CN111412068B - 快速响应的转子支承刚度主动控制机构 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构，包括：弹性支承结构、转子轴承、环形楔块、动作机构、多个连接杆和回复机构；转子轴承支承于一端开口的弹性支承结构的内回转面；环形楔块套设于转子轴承上；连接杆的一端与环形楔块相连，连接杆的另一端与动作机构相连；动作机构用于使环形楔块沿轴向移动，脱离弹性支承结构的开口处；回复机构套设于连接杆上，回复机构用于使环形楔块嵌入并稳定保持在弹性支承结构开口处。本公开控制转子轴承处支承结构的刚度，在转子转速通过临界转速时，快速地控制转子支点处的支承刚度，调节临界转速，从而有效抑制转子转速通过临界转速时的短时共振，以及由此引发的转子碰磨、疲劳裂纹等问题。

Description

快速响应的转子支承刚度主动控制机构

技术领域

本公开涉及航空发动机(或地面燃气轮机)转子动力学中的振动主动控制领域，尤其涉及一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构。

背景技术

现代航空发动机(或地面燃气轮机)对转子转速要求越来越高，以满足其对推力(或功率)的要求，其转子一般均属于柔性转子，即转子工作转速高于低阶临界转速。因此，转子在起动或停车过程中，转子转速必须通过其临界转速，导致转子系统发生共振，威胁发动机的安全可靠工作。

在传统航空发动机转子设计中，通常采用弹性支承结构，以降低转子轴承支点处的支承刚度，改变转子系统临界转速，达到发动机工作转速范围内不存在转子临界转速的目的，保证发动机工作时不出现共振。但这种转子振动的被动控制方法不能避免发动机在起动或停车过程中，转子转速经过临界转速时的短时共振问题。

为了解决上述问题，一种可行的方法是发展转子振动的主动控制技术，该技术通过改变转子支承结构参数，控制转子支承刚度，进而改变临界转速，从而避免转子在起动或停车过程中，出现转子转速接近或等于其临界转速的情况，从而抑制了转子起动或停车过程中的短时共振问题。目前较为常见的转子振动主动控制技术主要有两种方式：电磁轴承主动控制技术；形状记忆合金(SMA)驱动器控制技术。但这两类方法在具体应用时，还面临相关问题，具体如下：

1、电磁轴承主动控制技术需要发动机工作时带动发电机提供电能，驱动电磁轴承工作，因此该技术需要在发动机转子上安装备份轴承，在发动机起动时为转子提供有效的支承，这进一步增加了电磁轴承控制系统的重量，不利于发动机推重比的提高。

2、形状记忆合金驱动器控制技术是利用形状记忆合金作为驱动单元，控制转子支承结构的变化，实现对转子支承刚度及其临界转速的控制。但该技术需要对形状记忆合金丝通电加热，控制系统响应时间长，不利于转子支承刚度控制的快速响应要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构，包括：

