Ротор и турбомашина, содержащая указанный ротор

Ротор содержит систему демпфирования вибраций, включающую по меньшей мере одну группу пьезоэлектрических преобразователей, распределенных по окружности ротора и подключенных по меньшей мере к одной диссипативной цепи. Пьезоэлектрические преобразователи подключены так, чтобы объединять диссипативную цепь или каждую из диссипативных цепей с соответствующей группой по меньшей мере из двух преобразователей, подключенных параллельно. Преобразователи группы или каждой из групп равномерно распределены по ротору под углом. Другое изобретение группы относится к турбомашине, содержащей указанный выше ротор. Группа изобретений позволяет повысить эффективность демпфирования вибраций ротора, а также снизить массу системы демпфирования вибраций. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники изобретения

[0001] Изобретение относится к ротору осевой турбомашины. Более конкретно, изобретение относится к системе для демпфирования вибраций ротора осевой турбомашины. В частности, изобретение относится к системе, предназначенной для демпфирования вибраций рабочих колес с лопатками ротора осевой турбомашины с диссипативной электрической цепью.

Известный уровень техники

[0002] Во время работы через осевую турбомашину проходят кольцевые однородные потоки. Фактически любое тело, находящееся в осевом однородном потоке, будет вызывать колебания аэродинамического давления в среде, окружающей это тело, что делает поток неоднородным. Этими телами могут быть, в том числе, лопатки, крепежные элементы кожуха или затворы регулируемого выпуска.

[0003] Когда лопатка ротора с лопатками поворачивается в кольцевом потоке, имеющем такие неоднородности на окружной периферии, каждое внезапное изменение давления будет считаться точечным возбуждением. Общее количество возбуждений в пределах 360°, связанное с данной скоростью вращения, имеет результатом конкретную частоту возмущений. Если она соответствует собственной частоте ротора, то ротор будет входить в резонанс в соответствии с конкретной модой деформирования, состоящей из некоторого числа узловых диаметров.

[0004] Когда рабочее колесо с лопатками ротора и входит в резонанс в пределах конкретной моды деформирования, это приводит к увеличению уровней вибрации. Эти уровни вибрации будут тем больше, чем слабее собственный уровень демпфирования конструкции, например, в случае монолитных дисков с лопатками или цельных роторов с лопатками. Следует избегать возникновения таких уровней вибрации, поскольку они связаны с состояниями, характеризующимися высокими напряжениями, из-за которых значительно сокращается усталостная долговечность конструкции и может происходить ее разрушение. В связи с этим, для того, чтобы обеспечить усталостную прочность рабочего колеса с лопатками, может оказаться необходимым использование демпфирующих устройств.

[0005] Среди демпфирующих устройств, которые могут использоваться для рабочих колес с лопатками роторов турбомашин, испытывающих деформацию по диаметру, техническим решением, представляющим интерес, является пьезоэлектрическая система с шунтированием. Она выполнена в виде пьезоэлектрического излучателя, подключенного к диссипативной электрической цепи.

[0006] В документе JP19960861295 описан ротор с лопатками, вибрации которого уменьшены с помощью пьезоэлектрических излучателей, распределенных по периферии указанного ротора. Каждый излучатель подключен к замкнутой цепи, содержащей диссипативный резистор. Принцип действия основывается на существовании деформаций в месте, где находятся пьезоэлектрические излучатели, которые, деформируясь, вызывают возникновение электрического тока, рассеиваемого резисторами подключенной цепи. Этот способ демпфирования обеспечивает возможность уменьшения вибраций ротора и в одинаковой степени эффективен для каждой частоты. Однако этот способ демпфирования неэффективен для вибрации с большой амплитудой. К тому же, эта система предусматривает введение компонентов для каждой замкнутой цепи, что ведет к увеличению массы и стоимости. Потребность в месте для монтажа каждой цепи является недостатком.

Сущность изобретения

Техническая проблема

[0007] Основная задача изобретения состоит в устранении по меньшей мере одного из недостатков известных технических решений. Задачей изобретения является повышение эффективности системы для демпфирования вибрации ротора турбомашины, представляющей собой моды с неподвижным(и) или диаметром(ами) поворота. Другой задачей изобретения является предоставление системы для демпфирования вибрации ротора турбомашины, которая может быть при высокой частоте столь же эффективна, как и при низкой частоте. Следующая задача изобретения заключается в уменьшении массы системы для демпфирования вибрации ротора турбомашины.

Решение технической проблемы

[0008] Изобретение относится к ротору, в частности компрессора, содержащему систему демпфирования вибраций, которая содержит по меньшей мере одну группу пьезоэлектрических преобразователей, распределенных по окружности ротора и подключенных по меньшей мере к одной диссипативной цепи, существенной особенностью которой является то, что пьезоэлектрические преобразователи подключены так, что диссипативная цепь или каждая из диссипативных цепей объединены с соответствующей группой по меньшей мере из двух преобразователей, соединенных параллельно, причем преобразователи группы или каждой из групп распределены по ротору под углом равномерно.

