ТОРСИОМЕТР
TORSION METER

1. Область техники
Изобретение относится к торсиометру. В частности, изобретение касается торсиометра, предназначенного для измерения крутящего момента вращающегося элемента, в частности, в газотурбинном двигателе летательного аппарата.
2. Предшествующий уровень техники
Торсиометры являются устройствами измерения крутящего момента, принцип работы которых основан на измерении кручения первого вала, называемого трансмиссионным валом, на который действует измеряемый крутящий момент, и на сравнении угловой деформации, связанной с этим кручением, между трансмиссионным валом и вторым валом, называемым контрольным валом, на который не действует измеряемый крутящий момент. Сравнение позволяет определить измеряемый крутящий момент.
В частности, измерение угловой деформации осуществляют путем добавления каждому валу считывающих зубьев, образующих акустическое колесо, и путем считывания при помощи датчика прохождения каждого зуба перед датчиком. В отсутствие крутящего момента на трансмиссионном валу считывающий зуб трансмиссионного вала и считывающий зуб контрольного вала отстоят друг от друга на некоторое расстояние. Когда на трансмиссионный вал действует крутящий момент, появляющееся в результате кручение приводит к деформации вала и к перемещению считывающего зуба трансмиссионного вала относительно считывающего зуба контрольного вала. Это перемещение вызывает изменение времени прохождения зуба перед датчиком по отношению к зубу контрольного вала и позволяет вывести на этом основании действующий на вал крутящий момент.
Во время использования такого торсиометра в окружающей среде, в которой происходят сильные перепады температуры, например, в газотурбинном двигателе летательного аппарата, кручение трансмиссионного вала может различаться при одном и том же измеряемом крутящем моменте в зависимости от температуры трансмиссионного вала. Точно так же изменяется измеряемая угловая деформация, и измеренный крутящий момент имеет более или менее большую погрешность в зависимости от температуры, для которой калиброван торсиометр.
Чтобы избегать погрешностей измерения, связанных с меняющейся температурой, действующей на торсиометр, было предложено несколько технических решений.
В частности, согласно одному решению, было предложено использовать наклонные считывающие зубья на акустическом колесе, что позволяет снизить влияние температуры. Однако коррекция, осуществляемая за счет наклона зубьев, является постоянной и не зависит от крутящего момента. Следовательно, эта коррекция является оптимизированной только для одного диапазона крутящего момента и приводит к погрешности за пределами этого диапазона.
Другое решение состоит в помещении торсиометра в изолированную окружающую среду, чтобы он не подвергался действию температурных перепадов. Вместе с тем, изолирование торсиометра снижает температурные перепады, но не исключает их полностью. Следовательно, погрешность измерения не корректируется, и точность измерения страдает.
Требования все более точных измерений крутящего момента заставили авторов изобретения искать новые решения в ответ на эти проблемы.
3. Задачи изобретения
Изобретение призвано преодолеть по меньшей мере некоторые недостатки известных торсиометров.
В частности, по меньшей мере в одном варианте выполнения изобретение призвано предложить торсиометр, в котором измерение крутящего момента не зависит от перепадов температуры.
В частности, по меньшей мере в одном варианте выполнения изобретение призвано предложить торсиометр, который можно легко адаптировать к разным авиационным газотурбинным двигателям.
4. Раскрытие изобретения
В связи с этим, объектом изобретения является торсиометр, содержащий первый вал, называемый трансмиссионным валом, на который действует измеряемый крутящий момент, и второй вал, называемый контрольным валом, и устройство измерения угловой деформации между трансмиссионным валом и контрольным валом, при этом упомянутая угловая деформация характеризует измеряемый крутящий момент,
отличающийся тем, что трансмиссионный вал содержит отверстие, образующее внутреннюю стенку и проходящее от одного конца трансмиссионного вала, называемого входом вала, к противоположному концу, называемому выходом вала, и тем, что торсиометр содержит:
- камеру теплоизоляции первого и второго вала, и
- контур циркуляции текучей среды, содержащий:
- участок, образованный упомянутым отверстием трансмиссионного вала,
- инжектор для впрыска текучей среды в отверстие на уровне упомянутого входа вала, и
- температурный датчик, называемый главным температурным датчиком, выполненный с возможностью измерения температуры текучей среды в контуре циркуляции текучей среды, при этом измеренная температура текучей среды предназначена для коррекции измерения крутящего момента.
