УСТРОЙСТВО И СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
DEVICE AND METHOD OF MECHANICAL PROTECTION

Настоящее изобретение относится к механическому защитному устройству и, в частности, к устройству, обеспечивающему механическую защиту от превышения допустимой частоты вращения.
Специалистам давно известны устройства для защиты устройств от механических перегрузок, в которых в случае перегрузки жертвуют элементом в трансмиссии, чтобы предотвратить более серьезный ущерб в устройствах, находящихся после этой трансмиссии. Обычно такие устройства предназначены для защиты от избыточных сил или моментов. Например, в US 4313712 и US 6042292 раскрываются устройства, обеспечивающие механическую защиту от избыточных радиальных сил на вращающихся валах. Тем не менее, такие известные расходуемые устройства обладают недостатком, который заключается в том, что они не обеспечивают защиту от превышения допустимой частоты вращения. Во многих случаях превышение допустимой частоты вращения может привести к такому же или к еще более серьезному ущербу, что и избыточная сила или момент. В частности, в некоторых машинах, например в турбореактивных двигателях, превышение допустимой частоты вращения может привести к появлению положительной обратной связи, следствием чего является прогрессирующее увеличение частоты вращения, вплоть до разрушения машины.
В WO 2008/101876 раскрывается механическое защитное устройство, содержащее трансмиссионный вал, имеющий резонансную частоту изгиба, которая соответствует заранее определенному превышению допустимой частоты вращения трансмиссионного вала. В этом устройстве резонанс при изгибе трансмиссионного вала служит для поглощения мощности, передаваемой вращением трансмиссионного вала, тем самым предотвращая превышение допустимой частоты вращения. Тем не менее, это возможно только если имеющаяся мощность ограничена и демпфирование вала при изгибе достаточно для рассеяния всей имеющейся мощности. Если существует опасность увеличения имеющейся мощности с противодействующим крутящим моментом, тогда резонанса изгиба вала будет недостаточно, чтобы преодолеть ее.
Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков.
Задача решается с учетом того факта, что демпфирование трансмиссионного вала недостаточно, чтобы избежать поломки в результате резонанса при изгибе. Таким образом, трансмиссионный вал образует расходуемый элемент, который разрывает механическую кинематическую цепь в случае превышения допустимой частоты вращения.
С помощью этих мер можно создать эффективную защиту от превышения точно определенной заранее допустимой частоты вращения, даже когда передаваемая мощность не ограничена.
Преимущественно упомянутая резонансная частота при изгибе соответствует первому типу изгибных колебаний. Поэтому первая резонансная частота, достигаемая во время прогрессивного увеличения частоты вращения трансмиссионного вала, является частотой, при которой вал ломается.
Согласно настоящему изобретению также предлагается машина, содержащая приводной вал, нагнетательный насос, в частности топливный нагнетательный насос, и механическое защитное устройство по настоящему изобретению, в котором трансмиссионный вал соединяет приводной вал с нагнетательным насосом для привода нагнетательного насоса. Таким образом, разрушение трансмиссионного вала в случае превышения допустимой частоты вращения прерывает привод нагнетательного насоса и, следовательно, приводит к остановке машины.
Преимущественно приводной вал соединен с турбиной, которая приводится в действие путем расширения текучей среды, нагреваемой за счет сгорания топлива, подаваемого нагнетательным насосом. Поэтому в случае превышения допустимой частоты вращения турбины и, следовательно, приводного вала и трансмиссионного вала, разрушение трансмиссионного вала прерывает подачу топлива в машину, заставляя турбину остановиться. Сгорание может быть внешним или внутренним. Поэтому турбина может быть газовой турбиной, приводимой в действие непосредственно газом, являющимся результатом горения, или паровой турбиной, приводимой в действие средой, которая нагревается косвенно в результате сгорания топлива.
Согласно настоящему изобретению также предлагается транспортное средство, в частности летательный аппарат, содержащий машину по настоящему изобретению. Например, машина может быть турбовальным двигателем винтокрылого летательного аппарата.
Согласно настоящему изобретению также предлагается способ механической защиты, при котором происходит разрушение трансмиссионного вала за счет резонанса при изгибе вала при заранее определенном превышении допустимой частоты вращения.
