УСТРОЙСТВО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ВАЛА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2013 года по МПК F01D21/04 

Настоящее изобретение касается детектирования разрушения вала на турбомашине, в частности, авиационного типа. В частности, оно касается устройства, выполненного с возможностью этого детектирования.

Турбомашина содержит компрессор, камеру сгорания и турбину. Компрессор предназначен для повышения давления воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Турбина предназначена для приведения во вращение компрессора за счет отбора части энергии давления горячих газов, выходящих из камеры сгорания, и ее преобразования в механическую энергию.

Компрессор и турбина содержат первый узел неподвижных деталей, образующий статор, и второй узел деталей, выполненный с возможностью вращения относительно статора и образующий ротор.

Ротор компрессора и ротор турбины образуют узел, жестко соединенный вращающимся валом. В случае разрушения этого вала механическое соединение между ротором компрессора и ротором турбины нарушается. В этом случае ротор турбины потребляет вдруг всю энергию, поступающую из камеры сгорания, не передавая ее на ротор, и, следовательно, находится в раскрутке. Последствия этой раскрутки могут быть опасными и через очень короткое время привести к саморазрушению турбомашины.

Чтобы сдержать этой раскрутки, необходимо предпринять несколько экстренных действий: с одной стороны, прекратить подачу топлива для прекращения питания энергией и, с другой стороны, рассеять энергию ротора турбины для ее уменьшения. Рассеяние может происходить за счет деформации, трения или разрушения ротора турбины и/или статора турбины. Примеры способов рассеяния энергии ротора турбины описаны в документах US 4498291, US 4503667, US 4505104.

Для эффективного выполнения экстренных действий необходимо как можно быстрее обнаружить разрушение вала и быстро передать эту информацию на органы турбомашины, позволяющие начать выполнение этих экстренных действий, в частности прекращение подачи топлива.

Известное устройство для детектирования разрушения вала турбомашины использует пару датчиков скорости, при этом каждый датчик расположен соответственно вблизи входного и выходного концов вала. Когда вал находится в целом состоянии, режимы, измеряемые двумя датчиками, являются почти идентичными. Избыточная разница между режимом ротора компрессора, измеренным входным датчиком скорости, и режимом ротора турбины, измеренным выходным датчиком скорости, интерпретируется компаратором режима как разрушение вала. В этом случае компаратор может привести в действие необходимые экстренные меры для избежания раскрутки ротора турбины. Примеры такого устройства детектирования разрушения вала описаны в документах GB 2256486 и US 6494046.

Однако установка датчика режима вблизи выходного конца вала ротора турбомашины является очень сложной в силу экстремальных условий окружающей среды турбины из-за высоких температур, так как турбина находится непосредственно на выходе камеры сгорания.

Кроме того, использование множества датчиков скорости приводит к относительному усложнению устройства детектирования и к увеличению общей массы турбомашины. Известно, что уменьшение массы является постоянной задачей в области авиастроения.

Настоящее изобретение призвано предложить устройство детектирования разрушения вала ротора турбомашины, не требующее установки датчика на уровне турбины и позволяющее решить вышеуказанные проблемы.

Эта задача достигается за счет применения устройства детектирования разрушения вала турбомашины, которое содержит:

вал, содержащий входной конец и выходной конец,

стержень, содержащий входной конец и выходной конец и расположенный внутри и коаксиально с валом, при этом выходной конец стержня неподвижно крепят на выходном конце вала, а входной конец стержня может свободно вращаться по отношению к входному концу вала, и

датчик, выполненный с возможностью детектирования разности режима вращения между входным концом стержня и входным концом вала.

Когда вал остается целым, стержень приводится во вращение с той же скоростью, что и вал, за счет неподвижного соединения выходного конца стержня с выходным концом вала. Точно так же, поскольку это вращение передается на вход стержня и вала, выходной конец стержня вращается с той же скоростью, что и вал.