[0009] Пьезоэлектрические преобразователи преимущественно расположены так, что каждый из них может испытывать деформацию изгиба после возникновения деформации ротора в том месте, где находится данный преобразователь.

[0010] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения ротор может деформироваться под воздействием вибрации в соответствии с формой моды с диаметрами, причем количество пьезоэлектрических преобразователей группы или каждой группы равно умноженному на два числу диаметров формы моды.

[0011] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения форма моды с диаметрами по существу содержит две ортогональные волны деформации с узловыми диаметрами, причем пьезоэлектрические преобразователи в каждом случае распределены под углом между двумя соседними узловыми диаметрами двух волн деформации.

[0012] Термин “два соседних узловых диаметра” подразумевает два следующих один за другим узловых диаметра двух волн деформации. Один из узловых диаметров принадлежит одной из двух ортогональных волн деформации и другой из узловых диаметров принадлежит другой из двух волн деформации.

[0013] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения система демпфирования содержит ряд групп по меньшей мере из двух преобразователей, каждый из которых соединен параллельно с соответствующей одной из диссипативных цепей, причем полярность соединений преобразователей каждой группы такова, что каждый из указанных преобразователей генерирует, в соответствующей ему диссипативной цепи, ток идентичного знака полярности, когда указанные преобразователи деформированы в одном и том же направлении.

[0014] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения система демпфирования содержит только одну группу по меньшей мере из двух, предпочтительно по меньшей мере четырех преобразователей, подключенных к диссипативной цепи, причем полярность соединений преобразователей группы такова, что каждый из указанных преобразователей генерирует в указанной диссипативной цепи ток идентичного знака полярности, когда указанные преобразователи деформированы в одном и том же направлении.

[0015] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения система демпфирования содержит две группы по меньшей мере из двух преобразователей, причем указанные группы смещены под углом таким образом, что все преобразователи всех групп распределены под углом по ротору равномерно.

[0016] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения ротор может деформироваться под воздействием вибрации в соответствии с формой моды с диаметрами и система демпфирования содержит две группы пьезоэлектрических преобразователей, которые сдвинуты по фазе относительно друг друга на часть оборота, равную величине, обратно пропорциональной умноженному на четыре количеству диаметров указанной формы моды с диаметрами.

[0017] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения диссипативная цепь или, по меньшей мере, одна из диссипативных цепей содержит по меньшей мере одну катушку индуктивности, так что образована резонансная цепь с преобразователями, соединенными параллельно, причем диссипативная цепь или по меньшей мере одна из диссипативных цепей предпочтительно по существу образует вместе с пьезоэлектрическими преобразователями соответствующей группы замкнутую электрическую цепь.

[0018] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения диссипативная цепь или по меньшей мере одна из диссипативных цепей лишена внешнего источника электропитания.

[0019] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения ротор имеет по меньшей мере одну резонансную частоту ωR, причем диссипативная цепь представляет собой демпфирующую цепь, предпочтительно резонансную цепь, частота ωA демпфирования которой равна резонансной частоте ωR демпфируемого ротора.

[0020] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения ротор представляет собой диск с лопатками или барабан с лопатками.

[0021] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения лопатки выполнены как неотъемлемая часть.

[0022] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения толщина пьезоэлектрических преобразователей составляет больше, чем 5% толщины лопаток, предпочтительно больше, чем 30%, более предпочтительно больше, чем 100%.

[0023] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения по меньшей мере один из пьезоэлектрических преобразователей расположен на цилиндрической поверхности или на поверхности, перпендикулярной к оси вращения ротора, предпочтительно вне аэродинамического потока.

[0024] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения преобразователи расположены так, что они деформируются под действием растяжения/сжатия, вызываемого изгибным перемещением ротора, предпочтительно после возникновения деформации изгиба кожуха ротора.

[0025] Изобретение также относится к турбомашине, содержащей ротор, причем существенно то, что ротор выполнен в соответствии с изобретением, и ротор предпочтительно представляет собой ротор компрессора или ротор турбины.

[0026] В соответствии с преимущественным вариантом осуществления изобретения во время работы при критической скорости вращения имеют место вибрации ротора при резонансной частоте в соответствии с модой с диаметрами, причем количество пьезоэлектрических преобразователей каждой группы больше или равно умноженному на два количеству диаметров, предпочтительно равно умноженному на четыре количеству диаметров резонансной моды.

[0027] Преимущественно все пьезоэлектрические преобразователи идентичны.

Обеспечиваемые преимущества

[0028] Изобретение обеспечивает возможность использования симметрии деформации рабочего колеса с лопатками ротора в пределах данной моды с диаметрами. За счет равномерного расположения пьезоэлектрических преобразователей в пределах 360° становится возможным демпфировать стационарную или поворотную моду вибрации.

