一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件

1.本发明涉及的是一种实现导叶转角控制的试验件，具体地说是涡轮扇形叶栅试验件。


背景技术：

2.早在60年代后期，西方先进国家就已进行了用于超音速飞机的有关变循环发动机和变几何涡轮的研究，并相继获得了不少研究成果。变几何涡轮是变循环发动机的最主要部件之一。通过涡轮变几何来控制发动机的流量即推力，调节发动机工作点。在不同的飞行条件下，可改善最大推力状态的热力循环，增加推力；改善推进系统的流量匹配；改善发动机的起动加减速性；改善或调节各部件间的匹配关系。
3.船舶燃气轮机在其寿命期90％以上的时间都在部分负荷工况下运行，而非设计点运行会导致热力参数发生变化，进而导致耗油率急剧升高。国外尤其是美英等发达国家在船舶燃气轮机动力涡轮的气动设计中，由于采用了变几何涡轮技术，燃气轮机各部件之间的匹配关系得到了有效调节和优化,从而提高了整个机组的加减速特性和低工况性能。采用变几何涡轮技术，其主要原因就是在部分负荷工况下，只需关小可调导叶，使得导叶喉部面积减小，进而降低涡轮的流通能力和流量，从而在不降低或者略有降低涡轮进口燃气温度的条件下降低涡轮输出功率，而此时由于燃气轮机燃气初温仍然很高，因此燃气轮机效率可以保持在较高水平，经济性要高于定几何涡轮。
4.采用可调导叶的变几何涡轮方案虽然通过改变叶片安装角进而改变静叶喉部面积，控制涡轮流量，以此有效调节和优化燃气轮机各部件之间的匹配特性。然而，为了实现可调静叶自由转动，必须在可调静叶端部留有一定间隙并安装旋转轴。这使得可调静叶端部不仅存在着流体泄漏流动，并且还同时存在着旋转轴绕流等固有非稳态问题，直接影响端部涡系结构的产生和发展。为了研究可调导叶端区流场以及损失特性，采用导叶角度可调的扇形叶栅开展试验研究，试验机构要求可以实现导叶转角的高精度调节以及真实的叶片安装条件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供最大程度还原变几何涡轮可调导叶的真实安装情况，用于变几何涡轮导叶端壁间隙泄漏流动特性及损失控制研究的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.本发明一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：包括试验段轮缘、试验段轮毂前段、试验段轮毂后段、可调导叶转轴上半段、可调导叶转轴下半段，可调导叶转轴上半段安装上轴套，装配至试验段轮缘的安装孔中，可调导叶转轴下半段安装下轴套，试验段轮毂前段与试验段轮毂后段分别装配使用孔槽将转
轴固定，试验叶片安装布置在试验段轮缘与试验段轮毂前段和试验段轮毂后段之间的试验段流道。
8.本发明还可以包括：
9.1、还包括输出轴、主动圆柱齿轮、圆柱齿轮齿条，输出轴一侧连接减速电机的蜗轮蜗杆减速器，另一侧将主动圆柱齿轮装配至轴端，输出轴与主动圆柱齿轮之间设置第一平键，主动圆柱齿轮安装第一螺钉，第一螺钉外部套有第一轴端挡圈，紧固螺钉与轴端挡圈将圆柱齿轮固定在轴端。
10.2、可调导叶转轴上半段上设置键槽和螺纹孔，螺纹孔里安装第三螺钉，第三螺钉外部套有第二轴端挡圈，第三螺钉限制圆锥齿轮的径向位移，在可调导叶转轴下半段的端部加工出角度传感器配合槽，与角度传感器的测量轴配合连接测量试验叶片的转角变化。
11.3、还包括齿条连接件、圆锥齿轮齿条、齿条安装导轨、从动圆锥齿轮，圆柱齿轮齿条通过齿条连接件与圆锥齿轮齿条连接，通过第二螺钉紧固形成齿条组，装配在齿条安装导轨上，圆柱齿轮齿条与主动圆柱齿轮相啮合，从动圆锥齿轮装配在可调导叶转轴上半段上，通过装配在可调导叶转轴上半段的键槽里的第二平键传递扭矩。
