CN108019242A - 基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，由封装、电极板、绝缘层、预拉伸记忆合金丝束、操作杆、限位滚轮、挡板，弹簧、外机匣与内机匣等组成；电极板、预拉伸形状记忆合金束、操作杆、挡板和弹簧构成主要叶尖间隙控制组件；其中封装、电极板、绝缘层、操作杆、挡板和弹簧等保持同轴并通过封装与外机匣连接支撑，操作杆与内机匣连接限位滚轮与上述结构轴线垂直；本发明利用温控形状记忆合金形状记忆效应这一特性，将预拉伸形状记忆合金丝连接在航空发动机叶尖间隙作动装置上，对其采用合适的电流加热使其产生回复力带动作动装置上移，快速调节叶尖间隙，实现航空发动机叶尖间隙的主动控制。

Description

基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置

技术领域

本发明提供一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，更确切地说是一种通过形状记忆合金丝的形状记忆效应实现航空发动机叶尖间隙主动控制的新型控制装置，属于航空发动机控制领域。

技术背景

转静子***是航空发动机核心部件，工作时受到机械载荷、气动载荷、热载荷等多场载荷作用，工作环境十分恶劣。如结构的变形与振动过大，将导致转静子相对位移超过两者的安装间隙，转静子会发生碰撞和摩擦，即转静子碰摩故障。由于航空发动机工作时转速极高，一旦发生碰摩故障将导致严重事故，甚至危害飞行安全。为避免此类事故发生，现阶段多数发动机只能在设计中为叶片和机匣留有足够大的间隙裕度，但随之而来的后果是涡轮及整机效率显著降低，燃油消耗率增大，NOx、CO和CO₂等有害气体排放增加，发动机排气温度升高从而发动机寿命降低。因此，各种间隙控制技术尤其是主动间隙控制技术被视为航空发动机的关键技术，国内外航空发动机研究和设计机构投入大量资源对其进行研究。截至目前，已有的主动间隙控制方法响应速度缓慢，并且不能在转静子碰摩发生时消除碰摩故障。

本发明提出的一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，利用形状记忆合金丝的形状记忆效应、受热后的大变形回复能力及快速响应特性，设计了一种叶尖间隙调节装置，能够实现对航空发动机转静子间隙快速主动控制，很好地解决了上述问题。

发明内容

1、本发明的目的

针对航空发动机转静子***工作环境恶劣，结构产生的大变形会导致转静子碰摩故障发生的问题，提出了一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置。该装置利用具有预拉应变的温控形状记忆合金丝在电流加热过程中产生的回复力及快速响应特性，驱动作动杆运动以控制叶尖间隙大小，实现对航空发动机叶尖间隙的主动控制。

2、技术方案

本发明一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，由封装、电极板、绝缘层、预拉伸记忆合金丝束、操作杆、限位滚轮、挡板，弹簧、外机匣与内机匣等组成；它们之间的关系是：电极板、预拉伸形状记忆合金束、操作杆、挡板和弹簧构成主要叶尖间隙控制组件；其中封装、电极板、绝缘层、操作杆、挡板和弹簧等保持同轴并通过封装与外机匣连接支撑，操作杆与内机匣连接限位滚轮与上述结构轴线垂直。

所述封装，其构造是一空心圆柱体，且该空心圆柱体的底部两侧焊接两耳片；它使用高温合金管材加工；该呈空心圆柱体的封装，其内、外径大小分别为70mm和76mm，高为150mm；该封装的底部两侧的耳片，其长、宽、高分别为10mm、10mm、2mm；该封装的底部两耳片与外机匣用螺栓连接固定，顶部密封；

所述电极板有两个，使用高温合金板材加工；该电极板呈圆饼状，其直径40mm，厚3mm；在该电极板上打若干个直径为1-2mm圆形通孔，两电极板的上下两面通过螺栓和操作杆、封装和与记忆合金丝束两端连接；

所述绝缘层布置在两电极板与操作杆和封装连接处；

所述预拉伸形状记忆合金丝束具有形状记忆效应并经过预拉伸处理；

所述操作杆为高温合金材料加工成的实心圆柱结构，挡板与其焊接；操作杆将电极板和内机匣连接起来；

所述限位滚轮为高温合金材料加工成的空心柱体结构，顶部嵌有一滚轮；柱体内外径分别为10mm和12mm，长为30mm；实心滚轮外径为6mm，厚度为2mm；它与操作杆通过螺纹连接，在操作杆上每隔120°布置一个限位滚轮，共三个围成一圈。