В случае разрушения вала стержень по-прежнему приводится во вращение в том же режиме, что и выходной конец вала. Поскольку вращение выходного конца вала не передается должным образом на входной конец вала, между входным концом стержня и входным концом вала возникает фазовое смещение. Датчик, измеряющий режим входного конца стержня по отношению к входному концу вала, обнаруживает это фазовое смещение, которое он интерпретирует как разрушение вала.

Предпочтительно устройство детектирования разрушения вала турбомашины в соответствии с настоящим изобретением предусматривает уменьшение массы. Оно позволяет избежать установки датчика в области турбины на турбомашине. Лучший контроль детектирования разрушения вала позволяет отказаться от использования на уровне турбины массивных механических средств рассеяния энергии.

Предпочтительно устройство детектирования разрушения вала турбомашины в соответствии с настоящим изобретением является более простым, так как предусматривает наличие только одного датчика в отличие от известных устройств, содержащих два датчика. Кроме того, электронные средства обработки сигнала, детектируемого датчиком, тоже являются более простыми, так как, например, больше нет необходимости в использовании компаратора режима.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид турбомашины.

Фиг.2 - вид в разрезе выходного конца устройства детектирования разрушения вала в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - вид в разрезе входного конца устройства детектирования разрушения вала в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 схематично показана турбомашина, содержащая неподвижный корпус 6, образующий часть статора, компрессор 7, камеру 8 сгорания и турбину 9. Компрессор 7 содержит ротор 71 компрессора, а турбина 9 содержит ротор 91 турбины. Ротор 71 компрессора и ротор 91 турбины соединены валом 1, при этом ротор 71 компрессора жестко закреплен на входном конце 11 вала 1, а ротор 91 турбины жестко закреплен на выходном конце 12 вала 1. Вход и выход следует рассматривать относительно направления прохождения потока текучей среды через турбомашину.

На фиг.2 показан выходной конец устройства детектирования разрушения вала 1 в соответствии с настоящим изобретением, частично образованного валом 1 и стержнем 2, то есть тонкой и удлиненной деталью. Классически вал 1 имеет трубчатую форму, то есть выполнен в виде полого цилиндра и имеет ось вращения (Х), соответствующую также оси вращения турбомашины.

Стержень 2 расположен внутри вала 1 и проходит через него коаксиально по длине. Выходной конец 12 вала и выходной конец 22 стержня неподвижно соединены. Для реализации этого соединения можно предусмотреть несколько средств 23 крепления, например, при помощи клея, сварки, болтов завинчивания или механического зацепления. Это крепление должно быть таким, чтобы выходной конец 12 вала 1 приводил во вращение выходной конец 22 стержня 2. Поэтому для соединения можно также применять шипы или шпонки.

В случае использования завинчивания для крепления необходимо, чтобы направление завинчивания было таким, чтобы вращение вала 1 способствовало завинчиванию выходного конца 22 стержня 2 на выходном конце 12 вала 1, поскольку вращение в противоположном направлении может привести к отвинчиванию и к разъединению этих двух деталей и к прекращению приведения во вращение одной детали другой. Для обеспечения завинчивания выходной конец 12 вала 1 может содержать внутреннюю резьбу, взаимодействующую с наружной резьбой выходного конца 22 стержня 2.

В случае применения механического зацепления для крепления выходной конец 12 вала 1 и выходной конец 22 стержня 2 могут содержать шлицы 23 комплементарной формы. Применение шлицов 23 является более предпочтительным, так как они позволяют легко вводить и крепить стержень 2 с входного конца 11 вала 1.

На фиг.3 показан входной конец устройства детектирования разрушения вала 1 в соответствии с настоящим изобретением, образованный валом 1, стержнем 2 и датчиком 3, выполненным с возможностью измерения режима входного конца 21 стержня 2 по отношению к входному концу 11 вала 1.