弹性支承结构，为一端开口的柱状结构；

转子轴承，支承于一端开口的所述弹性支承结构的内回转面；

环形楔块，套设于所述转子轴承上；所述环形楔块与所述弹性支承结构开口处相嵌设；

至少一个连接杆，所述连接杆的一端与所述环形楔块相连；

动作机构，与所述连接杆的另一端相连；

回复机构，套设于所述连接杆上；所述回复机构一端与所述弹性支承结构相连，所述回复机构的另一端与所述动作机构相抵接。

在本公开的一些实施例中，所述动作机构包括：

第一电磁铁，与所述环形楔块通过多个所述连接杆相连；所述第一电磁铁设置于所述弹性支承结构的外回转面；

第二电磁铁，设置于所述弹性支承结构的外回转面；所述第二电磁铁和所述第一电磁铁为同极相对布置。

在本公开的一些实施例中，所述回复机构包括：

轴向导轨，设置于所述弹性支承结构上；所述连接杆穿设于所述轴向导轨内；

压缩弹簧，压缩弹簧套设于所述连接杆上，所述压缩弹簧的一端与所述轴向导轨相抵接，所述压缩弹簧的另一端与所述动作机构相抵接。

在本公开的一些实施例中，所述弹性支承结构为截面呈U型的柱状结构；所述连接杆与所述轴向导轨同轴设置。

在本公开的一些实施例中，还包括：

滚珠保持架，套设于所述连接杆与所述轴向导轨间；

滚珠，设置于所述滚珠保持架上；所述滚珠设置于所述滚珠保持架与所述轴向导轨间。

在本公开的一些实施例中，所述第一电磁铁包括至少一个电磁铁块，沿周向均匀分布；所述第二电磁铁包括至少一个电磁铁块，沿周向均匀分布；所述第一电磁铁和所述第二电磁铁中电磁铁块个数相同；所述第一电磁铁和所述第二电磁铁中全部的电磁铁块由同一根导线绕制；所述第一电磁铁的绕线方式与第二电磁铁的绕线方式为相反旋向。

在本公开的一些实施例中，所述弹性支承结构与所述转子轴承相连一侧的内回转面和/或外回转面上，沿圆周方向均布周向槽。

在本公开的一些实施例中，至少一个所述连接杆沿圆周向均匀分布。

在本公开的一些实施例中，还包括：

转速传感器，用于识别转子的当前转速，获取转速值；

控制单元，用于接收所述转速传感器获取的转速值；所述控制单元根据转子的当前转速、预设的转子在最大支撑刚度状态下的临界转速和预设的转子在最小支撑刚度状态下的临界转速，判断所述转子轴承的支承刚度是否需要进行变化；如需要进行变化，则控制单元控制所述动作机构的通电或断电。

在本公开的一些实施例中，还包括：

电源，与所述转速传感器和所述控制单元电性相连，所述电源用于为所述转速传感器和所述控制单元供电。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开快速响应的转子支承刚度主动控制机构至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开控制转子轴承处支承结构的刚度，在发动机转子起动或停车过程中，实现对转子临界转速的调节，避免起动或停车过程中的短时共振。

(2)本公开结构简单，在发动机停车状态下，同样能够对转子轴承提供有效支承，不需要额外的备份轴承。

(3)本公开采用电磁驱动装置，控制支承结构，可以实现驱动装置的实时快速响应。

(4)本公开第一电磁铁和第二电磁铁采用同一根导线绕制，能够降低通电的总电流，还能够保证每一对电磁铁能够同时形成互斥力，保证环形楔块沿轴向水平移动时，环形楔块与转子轴承、弹性支承结构之间的同轴度。

附图说明

图1为本发明实施例的转子支承刚度主动控制机构的示意图；

图2为本发明实施例的转子支承刚度主动控制机构的三维结构图；

图3为本发明实施例的转子支承刚度主动控制机构的动作机构与回复机构局部放大图；

图4为本发明实施例的转子支承刚度主动控制机构的电磁铁绕线方式示意图；

图5为本发明实施例的转子支承刚度控制策略图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

101-转子轴承；102-弹性支承结构；103-环形楔块；

201-第一电磁铁；202-第二电磁铁；203-连接杆；204-压缩弹簧；205-轴向导轨；206-滚珠保持架；

301-电源；302-转速传感器；303-控制单元。

具体实施方式

本公开提供了一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构，包括：弹性支承结构、转子轴承、环形楔块、动作机构、多个连接杆和回复机构；转子轴承支承于一端开口的弹性支承结构的内回转面；环形楔块套设于转子轴承上；连接杆的一端与环形楔块相连，连接杆的另一端与动作机构相连；动作机构用于使环形楔块沿轴向移动，脱离弹性支承结构的开口处；回复机构套设于连接杆上，回复机构用于使环形楔块嵌入并稳定保持在弹性支承结构开口处。本公开控制转子轴承处支承结构的刚度，在发动机转子起动或停车过程中，实现对转子临界转速的调节，避免起动或停车过程中的短时共振。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构。图1为本发明实施例的转子支承刚度主动控制机构的示意图。图2为本发明实施例的转子支承刚度主动控制机构的三维结构图。图3为本发明实施例的转子支承刚度主动控制机构的动作机构与回复机构局部放大图。如图1、图2和图3所示，快速响应的转子支承刚度主动控制机构包括：弹性支承结构102、环形楔块103，以及作为动作机构的第一电磁铁201、第二电磁铁202和作为回复机构的压缩弹簧204。弹性支承结构102和环形楔块103形成转子轴承101的支承结构，通过第一电磁铁201、第二电磁铁202和压缩弹簧204的共同作用，可以将环形楔块103推出或嵌入弹性支承结构102的开口处，实现转子轴承101支承刚度在最大状态和最小状态之间的切换，从而改变转子临界转速，避免转子在起动或停车过程中，出现转子转速接近或等于其临界转速的情况，抑制转子的短时共振问题。