12.4、还包括联动连杆、联动环、轴端连杆，圆柱齿轮齿条与联动环之间通过螺栓连接，装配在轮缘的导轨上，扭矩经过主动圆柱齿轮与圆柱齿轮齿条的啮合传递给联动环，联动连杆通过螺栓和轴套与联动环连接，轴端连杆与联动连杆通过螺栓和轴套连接，通过螺栓将轴端连杆固定在可调导叶转轴上半段。
13.5、采用霍尔角度传感器对试验叶片转角进行远程实时监测，监测误差不高于0.1
°
。
14.6、试验叶片可实现-20
°
到70
°
的角度调节，各个试验叶片之间的转角误差在0.1
°
以内。
15.7、联动环与联动连杆的连接点为a点，轴端连杆与联动连杆的连接点为b点，轴端连杆固定在可调导叶转轴上半段的轴端的端点为c点，轴端连杆的初始角度为α1，当联动环沿着导轨绕轮缘件转动时，a点位移x距离至a
′
点，同样在联动连杆上b点随之联动，位移至b
′
点，带动轴端连杆绕c点旋转，轴端连杆的角度变化为α2，试验叶片与轴端连杆固定，运动一致，从而实现试验叶片的转角变化，变化值δα＝α
2-α1。
16.本发明的优势在于：
17.1、试验段的叶栅子午通道设计成球面端壁，叶栅进出口与圆柱面端壁平滑过渡，保证叶片在叶栅通道内的旋转自由度以及保证了叶片与上下端壁之间间隙在各个位置恒定。
18.2、模块化设计，对于不同设计的涡轮与压气机可调导叶叶片叶栅试验仅需要更换试验段组件与试验叶片本身，其他部件结构依旧可以被安装使用，最大程度上节约试验成本。
19.3、使用蜗轮蜗杆减速电机和齿轮传动的组合，利用齿轮啮合传动的高精度以及大扭矩的特性，实现试验叶片转角的有效且高精度的调节，蜗轮蜗杆减速器中的自锁设计可以在试验过程中保持叶片攻角稳定。
20.4、霍尔角度传感器的应用，实现了导叶转角实时监测，能够远程操控转角变化，提高了试验的精准度。
附图说明
21.图1为实施方式一的试验可调导叶叶片装配图；
22.图2为实施方式一的齿轮齿条啮合传动装配图；
23.图3为实施方式一的正三轴测图；
24.图4为实施方式一的右视图；
25.图5a为实施方式一的ug模型运动仿真结果图(0-10秒)，图5b为实施方式一的ug模型运动仿真结果图(0-0.5秒)；
26.图6为实施方式二的正三轴测图；
27.图7为实施方式二的俯视图；
28.图8为实施方式二的连杆机构工作示意图；
29.图9为实施方式二的ug模型运动仿真结果图。
具体实施方式
30.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
31.结合图1-9，本发明为一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件：本发明包括试验段组件、齿轮传动机构、多个试验叶片、角度测量组件与电机驱动组件五个部分。其基本单元结构如图3、图4所示。
32.实施方式一
33.本发明主要用于变几何涡轮可调导叶的扇形叶栅试验。结合图1的叶片装配的子午截面剖视图，可调导叶转轴上半段6安装上轴套7，装配至试验段轮缘1的安装孔中；同时可调导叶转轴下半段9安装下轴套10，试验段轮毂前段2与试验段轮毂后段3分别装配使用孔槽将转轴固定，前后段使用螺栓连接紧固；试验叶片8最终安装布置在试验段流道，球面端壁设计，叶栅进出口与圆柱面端壁平滑过渡，保证叶片在叶栅通道内的旋转自由度以及保证了叶片与上下端壁之间间隙在各个位置恒定；控制试验叶片转动的圆锥齿轮通过平键与转轴上半段的键槽5连接，螺钉安装在螺纹孔4用来固定轴端挡圈进而限制圆锥齿轮的径向位移；在可调导叶转轴下半段9的端部加工出角度传感器配合槽11，用来与角度传感器的测量轴配合连接测量试验叶片8的转角变化。
