ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МУФТА С ОГРАНИЧИТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И СОСТАВНАЯ ТУРБОСИСТЕМА
FLUID COUPLING WITH SPEED-LIMIT DEVICE AND COMPOSITE TURBO-SYSTEM

Данное изобретение касается гидродинамической муфты, в частности для составной турбосистемы и, в частности, составной турбосистемы с гидродинамической муфтой.
Гидродинамическая муфта в такой составной турбосистеме служит для передачи крутящего момента от турбины использования отработавшего газа (далее ОГ), которая расположена в потоке ОГ двигателя внутреннего сгорания, на коленчатый вал, который приводится в действие двигателем внутреннего сгорания, чтобы вследствие этого повышать коэффициент полезного действия трансмиссии. Естественно вследствие того, что коленчатый вал приводится через гидродинамическую муфту турбиной использования ОГ, возникает сопротивление крутящему моменту газовой турбины, которое предотвращает неконтролируемое раскручивание турбины использования ОГ. Если по какой-либо причине, например из-за потери наполнителя в контуре муфты, это сопротивление крутящему моменту должно было бы ограничиваться или выключаться, то возникает опасность, что турбина использования ОГ попадает в область превышенной частоты вращения и получает повреждения.
Потери наполнителя в циркуляционном контуре муфты, т.е. потери рабочей жидкости, которая обращается в контуре рабочей жидкости гидродинамической муфты, могут происходить, например, из-за повреждения чаши муфты (трещина или т.п.) вследствие порока материала или неисправности вследствие несоблюдения правил эксплуатации. Даже если осуществляются мероприятия, чтобы предохранять муфту в случае такого повреждения от выхода из строя, такое повреждение все равно привело бы в составной турбосистеме к описанной превышенной частоте вращения турбины использования ОГ и к повреждению последней. Чтобы это исключить, обычно предусматривается контроль частоты вращения газовой турбины, который при регистрации превышенной частоты вращения принимает соответствующие меры, например включение байпаса вокруг турбины использования ОГ, так как другие мероприятия, как, например, запирание потока ОГ, приводящего в действие турбину использования ОГ, что возможно только за счет выключения двигателя, представляются не практичными.
Следующий недостаток можно видеть в том, что активный контроль частоты вращения нуждается в дополнительной энергии.
В WO 00/55527 A описана гидродинамическая муфта с параллельно подключенным сцеплением блокирования, причем наполнение и опорожнение гидродинамической муфты происходит в зависимости от управления сцеплением блокирования.
В GB-A-2292774 описан двигатель внутреннего сгорания с наддувом с турбиной использования ОГ и гидродинамической муфтой.
В US-A-2397862 описана гидродинамическая муфта с запорным болтом, который при превышении заданной скорости насосного колеса связывает без проворачивания друг с другом насосное колесо и турбинное колесо.
В основе изобретения лежит задача предоставления гидродинамической муфты и, в частности, составной турбосистемы с соответствующей изобретению гидродинамической муфтой, которые улучшены по сравнению с уровнем техники и, в частности, обеспечивают автоматическую, обходящуюся без внешней энергии защиту от превышения частоты вращения.
Эта задача решается посредством гидродинамической муфты с признаками п.1 формулы изобретения и посредством составной турбосистемы с признаками п.10 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают особенно предпочтительные варианты выполнения изобретения.
Таким образом, гидродинамическая муфта согласно п.1 формулы изобретения прежде всего содержит обычные детали, такие как насосное колесо и турбинное колесо, которые образуют друг с другом рабочую зону. Эта рабочая зона может быть наполнена или может заполняться рабочей жидкостью. Для подвода и отвода рабочей жидкости в рабочую зону и из рабочей зоны предусмотрен контур рабочей жидкости, который называется также контуром муфты.
Согласно изобретению гидродинамическая муфта содержит блокирующее устройство, которое пригодно для того, чтобы блокировать насосное колесо и турбинное колесо без проворачивания относительно друг друга. Это блокирующее устройство связано с проводящей рабочую жидкость областью муфты, например, между насосным колесом и турбинным колесом, в частности между внешней чашей насосного колеса, которая окружает турбинное колесо на его обратной стороне, а именно так, что оно запирается ниже предварительно заданного коэффициента наполнения рабочей зоны, причем коэффициент наполнения отражается на (частичном) заполнении и опорожнении проводящей рабочую жидкость области. При этом запирание в смысле настоящего изобретения означает блокировку без проворачивания насосного колеса и турбинного колеса друг относительно друга. При этом запирание предпочтительно происходит автоматически, т.е. без производимого на муфту снаружи ручного воздействия, в частности автоматически под влиянием центробежной силы, неизбежно возникающей во время работы гидродинамической муфты. Предпочтительно механическое блокирующее устройство выполнено в форме сцепления блокирования, которое включается и выключается автоматически, в частности, под влиянием центробежной силы, неизбежно появляющейся при эксплуатации.
