透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置的制作方法

本发明属于透平机械领域，特别涉及一种透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置。

背景技术：

叶片是航空发动机、燃气轮机、空气压缩机等透平机械转子系统实现能量转换的核心部件，其在长周期、变工况、宽转速下的高效稳定运行对机组的安全服役意义重大。限制空间内热流固耦合工况下引发的叶片强非线性振动问题一直制约着透平机械向高参数、大容量、智能化发展，严重时会导致叶片疲劳断裂，引发机组自激振动，给企业造成重大的经济损失甚至人员伤亡，而同级转子叶片组自旋角度微小动态变化或不同级转子（压气机、燃气涡轮和动力涡轮转子之间）叶片组自旋角度微小动态变化的组合是影响透平机械在持续非平稳气流激励下振动响应和能量转换效率的重要因素，此外，叶片组承受突加外部激励产生轴向倾斜，也是导致透平机械转子系统振动超限的原因之一，如不加以早期诊断，则同样可能导致以上严重后果。

目前国内外对透平机械转子系统叶片角度调节的研究主要包括以下四种方法，第一种为停机后人工调节叶片角度，该方法造成机组运行效率下降，提高企业经济成本，且无法研究叶片角度变化对转子系统气动性能的动态连续影响，其缺点显而易见。第二种以丝杆螺母为传动机构，结合导向滑杆，将电机的旋转运动转换为平面移动，利用偏心原理实现叶片角度调节。第三种直接采用液压或气动结合导轨结构的方式生成输出运动，同样利用偏心原理实现叶片角度调节。第四种采用锥齿轮、面齿轮或蜗轮蜗杆机构实现将电机轴向的旋转运动转换为径向的叶片旋转运动实现角度调节。第二、三和四种方法虽能便捷达到调节叶片角度的目的，但直接采用电机作为动力输入的方式，无法实现叶片组自旋角度的精准调节和不同级转子叶片组自旋角度的组合调节，且以上方法均不能实现叶片组轴向倾斜调节，对于因叶片组轴向倾斜导致振动超限的故障无法进行有效诊断，导致应用场合受限。

因此，本发明结合叶片组可倾斜设计、大减速比设计、半球形齿轮传动、叶片调节装置独立驱动等方法，提出一种透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置，可实现叶片组轴向倾斜调节，其叶片轴向倾斜最小角度为7°，自旋角度调节最小可达3°，不同级转子叶片组的角度可同步调节或根据实际需要任意组合调节，以研究叶片组疲劳损伤、装配微小自旋角度动态变化与转子系统气动性能之间的内在关联，对叶片组故障诊断、优化叶片组装配角度设计、改善叶片组在持续非平稳气流激励下的振动响应和提高透平机械转子系统能量转换效率具有工程意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准、同步或任意组合调节装置，以研究叶片组轴向倾斜故障诊断、叶片组装配微小自旋角度动态变化与转子系统气动性能之间的内在关联。

本发明所采用的技术方案是：一种透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置，包括刹车电机、转子、转子驱动机构及叶片轴；所述的转子为筒状结构，转子至少一端设有刹车电机；所述的刹车电机的输出轴与减速轴连接，所述的减速轴上设有刚性凸轮，刚性凸轮与减速轴过盈配合，且通过轴肩轴向定位；柔轮通过螺栓与转子连接，柔轮朝向刚性凸轮端设有外齿圈，外齿圈位于刚性凸轮外侧，与刚性凸轮之间设有柔性轴承；所述的叶片轴通过轴承支撑在转子内，叶片轴上固定安装有减速半球形齿轮，减速半球形齿轮的端部设有内齿圈，内齿圈与柔轮上的外齿圈啮合；所述的转子上通过倾角调节装置安装有多个叶片，多个叶片位于同一截面内，且沿圆周方向均匀布置；叶片的内端设有调节半球形齿轮，多个叶片的调节半球形齿轮分别与减速半球形齿轮啮合。