[0029] Путем группирования пьезоэлектрических преобразователей в две группы и при управлении их полярностью становится возможным суммировать их емкости. Резонансная частота RLC-цепи определяется выражением вида , где ω - частота, L - индуктивность, С - емкость, объединение емкостей будет приводить к увеличению эквивалентной емкости. Следовательно, на одинаковой частоте величина индуктивности будет меньше.

[0030] Диссипативные средства объединены и используются для ряда пьезоэлектрических преобразователей. Повышается общая эффективность, и улучшаются возможности оперирования более низкими частотами.

Краткое описание графических материалов

[0031] На фиг. 1 показана осевая турбомашина согласно изобретению.

[0032] На фиг. 2 представлено изображение компрессора низкого давления турбомашины по фиг. 1.

[0033] На фиг. 3 показан ротор согласно изобретению, деформированный в соответствии с модой с диаметрами (в приведенном примере три), с двумя ортогональными волнами.

[0034] На фиг. 4 показана система демпфирования вибраций согласно изобретению.

[0035] На фиг. 5 показана цепь для рассеяния электрической энергии согласно изобретению.

Описание вариантов осуществления изобретения

[0036] В приведенном ниже описании термины “внутренний” и “наружный” относятся к определению местоположения относительно оси вращения осевой турбомашины.

[0037] На фиг. 1 показана осевая турбомашина. В этом конкретном случае турбомашина представляет собой турбовентиляторный двигатель. Турбовентиляторный двигатель 2 содержит первую компрессорную ступень, называемую компрессором 4 низкого давления, вторую компрессорную ступень, называемую компрессором 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или более турбинных ступеней 10. Во время работы механическая мощность турбины 10 передается через центральный вал и преобразуется в движение в двух компрессорах 4 и 6. Скорость вращения, передаваемого к компрессорам, может увеличиваться или уменьшаться с помощью понижающего редуктора. В другом варианте осуществления все различные ступени турбин могут быть соединены с компрессорными ступенями через концентрические валы. Эти валы содержат ряд рабочих колес с лопатками ротора, разделенных колесами с лопатками статора. Вращение колес с лопатками ротора вокруг его оси 14 вращения, таким образом, обеспечивает возможность создания потока воздуха и постепенного сжатия указанного потока воздуха до момента его поступления на вход камеры 8 сгорания.

[0038] С ротором 12 соединен приточный вентилятор, обозначенный в целом как вентилятор 16, который создает поток воздуха, делящийся на главный поток 18, проходящий через различные вышеупомянутые ступени турбомашины, и вспомогательный поток 20, проходящий через кольцевой канал (показан частично) вдоль длины машины и далее снова соединяющийся с главным потоком на выходе турбины. Главный поток 18 и вспомогательный поток 20 представляют собой кольцевые потоки и проходят по каналам в кожухе турбомашины.

[0039] Вид в разрезе компрессора 4 низкого давления осевой турбомашины 2, такой, как осевая турбомашина по фиг. 1, представлен на фиг. 2. Здесь можно видеть часть вентилятора 16 и разделительный выступ 22, разделяющий главный поток 18 и вспомогательный поток 20. Ротор 12 содержит несколько рядов лопаток 24 ротора, например три. Компрессор 4 низкого давления содержит несколько рядов лопаток 26 статора, например четыре. С вентилятором 16 или с рядом лопаток ротора связаны спрямляющие аппараты для спрямления потока воздуха, чтобы преобразовать скорость потока в давление.

[0040] Часть ротора компрессора низкого давления выполнена в виде цилиндрического тела, обычно называемого барабаном, на котором неподвижно закреплены лопатки ротора. Он содержит по существу тонкую наружную стенку, толщина которой в большинстве случаев меньше, чем 8,00 мм, предпочтительно меньше, чем 5,00 мм, более предпочтительно меньше, чем 3,00 мм. Стенка ротора 12 может иметь структурные поверхности, проходящие в осевом направлении и/или радиально. В соответствии с другим вариантом изобретения, ротор может быть выполнен в виде монолитного диска с лопатками, распределенными по его окружности.

[0041] Барабан и его лопатки могут быть изготовлены из металлического материала, такого как титан или алюминий. Они могут быть также изготовлены из композиционных материалов. Они выполняются таких размеров, чтобы допускались определенные уровни статического напряжения, которые могут возникать под действием центробежных сил, расширения или давления. Размеры барабана и его лопаток тоже выбираются с учетом динамических напряжений, создаваемыми их ответными колебаниями.

[0042] Во время работы ротор 12 может испытывать динамические возбуждения, большинство которых представлены аэродинамическими возбуждениями. В ответ на них будет возникать вибрация ротора. Источником вибрации может быть возбудитель или конкретная рабочая скорость вращения турбомашины. Конструкция турбомашины может передавать ротору 12 вибрацию другого элемента.