Особенно предпочтительно механическое блокирующее устройство может быть выполнено так, что оно одновременно представляет защиту от превышенной частоты вращения для гидродинамической муфты, наряду со своей функцией контроля за коэффициентом наполнения рабочей зоны. В этом случае оно, например, за счет предусматривания элемента центробежной силы, т.е. элемента с предварительно заданной массой, который смещается центробежной силой радиально наружу при превышении заданной частоты вращения, выполнено так, что оно запирается при превышении заданной частоты вращения насосного колеса или турбинного колеса. Также запирание блокирующего устройства, которое предпочтительно выполнено как сцепление блокирования, происходит здесь, в частности, автоматически, т.е. сцепление блокирования автоматически включается и выключается, например, под неизбежно появляющимся во время эксплуатации влиянием центробежной силы.
В частности, при применении соответствующей изобретению гидродинамической муфты в составной турбосистеме запирание блокирующего устройства, т.е. механическая связь частоты вращения турбины использования ОГ с частотой вращения коленчатого вала, приводит к тому, что компоненты турбины использования ОГ надежно защищаются от повреждения из-за превышенной частоты вращения. Таким образом, в случае, когда гидродинамическая связь между частотой вращения турбины использования ОГ и частотой вращения коленчатого вала пропадает, на ее место приходит механическое соединение. Например, это может быть соединение внешней части муфты, т.е. чаши насосного колеса, с внутренним колесом, т.е. турбинным колесом.
Чаша муфты, которая за счет соединения с насосным колесом вращается с частотой вращения насосного колеса, может быть связана, например, через передачу, как правило, зубчатую передачу, с газовой турбиной, в то время как внутреннее колесо, т.е. турбинное колесо, связано через передачу, как правило, зубчатую передачу, с коленчатым валом. В частности, между чашей муфты и внутренним колесом может быть расположен штифт, смещаемый в радиальном направлении муфты, и дальше - отверстие, соосное со штифтом. Штифт в первой, блокирующей позиции, когда механическое блокирующее устройство запирается, входит в отверстие или проходит через него. Во второй позиции, т.е. в открытой позиции блокирующего устройства, штифт находится полностью вне отверстия. Входит ли штифт в отверстие или нет, определяется за счет коэффициента наполнения в рабочей зоне посредством того, что в том случае, когда блокирующее устройство открыто, рабочая жидкость прикладывает силу вытеснения к штифту так, что штифт вытесняется из отверстия. В случае когда блокирующее устройство закрыто, эта вытесняющая рабочая жидкость отсутствует в соответствующей проводящей рабочую жидкость области, и штифт с помощью подходящего нажимного средства, например нажимной пружины, будет проталкиваться в отверстие или соответственно через него.
В частности, при эксплуатации на штифт действуют следующие силы:
z
2
* центробежная сила F=mωr,
где
m - масса (кг),
ω - угловая скорость (1/сек),
r - радиус круговой траектории (м);
R
* сила упругости (возвратное усилие) F=-kx,
где
k - коэффициент жесткости пружины (Н/м),
x - отклонение (м);
p
w
FR
2
2
2
* сила от ротационного давления на расположенной радиально снаружи торцевой поверхности штифта F=Ap/2ω(r -r )(Н),
где
2
A - площадь расположенной радиально снаружи торцевой поверхности штифта (м),
3
p - плотность рабочей жидкости (кг/м),
ω - угловая скорость (1/сек),
w
r- радиус, на котором лежит внешняя торцевая поверхность штифта (м),
FR
r - внутренний диаметр кольца жидкости в рабочей зоне (м);
А
* выталкивающая сила (во вращающемся объеме) F=рaV,
где
3
p - плотность рабочей жидкости (кг/м),
2
2
a=ωr - центростремительное ускорение (м/сек),
3
V - объем вытесненной штифтом рабочей жидкости (м).
В нормальном режиме, т.е. вне критического для турбины использования ОГ или гидродинамической муфты режима эксплуатации, выполняется:
z
R
p
A
F≤F+F+F.
