动。

驱动插入件40的驱动装置18在离心力的作用下触发插入件40的移动。因此，驱动装置18不连接至任何控制装置，这简化了用于更改转子10的临界速度的装置14的集成。

如图中示出，驱动装置18包括安装于轴12上的笼20和连接至插入件40的圆筒形套筒22。

根据图中示出的实施例，圆筒形套筒22安装成使得其相对于笼20沿着转子10的主轴线A平移地移动。

笼20和套筒22旋转地紧固至轴12并被销12横穿过。

圆筒形套筒22相对于笼20能够占据图2中示出的第一位置和图3中示出的第二位置，第一位置对应于插入件40和柔性笼16联接的联接位置，第二位置对应于插入件40和柔性笼16无联接的无联接位置。

圆筒形套筒22相对于笼20的移动通过紧固至笼20的第一支撑件24导引。

第一支撑件24经由相对于轴线A沿着径向平面延伸的壁34连接至笼20的其余部分。

如文中以上规定的，用于更改转子10的临界速度的装置14具有双稳定特征，即，装置14具有两个稳定操作位置。

在用于更改临界速度的装置14的两个稳定操作位置的每一个位置之间的转换通过圆筒形套筒22的驱动装置实现，当转子10的旋转速度超过或低于预定的速度时，该驱动装置改变套筒22的位置。

用于更改转子10的临界速度的装置14的双稳定特征此外通过笼20的壁38增强，壁38是轴向凸面的并且在其中心处经由第二支撑件26连接至圆筒形套筒22。

第二支撑件26轴向平移地紧固至圆筒形套筒22，壁38能够在其中心的轴向移动期间弹性变形。

由于其凸面的形状，壁38仅能够占据图2和图3中示出的两个稳定形态，所述两个稳定形态分布在经过壁38的径向外边缘的径向平面的两侧上。在两个稳定形态的每一个中，壁38在一个方向上或在另一个方向上是轴向凸面的。

当壁38以不同于这两个稳定形态的方式弹性变形时，根据壁从硬点在一侧或另一侧上变形的情况，壁38具有恢复至所述两个形态中的一个的自然趋势，所述硬点一般对应于这样的点：在该点处，壁的中心和径向外边缘处于相同的轴向高度。

因此，当转子10的旋转速度超过或低于预定的速度时，壁38将圆筒形套筒22非常迅速地驱动至其两个位置中的一个，使得套筒22和插入件40因此在中间轴向位置停留非常短的时间。

凸面的壁38为用于更改转子10的临界速度的装置14提供不连续特征。

致动装置18设计成驱动圆筒形套筒22轴向移动，使得：当转子10的旋转速度等于用于更改转子10的临界速度的装置14要改变状态的预定的旋转速度时，第二支撑件26经过该所谓的硬点。

用于在相对于笼20的轴向位移中将第二支撑件26与圆筒形套筒22紧固的紧固装置包括圆筒形套筒22的肩部28，该肩部28在第一方向上(在该情况中，向左)坐靠第二支撑件26的相反的轴向端部。肩部28在该示例中位于圆筒形套筒的距部件16最近的端部22a处。

用于将第二支撑件26与圆筒形套筒22紧固的装置还包括弹性装置，该弹性装置在第二方向上(即，向右)对第二支撑件26连续施加背离肩部28的承载力。

对应于用于更改转子10的临界速度的装置14的第二状态(对于该第二状态，转子10的临界速度为上临界速度)，弹性装置30还施加连续作用，用以朝向图1和图2所示的凸面壁38的稳定位置驱动第二支撑件26。

在该情况下，弹性装置30由压缩在两个支撑件24、26之间的压缩弹簧组成。

致动装置18包括驱动装置，当转子10的旋转速度大于预定的速度时，对应于用于更改转子10的临界速度的装置14的第一状态(在该第一状态，转子10的临界速度为下临界速度)，该驱动装置用于驱动圆筒形套筒22朝向图3中示出的第二位置轴向位移。

