Способ и устройство для измерения нагрузки в соединении
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING LOAD IN CONNECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения изобретения, описанного в настоящем документе, относятся к способам и устройствам для измерения нагрузки в соединении, в частности, но без ограничения указанным, в области применения турбин.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Если в области использования механизмов возникает необходимость соединения друг с другом двух вращающихся валов (ведущего и ведомого) устройства, то требуется компенсировать относительное смещение указанных двух валов для исключения возможности повреждения самого устройства.
Данная потребность еще более ощутима, если один (или оба) ведущий вал (или приводящий/приводимый механизм в целом) подвергается воздействию переменной (высокой) рабочей температуры, что может привести к термическому расширению одного вала, вызывающему соответствующее пространственное смещение между ведущим и ведомым валом в соединении.
В частности, понятно, что это особенно важно в области применения газовых турбин, где вал турбины обычно соединен с редуктором или с одним (или более) компрессором.
Известно, что в данной области техники для соединения ведущего вала турбины и ведомого вала редуктора или компрессора используют упругое соединение с упругими элементами.
В частности, данные упругие соединительные элементы соединяют два вращающихся вала (ведущий и ведомый) для передачи крутящего момента от одного вала к другому, компенсируя разного рода рассогласования (радиальное или угловое, либо и то и другое), а также осевое смещение валов, так чтобы ни один из валов не оказывал избыточного осевого давления на другой из них.
Каждый упругий соединительный элемент содержит один или более упругих элементов, расположенных между первым и вторым фланцами параллельно друг другу, при этом крутящий момент посредством соединительной муфты передается к упругим элементам, каждый из которых прикреплен болтами к промежуточной детали, тем самым, компенсируя рассогласование двух валов.
Таким образом, благодаря использованию упругих соединительных элементов уменьшены силы, действующие на оба вала.
Кроме использования указанных упругих соединительных элементов, в области применения газовых турбин был разработан способ контроля крутящего момента, передаваемого между двумя валами; примеры устройств, обеспечивающих измерение крутящего момента, описаны в патенте США №7784364 и в заявке на патент США №2012/0234107.
Несмотря на использование упругих соединительных элементов и измерения крутящего момента, в случае избыточной нагрузки все-таки может возникать износ и в конечном итоге повреждение упорных подшипников ведомого вала.
Таким образом, существует общая необходимость в измерении нагрузки на ведомый вал (и, наоборот, на ведущий вал) для обеспечения воздействия на соединение или на турбину, или на редуктор, или компрессор для уменьшения износа и повреждений упорных подшипников.
Дополнительная задача заключается в создании способа и устройства, обеспечивающих возможность измерения нагрузки с высокой точностью измерений.
Еще одной задачей является создание способа и устройства, обеспечивающих возможность выполнения измерения нагрузки без взаимодействия с присоединенными устройствами (например, турбиной/компрессором).
Следующей задачей является создание способа и устройства, обеспечивающих возможность выполнения измерения нагрузки также в уже установленных устройствах (например, турбине/компрессоре) без необходимости их существенной модификации.
Другая задача заключается в обеспечении возможности измерения нагрузки, которое не реагирует или незначительно реагирует на термическое расширение, обусловленное сравнительно высокой температурой рабочих валов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, существует общая необходимость в усовершенствованных способе и устройстве для измерения нагрузки в соединении для точного определения нагрузки, действующей на ведущий/ведомый вал соединения турбина/устройство потребления энергии.
Основная идея заключается в измерении осевой нагрузки между первым, ведущим валом и вторым, ведомым валом, соединенными посредством по меньшей мере одного упругого соединительного элемента, с помощью использования по меньшей мере части указанных элементов как части измерительного устройства, при этом такая осевая нагрузка является главной причиной износа и повреждений упорных подшипников, поскольку является следствием осевого смещения между ведущим валом (например, валом турбины) и ведомым валом (а именно, валом устройства потребления энергии, например, валом редуктора или валом компрессора).
