CN109690027A - 一种用于通过多层压电致动器控制入口导向叶片的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的进气挡板的电致动器，其包括附接到发动机的固定部分的固定部分(104)以及机械地连接到进气挡板的可移动部分(102)，该电致动器(100)包括均匀地分布在所述可移动部分的周边，并固定到该固定部分的固定电磁铁(108a‑108h)，以及被布置在这些固定电磁铁之间的可移动电磁铁(110a‑1l0h)，每个可移动电磁铁均在每一侧被固定到第一压电元件(114a‑114h)和第二压电元件(116a‑116h)，可移动电磁铁与第一和第二压电元件具有相对于该移动部分的移动的自由度。

Description

一种用于通过多层压电致动器控制入口导向叶片的装置

技术领域

本发明涉及航空发动机(特别是飞机或直升机)的压缩机和涡轮的通用领域。更准确地说，本发明涉及控制燃气涡轮发动机的入口导向叶片(IGV)。

背景技术

IGV的致动器用于控制位于直升机涡轮发动机上的压缩机级上游的预旋转叶片的位置(例如，参见US 2014/0286745)。这种致动器的功能包括引导空气流从压缩机上游进入发动机。改变预旋转叶片的角位置可以优化发动机的整体性能(瞬态和比耗)。

通常由一种由燃油回路驱动的液压致动器提供控制入口导向叶片的功能，所述燃油回路使其流速和压力直接被索引到气体发生器的速度。然而，这种结构存在许多缺点。

首先，由于其可逆性，现在的液压致动器并没有“位置记忆”或“故障冻结”，即在发生故障时，它们不保持最后受控的位置。其次，这些致动器的尺寸适用于宽泛范围的压力和流速，由于与燃油回路的相互作用，在每次燃油驱动致动器时所述压力和流速都会导致对燃油计量系统的真正干扰。工作压力差根据发动机工作点的不同而变化很大(当怠速时为低增量P，并且在高速时为高增量P)。此外，尺寸过大对发动机重量具有不可忽视的影响并导致燃油不必要的加热，并从附件齿轮箱间接地获取不必要的动力。最后，这些致动器仅当发动机运行时才是可控制的，这在某些日常维护操作中特别有害，诸如发动机内窥镜检查，其中需要在不起动发动机的情况下移动叶片，因为这需要使用外部液压单元。

美国专利7 096 657公开了一种通过冗余地提供的电致动器来控制入口导向叶片的控制系统，所述电致动器可以是无刷直流电机或者感应或可变磁阻交流电机。然而，无刷电机的使用需要从电磁兼容性的角度来看特别复杂和限制的控制电子设备，并且所涉及的功率在所有飞行条件下都不充分。同样地，如果可变磁阻电机或其控制电子设备发生短路，由短路产生的制动扭矩非常低或甚至为零，这必然需要使用外部电子制动器(通电-释放类型制动器)来冻结最后一个受控位置。为了安全地切换到控制该电机的降级模式，该信息至关重要。对于这两种类型的电机，上述情形同样适用于功率损失的情况。

因此，目前需要通过一种没有上述缺点的新致动器来控制入口导向叶片。

发明内容

因此，本发明旨在通过提供一种仅用于控制IGV的功能并且还提供特别安全行为的高效和优化的致动器来消除上述缺点。

该目的通过一种用于燃气涡轮发动机的入口导向叶片的电致动器实现，所述电致动器包括被固定到所述发动机的静止部分的固定部分以及机械地连接到所述入口导向叶片的可移动部分，所述电致动器的特征在于，其包括以规则间隔分布在所述可移动部分的周边周围并且被紧固到所述固定部分的固定电磁铁，以及被布置在所述固定电磁铁之间的可移动电磁铁，每个可移动电磁铁在任一侧上被固定到第一和第二压电元件，所述可移动电磁铁和所述第一和第二压电元件具有相对于所述可移动部分的运动自由度。

使用这种新的电气结构，移除了现有技术系统的过大结构尺寸，并且可因此独立于控制IGV的功能来优化燃油回路。

有利地，所述固定部分是旋转致动器的定子，所述可移动部分是旋转致动器的转子，并且所述运动自由度是围绕所述转子的旋转轴旋转的自由度。

优选地，每个压电元件由被布置在一个或多个层中的一系列N个陶瓷组成。

有利地，所述压电元件包括平行布置的两个叠加层的十个陶瓷。

优选地，所述固定电磁铁构成所述定子的整体部分，从而形成内细齿。

有利地，所述固定电磁铁并联电连接到第一直流电压源DC1，所述可移动电磁铁并联电连接到第二直流电压源DC2。

优选地，所述直流电压源传递两个相反的信号。

有利地，所述第一压电元件并联电连接到第一交流电压源AC1，所述第二压电元件并联电连接到第二交流电压源AC2。

优选地，所述交流电压源提供了由以下关系表征的两个反相正弦波电压：

AC1＝A sinω(t)以及AC2＝A sin(ω(t)+π)

