ДАТЧИК СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ТУРБОМАШИНЫ ОТ ПОВЫШЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА Российский патент 1995 года по МПК F01D21/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к турбомашиностроению, и может быть использовано в системе защиты турбомашины от угонных оборотов.

Известна конструкция датчика системы защиты турбомашины от повышения частоты вращения вала, содержащая расположенный снаружи вала кольцевой боек, наружная поверхность которого выполнена концентричной относительно оси вала, а внутренняя с одной стороны контактирует с валом, а с противоположной образует с последней зазор и упругий элемент, соединенный посредством валика с валом и бойком. По достижении предельной частоты вращения центробежная сила бойка преодолевает усилие упругого элемента, а боек смещается в радиальном направлении, воздействуя на рычаги системы защиты. Выполнение участков внутренней поверхности бойка радиусом, равным радиусу вала, обеспечивает центрирование бойка как в исходном положении, так и после срабатывания без трущихся поверхностей, что повышает надежность работы датчика.

Однако известная конструкция датчика имеет ограничения по функциональному признаку, т.е. имеет ограничения по практическому использованию в случае относительно малых диаметров вала, используемых в конструкциях вспомогательных турбомашин.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками изобретения следующие: датчик содержит кольцевой боек, вал, упругий элемент, соединенный посредством валика с валом и бойком.

Причиной, препятствующей получению в прототипе требуемого технического результата является невозможность его использования в конструкциях вспомогательных турбомашин с относительно малыми диаметрами вала, так как центробежная сила, обусловленная разностью масс верхней и нижней частей бойка, не достигает требуемой величины даже на оборотах со сверхпредельной частотой вращения вала. Повышение центробежной силы бойка известной конструкции возможно только за счет существенного увеличения радиуса наружной поверхности кольцевого бойка, что приводит к нерациональному росту габаритных размеров датчика в радиальном направлении. Такое решение в конструкциях вспомогательных турбомашин не всегда можно реально осуществить.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на решение задачи повышения инерционности кольцевого бойка при сохранении габаритных размеров датчика.

Для этого центр тяжести кольцевого бойка смещен относительно геометрической оси вала так, что центробежная сила стремится выдвинуть боек в радиальном направлении, чему препятствует сжатая пружина упругого элемента, соединенная посредством валика с валом и бойком. Увеличение центробежной силы и соответственно эксцентриситет центра тяжести бойка в предлагаемой конструкции достигается тем, что внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах полуокружности, контактирующая с валом, выполнена в форме многогранника с контактными поверхностями, образованными плоскими поверхностями вала, а с противоположной стороны внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах полуокружности расположена эквидистантно плоским поверхностям вала, поперечное сечение которого в пределах кольцевого бойка имеет форму многоугольника. В этом случае при вращении вала кольцевой боек при неизменном внешнем размере в пределах рассматриваемой полуокружности обладает большей массой и развивает соответственно и большую центробежную силу, так как с противоположной стороны внутренняя поверхность бойка в пределах полуокружности расположена эквидистантно поверхности вала. Для повышения надежности датчика валик упругого элемента может быть снабжен стопором, расположенным в теле кольцевого бойка в виде, например, контрвинта. Увеличение эксцентриситета центра тяжести кольцевого бойка, способствующего увеличению центробежной силы, возможно при выполнении внутренней поверхности в пределах полуокружности бойка прямоугольной формы при сечении вала в виде квадрата, а также при выполнении внутренней поверхности бойка, контактирующей с валом трапециевидной формы, а с противоположной стороны эквидистантной поверхности вала, образованной радиусом. Применение спаренных идентичных кольцевых бойков, размещенных на валу с противоположно ориентированными контактирующими поверхностями, способствует уравновешенности и сбалансированности датчика. При расположении кольцевого бойка на консольном конце вала датчик может быть снабжен предохранительным колпачком, закрепленным с торцевой поверхностью вала.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности его практического использования в конструкциях вспомогательных турбомашин с относительно малым диаметром вала.

