CN104564798A - 用于轴向涡轮机转子的压电阻尼*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩机或轴向涡轮机的转子，其包括振动阻尼***，所述振动阻尼***装配成圈状分布并连接到消耗谐振电路(36)的压电换能器(28)。所述电路是闭合的，并且装配有电阻器和线圈。所述压电换能器(28)分成两组交替的换能器，每组连接到无源RLC电路。为了确保其电容和电流的集合，所述压电换能器(28)并联连接。在操作过程中，所述转子经受转动激励并很可能根据具有变形波(30)的带直径的模态振型而振动和变形。换能器的数目等于模式的直径数目的四倍，以便能够利用这种具有直径的模式的对称性。以相同方式变形的压电换能器(28)的分组使得可用由此集合的相同装置阻尼所述压电换能器。

Description

用于轴向涡轮机转子的压电阻尼***

技术领域

本发明涉及一种轴向涡轮机转子。更具体地，本发明涉及一种用于阻尼轴向涡轮机转子的振动的***。更具体地，本发明涉及一种用于以消耗电路阻尼轴向涡轮机转子的叶轮的振动的***。

背景技术

在操作期间，环形异质流(annular heterogeneous flow)穿过轴向涡轮机。事实上，位于轴向均匀流中的任何物体会在其周围环境中产生气动压力的变化，从而使所述流不均匀。其中，这些物体可以是叶片、壳体支柱或可变排放门。

当叶片转子的叶片在具有这种周向异质性的环状流中转动时，压力的每个突然变化会被认为是点状激励。与给定旋转速度相关联的在360°范围内的激励数目导致特定的激励频率。如果其对应于转子的固有频率，则转子会根据由一定数量的波节直径构成的特定变形模式产生共振。

当叶片转子轮在特定变形模式范围内产生共振时，会产生增加的振动水平。例如在整体叶盘或一体式叶鼓的情况下，结构的固有阻尼水平越弱，这些振动水平会越大。由于这些振动水平与高应力状态相关联，这会显著降低结构的疲劳寿命并可能导致结构损坏，所以要避免这样的振动水平。在这种情况下，为了确保叶轮的耐疲劳性，不可避免地要使用阻尼设备。

在可设想用于经受直径变形的叶片涡轮机转子轮的阻尼设备中，压电分流***代表了一种有趣的方案。所形成的是连接到消耗电路的压电片。

文献JP19960861295公开了一种叶片转子，借助分布在所述转子周界范围内的压电片来减少所述叶片转子的振动。每个片连接到包括消耗电阻器的闭合电路。操作原理在于变形存在于压电片的相同位置，一旦变形，所述压电片便产生由所连接的电路的电阻器消耗的电流。该阻尼方法使得可减少转子的振动，并且对每个频率带来相同的功效。然而，对于具有强振幅的振动，该阻尼方法是无效的。该***还涉及为每个闭合电路提供部件，从而增加了质量和成本。用于装配各电路所需的空间是不利的。

发明内容

技术问题

本发明的一个目的是克服现有技术所提出的问题中的至少一个。本发明的目的是改进用于阻尼轴向涡轮机转子的振动的***的功效，该振动呈现具有静止或转动直径的模式。本发明的另一目的是提出一种用于阻尼涡轮机转子的振动的***，所述***在高频时能够与在低频时同样有效。本发明的另一目的是减少用于阻尼涡轮机转子的振动的***的重量。

技术方案

本发明涉及一种转子，尤其是压缩机的转子，包括振动阻尼***，所述振动阻尼***包括成圈状地分布在所述转子上并连接到至少一个消耗电路的至少一组压电换能器，显著特征在于，压电换能器连接起来以集合(pool)消耗电路或消耗电路中的每个与并联连接的至少两个换能器的相应组，所述组的或每个组的换能器均匀地角分布在所述转子上。