Таким образом, заявленный торсиометр позволяет задавать температуру на трансмиссионном валу, с одной стороны, благодаря изоляции, которая в значительной степени обеспечивает снижение влияния внешней температуры на трансмиссионный вал, и, с другой стороны, благодаря циркуляции текучей среды в отверстии, выполненном в трансмиссионному валу, позволяющей задавать на трансмиссионному валу температуру, которая известна, так как измеряется главным температурным датчиком. Поскольку температура трансмиссионного вала известна, так как является очень близкой к температуре текучей среды, то можно прогнозировать ее влияние на измеряемую угловую деформацию (связанную с кручением трансмиссионного вала) и, следовательно, производить коррекцию измерения крутящего момента в зависимости от этой температуры вала.
Измерение температуры текучей среды при помощи температурного датчика является более простым, чем измерение температуры трансмиссионного вала.
Кроме того, заявленный торсиометр позволяет упростить так называемые процедуры согласования или калибровки, при которых определяют параметры согласования, обеспечивающие правильное измерение крутящего момента в ситуации реальной работы, например, когда торсиометр установлен в двигателе. Эти параметры согласования представляют собой, например, связь между температурой трансмиссионного вала и измеряемой угловой деформацией, позволяющую вывести на ее основании крутящий момент. В известных технических решениях это согласование необходимо осуществлять в двигателе, в котором должен быть установлен торсиометр. В случае существенной модификации двигателя необходимо опять осуществлять согласование торсиометра. В рамках изобретения, благодаря изоляции и температуре, задаваемой текучей средой, параметры согласования не зависят от двигателя, в котором установлен торсиометр, и, следовательно, процедура согласования упрощена, так как ее можно осуществлять в испытательном двигателе, который можно использовать для всех заявленных согласуемых торсиометров, или на калибровочном стенде, который не требует присутствия укомплектованного двигателя.
Контур циркуляции текучей среды и температурный датчик входят в состав устройства коррекции измерения крутящего момента. Это устройство коррекции измерения крутящего момента содержит вычислительное устройство, позволяющее производить коррекцию измерения крутящего момента на основании измерения температуры, осуществляемого температурным датчиком.
Кроме того, торсиометр может содержать несколько температурных датчиков. Однако, поскольку температура текучей среды меняется незначительно по причине изоляции, то, как правило, достаточно одного температурного датчика.
Предпочтительно, согласно первому варианту изобретения, трансмиссионный вал и контрольный вал являются коаксиальными, при этом трансмиссионный вал расположен внутри контрольного вала.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, торсиометр имеет исключительно компактный габарит. Узел, образованный трансмиссионным валом и контрольным валом иногда называют валом торсиометра.
Предпочтительно, согласно второму варианту изобретения, трансмиссионный вал и контрольный вал являются коаксиальными, при этом контрольный вал расположен внутри трансмиссионного вала, и текучая среда циркулирует между внутренней стенкой трансмиссионного вала и наружной стенкой контрольного вала.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, габарит торсиометра значительно уменьшается, и торсиометр выполнен таким образом, чтобы текучая среда входила в контакт с внутренней стенкой трансмиссионного вала, чтобы регулировать температуру трансмиссионного вала, несмотря на присутствие контрольного вала внутри трансмиссионного вала, то есть в отверстии трансмиссионного вала.
Предпочтительно, согласно изобретению, текучая среда является маслом, и контур циркуляции текучей среды является гидравлическим контуром.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, масло является текучей средой, широко применяемой в области промышленности, где контуры циркуляции являются контролируемыми, и обеспечивает хороший теплообмен с трансмиссионным валом, чтобы задавать его температуру.
Кроме того, во время использования торсиометра в газотурбинном двигателе можно по меньшей мере частично повторно использовать существующие контуры циркуляции масла (называемые также гидравлическими контурами). В частности, главный температурный датчик может быть температурным датчиком, уже существующим в газотурбинном двигателе для другого применения.
Согласно другим вариантам изобретения, текучая среда может быть топливом (например, керосином), газом (например, воздухом) и т.д.
Предпочтительно, согласно изобретению, главный температурный датчик выполнен с возможностью измерения температуры текучей среды на входе вала.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, главный температурный датчик позволяет определять температуру на входе вала, которая близка к температуре, задаваемой валу во время циркуляции текучей среды в отверстии вала.
Кроме того, во время использования торсиометра в газотурбинном двигателе температурный датчик часто присутствует в начале гидравлического контура до перехода текучей среды в разные агрегаты, и, следовательно, его можно использовать для торсиометра без необходимости установки дополнительного температурного датчика, который был бы в этом случае избыточным.
