CN202810959U - 主动间隙控制执行机构及包括该执行机构的控制*** - Google Patents

主动间隙控制执行机构及包括该执行机构的控制*** Download PDF

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白江涛
王克菲
王辉
范衍
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Abstract

本实用新型涉及主动间隙控制执行机构及包括该执行机构的控制***，属于发动机技术领域。该主动间隙控制执行机构适用于调节燃气涡轮发动机内的转子叶片叶尖和静子机匣之间的间隙，静子机匣包括内壳体、外壳体以及形成于内外壳体之间的环腔，其中环腔内设置有多个构成为气缸形式的执行机构，包括相对静子机匣固定的缸体以及相对缸体活动的柱塞杆，柱塞杆从缸体内穿过内壳体，柱塞杆位于缸体内的一端具有封严缸体的柱塞，其位于内壳体内侧的另一端具有密封片，复位弹簧套设于柱塞杆上并与柱塞和缸体底部相抵。该机构响应速度快，结构简单，密封片的移动有很好的线性，能很精确实现间隙控制。

Description

主动间隙控制执行机构及包括该执行机构的控制***
技术领域
本实用新型总地涉及航空发动机技术，更具体地涉及航空发动机的主动间隙控制执行机构。 
背景技术
在现有技术中，由于燃气涡轮发动机转子叶片的叶尖与静子机匣之间存在一定的间隙，在叶片前后压力面与吸力面之间的压差作用下，燃气会发生泄露，从而影响发动机效率。当发动机处于不同的工作状态下时，叶尖间隙也不尽相同。主动间隙控制技术是通过热力式或机械式等手段来调节叶尖间隙，使叶尖间隙保持在合理的范围内，从而降低发动机的耗油率，提高效率。 
叶尖间隙与叶高之比每增加0.01，会引起压气机或涡轮效率降低约0.8％-1.2％，而效率降低1％则燃油消耗率增加约2％。而耗油率不仅影响发动机性能，同时也影响其全寿命费用，据美国GE公司对CF-50发动机的分析表明，压气机、涡轮叶片叶尖间隙引起的耗油率的损失约占总损失的67％。 
主动间隙控制的热力式手段是通过控制机匣的热变形，将叶片与机匣之间的间隙控制在较为合适的值内。常见的叶轮机械主动间隙控制是采用风扇或者压气机出口的气体，冲击在涡轮机匣上，并通过一个逻辑控制***保证发动机在工作中保持最佳的叶尖间隙。具体控制策略是：当巡航时，由风扇出口或者高压压气机中间级气体对涡轮机匣进行冷却，以控制叶尖间隙在较小值以提高涡轮效率；当起飞时，由高压压气机出口空气对涡轮机匣进行加热，扩大涡轮叶尖间隙在合适的安全范围之内。 
然而，上述发动机主动间隙控制***存在如下缺陷：由于采用 气体来冷却或加热机匣，因而耗费气体导致推力损失大；另外，引气管的布置致使该控制***重量较大，从而引起发动机的重量和耗油加大的问题。 
实用新型内容
因此，提供一种响应速度快且结构简单的新型的主动间隙控制执行机构将是有利的。 
为此，根据本实用新型的一个方面，提供一种主动间隙控制执行机构，适用于调节燃气涡轮发动机内的转子叶片叶尖和静子机匣之间的间隙，所述静子机匣包括内壳体、外壳体以及形成于内外壳体之间的环腔，其特征在于，所述环腔内设置有多个执行机构，所述执行机构构成为气缸形式，包括相对所述静子机匣固定的缸体以及相对所述缸体活动的柱塞杆，所述柱塞杆从所述缸体内穿过所述内壳体，所述柱塞杆位于所述缸体内的一端具有封严所述缸体的柱塞，其位于所述内壳体内侧的另一端具有密封片，复位弹簧套设于所述柱塞杆上并与所述柱塞和所述缸体底部相抵。 
优选地，当环腔内的气流量增大到第一预定值时，气流施加到所述柱塞上的压力克服所述复位弹簧的弹力从而推动所述柱塞杆并带动所述密封片朝向所述叶片叶尖移动，这时所述间隙减小；当气流量减小到第二预定值时，所述复位弹簧的弹力克服气流施加到所述柱塞上的压力从而推动所述柱塞杆并带动所述密封片远离所述叶片叶尖移动，这时所述间隙增大。 
优选地，所述执行机构的缸***于所述静子机匣的环腔内，并且一端固定于所述内壳体上，另一端向所述环腔内的气流敞开。 
优选地，所述复位弹簧的一端固定于所述缸体底部，另一端作为自由端抵靠在所述柱塞上。 
根据本实用新型的另一个方面，提供一种适用于调节燃气涡轮发动机内的转子叶片叶尖和静子机匣之间的间隙的控制***，其具有如上所述的主动间隙控制执行机构。 
本实用新型的特点是采用机械执行机构，该机械执行机构采用柱塞弹簧结构，通过控制柱塞腔里的空气压力来推动密封片的微小移动进而来控制间隙，该机构响应速度快，结构简单，密封片的移动有很好的线性，能很精确实现间隙控制。 
通过参考下面所描述的实施方式，本实用新型的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。 
附图说明
本实用新型的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件： 
图1是根据本实用新型的主动间隙控制执行机构的结构示意图； 
图2是图1中主动间隙控制执行机构的示意性局部放大图。 
具体实施方式
下面将结合附图来描述本实用新型的具体实施方式。 
如图1和图2所示，根据本实用新型优选实施方式的主动间隙控制执行机构适用于调节燃气涡轮发动机内的转子叶片叶尖(图未示)和静子机匣之间的间隙，其中该静子机匣包括外壳体1、内壳体2以及形成于内外壳体之间的环腔3。在该环腔3内设置有多个执行机构10，执行机构10构成为气缸形式。每个执行机构10包括相对静子机匣固定的缸体4以及相对缸体4活动的柱塞杆5，柱塞杆5从缸体4内穿过内壳体2。该执行机构的缸体4位于所述静子机匣的环腔3内，并且一端固定于内壳体2上，另一端向环腔3内的气流敞开。柱塞杆5位于缸体4内的一端具有封严缸体4的柱塞6，而位于内壳体2内侧的另一端具有密封片7，复位弹簧8套设于柱塞杆5上并与柱塞6和缸体4底部相抵。在本实施方式中，复位弹簧8的一端固定于缸体4的底部，另一端作为自由端抵靠在柱塞6上。 
当环腔3内的气流量增大到第一预定值时，气流施加到所述柱 塞6上的压力克服复位弹簧8的弹力从而推动柱塞杆5并带动密封片7朝向叶片叶尖移动，这时主动间隙减小；当气流量减小到第二预定值时，复位弹簧8的弹力克服气流施加到柱塞6上的压力从而推动柱塞杆5并带动密封片7远离叶片叶尖移动，这时主动间隙增大。 
根据本实用新型的另一个方面，提供一种适用于调节燃气涡轮发动机内的转子叶片叶尖和静子机匣之间的间隙的控制***，其具有上述的主动间隙控制执行机构10。该控制***优选还包括传感器和控制单元。传感器可以采用任何方式或构造的已知技术来感测转子叶片叶尖和静子机匣之间的间隙，并将感测到的间隙信号传送至控制单元。控制单元根据发动机所处的工作状态(例如巡航、起飞等)作出间隙过大或过小的判断：当间隙过大时，控制单元会发出指令控制气体排出阀门进一步打开，允许进入环腔3的气体流量增加，从而增大柱塞6上的压力来推动柱塞6移动使间隙变小；当间隙过小时，控制单元会发出指令控制气体排出阀门减小打开程度，从而使得进入环腔3的气体流量降低，从而使柱塞6上的压力变小，这样，复位弹簧8的弹力会使密封片7向上移(见附图)来增大间隙。总之，通过气体压力的控制和复位弹簧的作用力来实现主动间隙控制具有响应快、线性好、控制精确的优点。在本实施方式中，控制***对腔体3内气体流量的控制属于已知的技术，因此有关传感器、控制单元包括阀门等的布置和设计在此不再详细说明，当然，它们的布置和设计也不必局限于上面的描述，比如，传感器也可以用现有的其他感测气体流量信号的部件来代替。 
总之，使用根据本实用新型上述实施方式的主动间隙控制执行机构10的控制***，可以在诸多方面得到改善：1)由于执行机构采用机械结构，响应速度比热响应法快；2)由于可以快速地进行叶尖间隙的主动控制，因此可以有效避免叶片顶部和机匣的摩损，提高可靠性的同时，还可延长发动机的使用寿命。 
本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解， 在本实用新型的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本实用新型所涉及的技术领域内，并落入本实用新型权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本实用新型的范围。 

