ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2022 года по МПК F02C7/00 F02C7/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области электрических кабелей, более конкретно, электрических кабелей для оснащения турбомашины.

Предпосылки создания изобретения

Электрический кабель - это электротехническое устройство, которое передает электрические сигналы между различными элементами оборудования. В случае турбомашины, оснащенной компьютером и многочисленными датчиками, между компьютером и датчиками размещаются электрические кабели для передачи в компьютер результатов измерений, проводимых этими датчиками.

В частности, так называемая двухкорпусная турбомашина, содержащая корпус низкого давления и корпус высокого давления, снабжается датчиками для измерения скорости вращения ротора низкого давления, называемой скоростью N1, и скорости вращения ротора высокого давления, называемой скоростью N2.

Этим датчикам скорости N1 и N2 могут мешать вибрации турбомашины. На сигналы измерения скорости могут влиять пики шума, которые могут привести к ложному обнаружению неисправности двигателя. Эти помехи могут быть заметны только на определенных рабочих скоростях, например, при запуске двигателя.

Чтобы снизить уровень шума в сигнале, можно фильтровать сигнал с использованием аналогового фильтра, также называемого далее электрической схемой фильтра, который может быть интегрирован в электронную схему подсчета, как показано, например, в заявке на патент США 20030231013.

Эта электронная схема подсчета, как правило, встроена в компьютер турбомашины, известный как FADEC (Full Authority Digital Engine Control Electronic, цифровая электроника управления двигателем с полной ответственностью).

Компьютер обычно находится в гондоле, окружающей вентилятор турбомашины. Это электронная система управления двигателем. В большинстве случаев все электрические кабели и компьютер находятся в пожароопасной зоне. Пожароопасные зоны определяются как зоны турбомашины, в которых вероятно возникновение пожара.

Эти электрические кабели обычно снабжены средствами тепловой защиты или теплоизолирующими слоями для обеспечения стойкости в жестких температурных условиях, как показано в заявке на патент Франции FR 2901423. Компьютер обычно включает в себя как средства охлаждения, так и средства обнаружения пожара.

Чтобы избежать изменения конструкции компьютера, предпочтительно встраивать электрическую схему фильтра в электрический кабель, несущий сигналы, которые должны быть переданы в компьютер. Также нежелательно модифицировать датчик путем включения в его состав электрической схемы фильтра, так как масса датчика должна быть ограничена, чтобы его положение в турбомашине оставалось достаточно стабильным при воздействии вибраций двигателя.

Встраивание электрической схемы фильтра в электрический кабель создает несколько трудностей. В конфигурации, где весь кабель находится в пожароопасной зоне, электрическая схема фильтра, встроенная в кабель, должна обрабатывать огнестойкие рабочие (Operating Fire Resistant, OFR) сигналы, передаваемые кабелем, которые должны передаваться в наличии даже в случае пожара. Считается, что сигналы являются огнестойкими (OFR), если они доступны в случае пожара в течение как минимум пяти минут. На практике электрический кабель должен выдерживать воздействие огня в течение не менее пяти минут. Электрические компоненты электрической схемы фильтра, встроенного в кабель, должны выдерживать температуру 1100°С в соответствии со стандартом Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) ISO 2685: 1998 (E), что не имеет места на практике.

Необязательно, чтобы электрическая схема фильтра работала после пяти минут пожара, даже если температура окружающей среды возвращается к комнатной температуре. Потеря функциональности электрической схемы фильтра является приемлемой при условии, что это не препятствует передаче сигнала, даже с шумами, переносимого кабелем в компьютер.

