机械保护装置 |
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| 申请号 | CN201280019674.5 | 申请日 | 2012-04-12 | 公开(公告)号 | CN103492748A | 公开(公告)日 | 2014-01-01 |
| 申请人 | 涡轮梅坎公司; | 发明人 | 奥利维尔·皮埃尔·德斯库伯斯; 奥利维尔·白德瑞恩; 伊莎贝拉·杰曼·克劳德·拉德维泽; 吉恩-米歇尔·皮埃尔·克劳德·派; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及机械保护装置的领域，其包括带有主转动轴线（X）的 传动轴 （1）以及在一旦扭 力 过载可以破裂的元件（2），并且特别地涉及机械保护装置，其进一步包括固定于传动轴（1），以绕着 主轴 线（X）转动和能够相对于主轴线（X）从第一 位置 到第二位置径向向外移动的可动构件（3），推动可动构件（3）朝向第一位置的 弹簧 （4），当可动构件（3）在第二位置时，能够停止可动构件（3）绕着主轴线（X）转动的切向支座（8）。校准可动构件（3）和弹簧（4），这样一旦已经达到预定的触发 角 速度 ，在大于弹簧（4）预 应力 的 离心力 的作用下，可动构件（3）从第一位置移动到第二位置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机械保护装置，其包括传动轴（1），该传动轴具有在扭力过载下能够破裂的易碎元件（2、2’），该装置的特征在于它进一步包括至少： |
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| 说明书全文 | 机械保护装置[0001] 本发明涉及机械保护装置，特别是用于提供防止超速的机械保护的装置。 [0002] 为了保护装置防止机械过载，本领域技术人员很久就已经意识到保护装置，在该保护装置中，一旦过载，就牺牲机械传动系统中的元件，以避免系统中更远的下游处更严重的损坏。通常，这种装置用于提供防止过多力或扭矩的保护。例如，美国专利号4313712和6042292公开了用于提供防止转轴上过多径向力的机械保护的装置。然而，这些现有的牺牲装置具有不能提供防止超速保护的缺陷。在许多情况下，超速可以引起比过多力或扭矩更多甚或更严重的损坏，这是可以发生的。特别地，在一些机器中，诸如涡轮轴发动机中，例如，超速可以引起正反馈现象，后者引起速度逐渐地增加直到毁坏机器。 [0003] 国际专利申请WO2008/101876公开了具有传动轴的机械保护装置，该传动轴带有在弯曲时对应于传动轴的预定旋转超速的共振频率。在该装置中，传动轴的弯曲共振用于吸收传动轴转动中所传动的动力，因此防止被超过的超速。然而，只有限制可用的动力和轴的弯曲阻尼足以分散所有的可用的动力，这才是可能的。如果可用的动力可用随着相反的扭矩而增加，那么轴的弯曲共振将不足以克服它。 [0004] 本发明寻求提供一种机械保护装置，其包括传动轴，该传动轴带有在扭力过载下易碎的元件，该装置适于提供具有防止超速的有效保护的机械组件。 [0005] 在至少一个实施方式中，通过下列事实达到该目的：该装置包括固定于传动轴，以绕着主轴线转动和适于相对于主轴线从第一位置到第二位置径向向外移动的至少可动构件，以及推动可动构件朝向第一位置的弹簧，以及当可动构件在第二位置时，适于停止可动构件绕着主轴线转动的切向支座。校准可动构件和弹簧，这样从预定的触发角速度，在大于弹簧预应力的离心力的作用下，可动构件从第一位置移动到第二位置。 [0006] 因此，该装置以两个原理进行工作：基于使用离心作用和弹簧的预应力，检测阈值速度已经被超过的原理，以及由于检测速度阈值已经被超过，基于由于触发而引起的破裂和易碎段，停止装置的原理。