本公开实施例的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其包括弹性支承结构102、转子轴承101、环形楔块103、至少一个连接杆203、动作机构、回复机构和转速监测装置。

弹性支承结构102以U型截面绕轴向旋转360°而形成，并在其内、外回转面靠近两者连接处开设沿圆周方向均布的轴向槽，形成笼式辐条。环形楔块103以T型截面绕轴向旋转360°而形成。弹性支承结构102和环形楔块103，用于支承转子轴承101。本公开实施例中环形楔块103能够完全嵌入弹性支承结构102的开口处，或从弹性支承结构102的开口处分离。当环形楔块103嵌入弹性支承结构102的开口处时，转子轴承101的支承刚度处于最大状态；当环形楔块103从弹性支承结构102的开口处分离时，转子轴承101的支承刚度处于最小状态。

动作机构包括第一电磁铁201和第二电磁铁202。第一电磁铁201通过周向均布的12根连接杆203与环形楔块103连接；第二电磁铁202安装在弹性支承结构102的外回转面。第一电磁铁201和第二电磁铁202通过旋向相反的绕线方式，实现同极相对布置，当电磁铁导线通电后，第一电磁铁201和第二电磁铁202相对布置的磁极之间形成互斥力，驱动环形楔块103从弹性支承结构102开口处分离。采用电磁铁作为动作机构，能够实现转子支承刚度控制的快速响应。

回复机构包括轴向导轨205和压缩弹簧204。压缩弹簧204一端被弹性支承结构102上的轴向导轨205限位；压缩弹簧204另一端被第一电磁铁201上的安装边限位。压缩弹簧204始终处于压缩状态，在电磁铁不通电情况下，压缩弹簧204使第一电磁铁201和第二电磁铁202贴合，保证与第一电磁铁201连接的环形楔块103嵌入弹性支承结构102开口处。环形楔块103和第一电磁铁201通过连接杆203相连，连接杆203在弹性支承结构102上的轴向导轨205内移动，轴向导轨205和连接杆203之间有滚珠及滚珠保持架206，以降低连接杆203在轴向导轨205内移动时的摩擦力。

转速监测装置包括电源301、转速传感器302和控制单元303。其中电源301为转速传感器302和控制单元303供电。转速传感器302识别转子的当前转速，并将转子转速值送入控制单元303。控制单元303根据转子的当前转速值以及预设的转子在最大支承刚度和最小支承刚度状态下的临界转速值，判断转子轴承101的支承刚度是否该进行变化，并对刚度控制机构中动作机构的第一电磁铁201和第二电磁铁202进行通电或断电操作。

请参照图4，在本发明的实施例中，第一电磁铁201和第二电磁铁202分别包含12个电磁铁块，沿周向均布地布置于12根连接杆203之间。第一电磁铁201和第二电磁铁202两组电磁铁，每组12个电磁铁块，共24个电磁铁块，由同一根导线绕制形成。第一电磁铁201和第二电磁铁202互相对置的一对电磁铁，其绕线方式旋向相反，从而在导线通电时能够形成互斥力。采用同一根导线绕制电磁铁的优势有两点，一是能够降低控制单元303给电磁铁通电的总电流；二是能够保证每一对电磁铁能够同时形成互斥力，保证环形楔块103沿轴向水平移动时，环形楔块103与转子轴承101、弹性支承结构102之间的同轴度。

请参照图5，在本发明的实施例中，控制单元303依据转速传感器302监测到的转子当前转速，控制运动机构中第一电磁铁201和第二电磁铁202的通电与断电，从而实现转子轴承101支承刚度在最大支承刚度状态和最小支承刚度状态之间的切换。具体控制方式如下：

①转子在最大刚度状态的临界转速为ω_n ⁽¹⁾，在最小刚度状态的临界转速为ω_n ⁽²⁾，最大刚度状态时的振动幅值曲线与最小刚度状态时的振动幅值曲线的交点对应的转速为控制转速ω_v。