Предпочтительно, согласно этому последнему отличительному признаку изобретения, торсиометр содержит вспомогательный температурный датчик, выполненный с возможностью измерения температуры на выходе вала.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, добавление второго датчика на выходе вала позволяет обнаруживать возможное изменение температуры текучей среды после прохождения через трансмиссионный вал. Это изменение может произойти в случае недостаточной изоляции валов и может быть учтено и скорректировано, благодаря наличию второго датчика. Таким образом, измерение температуры является более точным и более надежным.
Предпочтительно, согласно изобретению, отверстие содержит две секции отверстия, соединенные переходной зоной: первую секцию со стороны входа вала и вторую секцию со стороны выхода вала, при этом вторая секция имеет диаметр, меньший диаметра первой секции.
Согласно этому отличительному признаку изобретения, уменьшение диаметра обеспечивает лучшую циркуляцию масла за счет образования уступа на уровне переходной зоны.
Предпочтительно, согласно этому последнему отличительному признаку изобретения, ось второй секции смещена относительно оси первой секции и отверстия.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий вращающийся вал, отличающийся тем, что содержит заявленный торсиометр, выполненный с возможностью измерения крутящего момента вала во время вращения.
Объектами изобретения являются также торсиометр и газотурбинный двигатель, характеризующиеся в комбинации всеми или частью вышеупомянутых или указанных ниже отличительных признаков.
5. Список чертежей
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи на которых:
Фиг. 1 изображает схематичный вид в частичном разрезе торсиометра согласно первому варианту выполнения изобретения.
Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе части торсиометра согласно второму варианту выполнения изобретения.
6. Подробное описание варианта выполнения изобретения
Представленные ниже варианты выполнения являются лишь примерами. Хотя описание ссылается на один или несколько вариантов выполнения, это не обязательно значит, что каждая ссылка касается одного и того же варианта выполнения или что отличительные признаки применимы только для одного варианта выполнения. Простые отличительные признаки разных вариантов выполнения можно также комбинировать для получения других вариантов выполнения. В целях иллюстрации и для большей ясности на фигурах масштабы и пропорции не соблюдены. В частности, значения длины различных показанных валов могут меняться в зависимости от различных вариантов выполнения изобретения.
На фиг. 1 в частичном разрезе схематично показан торсиометр 100 согласно первому варианту выполнения изобретения.
Торсиометр содержит два вала: первый так называемый трансмиссионный вал 12 и второй так называемый контрольный вал 14. В этом первом варианте выполнения трансмиссионный вал 12 и контрольный вал 14 являются коаксиальными, и трансмиссионный вал 12 расположен внутри контрольного вала 14.
На трансмиссионный вал 12 действует крутящий момент, измеряемый торсиометром 10, но этот крутящий момент не действует на контрольный вал 14. Таким образом, трансмиссионный вал 12 претерпевает кручение, характеризующее измеряемый крутящий момент.
Трансмиссионный вал 12 и контрольный вал 14 содержат, каждый, акустическое колесо 16а, 16b, имеющие считывающие зубья 18, при этом оба колеса 16а, 16b выполнены таким образом, чтобы считывающий датчик 20 обнаруживал прохождение считывающих зубьев 18 двух акустических колес 16а, 16b. Считывание является, например, оптическим или магнитным и позволяет определять время между прохождением каждого зуба и, таким образом, угловую деформацию между трансмиссионным валом 12 и контрольным валом 14, связанную с тем, что только трансмиссионный вал 12 подвергается действию измеряемого крутящего момента. Угловая деформация, характеризующая кручение трансмиссионного вала 12, позволяет определять измеряемый крутящий момент. Акустические колеса 16а, 16b и считывающий датчик 20 образуют устройство измерения угловой деформации.
Чтобы снизить влияние температуры на торсиометр 10, в частности, влияние температуры на кручение трансмиссионного вала 12, торсиометр 10 содержит, с одной стороны, теплоизолирующую камеру 22, позволяющую исключить или ограничить влияние внешней температуры на торсиометр 10, и, с другой стороны, контур циркуляции текучей среды, позволяющий задавать для трансмиссионного вала 12 температуру, являющуюся температурой проходящего через него масла.
Контур циркуляции текучей среды содержит участок, образованный отверстием 24 трансмиссионного вала 12, чтобы текучая среда могла проходить через это отверстие 24. Отверстие 24 образует внутреннюю стенку 26 и проходит от одного конца трансмиссионного вала 12, называемого входом 28 вала, до противоположного конца, называемого выходом 30 вала. Отверстие может содержать несколько секций разного диаметра, соединенных переходной зоной 31, образующей один или несколько уступов, что позволяет улучшить циркуляцию текучей среды.