本发明还提供一种燃气涡轮发动机，其包括至少一个上述电致动器。

附图说明

从参考附图进行的以下描述，本发明的其他特征和优点变得显而易见，所述附图示出了一种非限制性特征的实施例。在图中：

·图1是本发明所适用的燃气涡轮发动机的示意图；

·图2示出了根据本发明用于控制图1发动机的入口导向叶片的电动旋转致动器的第一示例；

·图3示出了操作图2致动器所需要的多种电源；

·图4A-4D示出了图2致动器的转子运动的多种步骤；以及

·图5示出了一种根据本发明用于控制图1发动机入口导向叶片的并且其为线性致动器的电致动器的第二示例。

具体实施方式

图1是燃气涡轮发动机10的示意图，该燃气涡轮发动机通常包括压缩机12、燃烧室14以及被设计用于驱动发动机叶片(未示出)的涡轮16。入口导向叶片(IGV)18被布置在压缩机12的入口，它们由一个或多个致动器(ACT)20旋转地移动，所述致动器由中央计算机(FADEC)22控制，所述中央计算机22还管理该发动机以及特别是气体到燃烧室内的喷射。

在本发明中，入口导向叶片的致动器是一种以图2所示的特定旋转压电电机的形式的电致动器。

压电电机100包括一种围绕环形定子104的中央转子102。该中央转子有利地被穿孔以节省重量，其被以固定的方式连接到致动入口导向叶片的控制杆，所述控制杆具有与发动机壳体的枢轴连接，而定子具有与发动机的静止部分的固定连接。根据转子材料的性质，以规则的间隔分布在转子周边周围并被机械地紧固或结合到定子的磁性主体与相关联的绕组106a-106h配合，以形成以规则的间隔定位的固定的电磁铁108a-108h。所述磁性主体也可以构成定子的整体部分，从而形成内细齿。

可移动电磁铁110a-110h(每个均由磁性主体和相关联的绕组112a-112h形成)被布置在这些固定电磁铁之间，每个固定电磁铁都在任一侧上被固定到一压电元件114a-114h；116a-116h。每个压电元件均由被布置在一个或多个层中的一系列陶瓷组成。在未被视为限制性的所示出实施例中，一种压电元件包括平行放置的两个叠加层的十个陶瓷。陶瓷层的高度对应于围绕它们的静止或可移动的磁性主体的高度，使得这些不同的部件的内表面形成一种与中央转子102相切的公共接触线。对于这种结构，可移动的电磁铁110a-110h以及第一和第二压电元件114a-114h；116a-116h具有围绕中央转子102的轴线旋转的自由度，而在定子和转子之间(由于气隙(未标记)的存在)没有任何摩擦，这与已知类型的压电电机结构不同。与压电元件的使用方式相关联的该气隙可以抵消与这种压电技术有关的一个主要问题：即其上结合有压电部件的聚合物的磨损。通过限制或消除摩擦，增加了设备的寿命和可用性，使其与航空使用相兼容。

现在参考图3和图4A到4D来解释电机的操作，这些图示出了在发动机的工作循环过程中中央转子的控制信号和相应运动。

如图4B所示，固定电磁铁108a、108b、108c并联地电连接到第一直流电压源DC1(图3中的曲线120)，可移动电磁铁110a、110b并联地电连接到第二直流电压源DC2(图3中的曲线122)，直流电源DC1、DC2传递相反的信号。第一压电元件114a、114b并联地电连接到第一交流电压源AC1(图3中的曲线124)，第二压电元件116a、116b并联地电连接到第二交流电压源AC2(图3中的曲线126)。交流电压源传递两个反相的正弦波电压，因此，它们由以下关系所表征：

AC1＝A sinω(t)以及AC2＝A sin(ω(t)+π)

为了驱动压电电机，压电元件和电磁铁必须分两步供电，限定了如下的四个连续阶段：

图4A示出了其中固定电磁铁108a、108b、108c具有经其流过的电流(电压源DC1为正)并且因此与中央转子102保持接触的初始阶段。停用可移动电磁铁110a、110b(直流电压源DC2为零)，并且第一和第二压电元件114a、114b；116A、116b处于初始静止位置。

在图4B中，当具有经其流过的电流的固定电磁铁108a、108b、108c与中央转子102保持接触时，第一压电元件114a、114b伸长，第二压电元件116a、116b收缩，导致它们被固定到的并且不带电的可移动电磁铁110a、110b(直流电压源DC2保持为零)与它们同时伸长/收缩运动(沿箭头所示的方向)。

