一种全工况范围内的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种全工况范围内的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，在压气机工况变化的情况下，结合气动性能与叶顶间隙监测，闭环控制压气机的叶顶间隙大小与机匣形状，旨在提高压气机全工况范围内的气动与结构稳定性。本发明的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，主体结构包括叶顶间隙测量系统、波纹型内机匣、蜗轮蜗杆传动机构、步进电机、外机匣。其中叶顶间隙测量系统用于监测叶顶间隙δ；波纹型内机匣用于调节叶顶间隙大小与机匣形状；蜗轮蜗杆传动机构用于拉伸或压缩波纹型内机匣；步进电机用于驱动蜗轮蜗杆传动机构；外机匣用于压气机流道的隔离密封与转动件的安全防护；波纹型内机匣波谷内壁面直径DINmin与叶顶间隙δ、叶轮叶顶直径DBTop满足关系式DINmin＝DBTop+2δ；波纹型内机匣在叶顶轴向弦长c范围内的波数NTop＝5～6；波纹型内机匣的波纹深度h与叶顶轴向弦长c满足关系式h＝A·c/100，其中A＝10～50；波纹型内机匣的波纹开口宽度w与叶顶轴向弦长c满足关系式w＝B·c/100，其中B＝10～15；本发明适用于全工况范围内主动调节压气机叶顶间隙与机匣形状，提高压气机的气动与结构稳定性。
【专利说明】
一种全工况范围内的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构
技术领域
[0001]本发明涉及叶轮机械的叶顶间隙与机匣形状主控调节控制机构设计领域，是一种用于满足压气机变工况条件下进行叶顶间隙与机匣形状调节的主动控制机构，具体来说是一种全工况范围内的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构。
【背景技术】
[0002]压气机作为燃气涡轮发动机的核心部件，其气动性能的好坏对发动机总体性能起着至关重要的作用。而压气机叶顶间隙区泄漏流的发生与发展，不仅会影响压气机叶顶气动损失，而且会影响压气机的失速裕度，对压气机的可靠运行带来较大挑战。通过控制压气机叶顶间隙大小，可以有效抑制叶顶间隙泄漏流所引入的叶顶气动损失;采用机匣处理结构，则可以有效提升压气机的失速裕度，进而改善压气机的叶顶流场性能和喘振裕度。然而，随着压气机转速的变化，压气机叶盘在离心力作用下的拉伸变形量会出现较大变化，为保证压气机运行的安全，必须在压气机最高转速工况下优化设计叶顶间隙大小，而随着压气机转速的降低，叶盘拉伸变形量减小，叶顶间隙大小会随之增大，进而对低转速工况下的压气机气动损失产生影响；另一方面，传统的机匣处理结构作为一种被动控制措施，其结构形式与相对位置无法随着压气机工况变化进行调节，进而无法适应压气机全工况范围内对机匣形状的不同需求。
【发明内容】
[0003]针对以上问题，本发明提出了一种新型叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，该压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构可以依据全工况范围内对叶顶间隙和气动性能的实时监测，通过调节波纹型内机匣的形状与位置，控制叶顶间隙大小与周向槽处理机匣的槽深以及相对于叶顶的轴向位置。
[0004]为了实现上述技术目的，本发明的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构通过以下技术方案实现:一种全工况范围内的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征在于，所述压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构主体结构包括叶顶间隙测量系统、波纹型内机匣、蜗轮蜗杆传动机构、步进电机、外机匣，所述叶顶间隙测量系统的间隙测量传感器安装在波纹型内机匣上，所述间隙测量传感器的感应面与波纹型内机匣的波谷内壁面齐平，所述波纹型内机匣为一回转体，其轴线为压气机转轴的轴线，所述回转体的纵剖面型面为波纹型剖面，所述的蜗轮蜗杆传动机构包括蜗轮部件与蜗杆部件，所述的蜗轮部件通过精密丝杆和滑环与波纹型内机匣固定连接，所述的蜗杆与步进电机转轴固定连接，所述的步进电机固定安装在外机匣外壁面，所述的外机匣为一回转体，其轴线为压气机转轴的轴线，所述波纹型内机匣与蜗轮蜗杆传动机构位于所述外机匣内。
[0005]所述叶顶间隙测量系统用于监测叶顶间隙δ，间隙测量传感器在叶顶轴向弦长c范围内的个数Ns与波纹型内机匣的波峰数Ntcip满足关系式Ns = NTcip+l，所述叶顶间隙δ为波纹型内机匣波谷内壁面与叶轮叶顶之间的间隙。
[0006]所述波纹型内机匣波谷内壁面直径DINmin与叶顶间隙δ、叶轮叶顶直径Dbtcip满足关系式DlNmin = DbtoP+25 ;所述波纹型内机匣在叶顶轴向弦长C范围内的波峰数Ντορ = 5?6 ;所述波纹型内机匣的波纹深度h与叶顶轴向弦长C满足关系式h = A.c/100，其中A=1?50;所述波纹型内机匣的波纹开口宽度w与叶顶轴向弦长c满足关系式W = B.c/100，其中B=1?15ο