这些驱动装置为离心作用的类型，即，其包括相对于轴线A径向运动的至少一个构件32，随着转子10的旋转速度增大，所述至少一个构件32通过离心作用逐渐径向地远离轴线A移动。

在该情况下，驱动装置包括多个运动构件32，所述多个运动构件32由轴向介于径向壁34与回转部分36之间的球组成，径向壁34支撑第一支撑件24，回转部分36由圆筒形套筒22的第二端部22b支撑。

该回转部分36从圆筒形套筒22的第二端部22b径向向外延伸并且包括支承表面36a，支承表面36a定位成面向支撑第一支撑件24的径向壁34的支承表面34a，球32轴向压靠支承表面36a。

回转部分36的和径向壁34的面向支承表面36a、34a相对彼此倾斜，即，两个支承表面36a、34a中的至少一个的形状是圆锥形，并且支承表面36a、34a之间的距离随着远离主轴线A变小。

因此，当球32径向向外移动，使得球远离主轴线A时，球32压靠支承表面34a、36a并触发圆筒形套筒22相对于笼20朝其第二位置移动。

经由该移动，圆筒形套筒22驱动第二支撑件26并引起凸面壁38的弹性变形。

由支承表面34a、36a、球32的尺寸和质量、以及弹簧30的尺寸限定的角度定义为预定的旋转速度的函数。

当转子10以该预定的旋转速度或以更高的旋转速度旋转时，球32对面向彼此的壁34a、36a的压力大于由复位弹簧30和由凸面壁38施加的力。因此，圆筒形套筒22被朝向其第二位置轴向驱动，从而触发凸面壁38的状态变化。

当凸面壁38改变状态时，其施加的弹性回程力改变方向，凸面壁38因此与离心驱动装置接合以克服由弹簧30施加的回程力驱动圆筒形套筒22。

因此，当转子10以高于预定的旋转速度的旋转速度旋转时(即，如以上规定的，旋转速度高于转子10的下临界速度)，圆筒形套筒22被朝向其第二位置驱动，对此，插入件40不与柔性笼16联接，因此，柔性笼16处于有间隙的状态。用于更改临界速度的装置14处于其第一状态，与转子10的下临界速度关联。

因此，转子10以高于转子10的临界速度的速度旋转。

然而，当转子10的旋转速度变得低于该预定的旋转速度时，由复位弹簧30施加的力大于由球32对面向壁34a、36a和由凸面壁38的回程力施加的力。因此，圆筒形套筒22被弹簧30和凸面壁38朝向图1和图2所示的位置驱动。

因此，当转子10以低于预定的旋转速度的旋转速度旋转时(即，如以上规定的，旋转速度低于转子10的下临界速度)，圆筒形套筒22被朝向其位置驱动，对此，插入件40与柔性笼16联接，因此，柔性笼16处于无间隙的状态。用于更改临界速度的装置14处于其第二状态，与转子10的上临界速度关联。

因此，转子10以低于转子10的临界速度的旋转速度旋转。

驱动装置在离心作用下与凸面壁38的急弹性变形的结合允许圆筒形套筒22被朝向图3示出的位置迅速地驱动。因此，这允许插入件40从柔性笼16迅速收回，以便更改转子10的临界速度。

转子10还包括导向轴承42，在该示例中设置三个导向轴承，所述三个导向轴承导引轴12、用于更改转子10的临界速度的装置14、和旋转的柔性笼16。

在该情况中位于图的右手侧，按照气体在涡轮机中的流动方向，第一轴承42布置在轴12的上游部分处。第一轴承42位于涡轮机的进气外壳处。

其他两个轴承42布置在涡轮机的低压涡轮机的两侧上。

布置在轴12的下游部分处的第二轴承42连接至低压涡轮机的排气外壳。

位于其他两个轴承42之间的第三轴承42连接至柔性笼16并连接至涡轮机内壳。

根据替代性实施方式，部件16是移动质量块，其可以选择性地经由用于更改临界速度的装置14联接至轴12或无联接至轴12，或者其可以通过用于更改临界速度的装置14轴向移动。