所述压电换能器有利地布置成每个换能器能够在所讨论的换能器位置处跟随所述转子的变形而弯曲地变形。

根据本发明的有利实施例，所述转子能够在根据具有直径的模态振型(amodal shape with diameters)的振动下变形，所述组或每个组的压电换能器的数目等于所述模态振型的直径数目的两倍。

根据本发明的有利实施例，具有直径的模态振型基本上包括具有波节直径的两个正交变形波，在任何情况下，所述压电换能器角分布在两个变形波的两个相邻的波节直径之间。

术语“两个相邻的波节直径”意味着两个变形波的两个连续的波节直径。一个波节直径属于两个正交变形波中的一个，而另一个波节直径属于两个变形波中的另一个。

根据本发明的有利实施例，该阻尼***包括均与消耗电路中的相应一个并联连接的多组至少两个换能器，每个组的换能器的极性连接成当所述换能器在相同方向上变形时，所述换能器均在其相应消耗电路中产生具有相同符号的电流。

根据本发明的有利实施例，所述阻尼***仅包括连接到消耗电路的一组至少两个、优选至少四个换能器，所述组的换能器的极性连接成当所述换能器在相同方向上变形时，所述换能器均在所述消耗电路中产生具有相同符号的电流。

根据本发明的有利实施例，所述阻尼***包括两组至少两个换能器，所述组角偏移成所有组的所有换能器均匀地角分布在所述转子上。

根据本发明的有利实施例，所述转子能够在根据具有直径的模态振型的振动下变形，所述阻尼***包括两组压电换能器，两组压电换能器相对彼此以一小部分的回转(a fraction of revolution)而异相，所述一小部分的回转等于所述具有直径的模态振型的直径数目的四倍的倒数。

根据本发明的有利实施例，消耗电路或消耗电路中的至少一个包括至少一个感应器，以与并联连接的换能器形成谐振电路，所述消耗电路或消耗电路中的至少一个优选地基本上与对应组的压电换能器组合而形成闭合电路。

根据本发明的有利实施例，所述消耗电路或消耗电路中的至少一个没有外部电源。

根据本发明的有利实施例，所述转子具有至少一个谐振频率ω_R，所述消耗电路是阻尼电路，优选地是谐振电路，其中，所述消耗电路的阻尼频率ω_A等于要被阻尼的转子谐振频率ω_R。

根据本发明的有利实施例，所述转子是叶轮或叶鼓。

根据本发明的有利实施例，所述叶片一体地形成。

根据本发明的有利实施例，压电换能器的厚度表现为超过叶片厚度的5％、优选地30％、更优选地100％。

根据本发明的有利实施例，压电换能器中的至少一个布置在柱形表面或垂直于转子的旋转轴线的表面上，优选地位于气动流之外。

根据本发明的有利实施例，所述换能器布置成在由转子的弯曲移运导致的拉伸/压缩下变形，优选地跟随所述转子的壳体的弯曲变形。

本发明还涉及一种包括转子的涡轮机，显著的特征在于，所述转子根据本发明而形成，并且所述转子优选地是压缩机的转子或涡轮的转子。

根据本发明的有利实施例，在处于临界速度的操作期间，所述转子以根据具有直径的模式的谐振频率振动，每个组的压电换能器的数目大于或等于共振模式的直径数目的两倍，优选地等于直径数目的四倍。

