[发明专利]一种鼠笼式SMA主动变刚度转子支承装置

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机（或地面燃气轮机）转子设计的技术领域，具体涉及一种鼠笼式SMA（Shape Memory Alloy,形状记忆合金）主动变刚度转子支承装置，其利用SMA丝（束）的形状记忆效应来改变航空发动机鼠笼式转子支承的支承刚度，从而解决转子通过临界转速时共振问题的变刚度支承装置。

背景技术

航空发动机（或地面燃气轮机）转子属于柔性转子，其工作转速低于临界转速，故它在加速或减速过程中必须通过临界转速，此时转子系统就会发生共振，导致强烈的有害振动，并影响发动机的性能。在传统的高速转子振动被动控制技术中，人们常用弹性支承、挤压油膜阻尼器、金属橡胶减振器等减振结构，以降低系统支承刚度、增大支承阻尼，从而达到减小系统振幅的目的。

鼠笼式弹性支承属于被动振动控制支撑结构，如图1所示，它可通过刚度较低的笼条，降低系统支承刚度，从而改变了转子支承系统的临界转速，避开发动机的主要转速范围，达到发动机减振的目的。但航空发动机转子系统从零加速到工作转速过程中，不可避免地要经过临界转速，在通过临界转速时，往往有多阶振动模态被激起，仅靠一个振动被动振动控制装置无法通过选择装置的刚度或阻尼参数有效抑制所有被激发的振动模态。

传统的鼠笼式弹性支承结构简单、可靠性高、能使临界转速避开发动机主要转速范围，但是其仍然有其致命的缺点：由于其支承刚度固定不变，系统具有固定的临界转速，在发动机经过临界转速时，不可避免地会发生共振。

解决上述问题的方法在于发展发动机转子主动振动控制技术，该技术的核心是通过暂时改变支承装置的结构参数，从而改变转子系统的临界转速，保证转子在整个工作转速范围内不发生共振。其工作原理为：在未变结构参数前，支承装置具有临界转速ω₁，当工作中转子从零加速即将通过临界转速ω₁时，通过主动改变支承装置的结构参数，使临界转速从ω₁改变到ω₂，使转子在经过ω₁转速时不发生共振。目前转子振动主动控制技术主要有电磁轴承主动控制技术、磁/电流变液控制技术和SMA驱动器控制技术等。但这几类现有技术在航空发动机中应用时仍面临较多的问题，具体分为以下几个方面：

1、电磁轴承主动控制技术（如“Larsonneur,R.Design and control of active magnetic bearing systems for high speed rotation.Dissertation1990.”）需要引入较为笨重的电磁发生装置，极大地降低了航空发动机的推重比，此外，电磁轴承在发动机启动时，由于没有电能让其工作（其工作电能来源于发动机工作时带动发电机生产的电能），因此往往需要配备备份轴承，这进一步增加了电磁轴承系统的重量。

2、磁/电流变液控制技术是通过磁/电流变液在磁场/电场作用下，其粘稠度变化的特性来改变支承装置的刚度和阻尼的（如“专利申请号：01107592.9，名称：旋转机械转子振动控制用磁流变阻尼器”），然而，目前磁/电流变液受到材料本身的限制，其使用温度最高为150℃，很难在高温的航空发动机转子上使用。

3、采用SMA驱动器的控制技术（如“闫晓军;聂景旭;孙长任用于高速转子振动主动控制的智能变刚度支承系统.航空动力学报2000,1–4.”如图2所示）是通过对SMA丝1来驱动改变支承结构的传力路径，从而改变支承刚度，然而，SMA驱动器只能对某一装置进行驱动，再由该装置生产动作，实现支承刚度的改变，这个过程将消耗较长时间，使得其响应时间处于1s的量级，很难满足航空发动机对变刚度支承系统快速响应的要求，此外，该变刚度支承系统需要两个SMA驱动器联合驱动，同时需要在转子支承处加装弹簧、楔块、两个SMA驱动器、附加刚体，结构非常复杂，可靠性较差。

发明内容

本发明主要解决现有技术中存在的问题，提供了一种结构简单、响应快、适合高温环境使用的鼠笼式SMA主动变刚度转子支承装置。