Таким образом, проблема заключается в интеграции электрической схемы фильтра, которая может содержать низкотемпературные электрические компоненты, в огнестойкий электрический кабель без ущерба для передачи в случае пожара сигналов OFR, переносимых кабелем. Эти сигналы могут ухудшаться в случае пожара, но должны передаваться на компьютер и не должны подвергаться критическому ухудшению после пяти минут воздействия огня.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится, в первую очередь, к электрическому кабелю для турбомашины, содержащему первый конец, подключенный к устройству, способному передавать электрический сигнал, и второй конец, подключенный к устройству обработки сигналов, отличающийся тем, что он содержит электрическую схему для фильтрации сигнала, причем упомянутая схема содержит по меньшей мере один электронный компонент, связанный с температурным рабочим порогом, и по меньшей мере одно термически управляемое средство электрического прерывания, соединенное последовательно или параллельно по меньшей мере с одним электронным компонентом, причем упомянутое по меньшей мере одно средство электрического прерывания способно переходить из разомкнутого состояния, в котором ток не может протекать через него, к замкнутому состоянию, в котором ток может протекать через него, или, наоборот, из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, при температуры срабатывания ниже или равной температурному рабочему порогу упомянутого по меньшей мере одного электронного компонента, чтобы продолжать обеспечивать передачу между первым концом и вторым концом, если температура становится выше упомянутой температуры срабатывания.

Таким образом, отказ компонента, связанного с температурным рабочим порогом, не препятствует передаче электрического сигнала в компьютер, поскольку тепловое реле имеет температуру срабатывания, меньшую или равную температурному рабочему порогу электронного компонента.

В зависимости от конкретной функции, средства электрического прерывания выбирают из следующего списка: тепловое реле, плавкий предохранитель и тепловой прерыватель цепи.

Тепловое реле используется для переключения из разомкнутого состояния в замкнутое состояние, позволяющее току течь. Плавкий предохранитель или тепловой прерыватель цепи используется для переключения из замкнутого в разомкнутое состояние и используется для предотвращения короткого замыкания.

Согласно одной конкретной особенности, электрическая схема фильтра сигнала состоит из резистора и конденсатора, соединенных последовательно. Эта конфигурация обеспечивает RC-фильтр нижних частот для фильтрации высоких частот электрического сигнала. Могут использоваться и другие типы фильтров (верхних частот, полосовые…) в зависимости от необходимого типа фильтрации.

Согласно конкретной особенности, резистор включен параллельно тепловому реле. Эта конфигурация предотвращает потерю сигнала в случае, если резистор имеет отказ, эквивалентный разомкнутой цепи.

Согласно конкретной особенности конденсатор включен последовательно с плавким предохранителем или с тепловым прерывателем цепи. Это предотвращает короткое замыкание в случае отказа конденсатора.

Согласно конкретной особенности, электрическая схема фильтра покрыта металлической оплеткой и термоусадочной оболочкой или покрытием, полученным формованием, чтобы гарантировать непрерывность экранирования кабеля.

Согласно конкретной особенности, один из первого или второго концов содержит соединитель, имеющий в своем составе упомянутую электрическую схему для фильтрации упомянутого сигнала. Такое расположение облегчает специалисту в данной области техники интеграцию электрической схемы фильтра в кабель.

Согласно конкретной особенности, кабель включает в себя огнестойкий корпус, содержащий электрическую схему фильтра. Эта конфигурация используется в качестве альтернативы расположению фильтра в соединителе кабеля.

Изобретение касается также турбомашины, содержащей по меньшей мере один ротор, датчик, способный измерять скорость вращения ротора, и компьютер, способный принимать результаты измерения упомянутой скорости вращения, отличающейся тем, что она содержит электрический кабель, выполненный согласно одному из описанных выше примеров, первый конец которого подключен к датчику скорости вращения, а второй конец подключен к компьютеру. Этот тип турбомашины можно использовать, например, для испытаний на огнестойкость.

Согласно другой особенности, турбомашина может содержать корпус низкого давления, связанный со скоростью вращения N1, и корпус высокого давления, связанный со скоростью вращения N2, а также датчики, способные измерять скорости вращения N1 и N2, и компьютер, способный принимать сигнал для измерения скорости N1 и/или N2, причем первый конец подключен к одному из датчиков. Таким образом, электрическая схема фильтра обеспечивает как фильтрацию сигналов в нормальных условиях (без пожара), так и обеспечивает передачу сигналов скорости вращения двигателя в случае пожара в течение как минимум пяти минут.

