УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, ПЕРЕДАВАЕМОГО ВАЛОМ ОТБОРА МОЩНОСТИ
DEVICE TO MEASURE TORQUE TRANSMITTED BY POWER TAKE-OFF SHAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам для измерения крутящего момента, передаваемого валом двигателя, например валом газотурбинного двигателя самолета.
Предшествующий уровень техники
Измерение крутящего момента вращения вала особенно важно в области вертолетных двигателей, поскольку крутящий момент обычно представляет собой один из элементов данных, который является очень важным для пилота, чтобы учитывать его для управления вертолетом. Если винт вертолета обеспечивает скорость, которая является постоянной, то его мощность зависит исключительно от крутящего момента.
Для измерения данного крутящего момента возможно множество решений. Среди них существуют такие, которые основаны на измерении деформации вала при кручении, которая зависит, в частности, от передаваемого крутящего момента.
Настоящее изобретение обеспечивает устройство, которое основано на таком измерении деформации вала при кручении.
Более конкретно, изобретение обеспечивает устройство для измерения крутящего момента, содержащее:
вал отбора мощности для передачи крутящего момента вращения вокруг оси вала отбора мощности;
первое колесо, содержащее угловые метки, причем упомянутое первое колесо прикреплено к валу отбора мощности; и
опорный вал, содержащий первый конец, прикрепленный к одному концу вала отбора мощности, и свободный второй конец, который снабжен вторым колесом, содержащим угловые метки, и которое расположено на той же оси, что и первое колесо;
датчик, расположенный лицевой стороной к, по меньшей мере, одному из упомянутых колес и пригодный для обеспечения сигнала, характеризующего угловое изменение между первым и вторым колесами, причем упомянутый сигнал приспособлен для передачи в вычислительный элемент, пригодный для определения крутящего момента, передаваемого валом отбора мощности, на основе сигнала, обеспеченного датчиком.
Такое измерительное устройство показано на фиг.1 документа FR 2 595 821. Магнитные датчики, размещенные напротив зубьев фонических колес, предназначены для обнаружения углового изменения между фоническими колесами, таким образом позволяя вычислительному элементу определять деформацию вала отбора мощности при кручении с возможностью в дальнейшем получать крутящий момент вращения.
Однако, как отмечается в данном документе, прочность вала отбора мощности при кручении связана с величиной модуля Юнга материала, образующего данный вал, а величина данного модуля зависит от температуры. Другими словами, при вычислении крутящего момента необходимо учитывать температуру вала отбора мощности, поскольку в противном случае полученная величина оказывается в значительной степени ошибочной.
Для определения температуры вала в FR 2 595 821 предусматривается использование дополнительных датчиков, чтобы измерять продольное удлинение вала отбора мощности относительно опорного вала и из него получать температуру. Таким образом, измерительное устройство по FR 2 595 821 является сложным для реализации и крупногабаритным, поскольку оно содержит множество магнитных датчиков.
Существо изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для измерения крутящего момента, передаваемого валом отбора мощности, устройство которого требует меньшего количества элементов и, следовательно, имеет уменьшенные размеры, вес и стоимость.
Поставленная задача согласно изобретению решена посредством того, что:
первое колесо включает в себя первую и вторую последовательности угловых меток; и
второе колесо включает в себя третью и четвертую последовательности угловых меток, причем метки первой и третьей последовательностей взаимно параллельны, а метки второй и четвертой последовательностей взаимно параллельны и расположены под углом относительно первой осевой плоскости, содержащей ось вала отбора мощности, причем метки первой последовательности расположены под углом относительно меток второй последовательности;
посредством чего сигнал, обеспеченный упомянутым датчиком, также характеризует температуру вала отбора мощности.
Предпочтительно первым и вторым колесами являются фонические колеса, и угловые метки первой, второй, третьей и четвертой последовательностей являются зубьями.