Штифт вместе с тем при каждой частоте вращения нормального режима гарантированно остается в своей предусмотренной позиции за пределами отверстия.
p
Если уровень заполнения в муфте опускается, то вместе с этим сокращается ротационное давление F и/или выталкивающая сила. Вместе с тем изменяются соотношения сил на штифте:
z
R
p
A,rot
F>F+F+F.
z
z
Таким образом, центробежная сила F перевешивает противодействующие ей силы, что ведет к тому, что штифт вводится в отверстие и блокирует насосное колесо и турбинное колесо друг относительно друга без проворачивания. То же перемещение штифта случается также тогда, когда выталкивающая сила хотя еще и имеется, но вследствие превышенных частот вращения центробежная сила F возрастает настолько, что она превосходит противодействующие ей силы несмотря на сравнительно большую выталкивающую силу.
При применении гидродинамической муфты в составной турбосистеме таким образом производится механическая связь между коленчатым валом и турбиной использования ОГ.
В вышеупомянутых уравнениях для простоты расчет осуществлялся с учетом действующей силы нажимной пружины. Само собой разумеется, возможно использовать любое нажимное средство, которое может прикладывать силу к штифту против действия центробежной силы. При применении такой нажимной пружины предпочтительно рассчитывать параметры пружины так, что штифт при низких частотах вращения турбины (например, при пуске) удерживается в находящейся радиально внутри позиции, тогда как при превышенной частоте вращения он даже в случае наполненного контура скользит радиально наружу, чтобы защищать турбину от более длительной эксплуатации с этой превышенной частотой вращения.
Согласно одному варианту выполнения штифт после запуска двигателя вводится в отверстие, чтобы производить таким образом аварийную синхронизацию между коленчатым валом и турбиной использования ОГ, которая держится до тех пор, пока штифт снова не выводится вручную. Согласно другому варианту конструкции штифт автоматически возвращается после остановки двигателя снова в его исходную позицию, т.е. в свою позицию, находящуюся радиально внутри.
Согласно следующему варианту выполнения изобретения между чашей муфты и внутренним колесом предусмотрен не "плавающий" штифт, а "плавающий" рычаг или коромысло. Этот рычаг может работать соответственно ранее описанному принципу действия штифта, т.е. занимать первую позицию, при которой турбинное колесо может вращаться относительно насосного колеса или соответственно внутреннее колесо относительно чаши муфты, и вторую позицию, при которой рычаг блокирует друг относительно друга без проворачивания насосное колесо и турбинное колесо или соответственно внутреннее колесо и чашу муфты.
Рычаг и его сопряженный элемент, например, в форме отверстия, в которое входит рычаг, может быть предусмотрен как ранее описанный штифт в области между чашей муфты и задней стороной турбинного колеса. Само собой разумеется, такой рычаг может быть расположен также между двумя противостоящими со стороны торцов колесами муфты, в общем - первичным колесом (насосное колесо), и вторичным колесом (турбинное колесо) и быть выполненным для блокировки этих обоих колес в предварительно заданных состояниях. При этом позиция рычага предпочтительно устанавливается, соответственно конструкции штифта, посредством уровня заполнения муфты, действия центробежной силы на рычаг, силы упругости на рычаг и ротационного давления на рычаг.
Далее изобретение поясняется посредством примеров выполнения.
На чертежах показывают:
Фиг.1 - гидродинамическая муфта в составной турбосистеме;
Фиг.2 - фрагменты выполненной соответственно изобретению гидродинамической муфты согласно фиг.1 в открытом состоянии (фиг.2a) и закрытом состоянии (фиг.2b);
Фиг.3 - другая выполненная соответственно изобретению гидродинамическая муфта в открытом состоянии (фиг.3a) и закрытом состоянии (фиг.3b).
На фиг.1 можно видеть гидродинамическую муфту 13, которая расположена в приводном соединении между коленчатым валом, приведенным в действие двигателем 11 внутреннего сгорания, и турбиной 10 использования ОГ, нагружаемой отработавшим газом двигателя 11 внутреннего сгорания. Гидродинамическая муфта 13 содержит насосное колесо 1, а также турбинное колесо 2. Насосное колесо 1 через передачу 7 находится в приводном соединении с турбиной 10 использования ОГ. Турбинное колесо 2 через передачу 8 находится в приводном соединении с коленчатым валом 12.
Направление потока ОГ обозначено позицией 9.
Насосное колесо 1 и турбинное колесо 2 образуют друг с другом рабочую зону 4, в которой циркулирует рабочая жидкость 3, см. обозначенное стрелкой в рабочей зоне 4 направление циркуляции. Рабочая жидкость 3 ускоряется радиально наружу в насосном колесе 1 и замедляется радиально внутрь в турбинном колесе 2. Имеющимся в контуре потоком рабочей жидкости 3 передается крутящий момент от насосного колеса 1 на турбинное колесо 2.