通过这些设置，一旦超速，可以有效地中断机械轴的动力传动，因此避免机械组件中更严重的损坏。可动构件对切向支座的撞击引起传动轴停止和引起传动轴的易碎段立即破裂，同时这很大程度上独立于撞击前，传动轴所传动的扭矩。只要不达到速度阈值，弹簧的预应力避免了可动构件被径向地移动，因此具有限制磨损的优点。 [0007] 切向支座特别地可以是固定支座。可动构件可以适合枢转或者适合平移从第一位置移动到第二位置，例如，通过在径向导引中滑动。 [0008] 本发明也提供了一种机器，其包括主动轴、进给泵、特别是燃料进给泵，以及本发明的机械保护装置，其中传动轴连接主动轴和进给泵，以致动进给泵。因此，一旦主动轴超速，传动轴的破裂就中断进给泵的致动，因此具有停止机器的作用。 [0009] 在另一个方面，所述主动轴连接涡轮机，该涡轮机配置为由进给泵所传输的燃料燃烧所加热的流体膨胀而被致动。因此，一旦涡轮机超速，并且由此一旦主动轴和传动轴超速，传动轴的破裂中断了燃料供给给机器，因此引起涡轮机停止。燃烧可以是内部的或外部的。因此，通过举例，涡轮机可以是由来源于燃料的燃烧的燃气所直接地致动的燃气涡轮机。 [0010] 本发明也提供了一种运载工具，特别地航空器，其包括本发明的机器。例如，机器可以是用于旋转翼的航空器的涡轮轴发动机。 [0011] 本发明也提供了一种机器保护的方法，该方法包括至少一个实施方式中下列步骤： [0012] 在传动轴的一定角速度，在离心力的作用下，触发可动构件相对于传动轴从第一位置到进一步径向地向外的第二位置移动，并且抵靠来自于弹簧的弹性预应力，后者推动可动构件在与离心力相反的方向上，可动构件随着传动轴而转动； [0013] 在第二位置，引起转动的可动构件接触抵靠切向支座；和 [0014] 在接触抵靠切向支座的可动构件所引起的扭力过载作用下，破裂传动轴的易碎元件。 [0016] 图1A是第一实施方式中机械保护装置的纵向截面图。 [0017] 图1B和1C是可动构件在两个不同位置中图1A装置的截面图。 [0018] 图2是第二实施方式中机械保护装置的纵向截面图。 [0019] 图3A是第三实施方式中机械保护装置的纵向截面图。 [0020] 图3B是可动构件在第二位置的图3A装置的详细视图。 [0021] 图4A是示意涡轮轴发动机的示意图，包括图1A到1C的机械保护装置；和[0022] 图4B是示意了一旦机械保护装置的传动轴破裂，图4A涡轮轴发动机的示意图。 [0023] 图1A和1B中示意了第一实施方式中的机械保护装置。该装置包括传动轴1，其带有用于连接传动轴与驱动装置（未示出）的第一传动元件1a，和用于连接传动轴1和待要被驱动的装置的第二传动轴元件1b，形成易碎元件2的减少段，以及在传动轴1中所包括的径向导引9中所容纳的可动构件3，通过这种方式以限制该可动构件随着传动轴1转动，同时保持在径向方向上可移动。预应力弹簧4压着可动构件3的近端3a靠着内部径向支座5，朝向传动轴1的转动轴线X，同时径向开口6允许可动构件3的远端3b向外穿过。特别地如图1B中所示，固定板7绕着传动轴1安装在可动构件3的轴向位置。在图1B中所示的实施方式中，该固定板7包括在与绕着轴线X的可动构件3的远端3b的转动呈切向方向的支座8。 [0024] 工作时，传动轴1的转动引起离心力FC等于可动构件3的质量m乘以可动构件3的重力中心CG的径向位置r乘以传动轴1的角速度ω的平方的乘积。在图1A中所示可动构件3的初始径向位置，近端3a接触内部支座5，可动构件3的重力中心CG在第一径向位置r1，弹簧4施加在径向方向上朝向转动轴线X的弹性预应力F1。因此，只要离心力FC不超过反向预应力F1，可动构件3的近端3a保持压靠内部径向支座5，以及可动构件3的重力中心CG保持在第一径向位置r1。