專利名稱：一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及發動機葉尖間隙的快速主動控制技術領域，具體為一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置。
背景技術：
航空發動機葉尖間隙通常是指軸流式發動機轉子葉片葉尖與機匣之間的徑向間隙。葉尖間隙的大小對壓氣機和渦輪，特別是對高壓壓氣機的后幾級和高壓渦輪的效率有重大影響，進而影響整個航空發動機的耗油率和品質。為了提高現代航空發動機的經濟性和可靠性，國內外很多的研究機構都先后開展了葉尖間隙主動控制技術方面的研究。這是因為，先進的渦輪葉頂間隙主動控制技術可以顯著地降低燃油消耗率(SFC)和排氣溫度 (EGT)；提高了發動機效率的同時，還增大了飛機的飛行半徑和發動機的壽命。因此進一步開展高壓渦輪葉頂間隙主動控制技術的研究具有實際的工程意義。現在常用的渦輪葉尖間隙主動控制方法大都是通過控制氣流的流動來實現的，而這種方法只能將葉尖間隙的變化范圍控制在0. 015-0. 020英寸之間，而且在整個工況下的控制范圍也較小，相比較而言，機械式的主動控制可以把葉尖間隙的變化范圍控制在0. 010 英寸甚至更小。所以在葉尖間隙主動控制中機械式還是有很大的優勢和好處的。清華大學的豈興明發明了一種新型渦輪葉尖間隙快速主動控制系統的執行機構 (中國專利101063415，2007年10月31日)，這種執行機構是一種采用了凸輪、連桿技術的機械式執行機構，外部由電機和齒輪帶動，內部通過改變連桿頂部的滑輪與凸輪內型面接觸點的半徑大小來控制連桿的作動，從而控制隔板與葉尖之間的葉尖間隙大小，但這種結構要達到高靈敏度、高精度(微米級)的控制要求，勢必要求部件要有很高的制造精度和裝配精度，這一點是很難實現的；還有這個執行機構的缺點是只能針對軸對稱葉尖間隙的變化進行控制，無法實現非軸對稱葉尖間隙變化的控制，這使得該執行機構的實用范圍大大的較小。目前在國內還沒有應用于工程實踐的機械主動控制系統，所以在機械控制方面理論和技術還很薄弱，需要進一步深入研究。
發明內容要解決的技術問題為解決現有技術存在的問題，本發明提出一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置。技術方案本發明的技術方案為所述一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于包括封裝外殼、壓電晶體、電極板、絕緣層、液壓放大器、擋板、彈簧和隔板；液壓放大器的壓力輸入活塞桿端面與絕緣層膠粘固定連接；兩個電極板相互平行卡在絕緣層端面卡槽內，并且垂直于絕緣層，兩個電極板分別與外部電源連接，在電極板之間形成均勻電場；在兩個電極板之間有長方體型的壓電晶體，壓電晶體與絕緣層膠粘固定連接，并且壓電晶體有兩個相對的側面與電極板平面平行，壓電晶體的變形面為面向電極板的兩個側面以及面向絕緣層和背對絕緣層的兩個側面；液壓放大器的壓力輸出活塞桿穿過外機匣與隔板固定連接， 在外機匣與液壓放大器之間的壓力輸出活塞桿上套有擋板，擋板與壓力輸出活塞桿過盈配合，在擋板與外機匣之間的壓力輸出活塞桿上套有彈簧，彈簧處于壓縮狀態；封裝外殼與外機匣固定連接，將壓電晶體、電極板和液壓放大器包在封裝外殼內，且壓電晶體背對絕緣層的側面與封裝外殼頂端端面接觸；隔板為圓弧型分段結構，相鄰兩段隔板采用圓弧卡槽配合圓弧連接件方式連接，圓弧卡槽開在隔板端面上，圓弧連接件兩端分別插入相鄰隔板的圓弧卡槽內，當一段隔板隨液壓放大器的壓力輸出活塞桿運動時，該段隔板兩端沿圓弧連接件運動，且保持隔板與圓弧連接件連接。所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于每個電極板與壓電晶體鄰近一側側面的距離為0. Imm 1mm。所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于封裝外殼由三層材料組成，中間層材料采用隔熱材料。所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于隔板由三層材料組成，中間層材料采用隔熱材料，朝向葉片方向的外層材料采用強度小于葉尖材料強度的耐磨材料。