燃气轮机、可调导叶调节机构及其联动环限位装置的制作方法

1.本发明涉及一种燃气轮机、可调导叶调节机构及其联动环限位装置。


背景技术：

2.为了满足航空发动机压气机高效率高裕度的要求，通常采取前几级静子可调角度设计，以满足不同转速下的气动性能。在通过机械结构实现可调导叶时，整圈镜子叶片的角度控制精度对压气机的稳定正常工作极其重要。当今民用航空发动机压气机可调导叶调节机构，通常都是由联动环及其驱动结构组成，联动环和各个导叶的连接，通过联动环的转动，带动整圈导叶的转动。
3.如图1至图2示出了现有航空发动机中典型的可调导叶调节机构的示意图。其中，可调导叶91上端转轴套过衬套98穿过机匣92和摇臂94方孔，并使用螺母95固定。摇臂94的方孔和可调导叶91上的方轴契合，摇臂94的另一端安装关节轴承97，并通过销轴96和联动半环93连接，联动环搭接段913通过螺栓914将两个联动半环93安装为一整环结构，通过联动整环的旋转，带动摇臂94绕可调导叶91转轴旋转，进而使可调导叶91绕自身转轴旋转，起到调节角度的功能。由于摇臂94和联动半环93径向存在间隙，联动环非全约束状态，和机匣92的同心度不唯一，这样会导致周向不同位置的可调导叶91角度不一致。
4.为解决上述问题，通常设置有如图3所示的联动环限位装置8，联动环限位装置8由限位杆81、衬套82、螺母83和限位套84组成，通过控制限位套84和机匣92之间的小间隙，控制联动半环93和机匣92的同心度，进而保证可调导叶91周向角度一致性，但由于机匣92在工作状态受热膨胀，为了不使限位套84和机匣92之间发生干涉卡死，通常会把冷态间隙设计很大(0.2-1mm)。然而发明人发现，如此设置会导致在非高状态下，可调导叶91周向均匀性不好，压气机裕度降低，发动机可靠性降低。故亟需一种新的联动环限位装置，来达到限位套和机匣在发动机各工况下保持小间隙状态，提高压气机和发动机的可靠性。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种联动环限位装置，其能够达到限位套和机匣在发动机各工况下保持小间隙状态，从而提高压气机和发动机的可靠性。
6.本发明的另一个目的在于提供一种可调导叶调节机构，其包括前述联动环限位装置。
7.本发明的又一目的在于提供一种燃气轮机，其包括前述可调导叶调节机构。
8.为实现前述一个目的的一种联动环限位装置，包括：
9.限位杆，穿过联动半环设置，具有朝向机匣设置的限位端；
10.膨胀底座，对应所述限位端的位置设置于所述机匣上；以及
11.限位弧板，由收放机构支撑于所述膨胀底座上，所述限位弧板顶面与所述限位端之间保持一限位间隙；
12.其中，为保持所述限位间隙，所述机匣材料的热膨胀系数a1与所述膨胀底座材料
的热膨胀系数a2之间满足如下公式：
13.r1ha1＝l2a2；
14.其中，r1为所述机匣在常温下的半径、h为收放机构在常温下的初始高度、l为所述收放机构在常温下的初始长度。
15.在一个或多个实施方式中，所述膨胀底座采用m152不锈钢制成。
16.在一个或多个实施方式中，所述收放机构为x型支腿收放机构。
17.在一个或多个实施方式中，所述限位弧板所在圆、所述机匣所在圆以及所述联动半环所在圆同心。
18.在一个或多个实施方式中，所述膨胀底座与所述机匣之间紧贴接触。
19.在一个或多个实施方式中，所述限位杆穿过所述联动半环后的一端设置有限位套，所述限位套具有所述限位端。
20.在一个或多个实施方式中，所述联动环限位装置适用于温度变化量的取值为75至375摄氏度之间的环境。
21.为实现前述另一目的的一种可调导叶调节机构，包括衬套、摇臂以及联动半环，所述摇臂的两端分别与所述衬套以及所述联动半环连接，其特征在于，所述联动半环与机匣之间设置有如前所述的联动环限位装置。
22.在一个或多个实施方式中，所述联动半环通过联动环搭接段连接成为整环状的联动环，所述联动环限位装置为沿所述联动环周向方向设置的多个。
23.为实现前述又一目的的一种燃气轮机，包括如前所述的可调导叶调节机构。
