主動控制葉尖間隙的執行機構和系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型實施例公開了一種主動控制葉尖間隙的執行機構和系統，涉及發動機【技術領域】，其中，所述執行機構包括：步進電機、絲杠和隔板；其中，所述絲杠的一端與所述步進電機固定連接，所述絲杠的另一端與所述隔板固定連接；所述步進電機能夠做旋轉運動，以帶動所述絲杠移動，所述絲杠移動帶動所述隔板朝向或遠離葉片葉尖的方向移動。本實用新型提供的執行機構適用于多/全電飛機，能夠滿足未來多/全電飛機的發展要求。此外，該執行機構結構簡單，無需大量的輔助管路、控制閥門等，改善了發動機的經濟性。
【專利說明】主動控制葉尖間隙的執行機構和系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及發動機【技術領域】，尤其是一種主動控制葉尖間隙的執行機構和系統。
【背景技術】
[0002]由于發動機渦輪轉子葉片葉尖與靜子機匣之間存在一定的間隙(簡稱葉尖間隙)，在葉片前后壓力面與吸力面之間的壓差作用下，燃氣會發生泄漏，從而影響發動機效率。研究表明，葉尖間隙每增加葉片長度的1%，發動機效率約降低1.5%，耗油率約增加2%。而耗油率的增加不僅影響發動機性能，同時也影響其全壽命費用。據分析，葉尖間隙對耗油率的影響約占葉型與間隙密封總損失的67%，為了降低發動機耗油率，需要盡可能減小葉尖間隙。但是葉尖間隙也不能過小，因為過小的葉尖間隙可能會影響發動機安全。因此，需要將葉尖間隙保持在合理的范圍內。
[0003]主動間隙控制技術是一項通過控制渦輪葉尖間隙的變化來降低發動機耗油率、提高可靠性和延長使用壽命、減少污染物的排放的重要技術。現有的主動間隙控制手段主要分為以下幾種:1、熱力式間隙控制，主要是從風扇出口或壓氣機某級引出的空氣冷卻渦輪機匣，通過控制引氣量或引氣溫度等參數調整渦輪機匣溫度分布，以控制渦輪機匣渦輪外環組件的徑向熱膨脹位移，從而控制葉尖間隙的大小。2、機械式間隙控制，通過連接裝置和驅動機構來實現對葉尖間隙的控制。3、壓力式間隙控制，主要利用發動機內部或外部供應的壓力及其對控制活門的調節，引起載荷偏移，使渦輪外環沿徑向產生位移，實現對葉尖間隙的控制。
[0004]未來，為了提高燃油利用率，增加飛機可靠性、維修性等性能，多/全電飛機將以電氣系統逐步取代液壓、氣動和機械系統來滿足飛機的次級功率。因此，亟須一種新的主動間隙控制手段來控制發動機渦輪轉子葉片葉尖和靜子機匣之間的間隙，以適應多/全電飛機的發展趨勢。
實用新型內容
[0005]本實用新型實施例的一個目的是:提供一種主動控制葉尖間隙的執行機構和系統，以適應多/全電飛機的發展趨勢。
[0006]根據本實用新型的一方面，提供一種主動控制葉尖間隙的執行機構，包括:步進電機、絲杠和隔板；其中，所述絲杠的一端與所述步進電機固定連接，所述絲杠的另一端與所述隔板固定連接；所述步進電機能夠做旋轉運動，以帶動所述絲杠移動，所述絲杠移動帶動所述隔板朝向或遠離葉片葉尖的方向移動。
[0007]在一個實施例中，所述隔板至少包括兩層，所述兩層中靠近葉片葉尖一側的一層為易磨材料，靠近所述絲杠一側的一層為隔熱材料。
[0008]在一個實施例中，所述執行機構固定在靜子機匣的外殼體上，所述絲杠的另一端穿過所述靜子機匣的內殼體和外殼體與所述隔板固定連接。
[0009]在一個實施例中，所述執行機構還包括實時檢測所述絲杠位置的位移傳感器。
[0010]在一個實施例中，所述絲杠上設置有孔，所述位移傳感器通過該孔與所述絲杠固定連接。
[0011]在一個實施例中，所述執行機構還包括:與所述位移傳感器連接的比較器、以及分別與所述比較器和所述步進電機連接的脈沖信號發生器；所述位移傳感器將所述絲杠當前的位置信息實時發送給所述比較器；所述比較器比較所述絲杠當前的位置信息與預設位置信息的大小，并根據比較結果向所述脈沖信號發生器發出不同的觸發信號；所述脈沖信號發生器接收到所述比較器發送的第一觸發信號時，向所述步進電機發送第一脈沖信號，以控制所述步進電機正向旋轉，從而帶動所述絲杠和所述隔板朝向葉片葉尖移動；所述脈沖信號發生器接收到所述比較器發送的第二觸發信號時，向所述步進電機發送第二脈沖信號，以控制所述步進電機逆向旋轉，從而帶動所述絲杠和所述隔板遠離葉片葉尖移動。
[0012]在一個實施例中，所述執行機構還包括殼體，所述殼體通過螺釘固定在靜子機匣的外殼體上。