34.传动机构由两种齿轮啮合组成，一种是传递两个平行轴间运动的圆柱齿轮；另一种用作两垂直轴的传动，可以选用圆锥齿轮，或是端面齿轮。使用圆锥齿轮方案解释说明该类传动方案，圆柱齿轮啮合将扭矩传递到调节环，调节环由从动圆柱齿轮与主动圆锥齿轮切割成合适大小后加上连接件装配得到，圆锥齿轮啮合将扭矩最终传递至试验叶片转轴。图2给出了齿轮齿条组装配图，输出轴12左侧连接减速电机的蜗轮蜗杆减速器，右侧将主动圆柱齿轮13装配至轴端，圆柱齿轮通过平键14传递扭矩，紧固螺钉16与轴端挡圈15将圆柱齿轮13固定在轴端；圆柱齿轮齿条17通过齿条连接件18与圆锥齿轮齿条20连接，使用螺钉19紧固形成齿条组，装配在齿条安装导轨22上；从动圆锥齿轮21装配在可调导叶转轴上半段6上，通过平键25传递扭矩，轴端处的紧固螺钉24与轴端挡圈23固定，最终形成圆锥齿轮齿条啮合，电机输出扭矩经过圆柱齿轮齿条啮合与圆锥齿轮齿条啮合传递给试验叶片实现转角的调整。
35.试验件整体装配如图3与图4所示，结合图3，蜗轮蜗杆减速器26通过螺钉固定在试
验段轮缘1顶部，主动圆柱齿轮13与圆柱齿轮齿条17啮合，圆柱齿轮齿条17连同齿条连接件18和圆锥齿轮齿条20安装在试验段轮缘顶部的导轨上，圆锥齿轮齿条20同时与九个从动锥齿轮21啮合，从动锥齿轮21又同时装配在各自的试验叶片轴端；九个试验叶片8装配在试验段轮缘1与试验段轮毂加上侧面挡板组成的试验段机匣内，其中试验段轮毂由两段组成(前段2与后段3)并通过螺栓连接固定。结合图4，角度传感器27安装在侧面叶片下端部，测量轴与配合槽连接，传感器本体通过安装法兰与试验段轮毂螺钉连接固定。
36.为了验证变几何涡轮可调导叶扇形叶栅试验件设计，将各个试验部件模型装配，采用ug进行运动仿真。轮缘轮毂件与角度传感器固定，主动圆柱齿轮与齿条组设置转动副，各个叶片与连接的锥齿轮设为同一运动，并且设置转动副。为了更好精准模拟齿轮组的传动精度，不使用齿轮副功能，而是设置各个啮合齿轮之间的3d接触。在叶片转动副上设置阻力矩，用来模拟气动力对机构调节角度的影响。同时，在不同的叶片之间、不同的从动锥齿轮之间和叶片与试验段机匣之间设置干涉分析，仿真结果显示各个部件之间不存在干涉影响。传动齿轮组的总传动比为5比6，对主动圆柱齿轮的转动副设定恒定转速2.4
°
/s的驱动。下面以转角调大20
°
的运动仿真为例进行说明，设置解算10s的运动，240个总步数，分析结果随时间变化的叶片转角变化如图5，转角随时间接近线性变化，在仿真的0s到0.5s时间出现角度变化先降低在升高，判断出现原因为齿轮3d接触运动仿真导致的初始误差，在阻力矩的影响下，从动齿轮在未与主动齿轮齿条接触时，首先被迫向反方向转动，而且由于各个小齿轮与齿条之间的侧向齿间间隙初始值不相同，误差值也不同。在数据处理时，消除以上说明的初始误差影响，分析结果，不同叶片角度绝对变化数值在19.66
°
～19.76
°
之间，各个叶片之间误差最大在0.1
°
，总体误差小于0.5
°
，满足试验的误差要求，可以确定此变几何涡轮可调导叶扇形叶栅试验件设计可行性。
37.实施方式二
38.参照图6和图7说明第二种实施方式，试验叶片与轮缘轮毂的装配方式与第一种实施方式相同，调节机构依旧使用低速电机和蜗轮蜗杆减速器26作为驱动源，圆柱齿轮齿条17与联动环28之间通过螺栓连接，装配在轮缘1的导轨上，扭矩经过主动圆柱齿轮13与圆柱齿轮齿条17的啮合传递给联动环28。联动连杆30通过螺栓和轴套与联动环28连接，轴端连杆29与联动连杆30通过螺栓和轴套连接，使用螺栓将轴端连杆29固定在可调导叶转轴上半段6，使用卡销固定，防止连杆29绕叶片转轴转动。