所述弹簧是高温合金加工成的圆柱压簧，线径1.5mm，高为25mm，内径28mm；它固定在挡板和外机匣之间；

所述外机匣与内机匣指的是航空发动机双层机匣的内外机匣结构。

本发明利用温控形状记忆合金形状记忆效应这一特性，将预拉伸形状记忆合金丝连接在航空发动机叶尖间隙作动装置上，对其采用合适的电流加热使其产生回复力带动作动装置上移，快速调节叶尖间隙，实现航空发动机叶尖间隙的主动控制。

3、本发明优点在于：

(1)本发明结构简单，利用记忆合金材料自身材料特性进行间隙控制，不需要更多复杂的动力装置；

(2)本发明设计的叶尖间隙调节装置功重比大，工作时无污染和噪音，驱动电压低；

(3)本发明设计的控制装置可以精确控制位移量的大小，并且能够快速响应消除碰摩故障，有利于提高整机的安全性。

附图说明

图1是本发明所述的航空发动机叶尖间隙主动控制装置示意图。

图2是本发明所述的航空发动机叶尖间隙主动控制装置封装轴侧视图。

图3是本发明所述的航空发动机叶尖间隙主动控制装置电极板轴侧视图。

图4是本发明所述的温控形状记忆合金形状记忆效应宏观示意图。

图5是本发明所述的航空发动机叶尖间隙主动控制装置工作流程图。

图6是本发明所述的航空发动机叶尖间隙主动控制装置限位滚轮主、左视图。

图6a是本发明所述的航空发动机叶尖间隙主动控制装置限位滚轮主视图。

图6b是本发明所述的航空发动机叶尖间隙主动控制装置限位滚轮左视图。

图中序号、符号、代号说明如下：

1为封装，2为电极板，3为绝缘层，4为预拉伸形状记忆合金丝束，5为操作杆，6为限位滚轮，7为挡板，8为弹簧，9为外机匣，10为内机匣；

11为封装空心柱体，12为封装耳片；

13圆形通孔，14为螺栓螺纹孔；

15为限位滚轮装置滚轮，16为限位滚轮装置柱体，17为限位滚轮外螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体说明。

本发明实施例的结构如图1所示。装置由封装1、电极板2、绝缘层3、预拉伸形状记忆合金丝束4、操作杆5、限位滚轮6、挡板7、弹簧8、外机匣9与内机匣10等组成。它们之间的关系是：电极板2、预拉伸记忆合金束4、操作杆5、挡板7和弹簧8构成主要叶尖间隙控制组件；其中封装1、电极板2、绝缘层3、操作杆5、挡板7和弹簧8等保持同轴并通过封装1与外机匣9连接支撑，操作杆5与内机匣10连接限位滚轮6与上述结构轴线垂直。

所述封装1，如图2所示。其形状构造是一封装空心柱体11，该柱体11的底部两侧焊接两封装耳片12。它使用镍基高温合金管材加工，该柱体11的内外径大小分别为70mm和76mm，高为150mm；该封装耳片12的长宽高分别为10mm、10mm、2mm。该封装1的底部两耳片12与外机匣9用螺栓连接固定，顶部密封。该封装1使得内部作动装置工作在密封条件下，内部气流和通电部件与外界隔离，保证作动装置正常工作。

所述电极板2使用镍基高温合金板材加工，呈圆饼状，如图3所示；其直径40mm，厚3mm；在该电极板2上打若干直径为1mm圆形通孔13，记忆合金丝束两端分别穿过两电极板2的圆形通孔13，将其缠绕螺栓螺杆一周后穿过螺栓螺纹孔14拧紧螺栓，这样记忆合金丝就被电极板2和螺栓头部压紧在中间以到达固定目的；

所述绝缘层3选用耐热等级为C级的云母或玻璃纤维，将其布置在两电极板2与操作杆5和封装1连接处，避免漏电导致加在记忆合金丝束4上的电流过小达不到预想工作效果，也可以保证航空发动机工作的安全性；