[0043] Вибрации ротора наблюдаются, в том числе, на его барабане и лопатках. Вибрации вызывают осевые и/или радиальные деформации и/или деформации окружности стенок барабана, соответствующие конкретному составу моды на данной частоте. Для монолитного диска с лопатками или монолитного барабана с лопатками конструкционное демпфирование остается очень слабым. Уровни вибрации и, поэтому, связанные с ними динамические ограничения могут создавать проблемы. Действительно, для уменьшения массы необходимо выполнять тонкими стенки указанного диска/барабана и, следовательно, уменьшать их прочность и жесткость.

[0044] Для уменьшения амплитуды этих вибраций ротор 12 содержит систему демпфирования вибраций, основанную на использовании пьезоэлектрических преобразователей 28, подключенных к устройству для рассеяния электрической энергии. Пьезоэлектрический преобразователь 28 или пьезоэлектрический излучатель представляет собой компонент, содержащий пьезоэлектрический материал, который способен преобразовывать деформацию в электрический ток. Следовательно, этим обеспечивается возможность преобразования механической энергии в электрическую энергию. Он поляризуется и вырабатывает заряд, знак полярности которого зависит от направления его деформации и его ориентации. Пьезоэлектрические преобразователи могут содержать пьезоэлектрический композиционный материал, например AFC (активный волокнистый композиционный материал). Этот материал может деформироваться, что позволяет устанавливать пьезоэлектрический преобразователь на криволинейной поверхности.

[0045] Для того, чтобы не нарушить аэродинамический профиль, пьезоэлектрические преобразователи 28 размещены не на лопатках, а на имеющихся поверхностях внутри барабана 12 так, что они равномерно распределены в пределах 360º. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть имплантированы на цилиндрической или радиальной поверхности ротора 12. Ротор может иметь ряд узлов ряда групп пьезоэлектрических преобразователей 28, все из которых распределены по окружности.

[0046] На фиг. 3 показан ротор 12, выглядящий так, как если смотреть на него с передней стороны вдоль оси 14. На этой фигуре показана мода с диаметрами или форма моды с диаметрами ротора 12 при соответственной резонансной частоте ωR. Эта форма моды с диаметрами имеет три диаметра. Форма моды с диаметрами по существу содержит две волны 30 деформации, каждая из которых имеет частоту ωR. Волны деформации являются взаимно перпендикулярными. Они неподвижны относительно ротора 12. Максимальные амплитуды деформации волн 30 деформации сдвинуты относительно друг друга. Теоретически эти максимальные амплитуды равны. В действительности они могут отличаться друг от друга. Форма моды соответствует линейной комбинации двух ортогональных волн 30 деформации.

[0047] Форма моды осуществляется на роторе 12 в виде составной вибрационной волны. На практике возбуждение поворачивается относительно ротора 12. Форма моды будет поворачиваться по ротору 12 благодаря комбинации двух ортогональных волн 30 деформации.

[0048] Вследствие симметрии ротора 12 фазовый сдвиг этих волн 30 деформации составляет 90º. Каждая из них вызывает изменения фазы вдоль окружной периферии ротора 12. Точки изменения фазы соответствуют узлам колебаний, где не происходит смещения или какой-либо деформации ротора 12, связанной с данной волной деформации. Эти точки расположены в одну линию по всем диаметрам, называемым узловыми диаметрами 32 волн, распределенных равномерно в пределах 360º для ротора 12 с циклической симметрией. Узловые диаметры 32, связанные с волной 30 деформации, показаны линиями аналогичного характера: линиями с точками, расположенными близко друг к другу для одной из волн деформации и линиями с точками, дальше отстоящими друг от друга, для другой из волн деформации.

[0049] Форма моды также включает узловые диаметры формы (не показаны). Он включает в себя ровно столько диаметров, сколько имеет каждая из его форм. Узловые диаметры формы соответствуют тем местоположениям, где волны 30 деформации гасят друг друга. Эти узловые диаметры формы соответствуют тем точкам, где деформация ротора 12 отсутствует. Поскольку форма моды поворачивается по ротору, узловые диаметры ротора тоже будут поворачиваться.

[0050] В изобретении количество используемых диаметров соответствует количеству используемых диаметров формы моды. Узловые диаметры формы моды - это те узловые диаметры формы моды, которые можно наблюдать физически.

[0051] На основе расчетов методом конечных элементов и на основе знания порядков возбуждения конструкции распознаются формы возбуждаемых мод с диаметрами. Местонахождение узловых диаметров 32 может быть установлено, например, в зависимости от местонахождения лопаток ротора. Для парного количества лопаток и для формы моды, количество диаметров которого равно половине количества лопаток, узловые диаметры 32 будут расположены между лопатками. В этом случае форма моды тоже будет стационарной. Когда количество диаметров формы моды составляет меньше половины количества лопаток, форма моды будет поворотной.