然而，从角速度ω1时起，离心力FC变得大于预应力F1以及引起可动构件3向外移动。在胡可（Hooke）定律的应用中，弹性力Fe可以近似于下面的公式： [0025] Fe=k(r–r1)+F1 [0026] 其中k是弹簧4的刚度系数。 [0027] 为此，离心力满足下面的公式： [0028] Fe=mω2r [0029] 其中m是可动构件3的质量，ω是传动轴的角速度，以及r是手指3的重力中心距离转动轴线X的径向距离。 [0030] 因此，通过使用下面的公式，可以校准用于触发机械保护装置的角速度ω1： [0031] [0032] 为了获得作为触发保护装置结果的可动构件3的向外径向加速度，刚度系数k应该小于预应力F1除以初始径向位置r1的商： [0033] [0034] 因此，在触发角速度ω1，施加在可动构件上的离心力超过弹簧预应力F1和比可动构件的向外径向移动期间弹簧的反作用力增加更快。 [0035] 为了避免机械保护装置的不适时触发，设计它的维度也是适合的，这样它不能被振动或被其它外部加速度所触发。为此目的，径向距离r1可以满足下面的等式： [0036] [0037] 其中γ表示预定外部加速度，K表示安全因数，并且ωn表示小于触发角速度的传动轴的标称角速度。 [0038] 因此，基于这些公式可以校准可动构件3的质量m和初始位置r1，以及弹簧4的刚度k和预应力F1，以在超出传动轴1标称速度ωn预定超速Δω的临界速度ω1时触发保护装置。这种触发后，可动构件3朝向位于比第一位置更径向向外的第二位置移动。 [0039] 可动构件3已经移动到第二位置后，在转动的可动构件3的远端3b撞击固定的周围元件7的切向支座8之前，传动轴1可以进行最多一个完整的转动，如图1C中所示。可动构件3的远端3b对切向支座8的撞击突然地停止传动轴1的转动，因此在传动轴1上产生瞬时扭力过载和破裂轴向地位于第一连接元件1a和可动构件3之间的易碎元件2。因此，传动轴1作为牺牲的机械保护构件，不仅抵抗过多的力或扭矩，也抵抗过多的速度Δω。 [0040] 在第二实施方式中，如图2中所示，易碎元件2不是由传动轴1的减少段所形成，而是由剪切中易碎的销钉1所形成，并且将传动轴1的两个分离的段1a和1b连接在一起。在该第二实施方式中机械保护装置的其它元件功能上基本等同于第一实施方式中的元件，并且给它们相同的附图标记。 [0041] 尽管在第一和第二实施方式中使用离心力，以通过在动力传动轴1中所包括的径向导引9中滑动而引起可动构件3径向地移动，可以想象可替代的实施方式。因此，在如图3Α和3Β中所示的第三实施方式中，并且通过与带有枢转离心配重的瓦特调整器类似的形式，机械保护装置具有两个可动构件3，安装每个可动构件以在相对于传动轴1的纵向平面中枢转。两个可动构件3是L形的，每个具有在第一段上的近端3a，在第二段上的远端 3b，以及在第一段和第二段之间基本上直角的转角处的枢轴P。因此，在图3Α中所示的第一位置中，每个可动构件的第一段定向在基本上径向的方向上，并且它的第二段定向在基本上纵向的方向上，因此能够使弹簧4布置在传动轴1内部的纵向方向上。对弹簧4施加预应力，这样在该第一位置，它压着每个可动构件3的远端3b朝向传动轴1的转动轴线X和抵靠内部径向支座5。 [0042] 工作时，在该第三实施方式中传动轴1的转动在每个可动构件3上引起离心力FC，其等于可动构件3的质量m乘以可动构件3的重力中心CG的径向位置r乘以传动轴1的角速度ω的平方的乘积。该离心力FC产生枢转扭矩Μc，其等于离心力乘以距离枢轴P的重力中心CG的纵向距离L的乘积。当可动构件3在如图3Α中所示的初始位置中，每个可动构件3接触内部支座5，并且每个可动构件3的重力中心CG在第一径向位置r1，弹簧4沿着转动轴线X的方向，施加抵靠两个可动构件3的弹性预应力F1。