Изобретение будет более понятно, и другие подробности, особенности и преимущества изобретения станут более ясными после прочтения следующего описания, которое приведено в качестве неограничивающего примера со ссылкой на чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой упрощенную схему турбомашины.

Фиг. 2 представляет собой схему электрического кабеля согласно форме осуществления изобретения.

Фиг. 3 представляет собой схему электрического кабеля согласно другой форме осуществления изобретения.

Фиг. 4 представляет собой схему электрического кабеля согласно еще одной форме осуществления изобретения.

Фиг. 5 представляет собой упрощенную схему кабеля, содержащего аналоговый фильтр нижних частот.

Фиг. 6 представляет собой упрощенную схему кабеля, содержащего аналоговый фильтр верхних частот.

Фиг. 7 представляет собой упрощенную схему кабеля, содержащего полосовой аналоговый фильтр.

Подробное описание

Сначала обратимся к фиг. 1, представляющую двухкорпусную турбомашину 1. Эта турбомашина 1 содержит корпус низкого давления, содержащий ротор, скорость вращения которого обозначается N1, и корпус высокого давления, содержащий ротор, скорость вращения которого обозначается N2, причем ротор высокого давления и ротор низкого давления являются соосными и могут вращаться независимо друг от друга. Турбомашина также содержит датчики 2 и 3, способные измерять скорости вращения N1 и N2, соответственно, и компьютер 4, способный принимать сигналы измерения скоростей N1 и N2. Корпус высокого давления состоит из компрессора 6 высокого давления и турбины высокого давления. Ротор высокого давления содержит вал 7, соединяющий множество лопастных колес компрессора высокого давления по меньшей мере с одним лопастным колесом турбины 8 высокого давления. Ротор низкого давления состоит из компрессора 9 низкого давления и турбины 11 низкого давления. Ротор низкого давления содержит вал 10, соединяющий множество лопастных колес компрессора низкого давления с множеством лопастных колес турбины 11 низкого давления. Как показано на фиг. 1, вал высокого давления окружает вал 10 низкого давления.

Эта турбомашина 1 также содержит два электрических кабеля 5, каждый из которых содержит первый конец Т1, подключенный к одному из датчиков 2 или 3, и второй конец Т2, подключенный к компьютеру 4. Электрические кабели 5 являются огнестойкими, и каждый из них включает в себя аналоговый фильтр, способный фильтровать электрический сигнал в нормальных условиях (без пожара) и позволяющий в случае пожара гарантировать передачу сигналов измерения скорости как минимум в течение пяти минут.

Так, каждый электрический кабель 5 содержит первый конец Т1, подключенный к устройству, способному передавать электрический сигнал (например, датчику 3), и второй конец Т2, подключенный к устройству обработки сигналов (в данном случае к компьютеру 4), как показано на фиг. 2, 3 и 4.

В зависимости от конструкции, показанной на фиг. 2 и 3, электрический кабель 5 может включать в себя соединитель 12 на каждом конце Т1 и Т2.

В соответствии с формами осуществления изобретения на фиг. 3 и фиг. 4, электрический кабель 5 содержит огнестойкий корпус 13.

Согласно форме осуществления изобретения, показанной на фиг. 4, первый конец Т1 не может отсоединяться от датчика 3, а второй конец Т2 не может отсоединяться от компьютера 4. В общем, электрический кабель 5 может включать в себя конец Т1 или Т2, который может быть отсоединяемым или не отсоединяемым от устройства, к которому он подключен.

Каждый кабель 5 содержит электрическую схему для фильтрации сигнала. Эта схема может быть встроена либо в огнестойкий корпус 13, показанный на фиг. 3 или 4, либо в один из соединителей 12, как показано на фиг. 2 и 3. Фильтр может быть покрыт металлической оплеткой для экранирования, а также термоусаживаемым рукавом или покрытием, полученным путем формования.

Расположение фильтра в одном из соединителей 12, которые образуют точки поддержки кабеля, облегчает специалисту встраивание фильтра в кабель 5.