有利地，所述压电换能器是完全相同的。

提供的优势

本发明使得可利用叶片转子轮在给定的具有直径的模式范围内的变形对称性。通过在360°范围内均匀地布置压电换能器，能够阻尼静止或转动的振动模式。

通过将压电换能器分成两组并且对其极性进行控制，可组合它们的电容。RLC电路的谐振频率由表示，电容的集合会产生增加的等效电容。因此，在相等频率时，电感值能够更低。

该消耗装置集合起来并用于许多压电换能器。整体功效得以增强，并且用于处理降低的频率的可能性得以改进。

附图说明

图1示出了根据本发明的轴向涡轮机。

图2是图1的涡轮机的低压压缩机的图示。

图3示出了根据本发明的转子，所述转子根据具有两个正交波的带直径(在呈现的例子中有三个)模式而变形。

图4示出了根据本发明的振动阻尼***。

图5示出了根据本发明的用于消耗电能的电路。

具体实施方式

在下面的描述中，术语内部和外部指的是相对于轴向涡轮机的旋转轴线的位置。

图1示出了一种轴向涡轮机。在该特定情况下，所述涡轮机是涡轮风扇。涡轮风扇2包括第一压缩级(称为低压压缩机4)、第二压缩级(称为高压压缩机6)、燃烧室8和一个或多个涡轮级10。在操作期间，涡轮10的机械动力经由中心轴传输，并使两个压缩机4和6移动。减速传动装置可以增加或减小传输至压缩机的旋转速度。在另一实施例中，涡轮的不同级均能够经由同心轴连接到压缩机级。这些轴包括由定子叶片轮隔开的许多叶片转子轮。叶片转子轮绕其旋转轴线14的旋转由此使得可产生气流，并逐渐压缩所述气流直到进入燃烧室8的入口为止。

通常称作风扇16的入口通风器联接到转子12，并产生分为主要流(primary flow)18和二次流(secondary flow)20的气流，主要流180穿过上面提到的涡轮机的不同级，二次流20穿过沿机器长度的环形通道(部分地显示)，以在涡轮出口处与主要流会合。主要流18与二次流20是环形流并被引导通过涡轮机的壳体。

图2是例如图1的轴向涡轮机2的低压压缩机4的截面图。在此，可以看到风扇16的一部分以及主要流18和二次流20的分隔喙部(separationbeak)22。转子12包括若干转子叶片排24，例如三排。低压压缩机4包括若干定子叶片排26，例如四排。整流器与扇16或转子叶片排相关联，以调整所述气流，从而将所述流的速度转换成压力。

所述低压压缩机的转子部分具有通常称为鼓的柱形形式，转子叶片固定在转子部件上。它包括基本薄的外壁，其厚度一般可以小于8.00毫米，优选地小于5.00毫米，更优选地小于3.00毫米。转子12的壁可具有轴向地和/或径向地延伸的结构表面。根据本发明的一个替代例，所述转子可以具有一体式盘的形式，叶片位于一体式盘的圆周上。

其鼓和叶片可以由金属材料制成，例如钛或铝。它们还可以由复合材料制成。它们的尺寸做成承受一定水平的静态应力，所述静态应力可以由离心力、膨胀或压力产生。其鼓和叶片的尺寸还考虑到了由其振动响应产生的动态应力。

在操作期间，转子12会遭遇动态激励，动态激励的大部分由气动激励构成。作为响应，转子会振动。激励器或涡轮机的特定运行速度可以是振动源。涡轮机的结构可以将另一元件的振动传递到转子12。

其中，在其鼓和叶片上会观察到转子的振动。对应于在给定频率下的特定模态组成，所述振动使所述鼓的壁产生轴向和/或径向变形和/或周向变形。对于整体叶盘或一体式叶鼓，结构阻尼仍然很低。振动水平和因此的相关动态约束会成为问题。事实上，质量增益使得有必要将所述鼓/整体叶盘的壁变薄，从而降低其强度和刚性。

为了降低这些振动的振幅，转子12包括振动阻尼***，其基于使用连接到用于消耗电能的装置的压电换能器28。压电换能器28或压电片是包括压电材料的部件，压电材料能够将变形转换为电流。由此，可将机械能转换成电能。压电换能器被极化，并产生符号取决于其变形方向和其取向的电荷。压电换能器可以包括压电复合材料，例如AFC(活性纤维复合材料)。这种材料可以变形成允许压电换能器安装在曲面上。