Датчик 3 содержит корпус 38 и неподвижно закреплен на выходном конце 11 вала 1. Для реализации этого соединения можно предусмотреть несколько средств 4, например, при помощи клея, сварки, болтов, завинчивания или механического зацепления. Можно предусмотреть средство 4 крепления в виде гайки 4, неподвижно соединенной с датчиком 3 и выполненной с возможностью завинчивания на входном конце 11 вала 1. На фиг.3 показан пример выполнения для использования этого крепления завинчиванием.

Датчик 3 в основном имеет форму полого цилиндра, коаксиального с валом 1. Внутренняя полость 30 датчика 3 позволяет размещать в ней входной конец 21 стержня 2, который свободно вращается по отношению к датчику 3 и к входному концу 11 вала 1.

Показанный на фиг.3 датчик 3 является датчиком, использующим электромагнитную индукцию. Внутри корпуса 38 он содержит подвижное кольцо 31, установленное коаксиально с валом 1 и стержнем 2. Это подвижное вращающееся кольцо 31 имеет форму с симметрией вращения, выполнено с возможностью вращения вокруг оси вращения (Х) и соединено с входным концом 21 стержня 2 при помощи средств 24 крепления, идентичных вышеупомянутым средствам 23 крепления между выходным концом 12 вала и выходным концом 22 стержня, например, при помощи шлицов. Это крепление должно быть таким, чтобы входной конец 21 стержня 2 мог приводить во вращение подвижное кольцо 31 вокруг его оси (Х). Предпочтительно подвижное кольцо 3 должно быть выполнено из износоустойчивого материала, такого как политетрафторэтилен (Teflon®). Это подвижное кольцо 31 содержит постоянные магниты, которые могут быть погружены внутрь упомянутого подвижного кольца 31.

Внутри корпуса 38 датчик 3 содержит также обмотку 32 из проводящего провода, предпочтительно из меди. Эта обмотка 32 неподвижно соединена с корпусом 38 датчика 3 и расположена коаксиально с валом 1 и стержнем 2. Эта обмотка 32 окружает подвижное кольцо 31 таким образом, чтобы при вращении подвижного кольца 31 за счет разности режима между выходным концом 12 вала и выходным концом стержня 22 в обмотке 22 из проводящего провода индуцировался ток.

Когда вал остается целым, стержень 2 приводится во вращение с той же скоростью, что и вал 1, и на уровне обмотки 32 электрический ток не появляется.

В случае разрушения вала 1 стержень 2 продолжает приводиться во вращение в том же режиме, что и выходной конец 12 вала 1. Поскольку вращение от выходного конца 12 вала 1 не передается соответствующим образом на входной конец 11 вала 1, между входным концом 21 стержня 2 и входным концом 11 вала 1 появляется фазовое смещение. Датчик 3, измеряющий режим входного конца 21 стержня 2 по отношению к входному концу 11 вала 1, при помощи узла из подвижного кольца 31 и обмотки 32 из проводящего провода детектирует фазовое смещение, когда на уровне обмотки 32 индуцируется электрический ток.

Это фазовое смещение, соответствующее разрушению вала 1 турбомашины, заставляет срабатывать тревожный сигнал, передаваемый на электронные средства обработки сигнала, позволяя прекратить питание турбомашины. Этими электронными средствами могут быть автономный электронно-цифровой контроллер двигателя, общепринято называемый FADEC (Full Authority Digital Electronics Control), или другое устройство управления прекращением питания, независимое и отдельное от FADEC. Этими электронными средствами могут быть, например, электромеханическая микросистема типа MEMS (MicroElectroMechanical System) с автономным питанием за счет индуцируемого электрического тока.

Тревожный сигнал может передаваться при помощи радиопередатчика 33, расположенного в датчике 3 рядом с обмоткой 32 из проводящего провода. Ток, создаваемый индукцией, обеспечивает питание передатчика электрической энергией.

