CN208688736U - 动平衡头、动平衡系统以及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种动平衡头、动平衡系统以及航空发动机。其中，所述动平衡头包括至少两个平衡块，环形导轨，所述至少两个平衡块的至少一个可沿所述导轨的周向移动，所述平衡块的径向宽度等于所述导轨的内周与外周之间的径向宽度，以限制所述平衡块的径向位移；伺服驱动机构、编码器、信号接收器；所述信号接收器接用于接收不平衡信号，所述编码器根据所述不平衡信号计算所述平衡块的移动量并发送至伺服驱动机构，由所述伺服驱动机构驱动所述平衡块移动。上述动平衡头、动平衡系统以及航空发动机至少具有实现航空发动机低压转子的在线不平衡分析和自动配平，以快速、可靠地降低转子的不平衡以及不平衡导致的振动等优点。

Description

动平衡头、动平衡系统以及航空发动机

技术领域

本实用新型属于旋转机械技术领域，尤其涉及一种动平衡头、动平衡系统以及航空发动机。

背景技术

目前航空发动机转子的动平衡是通过振动和转速相位信号计算不平衡量(相位和大小)，工程师在配重面上增加平衡螺栓来减小转子的不平衡量，降低振动。

该方法面临如下问题：

(1)配重面上配重位置(螺栓孔)和配重质量(螺栓型号)受到限制，当计算得到配重相位和质量与配重面上实际平衡螺栓孔和平衡螺栓质量存在偏差时，就需要通过配重分解得到较为接近的配重方案，这样就会降低动平衡的效率，动平衡效果受到影响；

(2)需要工程师根据配重方案进行人工配重，增加人工成本和人为因素；

(3)必须停机后才可以进行配平。

从原理上讲，在线动平衡主要有加重或去重法、补偿离心力以及平衡头法(改变质量分布)。加重或去重法是直接对转子进行加重或去重，来达到在线动平衡目的；常见的加重方法是利用热喷射原理将一种粘性物质喷射到不平衡位置，喷射精度和物质粘度是该方法的面临的主要问题；常见的去重方法是利用激光去除多余的质量，该方法改变了转子表面形态并降低其疲劳极限，缩短寿命。

补偿离心力是通过电磁的手段给转子施加一个大小一定、与转子同频率的电磁力，来抵消由于不平衡引起的离心力，从而达到在线动平衡的目的。

平衡头主要有液体平衡头和固体平衡头，其原理是改变平衡头内质量的分布，从而达到在线动平衡的目的。

液体平衡头利用液体作为改变质量分布的介质。公开号为US3950897A 的美国专利文献公开了一种液体平衡头，采用喷枪将微量液体从外部喷入平衡头内部的容腔内，改变平衡头内质量的分布。该方法有如下不足：

1)容腔中的液体挥发影响动平衡的效率；

2)如果一个容腔充满液体，动平衡就无法在进行。

固体平衡头利用金属块作为改变质量分布的介质。公开号为 CN106168526A的中国专利文献公开了一种固体平衡头，采用电磁力吸引钢珠到轴上平衡头的圆孔内，改变平衡头内质量的分布。该方法圆孔位置和钢珠质量同时受到约束，动平衡效率不高。

因此，本领域需要一种动平衡头以及动平衡系统，实现航空发动机低压转子的在线不平衡分析和自动配平，以快速、可靠地降低转子的不平衡以及不平衡导致的振动。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种动平衡头。

本实用新型的一个目的是提供一种动平衡系统。

本实用新型的一个目的是提供一种航空发动机。

根据本实用新型一个方面的一种动平衡头，包括至少两个平衡块，环形导轨，所述至少两个平衡块的至少一个可沿所述导轨的周向移动，所述平衡块的径向宽度等于所述导轨的内周与外周之间的径向宽度，以限制所述平衡块的径向位移；伺服驱动机构、编码器、信号接收器；所述信号接收器用于接收不平衡信号，所述编码器根据所述不平衡信号计算所述平衡块的移动量并发送至伺服驱动机构，由所述伺服驱动机构驱动所述平衡块移动。