所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于圓弧連接件采用隔熱材料。有益效果本發明采用壓電晶體作為關鍵部件，提出了一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置。該裝置組成元件少，尺寸小，相對純機械液壓或是帶有電機減速等執行機構的作動裝置而言，在重量上要輕得多，不會給航空發動機的推重比等重要性能帶來負面的影響，也便于安裝。而且該裝置不僅可以控制軸對稱葉尖間隙，而且也可以針對非軸對稱接葉尖間隙進行有效地控制。該裝置作動速度快，部件之間都是線性連接，使得整個控制系統的建模分析相對容易，便于獲得較高的控制精度。所以，簡要總結該作動裝置具有以下優點1、可以實現軸對稱和非軸對稱葉尖間隙控制；2、結構簡單、尺寸小、重量輕；3、便于安裝和維護；4、響應速度快；5、控制精度高；6、可靠性高。
圖1 本發明的結構示意圖；圖2 圖1中隔板連接結構的局部放大圖；其中1、封裝外殼；2、電極板；3、壓電晶體；4、絕緣層；5、液壓放大器；6、擋板；7、 彈簧；8、外機匣；9、隔板；10、圓弧連接件。
具體實施方式
下面結合具體實施例描述本發明參照附圖1，本實施例中的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置包括封裝外殼1、壓電晶體3、電極板2、絕緣層4、液壓放大器5、擋板6、彈簧7和隔板9。[0021]封裝外殼1由三層材料組成，其中外側和內側兩層材料相同，都是合金材料，是為了保證封裝殼體的強度要求和剛度要求；中間層的材料是隔熱材料，這時因為外機匣8的溫度在600° F左右，為了使液壓放大器的液壓介質溫度不至于過高，這里需要通過隔熱措施降低外機匣高溫對液壓放大器液壓介質的影響。壓電晶體3作為一種新型材料，具有逆壓電現象，即當壓電晶體受到電場作用時， 在它的某些方向出現應變，而且電場強度和應變之間也存在著線性關系，而且目前發展的壓電晶體堆棧技術使得壓電晶體的應變能力很強，可以滿足高頻的變化。研究表明，其應變產生的力遠遠超過作動器所需承受的最大載荷，所以壓電晶體材料的各項性能完全可以滿足該作動裝置的作動要求。液壓放大器5由液壓缸、兩個活塞桿和液體介質組成，金屬液壓缸和活塞桿使用耐高溫耐高壓的合金材料。由于液壓缸的兩端面積不同，壓力輸入活塞桿將液體介質由面積大的一端擠壓到面積小的一端時，會使液體壓強增大，同時也會使得壓力輸出活塞桿的位移量增大，實現力放大和位移放大的效果。如附圖1所示，液壓放大器5的壓力輸入活塞桿端面與絕緣層4膠粘固定連接， 絕緣層4采用高溫的絕緣材料制成，作用是使得壓電晶體與外部金屬完全絕緣，不會產生漏電現象，便于控制。兩個電極板2相互平行卡在絕緣層端面卡槽內，并且垂直于絕緣層， 兩個電極板分別與外部電源連接，在電極板之間形成均勻電場。在兩個電極板之間有壓電晶體，壓電晶體與絕緣層膠粘固定連接，并且壓電晶體有兩個相對的側面與電極板平面平行，每個電極板與壓電晶體鄰近一側側面的距離應取合適距離，距離既不能太小，防止壓電晶體變形后對電極板形成干擾，距離也不能過大，防止降低壓電晶體變形的控制精度，通過大量實驗，每個電極板與壓電晶體鄰近一側側面的距離優選0. Imm 1mm，本實施例中取 0. 5mm，壓電晶體的變形面為面向電極板的兩個側面以及面向絕緣層和背對絕緣層的兩個側面。液壓放大器的壓力輸出活塞桿穿過外機匣8與隔板9螺栓固定連接，在外機匣與液壓放大器之間的壓力輸出活塞桿上套有擋板6，擋板與壓力輸出活塞桿過盈配合，擋板的作用是實現機械安全保護，限定了隔板9向上運動的最大位移，在控制系統突然失效的情況下，擋板可以限制隔板不會產生過大的向上移動，也就不會引起葉尖間隙過大，發動機的性能下降等一系列問題。在擋板6與外機匣8之間的壓力輸出活塞桿上套有彈簧7，彈簧處于壓縮狀態，彈簧的第一個作用是在壓電晶體收縮時，其產生的彈力作用在擋板上，使得壓力輸出活塞桿向上移動，第二個作用是當彈簧完全被壓縮式，其自身厚度限制了壓力輸出活塞桿繼續向下移動，起到機械保護的作用。封裝外殼1與外機匣8螺栓固定連接，將壓電晶體、電極板和液壓放大器包在封裝外殼內，且壓電晶體背對絕緣層的側面與封裝外殼頂端端面接觸，并加上預緊力。