控制系统的制作方法
【专利摘要】一种控制系统，其用于燃气涡轮发动机中，控制系统包括：轴，其纵向地延伸；叶片，其安装在轴上，并径向地向外延伸并形成叶尖；壳体，其包围叶片；驱动机构，其固定在壳体上；挡板，其可被驱动地连接于驱动机构，并与叶片的叶尖限定间隙；传感器，其布置在叶片、壳体、驱动机构和挡板的其中之一上用于检测间隙；控制器，其与传感器和驱动机构耦接并响应传感器检测到的间隙以控制驱动机构对挡板的驱动从而调节间隙。
【专利说明】控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制系统，尤其涉及控制涡轮叶尖间隙的控制系统。
【背景技术】
[0002]发动机随着推力调整和外部空气温度变化而工作在不同的气流温度状态，由于转子和机匣的热膨胀率不同，叶尖和机匣的间隙也随发动机工作状态而改变。叶尖间隙对涡轮的效率和发动机的燃油消耗率都有重要影响。叶尖间隙增大，工作流体从叶尖间隙的泄漏量就会增大，增大泄漏量会降低涡轮效率并使发动机的燃油消耗率增加。相关机构的研究发现:涡轮叶尖间隙每增加叶片长度的1%，效率降低1.5% ;效率每降低1%，耗油率约增加2%。此外，叶尖间隙的恶化还会导致喘振的发生，威胁发动机的安全性。
[0003]为了防止由于叶尖间隙改变而带来的不利效果，需要对转子部件的叶尖间隙进行控制。涡轮叶尖间隙的控制方法可分为两种:主动间隙控制和被动间隙控制。目前国际主流的大型民用飞机发动机均采用了主动间隙控制技术。例如，CFM56发动机采用高压涡轮主动间隙控制。该系统使用两股来自高压压气机的气流，通过主动间隙控制阀控制冷却空气量以及两种气流的混合比。根据调节径向间隙的要求，在不同的工作状态下引来不同温度的冷却空气对机匣进行冷却或加温，保证在巡航中有较小的叶尖间隙。
[0004]叶尖间隙测量传感器是主动间隙控制的关键技术之一，国内外均将其作为研究重点。目前比较常用的叶尖间隙测量传感器可分为微波式、电容式和光纤式等，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简称 NASA)米用微波式传感器进行叶尖间隙测量试验；法国航空航天工业集团在其TP400发动机上使用电容式传感器对叶尖间隙进行测量；中国国内的高频载波电容调幅式叶尖间隙测量传感装置已初步工业化生产。
[0005]目前应用在发动机上的主动间隙控制基本上采用对机匣进行冷却或者加热来控制其膨胀量。但是由于机匣的膨胀和收缩需要一定的响应时间，即这种方法响应较慢。
[0006]为了克服上述响应慢的缺点，本发明提出了一种快速可靠的机械式主动间隙控制系统。
【发明内容】
[0007]本发明提出了一种航空发动机涡轮叶尖间隙主动控制系统，可以提高涡轮工作效率。该系统主要部件是机械式执行机构和传感器，这种系统的主要特点在于:采用传感器实时测量叶尖间隙参数并通过机载计算机计算分析出叶尖间隙；采用机械式执行机构根据传感器的实时测量数据对叶尖间隙做出调整。
[0008]该控制系统中的传感器具有实时测量、快速响应的优点；机械式执行机构具有运行可靠、快速响应、易于维护的优点。
[0009]具体地，本发明公开了一种用于燃气涡轮发动机中的控制系统，所述控制系统包括:[0010]轴，其纵向地延伸；
[0011]叶片，其安装在所述轴上，并径向地向外延伸并形成叶尖；
[0012]壳体，其包围所述叶片；
[0013]挡板，其与所述叶片的叶尖限定间隙；
[0014]驱动机构，其固定在所述壳体上，所述驱动机构连接并驱动所述挡板做径向移动；
[0015]传感器，其布置在所述叶片、壳体、驱动机构和挡板的其中之一上用于检测所述间隙；
[0016]控制器，其与所述传感器和所述驱动机构耦接并响应所述传感器检测到的间隙以控制所述驱动机构对所述挡板的驱动从而调节所述间隙。
[0017]优选地，所述挡板为一块圆形档板。可选择地，所述挡板为多块弧形挡板，所述多块弧形挡板在周向上形成圆形。
[0018]具体地，所述驱动机构的数目对应所述弧形挡板的数目而设置。
[0019]具体地，所述传感器布置在彼此相邻的两弧形挡板之间。
[0020]具体地，所述驱动机构包括动力源、被所述动力源驱动的转动件、以及在一端与所述转动件螺纹连接的丝杠，其中，所述转动件可转动地连接到所述壳体上，所述丝杠的另一端连接到所述挡板。