Другая идея, в данном контексте, заключается в выполнении указанного измерения осевой нагрузки бесконтактным способом, исключая взаимодействие с вращающимися валами или упругими соединительными элементами.
Первые варианты выполнения изобретения, описанного в настоящем документе, относятся к способу измерения нагрузки в соединении между первым, ведущим валом и вторым, ведомым валом, соединенными посредством муфты, соединенной как с первым, так и со вторым валом при помощи по меньшей мере одного упругого соединительного элемента, присоединенного к указанной муфте и к указанному первому и/или второму валу, причем способ включает, по меньшей мере в процессе работы валов, этап измерения изменения расстояния относительно исходного расстояния между первым фланцем муфты и вторым фланцем упругого соединительного элемента, а также этап использования данного измеренного изменения расстояния для расчета указанной нагрузки.
Вторые варианты выполнения изобретения, описанного в настоящем документе, относятся к устройству для измерения нагрузки в соединении между первым, ведущим валом и вторым, ведомым валом, соединенными посредством муфты, соединенной как с первым, так и со вторым валом при помощи по меньшей мере одного упругого соединительного элемента, присоединенного к указанной муфте и к указанному первому и/или второму валу, при этом упругий соединительный элемент содержит по меньшей мере один эластичный элемент, предпочтительно, множество собранных в пакет эластичных дисков, причем эластичный элемент упругого соединительного элемента соединен как с муфтой, так и с одним из первого и второго вала для передачи крутящего момента между обоими валами, причем устройство содержит первый фланец муфты и второй фланец упругого соединительного элемента, при этом указанный второй фланец соединен с эластичным элементом и по меньшей мере одной измерительной станцией, обеспечивающей измерение изменения расстояния относительно исходного расстояния между первым и вторым фланцем.
Таким образом, осевая нагрузка может быть измерена на соединенных первом и втором валах, с использованием по меньшей мере одного упругого соединительного элемента как части измерительного устройства; после измерения расстояния между двумя фланцами может быть измерено осевое усилие (нагрузка), действующее на вал; в частности, исходя из предположения, что соединение между валами (соединение содержит первый и второй упругие соединительные элементы и соединительную муфту) ведет себя как система, состоящая из пружин, может быть определена или измерена осевая нагрузка, действующая на вал, используя очень простое математическое соотношение (закон Гука).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые включены в настоящий документ и составляют часть описания, иллюстрируют и совместно с подробным описанием объясняют варианты выполнения изобретения. На чертежах:
Фиг. 1 изображает продольный разрез варианта выполнения устройства для измерения нагрузки в соединении;
Фиг. 2 изображает поперечный разрез спереди устройства для измерения нагрузки в соединении, показанного на Фиг. 1;
Фиг. 3 - Фиг. 6 изображают другие разрезы измерительной станции устройства для измерения нагрузки, показанного на Фиг. 1 и Фиг. 2; и
Фиг. 7 и Фиг. 8 изображают вид спереди опоры для измерительной станции, показанной на предыдущих чертежах, выполненной с термопарами.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Представленное ниже описание вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Приведенное ниже описание не ограничивает изобретение. В действительности, объем изобретения определен прилагаемой формулой изобретения.
Используемое во всем описании выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к варианту выполнения, относятся по меньшей мере к одному варианту выполнения обсуждаемого изобретения. Таким образом, фраза «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», используемая в разных местах описания, не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Более того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.
На Фиг. 1 - Фиг. 8 изображен один вариант выполнения устройства для измерения нагрузки в соединении, в целом обозначенного номером 100 позиции.
Устройство 100 для измерения нагрузки в соединении обеспечивает измерение нагрузки между первым, ведущим валом 1 и вторым, ведомым валом 2.
Ведущий вал 1 представляет собой, например, вал турбины, при этом ведомый вал 2 представляет вал редуктора или компрессора.
Два вала 1, 2 соединены посредством муфты 3, соединенной как с первым валом 1, так и вторым валом 2.