39.图8给出了连杆机构的工作示意图，a点为联动环28与联动连杆30的连接点，b点为轴端连杆29与联动连杆30的连接点，c点为轴端连杆29固定在可调导叶转轴上半段6的轴端的端点，轴端连杆29的初始角度为α1。当联动环28沿着导轨绕轮缘件转动时，a点位移x距离至a
′
点，同样在联动连杆30上b点随之联动，位移至b
′
点，带动轴端连杆29绕c点旋转，轴端连杆29的角度变化为α2，由于试验叶片8与轴端连杆固定，运动一致，因此实现了试验叶片8的转角变化，变化值δα＝α
2-α1。
40.针对第二种实施方式进行ug运动仿真，模拟在电机驱动下，试验叶片角度的变化规律。轮缘轮毂件与减速器设成固定，圆柱齿轮齿条与联动环设为同一转动副，主动圆柱齿轮设置转动副，主动圆柱齿轮与圆柱齿轮齿条之间设置3d接触，更准确地模拟齿轮齿条之间的啮合；轴端连杆与试验叶片设为绕叶片转轴的同一转动副，联动连杆与联动环和轴端连杆分别设置3d接触，模拟连杆运动；在叶片转动副上设置阻力矩，用来模拟气动力对机构
调节角度的影响。对主动圆柱齿轮的转动副设定恒定转速2.4
°
/s的驱动，设置解算9.5s的运动，228个总步数，分析结果随时间变化的叶片转角变化如图9，角度变化同实施方案一的仿真结果一样出现了先降低再升高的现象，随后角度变化接近线性，各个叶片之间的角度数值相差不超过0.1
°
，满足用于试验的误差要求。
41.本发明一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，多个带阶梯转轴的可调导叶试验叶片沿周向均匀地装配在扇形轮缘轮毂的装配孔中，低速电机与蜗轮蜗杆减速器驱动安装在轮缘导轨上的齿轮齿条传动机构，通过齿轮传动机构带动试验叶片绕自身转轴旋转，配合安装在旋转轴轴端的角度传感器实时监测调节叶片转角。试验件应用于叶轮机械气动性能的试验研究，用于变几何涡轮导叶端壁间隙泄漏流动特性及损失控制研究，试验叶片使用基于相似原理模化的燃气轮机变几何涡轮可调导叶。
42.使用圆锥齿轮啮合实现可调导叶的转角调节。
43.使用端面齿轮啮合实现可调导叶的转角调节。
44.使用连杆结构实现可调导叶的转角调节。
45.圆柱齿轮制成齿条，由圆柱齿轮啮合控制装配在轮缘导轨上的调节环，进而调节试验叶片转角。
46.调节环由圆柱齿轮与圆锥齿轮或是端面齿轮制成的齿条通过螺栓和定位销装配而成。或者，调节环由圆柱齿轮制成的齿条与连杆联动环通过螺栓和定位销装配而成。
47.试验段内壁采用球面端壁设计，使叶片与轮毂轮缘之间的间隙保持均匀不变。
48.试验叶片的转轴采用阶梯轴设计，配合轴套安装在试验件轮缘轮毂的安装孔中。
49.由可正反转低速电机与蜗轮蜗杆减速器组成导叶转角调节机构的驱动源。
50.采用霍尔角度传感器对试验件中叶片转角进行远程实时监测，监测误差不高于0.1
°
。
51.通过驱动源与角度监测，可以实现试验叶片转角的正负方向的远程监测调节。
52.试验叶片可以实现-20
°
到70
°
的角度调节，各个试验叶片之间的转角误差控制在0.1
°
以内。

技术特征：
1.一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：包括试验段轮缘、试验段轮毂前段、试验段轮毂后段、可调导叶转轴上半段、可调导叶转轴下半段，可调导叶转轴上半段安装上轴套，装配至试验段轮缘的安装孔中，可调导叶转轴下半段安装下轴套，试验段轮毂前段与试验段轮毂后段分别装配使用孔槽将转轴固定，试验叶片安装布置在试验段轮缘与试验段轮毂前段和试验段轮毂后段之间的试验段流道。2.