Claims (5)

1.一种主动间隙控制执行机构，适用于调节燃气涡轮发动机内的转子叶片叶尖和静子机匣之间的间隙，所述静子机匣包括内壳体、外壳体以及形成于内外壳体之间的环腔，其特征在于，所述环腔内设置有多个执行机构，所述执行机构构成为气缸形式，包括相对所述静子机匣固定的缸体以及相对所述缸体活动的柱塞杆，所述柱塞杆从所述缸体内穿过所述内壳体，所述柱塞杆位于所述缸体内的一端具有封严所述缸体的柱塞，其位于所述内壳体内侧的另一端具有密封片，复位弹簧套设于所述柱塞杆上并与所述柱塞和所述缸体底部相抵。
2.如权利要求1所述的主动间隙控制执行机构，其特征在于，当环腔内的气流量增大到第一预定值时，气流施加到所述柱塞上的压力克服所述复位弹簧的弹力从而推动所述柱塞杆并带动所述密封片朝向所述叶片叶尖移动，这时所述间隙减小；当气流量减小到第二预定值时，所述复位弹簧的弹力克服气流施加到所述柱塞上的压力从而推动所述柱塞杆并带动所述密封片远离所述叶片叶尖移动，这时所述间隙增大。
3.如权利要求2所述的主动间隙控制执行机构，其特征在于，所述执行机构的缸***于所述静子机匣的环腔内，并且一端固定于所述内壳体上，另一端向所述环腔内的气流敞开。
4.如权利要求3所述的主动间隙控制执行机构，其特征在于，所述复位弹簧的一端固定于所述缸体底部，另一端作为自由端抵靠在所述柱塞上。
5.一种适用于调节燃气涡轮发动机内的转子叶片叶尖和静子机匣之间的间隙的控制***，其特征在于，所述控制***具有如权利 要求1-4任一项所述的主动间隙控制执行机构。 
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