Муфта может иметь разные формы, в зависимости от конкретной установки; например, муфта может иметь по существу трубчатую форму, как в примерном варианте выполнения, изображенном на прилагаемых чертежах.
Соединение между первым валом 1 и/или вторым валом 2 содержит по меньший мере один упругий соединительный элемент.
Данный упругий соединительный элемент 5, 6 обеспечивает передачу крутящего момента от одного вала 1 к другому валу 2 и в то же время компенсирует разного рода рассогласования (радиальное или угловое, либо и то и другое), а также осевое смещение валов; при этом упругий соединительный элемент 5, 6, в целом, известен в данной области техники и ниже будет приведено только краткое его описание.
В примерном варианте выполнения, проиллюстрированном чертежами, изображены два упругих соединительных элемента 5, 6, при этом один элемент 5 соединен с муфтой 3 и ведущим валом 1, а второй элемент 6 соединен с муфтой 3 и ведомым валом 2.
Следует понимать, что в других вариантах выполнения имеется только один упругий соединительный элемент 5 или 6. В этом случае один из двух валов (1 или 2) соединен непосредственно с муфтой, тогда как другой вал (2 или 1) соединен с муфтой посредством одного упругого элемента 5 или 6.
В примерном варианте выполнения каждый упругий соединительный элемент 5, 6 содержит по меньшей мере один эластичный элемент 52, 62, соединенный как с муфтой 3, так и с одним из первого или второго вала 1, 2 для передачи крутящего момента между указанными валами в процессе эксплуатации.
Эластичный элемент 52, 62, предпочтительно, содержит множество собранных в пакет эластичных дисков, соединенных с муфтой и валом в центральных и периферических областях, с обеспечением возможности упругой балансировки указанным пакетов дисков взаимного рассогласования между муфтой и валом, обусловленного разными причинами (например, в результате теплового расширения).
Согласно примерному варианту выполнения, устройство 100 дополнительно содержит первый фланец 31 муфты 3 и второй фланец 61 упругого соединительного элемента 6.
Следует отметить, что согласно варианту выполнения, второй фланец 61 является фланцем упругого соединительного элемента 6, который обеспечивает соединение муфты 3 с ведомым валом 2, но в других вариантах выполнения (не показано) второй фланец является фланцем 51 упругого соединительного элемента 5, который обеспечивает соединение муфты 3 с ведущим валом 1.
Тем не менее, применение второго фланца 61 упругого элемента 6, который обеспечивает соединение муфты 3 с ведомым валом 2, обеспечивает некоторые преимущества, связанные с уменьшенными термическими напряжениями, если первый вал является валом турбины.
Второй фланец 51, 61 соединен с эластичным элементом 52, 62 с обеспечением возможности перемещения по существу совместно с указанным элементом.
Устройство 100 дополнительно содержит по меньшей мере одну измерительную станцию 7', 7'', предназначенную для измерения изменения расстояния относительно исходного расстояния между первым и вторым фланцами.
В примерном варианте выполнения изображены две измерительные станции 7', 7'', по причине, которая будет объяснена ниже; при этом следует понимать, что может быть выполнена только одна станция 7', 7''.
В примерном варианте выполнения станция 7' и/или 7'' содержит по меньшей мере один датчик для измерения изменения расстояния относительно исходного расстояния между первым и вторым фланцем, предпочтительно датчик вихревых токов.
Исходное расстояние представляет собой расстояние между первым и вторым фланцем, измеренное в нерабочем состоянии валов (когда скорость вращения валов примерно равна нулю).
В примерном варианте выполнения, который изображен на Фиг. 3 - Фиг. 5, каждая измерительная станция 7', 7'' содержит по меньшей мере два датчика 71, 72, каждый из которых имеет один измерительный наконечник 73, 74; при этом каждый измерительный наконечник 73, 74 каждого датчика 71, 72 обращен к одному из первого фланца 31 и второго фланца 61 для измерения расстояние между каждым измерительным наконечником и соответствующим первым фланцем 31 или вторым фланцем 61, и в частности, для измерения изменения расстояния относительно исходного расстояния.