上述的透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置中，所述的转子包括一级转子和二级转子，一级转子和二级转子同轴，且相对的一端通过螺栓连接；所述的转子的两端分别设有一个电机连接座，两个电机连接座内分别设有一个刹车电机；每个刹车电机连接一个减速轴；一级转子和二级转子上分别设有一组叶片；一级转子和二级转子内分别设有一叶片轴，两个叶片轴上分别设有一个与相对应的一级转子或二级转子上的叶片组的调节半球形齿轮啮合的减速半球形齿轮；两个叶片轴上的减速半球形齿轮分别固定安装有一个内齿圈，两个减速半球形齿轮上的内齿圈分别与相对应的减速轴上的柔轮的外齿圈啮合。

上述的透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置中，所述的转子驱动机构包括驱动电机、主动带轮、从动带轮、同步带及胀紧套；所述的主动带轮安装在驱动电机的输出轴上，从动带轮通过胀紧套安装在转子上，主动带轮通过同步带与从动带轮连接。

上述的透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置中，所述的刹车电机与通电滑环电连接；所述的柔性轴承采用的是薄壁深沟球轴承。

上述的透平机械转子系统叶片组倾斜与自旋角度精准调节装置中，所述的倾角调节装置包括调节圆锥滚子轴承、开口卡环、球头、卡槽及端盖；所述的转子在叶片安装处设有圆形通孔，所述的端盖盖在圆形通孔外端；调节圆锥滚子轴承安装在圆形通孔内，内圈的内壁为球面，球面与球头配合形成球铰结构；所述的球头安装在叶片上，球头上设有多个环形的卡槽，多个环形的卡槽所在的平面与调节圆锥滚子轴承所在的平面形成不同夹角，调节圆锥滚子轴承内圈的外端面上设有开口卡环，开口卡环与球头上的卡槽配合，实现叶片角度的固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明能实现转子系统叶片组的倾角调节，最大可倾斜39°，其最小可调节的倾斜角度为7°，可对叶片组因突加外部激励产生的轴向倾斜故障展开有效诊断。

2、本发明结合大减速比设计和半球形齿轮传动方法，实现了叶片组自旋角度最小为3°的在线调节方式，相比其他直接利用电机转速输出作为动力进行自旋角度调节的装置而言，本发明对透平机械叶片组自旋角度的调节更加精准，有利于研究叶片组装配微小自旋角度动态变化与转子系统气动性能之间的内在关联。

3、本发明的叶片调节装置独立驱动，可实现叶片组自旋角度的同步调节，也可根据实际需求实现一级转子和二级转子的叶片组自旋角度的任意组合调节，拓宽了应用范围，更符合工程实际需要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的叶片倾角调节装置示意图。

图1中：1为通电滑环、2为刹车电机、3为电机连接座、4为联轴器、5为支承深沟球轴承、6为一级转子、7为柔轮、8为钢性凸轮、9为柔性轴承、10为内齿圈、11为减速半球形齿轮、12为调节半球形齿轮、13为倾角调节装置、14为叶片、15为套筒、16为中介深沟球轴承、17为二级转子、19为从动带轮、20为胀紧套、21为同步带、22为主动带轮、23为交流变频电机、24为一级叶片轴、25为减速轴。