②转子转速从零升高至最大工作转速时，当转子当前转速低于控制转速ω_v时，转子轴承101的支承刚度始终处于最大支承刚度状态；当转子当前转速高于控制转速ω_v时，转子轴承101的支承刚度由最大支承刚度状态切换至最小支承刚度状态；

③转子转速从最大工作转速降低至零时，当转子当前转速高于控制转速ω_v时，转子轴承101的支承刚度始终处于最小支承刚度状态；当转子当前转速低于控制转速ω_v时，转子轴承101的支承刚度由最小支承刚度状态切换至最大支承刚度状态。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)连接杆和电磁铁的数量可以根据实际的转子支承刚度主动控制机构的空间布局进行调整。

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开快速响应的转子支承刚度主动控制机构有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构，有效抑制转子转速通过临界转速时的短时共振，以及由此引发的转子碰磨、疲劳裂纹等问题。在航空发动机(或地面燃气轮机)转子动力学中的振动主动控制技术领域能够产生非常积极的影响。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，包括：

弹性支承结构(102)，为一端开口的柱状结构；

转子轴承(101)，支承于一端开口的所述弹性支承结构(102)的内回转面；

环形楔块(103)，套设于所述转子轴承(101)上；所述环形楔块(103)与所述弹性支承结构(102)开口处相嵌设；

至少一个连接杆(203)，所述连接杆(203)的一端与所述环形楔块(103)相连；

动作机构，与所述连接杆(203)的另一端相连；

回复机构，套设于所述连接杆上；所述回复机构一端与所述弹性支承结构(102)相连，所述回复机构的另一端与所述动作机构相抵接。

2.根据权利要求1所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，所述动作机构包括：

第一电磁铁(201)，与所述环形楔块(103)通过多个所述连接杆(203)相连；所述第一电磁铁(201)设置于所述弹性支承结构(102)的外回转面；

第二电磁铁(202)，设置于所述弹性支承结构(102)的外回转面；所述第二电磁铁(202)和所述第一电磁铁(201)为同极相对布置。

3.根据权利要求1所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，所述回复机构包括：

轴向导轨(205)，设置于所述弹性支承结构(102)上；所述连接杆(203)穿设于所述轴向导轨(205)内；

压缩弹簧(204)，压缩弹簧(204)套设于所述连接杆上，所述压缩弹簧(204)的一端与所述轴向导轨(205)相抵接，所述压缩弹簧(204)的另一端与所述动作机构相抵接。

4.根据权利要求3所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，所述弹性支承结构(102)为截面呈U型的柱状结构；所述连接杆(203)与所述轴向导轨(205)同轴设置。

5.根据权利要求3所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，还包括：

滚珠保持架(206)，套设于所述连接杆(203)与所述轴向导轨(205)间；

滚珠，所述滚珠设置于所述滚珠保持架(206)与所述轴向导轨(205)间。

6.根据权利要求2所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，所述第一电磁铁(201)包括至少一个电磁铁块，沿周向均匀分布；所述第二电磁铁(202)包括至少一个电磁铁块，沿周向均匀分布；所述第一电磁铁(201)和所述第二电磁铁(202)中电磁铁块个数相同；所述第一电磁铁(201)和所述第二电磁铁(202)中全部的电磁铁块由同一根导线绕制；所述第一电磁铁(201)的绕线方式与第二电磁铁(202)的绕线方式为相反旋向。

7.根据权利要求1所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，所述弹性支承结构(102)与所述转子轴承(101)相连一侧的内回转面和/或外回转面上，沿圆周方向均布周向槽。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，至少一个所述连接杆(203)沿圆周向均匀分布。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，还包括：

转速传感器(302)，用于识别转子的当前转速，获取转速值；

控制单元(303)，用于接收所述转速传感器(302)获取的转速值；所述控制单元(303)根据转子的当前转速、预设的转子在最大支撑刚度状态下的临界转速和预设的转子在最小支撑刚度状态下的临界转速，判断所述转子轴承(101)的支承刚度是否需要进行变化；如需要进行变化，则控制单元(303)控制所述动作机构的通电或断电。

10.根据权利要求9所述的快速响应的转子支承刚度主动控制机构，其中，还包括：

电源(301)，与所述转速传感器(302)和所述控制单元(303)电性相连，所述电源(301)用于为所述转速传感器(302)和所述控制单元(303)供电。

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