根据权利要求1所述的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：还包括输出轴、主动圆柱齿轮、圆柱齿轮齿条，输出轴一侧连接减速电机的蜗轮蜗杆减速器，另一侧将主动圆柱齿轮装配至轴端，输出轴与主动圆柱齿轮之间设置第一平键，主动圆柱齿轮安装第一螺钉，第一螺钉外部套有第一轴端挡圈，紧固螺钉与轴端挡圈将圆柱齿轮固定在轴端。3.根据权利要求1所述的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：可调导叶转轴上半段上设置键槽和螺纹孔，螺纹孔里安装第三螺钉，第三螺钉外部套有第二轴端挡圈，第三螺钉限制圆锥齿轮的径向位移，在可调导叶转轴下半段的端部加工出角度传感器配合槽，与角度传感器的测量轴配合连接测量试验叶片的转角变化。4.根据权利要求2所述的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：还包括齿条连接件、圆锥齿轮齿条、齿条安装导轨、从动圆锥齿轮，圆柱齿轮齿条通过齿条连接件与圆锥齿轮齿条连接，通过第二螺钉紧固形成齿条组，装配在齿条安装导轨上，圆柱齿轮齿条与主动圆柱齿轮相啮合，从动圆锥齿轮装配在可调导叶转轴上半段上，通过装配在可调导叶转轴上半段的键槽里的第二平键传递扭矩。5.根据权利要求2所述的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：还包括联动连杆、联动环、轴端连杆，圆柱齿轮齿条与联动环之间通过螺栓连接，装配在轮缘的导轨上，扭矩经过主动圆柱齿轮与圆柱齿轮齿条的啮合传递给联动环，联动连杆通过螺栓和轴套与联动环连接，轴端连杆与联动连杆通过螺栓和轴套连接，通过螺栓将轴端连杆固定在可调导叶转轴上半段。6.根据权利要求1所述的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：采用霍尔角度传感器对试验叶片转角进行远程实时监测，监测误差不高于0.1
°
。7.根据权利要求1所述的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：试验叶片可实现-20
°
到70
°
的角度调节，各个试验叶片之间的转角误差在0.1
°
以内。8.根据权利要求5所述的一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，其特征是：联动环与联动连杆的连接点为a点，轴端连杆与联动连杆的连接点为b点，轴端连杆固定在可调导叶转轴上半段的轴端的端点为c点，轴端连杆的初始角度为α1，当联动环沿着导轨绕轮缘件转动时，a点位移x距离至a
′
点，同样在联动连杆上b点随之联动，位移至b
′
点，带动轴端连杆绕c点旋转，轴端连杆的角度变化为α2，试验叶片与轴端连杆固定，运动一致，从而实现试验叶片的转角变化，变化值δα＝α
2-α1。

技术总结
本发明的目的在于提供一种包括控制可调导叶转角的齿轮传动机构的变几何涡轮扇形叶栅试验件，包括试验段轮缘、试验段轮毂前段、试验段轮毂后段、可调导叶转轴上半段、可调导叶转轴下半段，可调导叶转轴上半段安装上轴套，装配至试验段轮缘的安装孔中，可调导叶转轴下半段安装下轴套，试验段轮毂前段与试验段轮毂后段分别装配使用孔槽将转轴固定，试验叶片安装布置在试验段轮缘与试验段轮毂前段和试验段轮毂后段之间的试验段流道。本发明可以实现试验叶片转角有效且高精度的调节，仿真结果显示各个试验叶片之间的转角误差控制在0.1


技术研发人员：高杰 廖宇楠 霍东晨 蒋振宇 韩宗玉 肖定坤
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/19