图2中：13-1为调节圆锥滚子轴承、13-2为开口卡环、13-3为球头、13-4为卡槽、13-5为端盖。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括两个刹车电机、转子、转子驱动机构及叶片轴；所述的转子包括一级转子6和二级转子17，一级转子6和二级转子17同轴，且相对的一端通过螺栓连接，转子为筒状结构。所述的转子的两端分别设有一个电机连接座3，两个电机连接座3内分别设有一个刹车电机2，两个刹车电机2分别与两个通电滑环1电连接，由通电滑环1供电。两个刹车电机2的输出轴分别通过联轴器4连接一个减速轴25。减速轴25上设有刚性凸轮8，刚性凸轮8与减速轴25过盈配合，且通过轴肩轴向定位。两个电机连接座3通过螺栓与柔轮7连接，柔轮7朝向刚性凸轮8端设有外齿圈，外齿圈位于刚性凸轮8外侧，外齿圈与刚性凸轮8之间设有柔性轴承9，柔性轴承9采用的是薄壁深沟球轴承。所述的一级转子6和二级转子17内分别设有一叶片轴24，叶片轴24的一端通过支承深沟球轴承5安装在减速轴25的一端，叶片轴24的另一端通过中介深沟球轴承16支撑在转子内。一级转子6和二级转子17上分别设有一组叶片14；每组叶片14的多个叶片位于同一平面内，叶片通过倾角调节装置13安装在转子上。每个叶片安装有一个调节半球形齿轮12，所述的叶片轴24上分别设有一个与相对应的一级转子6或二级转子17上的叶片组的调节半球形齿轮12啮合的减速半球形齿轮11。减速半球形齿轮11的端面上固定安装有一个内齿圈10，内齿圈10与相对应的电机连接座3上的柔轮7的外齿圈啮合。

所述的转子驱动机构包括交流变频电机23、主动带轮22、从动带轮19、同步带21及胀紧套20；所述的主动带轮22安装在驱动电机23的输出轴上，从动带轮19通过胀紧套20安装在转子上，主动带轮22通过同步带21与从动带轮19连接。交流变频23启动，能够通过同步带21带动转子转动。

如图2所示，所述的倾角调节装置13包括调节圆锥滚子轴承13-1、开口卡环13-2、球头13-3、卡槽13-4及端盖13-5；所述的转子在叶片14安装处设有圆形通孔，所述的端盖13-5盖在圆形通孔外端，叶片从端盖13-5的中心孔伸出。调节圆锥滚子轴承13-1安装在圆形通孔内，调节圆锥滚子轴承13-1的内圈的内壁为球面，球面与球头13-3配合形成球铰结构。所述的球头13-3安装在叶片14上，球头13-3上设有多个环形的卡槽13-4，多个环形的卡槽13-4所在的平面与调节圆锥滚子轴承13-1所在的平面形成不同夹角，调节圆锥滚子轴承13-1内圈的外端面上设有开口卡环13-2，开口卡环13-2与球头13-3上的一卡槽配合，实现叶片14角度的固定，与不同的卡槽13-4配合，实现叶片14的与转子轴线的夹角的调节。

本发明具体操作时，首先根据实际需要改变开口卡环13-2和环形卡槽13-4的相对位置实现叶片倾斜，然后启动交流变频电机23带动一级转子6和二级转子17旋转，刹车电机2保持刹车状态，调整叶片自旋角度时，根据下式计算出刹车电机2的转动时间：

；式中：α为叶片14自旋角度，n为刹车电机2的转速，i34为减速半球形齿轮11和调节半球形齿轮12的传动比；i12为柔轮7的外齿圈和内齿圈10的传动比。

调整结束后对刹车电机2发出指令再次保持刹车状态，保证叶片14以调整后的角度稳定可靠运行。如果一级转子和二级转子上的叶片的自旋角度相同，则可实现一级转子和二级转子上的叶片14自旋角度的同步调节，如果不一致，则可实现一级转子和二级转子上的叶片自旋角度的任意组合调节。

下面以一具体实例说明：减速半球形齿轮11齿数为z3=30，调节半球形齿轮12齿数为z4=20，两者相对位置系数d=1.667，减速半球形齿轮11和调节半球形齿轮12的传动比定为；柔轮7的外齿圈的齿数为z1=478，内齿圈10的齿数为z2=480，柔轮7的外齿圈和内齿圈10的传动比为，刹车电机2转速为n=100r/min，若要实现一级转子的叶片14每次自旋角度为3°，计算可得刹车电机2转动时间t为3s。