[0052] Демпфирование формы моды с диаметрами может быть осуществлено с помощью системы демпфирования вибраций, содержащей первую группу пьезоэлектрических преобразователей 28. Они должны быть расположены в зависимости от узловых диаметров 32 так, чтобы обеспечить максимальную электромеханическую связь. Они расположены между узловыми диаметрами 32. Это позволяет избежать нейтрализации указанных преобразователей, так как, в противном случае, две зоны одного и того же пьезоэлектрического преобразователя могут вырабатывать противоположные заряды. Зон узлов следует избегать, так как они не деформируются. Система демпфирования может содержать такое количество пьезоэлектрических преобразователей 28, которое равно удвоенному количеству диаметров, например, в случае стационарной формы моды.

[0053] Преобразователи равномерно распределены в пределах 360º и являются аналогичными. Они описывают окружность, концентрическую относительно ротора 12. Поскольку волны 30 деформации находятся не в фазе, по существу все они поочередно демпфируются первой группой пьезоэлектрических преобразователей 28. Совокупность пьезоэлектрических преобразователей 28 первой группы проходит физически, по меньшей мере, по половине окружности.

[0054] Для обеспечения возможности эффективного демпфирования поворотной формы моды система демпфирования вибраций содержит вторую группу пьезоэлектрических преобразователей 28. Вторая группа может быть аналогична первой группе. Пьезоэлектрические преобразователи 28 второй группы расположены между пьезоэлектрическими преобразователями первой группы. Пьезоэлектрические преобразователи 28 двух групп преимущественно распределены равномерно по одной и той же окружности. Возможно расположение двух групп пьезоэлектрических преобразователей 28 по смещенным относительно друг друга в осевом направлении окружностям и/или окружностям с разными радиусами. В итоге система демпфирования содержит в четыре раза больше пьезоэлектрических преобразователей, чем количество узловых диаметров 32, появляющихся при резонансной частоте ωR. Другое преимущество, которое дает вторая группа - это то, что она позволяет исключить возможность усиления волны между пьезоэлектрическими преобразователями 28 первой группы.

[0055] Тогда как для стационарной моды количество пьезоэлектрических преобразователей системы демпфирования обязательно должно в два раза превышать количество диаметров, для поворотной моды количество диаметров должно в четыре раза превышать количество диаметров, поскольку предпочтительно должны быть демпфированы две стационарные ортогональные моды.

[0056] Для того, чтобы обеспечить оптимальный контроль над двумя ортогональными модами, пьезоэлектрические преобразователи 28, по этой причине, не могут быть расположены именно в максимуме деформации. Каждый пьезоэлектрический преобразователь, следовательно, будет располагаться в каждом квадрате волны деформации. Каждый из них занимает большую часть квадрата деформации. Вместе пьезоэлектрические преобразователи 28 групп описывают значительно больше, чем 20% окружности, которую они описывают, предпочтительно больше, чем 50%; еще предпочтительнее больше, чем 90%.

[0057] Этот тип конструкции будет обеспечивать, постоянно и с одной и той же эффективностью, контроль двух ортогональных мод и, следовательно, поворотной моды.

[0058] На фиг. 4 показан ротор 12, снабженный системой демпфирования вибраций, основанной на использовании параллельно соединенных пьезоэлектрических преобразователей. Изобретение дает возможность образовать две группы пьезоэлектрических преобразователей 28 благодаря соединениям. Каждый пьезоэлектрический преобразователь непосредственно граничит с двумя пьезоэлектрическими преобразователями другой группы.

[0059] В соответствии с изобретением пьезоэлектрические преобразователи 28 одной группы взаимно соединены электрически. Для того чтобы объединить их электрические энергии, они соединены параллельно. Однако для каждой группы два преобразователя, непосредственно граничащие с данным преобразователем “X”, будут испытывать деформации изгиба формы в направлении, противоположном указанному преобразователю “X”. Следовательно, одни преобразователи будут испытывать растяжение, а другие сжатие, генерируя токи, имеющие разные знаки полярности. Для того чтобы токи, создаваемые каждым преобразователем 28 одной группы были с одинаковым знаком полярности, полярность двух граничащих преобразователей будет реверсироваться. Этот реверс может быть произведен с помощью электрических соединений или исходя из естественной полярности пьезоэлектрического материала, из которого выполнен преобразователь 28.

[0060] Группы пьезоэлектрических преобразователей 28 соединены с помощью соединительных средств 34, которые могут содержать провода или конструктивные элементы ротора 12. Соединительные средства 34 двух групп могут быть наложены и, преимущественно, электрически изолированы в местах пересечения или на протяжении всей их длины. Между соединительными средствами 34, предназначенными для одних и тех же пьезоэлектрического преобразователя 28 и коллекторной ветви, предусмотрены электрические соединения 35. Коллекторная ветвь может описывать окружность в пределах ротора.

[0061] Для рассеяния энергии вибраций ротора 12, которая представлена в механической форме, каждая группа пьезоэлектрических преобразователей 28 подключена к общей цепи 36 для рассеяния электрической энергии. Этот способ соединения делает возможным объединение одной и той же диссипативной цепи 36 с рядом пьезоэлектрических преобразователей 28. Изобретение использует симметрию моды с диаметром, где каждая из групп пьезоэлектрических преобразователей 28 деформируется симметрично. Каждая группа пьезоэлектрических преобразователей 28 по отношению к данной деформации становится когерентным источником тока.