该弹性预应力F1产生抵靠每个可动构件3的反向于离心枢转扭矩Μc的枢转扭矩Μ1。因此，只要离心枢转扭矩Μc不超过预应力F1所产生的反向枢转扭矩Μ1，可动构件3的远端3b保持压靠内部径向支座5，并且可动构件3的重力中心CG保持在第一径向位置r1。然而，从角速度ω1时起，离心扭矩Μc变得大于预应力扭矩F1和引起可动构件3向外枢转。在胡克定律的应用中，弹簧4在两个可动构件3上所施加的弹性力Fe可以近似于下面的公式： [0043] Fe=kx+F1 [0044] 其中k是弹簧4的刚度系数，并且x是弹簧4从初始位置开始已经被压缩经过的距离，如图3A中所示。 [0045] 为此，在每个可动构件3上所施加的离心力满足下面的公式： [0046] Fc=mω2r [0047] 其中m是每个可动构件3的质量，ω是传动轴的角速度，以及r是每个可动构件3的重力中心距离转动轴线X的径向距离。 [0048] 如果可动构件3基本上是相同的，并且如果它们与弹簧4的接触点是在距离枢轴P的径向距离λ处，可以使用下面公式校准用于触发机械保护装置的角速度ω1： [0049] [0050] 其中N表示可动构件3的数量（在所示的实施方式中，N=2）。 [0051] 为了获得作为触发保护装置结果的可动构件3的向外径向加速度，刚度系数k应该小于预应力F1除以初始径向位置r1的商： [0052] [0053] 如第一和第二实施方式中，为了避免机械保护装置的不适时触发，径向距离r1可以满足下面的等式： [0054] [0055] 其中γ表示预定外部加速度，K表示安全因数，并且ωn表示小于触发角速度的传动轴的标称角速度。 [0056] 因此，基于这些公式同样地可以校准这个第三实施方式中可动构件3和弹簧4，以在超出传动轴1标称速度ωn预定超速Δω的临界速度ω1时触发保护装置。这种触发后，可动构件3朝向位于比第一位置更径向向外的第二位置移动，并且如图3B中所示。 [0057] 可动构件3已经移动到第二位置后，绕着主轴线X转动的两个可动构件3之一的远端3b撞击抵靠切向支座8之前，传动轴1可以进行最多一半转动。可动构件3的远端3b对切向支座8的撞击在传动轴1上产生瞬时扭力过载，因此破裂轴向地布置在第一连接元件1a和可动构件3之间的易碎元件2。 [0058] 在图4A中示出了根据第一优选实施方式的任何一个，机械保护装置的应用实施例。在该实施例中，装置，诸如上面图中所示装置中的一个用于保护涡轮轴发动机10防止超速Δω。涡轮轴发动机10包括通过主动轴13连接在一起的压气机11和涡轮机12，以及由进给泵15供给燃料的燃烧室14。压气机11所压缩的空气输送给燃烧室14，涡轮机12中热燃烧气体的膨胀用于致动主动轴13，后者比用于致动压气机11所需要的动力具有更大的动力表面。例如，主动轴13由此可以连接其它机械装置，以驱动它们，诸如直升机的转子。 [0059] 在所示的涡轮轴发动机10中，传动轴1通过附属齿轮箱ΑGΒ连接主动轴13。传动轴1也连接进给泵15，以驱动它。通过这种方式，在工作时，动力通过传动轴1取自主动轴13，以向燃烧室14供给燃料。 [0060] 如果达到主动轴13的预定超速，传动轴1达到临界速度ω1，并且在易碎段2破裂。由此中断进给泵15的致动，如图4Β中所示，并且停止向燃烧室14的燃料供应。因为不再供给燃料，涡轮轴发动机10停止产生用于致动主动轴13的动力，因此防止主动轴13的失控。 [0061] 尽管上面参考了具体实施方式描述了本发明，清楚地，可以对这些实施方式进行各种修正和改变，而不脱离如权利要求所限定的本发明的总范围。特别地，所示的各个实施方式的单独特征可以组合以产生另外的实施方式。因此，说明书和附图应该认为是示例性的而不是限制性的。 |
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