[0007]所述蜗轮蜗杆传动机构为2套，分别置于波纹型内机匣的两端，分别通过2台独立的步进电机驱动，所述步进电机的转轴可以正向与反向旋转。
[0008]所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环相向而行，可以实现叶顶间隙δ的减小，同时实现波纹型内机匣波纹深度h的增加，也即叶顶区周向槽处理机匣槽深的增加。
[0009]所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环背向而行，可以实现叶顶间隙δ的增大，同时实现波纹型内机匣波纹深度h的减小，也即叶顶区周向槽处理机匣槽深的减小。
[0010]所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环同向而行，可以实现波纹型内机匣波纹与叶轮叶顶轴向相对位置的调节，也即叶顶区周向槽处理机匣的周向槽与叶轮叶顶轴向相对位置的调节。
[0011]本发明的全工况范围内压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构与现有技术相比较有如下有益效果:压气机叶顶区机匣采用波纹型内机匣与外机匣相结合的结构方案，结合全工况范围内对叶顶间隙和气动性能的实时监测，通过调节波纹型内机匣的形状与位置，实现对叶顶间隙大小与周向槽处理机匣槽深以及相对于叶顶轴向位置的调节。相比于传统的压气机叶顶区机匣结构，该波纹型内机匣可以随着压气机工况变化，有效控制调节压气机的叶顶间隙大小与机匣形状，使得压气机在全工况范围可以有效控制叶顶区气动损失，并提高压气机的失速裕度。为此，本发明适用于压气机在全工况范围内对叶顶间隙与机匣形状的主动控制需求。
【附图说明】
[0012]图1为本发明所述叶顶间隙与机匣形状主动控制机构结构方案示意图；
[0013]图2为本发明所述波纹型内机匣相对于叶顶区的尺寸参数图；
[0014]图3为本发明所述波纹型内机匣的叶顶间隙与机匣形状控制方案示意图。
【具体实施方式】
[0015]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并列举实施例子，对本发明进一步详细说明。
[0016]图1为本发明所述叶顶间隙与机匣形状主动控制机构结构方案示意图。该压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构主体结构包括叶顶间隙测量系统1、波纹型内机匣2、蜗轮蜗杆传动机构3、步进电机4、外机匣5。所述叶顶间隙测量系统I的间隙测量传感器11安装在波纹型内机匣2上，所述间隙测量传感器的感应面12与波纹型内机匣的波谷内壁面21齐平，所述波纹型内机匣2为一回转体，其轴线为压气机转轴的轴线，所述回转体的纵剖面型面为波纹型剖面，所述的蜗轮蜗杆传动机构3包括蜗轮部件31与蜗杆部件32，所述的蜗轮部件31通过精密丝杆33和滑环34与波纹型内机匣2固定连接，所述的蜗杆部件32与步进电机4的转轴41固定连接，所述的步进电机4固定安装在外机匣5的外壁面51，所述的外机匣5为一回转体，其轴线为压气机转轴的轴线，所述波纹型内机匣2与蜗轮蜗杆传动机构3位于所述外机匣内5。
[0017]图2为本发明所述波纹型内机匣相对于叶顶区的尺寸参数图。所述叶顶间隙测量系统用于监测叶顶间隙I间隙测量传感器在叶顶轴向弦长c范围内的个数Ns与波纹型内机匣的波峰数Ntcip满足关系式Ns = NTcip+l，所述叶顶间隙δ为波纹型内机匣波谷内壁面与叶轮叶顶之间的间隙。
[0018]所述波纹型内机匣波谷内壁面直径DINmin与叶顶间隙δ、叶轮叶顶直径Dbtcip满足关系式DlNmin = DbtoP+25 ;所述波纹型内机匣在叶顶轴向弦长C范围内的波峰数Ντορ = 5?6 ;所述波纹型内机匣的波纹深度h与叶顶轴向弦长C满足关系式h = A.c/100，其中A=1?50;所述波纹型内机匣的波纹开口宽度w与叶顶轴向弦长c满足关系式W = B.c/100，其中B=1?15ο
[0019]图3为本发明所述波纹型内机匣的叶顶间隙与机匣形状控制方案示意图。所述蜗轮蜗杆传动机构为2套，分别置于波纹型内机匣的两端，分别通过2台独立的步进电机驱动，所述步进电机的转轴可以正向与反向旋转。所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环相向而行，可以实现叶顶间隙δ的减小，同时实现波纹型内机匣波纹深度h的增加，也即叶顶区周向槽处理机匣槽深的增加。所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环背向而行，可以实现叶顶间隙S的增大，同时实现波纹型内机匣波纹深度h的减小，也即叶顶区周向槽处理机匣槽深的减小。所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环同向而行，可以实现波纹型内机匣波纹与叶轮叶顶轴向相对位置的调节，也即叶顶区周向槽处理机匣的周向槽与叶轮叶顶轴向相对位置的调节。