Данная конкретная конфигурация фонических колес позволяет, при использовании одного датчика, преимущественно, определять угловую деформацию вала отбора мощности, а также температуру данного вала с возможностью в дальнейшем получить крутящий момент, который реально передается валом отбора мощности.
Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно требует только одного датчика, тогда как устройства предшествующего уровня техники требуют множества датчиков, чтобы получить величину крутящего момента, которая учитывает температуру вала.
Ниже описана работа заявленного устройства.
Во время вращения вала отбора мощности магнитный датчик детектирует прохождение зубьев, принадлежащих каждому из рядов зубьев фонических колес. Таким образом, характерный сигнал, генерируемый магнитным датчиком, представляет собой последовательность импульсных сигналов, в которой, в принципе, каждый "пик" соответствует одному зубу.
Вычислительный элемент запрограммирован с возможностью распознавания, какой зуб связан с каким пиком в сигнале.
Таким образом, последовательность сигналов, передаваемых датчиком, служит для определения первой угловой разности между зубом первой последовательности и зубом третьей последовательности, а также второй угловой разности между зубом второй последовательности и зубом четвертой последовательности, причем данные угловые разности можно определять из периодов между последовательными пиками.
Зная исходные величины разностей между зубьями, можно получить изменение первой угловой разности между зубом первой последовательности и зубом третьей последовательности, а также изменение второй угловой разности между зубом второй последовательности и зубом четвертой последовательности.
Каждое из изменений первой и второй угловой разности содержит информацию, связанную с деформацией при кручении, и кроме того, по меньшей мере, одно из определенных изменений также включает в себя информацию, связанную с температурой.
Если зубья второй и четвертой последовательностей параллельных зубьев сами расположены под углом относительно первой осевой плоскости, содержащей ось вала отбора мощности, то осевое тепловое расширение вала отбора мощности относительно опорной оси приводит к изменению в угловой разности между двумя зубьями данных двух последовательностей, причем данное изменение характеризует температуру.
Другими словами, изменение в угловой разности за счет температуры прибавляется к изменению в угловой разности за счет деформации вала при кручении, которая вызвана передачей крутящего момента.
Зная угол наклона зубьев, можно, исходя из изменений первой и второй угловой разности, определить угловое изменение, которое вызвано только крутящим моментом вала отбора мощности, и угловое изменение, которое вызвано только осевым смещением между двумя валами в результате расширения, и таким образом, уже исходя из данного изменения, характеризующего осевое смещение, определить температуру.
Затем температура и изменение угловой разности за счет деформации при кручении передаются в вычислительный элемент, который, на основании заранее сохраненной таблицы, способен вычислять величину крутящего момента, который реально передается валом отбора мощности.
Кроме того, применительно к данному изобретению, ряд зубьев может содержать один зуб или предпочтительно множество зубьев.
Предпочтительно первое и второе фонические колеса расположены таким образом, что зубья первого фонического колеса перемежаются под углом с зубьями второго фонического колеса.
Отсюда следует, что в последовательности сигналов, два последовательных "пика" принадлежат двум зубьям двух разных фонических колес. При этом угловые разности можно определять посредством учета периода между двумя последовательными зубьями.
Кроме того, предпочтительно, если рассматривать в направлении вдоль окружности вала отбора мощности, следуют в последовательности зуб первой последовательности, зуб третьей последовательности, зуб второй последовательности и зуб четвертой последовательности.
Вычислительный элемент предпочтительно запрограммирован таким образом, чтобы знать данную конкретную последовательность.
В первом особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, если рассматривать в направлении вдоль окружности вала отбора мощности, зубья первой и третьей последовательностей параллельны оси вала отбора мощности. Таким образом, зубья первой и третьей последовательностей продолжаются в осевой плоскости, а зубья второй и четвертой последовательностей продолжаются в плоскости, которая расположена под углом относительно первой осевой плоскости.