Если фильтр встраивается в корпус 13, последний выполняется по меньшей мере частично металлическим, чтобы обеспечить экранирование. В этой конфигурации соединение кабеля с корпусом 13 может быть отсоединяемым или не отсоединяемым.

Эта электрическая схема фильтра содержит по меньшей мере один электронный компонент (например, резистор R или конденсатор С), связанный с температурным рабочим порогом, и термически управляемое средство электрического прерывания, соединенное последовательно или параллельно с упомянутым компонентом, причем упомянутое средство электрического прерывания способно переходить из разомкнутого состояния, в котором ток не может течь через него, в замкнутое состояние, в котором ток может течь через него, или наоборот, из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, при температуре срабатывания, меньшей или равной температурному рабочему порогу упомянутого электронного компонента.

Таким образом, отказ компонента, связанного с температурным рабочим порогом, не препятствует передаче электрического сигнала в компьютер 4.

Обратимся к фиг. 5, 6 и 7, чтобы проиллюстрировать три примера форм осуществления изобретения, каждый раз с фильтром другого типа, встроенным в электрический кабель 5.

Согласно форме осуществления изобретения, показанной на фиг. 5, фильтр, встроенный в электрический кабель 5, является RC-фильтром нижних частот. Поэтому он содержит два низкотемпературных электронных компонента: резистор R и конденсатор С. Резистор R и конденсатор С соединены последовательно. В случае пожара отказ резистора R и конденсатора С соответствует разомкнутой или замкнутой цепи. Каждый вид отказа влияет на функциональное поведение схемы:

если резистор R ведет себя как разомкнутая цепь, происходит потеря измеренного сигнала,

если резистор R ведет себя как замкнутая цепь, фильтр больше не работает, но передача сигнала сохраняется,

если конденсатор С ведет себя как разомкнутая цепь, фильтр больше не работает, но передача сигнала сохраняется,

если конденсатор С ведет себя как замкнутая цепь, это создает короткое замыкание и происходит потеря сигнала измерения.

Если фильтр выходит из строя, а сигнал передается, передаваемый сигнал будет зашумлен. Обнаружение двойной неисправности, соответствующее обнаружению пожара в сочетании с ложным обнаружением неисправности из-за пика шума в передаваемом сигнале, на практике маловероятно. Отказы, которые приводят к потере измеряемого сигнала, на практике неприемлемы, особенно в случае сигнала измерения скорости N1. В особом случае пожара потеря функциональности фильтра является приемлемой, при условии, что нефильтрованный сигнал остается пригодным для измерения скорости N1.

Действительно, потеря сигнала от датчика 3 скорости N1 неприемлема, поскольку компьютер 4 не может регулировать двигатель без этого измерения. Потеря такого сигнала может привести к серьезным сбоям, которые могут привести к потере управления тягой двигателя.

Чтобы бороться с неисправностью в виде разомкнутой цепи резистора R, термически управляемое средство электрического прерывания подключают параллельно резистору R, причем упомянутое средство прерывания может переключаться из разомкнутого состояния, в котором ток не течет, в замкнутое состояние, в котором ток течет. Таким образом, в замкнутом состоянии средство электрического прерывания позволяет току течь, хотя резистор R находится в разомкнутой цепи. В этом случае средством электрического прерывания является тепловое реле, например, биметаллическая полоска 14а. Биметаллическая полоска 14а позволяет замкнуть накоротко резистор R выше определенной температуры, то есть температуры срабатывания. Тепловые характеристики срабатывания реле, образованного биметаллической полоской 14а, подобраны таким образом, что замыкание накоротко резистора R происходит до его отказа. Для этого температура, при которой биметаллическая полоска 14а срабатывает, замыкая накоротко резистор R, находится ниже температурного рабочего порога резистора R.

Согласно конкретной особенности, биметаллическая полоска 14а состоит из материалов (например, керамики), температура плавления которых выше максимальной температуры, наблюдаемой в условиях пожара. Максимальная температура, зарегистрированная в условиях пожара, обычно составляет 1100°С.