[0021]优选地，所述转动件和所述壳体之间还布置有与所述壳体和所述转动件滑动摩擦的连接件。
[0022]更优选地，所述连接件为滚珠。
[0023]优选地，所述壳体和所述挡板之间还布置有与所述壳体和所述挡板滑动摩擦的连接件。
[0024]更优选地，所述连接件为滚棒。
[0025]具体地，所述控制器为机载计算机。
[0026]具体地，所述叶片为压气机定子叶片。
[0027]可选择地，所述叶片为涡轮转子叶片。
[0028]本发明的控制系统能够快速响应并且稳定可靠，将此系统应用于主动间隙控制，能够有效减小润轮叶尖间隙，提闻润轮效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中:
[0030]图1示意性地示出了当挡板处于第一状态时控制系统的横截面的示意图；
[0031]图2示意性地示出了当挡板处于第二状态时控制系统的横截面的示意图；
[0032]图3示意性地示出了控制系统的局部放大图；
[0033]图4示意性地示出了控制系统周向布置的示意图；
[0034]图5示意性地示出了控制系统的方框图。
[0035]其中，图中I表示壳体，2表示叶片,3表示挡板,4表示丝杠,5表示转动件,6表示滚珠，7表示滚棒，8表示传感器。
[0036]不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。【具体实施方式】
[0037]如图1-图4所示，一种燃气涡轮发动机的控制系统，其包括纵向延伸的轴、安装在轴上的叶片2、周向上环绕该叶片2以包围叶片2的环形壳体1、固定安装在壳体I上的驱动机构9、可驱动地连接到驱动机构9的挡板3以及传感器8和控制器10。其中，叶片2具有叶根和叶尖，叶根通过榫部和轴上的榫槽相结合从而使叶片2固定到轴上，叶尖和连接到壳体I上的挡板3之间限定有间隙。壳体I的上部的两端分别在周向上向外延伸有安装凸缘，用于安装下述的转动件5，壳体I的下部的两端分别在径向上向内延伸有导向凸缘，用于引导挡板3在径向上的移动。本领域的技术人员应当可以理解，安装凸缘和导向凸缘的具体结构并不是限定性的，只要能够将挡板安装在壳体上并可以在径向上移动的其他结构均是可以的。举例而言，作为导向凸缘的替代，可以将壳体的下部设置有凹槽，对应地，同时将挡板设置有可滑动地嵌合到凹槽内的突起。
[0038]如图4所示，在本发明较优的实施方式中，该挡板3由多块弧形挡板组成，这些弧形挡板在周向上形成圆形。对应地，该驱动机构9的数目与这些弧形挡板3的数目相等，即，均为六个，藉此，可以以一对一的方式对每块弧形挡板3进行驱动。传感器8布置在彼此相邻的两块弧形挡板3之间。对每个弧形挡板3进行单独驱动的好处在于，可以在叶片2出现偏离轴心的情况下沿周向保证各弧形挡板3和叶片2的叶尖之间的间隙值一致。本领域的普通技术人员应当可以理解，该驱动机构的数目可以小于弧形挡板的数目或者仅为一个，这样可以以一个驱动机构对几个弧形挡板或者全部弧形挡板进行驱动。
[0039]根据本发明较优的实施方式，驱动机构包括动力源(未示出)、转动件5和丝杠4，其中动力源可以为电机，其动力可以来自于飞机的发电机，转动件5可旋转地安装到壳体I的安装凸缘上并通过动力源的驱动而旋转，转动件5上还具有螺纹通孔，丝杠4的一端转动连接在转动件5的螺纹通孔上另一端固定连接到弧形挡板3上。可以在转动件5和壳体I之间设置有诸如滚珠6的连接件，这样，当转动件5相对壳体I转动时，该连接件分别与转动件5、壳体I滑动摩擦。为了使弧形挡板3相对壳体I更顺畅地滑动，可以在壳体I和弧形挡板3之间设置多个诸如滚棒7的连接件，这样，当弧形挡板3相对壳体I在径向上移动时，这些连接件分别与壳体I和弧形挡板3滑动摩擦。
[0040]在本发明较优的实施方式中，将传感器8安装在壳体I上。控制器10、传感器8和驱动机构9以电连接的方式耦接在一起，传感器8的感应数据传给控制器10，控制器10藉由这些感应数据再对驱动机构9进行控制。其中，控制器10为机载计算机。本领域技术人员应当可以理解，传感器的被安装位置可以是任意的，即，可以布置在叶片上，也可以布置在壳体上，还可以布置在驱动机构或者挡板上，只要能够满足安装设计要求即可。