Далее следует более подробное описание неограничивающего иллюстративного варианта настоящего изобретения и его преимуществ со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает модель трансмиссионного вала устройства механической защиты по варианту настоящего изобретения;
фиг. 2 - диаграмму Кэмпбелла для трансмиссионного вала по фиг. 1;
фиг. 3А - схему турбореактивного двигателя, содержащего устройство механической защиты по фиг. 1;
фиг. 3В - схему двигателя по фиг. 3А во время разрушения трансмиссионного вала устройства механической защиты.
r
r
r
FW
На фиг. 1 показана модель трансмиссионного вала 1 для устройства механической защиты по варианту настоящего изобретения. Трансмиссионный вал смоделирован как ротор Джеффкотта, содержащий штангу 1а и центральный диск 1b, которые скреплены друг с другом и поддерживаются в упруго установленных подшипниках 2, 3 и 4. Штанга 1а сама по себе является упругой. Поэтому трансмиссионный вал 1 является динамической системой, имеющей множество резонансных частот, включая резонансы по изгибу между подшипниками 2, 3 и 4. Каждый тон изгибных колебаний трансмиссионного вала 1 представляет две резонансные частоты: резонансная частота для закрутки вперед (FW) и резонансная частота для закрутки назад (BW). Каждая из этих двух частот может быть представлена кривой, как функция частоты вращения трансмиссионного вала 1. На фиг. 2 показаны кривые (FW) и (BW), соответственно, представляющие резонансную частоту первого тона изгибных колебаний при закрутке вперед и резонансную частоту первого тона изгибных колебаний при закрутке назад как функцию частоты вращения вала 1. На той же диаграмме прямая I показывает отношение f частот, соответствующее частоте Ω вращения вала 1. На вал, вращающийся с такой частотой f, действуют силы (даже непреднамеренно) в основном из-за дисбаланса. Дисбаланс не может возбудить изгибные колебания с закруткой назад. Однако когда отношение f совпадает с резонансной частотой закрутки вперед, т.е. как показано на диаграмме на фиг. 2, при критической частоте вращения Ω, вал 1 входит в резонанс. Хотя реальный трансмиссионный вал 1 может создавать некоторое собственное демпфирование, такое собственное демпфирование весьма ограничено и нормально его недостаточно, чтобы рассеивать энергию наведенных колебаний вала 1 при такой частоте вращения. Амплитуда изгибных колебаний вала 1, таким образом, отклоняется вплоть до разрушения вала 1.
FW
n
FW
В показанном устройстве механической защиты вал 1 откалиброван так, что критическая частота вращения Ω закрутки вперед первого тона изгибных колебаний соответствовала заранее определенному превышению допустимой частоты вращения, т.е., например, 120% от номинальной частоты Ω вращения вала 1. Поэтому, если трансмиссионный вал 1 достигает этой величины превышения допустимой частоты Ω вращения, такое превышение приводит к катастрофическому резонансу трансмиссионного вала 1, ведущему к его разрушению и разрыву кинематической цепи.
Поэтому трансмиссионный вал 1 работает как расходуемое устройство механической защиты не от чрезмерной силы или момента, а от чрезмерной частоты вращения. Пример применения такого устройства механической защиты от превышения допустимой частоты вращения показан на фиг. 3А. В этом примере устройство по настоящему изобретению используется для защиты турбореактивного двигателя 10 от заброса оборотов. Турбореактивный двигатель 10 содержит компрессор 11 и турбину 12, которые соединены друг с другом приводным валом 13, а также камеру 14 сгорания, в которую насос 15 нагнетает топливо. Воздух, сжатый компрессором 12, подается в камеру 14 сгорания и расширение горячего газа, образующегося в результате горения через турбину 12, приводит приводной вал 13 с большим избытком мощности относительно мощности, необходимой для привода компрессора 11. Поэтому к приводному валу 13 можно подсоединить другие механические устройства для их привода, такие как, например, ротор вертолета.
В турбореактивном двигателе 10 трансмиссионный вал 1 соединен с коробкой AGB привода агрегатов. Трансмиссионный вал также соединен с нагнетательным насосом 15 для его привода. Таким образом, при работе мощность отбирается от приводного вала 13 через трансмиссионный вал 1 для нагнетания топлива в камеру сгорания 14.
FW
Если приводной вал 13 достигнет заранее определенного превышения допустимой частоты вращения, трансмиссионный вал 1 достигает критической для него частоты Ω вращения и разрушается в результате изгибного резонанса. Нагнетательный насос 15 лишается привода, и подача топлива в камеру 14 сгорания прекращается. Поскольку топливо в двигатель 10 больше не подается, он прекращает производить мощность для привода приводного вала 13 и разнос приводного вала 13 предотвращается.
FW
В иллюстративном варианте применения приводной вал 13 турбореактивного двигателя 10 может иметь номинальную частоту вращения, равную 30000 об/мин, а механическое устройство защиты может быть настроено на прекращение подачи топлива при забросе оборотов в 120% от номинальной частоты вращения, т.е. при 36000 об/мин. Если трансмиссионный вал 1 приводится приводным валом 13 с передаточным отношением 1/3, его следует, таким образом, настроить на разрушение при критической частоте вращения 12000 об/мин, т.е. при резонансной частоте закрутки вперед Ω 200 Гц при первом тоне изгибных колебаний вала.
Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылками на конкретные варианты, понятно, что в эти варианты могут быть внесены различные изменения и замены, не выходящие за пределы объема защиты, определенного формулой. Следовательно, описание и чертежи следует считать иллюстративными, а не ограничивающими.