24.本发明的增益效果在于:当机匣受热膨胀时，膨胀底座也受热膨胀，此时通过收放机构将膨胀底座的受热膨胀量转化为限位弧板高度的降低。通过选择具有合适热膨胀系数a2的材料作为膨胀底座的材料。使得限位弧板与限位杆之间始终保持有限位间隙d，从而保证了自非工作状态到工作状态下，可调导叶角度能够保持一致性，同时限位弧板与限位杆之间也不会发生卡死，从而能够增加发动机的可靠性。
附图说明
25.本发明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：
26.图1示出了现有航空发动机中典型的可调导叶调节机构的示意图；
27.图2示出了现有航空发动机中典型的可调导叶调节机构的另一角度的示意图；
28.图3示出了现有联动环限位装置的示意图；
29.图4示出了本联动环限位装置一个实施方式的示意图；
30.图5为本联动环限位装置另一角度所视得的示意图。
具体实施方式
31.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，并非是对本技术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。
32.需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
33.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
34.需要说明的是，如后文所述的附图标记与背景技术中的附图标记采用不同的标记系统，二者的附图标记之间无关联。
35.如图4示出了联动环限位装置一个实施方式的示意图，图5为由另一角度所视得的联动环限位装置的示意图。其中，联动环限位装置包括限位杆1、膨胀底座2以及限位弧板3。其中，限位杆1是如图所示地穿过联动半环4设置，其具有朝向机匣5设置的限位端10。
36.膨胀底座2是对应限位端10的位置设置在机匣5上，从而与限位杆1相对设置。限位弧板3由收放机构21支撑于膨胀底座2上，且收放机构21的初始高度h配置为限位弧板3的顶面30与限位端10之间保持一限位间隙d，以使得在未工作的冷态状态下，限位杆1与限位弧板3的顶面30之间存在小间隙，从而在保证了可调导叶角度一致的前提下，限位杆1与限位弧板3之间不会在冷态状态下卡死。
37.在工作状态下，机匣5将会受热膨胀，从而机匣5的半径增加，为保证限位杆1与限位弧板3之仍保持有限位间隙d，机匣5材料的热膨胀系数a1与膨胀底座2材料的热膨胀系数a2之间满足如下公式(1)：
[0038][0039]
其中，r1为机匣5的在常温下半径大小、r2为限位弧板3的在常温下半径大小、l为收放机构21在常温下的初始长度、h为收放机构21在常温下的初始高度、δt为温度变化量。可以理解的是，前述中所指的温度变化量δt为温度自未工作状态下(即常温下)到工作状态下的温度变化值。通过如上公式能够保证在定温度变化δt下机匣5径向膨胀量和膨胀底座2的径向变形量导致的收放机构21高度变化相互抵消，简化公式(1)后得到公式(2)：
[0040][0041]
为保证变形量抵消，需调整参数r1ha1＝l2a2。
[0042]
当机匣5受热膨胀时，膨胀底座2也受热膨胀，此时通过收放机构21将膨胀底座2的受热膨胀量转化为限位弧板3高度的降低。通过选择具有合适热膨胀系数a2的材料作为膨胀底座2的材料。使得限位弧板3与限位杆1之间始终保持有限位间隙d，从而保证了自非工作状态到工作状态下，可调导叶角度能够保持一致性，同时限位弧板3与限位杆1之间也不会发生卡死，从而能够增加发动机的可靠性。
[0043]
如下为一个具体的实施例来阐述前述热膨胀系数a1与热膨胀系数a2之间的关系。
[0044]
实施例1
[0045]
选择m152不锈钢机匣5的材料，机匣5的半径r1设置为320mm，膨胀底座2的材料也选择为m152不锈钢，收放机构21在常温下的初始高度h为10mm，收放机构21在常温下的初始长度l为55mm。
[0046]