[0041]结合图5，当燃气涡轮发动机工作时，每个传感器8均实时地监控每块弧形挡板3和壳体I之间的间隙，并把该间隙值如△ 1发送给控制器10，控制器10根据发动机当前的工作状态计算出每块弧形挡板3和壳体1之间允许的间隙值Δ 2，并将Δ1与Δ 2进行比较，如果Δ1大于△ 2，则向驱动机构9发出指令以使驱动机构9带动弧形挡板3径向移动到与壳体1相距Δ 2的位置处。当上述驱动机构9作动时，转动件5相对丝杠4转动，与此同时，弧形挡板3远离壳体I的安装凸缘从而将弧形挡板3更接近叶片2的叶尖以使间隙值变小。至于控制器10的控制运算方法，还有很多，例如，可以在控制器内预存储某机型发动机在各个工作状态下(包括涡轮叶片温度、壳体温度、运行时间、飞行高度等)的弧形挡板和叶片叶尖之间的间隙值，然后根据传感器发送的实时数据进行比对，然后再进行调节。由于具体的控制方法不属于本发明的重点，故在此不再赘述。
[0042]该控制系统可以为用于涡轮叶片叶尖间隙控制的控制系统，具体地，叶片可以为涡轮转子叶片，壳体可以为涡轮机匣。可选择地，该控制系统可以为用于压气机定子叶片的叶尖间隙控制的控制系统，具体地，叶片可以为压气机定子叶片，壳体可以为压气机机匣。
[0043]本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种控制系统，其用于燃气涡轮发动机中，所述控制系统包括: 轴，其纵向地延伸； 叶片，其安装在所述轴上，并径向地向外延伸并形成叶尖； 壳体，其包围所述叶片； 挡板，其与所述叶片的叶尖限定间隙； 驱动机构，其固定在所述壳体上，所述驱动机构连接并驱动所述挡板做径向移动；传感器，其布置在所述叶片、壳体、驱动机构和挡板的其中之一上用于检测所述间隙；控制器，其与所述传感器和所述驱动机构耦接并响应所述传感器检测到的间隙以控制所述驱动机构对所述挡板的驱动从而调节所述间隙。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述挡板为一块圆形档板。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述挡板为多块弧形挡板，所述多块弧形挡板在周向上形成圆形。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述驱动机构的数目对应所述弧形挡板的数目而设置。
5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述传感器布置在彼此相邻的两弧形挡板之间。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述驱动机构包括动力源、被所述动力源驱动的转动件、以及在一端与所述转动件螺纹连接的丝杠，其中，所述转动件可转动地连接到所述壳体上，所述丝杠的另一端连接到所述挡板。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述转动件和所述壳体之间还布置有与所述壳体和所述转动件滑动摩擦的连接件。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述连接件为滚珠。
9.根据权利要求1或6所述的控制系统，其特征在于，所述壳体和所述挡板之间还布置有与所述壳体和所述挡板滑动摩擦的连接件。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述连接件为滚棒。
11.根据权利要求1-8任一项所述的控制系统，其特征在于，所述控制器为机载计算机。
12.根据权利要求1-8任一项所述的控制系统，其特征在于，所述叶片为压气机定子叶片。
13.根据权利要求1-8任一项所述的控制系统，其特征在于，所述叶片为涡轮转子叶片。
【文档编号】F01D11/20GK103511003SQ201210220517
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2012年6月28日
【发明者】李夫庆, 陈景阳, 廖坚 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司