一种精准可调的主动间隙控制阀门装置的制作方法

1.本技术涉及高压涡轮(简称为“hpt”)的主动间隙控制(简称为“acc”)系统的领域，更具体而言，涉及在设计高压涡轮的主动间隙控制系统时的空气流量特性试验阶段中使用的一种精准可调的主动间隙控制阀门装置。


背景技术：

2.随着航空器的飞行速度越来越快，对其动力系统的要求也越来越高。大家都在追求高可靠性、长使用寿命、低油耗和性能优异的航空发动机。研究已经表明，转子叶片的叶尖间隙大小对压气机和涡轮的性能产生重大影响，特别是对于高压涡轮部件来说，减小转子叶片的叶尖间隙获得的性能提升尤为明显。
3.因此，已经提出一种叶尖间隙的主动控制机制，即“active clearance control”，简称为“acc”机制，该主动间隙控制机制针对由于温度变化造成的涡轮动叶叶尖与涡轮外环内壁之间的径向间隙提供了相应的控制技术与结构。
4.这种acc机制主要采用基于涡轮机匣的可控热变形来实现涡轮叶尖间隙的主动控制，一般需要从风扇或压气机通过主动间隙控制机制中的控制阀门(为了简洁，在下文中统称为“acc控制阀门”)引出适当量的冷却空气来冲击冷却涡轮机匣，从而改变涡轮机匣的温度场，达到控制涡轮机匣变形的目标。这种基于可控热变形的acc系统的研制核心之一就是涡轮机匣的冷却供气和传热设计。也就是说如何使得通过控制阀门引入的冷却空气的量使得涡轮机匣的变形能够被控制成在与叶尖不会发生碰撞的前提下维持尽可能小的叶尖间隙的程度。要实现这一目的，就需要在设计该高压涡轮的主动间隙控制系统时，在空气流量特性试验阶段中通过反复调节acc控制阀门的开度来控制引气管中的气流流量以测量出该开度下叶尖间隙的变化规律。
5.例如，常规的高压涡轮主动间隙控制系统综合管路流量特性的一组试验过程可包括：1)将冷却气流引入引气管；2)在流经acc控制阀门时通过调节阀门的开启角度(简称为“开度”)来调节气流的流量；3)通过引气管路和冷却管路使得冷却气流冲击涡轮机匣的特定部分；3)将使用后的冷却气流从冷却管上的冲击孔中直接排出到大气中。
6.在每组试验中，通过不断改变阀门的开度，从而改变节流孔板的内径、气流进口的压力，随后，测量并记录在特定节流条件下的不同压比和在不同阀门开度下的气流流量。这种阀门调节可能要重复几十、几百次甚至几千次。并且，每次阀门的开度调节都必须具有非常高的精度才能获得真实有效的叶尖间隙数据。
7.但是，在现有的试验过程中，阀门的控制通常采用手动工装调节方式，存在调节速度慢，角度调节误差大等缺点。
8.在其他现有技术中，也有人尝试通过电动控制来控制阀门的开启。例如，在图1中示出了一种现有的高压涡轮主动间隙控制系统综合管路的示例的电路框图。在该框图中，通过供气管路上的一台电动蝶阀来实现对冷却气体流量的适时控制。电动蝶阀的调节精度为
±
1％，在试验时，电动蝶阀接受来自计算机的控制指令，调节所连接的阀门的开度大小
以控制通往机匣冲击冷却管路的空气流量。但是，虽然电动蝶阀相对手动调节方式来说要灵活方便许多，但其
±
1％的调节精度还是难以满足叶尖间隙最小化的要求，可能导致设计出来的高压涡轮主动间隙控制系统存在发生叶尖和涡轮机匣碰撞的潜在危险，或叶尖间隙过大的问题。
9.因此，存在一种需求，希望能够提供一种能够提高高压涡轮主动间隙控制系统综合管路流量特性试验过程中的acc控制阀门的开度精度的主动间隙控制阀门装置，使得其能够准确地将控制阀门调整到预期的开度位置。