Поскольку зубья первой и третьей последовательностей параллельны оси вала отбора мощности, изменение первой угловой разности характеризует только деформацию при кручении вала отбора мощности. Осевое смещение за счет расширения не изменяет угловой разности между двумя зубьями, которые параллельны оси.
Другими словами, исходя из данного изменения первой угловой разности, можно определить угловое изменение, которое вызвано только деформацией при кручении.
Кроме того, как описано выше, изменение второй угловой разности образуется из углового изменения, которое вызвано деформацией при кручении, а также углового изменения, которое вызвано осевым расширением.
Поскольку упомянутое угловое изменение уже было определено из изменения первой угловой разности, предпочтительно, можно определить температуру, зная угол наклона зубьев второй и четвертой последовательностей зубьев.
И наконец, температура и угловое изменение, которое вызвано деформацией при кручении, передаются в вычислительный элемент, который затем определяет величину крутящего момента, реально передаваемого валом отбора мощности.
Во втором особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, если рассматривать в направлении вдоль окружности вала отбора мощности, зубья первой и третьей последовательностей расположены под заданным углом относительно второй осевой плоскости, содержащей ось вала отбора мощности, а зубья второй и четвертой последовательностей расположены под углом, противоположным упомянутому заданному углу, относительно первой осевой плоскости, содержащей ось вала отбора мощности.
В данном варианте осуществления изменения не только первой угловой разности, но и второй угловой разности содержат информацию, связанную как с температурой, так и с деформацией вала отбора мощности при кручении.
Поскольку угол наклона первой и третьей последовательностей противоположен углу наклона второй и четвертой последовательностей, полусумма и полуразность первого и второго изменений соответственно обеспечивают искомую температуру и угловое изменение.
В обоих данных вариантах осуществления, опорный вал, предпочтительно, продолжается аксиально внутри вала отбора мощности.
Предпочтительно ряды зубьев расположены под углом на участках окружностей соответствующих им фонических колес.
И наконец, настоящее изобретение также обеспечивает турбомашину, включающую в себя устройство для измерения крутящего момента, передаваемого валом отбора мощности, по данному изобретению.
Краткое описание чертежей
Изобретение можно понять лучше, и его преимущества становятся более очевидными при прочтении приведенного ниже описания двух вариантов осуществления, приведенных в качестве неограничивающих примеров. Описание ссылается на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает газотурбинный двигатель вертолета, содержащий устройство для измерения крутящего момента в соответствии с изобретением;
Фиг.2 изображает половинный вид в осевом разрезе измерительного устройства в соответствии с изобретением;
Фиг.2А изображает деталь по фиг.1, показывающую отверстие, предусмотренное в вале отбора мощности, через которое проходит зуб второго фонического колеса;
Фиг.2В изображает осевой половинный вид варианта устройства, показанного на фиг.2, в котором опорный вал продолжается за пределами вала отбора мощности;
Фиг.3 изображает вид в радиальном разрезе, показывающий относительное расположение зубьев первого и второго фонических колес;
Фиг.4А изображает относительное расположение зубьев первого и второго фонических колес в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, если рассматривать в направлении вдоль окружности фонических колес, когда вал отбора мощности неподвижен;
Фиг.4В изображает относительное расположение зубьев первого и второго фонических колес, показанных на фиг.4А, когда вал отбора мощности передает крутящий момент;
Фиг.5А изображает относительное расположение зубьев первого и второго фонических колес в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, если рассматривать в направлении вдоль окружности фонических колес, когда вал отбора мощности не передает крутящий момент; и
Фиг.5В изображает относительное расположение зубьев первого и второго фонических колес, по фиг.5А, когда вал отбора мощности передает крутящий момент.
Описание вариантов осуществления изобретения
Устройство для измерения крутящего момента настоящего изобретения, также называемое моментометром или прибором для измерения степени кручения, может быть использовано в различных ситуациях, когда необходимо знать крутящий момент, передаваемый валом. В приведенном ниже подробном описании, измерительное устройство описано на конкретном, но не единственном примере турбин вертолетов, таких как газовая турбина 9, показанная на фиг.1.