[0020]作为一种实施方式，例如选取叶顶轴向弦长c = 4 5mm，叶顶间隙初始值δ = 0.4mm，系数A=10，系数B=1;由关系式h = A.c/100可计算得到波纹型内机匣的波纹深度h =4.5mm，也即周向槽处理机匣的槽深为叶顶轴向弦长的10% ;由关系式W = B.c/100可计算得到波纹型内机匣的波纹开口宽度w = 4.5mm，也即周向槽处理机匣的等效槽宽为叶顶轴向弦长的10%;选取波纹型内机匣在叶顶轴向弦长c范围内的波峰数NTcip = 5的情况下，也即周向槽的个数为5的情况下，周向槽开槽面积和处理面积之比为56%。
[0021 ]在2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环相向而行时，在相对位移量为1mm时，叶顶间隙δ减小为0.2mm，波纹型内机匣波纹深度h增加为5.33mm，即周向槽处理机匣的槽深增加为叶顶轴向弦长的11.8%。所以，本发明所述的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构可以在不同工况下实现对叶顶间隙与周向槽处理机匣槽深及相对于叶顶轴向位置的主动控制与调节。
[0022]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
【主权项】
1.一种全工况范围内的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征在于，所述压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构主体结构包括叶顶间隙测量系统、波纹型内机匣、蜗轮蜗杆传动机构、步进电机、外机匣，所述叶顶间隙测量系统的间隙测量传感器安装在波纹型内机匣上，所述间隙测量传感器的感应面与波纹型内机匣的波谷内壁面齐平，所述波纹型内机匣为一回转体，其轴线为压气机转轴的轴线，所述回转体的纵剖面型面为波纹型剖面，所述的蜗轮蜗杆传动机构包括蜗轮部件与蜗杆部件，所述的蜗轮部件通过精密丝杆和滑环与波纹型内机匣固定连接，所述的蜗杆与步进电机转轴固定连接，所述的步进电机固定安装在外机匣外壁面，所述的外机匣为一回转体，其轴线为压气机转轴的轴线，所述波纹型内机匣与蜗轮蜗杆传动机构位于所述外机匣内。2.根据权利要求1所述的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征是:所述叶顶间隙测量系统用于监测叶顶间隙I间隙测量传感器在叶顶轴向弦长c范围内的个数Ns与波纹型内机匣的波峰数Ntcip满足关系式Ns = NTcip+l，所述叶顶间隙δ为波纹型内机匣波谷内壁面与叶轮叶顶之间的间隙。3.根据权利要求1和2所述的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征是:所述波纹型内机匣波谷内壁面直径DlNmin与叶顶间隙δ、叶轮叶顶直径Dbtop满足关系式DlNmin =Dbtop+25 ；所述波纹型内机匣在叶顶轴向弦长C范围内的波峰数Ντορ = 5?6 ；所述波纹型内机匣的波纹深度h与叶顶轴向弦长C满足关系式h = A.c/100，其中A=1?50;所述波纹型内机匣的波纹开口宽度w与叶顶轴向弦长c满足关系式W = B.c/100，其中B = 1?15。4.根据权利要求1至3所述的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征是:所述蜗轮蜗杆传动机构为2套，分别置于波纹型内机匣的两端，分别通过2台独立的步进电机驱动，所述步进电机的转轴可以正向与反向旋转。5.根据权利要求1至4所述的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征是:所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环相向而行，可以实现叶顶间隙S的减小，同时实现波纹型内机匣波纹深度h的增加，也即叶顶区周向槽处理机匣槽深的增加。6.根据权利要求1至4所述的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征是:所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环背向而行，可以实现叶顶间隙S的增大，同时实现波纹型内机匣波纹深度h的减小，也即叶顶区周向槽处理机匣槽深的减小。7.根据权利要求1至4所述的压气机叶顶间隙与机匣形状主动控制机构，其特征是:所述2套蜗轮蜗杆传动机构通过各自蜗轮部件上的精密丝杠拖动滑环同向而行，可以实现波纹型内机匣波纹与叶轮叶顶轴向相对位置的调节，也即叶顶区周向槽处理机匣的周向槽与叶轮叶顶轴向相对位置的调节。
【文档编号】F04D29/42GK105840549SQ201610190920
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】项效镕, 赵庆军, 崔伟伟, 胡斌
【申请人】中国科学院工程热物理研究所