Рабочая жидкость 3 подводится, например, в центре или почти в центре контура рабочей жидкости (не представлено) и отводится из рабочей зоны 4 радиально наружу в области между задней стороной турбинного колеса 2, т.е. стороной, которая противоположна рабочей зоне 4, и внешней чашей 1.1, которая без проворачивания связана с насосным колесом 1 и окружает турбинное колесо 2. Этот отвод всегда устанавливается при частичном или полном опорожнении рабочей зоны 4. Однако даже в том случае, что в рабочей зоне 4 находится постоянное количество рабочей жидкости 3, соответствующий уровень рабочей жидкости устанавливается в области между турбинным колесом 2 и внешней чашей 1.1.
На фиг.2 можно также видеть схематический детальный вид фрагмента из фиг.1, в котором расположено соответствующее изобретению блокирующее устройство 5. Как на фиг.1, так и на фиг.2 ось вращения 6 гидродинамической муфты обозначена посредством штрихпунктирной линии.
На фиг.2 можно также отчетливо видеть уровень рабочей жидкости 3 в области механического блокирующего устройства 5, а именно - на фиг.2a в "нормальном режиме", в то время как на фиг.2b представлен рабочий режим, в котором по какой-либо причине рабочая жидкость нежелательно вышла из гидродинамической муфты.
B
z
На фиг.2a штифт вследствие усилия пружины 5.3, приложенного к расположенной радиально снаружи торцевой поверхности 5.1 штифта, ротационного давления (сила F) и выталкивающей силы рабочей жидкости 3, в которую штифт почти полностью погружен своим стержнем 5.1.2, причем противоположно этим силам направлена только центробежная сила F, находится в своей радиально внутренней позиции и таким образом вне отверстия 5.2. Таким образом, предоставляется возможность относительной частоты вращения (проскальзывание муфты) между насосным колесом 1 и турбинным колесом 2.
z
Согласно фиг.2b, напротив, вследствие уровня рабочей жидкости, который сместился радиально наружу по сравнению с рабочим режимом, который показан на фиг.2a, исключается как выталкивающая сила, так и ротационное давление на расположенную радиально снаружи торцевую поверхность 5.1 штифта. Центробежная сила F превосходит силу упругости пружины 5.3 и смещает штифт 5.1 радиально внешним концом в отверстие 5.2. Производится механическая блокировка между внешней чашей 1.1 и турбинным колесом 2 и вместе с тем между насосным колесом 1 и турбинным колесом 2. Вследствие этого турбина 10 использования ОГ, т.е. ее ротор, относительно своей частоты вращения механически соединяется с коленчатым валом 12, причем абсолютная частота вращения турбины 10 использования ОГ устанавливается соответственно передаточному отношению промежуточно включенных передач 7 и 8.
Как видно из фиг.2, отверстие 5.2 согласно показанной конструкции расположено в выступе 5.5, который образован на задней стороне турбинного колеса 2. Штифт 5.1 скользит своим цилиндрическим стержнем 5.1.2 внутри направляющей 5.4, которая охватывает стержень 5.1.2 в окружном направлении. Радиально внутри к стержню 5.1.2 примыкает утолщенная область 5.1.1 головки, имеющая больший диаметр. Вследствие выступания области 5.1.1 головки по сравнению со стержнем 5.1.2 радиально снаружи на области головки образуется заплечик 5.1.3, на который воздействует пружина 5.3 своим радиально внутренним аксиальным концом. Своим противолежащим, радиально внешним аксиальным концом пружина 5.3 воздействует на направляющую 5.4. Так как пружина 5.3 выполнена как нажимная пружина, то она прикладывает таким образом усилие к штифту 5.1 внутрь в радиальном направлении.
Фиг.3 показывает измененное по сравнению с фиг.1 и 2 блокирующее устройство в открытом состоянии (фиг.3a) и запертом состоянии (фиг.3b). При этом фиг.3 представляет два разреза в радиальном направлении почти по позиции продольной оси штифта на фиг.1 и 2, хотя в конструкции согласно фиг.3, конечно, не предусмотрен никакой штифт.
На этом разрезе в качестве детали насосного колеса 1 можно видеть только присоединенный внутри на внешней чаше 1.1 рычаг 5.11, а также частично радиальную площадь сечения внешней чаши 1.1 в радиально внешней области.
Из турбинного колеса 2 представлен только разрез аксиального выступа 5.5, в котором выполнено отверстие 5.12 в качестве сопряженного элемента для рычага, а также внешний контур турбинного колеса 2.