Устройство 10 для измерения крутящего момента настоящего изобретения, показанное на фиг.1, представляет собой в общем виде участок вала с его концами для соединения с другими валами или с зубчатыми колесами газотурбинного двигателя.
Другими словами, устройство 10 для измерения крутящего момента содержит полый вал 12 отбора мощности для передачи крутящего момента вращения вокруг его оси А. Это именно тот крутящий момент, который требуется измерить.
В примере, показанном на фиг.1, вал 12 отбора мощности содержит зубчатое колесо 14 на его первом конце 12а, и элемент 16 привода на его втором конце 12b, противоположном его первому концу. Конечно, концы вала отбора мощности могут быть установлены иначе.
Кроме того, рядом с его вторым концом 12b вал 12 отбора мощности содержит первое колесо 18, в частности, фоническое колесо 18, установленное на нем коаксиально и содержащее множество угловых меток, в частности зубьев 19.
Как можно видеть на фиг.2, измерительное устройство также включает в себя опорный вал 20, продолжающийся аксиально внутри вала 12 отбора мощности, к которому он прикреплен посредством его первого конца 20а около второго конца 12а вала 12 отбора мощности, при этом его собственный второй конец 20b является свободным. На фиг.2B показана альтернативная конфигурация измерительного устройства, в которой опорный вал 20′ продолжается аксиально за пределами вала 12′ отбора мощности, к которому он прикреплен посредством его первого конца 20а′ около первого конца 12а′ вала 12′ отбора мощности, при этом его собственный второй конец 20b′ является свободным.
Со ссылкой также на фиг.2 можно видеть, что второй конец 20b опорного вала 20, противоположный его первому концу 20а, содержит второе колесо 22, в частности, фонического типа, которое расположено на той же оси, что и первое фоническое колесо 18. Второе фоническое колесо 22 содержит множество угловых меток, в частности, зубьев 23, которые, как можно лучше видеть на фиг.2А, проходят радиально через отверстия 24, образованные в вале 20 отбора мощности.
Напротив зубьев первого и второго фонических колес 18 и 22 расположен один магнитный датчик 26, который пригоден для генерирования электрического сигнала каждый раз, когда зубья проходят перед ним, каковой сигнал затем передается в вычислительный элемент 28 для определения величины крутящего момента, передаваемого валом 12 отбора мощности.
На фиг.3 показано угловое распределение зубьев первого и второго фонических колес 18 и 22. В данном примере белые зубья принадлежат первому фоническому колесу 18, а черные зубья принадлежат второму фоническому колесу 22.
В соответствии с изобретением первое фоническое колесо 18 содержит первую последовательность зубьев D1, которые являются идентичными друг другу, и вторую последовательность зубьев D2, которые являются идентичными друг другу, а второе фоническое колесо 22 содержит третью последовательность зубьев D3, которые являются идентичными друг другу, и четвертую последовательность зубьев D4, которые являются идентичными друг другу.
Как можно видеть на чертеже, первое и второе фонические колеса расположены таким образом, что зубья D1, D2 первого фонического колеса 18 перемежаются под углом с зубьями D3, D4 второго фонического колеса 22.
В описанном в данном документе примере можно также видеть, что каждая последовательность зубьев содержит два зуба.
Точнее, если рассматривать в направлении вдоль окружности или в "орторадиальном" направлении OR вала 12 отбора мощности, как показано на фиг.4А-5В, в последовательности следуют: зуб D1 первой последовательности; зуб D3 третьей последовательности; зуб D2 второй последовательности; и наконец, зуб D4 четвертой последовательности.
0
0
Когда вал отбора мощности неподвижен, т.е. когда он не передает крутящий момент, зубья D1 и D3, принадлежащие соответственно первой и третьей последовательностям зубьев, имеют первую угловую разницу х, которая известна, а зубья D2 и D4, принадлежащие соответственно второй и четвертой последовательностям зубьев, имеют вторую угловую разницу y, которая также известна.