为了不妨碍空气动力学轮廓，压电换能器28未定位在叶片上，而是定位在鼓12内部的可用表面上，在360°范围内均匀地分布。压电换能器可以植入转子12的柱形表面或径向表面上。所述转子可包括具有许多组压电换能器28的许多组件，它们均成圈状分布。

图3示出沿轴线14从前观看时的转子12。该图示出在相关联的谐振频率ω_R下，转子12的具有直径的模式或具有直径的模态振型。该具有直径的模态振型具有三个直径。具有直径的模态振型基本上包括两个变形波30，其中每一个也具有频率ω_R。变形波彼此正交。它们相对于转子12固定。变形波30的最大变形幅度相对彼此偏移。理论上，这些最大值是相等的。实际上，它们可以彼此不同。模态振型对应于两个正交变形波30的线性组合。

模态振型通过组成的振动波而在转子12上具体化。在实践中，激励相对于转子12转动。由于两个正交变形波30的组合，模态振型会使转子12翻转。

由于转子12的对称性，这些变形波30的相移为90°。它们均沿转子12的圆周产生相位变化。所述相位变化的点对应于振动节点，在振动节点，转子12不会经历与给定变形波相关的任何位移或任何变形。这些点在称为波节直径32的直径上排列，对于具有旋转对称性的转子12，均匀分布在360°范围内。。与变形波30相关联的波节直径32通过具有类似性质的线示出：具有布置成彼此接近的点的线用于变形波中的一个，而具有间隔更远的点的线用于变形波中的另一个。

所述模态振型还包括形状波节直径(shape nodal diameter)(未示出)。它包括与它的每一个形状正好同样多的直径。该形状的波节直径对应于变形波30相互抵消的位置。这些形状波节直径对应于转子12不会经历任何变形的点。由于所述模态振型使转子翻转，所以，形状波节直径也会转动。

在本发明中，使用的直径数目对应于模态振型的数目。模态振型的波节直径是那些在物理上观察到的直径。

基于完成的元计算和基于对结构的激励顺序(the orders of excitation)的了解，识别可激励的具有直径的模态振型。例如根据转子叶片的位置可确定波节直径32的位置。对于叶片对数目以及对于直径数目等于叶片数目的一半的模态振型，波节直径32的位置会在叶片之间。在这种情况下，模态振型还是静止的。当模态振型的直径数目小于叶片数目的一半时，模态振型会转动。

可以借助振动阻尼***执行对具有直径的模态振型的阻尼所述振动阻尼***包括第一组压电换能器28。它们必须根据波节直径32来定位，以使机电耦合最大化。它们定位在波节直径32之间。这使得可避免抵消所述换能器，因为在相反的情况下，同一压电换能器的两个区域会产生相反的电荷。因为它们不会变形，所以避免了波节区域。例如，在静止的模态振型的情况下，阻尼***可以包括数目等于直径数目的两倍的压电换能器28。

所述换能器均匀地分布在360°范围内，并且是相似的。它们刻划出与转子12同心的圆。由于变形波30是异相的，所以它们基本上顺次被第一组压电换能器28阻尼。所述第一组压电换能器28的组件物理地在至少半个圆周范围内延伸。

为了能有效地阻尼转动的模态振型，振动阻尼***包括第二组压电换能器28。第二组可以类似于第一组。第二组的压电换能器28布置在第一组的压电换能器之间。两组压电换能器28有利地均匀分布在同一圆的范围内。两组压电换能器28可以布置在轴向偏移的圆内和/或具有不同半径的圆内。总体上，阻尼***的压电换能器28是出现在谐振频率ω_R下的波节直径32的四倍。第二组的另一益处是，可避免波在第一组压电换能器28之间放大。

然而，对于静止模式，阻尼***所需要的压电换能器的数目是直径数目的两倍，对于转动模式，是直径数目的四倍，这是因为必须优选地阻尼两个静止正交模式。

为了确保对两个正交波的最优控制，因此，压电换能器28不能只定位在变形最大处。因此，每个压电换能器定位在变形波的每个方波(squaring)处。它们均占据变形方波的大部分。综合起来，各组压电换能器28实质上刻划出比它们能刻划的圆多20％、优选多50％、更优选多90％的圆。

