CN111894909A - 一种基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件及控制方法 - Google Patents

一种基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件及控制方法，组件包括压电加速度振动传感器和相位检测系统、整流器、单刀双掷开关、保护电阻、电磁铁、电阻丝温度控制器和平衡元件；所述平衡元件包括磁性质量块、用以加热的电阻丝、材料热膨胀系数较小的垫片、安装在垫片上的镍钛记忆合金棒；其中镍钛记忆合金棒具有双程形状记忆行为，该组件可以通过控制电阻丝温度来控制镍钛记忆合金棒的变形，使悬挂在记忆合金棒上的磁性质量块位置沿风扇盘半径方向进行调整，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动，提高了航空发动机风扇吸鸟后的安全性。

Description

一种基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件及控 制方法
技术领域
本发明涉及航空燃气涡轮发动机风扇转子平衡技术领域，尤其是一种基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件及控制方法。
背景技术
航空发动机风扇在遭遇中鸟及以下质量鸟撞后，必须具备相应的工作能力，即持续运转和提供推力，在鸟撞后，风扇转子极易由于叶片变形或其他损伤而进入一种小不平衡状态，发生周期性的转子不平衡和振动，危及发动机持续工作。
而在相关的技术领域中，现有的转子平衡方式主要为采用平衡机测量转子不平衡量后配平，再消除转子工装误差进行补偿。针对工作中的发动机受到鸟撞后引起的不平衡的情况，仍然缺乏相关的消除结构。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：为解决上述问题，提供一种基于记忆合金的小不平衡自动配平结构，依靠电阻丝加热改变布置在风扇盘周向的记忆合金调整块在半径方向的位置变化，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动。
技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一个基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件，包括航空发动机风扇、压电加速度振动传感器、相位检测系统、电磁铁、电阻丝温度控制器和平衡元件；
2个压电加速度振动传感器分别安装在角度相隔180°的轴承座上，用于测量航空发动机风扇轴的振动信号；
相位检测系统用以分析得到受鸟撞击的叶片的相位；
所述平衡元件具有若干个，并且该若干个平衡元件围绕风扇轴均匀的安装在航空发动机风扇的同一个面上；
每个平衡元件包括磁性质量块、垫片、安装在垫片上的镍钛记忆合金棒、用以加热镍钛记忆合金棒的电阻丝；所述垫片固定在航空发动机风扇上，磁性质量块安装在记忆合金棒的前端；其中镍钛记忆合金棒具有双程形状记忆行为，当加热温度超过材料马氏体逆相变结束温度Af时，镍钛记忆合金棒弯曲并带动磁性质量块位移，冷却到低于材料马氏体相变结束温度Mf时，镍钛记忆合金棒伸直。
所述电磁铁具有若干个且数量与平衡元件相同，电磁铁安装在航空发动机风扇内，并且一个电磁铁与一个磁性质量块对应设置，当镍钛记忆合金棒伸直状态时，磁性质量块与电磁铁一一配合。
有益效果：本发明提供的基于镍钛记忆合金的小不平衡自动配平组件应用于平衡鸟撞航空发动机风扇转子后的振动，或者针对航空发动机风扇的鸟撞试验时对风扇的振动平衡补偿。其中镍钛记忆合金棒具有双程形状记忆行为，可以通过控制电阻丝温度来控制镍钛记忆合金棒的变形，使悬挂在记忆合金棒上的磁性质量块位置沿风扇盘半径方向进行调整，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动，提高了航空发动机吸鸟后的安全性。
进一步的，所述平衡元件沿风扇盘均布，通过螺钉安装在风扇盘上的凹槽中。
进一步的，还包括整流器、单刀双掷开关、保护电阻；保护电阻与电磁铁串联，整流器与相位检测系统串联；单刀双掷开关的不动端与整流器串联，单刀双掷开关的动端与保护电阻、电磁铁一路连接，或者与电阻丝温度控制器、平衡元件一路连接。
进一步的，所述镍钛合金棒的形状记忆效应的实现过程为，先在Af以上的温度将镍钛合金棒加工成圆弧状，再将其冷却，进行双程形状记忆训练，该训练结合反复形成应力诱变马氏体法(SIM)和形状记忆合金循环法(SME)。
进一步的，所述电磁铁对应平衡元件沿盘周向均布。
而本发明还提供了一种上述小不平衡自动配平组件的控制方法的技术方案：
通过压电加速度传感器测得鸟撞后风扇轴的振动信号，并通过相位检测系统得到受鸟撞击的叶片的相位后，选择与该相位在绕风扇轴180°的另一侧位置的平衡元件，将该平衡元件上的电阻丝加热镍钛记忆合金棒使该镍钛记忆合金棒弯曲，改变被撞击风扇叶片对应的磁性质量块在盘径向的位置，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动。
进一步的，先选择与该受鸟撞击的叶片的相位在绕风扇轴180°的另一侧位置的一个平衡元件加热，若该一个平衡元件加热后转子仍不平衡，则选择与该平衡元件相邻的至少一个平衡元件一同加热，直至转子振动减缓或趋于稳定。
附图说明
图1是本发明基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件的结构示意图。
图2是平衡元件绕风扇轴安装在风扇上的结构示意图。
图3是平衡元件中镍钛记忆合金棒未加热时的状态图。
图4是平衡元件中镍钛记忆合金棒未加热后的状态图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件。包括航空发动机风扇、压电加速度振动传感器与相位检测系统 4、整流器5、单刀双掷开关6、保护电阻7、电磁铁8、电阻丝温度控制器9和平衡元件10。压电加速度振动传感器用于测量航空发动机风扇的风扇轴的振动信号；相位检测系统4用以分析得到受鸟撞击的叶片的相位。保护电阻7与电磁铁8串联，整流器5与相位检测系统4串联。单刀双掷开关6的不动端与整流器 5串联。单刀双掷开关6的动端与保护电阻7、电磁铁8一路连接，或者与电阻丝温度控制器9、平衡元件10一路连接。单刀双掷开关6的数量与平衡元件10 的数量相同；每个平衡元件10均对应设置一个单刀双掷开关6。相位检测系统4 的数量为1个，通过分析转速和安装在角度相隔90°的轴承座上的4个压电加速度传感器信号来确定受鸟撞击的叶片的准确相位.