Таким образом, текучая среда проходит в отверстии 24 и входит в контакт с внутренней стенкой 26, что позволяет задавать ее температуру на трансмиссионном валу 12 за счет теплопередачи. Кроме того, изоляция трансмиссионного вала 12 при помощи изолирующей камеры приводит к тому, что возможные изменения температуры трансмиссионного вала 12 связаны только с изменением температуры текучей среды. Путь текучей среды в отверстии 24 показан стрелкой, проходящей через трансмиссионный вал 12 между входом 28 и выходом 30 вала.
Текучую среду впрыскивают в отверстие 24 на уровне входа 28 вала при помощи инжектора 32 контура циркуляции текучей среды. Инжектор 32 обеспечивает растекание текучей среды на внутренней стенке отверстия и циркуляцию текучей среды вдоль отверстия 24. На выходе отверстия 24 текучая среда продолжает циркулировать в контуре циркуляции текучей среды.
Для определения температуры текучей среды контур циркуляции текучей среды содержит по меньшей мере один температурный датчик: в этом варианте выполнения рядом с входом 28 вала перед инжектором 32 расположен главный температурный датчик 34 для измерения температуры текучей среды на входе 28 вала.
Измеряемая, таким образом, температура текучей среды позволяет производить коррекцию измерения крутящего момента торсиометра 10: поскольку кручение трансмиссионного вала 12 меняется в зависимости от температуры, знание этой температуры позволяет определять изменение кручения и выводить на его основании коррекцию для определяемого крутящего момента, благодаря датчику 20 считывания акустических колес 16а, 16b, чтобы получить точное измерение крутящего момента. Это вычисление крутящего момента на основании измерения считывающего датчика и температуры, измеряемой главным температурным датчиком 34, можно осуществлять, например, в вычислительном устройстве (не показано).
Контрольный вал 14 не нуждается в контуре циркуляции текучей среды, так как он не подвергается действию крутящего момента и, следовательно, не имеет кручения, изменяющегося в зависимости от температуры.
На фиг. 2 схематично показана часть торсиометра 200 согласно второму варианту выполнения изобретения.
Как и в первом варианте выполнения, торсиометр содержит два вала: трансмиссионный вал 12 и контрольный вал 14. В этом втором варианте выполнения трансмиссионный вал 12 и контрольный вал 14 являются коаксиальными, но в отличие от первого варианта выполнения контрольный вал 14 расположен внутри трансмиссионного вала 12. Для упрощения фигуры части торсиометра 10, содержащие акустические колеса, не показаны, так как они аналогичны первому варианту выполнения.
Таким образом, циркуляция текучей среды, впрыскиваемой через инжектор 32, происходит в отверстии 24 между внутренней стенкой 26 трансмиссионного вала и наружной стенкой 35 контрольного вала 14. Стрелки на фигуре показывают путь текучей среды в торсиометре.
Кроме того, в этом втором варианте выполнения торсиометр 10 содержит главный температурный датчик 34 и вспомогательный температурный датчик 36, обеспечивающий второе измерение температуры на уровне выхода вала. Этот вспомогательный температурный датчик 36 позволяет уточнить измерение и полезен в случае плохой изоляции трансмиссионного вала 12 в изолирующей камере 22, что приводит к изменению температуры трансмиссионного вала 12 под влиянием внешнего элемента. На практике ненадлежащая изоляция трансмиссионного вала 12 приводит к изменению температуры в пределах от значения на входе вала, измеряемого главным температурным датчиком 34, до значения на выходе вала, измеряемого вспомогательным температурным датчиком 36, которое остается слабым. Значение измеренной температуры, используемое для коррекции измерения торсиометра 10, может, например, представлять собой среднее значение между температурами, измеренными на входе и на выходе вала, чтобы учитывать слабое изменение.
Например, текучей средой, используемой в первом и втором вариантах выполнения, является масло. В частности, во время применения торсиометра согласно одному из этих вариантов выполнения в авиационном газотурбинном двигателе газотурбинный двигатель содержит гидравлический масляный контур, предназначенный для питания различных агрегатов. Масло этого гидравлического контура можно использовать для питания контура циркуляции текучей среды торсиометра. Кроме того, можно повторно использовать элементы гидравлического контура, например, датчик температуры масла, распределяемого гидравлическим контуром, можно использовать в качестве главноготемпературного датчика торсиометра, если между этим датчиком и входом вала температура масла не меняется.
Согласно другим вариантам выполнения, используемой текучей средой может быть, например, топливо (в частности, керосин) или газ (в частности, воздух), которые тоже иногда имеются в свободном наличии в авиационном газотурбинном двигателе.