这种类型的结构会永久地且以相同功效确保对两个正交模式以及由此的转动模式的控制。

图4示出配备有振动阻尼***的转子12，所述振动阻尼***基于使用分流的压电换能器。由于所述连接，本发明使得可限定出两组压电换能器28。每个压电换能器与其他组的两个压电换能器直接接界。

根据本发明，同一组的压电换能器28电互连。为了能够集合它们的电能，它们并联连接。然而，对于每个组，直接接界给定换能器“X”的两个换能器会在与所述换能器“X”相对的方向上具有弯曲形状。因此，一些换能器会经受拉伸而其他的会经受压缩，从而产生具有不同符号的电流。为了使由同一组中的每个换能器28提供的电流具有相同符号，两个接界的换能器的极性反向。这种反向可借助于电连接进行，或基于由换能器28包含的压电材料的自然极性而进行。

压电换能器28的组借助于连接装置34连接起来，所述连接装置可以包括线或转子12的结构元件。两个组的连接装置34可以重叠，并且有利地在交点或在其整个长度范围内电绝缘。电连接件35设置在专用于相同压电换能器28的连接装置34与集流器分支(collector branch)之间。后者可以在转子上刻划出圆。

为了消耗转子12的以机械形式存在的振动能量，每一组压电换能器28连接到用于消耗电能的共同电路36。这种连接方法使得可集合相同消耗电路36与多个压电换能器28。本发明利用具有直径的模式的对称性，其中各压电换能器28组对称地变形。每组压电换能器28相对于给定变形成为相干电源。

图5示出用于连接压电换能器28的电路。其形成闭合电路，并借助于消耗电路36产生压电换能器28的分路。消耗电路36包括用于以热的形式消耗能量的电阻器40以及具有闭合电路的谐振的感应器42，使得可以在电路中引导能量。感应器可以是线圈48，优选地是模拟线圈。应该注意的是，模拟线圈是无源(passive)的。

所述消耗电路可包括串联连接的多个电阻器。它还可包括串联连接的多个感应器。这些相同的部件可以集成在整体闭合电路中，例如在连接装置34处。遵守本发明的方法，连接装置34可以具有用于消耗能量的自然电阻。

压电换能器28的并联连接可以模拟具有电容C的电容器的并联连接，它们类似于具有等效电容的单个电容器作用在闭合电路上，并且等于独立电容的和，因为压电换能器28是并联连接的。

压电换能器28组、电阻器40和线圈42的组件形成谐振和阻尼RLC电路。其阻尼频率ω_A取决于电路的电容C和其电感L。该频率是所述电路有效地作为阻尼器的频率。

该频率等于：

${\mathrm{\ω}}_A=\frac{1}{2*\mathrm{\π}*\sqrt{L*C}}$ (以赫兹表示)

重要的振动水平在这样的运转速度下产生，对于所述运转速度，共振出现在结构的激励与自然模式之间。因此，在这些速度下，阻尼器的使用是十分重要的。

闭合电路的不同元件的尺寸的选择由匹配电路的谐振频率ω_A与要阻尼的临界模式的频率的需求控制。由此，转子12、压电换能器28和消耗电路36形成机电***，该机电***能够将机械能转换成电能，并且能将该机械能从叶片转子轮传送到消耗能量的电路。

本发明借助于分流电路便于阻尼低频自然模式，所述分流电路可以是完全无源的。事实上，在前面的公式中，电路的谐振频率以及由此的阻尼频率取决于电路的电容C。这个电容越大，对于给定频率所需的电感值越低。电感值越低，线圈尺寸越小，因此其可以容易地集成在机械结构中。实际上，与基于回转器原理的合成感应器相比，线圈完全的模拟元件。因此，本发明使完全无源的实施例成为可能。