移动质量块16的状态变化因此在于选择的联接或移动质量块16的移动，从而如文中以上描述的允许转子10的临界速度被更改。

Claims (10)

1.一种航空器涡轮机的转子(10)，所述转子(10)具有主轴线A，所述转子(10)包括装置(14)，所述装置(14)用于根据所述转子(10)的旋转速度低于或高于第一临界速度与第二临界速度之间的预定的旋转速度，而在所述第一临界速度与所述第二临界速度之间更改所述转子(10)的临界速度，

用于更改所述转子(10)的临界速度的所述装置(14)包括：

-能够根据所述转子(10)的旋转速度低于或高于所述预定的旋转速度而占据第一状态或第二状态的部件(16)，所述部件(16)的每个状态对应于所述转子(10)的临界速度，以及

-驱动装置(18)，所述驱动装置(18)用于根据所述转子(10)的旋转速度将所述部件(16)朝向所述部件(16)的两个状态中的一个或另一个驱动，

其特征在于，用于更改所述转子(10)的临界速度的装置(14)还包括与所述驱动装置(18)接合并且能够在两个稳定形态中的一个与另一个之间弹性变形的凸面壁(38)，所述两个稳定形态中的每一个对应于所述部件(16)的状态。

2.根据权利要求1所述的转子(10)，其特征在于，所述部件(16)由柔性反转笼组成，所述柔性反转笼根据所述部件(16)处于该部件的两个操作状态中的一个或另一个来给用于更改所述转子(10)的临界速度的所述装置(14)提供或不提供灵活性。

3.根据前述权利要求中任一项所述的转子(10)，其特征在于，所述驱动装置(18)包括至少一个致动构件(32)，所述至少一个致动构件(32)可移动地安装，并且当所述转子(10)的旋转速度高于所述预定的旋转速度时能够在离心作用下径向移动。

4.根据权利要求3所述的转子(10)，其特征在于，所述驱动装置(18)包括插入件(40)，所述插入件(40)能够沿着所述转子(10)的主轴线移动并且所述插入件(40)能够与所述部件(16)联接以改变所述部件(16)的状态。

5.根据权利要求4所述的转子(10)，其特征在于，所述驱动装置(18)包括用于将所述致动构件(32)的径向移动转换为所述插入件(40)的轴向移动的装置(34、36)。

6.根据权利要求5所述的转子(10)，其特征在于，用于转换所述致动构件(32)的径向移动的所述装置(34、36)包括面向彼此且相对于彼此运动的两个回转部分，所述致动构件(32)定位在所述两个回转部分之间，并且所述回转部分的面向彼此的支撑表面(34a、36a)相对于彼此倾斜。

7.根据权利要求4所述的转子(10)，其特征在于，所述驱动装置(18)包括弹性装置，所述弹性装置用于将所述插入件(40)朝向一位置驱动，该位置对应于所述部件(16)的与所述转子(10)的低于所述预定的旋转速度的旋转速度相关的状态。

8.根据权利要求4所述的转子(10)，其特征在于，所述凸面壁(38)是轴向凸面的且连结至所述插入件(40)，并且，所述凸面壁(38)能够弹性变形且能够占据两个稳定形态，所述两个稳定形态分布在穿过所述凸面壁(38)的径向外边缘的径向平面的两侧上。

9.根据前述权利要求1至2中任一项所述的转子(10)，其特征在于，用于更改所述转子(10)的临界速度的所述装置被制作为：使得当所述转子(10)的旋转速度高于所述预定的旋转速度时，该装置减小所述转子(10)的临界速度，并且使得当所述转子(10)的旋转速度低于所述预定的旋转速度时，该装置增大所述转子(10)的临界速度。

10.一种航空器涡轮机，所述航空器涡轮机包括根据前述权利要求中任一项所述的转子(10)，所述转子(10)配备有当所述转子(10)的旋转速度高于或低于预定的旋转速度时能够更改所述转子(10)的临界速度的装置(14)。