參照附圖1和附圖2，隔板為圓弧型分段結構，相鄰兩段隔板采用圓弧卡槽配合圓弧連接件方式連接，圓弧卡槽開在隔板端面上，圓弧連接件兩端分別插入相鄰隔板的圓弧卡槽內，當一段隔板隨液壓放大器的壓力輸出活塞桿運動時，該段隔板兩端沿圓弧連接件運動，且保持隔板與圓弧連接件連接。隔板由三層不同的材料組成，內側是易磨材料，要求易磨材料的強度小于葉尖材料的強度，以保證當控制系統出現問題，導致葉尖間隙減少為零甚至為負值時，渦輪葉片頂部刮削易磨材料形成凹槽，而不至于折斷渦輪葉片造成嚴重的事故，本實施例中易磨材料采用的是鎳石墨材料。隔板的中間層是隔熱材料，用來降低整個裝置各個部件的工作溫度，避免由于溫度原因造成控制的精度下降，隔板的外側是結構部件合金材料，要求具有足夠的剛度和強度，保證整個作動裝置具有較高的控制精度。本裝置工作時，在兩個電極板施加電壓，在電極板之間形成均勻電場，使得處于均勻電場內的壓電晶體產生形變，驅動液壓放大器的壓力輸入桿，進而驅動液壓放大器的壓力輸出桿帶動隔板移動，實現對葉尖間隙的控制。在實際應用中，針對不同型號的發動機可以選擇適當數目的作動裝置，按照對稱結構分布安裝，驅動任意一個作動裝置就可以改變相應方向上的葉尖間隙大小，實現葉尖間隙的非軸對稱控制。
權利要求1.一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于包括封裝外殼、壓電晶體、電極板、絕緣層、液壓放大器、擋板、彈簧和隔板；液壓放大器的壓力輸入活塞桿端面與絕緣層膠粘固定連接；兩個電極板相互平行卡在絕緣層端面卡槽內，并且垂直于絕緣層，兩個電極板分別與外部電源連接，在電極板之間形成均勻電場；在兩個電極板之間有長方體型的壓電晶體，壓電晶體與絕緣層膠粘固定連接，并且壓電晶體有兩個相對的側面與電極板平面平行，壓電晶體的變形面為面向電極板的兩個側面以及面向絕緣層和背對絕緣層的兩個側面；液壓放大器的壓力輸出活塞桿穿過外機匣與隔板固定連接，在外機匣與液壓放大器之間的壓力輸出活塞桿上套有擋板，擋板與壓力輸出活塞桿過盈配合，在擋板與外機匣之間的壓力輸出活塞桿上套有彈簧，彈簧處于壓縮狀態；封裝外殼與外機匣固定連接，將壓電晶體、電極板和液壓放大器包在封裝外殼內，且壓電晶體背對絕緣層的側面與封裝外殼頂端端面接觸；隔板為圓弧型分段結構，相鄰兩段隔板采用圓弧卡槽配合圓弧連接件方式連接，圓弧卡槽開在隔板端面上，圓弧連接件兩端分別插入相鄰隔板的圓弧卡槽內，當一段隔板隨液壓放大器的壓力輸出活塞桿運動時，該段隔板兩端沿圓弧連接件運動，且保持隔板與圓弧連接件連接。
2.根據權利要求1所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于每個電極板與壓電晶體鄰近一側側面的距離為0. Imm 1mm。
3.根據權利要求1或2所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于封裝外殼由三層材料組成，中間層材料采用隔熱材料。
4.根據權利要求3所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于隔板由三層材料組成，中間層材料采用隔熱材料，朝向葉片方向的外層材料采用強度小于葉尖材料強度的耐磨材料。
5.根據權利要求4所述的一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，其特征在于圓弧連接件采用隔熱材料。
專利摘要本實用新型提出一種用于主動控制渦輪葉尖間隙的電子機械式作動裝置，包括封裝外殼、壓電晶體、電極板、絕緣層、液壓放大器、擋板、彈簧和隔板；液壓放大器的壓力輸入活塞桿端面通過絕緣層與壓電晶體連接，絕緣層上有兩個相互平行的電極板，相互平行處于電極板之間；液壓放大器的壓力輸出活塞桿穿過外機匣與隔板固定連接；封裝外殼與外機匣固定連接，將壓電晶體、電極板和液壓放大器包在封裝外殼內；隔板為圓弧型分段結構，相鄰兩段隔板采用圓弧卡槽配合圓弧連接件方式連接。本裝置采用壓電晶體作為關鍵部件，不僅可以控制軸對稱葉尖間隙，而且也可以針對非軸對稱接葉尖間隙進行有效地控制。
文檔編號F01D11/20GK202266303SQ20112040271
公開日2012年6月6日 申請日期2011年10月20日 優先權日2011年10月20日
發明者侯育軍, 張小棟, 景曉璐, 賈炳輝 申請人:西北工業大學