在图4C中，压电元件的伸长/收缩运动已经结束，因此，对可移动电磁铁110a、110b供电(电压源DC2被制成为正)，以与中央转子102保持接触。同时，停用固定电磁铁108a、108b、108c(直流电压源DC1被设置为零)。

图4D示出了当第一压电元件114a、114b收缩以及第二压电元件116a、116b伸长以恢复到它们的初始形状，导致可移动电磁铁110a、110b与它们一起移动(沿箭头所示的方向)并且因此也移动中央转子102的最后阶段，其中它们在所述中央转子102上保持接触。通过观察指针130的旋转，可以看出电机的实际旋转对应于压电元件的伸长/收缩的循环。

为了沿相反方向操作电机，有必要颠倒电磁铁的控制方向或以使第二交流电压源AC2超过第一交流电压源AC1的方式使第一和第二交流电压源AC1和AC2的相位互换。

应该注意的是，尽管对于旋转电机的设置给出了以上描述，但很清楚，该描述是通过示例给出，并且直线电机的设置也同样适合，如图5所示。

因此，这种线性压电电机200包括可移动部分202和固定部分204。如同在上述实施例中，该可移动部分以固定方式连接到致动入口导向叶片的控制杆，该可移动部分与发动机的固定部分具有固定连接。以规则的间隔分布在该可移动部分的周边周围并紧固到该固定部分上的磁性主体与相关绕组206a-206配合，以形成以规则间隔定位的固定电磁铁208a-208b。所述磁性主体也可以构成该固定部分的整体部分。可移动电磁铁210a-210b(每个都由磁性主体以及相关的绕组212a-212b形成)被布置在这些固定电磁铁之间，每个固定电磁铁在任一侧上被固定到一压电元件214a-114b；216a-216b，每个都由被布置在一个或多个层中的一系列陶瓷组成，这些多不同部件的内侧表面形成与可移动部分202相切的公共接触线(“接触”忽略了出于解释目的以夸大的方式放大的气隙218)。对于这种结构，可移动电磁铁210a-210b以及第一和第二压电元件214a-214b；216a-216b在沿可移动部分202的平移中具有运动自由度，而在定子与转子之间没有任何摩擦。

因此，对于本发明，由于电气到机械的转换以及由于简化设计的控制，与通常重量约2500克的液压IGV致动器相比，重量节省相当可观，致动器的重量(约500克(g))可以减少5个因子。

此外，也很大地改进了压电致动器的动态性能：与液压RTM322型的致动器的每秒8.5毫米相比，满载(100十牛顿(daN))时高达每秒200毫米(mm/s)，并且精度改进到几微米内(与RTM322的±0.2毫米(mm)相比)。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的入口导向叶片的电致动器，所述电致动器包括被固定到所述发动机的静止部分的固定部分(104、204)以及机械地连接到所述入口导向叶片的可移动部分(102、202)，所述电致动器(100，200)的特征在于，其包括以规则的间隔分布在所述可移动部分的周边周围并且被紧固到所述固定部分的固定电磁铁(108a-108h；208a-208c)，以及被布置在所述固定电磁铁之间的可移动电磁铁(110a-110h；210a-210c)，每个可移动电磁铁(110a-110h；210a-210c)均在任一侧上被固定到第一和第二压电元件(114a-114h；214a-214c&116a，116h；216a，216c)，所述可移动电磁铁和所述第一和第二压电元件具有相对于所述可移动部分的运动自由度。

2.根据权利要求1所述的电致动器，其中，所述静止部分是一旋转致动器(104)的定子，所述可移动部分是一旋转致动器(102)的转子，所述运动自由度是围绕所述转子的旋转轴线旋转的自由度。

3.根据权利要求1或2所述的电致动器，其中，每个压电元件均由被布置在一个或多个层中的一系列N个陶瓷组成。

4.根据权利要求3所述的电致动器，其中，所述压电元件包括平行布置的两个叠加层的十个陶瓷。

5.根据权利要求3或4所述的电致动器，其中，所述固定电磁铁构成所述定子的整体部分，从而形成内细齿。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的电致动器，其中，所述固定电磁铁并联地电连接到第一直流电压源DC1，所述可移动电磁铁并联地电连接到第二直流电压源DC2。

7.根据权利要求6所述的电致动器，其中，所述直流电压源传递两个相反的信号。

8.根据权利要求1到5中任一项所述的电致动器，其中所述第一压电元件并联地电连接到第一交流电压源AC1，所述第二压电元件并联地电连接到第二交流电压源AC2。

9.根据权利要求8所述的电致动器，其中，所述交流电压源传递由以下关系表征的两个反相的正弦波电压：

AC1＝A sinω(t)以及AC2＝A sin(ω(t)+π)。

10.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求1到9中任一项所述的至少一个电致动器。