对于具有N个直径的模式，压电换能器的数目是4N，其分布为连接到其专用的分流电路的两组2N个换能器。因此，对于给定的谐振频率，2N个换能器的并联连接使得使每个电路的感应器尺寸相对于阻尼***减小因数2N，在阻尼***中，每个换能器配备有感应器。此外，仅需提供两个感应器，而不是四个。，这再次对应于因数2N的减小。因此，总的来说，对于相同的功效，这种构造使得可将感应器的整体尺寸减小因数4N²。

Claims (15)

1.转子(12)，尤其是压缩机(4、6)的转子，包括振动阻尼***，所述振动阻尼***包括成圈状地分布在所述转子上并连接到至少一个消耗电路(36)的至少一组压电换能器(28)，

其特征在于，

所述压电换能器(28)连接起来以集合消耗电路(36)或消耗电路中的每个与并联连接的至少两个换能器的相应组，所述组或每个组的换能器(28)均匀地角分布在所述转子上。

2.根据权利要求1所述的转子(12)，其特征在于，所述转子能够在根据具有直径的模态振型的振动下变形，所述组或每个组的压电换能器(28)的数目等于所述模态振型的直径数目的两倍。

3.根据权利要求2所述的转子(12)，其特征在于，所述具有直径的模态振型基本上包括具有波节直径(32)的两个正交变形波(30)，在各情况下，所述压电换能器(28)角分布在两个变形波(30)的两个相邻的波节直径(32)之间。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述阻尼***包括均与所述消耗电路(36)中的相应一个并联连接的多组至少两个换能器(28)，每个组的换能器的极性连接成当所述换能器在相同方向上变形时，所述换能器(28)均在相应的消耗电路(36)中产生具有相同符号的电流。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述阻尼***仅包括连接到消耗电路(36)的一组至少两个、优选至少四个换能器(28)，所述组的换能器的极性连接成当所述换能器在相同方向上变形时，所述换能器(28)均在所述消耗电路(36)中产生具有相同符号的电流。

6.根据权利要求1至4的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述阻尼***包括两组至少两个换能器(28)，所述组角偏移成所有组中的所有换能器均匀地角分布在所述转子上。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述转子能够在根据具有直径的模态振型的振动下变形，所述阻尼***包括两组压电换能器(28)，所述两组压电换能器相对彼此以一小部分回转而异相，所述一小部分回转等于所述具有直径的模态振型的直径数目的四倍的倒数。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述消耗电路或消耗电路(36)中的至少一个包括至少一个感应器，以与并联连接的换能器形成谐振电路，所述消耗电路或消耗电路(36)中的至少一个优选地基本上与对应组的压电换能器(28)组合而形成闭合电路。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述消耗电路或消耗电路(36)中的至少一个没有外部电源。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述转子具有至少一个谐振频率ω_R，所述消耗电路(36)是阻尼电路，优选地是谐振电路，所述消耗电路的阻尼频率ω_A等于要被阻尼的转子(12)谐振频率ω_R。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述转子是叶轮或叶鼓。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述压电换能器(28)中的至少一个布置在柱形表面或垂直于所述转子的旋转轴线(14)的表面上，优选地位于气动流之外。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的转子(12)，其特征在于，所述换能器(28)布置成在由所述转子(12)的弯曲运动引起的拉伸/压缩下变形，优选地跟随所述转子的壳体的弯曲变形。

14.包括转子(12)的涡轮机(2)，其特征在于，所述转子(12)根据权利要求1至13中的任一项而形成，所述转子优选地是压缩机(4、6)或涡轮(10)的转子。

15.根据权利要求14所述的涡轮机(2)，其特征在于，在处于临界速度的操作期间，所述转子(12)以根据具有直径的模式的谐振频率振动，每个组的压电换能器(28)的数目大于或等于共振模式的直径(32)数目的两倍，优选地等于直径(32)数目的四倍。