所述预拉伸形状记忆合金丝束4选取温控NiTi形状记忆合金丝，其具有形状记忆效应如图4所示，即将一定形状的记忆合金试样冷却到马氏体相变结束温度以下进行预变形，接着卸去载荷，变形被保留下来；之后，将变形试样加热到奥氏体相变开始温度以上，试样开始恢复变形前的形状，当加热到奥氏体相变开始温度时，试样完全恢复变形前的形状。本例将长度为10mm，线径为0.8mm的温控形状记忆合金丝束置于冰水中1分钟后将其置于沸水中1分钟，循环100次以稳定该记忆合金丝束材料特性；将该记忆合金丝束4置于室温条件下2分钟，后将其放在拉伸实验台上并用夹具固定夹紧，拉伸试样使其具有合适预拉伸应变。

所述操作杆5为镍基高温合金加工成的实心圆柱结构，柱体直径为26mm，高为70mm。挡板与其焊接，操作杆5将记忆合金丝束4和内机匣10连接起来，当电流加热记忆合金丝束4回复变形时，记忆合金丝束4会通过操作杆5带动内机匣10上移，整个控制工作流程如图5所示。

所述限位滚轮6为镍基高温合金加工成的空心柱体结构，如图6所示。顶部嵌有一滚轮15。柱体16内外直径分别为10mm和12mm，长为30mm；实心滚轮15外径为6mm，厚度为2mm。它与操作杆5通过外螺纹17连接，在操作杆5上每隔120°布置一个限位滚轮6，共三个围成一圈。端部与封装1的内壁接触，操作杆5上下移动时限位滚轮6与封装1的内壁形成滚动摩擦保证移动的精确性。

所述弹簧8是镍基高温合金加工成的圆柱压簧，线径1.5mm，高为25mm，内径28mm。它固定在挡板7和外机匣9之间，起到减振作用。

所述外机匣9与内机匣10指的是航空发动机双层机匣的内外机匣结构。

本发明利用温控形状记忆合金形状记忆效应这一特性，将预拉伸形状记忆合金丝连接在航空发动机叶尖间隙作动装置上，对其采用合适的电流加热使其产生回复力带动作动装置上移，快速调节叶尖间隙，实现航空发动机叶尖间隙的主动控制。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，其特征在于：由封装、电极板、绝缘层、预拉伸记忆合金丝束、操作杆、限位滚轮、挡板和弹簧组成；它们之间的关系是：电极板、预拉伸记忆合金束、操作杆、挡板和弹簧构成叶尖间隙控制组件；其中封装、电极板、绝缘层、操作杆、挡板和弹簧保持同轴并通过封装与外机匣连接支撑，限位滚轮与上述结构轴线垂直；

所述封装，其构造是一空心圆柱体，且该空心圆柱体的底部两侧焊接两耳片；它使用高温合金管材加工；该呈空心圆柱体封装的底部两耳片与外机匣用螺栓连接固定，顶部密封；

所述电极板有两个，使用高温合金板材加工；该电极板呈圆饼状，两电极板的上下两面通过螺栓和操作杆、封装和与记忆合金丝束两端连接；

所述绝缘层布置在两电极板与操作杆和封装连接处；

所述预拉伸形状记忆合金丝束具有形状记忆效应并经过预拉伸处理

所述操作杆为高温合金材料加工成的实心圆柱结构，挡板与其焊接；操作杆将电极板和内机匣连接起来；

所述弹簧是高温合金加工成的圆柱压簧，它固定在挡板和外机匣之间；

所述限位滚轮为高温合金材料加工成的空心柱体结构，顶部嵌有一滚轮；它与操作杆通过螺纹连接，在操作杆上每隔120°布置一个限位滚轮，共三个围成一圈；

本发明利用温控形状记忆合金形状记忆效应这一特性，将预拉伸形状记忆合金丝连接在航空发动机叶尖间隙作动装置上，对其采用合适的电流加热使其产生回复力带动作动装置上移，快速调节叶尖间隙，实现航空发动机叶尖间隙的主动控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，其特征在于：该呈空心圆柱体的封装，其内、外径大小分别为70mm和76mm，高为150mm；空心圆柱底部两侧耳片的长、宽、高分别为10mm、10mm、2mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，其特征在于：该呈圆饼状的电极板，其直径40mm，厚3mm；在该电极板上打预定个直径为1-2mm圆形螺纹孔。

4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，其特征在于：所述弹簧，其线径为1.5mm，高为25mm，内径28mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金丝的航空发动机叶尖间隙主动控制装置，其特征在于：所述空心柱体结构的限位滚轮，其柱体内外径分别为10mm和12mm，长为30mm；实心滚轮的外径为6mm，厚度为2mm。