В соответствии с конкретной особенностью, тип используемой биметаллической полоски предпочтительно представляет собой биметаллическую полоску со скачкообразным переключением (также называемую щелчковой биметаллической полоской), поскольку биметаллическая полоска этого типа является наименее чувствительной к механическим вибрациям. Таким образом, биметаллическая полоска 14а способна быстро менять положение при определенном температурном пороге.

Чтобы бороться с отказом в виде замкнутой цепи конденсатора С, термически управляемое средство электрического прерывания соединяется последовательно с конденсатором, причем упомянутое средство электрического прерывания способно переключаться из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, в котором предотвращается короткое замыкание, которое вызвано отказом в виде короткого замыкания конденсатора С.Этим средством электрического прерывания является, например, плавкий предохранитель 14b или тепловой прерыватель цепи. Предохранитель 14b позволяет отключить конденсатор С при превышении определенной температуры, что позволяет избежать ситуации, когда конденсатор С будет создавать короткое замыкание. Предохранитель 14b рассчитан на перегорание раньше отказа конденсатора С. Поэтому температура плавления плавкого предохранителя 14b выбирается ниже температурного рабочего порога конденсатора С.

Чтобы избежать потери сигнала, биметаллическая полоска 14а должна срабатывать до ухудшения параметров резистора R, и предохранитель 14b должен срабатывать до ухудшения параметров конденсатора С. В случае пожара имеет место быстрое изменение температуры в оборудовании с низкой массой, таком как электрический кабель, и соответствующие моменты времени срабатывания биметаллической полоски 14а и плавкого предохранителя 14b будут разделены относительно коротким интервалом времени, даже если соответствующие температуры срабатывания этих двух электрических переключающих элементов совершенно разные. Например, если плавкий предохранитель 14b срабатывает (перегорает) до того, как срабатывает (переключается) биметаллическая полоска, RC-цепь временно становится цепью с одним резистором R. Тем не менее, эта ситуация не окажет влияния на регулирование двигателя компьютером 4. Поэтому несущественно, чтобы биметаллическая полоска 14а и плавкий предохранитель 14b выбирались так, чтобы их соответствующие температуры срабатывания были близки друг к другу. Эти температуры срабатывания обычно находятся в диапазоне от 150 до 350°С, но возможны более высокие значения, если температурные рабочие пороги резистора R и конденсатора С превышают этот диапазон.

Могут использоваться и другие типы фильтров (верхних частот, полосовые…) в зависимости от желаемого типа фильтрации.

На фиг. 6 показан кабель 5, снабженный RC-фильтром верхних частот. В данном конкретном случае, виды отказов будут такие же, как и в случае ранее описанного RC-фильтра нижних частот, но с переменой мест между резистором R и конденсатором С. На этот раз потеря сигнала измерения соответствует отказу в виде разомкнутой цепи конденсатора С или отказу в виде замыкания цепи резистора R (короткому замыканию). В этом случае тепловое реле подключено параллельно конденсатору С, так что перед тем, как конденсатор С станет разомкнутым из-за чрезмерной температуры, реле переключается из разомкнутого состояния в замкнутое состояние для пропускания электрического тока. Кроме того, плавкий предохранитель 14b соединен последовательно с резистором R, чтобы предотвратить короткое замыкание в случае, когда резистор R поведет себя как замкнутая цепь из-за чрезмерно высоких температур.

На фиг. 7 показан электрический кабель 5, снабженный полосовым фильтром. Он имеет форму RC-фильтра нижних частот, соединенного последовательно с RC-фильтром верхних частот. Таким же образом, как и для фильтров, описанных выше, режимами отказов управляют с помощью термически управляемых средств электрического прерывания. Отказом в виде разомкнутой цепи резистора R1 или конденсатора С2 управляет биметаллическая полоска 14а, подключенная параллельно этим двум компонентам. Отказом в виде замкнутой цепи конденсатора С1 и резистора R2 управляет плавкий предохранитель 14b.

Таким образом, описанные формы осуществления изобретения позволяют встраивать электрическую схему фильтра, которая может содержать низкотемпературные компоненты, такие как резистор или конденсатор, в огнестойкий электрический кабель, соединяющий датчик 3 и компьютер 4, без ущерба для передачи сигналов OFR, осуществляемой с помощью кабеля 5, в случае пожара.