Датчик 3 дополнительно содержит на входе пробку 51, обеспечивающую его герметичность и удерживающую в осевом направлении входной конец 21 стержня 2. Для установки на датчике 3 пробка 51 содержит внутреннюю резьбу 53, взаимодействующую с наружной резьбой 35 датчика 3.

Стержень 2 может быть жестким или гибким. Он может содержать, например, сплошную или полую сердцевину в оплетке скрученного жгута или нет, в случае необходимости усиленную гибкой защитной оболочкой, например, из пластика или каучука. Оболочка может быть металлической, например стальной, и содержать покрытие из жаропрочного полимера, такого как силикон. Гибкость должна облегчать введение стержня 2 через вал 1 ротора турбомашины.

Гибкость стержня 2 определяют таким образом, чтобы она не обладала чрезмерными свойствами кручения или гибкости, которые могут приводить к паразитному фазовому смещению.

На фиг.3 показан предпочтительный вариант выполнения, в котором датчик 3 неподвижно соединен с валом 1, однако можно предусмотреть его неподвижное соединение со стержнем 2. Можно также предусмотреть, чтобы датчик не был неподвижно соединен ни с валом 1, ни со стержнем 2 и был установлен перед входным концом 11 вала 1 и перед входным концом 21 стержня 2.

Объектом настоящего изобретения является также турбомашина, содержащая описанное выше устройство детектирования разрушения вала.

Изобретение касается устройства детектирования разрушения вала на турбомашине, в частности, авиационного типа. В частности, оно касается устройства, выполненного с возможностью этого детектирования. Согласно изобретению устройство детектирования разрушения вала турбомашины содержит: вал, содержащий входной конец и выходной конец; стержень, содержащий входной конец и выходной конец и расположенный внутри и коаксиально с валом, при этом выходной конец стержня неподвижно крепят на выходном конце вала, а входной конец стержня может свободно вращаться по отношению к входному концу вала; и датчик, выполненный с возможностью детектирования разности режима вращения между входным концом стержня и входным концом вала. Технический результат изобретения - упрощение устройства детектирования разрушения вала и уменьшение его массы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины, содержащее:
вал (1), содержащий входной конец (11) и выходной конец (12),
стержень (2), содержащий входной конец (21) и выходной конец (22) и расположенный внутри и коаксиально с валом (1), при этом выходной конец (22) стержня (2) неподвижно крепят на выходном конце (12) вала (1), а входной конец (21) стержня (2) может свободно вращаться по отношению к входному концу (11) вала (1), и
датчик (3), выполненный с возможностью детектирования разности режима вращения между входным концом (21) стержня (2) и входным концом (11) вала (1).

2. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что датчик (3) содержит корпус (38), неподвижно закрепленный на входном конце (11) вала (1).

3. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины по п.2, отличающееся тем, что датчик (3) выполнен в форме полого цилиндра коаксиального с валом (1).

4. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины по п.3, отличающееся тем, что датчик (3) содержит:
подвижное вращающееся кольцо (31), содержащее постоянные магниты, расположенное коаксиально с валом (1), выполненное с возможностью вращения вокруг оси вала (1) и соединенное с входным концом (21) стержня (2), и
обмотку (32) из проводящего провода, неподвижно соединенную с корпусом (38) датчика (3) и коаксиальную с валом (1).

5. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины по п.4, отличающееся тем, что обмотка (32) окружает подвижное кольцо (31).

6. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины по п.4 или 5, отличающееся тем, что подвижное кольцо (31) и входной конец (21) стержня (2) соединены при помощи шлицов (24).

7. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что выходной конец (12) вала (1) и выходной конец (22) стержня (2) содержат шлицы (23) комплементарной формы.

8. Устройство детектирования разрушения вала (1) турбомашины по п.1, отличающееся тем, что датчик на входе содержит пробку (51).

9. Турбомашина, содержащая устройство детектирования разрушения вала (1) по одному из предыдущих пунктов.