[0062] На фиг. 5 изображена электрическая цепь для соединения пьезоэлектрических преобразователей 28. Она образует замкнутую цепь и обеспечивает параллельное соединение пьезоэлектрических преобразователей 28 с помощью диссипативной цепи 36. Диссипативная цепь 36 содержит резистор 40, предназначенный для рассеяния энергии в виде тепла, и катушку 42 индуктивности, предназначенную для того, чтобы был резонанс замкнутой цепи, для обеспечения возможности проведения по каналам энергии в цепи. Катушкой индуктивности может быть катушка 42, предпочтительно аналоговая. Следует отметить, что аналоговая катушка является пассивной.

[0063] Диссипативная цепь может содержать ряд резисторов, соединенных последовательно. Она может содержать ряд катушек индуктивности, соединенных последовательно. Эти же самые компоненты могут быть интегрированы в глобально замкнутой цепи, например в соединительных средствах 34. Следуя подходу согласно изобретению, соединительные средства 34 могут иметь собственное активное сопротивление, которое используется для того, чтобы рассеивать энергию.

[0064] Параллельное подключение пьезоэлектрических преобразователей 28 может моделироваться параллельным подключением конденсаторов или емкостей С, которые воздействуют на замкнутую цепь аналогично одному конденсатору эквивалентной емкости и равной сумме отдельных емкостей, так как пьезоэлектрические преобразователи 28 подключены параллельно.

[0065] Совокупность пьезоэлектрических преобразователей 28 группы, резистора 40 и катушки 42 образует резонансную и демпфирующую RLC-цепь. Ее частота ωА демпфирования зависит от емкости С цепи и ее индуктивности L. Это та частота, для которой цепь будет эффективно действовать как демпфер.

[0066] Эта частота равняется:

(выражена в Гц), где ωА - частота демпфирования, L -индуктивность, С - емкость.

[0067] Существенные уровни вибрации возникают при тех рабочих скоростях вращения, при которых резонанс имеет место между модами возбуждения и собственными модами конструкции. По этой причине использование демпферов при этих скоростях вращения является непременным условием.

[0068] При выборе размеров различных элементов замкнутой цепи руководствуются необходимостью согласования резонансной частоты ωА электрической цепи с резонансной частотой демпфируемой критической моды.

[0069] При выборе размеров различных элементов замкнутой цепи руководствуются необходимостью согласования резонансной частоты ωA электрической цепи с резонансной частотой демпфируемой критической моды. Таким образом, ротор 12, пьезоэлектрические преобразователи 28 и диссипативная цепь 36 образуют электромеханическую систему, позволяющую преобразовывать механическую энергию в электрическую энергию, а также передавать эту механическую энергию, полученную от рабочего колеса с лопатками ротора, в электрическую цепь, обеспечивающую рассеяние энергии.

[0070] Изобретение способствует демпфированию низкочастотных собственных мод с помощью шунтирующих цепей, которые могут быть полностью пассивными. Действительно, в приведенной выше формуле резонансная частота электрической цепи и, следовательно, частота демпфирования, зависит от емкости С цепи. Чем больше эта емкость, тем меньше будет необходимая величина индуктивности для данной частоты. Чем меньше величина индуктивности, тем меньше будет размер катушки, которую поэтому легче интегрировать в механическую конструкцию. В действительности катушка представляет собой полностью аналоговый элемент, в отличие от искусственной катушки индуктивности, основанной на принципе гиратора. Изобретение, таким образом, дает возможность получить полностью пассивную конструкцию.

[0071] Для моды с N диаметров количество пьезоэлектрических преобразователей составляет 4N, распределенных в две группы по 2N преобразователей, подключенных к назначенной ему шунтирующей цепи. Параллельное подключение 2N преобразователей, таким образом, предоставляет возможность, для данной резонансной частоты, уменьшить размер катушки индуктивности каждой цепи в 2N раз по сравнению с системой демпфирования, в которой каждый преобразователь снабжен катушкой индуктивности. Кроме того, в настоящем случае вместо 4N катушек индуктивности нужно иметь только две катушки индуктивности, что опять-таки соответствует уменьшению в 2N раз. Следовательно, в целом эта конфигурация дает возможность при такой же эффективности уменьшить общие габаритные размеры катушки индуктивности в 4N² раз.

1. Ротор (12), содержащий систему демпфирования вибраций, которая содержит по меньшей мере одну группу пьезоэлектрических преобразователей (28), распределенных по окружности ротора и подключенных по меньшей мере к одной диссипативной цепи (36), отличающийся тем, что пьезоэлектрические преобразователи (28) подключены так, чтобы объединять диссипативную цепь (36) или каждую из диссипативных цепей с соответствующей группой по меньшей мере из двух преобразователей, подключенных параллельно, причем преобразователи (28) группы или каждой из групп равномерно распределены по ротору под углом.

2. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что он может деформироваться под воздействием вибрации в соответствии с формой моды с диаметрами, причем количество пьезоэлектрических преобразователей (28) группы или каждой группы равно умноженному на два количеству диаметров формы моды.

3. Ротор (12) по п. 2, отличающийся тем, что форма моды с диаметрами по существу содержит две ортогональные волны (30) деформации с узловыми диаметрами (32), причем пьезоэлектрические преобразователи (28) в каждом случае распределены под углом между двумя соседними узловыми диаметрами (32) двух волн (30) деформации.

4. Ротор (12) по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что система демпфирования содержит ряд групп по меньшей мере из двух преобразователей (28), каждый из которых соединен параллельно с соответствующей одной из диссипативных цепей (36), причем полярность соединений преобразователей каждой группы такова, что каждый из указанных преобразователей (28) генерирует в соответствующей ему диссипативной цепи (36), ток идентичного знака полярности, когда указанные преобразователи деформированы в одном и том же направлении.

5. Ротор (12) по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что система демпфирования содержит только одну группу по меньшей мере из двух преобразователей (28), подключенных к диссипативной цепи (36), причем полярность соединений преобразователей группы такова, что каждый из указанных преобразователей (28) генерирует в указанной диссипативной цепи (36) ток с идентичным знаком полярности, когда указанные преобразователи деформированы в одном и том же направлении.

6. Ротор (12) по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что система демпфирования содержит только одну группу по меньшей мере из четырех преобразователей (28), подключенных к диссипативной цепи (36), причем полярность соединений преобразователей группы такова, что каждый из указанных преобразователей (28) генерирует в указанной диссипативной цепи (36) ток с идентичным знаком полярности, когда указанные преобразователи деформированы в одном и том же направлении.

7. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что система демпфирования содержит две группы по меньшей мере из двух преобразователей (28), причем указанные группы смещены под углом таким образом, что все преобразователи всех групп равномерно распределены по ротору под углом.

8. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что он способен деформироваться под воздействием вибрации в соответствии с формой моды с диаметрами и при этом система демпфирования содержит две группы пьезоэлектрических преобразователей (28), которые имеют сдвиг по фазе относительно друг друга на часть оборота, обратно пропорциональный умноженному на четыре количеству диаметров указанной формы моды с диаметрами.

9. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что диссипативная цепь или по меньшей мере одна из диссипативных цепей (36) содержит по меньшей мере одну катушку индуктивности для образования резонансной цепи с преобразователями, подключенными параллельно.

10. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что диссипативная цепь или по меньшей мере одна из диссипативных цепей (36) по существу образует совместно с пьезоэлектрическими преобразователями (28) соответствующей группы замкнутую электрическую цепь.

11. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что диссипативная цепь или по меньшей мере одна из диссипативных цепей (36) не имеет внешнего источника электропитания.

12. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере одну резонансную частоту ωR, причем диссипативная цепь (36) является демпфирующей цепью.

13. Ротор (12) по п. 12, отличающийся тем, что диссипативная цепь (36) является резонансной цепью, частота ωA демпфирования которой равна резонансной частоте ωR демпфируемого ротора (12).

14. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что он представляет собой диск с лопатками или барабан с лопатками.

15. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из пьезоэлектрических преобразователей (28) расположен на цилиндрической поверхности или на поверхности, перпендикулярной к оси (14) вращения ротора.

16. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из пьезоэлектрических преобразователей (28) расположен на цилиндрической поверхности или на поверхности, перпендикулярной к оси (14) вращения ротора вне аэродинамического потока.

17. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи (28) расположены так, что они деформируются под действием растяжения/сжатия, вызываемых изгибным перемещением ротора (12).

18. Ротор (12) по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи (28) расположены так, что они деформируются под действием растяжения/сжатия, вызываемых изгибным перемещением ротора (12) после деформаций изгиба кожуха ротора.

19. Турбомашина (2), содержащая ротор (12), отличающаяся тем, что ротор (12) выполнен по одному из пп. 1-18.

20. Турбомашина (2) по п. 19, отличающаяся тем, что ротор представляет собой ротор компрессора (4, 6) или турбины (10).

21. Турбомашина (2) по п. 19, отличающаяся тем, что во время работы при критической скорости вращения ротор (12) вибрирует с резонансной частотой в соответствии с модой с диаметрами, причем количество пьезоэлектрических преобразователей (28) каждой группы больше или равно умноженному на два количеству диаметров (32).