Ограничительные признаки: кольцевой боек с внешней и внутренней поверхностями, расположенные снаружи вала; упругий элемент, соединенный посредством валика с валом и бойком.

Отличительные признаки: внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах полуокружности, контактирующая с валом, выполнена в форме многогранника с контактными поверхностями, образованными плоскими поверхностями вала. В пределах противоположной полуокружности внутренняя поверхность расположена эквидистантно плоским поверхностям вала, поперечное сечение которого в пределах бойка имеет форму многоугольника. Кроме этого, валик упругого элемента бойка может быть снабжен стопором, выполненным в виде, например, контрвинта, а кольцевой боек на консольном конце вала предохранительным колпачком; внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах контактирующей с валом полуокружности может быть выполнена прямоугольной формы при поперечном сечении вала в виде квадрата, а также может быть трапециевидной формы, а с противоположной стороны эквидистантной поверхности вала, образованной радиусом.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что наружная поверхность кольцевого бойка выполнена концентричной относительно геометрической оси вала. Центр тяжести кольцевого бойка смещен относительно оси вращения так, что центробежная сила стремится выдвинуть боек в радиальном направлении, чему препятствует сжатая пружина упругого элемента, соединенная посредством валика с валом и бойком. Увеличение центробежной силы и, соответственно эксцентриситет центра тяжести бойка в предлагаемой конструкции достигается тем, что внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах полуокружности, контактирующая с валом, выполнена в форме многогранника с контактными поверхностями, образованными плоскими поверхностями вала, а с противоположной стороны внутренняя поверхность расположена эквидистантно плоским поверхностям вала. В этом случае поперечное сечение вала в пределах кольцевого бойка имеет форму многоугольника, размеры которого не превышают размеры вала за пределами бойка. При вращении вала кольцевой боек при неизменном внешнем размере обладает в пределах контактирующей полуокружности большей массой и соответственно развивает при вращении и большую центробежную силу, так как с противоположной стороны внутренняя поверхность бойка расположена эквидистантно плоским поверхностям вала.

При выполнении внутренней поверхности кольцевого бойка прямоугольной формы в пределах полуокружности, контактирующей с валом, имеющего поперечное сечение в виде квадрата, центр тяжести кольцевого бойка еще больше удаляется от геометрической оси вала. Такая конструкция обладает большей центробежной силой и соответственно чувствительность бойка на изменение режима работы вала повышается по сравнению предыдущим вариантом датчика.

При относительно малой частоте вращения вала можно повысить чувствительность датчика за счет использования кольцевого бойка, у которого контактирующая с валом поверхность в пределах полуокружности выполнена трапециевидной формы, а с противоположной стороны эквидистантной поверхности вала, которая образована радиусом. В такой конструкции эксцентриситет центра тяжести бойка относительно геометрической оси вала может достигать больших значений, что увеличивает диапазон чувствительности датчика в целом.

Для повышения надежности датчика, валик упругого элемента может быть снабжен стопором, расположенным в теле кольцевого бойка в виде, например контрвинта. Применение спаренных кольцевых бойков, размещенных на валу с противоположно ориентированными контактирующими поверхностями способствует обеспечению уравновешенности и сбалансированности датчика. При расположении кольцевого бойка на консольном конце вала датчик может быть снабжен предохранительным колпачком, закрепленным с торцевой поверхности вала.

На фиг. 1 изображен схематично кольцевой разрез датчика с поперечным сечением вала в форме квадрата; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 продольный разрез датчика с поперечным сечением вала в пределах полуокружности бойка в форме трапеции; на фиг. 4 вид по стрелке А на фиг. 3 при использовании спаренных кольцевых бойков.