如图2所述，平衡元件10具有若干个，且该若干个平衡元件围绕风扇轴均匀的安装在航空发动机风扇的同一个面上，通过螺钉安装在风扇盘上的凹槽中。结合图3所示，所述平衡元件10包括磁性质量块101、用以加热的电阻丝102、材料热膨胀系数较小的垫片103、安装在垫片上的镍钛记忆合金棒104。所述垫片103固定在航空发动机风扇上，磁性质量块101安装在记忆合金棒104的前端其中镍钛记忆合金棒104具有双程形状记忆行为，当加热温度超过材料马氏体逆相变结束温度Af时，镍钛记忆合金棒弯曲，冷却到低于材料马氏体相变结束温度Mf时，镍钛记忆合金棒104伸直，再加热时，再次弯曲。该装置可以通过控制电阻丝102温度来控制镍钛记忆合金棒104的变形，如图4所示，当镍钛记忆合金棒104加热后，使悬挂在镍钛记忆合金棒104上的磁性质量块101位置沿风扇盘2半径方向进行调整，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动。
在本实施方式中选择镍钛记忆合金棒104为双程形状记忆合金，这种记忆合金在加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，能够实现多次变形。得到广泛使用的双程形状记忆合金有镍钛合金、Cu基合金、Fe基合金镍钛合金强度高、循环寿命长(应变为2％的时候循环寿命达107次)塑性大(可恢复应变达到8％)、耐蚀性和稳定性都较好，而Cu基合金的记忆性(可恢复应变最大为4％)、循环寿命(应变为2％的时候循环寿命达102次)、耐蚀性和力学性能都比镍钛合金差，只适合性能要求不高、反复使用次数少的情况下使用；Fe基合金加工性能和力学强度较好，但其形状记忆性效应不是很好。因此，不平衡自动配平组件的平衡元件选用镍钛记忆合金。所述镍钛合金棒的形状记忆效应的实现过程为，先在Af以上的温度将镍钛合金棒加工成圆弧状，再将其冷却，进行双程形状记忆训练，该训练结合反复形成应力诱变马氏体法和形状记忆合金循环法。所述电磁铁8具有若干个且数量与平衡元件10相同，电磁铁8安装在航空发动机风扇内，并且一个电磁铁8与一个磁性质量块101对应设置，当镍钛记忆合金棒104伸直状态时，磁性质量块101与电磁铁8一一配合。
在具体使用过程中，当发动机风扇以工作转速旋转时，风扇盘连同叶片处于平衡状态，此时若风扇叶片遭受中等质量鸟体撞击时，叶片很可能出现鼓包、弯曲等故障，导致其几何形态变化，致使风扇盘和叶片组件在旋转状态下失去平衡而进入涡动状态，引发前支点的周期振动，危及发动机结构安全，但适航规章中规定，大涵道比涡扇发动机在遭遇中鸟撞击时必须至少维持75％以上的推力，因此无法关机或大幅降低转速减振，在此类工况发生前后，引入该配平系统开始工作：
(1)通过压电加速度振动传感器测量风扇轴3的振动信号，该信号以电荷信号的形式经过低噪声电缆传输入航空发动机振动信号分析仪后进行数据分析处理，实现风扇转子振动的实时监测。
(2)航空发动机正常工作时，风扇轴3上测点振动总量较小，振动情况稳定，自动配平作动系统不启动。
(3)当鸟撞击风扇叶片1后，风扇转子因小不平衡剧烈振动，风扇轴3上的测点振动瞬间陡增。突变的振动信号经航空发动机振动信号分析仪的处理后与真实鸟撞击信号进行匹配，相位检测系统4通过压电加速度传感器信号分析得到受鸟撞击的叶片的准确相位。
(4)小不平衡自动配平结构启动，通过单刀双掷开关6连通平衡元件10，电阻丝102加热镍钛合金棒104使其弯曲改变被撞击风扇叶片相位所对应的磁性质量块101在风扇盘2径向的位置，即选择与该被撞击风扇叶片相位在绕风扇轴 180°的另一侧位置的平衡元件10，将该平衡元件上的电阻丝加热镍钛记忆合金棒使该镍钛记忆合金棒弯曲，改变风扇叶盘的整体转动惯量，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动。若该一个平衡元件加热后转子仍不平衡，则选择与该平衡元件相邻的至少一个平衡元件一同加热，直至转子振动减缓或趋于稳定。