[0013]在一個實施例中，所述絲杠的一端通過絲杠螺母與所述步進電機固定連接。
[0014]根據本實用新型的另一方面，提供一種主動控制葉尖間隙的系統，包括:多個如上述任意實施例提供的執行機構以及靜子機匣；多個所述執行機構分別固定在所述靜子機匣的外殼體上，每個所述執行機構中的絲杠的另一端穿過所述靜子機匣的內殼體和外殼體與該執行機構中的隔板固定連接。
[0015]根據本實用新型的又一方面，提供一種主動控制葉尖間隙的系統，包括:上述實施例提供的執行機構、靜子機匣、與所述執行機構中的位移傳感器連接的比較器、以及分別與所述比較器和所述執行機構中的步進電機連接的脈沖信號發生器；多個所述執行機構分別固定在所述靜子機匣的外殼體上，每個所述執行機構中的絲杠的另一端穿過所述靜子機匣的內殼體和外殼體與該執行機構中的隔板固定連接；所述位移傳感器將所述絲杠當前的位置信息實時發送給所述比較器；所述比較器比較所述絲杠當前的位置信息與預設位置信息的大小，并根據比較結果向所述脈沖信號發生器發出不同的觸發信號；所述脈沖信號發生器接收到所述比較器發送的第一觸發信號時，向所述步進電機發送第一脈沖信號，以控制所述步進電機正向旋轉，從而帶動所述絲杠和所述隔板朝向葉片葉尖移動；所述脈沖信號發生器接收到所述比較器發送的第二觸發信號時，向所述步進電機發送第二脈沖信號，以控制所述步進電機逆向旋轉，從而帶動所述絲杠和所述隔板遠離葉片葉尖移動。
[0016]與現有技術相比，本實用新型實施例提供的執行機構為電作動執行機構，能夠適應多/全電飛機的發展趨勢，并且結構簡單，無需大量的輔助管路、控制閥門等，改善了發動機的經濟性。
[0017]下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構一個實施例的結構示意圖；
[0020]圖2為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構實施例中的隔板的示意圖；
[0021]圖3為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構另一個實施例的結構示意圖；
[0022]圖4為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構又一個實施例的結構示意圖；
[0023]圖5為本實用新型主動控制葉尖間隙的系統一個實施例的結構示意圖；
[0024]圖6為本實用新型主動控制葉尖間隙的系統另一個實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0026]圖1為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構一個實施例的結構示意圖。如圖1所示，該執行機構100可以包括步進電機101、絲杠102和隔板103。其中，絲杠102的一端與步進電機101固定連接，優選通過絲杠螺母固定連接；絲杠102的另一端與隔板103固定連接，優選通過螺釘固定連接。步進電機101能夠做旋轉運動，以帶動絲杠102移動，由于絲杠102與隔板103固定連接，因此，絲杠102移動會帶動隔板103朝向或遠離葉片葉尖(未示出)的方向移動，從而達到控制葉尖間隙的大小的目的。
[0027]需要說明的是，圖中未示出葉片葉尖，本領域技術人員根據本實用新型的描述，可以毫無疑義地確定葉片葉尖所在的位置。此外，本實用新型所提到的固定連接方式均為優選的固定連接方式，并不用于限制本實用新型的范圍，本領域技術人員還可以根據實際應用情況選擇其他合適的固定連接方式。
[0028]本實施例提供的主動控制葉尖間隙的執行機構為電作動的執行機構，步進電機可以在脈沖信號的觸發下做正向或逆向旋轉運動，從而帶動絲杠和隔板移動，進而控制葉尖間隙的大小，該電作動的執行機構適用于多/全電飛機，能夠滿足未來多/全電飛機的發展要求。此外，該執行機構結構簡單，無需大量的輔助管路、控制閥門等，改善了發動機的經濟性。
[0029]作為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構一個示例而非限制，隔板103至少包括兩層，如圖2所示，為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構實施例中隔板的示意圖。在圖2中，隔板103的兩層中靠近葉片葉尖一側的一層113為易磨材料，靠近絲杠一側的一層123為隔熱材料。