Датчики установлены на опоре 9, обеспечивая измерение расстояния или изменения расстояния относительно исходного расстояния в направлении, параллельном оси 38 вращения валов.
Указанные датчики, предпочтительно, относятся к датчикам бесконтактного типа, например, оптическим (к примеру, лазерным) или подобным датчикам, еще более предпочтительно указанные датчики являются датчиками вихревых токов: датчики вихревых токов хорошо известны в данной области техники и в данном документе подробно описаны не будут.
Как представлено в примерном варианте выполнения, предпочтительно, выполнено две измерительные станции 7', 7''; еще более предпочтительно, каждая из указанных двух станций 7', 7'' расположена на соответствующем измерительном участке первого фланца 31 и второго фланца 61.
Две измерительные станции 7', 7'', предпочтительно, расположены на противоположных сторонах муфты 3, еще более предпочтительно, станции отстоят друг от друга на 180° относительно центральной оси 38 вращения муфты 3, как хорошо видно на Фиг. 2.
Данный конкретный вариант выполнения имеет дополнительное преимущество, обеспечивающее измерение на двух разных участках соединения и компенсацию для разных измерений, выполненных двумя станциями 7', 7''; такая компенсация может быть выполнена, используя среднее значение между двумя измерениями.
В примерном варианте выполнения, который изображен на Фиг. 3 - Фиг. 5, измерительная станция 7', 7'' дополнительно содержит опору 9, поддерживающую по меньшей мере один датчик 71, 72 или оба указанных датчика, если используют два датчика, как в предпочтительном варианте выполнения, проиллюстрированном на чертежами; при этом датчики 71, 72 установлены на опоре 9, так что один из датчиков обращен к первому фланцу, а другой ко второму фланцу.
Опора 9 может быть зафиксирована на земле или корпусе устройства, содержащего по меньшей мере один из ведущего или ведомого вала, или муфту.
Опора 9, предпочтительно, выполнена из материала, имеющего низкий коэффициент теплового расширения.
В примерном варианте выполнения, который изображен на Фиг. 3 - Фиг. 5, измерительная станция 7', 7'' дополнительно содержит устройство охлаждения для охлаждения опоры 9 и/или по меньшей мере одного датчика 71, 72 для уменьшения погрешности измерения, вызванной термическим расширением датчиков или опоры.
В предпочтительном варианте выполнения представлено устройство охлаждения, содержащее по меньшей мере один воздуховод 11, 12, обеспечивающий поступление воздушного потока к опоре 9 и/или по меньшей мере к одному датчику 71, 72.
В свою очередь, воздуховоды 11, 12 при работе соединены с источниками охлаждающего воздуха, такими как трубопровод подачи охлаждающего воздуха, источники сжатого воздуха или им подобные, которые не показаны на чертежах.
Следует отметить, что в альтернативном варианте устройство охлаждения может работать не с воздухом, а с другой текучей средой, например, с охлаждающей жидкостью, обеспечивающей охлаждение датчиков 71, 72 и/или опоры.
Более того, в других вариантах выполнения, не проиллюстрированных на чертежах, могут быть выполнены очистные устройства, обеспечивающие очистку поверхностей или участков измерения для получения более точных результатов измерений; указанные очистные устройства особенно целесообразны, если вместо датчиков вихревых токов применяют оптические датчики, например, лазерные датчики.
В данном случае, для уменьшения погрешности измерения особенно целесообразно поддерживать участки измерения чистыми от пыли; это может быть обеспечено при помощи очистного устройства, например, потока воздуха, направленного к указанным участкам.
В конкретном варианте выполнения очистное устройство включено в уже описанное устройство охлаждения; это может быть обеспечено путем подачи воздушного потока не только по направлению к датчикам или опоре, но и по направлению к фланцам.
Поскольку термическое расширение или увеличение размеров опоры или датчиков может вызывать погрешности измерения для ограничения указанных погрешностей необходимо обеспечить по меньшей мере один температурный датчик, предпочтительно, для каждого датчика, как изображено на Фиг. 7, Фиг. 8.