在常温(25℃)状态下，调整限位杆1与限位弧板3之间的初始限位间隙d为0.1～0.2mm。
[0047]
当温度变化δt的取值为75至375摄氏度之间，即工作温度为100至400摄氏度之间(通常情况下航空发动机可调级对应环境温度)时，限位间隙d的变化如下表一所示：
[0048][0049]
表一
[0050]
由上表所示，在100℃～400℃下，机匣5的膨胀量与膨胀底座2的膨胀量想到那个，从而可以实现限位杆2与限位弧板3在全工况的情况下能够保持限位间隙d在0.1～0.2mm之间。
[0051]
可以理解的是，在前述实施例中，为便于计算，选取m152不锈钢作为膨胀底座2以及机匣5的材料，在一些其他实施方式中，膨胀底座2的材料也可以是其他热膨胀系数a2满足公式：r1ha1＝l2a2的材料，如在一些实施方式中，膨胀底座2的材料可以是镍基高温合金如lnco718或是钛铝合金tc4等。
[0052]
虽然本联动环限位装置的一个实施例如上所述，但是在本联动环限位装置的其他实施例中，联动环限位装置相对于上述实施例在许多方面都可以具有更多的细节，并且这些细节的至少一部分可以具有多样的变化。下面以一些实施例对这细节和些变化中的至少一部分进行说明。
[0053]
在联动环限位装置的一个实施方式中，膨胀底座2是由m152不锈钢制成，在一些其他实施方式中，膨胀底座2的材料可以是镍基高温合金如lnco718或是钛铝合金tc4等。
[0054]
在联动环限位装置的一个实施方式中，收放机构21如图所示为x型支腿收放机构，具体地，其包括交叉、铰接设置的第一支腿结构211以及第二支腿结构212，其中第一支腿结构211的两端分别与膨胀底座2的一端以及限位弧板3的一端连接，第二支腿结构212分别与膨胀底座2的另一端以及限位弧板3的另一端相连接，从而当膨胀底座2受热沿机匣5的周向膨胀时，第一支腿结构211以及第二支腿结构212分别受拉沿铰接处转动，从而使得收放机构21的整体高度h降低，以使限位弧板3随收放机构21的整体高度h的降低而降低。在一些其他实施方式中，收放机构21可以是一种其他形式能够跟随膨胀底座2的膨胀而实现高度调节的支撑结构，如多层组合式x型支腿收放机构。
[0055]
在联动环限位装置的一个实施方式中，限位弧板3所在圆、机匣5所在圆以及联动半环4所在圆同心，从而进一步保证了在工作受热时，限位弧板3、机匣5以及联动半环4能够
同步膨胀/冷却收缩。
[0056]
在联动环限位装置的一个实施方式中，膨胀底座2与机匣5之间呈紧贴接触，从而保证机匣5受热膨胀时，热量能够传递至膨胀底座2。在一个实施方式中，膨胀底座2与机匣5之间为焊接连接。
[0057]
在联动环限位装置的一个实施方式中，限位杆1穿过联动半环4后的一端设置有限位套11，从而可以通过更换不同的限位套来实现对限位间隙d的调节。
[0058]
在联动环限位装置的一个实施方式中，其是适用于温度变化量δt的取值为75至375摄氏度之间的环境，即对应于通常情况下航空发动机可调级对应环境温度。
[0059]
如前述一个或多个实施方式中的联动环限位装置适用于可调导叶调节机构中，如图4至图5所示，可调导叶调节机构包括衬套6、摇臂7以及联动半环4，摇臂7的两端分别与衬套6以及联动半环4连接。
[0060]
在可调导叶调节机构的一个实施方式中，联动半环4通过联动环搭接段40连接成为整环状的联动环，联动环限位装置为沿该整环状的联动环周向方向设置的多个，从而在周向方向上的多个位置进行限位。
[0061]
如前述一个或多个实施方式中的可调导叶调节机构是应用于一种燃气轮机中，如前所述的工作状态以及非工作状态指代为燃气轮机的工作状态和/或非工作状态。
[0062]
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明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，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。