[0030]示例性地，上述易磨材料可以是鎳石墨材料，隔熱材料可以是玻璃纖維材料。通過設置由易磨材料和隔熱材料兩層不同的材料構成的隔板，一方面可以通過調節易磨材料的厚度改變渦輪的初始葉尖間隙，易于維護；另一方面，在葉尖間隙減小為零甚至為負值時，渦輪葉片可以刮削靠近葉片葉尖一側的易磨材料形成凹槽，而不至于使葉片折斷造成事故；此外，通過隔熱材料將渦輪內側的高溫氣體與執行機構隔開，降低了執行機構中各部件的溫度，從而可以提高部件的可靠性。
[0031]在實際應用中，再參見圖1，執行機構100可以固定在靜子機匣104的外殼體124上，而絲杠102的另一端穿過靜子機匣104的內殼體114和外殼體124與隔板103固定連接。需要指出的是，內殼體114和外殼體124之間為靜子機匣104的環腔134。在一個優選實施例中，執行機構100可以通過螺釘105固定在外殼體124上。此外，靜子機匣的外殼體上還可以開設有冷卻孔，用以冷卻執行機構。
[0032]優選地，上述執行機構還可以包括用于保護步進電機和絲杠的殼體106，再參見圖1，殼體106可以通過螺釘105固定在靜子機匣104的外殼體124上。步進電機101和絲杠102被包在殼體106內，其中，步進電機101可以通過螺栓或螺釘與殼體106固定連接。
[0033]圖3為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構另一個實施例的結構示意圖。與圖1所示執行機構100相比，本實施例中的執行機構300還可以包括實時檢測絲杠位置的位移傳感器301。在一個具體實施例中，絲杠102上可以設置有孔，位移傳感器301可以通過該孔與絲杠102固定連接。因此，絲杠102移動時，位移傳感器301也會與絲杠102同時移動，從而可以實時檢測絲杠102的位置信息。
[0034]圖4為本實用新型主動控制葉尖間隙的執行機構又一個實施例的結構示意圖。與圖3所示執行機構300相比，本實施例中的執行機構400還可以包括:與位移傳感器301連接的比較器401、以及分別與比較器401和步進電機101連接的脈沖信號發生器402。
[0035]具體地，位移傳感器301可以將絲杠當前的位置信息實時發送給比較器401，比較器401比較絲杠當前的位置信息與預設位置信息的大小，并根據比較結果向脈沖信號發生器402發出不同的觸發信號。示例性地，比較器401根據比較結果發出不同的觸發信號具體可以包下述兩種情況:
[0036]在一種情況下，當葉尖間隙過大時，當前的位置信息大于預設位置信息，比較器401向脈沖信號發生器402發送第一觸發信號，例如高電平信號。脈沖信號發生器402接收到比較器401發送的第一觸發信號時，向步進電機101發送第一脈沖信號，以控制步進電機101正向旋轉，從而帶動絲杠102和隔板103朝向葉片葉尖移動，達到減小葉尖間隙的目的。
[0037]在另一種情況下，當葉尖間隙過小時，當前的位置信息小于預設位置信息，比較器401向脈沖信號發生器402發送第二觸發信號，例如低電平信號。脈沖信號發生器402接收到比較器401發送的第二觸發信號，例如低電平信號時，向步進電機101發送第二脈沖信號，以控制步進電機101逆向旋轉，從而帶動絲杠102和隔板103遠離葉片葉尖移動，達到增大葉尖間隙的目的。
[0038]上述預設位置信息可以根據葉尖間隙的大小處在合適的范圍內時的絲杠的位置信息來進行設置。由于位移傳感器可以實時反饋絲杠的位置信息，只要絲杠當前的位置信息與預設位置信息不同，即對絲杠的位置進行調整，整個執行機構的響應速度快，且控制精度高。
[0039]需要說明的是，上面雖然以步進電機正向旋轉帶動絲杠和隔板朝向葉片葉尖移動、步進電機反向旋轉帶動絲杠和隔板遠離葉片葉尖移動為例對執行機構的具體工作情況進行了說明，但是，本領域技術人員應理解，步進電機也可以在反向旋轉時帶動絲杠和隔板朝向葉片葉尖移動、在正向旋轉帶動絲杠和隔板遠尚葉片葉尖移動，從而達到控制葉尖間隙的大小的目的。
[0040]圖5為本實用新型主動控制葉尖間隙的系統一個實施例的結構示意圖。如圖5所示，該主動控制葉尖間隙的系統500包括:多個上述任意實施例提供的執行機構(例如執行機構100、執行機構300、執行機構400)、以及靜子機匣。
[0041 ] 在實際應用中，可以針對不同的發動機選擇執行機構的個數。多個執行機構分別固定在靜子機匣的外殼體上，每個執行機構中的絲杠的另一端穿過靜子機匣的內殼體和外殼體與該執行機構中的隔板固定連接。