本发明涉及鸟撞航空燃气涡轮发动机风扇转子的平衡。其中，可以通过控制电阻丝温度来控制镍钛记忆合金棒的变形，使悬挂在记忆合金棒上的磁性质量块位置沿风扇盘半径方向进行调整，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动，提高了航空发动机吸鸟后的安全性。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一个基于记忆合金的风扇鸟撞后小不平衡自动配平组件，其特征在于：包括航空发动机风扇、压电加速度振动传感器和相位检测系统、电磁铁、电阻丝温度控制器和平衡元件；
4个压电加速度振动传感器分别安装在角度相隔90°的轴承座上，用于测量航空发动机风扇轴的振动信号；
相位检测系统用以分析得到受鸟撞击的叶片的相位；
所述平衡元件具有若干个，并且该若干个平衡元件围绕风扇轴均匀的安装在航空发动机风扇盘的同一个端面上；
每个平衡元件包括磁性质量块、垫片、安装在垫片上的镍钛记忆合金棒、用以加热镍钛记忆合金棒的电阻丝；所述垫片固定在航空发动机风扇盘上，磁性质量块安装在记忆合金棒的前端，当风扇工作状态正常时，由盘缘的电磁铁将质量块吸附；其中镍钛记忆合金棒具有双程形状记忆行为，当加热温度超过材料马氏体逆相变结束温度Af时，镍钛记忆合金棒弯曲并带动磁性质量块位移，冷却到低于材料马氏体相变结束温度Mf时，镍钛记忆合金棒伸直。
所述电磁铁具有若干个且数量与平衡元件相同，电磁铁安装在航空发动机风扇内，并且一个电磁铁与一个磁性质量块对应设置，当镍钛记忆合金棒伸直状态时，磁性质量块与电磁铁一一配合。
2.根据权利要求1所述的小不平衡自动配平组件，其特征在于：所述平衡元件沿风扇盘均布，通过螺钉安装在风扇盘上的凹槽中。
3.根据权利要求1或2所述的小不平衡自动配平组件，其特征在于：还包括整流器、单刀双掷开关、保护电阻；保护电阻与电磁铁串联，整流器与相位检测系统串联；单刀双掷开关的不动端与整流器串联，单刀双掷开关的动端与保护电阻、电磁铁一路连接，或者与电阻丝温度控制器、平衡元件一路连接。
4.根据权利要求3所述的小不平衡自动配平组件，其特征在于：单刀双掷开关的数量与平衡元件的数量相同；每个平衡元件均对应设置一个单刀双掷开关；相位检测系统的数量为1个，通过分析转速和安装在角度相隔90°的轴承座上的4个压电加速度传感器信号来确定受鸟撞击的叶片的准确相位。
5.根据权利要求3所述的小不平衡自动配平组件，其特征在于：所述镍钛合金棒的形状记忆效应的实现过程为，先在Af以上的温度将镍钛合金棒加工成圆弧状，再将其冷却，进行双程形状记忆训练，该训练结合反复形成应力诱变马氏体法和形状记忆合金循环法。
6.根据权利要求1所述的小不平衡自动配平组件，其特征在于：所述电磁铁对应平衡元件沿盘周向均布。
7.根据权利要求1至6所述中任一项小不平衡自动配平结构的控制方法，其特征在于：通过压电加速度传感器测得鸟撞后风扇轴的振动信号，并通过相位检测系统得到受鸟撞击的叶片的相位后，选择与该相位在绕风扇轴180°的另一侧位置的平衡元件，将该平衡元件上的电阻丝加热镍钛记忆合金棒使该镍钛记忆合金棒弯曲，改变被撞击风扇叶片对应的磁性质量块在盘径向的位置，对不平衡的转子进行平衡和补偿，减小转子因不平衡带来的振动。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：先选择与该受鸟撞击的叶片的相位在绕风扇轴180°的另一侧位置的一个平衡元件加热，若该一个平衡元件加热后转子仍不平衡，则选择与该平衡元件相邻的至少一个平衡元件一同加热，直至转子振动减缓到设定值或趋于稳定。
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