22. Турбомашина (2) по п. 19, отличающаяся тем, что во время работы при критической скорости вращения ротор (12) вибрирует с резонансной частотой в соответствии с модой с диаметрами, причем количество пьезоэлектрических преобразователей (28) каждой группы больше или равно умноженному на четыре количеству диаметров (32) резонансной моды.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам балансировки ветроколес вертикально-осевых ветроэнергетических установок. Способ балансировки ветроколеса ветрикально-осевой ветроэнергетической установки, состоящего из ступицы и кольца с закрепленными на нем в два яруса лопастями, характеризуется тем, что балансировку проводят в следующей последовательности: комплектуют лопасти ветроколеса так, чтобы значения массы лопастей в каждом ярусе отличались между собой не более 0,15%, ступице придают горизонтальное положение относительно оси вращения, к оси ступицы присоединяют технологические штанги, полученную сборку поднимают и устанавливают штангами на подставки, на ступице устанавливают кольцо крепления лопастей, на ось ступицы устанавливают виброгенератор и при работающем виброгенераторе подбором по массе и установкой грузов балансировку производят в три этапа, вначале балансируют с кольцом крепления лопастей, затем - с присоединенными лопастями верхнего яруса, а затем - с присоединенными лопастями нижнего яруса так, чтобы на каждом этапе при придании вращения «от руки» сборка могла останавливаться в любом положении от 0 до 360°, при этом каждый этап балансировки заканчивается установкой и закреплением балансировочных грузов определенного веса и в нужном месте.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для уравновешивания моментов в поворотных механизмах, и может быть использовано в грузоподъемных устройствах, промышленных роботах и других механизмах с источниками вращательного движения в пределах одного оборота.

Изобретение относится к области авиации, в частности к гасителям колебаний вертолетных винтов. .

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к устройству для демпфирования вибраций в приводных механизмах с гибкой связью, в особенности в механизмах с клиноременным приводом. .

Изобретение относится к машиностроению, а именно к технике уравновешивания роторных машин. .

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для ориентации и стабилизации положения в пространстве материальных объектов. .

Изобретение относится к роторным установкам с вертикальной осью вращения ротора и может найти применение в различных отраслях машиностроения. .

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для устранения паразитных крутильных и поперечных колебаний вращающихся тел, в частности, в зубчатых передачах, двигателях внутреннего сгорания.

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) ЖРД верхних ступеней ракет в качестве разгонных блоков многоразового включения и с продолжительным временем работы.

Изобретение относится к вентилятору для создания воздушного потока, содержащему корпус, включающий впускной воздуховод, и сопло, соединенное с корпусом. Сопло содержит внутренний проход для приема воздушного потока из корпуса и воздуховыпускное отверстие, через которое воздушный поток испускается из вентилятора.

Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит рабочее колесо вентилятора, имеющее лопатки и охваченное кольцевым картером. Картер содержит средства всасывания воздуха в кольцевом зазоре, образованном между картером и радиально наружными концами лопаток рабочего колеса вентилятора.

Глушитель предназначен для снижения шума выхлопной струи пара. Глушитель состоит из верхней и нижней ступеней.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при сборке и балансировке сборных роторов компрессоров газоперекачивающих агрегатов. Способ балансировки сборного ротора, при котором предварительно разбивают вал на участки, определяют направление радиальных биений его участков, балансируют вал и насадные элементы ротора.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при сборке и балансировке сборных роторов компрессоров газоперекачивающих агрегатов. В балансировке сборного ротора центробежного компрессора балансируют вал, а на балансировочной оправке с конической посадочной поверхностью - рабочие колеса, определяя и маркируя на валу и ступицах колес места максимального радиального биения посадочных поверхностей, насаживают колеса на вал с натягом, совмещая промаркированные места на валу и на ступице.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при монтаже сборных роторов газоперекачивающих агрегатов. При сборке ротора балансируют вал и все его элементы, балансируют собранный ротор и крепят его к валам двигателя и компрессора, производят коррекцию монтажных дисбалансов установкой грузиков, их массу определяют исходя из масс частей сборного ротора, дисбалансы которых корректируют в данных плоскостях, величин биений балансировочных поверхностей ротора и удаления места установки грузика от оси вращения.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании и сборке роторов центробежных компрессоров перекачивающих агрегатов. Ротор центробежного компрессора, содержащий вал и установленные на нем элементы, упорный диск, установленный на валу с зазором и взаимодействующий с валом посредством конической поверхности и сопряженной с ней конической втулки, расположенных со стороны бурта вала, прижимное кольцо, установленное с противоположной стороны диска, стопорное кольцо, причем в теле вала (или диска) выполнен канал для сообщения зазора между валом и диском с источником давления, при этом в нем на посадочной поверхности диска со стороны, противоположной бурту, выполнена коническая поверхность, в которую установлен кольцевой конический элемент, взаимодействующий с прижимным кольцом, причем конусность их поверхностей больше, чем конусность втулки со стороны бурта вала, а кольцевой конический элемент имеет торцовую поверхность, взаимодействующую с аналогичной поверхностью упорного диска.

Изобретение относится к области диагностики повреждения деталей машин в процессе их непрерывной эксплуатации и может быть использовано для определения технического состояния машинных агрегатов и обеспечения их безопасной, ресурсосберегающей эксплуатации.

Изобретение относится к шнекоцентробежным насосам и может быть использовано в тех областях машиностроения, где требуется применение насосов, перекачивающих жидкости с содержанием растворенного и свободного газа.
Наверх