[0042]需要指出的是，由于上述實施例中已經詳細地示出了執行機構100、執行機構300、以及執行機構400的構成細節，因此，圖5中的執行機構的構成細節、以及執行機構與靜子機匣的位置關系和連接關系參見圖1、圖3和圖4即可。
[0043]本實施例提供的主動控制葉尖間隙的系統，通過多個執行機構可以分別改變不同方向上的葉尖間隙的大小，從而可以實現葉尖間隙的控制。
[0044]圖6為本實用新型主動控制葉尖間隙的系統一個實施例的結構示意圖。如圖6所示，該主動控制葉尖間隙的系統600包括:多個圖3所示實施例提供的執行機構300、靜子機匣104、與多個執行機構300中的位移傳感器301連接的比較器601、以及分別與比較器601和多個執行機構300中的步進電機102連接的脈沖信號發生器602。多個執行機構300分別固定在靜子機匣104的外殼體124上，每個執行機構中的絲杠102的另一端穿過靜子機匣的內殼體和外殼體與該執行機構中的隔板固定連接。
[0045]本實施例中，多個執行機構300中的位移傳感器301可以同時將絲杠當前的位置信息實時發送給比較器601，比較器601比較絲杠當前的位置信息與預設位置信息的大小，并根據比較結果向脈沖信號發生器602發出不同的觸發信號。比較器601根據比較結果發出不同的觸發信號具體可以參見上面兩種情況的描述，在此不再贅述。
[0046]本實施例與圖5所示實施例的區別在于，本實施例是同時對多個執行機構中絲杠的位置進行調節，而圖5所示實施例是多個執行機構可以分別調節該執行機構中絲杠的位置。
[0047]本實用新型的描述是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本實用新型限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本實用新型的原理和實際應用，并且使本領域的普通技術人員能夠理解本實用新型從而設計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【權利要求】
1.一種主動控制葉尖間隙的執行機構，其特征在于，包括:步進電機、絲杠和隔板；其中，所述絲杠的一端與所述步進電機固定連接，所述絲杠的另一端與所述隔板固定連接； 所述步進電機能夠做旋轉運動，以帶動所述絲杠移動，所述絲杠移動帶動所述隔板朝向或遠離葉片葉尖的方向移動。
2.根據權利要求1所述的執行機構，其特征在于，所述隔板至少包括兩層，所述兩層中靠近葉片葉尖一側的一層為易磨材料，靠近所述絲杠一側的一層為隔熱材料。
3.根據權利要求1所述的執行機構，其特征在于，所述執行機構固定在靜子機匣的外殼體上，所述絲杠的另一端穿過所述靜子機匣的內殼體和外殼體與所述隔板固定連接。
4.根據權利要求1所述的執行機構，其特征在于，所述執行機構還包括實時檢測所述絲杠位置的位移傳感器。
5.根據權利要求4所述的執行機構，其特征在于，所述絲杠上設置有孔，所述位移傳感器通過該孔與所述絲杠固定連接。
6.根據權利要求4所述的執行機構，其特征在于，所述執行機構還包括:與所述位移傳感器連接的比較器、以及分別與所述比較器和所述步進電機連接的脈沖信號發生器。
7.根據權利要求1所述的執行機構，其特征在于，所述執行機構還包括殼體，所述殼體通過螺釘固定在靜子機匣的外殼體上。
8.根據權利要求1所述的執行機構，其特征在于，所述絲杠的一端通過絲杠螺母與所述步進電機固定連接。
9.一種主動控制葉尖間隙的系統，其特征在于，包括:多個如權利要求1-8任一所述的執行機構以及靜子機匣； 多個所述執行機構分別固定在所述靜子機匣的外殼體上，每個所述執行機構中的絲杠的另一端穿過所述靜子機匣的內殼體和外殼體與該執行機構中的隔板固定連接。
10.一種主動控制葉尖間隙的系統，其特征在于，包括:多個權利要求4或5所述的執行機構、靜子機匣、與所述執行機構中的位移傳感器連接的比較器、以及分別與所述比較器和所述執行機構中的步進電機連接的脈沖信號發生器；多個所述執行機構分別固定在所述靜子機匣的外殼體上，每個所述執行機構中的絲杠的另一端穿過所述靜子機匣的內殼體和外殼體與該執行機構中的隔板固定連接。
【文檔編號】F01D11/20GK204140141SQ201420562229
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月28日 優先權日:2014年9月28日
【發明者】陳烽 申請人:中航商用航空發動機有限責任公司