技术实现要素：

10.本技术涉及一种能够精准可调地控制高压涡轮的acc控制阀门开度的主动间隙控制阀门装置。
11.根据本技术的第一方面，提供了一种本技术涉及一种主动间隙控制阀门装置，包括：被配置为为控制器、驱动器和伺服电机提供功率的电源；控制器，被配置为根据控制参数生成控制指令并将所述控制指令传送给驱动器；驱动器，被配置为根据所述控制指令与伺服电机协同工作；伺服电机，被配置为在所述驱动器的协同控制下控制转接装置的转动；转接装置，被配置为一端与所述伺服电机的输出端口联动，而另一端则与acc控制阀门配套耦合；以及acc控制阀门，被配置为借助于所述转接装置的传动作用，在所述驱动器和所述伺服电机的协同工作下调节所述acc控制阀门的开度。
12.提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
附图说明
13.为了描述可获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将通过参考附图中示出的本发明的具体实施例来呈现以上简要描述的本发明的更具体描述。可以理解，这些附图只描绘了本发明的各典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图并利用附加特征和细节来描述和解释本发明，在附图中：
14.图1示出了一种现有的高压涡轮主动间隙控制系统综合管路的示例电路框图。
15.图2示出了根据本技术的一个实施例的一种主动间隙控制阀门装置的示意结构框图。
16.图3示出了示出了根据本技术的一个实施例的转接装置的示意结构图。
具体实施方式
17.在本技术中，提供了一种新颖的主动间隙控制阀门装置，该装置能够精准可调地控制高压涡轮主动间隙控制系统综合管路流量特性试验过程中的acc控制阀门的开度，解决了目前国内试验中对于不同阀门开度采用手动工装或电动蝶阀调节方式而导致的调节速度慢、角度调节误差大等缺点。
18.概括来说，本方案根据航空发动机的acc控制阀门端的六角螺母设计合适尺寸的连接转接头，该转接头可以为普通不锈钢(304)材料，形状为圆柱形，一端与acc控制阀门端
的六角螺母相配套耦合，另一端为例如键槽结构以与伺服电机的输出端口(键相)联动。通过u型固定装置将伺服电机固定在一个可升降的台面上，从而可达到稳定安装伺服电机的目的。运行时，通过控制器编程，预先将伺服电机输出轴的转动角度设置为例如每5度一个转动角度，伺服电机输出轴通过与之连接的转接头带动六角螺母转动，进而使得acc控制阀门的开度改变为每5度一个转动角度。
19.与现有的控制acc控制阀门开度的方案相比，本方案存在下述优点：
20.1)提供了阀门开度精准控制的方法，解决了手动调节阀门精度不准确的问题；
21.2)该方法解决了试验效率低下的问题，无需暂停试验就能直接调节伺服电机来控制阀门开度。
22.图2示出了根据本技术的一个实施例的一种主动间隙控制阀门装置的示意结构框图。
23.如图所示，所述主动间隙控制阀门装置可以主要由电源1、控制器2、驱动器3、伺服电机4、u型伺服电机固定装置5、转接装置6、acc控制阀门7以及可升降的台面8等部件组成。
24.电源1为控制器2、驱动器3和伺服电机4提供驱动功率(例如24v)的电源。
25.控制器2提供可编程界面以及相应的编程按键，以允许操作人员通过所述界面和按键对控制参数进行调整。并且，控制器2还可将调整后的相关控制指令转送给驱动器3。
26.驱动器3接收到来自控制器2的控制指令后，与伺服电机4一起配套工作。具体而言，驱动器3是控制伺服电机4的一种控制器，能够提供高精度的定位。