Изобретение относится к области электрических кабелей для оснащения турбомашин. Предлагается электрический кабель для турбомашины, содержащий первый конец, подключенный к устройству (3), способному передавать электрический сигнал, и второй конец, подключенный к устройству обработки сигнала (4), согласно изобретению он содержит электрическую схему для фильтрации сигнала, причем упомянутая схема содержит по меньшей мере один электронный компонент, связанный с температурным рабочим порогом, и одно термически управляемое средство прерывания электрической цепи, соединенное последовательно или параллельно с упомянутым электронным компонентом, причем упомянутое средство электрического прерывания может переходить из разомкнутого состояния, в котором ток не может протекать через него, в замкнутое состояние, в котором ток может протекать через него, или обратно из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, при температуре срабатывания ниже или равной температурному рабочему порогу упомянутого электронного компонента. Изобретение обеспечивает передачу сигналов OFR, переносимых кабелем в случае пожара. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электрический кабель (5) для турбомашины, содержащий первый конец (Т1), подключенный к устройству (3), способному передавать электрический сигнал, и второй конец (Т2), подключенный к устройству (4) обработки сигналов, отличающийся тем, что он содержит электрическую схему для фильтрации сигнала, причем упомянутая схема содержит по меньшей мере один электронный компонент, связанный с температурным рабочим порогом, и по меньшей мере одно термически управляемое средство электрического прерывания, включенное последовательно или параллельно с упомянутым по меньшей мере одним электронным компонентом, при этом упомянутое по меньшей мере одно средство электрического прерывания способно переходить из разомкнутого состояния, в котором ток не может протекать через него, в замкнутое состояние, в котором ток может протекать через него, или наоборот из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, при температуре срабатывания ниже или равной температурному рабочему порогу упомянутого по меньшей мере одного электронного компонента, так, чтобы продолжать обеспечивать электрическую передачу между первым концом и вторым концом, если температура становится выше упомянутой температуры срабатывания.

2. Электрический кабель (5) по п. 1, отличающийся тем, что средство электрического прерывания выбрано из следующего списка: тепловое реле, плавкий предохранитель и тепловой прерыватель цепи.

3. Электрический кабель (5) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что электрическая схема фильтра сигнала содержит резистор (R) и конденсатор (С), образующие последовательную RC-цепь.

4. Электрический кабель (5) по п. 3, отличающийся тем, что резистор (R) включен параллельно тепловому реле, такому как биметаллическая полоска (14а) со скачкообразным переключением.

5. Электрический кабель (5) по п. 3 или 4, отличающийся тем, что конденсатор (С) включен последовательно с предохранителем (14b) или тепловым прерывателем цепи.

6. Электрический кабель по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что один из концов (Т1) или (Т2) содержит соединитель (12), в который встроена упомянутая электрическая схема для фильтрации упомянутого сигнала.

7. Электрический кабель (5) по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что электрический кабель (5) содержит огнестойкий корпус (13), содержащий упомянутую электрическую схему фильтра.

8. Электрический кабель (5) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что электрическая схема фильтра покрыта металлической оплеткой и термоусадочной оболочкой или покрытием, полученным путем формования.

9. Турбомашина, содержащая по меньшей мере один ротор, датчик, способный измерять скорость вращения ротора, и компьютер, способный принимать результат измерения упомянутой скорости вращения, отличающаяся тем, что она содержит электрический кабель по одному из предыдущих пунктов, первый конец которого подключен к датчику скорости вращения ротора, а второй конец подключен к компьютеру.

10. Турбомашина (1) по п. 9, содержащая корпус низкого давления, связанный со скоростью N1 вращения ротора, и корпус высокого давления, связанный со скоростью N2 вращения ротора, а также датчики (2) и (3), способные измерять скорости вращения N1 и N2, и компьютер (4), способный принимать сигнал измерения скорости N1 и/или N2, при этом первый конец (Т1) кабеля (5) подключен к одному из датчиков (2) или (3).