在所述动平衡头的实施例中，所述平衡块的数量为三个，其中一个平衡块位于加重角度处，其余两个平衡块的等效质量等于需加重质量和位于加重角度处的所述平衡块的质量之差。

在所述动平衡头的实施例中，三个所述平衡块中的每一个平衡块相同。

在所述动平衡头的实施例中，所述其余两个平衡块与所述加重角度处的平衡块的夹角

在所述动平衡头的实施例中，所述动平衡头的控制部集成于所述平衡块内，所述伺服驱动机构包括电机。

在所述动平衡头的实施例中，所述导轨上设置有光栅尺，以获取可移动的所述平衡块的位移。

根据本实用新型另一方面的一种动平衡系统，包括以上任一所述的动平衡头、振动传感器、转速传感器、数据采集单元、数据处理单元以及信号发射单元，所述振动传感器、转速传感器分别用于监测转动件的振动、转速，所述数据采集单元用于储存所述振动传感器、转速传感器采集的振动、转速数据，数据处理单元用于转动件的监测诊断以及进行不平衡、配重分解计算并生成所述动平衡头的平衡块的移动指令，所述移动指令通过所述信号发射单元发射至所述动平衡头的信号接收器。

根据本实用新型又一方面的一种航空发动机，包括低压转子及其轴承座、音轮以及作用于所述低压转子的所述动平衡系统。

从上述介绍可知，本实用新型的进步效果至少包括：

1.实现航空发动机低压转子的在线不平衡分析和自动配平；

2.平衡块在周向360度都可移动，没有位置的约束，提高动平衡效率，一次实现最优的配重方案；

3.减少航空发动机中不必要的停机配平，提高动平衡的效率，降低航空发动机的整机振动，提高发动机寿命和经济效益。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1A至图1C是根据动平衡头的一种实施例的平衡块位置示意图。

图2是动平衡系统以及包括其的航空发动机的一种实施例的结构示意图。

图3是动平衡系统内部信号传递路线示意图。

图4是动平衡系统的工作流程示意图图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本实用新型的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一些实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

下述实施例中，不平衡(Unbalance)指旋转体质量沿旋转中心线的不均匀分布，对转子产生周期性的离心力干扰；动平衡(Dynamic balance)指在转动状态下确定转子不平衡量，并在校正面进行配平使转子达到平衡状态；配平 (Trim)指的是通过加重、去重或改变质量分布等方法使转子重新达到平衡状态。

参考图2、图3，航空发动机的低压转子以及动平衡系统包括风扇转子010，轴承座011，音轮009；动平衡系统主要部件为振动传感器002，转速传感器 003，数据采集单元004，数据处理单元005，信号发射单元006，动平衡头007。振动传感器003用于监测低压转子振动，转速传感器003用于监测低压转子转速，音轮009有一个厚齿是键相标志位，可以作为动平衡系统的平衡块的移动相位的参考点，数据采集单元004用于采集存储振动传感器002的振动数据以及转速传感器003的转速数据，数据处理单元005用于监测诊断、不平衡计算、配重分解计算以及生成动平衡系统的平衡块移动指令，信号发射单元006将平衡块移动指令发送给动平衡头007，动平衡头007通过其平衡块的移动，使航空发动机低压转子重新实现平衡状态。如图4所示，航空发动机低压转子在线动平衡系统，首先监测振动传感器002检测的振动信号是否超限，如若无超限，则动平衡系统无需工作，若超限，则首先应判断低压转子是否存在动不平衡；如若存在不平衡，计算不平衡的大小和相位，数据处理单元005将其进行配重分解，即转换成平衡块的移动相位，动平衡头接受到平衡块移动指令后驱动平衡块移动到指定的相位，完成航空发动机低压转子的在线动平衡。

参考图1A至图1C，在一些实施例中，动平衡头007，包括至少两个平衡块1，平衡块1的数量可以是如图1A至图1C所示的一实施例中的三个，三个平衡块相同，但不以此为限，例如也可以采用其它数量的平衡块，平衡块之间也可以不相同。动平衡头007还包括环形导轨2，至少两个平衡块1的至少一个可沿环形导轨2的周向移动，例如在图1A至图1C所示的实施例中，三个平衡块1中的两个可以沿环形导轨2的周向移动。平衡块1的径向宽度等于环形导轨2的内周与外周之间的径向宽度，以限制平衡块1的径向位移，以防止平衡块1在移动时在径向蹿动，从而影响平衡效果。动平衡系统还包括平衡块 1对应的伺服驱动机构、编码器、信号接收器；信号接收器接用于接收从信号发射单元006发射的不平衡信号，编码器根据不平衡信号计算所述平衡块的移动量并发送至伺服驱动机构，由所述伺服驱动机构驱动所述平衡块移动，从而形成对于平衡块1的移动的闭环控制，以提高平衡块1移动量的控制精度，当平衡块达到指定的位置后进行锁死，以防其发生偏移。进一步地，上述伺服驱动机构、编码器、信号接收器均可集成在平衡块1中，以满足整个动平衡头以及动平衡系统的小型化、紧凑化要求，其中伺服驱动机构可以包括电机，电机易于小型化以及轻量化且易于控制，可进一步提高平衡块1的控制精度以及集成化程度。