27.伺服电机4是一种用于控制机械元件运转的发动机，在本方案中，伺服电机4在驱动器3的协同控制下被用于控制转接装置6的转动。伺服电机的工作原理是：通过控制脉冲个数，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，同时驱动器3也会接收到反馈回来的信号，和伺服电机4接收的脉冲形成比较，这样系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机4，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。在所述驱动器3的协同操作下，所述伺服电机4能够实现精度极高的定位，使得试验误差减小到最小程度。
28.u型伺服电机固定装置5为伺服电机4提供安装固定结构，使得其被固定在可升降的台面8上。
29.如图3所示，示出了根据本技术的一个实施例的转接装置6的示意结构图。转接装置6的一端设计有键槽，所述键槽与所述伺服电机4的键相相匹配，从而允许转接装置6随伺服电机4的旋转而旋转。应理解，所述键槽和键相结构仅仅是转接装置6与伺服电机联动的一种方式，在这里仅仅是举例说明，而非进行限制。实际上，其他能够提供联动的方式结构也适用于本发明。
30.而转接装置6的另外一端与acc控制阀门7的阀外螺母(例如三角、四角或六角形式的螺母)相配套。例如，该端可以被设计成一个六角凹槽，恰好与acc控制阀门7的六角螺母齿合。由于转接装置6不能轴向运动且伺服电机4固定于可升降的台面8上，因此，当伺服电机4旋转时，导致转接装置6随之旋转，并通过六角螺母带动acc控制阀门7随之进行周向运动，从而调节阀门开度。这样，利用所述转接装置6作为伺服电机4与acc控制阀门7之间的传动桥梁，使得具有精确定位特性的伺服电机4能够被用于控制acc控制阀门7的开度，从而实现了对acc控制阀门开度的精准控制。应该理解，虽然在此采用了阀门阀外螺母形式与转接
装置相连，但这仅仅是举例说明，而非进行限制。实际上，也可以采用其他联动方式来使得转接装置6的旋转能够带动阀门周向运动。
31.所述转接装置6可以由圆柱形的金属材料制成，例如由304不锈钢材料制成的圆柱形转接头，所述材料还可以是碳素钢、合金钢等等。
32.acc控制阀门7，其被配置为借助于所述转接装置的传动作用，在所述驱动器和所述伺服电机的协同工作下实现所述阀门的开度的精确调节。
33.可升降的台面8为上述的电源1、控制器2、驱动器3、伺服电机4、u型伺服电机固定装置5和转接装置6提供支撑和高度调整。
34.基于以上的主动间隙控制阀门装置的设计，首先，本方案可以通过记录伺服电机的运转来确定阀门的状态。具体地，控制器对伺服电机进行标定并记录伺服电机的状态数据，并将伺服电机的相关的状态数据整理为阀门的工况数据。
35.所述确定阀门的状态的流程的具体步骤包括：对伺服电机机型标定，获得伺服电机当前的状态参数；将伺服电机当前的状态参数转化得到阀门当前开度和阀门当前运行状态。
36.其次，可以利用伺服电机的高精度旋转定位的特性通过转接装置将其应用到acc控制阀门的开度控制，以实现阀门开度的精准控制。
37.所述控制流程的具体操作步骤包括：依据试验需要按照驱动器说明设置好控制器的控制参数(例如试验需要每次转动5
°
，设置好控制器的相关参数以生成每次转动5
°
的指令)，操作控制器旋转伺服电机至指定角度，从而通过转接装置带动acc控制阀门旋转到指定角度，从而实现了管路空气流量的精准控制。这样，不仅大大提高了试验操作过程的精度，避免人为操作的误差，同时也能避免因误差导致试验重复进行，大大提高了试验的效率。
38.虽然以上描述了不同的实施例，但应当理解的是它们只是作为示例而非限制。(诸)相关领域的技术人员将领会，在不偏离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
39.附图标记说明
40.1电源
41.2控制器
42.3驱动器
43.4伺服电机
44.5u型伺服电机固定装置
45.6转接装置
46.7acc控制阀门
47.8可升降的台面