Как видно, вместо штифта предусмотрен шарнирно присоединенный к насосному колесу 1 рычаг 5.11, который может поворачиваться радиально наружу вокруг оси, параллельной оси вращения муфты. При этом рычаг 5.11 удерживается в показанной на фиг.3a деблокирующей позиции выталкивающей силой рабочей жидкости, которая противоположна силе нажимной пружины 5.13 и центробежной силе, см. обозначенный уровень жидкости.
При уменьшении степени наполнения, вследствие чего показанный уровень жидкости перемещается радиально наружу и уменьшается выталкивающая сила на рычаг 5.11, рычаг 5.11 вследствие силы нажимной пружины 5.13 перемещается в показанную на фиг.3b вторую позицию.
При соответственно большой центробежной силе из-за высокой частоты вращения насосного колеса 1, например, вследствие того, что турбинным колесом 2 не передается тормозной момент, в частности, из-за того, что муфта значительно или полностью опорожнена от рабочей жидкости, центробежная сила также откидывает рычаг 5.11 в направлении радиально наружу в направлении выемки или отверстия в турбинном колесе 2 и соответственно в предусмотренном на нем выступе. Рычаг 5.11 зацепляется за это отверстие 5.12, так что насосное колесо 1, которое вращается в обозначенном стрелкой направлении вращения, увлекает за собой турбинное колесо 2.
Само собой разумеется, также возможно, что позицию рычага 5.11 задает исключительно уровень жидкости и тем самым степень наполнения муфты, если рычаг выполнен настолько легким, что влиянием центробежной силы можно пренебрегать.
В последующем на основе расчета анализируется возможный пример выполнения изобретения, предпочтительно соответствующий представленной на фиг.2 конфигурации.
Например, алюминиевый груз (в частности, в форме описанного штифта 5.1) может иметь диаметр 10 мм и длину 200 мм. При этом все указания размеров этого описания нужно рассматривать как предпочтительные значения, которые предпочтительно приблизительно соблюдаются. Алюминиевый груз погружен, например, на 75% в рабочую жидкость, если гидродинамическая муфта находится в номинальном состоянии, т.е. заданная степень наполнения не превышена. С помощью подходящей пружины можно настраивать систему так, что при частоте вращения, например, 8586 в минуту поршень выдвигается, т.е. закрывает (замыкает) механическое блокирующее устройство. Таким образом, предотвращается превышенная частота вращения - больше чем 8586 в минуту. Если степень наполнения рабочей зоны в муфте уменьшается, то центробежной силе, которая действует на штифт, противодействует уменьшенная выталкивающая сила и вместе с ней, в частности, только лишь сила пружины, которая приложена к штифту. Следовательно, закрытие механического блокирующего устройства происходит раньше, например, в пределах нормального рабочего диапазона гидродинамической муфты, т.е. в пределах диапазона частоты вращения, который допустим при наполненной муфте, и соответственно при заданной степени наполнения рабочей зоны муфты.
3
3
При плотности использованного алюминия для блокирующего устройства или соответственно штифта 0,00265 г/мм и плотности рабочей жидкости 0,0084 г/мм выталкивающая сила на штифт составляет 56,1 ньютона при угловой скорости 900 в секунду. Возвратное усилие от ротационного давления рабочей жидкости на штифт составляет 74,8 ньютона. Центробежная сила при этой конструкции составляет 236 ньютонов и сила пружины составляет, в частности, 105,1 ньютона. Из этого получается закрытие блокирующего устройства выше 8586 об/мин, что соответствует упомянутой угловой скорости 900 в секунду.
При потере масла, напротив, как выталкивающая сила, так и возвратное усилие ротационного давления становятся равными нулю. Из этого получается частота вращения для включения 4730 в минуту. Неуправляемый разгон турбины таким образом надежно предотвращается.
Перечень основных обозначений
1 Насосное колесо
1.1 Внешняя чаша
2 Турбинное колесо
3 Рабочая жидкость
4 Рабочая зона
5 Механическое блокирующее устройство
5.1 Штифт
5.1.1 Область головки
5.1.2 Стержень
5.1.3 Заплечик
5.3 Нажимная пружина
5.4 Направляющая
5.5 Выступ
5.11 Рычаг
5.12 Отверстие
5.13 Нажимная пружина
6 Ось вращения муфты
7 Передача
8 Передача
9 Направление ОГ
10 Турбина использования ОГ
11 Двигатель внутреннего сгорания
12 Коленчатый вал
13 Гидродинамическая муфта