Для выполнения очень точного измерения, еще более предпочтительно для каждого датчика 71, 72 иметь пару, состоящую из температурных датчиков 15, 16; 17, 18, как изображено на указанных выше чертежах.
Как изображено на Фиг. 7 и Фиг. 8, температурные датчики 15, 16; 17, 18 каждой пары расположены с противоположных сторон соответствующего датчика 71, 72, предпочтительно, на опорных кольцевых конструкциях, зафиксированных на опоре 9 и проходящих вокруг внешнего корпуса каждого датчика.
В отношении раскрытого в настоящем документе способа измерения нагрузки в месте сочленения необходимо сказать, что данный способ может быть реализован посредством вышеописанного устройства 100.
Указанный способ обеспечивает измерение нагрузки между первым, ведущим валом 1 и вторым, ведомым валом 2, в частности, измерение осевой нагрузки между указанными валами 1, 2.
Упомянутый выше способ включает по меньшей мере этап измерения изменения расстояния относительно исходного расстояния между первым фланцем 31 муфты и вторым фланцем 61 упругого соединительного элемента 5, 6; указанное изменение расстояния измеряют в рабочем состоянии, когда два вала 1, 2 совершают рабочее вращение.
Способ дополнительно включает этап использования указанного измеренного изменения расстояния для расчета нагрузки.
В частности, нагрузку рассчитывают как линейную функцию измеренного расстояния.
Еще более предпочтительно, обозначая нагрузку как F, а измеренное изменение расстояния относительно исходного расстояния, как X, нагрузку рассчитывают по формуле F=K*Х, при условии, что соединение между валами (соединение содержит по меньшей мере соединение между первым или вторым валом и упругим соединительным элементом и соединительной муфтой) ведет себя как система пружин, в таком случае, осевую нагрузку, действующую на вал, можно определить или измерить, используя очень простое математическое соотношение (закон Гука).
В частности, в том случае, когда соединение муфты 3 с одним из первого и второго вала обеспечивает один соединительный элемент, K представляет собой коэффициент, по существу равный осевой жесткости упругого соединительного элемента.
Если соединение муфты 3 с первым валом 1 и вторым валом 2 обеспечивают два соединительных элемента, то коэффициент K по существу равен сумме осевых жесткостей упругих соединительных элементов.
В предпочтительном, но не ограничивающем варианте выполнения, описанном в настоящем документе, этап измерения выполняют бесконтактным способом относительно первого и второго фланцев 31, 61.
Бесконтактное измерение позволяет исключить истирание измерительного датчика и обеспечивает более качественное измерение; это особенно целесообразно, если ведущий вал является валом турбины, поскольку в процессе эксплуатации скорость вращения очень высока.
Бесконтактное измерение, предпочтительно, выполняют посредством датчиков вихревых токов.
Еще более предпочтительно, в процессе эксплуатации этап бесконтактного измерения выполняют по меньшей мере путем измерения расстояния между первым фланцем 31 и первой точкой 73 измерения и путем измерения расстояния между вторым фланцем 61 и второй точкой 74 измерения.
Для уменьшения погрешностей при измерениях, обеспечено наличие по меньшей мере двух разных измерительных участков 7', 7'' первого и второго фланца 31, 61.
Два измерительных участка, предпочтительно, расположены с противоположных сторон муфты 3, еще более предпочтительно, отстоят на 180° друг от друга относительно центральной оси 38 вращения муфты 3.
Этап измерения выполняют посредством по меньшей мере одной измерительной станции 7', 7'', при этом способ дополнительно включает этап охлаждения по меньшей мере измерительной станции 7', 7'', предпочтительно, по меньшей мере датчиков. Этап охлаждения, предпочтительно, выполняют по меньшей мере посредством воздушного потока, направленного к измерительным датчикам, причем температура воздушного потока ниже температуры измерительной станции, для охлаждения по меньшей мере датчиков.