继续参考图1A至图1C，在一些实施例中，采用三个平衡块1，其平衡结构可以是其中一个平衡块位于加重角度处，标记为主平衡块101，其余两个平衡块的等效质量等于需加重质量和位于加重角度处的平衡块，即主平衡块101 的质量之差。采用上述主平衡块101的平衡块分布结构，其有益效果在于，一个平衡块先进行移动，其余平衡块移动，相比于全部平衡块均同时移动的分布结构，可以降低用于计算移动平衡块的计算量，提高动平衡头的响应速度。进一步地，三个平衡块1均相同，便于动平衡头的组装以及维护。

继续参考图1A至图1C，三个平衡块1的分布的具体位置由低压转子实际的不平衡状态决定。不平衡计算方法采用的可以采用影响系数法，但不以此为限。影响系数计算参见公式(1)，其中为当前状态下测点的振动，为质量改变后的测点振动，为校正面改变的质量；于是低压转子不平衡量的计算参见公式(2)，所有变量都是矢量。

继续参考图1A至图1C，在一些实施例中，计算得到低压转子不平衡的大小和相位后，先让一个平衡块1沿环形导轨2移动到加重角度处，作为主平衡块101，然后调整剩余两个平衡块1的位置，使其沿环形导轨2移动至其等效质量等于需加重质量(M0)和单个平衡块质量(M1)之差。

当M1<M0时，各平衡块1的分布情况如图1A所示，剩余两个平衡块1与加重位置的夹角此时夹角为锐角；

当M1＝M0时，各平衡块1的分布情况如图1B所示，夹角即夹角为90°；

当M1>M0时，各平衡块1的分布情况如图1C所示，剩余两个平衡块1与加重位置的夹角此时夹角为钝角。

综上，采用上述实施例的动平衡头、动平衡系统以及航空发动机获得的有益效果至少包括：

1)实现航空发动机低压转子的在线不平衡分析和自动配平；

2)平衡块在周向360度都可移动，没有位置的约束，提高动平衡效率，一次实现最优的配重方案；

3)减少航空发动机中不必要的停机配平，提高动平衡的效率，降低航空发动机的整机振动，提高发动机寿命和经济效益。

本实用新型虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如将本案的动平衡头以及动平衡系统应用于除航空发动机以外的其它旋转机械，例如应用于汽车发动机的曲轴的动平衡等。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动平衡头，其特征在于，包括：

至少两个平衡块，

环形导轨，所述至少两个平衡块的至少一个可沿所述导轨的周向移动，所述平衡块的径向宽度等于所述导轨的内周与外周之间的径向宽度，以限制所述平衡块的径向位移；

伺服驱动机构、编码器、信号接收器；

所述信号接收器用于接收不平衡信号，所述编码器根据所述不平衡信号计算所述平衡块的移动量并发送至伺服驱动机构，由所述伺服驱动机构驱动所述平衡块移动。

2.如权利要求1所述的动平衡头，其特征在于，所述平衡块的数量为三个，其中一个平衡块位于加重角度处，其余两个平衡块的等效质量等于需加重质量和位于加重角度处的所述平衡块的质量之差。

3.如权利要求2所述的动平衡头，其特征在于，三个所述平衡块中的每一个平衡块相同。

4.如权利要求3所述的动平衡头，其特征在于，所述其余两个平衡块与所述加重角度处的平衡块的夹角。

5.如权利要求1所述的动平衡头，其特征在于，所述动平衡头的伺服驱动机构、编码器、信号接收器集成于所述平衡块内，所述伺服驱动机构包括电机。

6.如权利要求1所述的动平衡头，其特征在于，所述导轨上设置有光栅尺，以获取可移动的所述平衡块的位移。

7.一种动平衡系统，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的动平衡头、振动传感器、转速传感器、数据采集单元、数据处理单元以及信号发射单元，所述振动传感器、转速传感器分别用于监测转动件的振动、转速，所述数据采集单元用于储存所述振动传感器、转速传感器采集的振动、转速数据，数据处理单元用于转动件的监测诊断以及进行不平衡、配重分解计算并生成所述动平衡头的平衡块的移动指令，所述移动指令通过所述信号发射单元发射至所述动平衡头的信号接收器。

8.一种航空发动机，其特征在于，包括低压转子及其轴承座、音轮以及作用于所述低压转子的权利要求7所述的动平衡系统。