Датчик содержит боек 1, выполненный в виде кольца, упругий элемент 2 в виде пружины, вал 3 турбомашины с поверхностями контакта 4 и внутренними поверхностями 5 бойка 1. Кольцевой боек 1 связан с валом 3 посредством валика 6, установленного относительно вала 4 и втулки 7 с гарантированным зазором. Валик 6 снабжен стопором 8 в виде контрвинта. С консольного торца вала 4 датчик ограничен колпачком 9.

Датчик работает следующим образом.

При частоте вращения вала 4 ниже уровня настройки центробежная сила бойка 1 меньше силы предварительного сжатия упругого элемента 2 и боек 1 своей внутренней поверхностью в пределах полуокружности прижат к поверхности 4 вала 3. С повышением частоты вращения вала 3 сверх уровня настройки центробежная сила преодолевает сопротивление упругого элемента 2 и боек 1 перемещается радиально до упора внутренней поверхностью 5 в вал 3. Снижение частоты вращения приводит к уменьшению центробежной силы бойка 1 и к его посадке на 3 усилием упругого элемента 2. Настройка срабатывания бойка 1 при достижении определенной частоты вращения вала 3 осуществляется путем изменения первоначального сжатия элемента 2 валиком 6. Для надежной фиксации валика 6 кольцевой боек 1 снабжен стопором 8 в виде контрвинта.

Центрирование бойка 1 как в исходном положении, так и после срабатывания обеспечивается боковыми вспомогательными поверхностями вала 3 в случае выполнения его в форме квадрата. При выполнении вала 3 в пределах полуокружности в форме трапеции центрирование бойка 1 обеспечивается контактирующими поверхностями 4 вала 3.

Использование: в теплоэнергетике, в частности в турбомашиностроении, в системе защиты турбомашины от угонных оборотов. Сущность изобретения: датчик содержит кольцевой боек 1, внутренняя поверхность которого в пределах полуокружности контактирует с валом 3, поперечное сечение которого в этой части выполнено в виде квадрата или трапеции с контактными поверхностями, образованными плоскими поверхностями вала. Противоположная сторона внутренней поверхности бойка также в пределах полуокружности расположена эквидистантно плоским поверхностям вала 3 или криволинейной поверхности вала, образованной радиусом. Валик упорного элемента снабжен стопором 8, расположенным в теле кольцевого бойка в виде, например, контрвинта. В конструкции датчика предусмотрена возможность применения спаренных кольцевых бойков, размещенных на валу с противоположно ориентированными контактирующими поверхностями. 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ДАТЧИК СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ТУРБОМАШИНЫ ОТ ПОВЫШЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА, содержащий расположенный снаружи вала кольцевой боек, наружная поверхность которого выполнена концентричной относительно оси вала, а внутренняя с одной стороны контактирующей с валом, а с противоположной образующей с последним зазор, и упругий элемент, соединенный посредством валика с валом и бойком, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах полуокружности, контактирующая с валом, выполнена в форме многогранника с контактными поверхностями, образованными плоскими поверхностями вала, а с противоположной стороны внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах полуокружности расположена эквидистантно плоским поверхностям вала, поперечное сечение которого в пределах кольцевого бойка имеет форму многоугольника. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что валик упругого элемента снабжен стопором, расположенным в теле бойка и выполненным в виде, например, контрвинта. 3. Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кольцевого бойка в пределах полуокружности, контактирующая с валом, имеющим поперечное сечение в виде квадрата, выполнена прямоугольной формы. 4. Датчик по п. 3, отличающийся тем, что внутренняя поверхность кольцевого бойка, контактирующая с валом, в радиальном сечении выполнена трапециевидной формы, а с противоположной стороны эквидистантной поверхности вала, образованной радиусом. 5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен спаренными идентичными кольцевыми бойками, размещенными на валу с противоположно ориентированными контактирующими поверхностями. 6. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что он при расположении кольцевого бойка на консольном конце вала снабжен предохранительным колпачком, закрепленным с торцевой поверхности вала.