Когда же вал 12 отбора мощности передает крутящий момент, он имеет тенденцию деформироваться при кручении в большей или меньшей степени в зависимости от величины передаваемого крутящего момента и от температуры вала отбора мощности.
Отсюда следует, что во время передачи крутящего момента валом 12 отбора мощности зубья первого и второго фонических колес имеют тенденцию смещаться друг относительно друга таким образом, что величины первой и второй угловых разностей изменяются, как описано во вводной части.
Со ссылкой на фиг.4А и 4В ниже приведено описание первого варианта осуществления изобретения. Данные чертежи рассматриваются в направлении OR вдоль окружности фонических колес. Таким образом, они представляют собой схематичные изображения относительных положений зубьев, как если бы окружности фонических колес были прямыми.
В соответствии с изобретением зубья D1 и D3 первой и второй последовательностей взаимно параллельны, при этом зубья D2 и D4 второй и четвертой последовательностей взаимно параллельны, а также расположены под углом относительно первой осевой плоскости Р1, которая содержит ось А вала 12 отбора мощности, причем зубья D1 первой последовательности расположены под углом относительно зубьев D2 второй последовательности.
В данном конкретном варианте осуществления зубья D1 и D3 первой и третьей последовательностей параллельны оси А вала 12 отбора мощности, т.е., они продолжаются в двух осевых плоскостях, тогда как зубья D2 и D4 второй и четвертой последовательностей расположены под углом θ относительно первой осевой плоскости Р1. Другими словами, каждый из зубьев D2 и D4 продолжается в плоскости, которая образует угол θ относительно первой осевой плоскости Р1.
На фиг.4А показано относительное расположение зубьев D1, D2, D3 и D4 в неподвижном состоянии, когда крутящий момент не передается валом 12 отбора мощности.
0
0
В неподвижном состоянии первая угловая разность равна х, а вторая угловая разность равна y.
На фиг.4В показано относительное расположение тех же самых зубьев, когда вал отбора мощности передает крутящий момент, причем оно определено в точке, когда вал 12 отбора мощности находится при температуре Т.
На чертеже можно видеть, что зуб D1 смещен в результате поворота от зуба D3 на величину Δх, называемую изменением первой угловой разности, а зуб D2 смещен в результате поворота от зуба D4 на величину Δy, называемую изменением второй угловой разности.
Кроме того, вал 12 отбора мощности перемещается по оси в сторону от опорного вала 20 вследствие эффекта разного теплового расширения, обусловленного увеличением температуры двигателя и соответствующими коэффициентами теплового расширения валов.
d
d
Вследствие наклона зуба D4 изменение Δy второй угловой разности равно изменению Δх первой угловой разности плюс угловое изменение Δz за счет расширения, соответствующего только тепловому расширению. Величина данного последнего изменения пропорциональна разности в осевом расширении, показанной ссылочной позицией . Таким образом, угловое изменение Δz за счет расширения зависит от температуры Т вала отбора мощности, поскольку само осевое расширение  зависит от температуры.
В отличие от этого изменение Δх первой угловой разности измеряет только угловую деформацию между двумя фоническими колесами 18, 22, поскольку зубья первой и третьей последовательностей параллельны направлению осевой деформации в результате расширения, поэтому расширение не оказывает влияния на угловое изменение между зубьями D1 и D3.
Магнитный датчик 26, который генерирует последовательности сигналов, передает данную информацию в вычислительный элемент 28, который способен различать различные сигналы и вычислять изменения первой и второй угловой разности. Затем, посредством вычисления разницы между вторым и первым угловыми изменениями, можно получить угловое изменение Δz за счет расширения, из которого можно определить температуру Т.
И наконец, вычислительный элемент 28 определяет величину крутящего момента, передаваемого валом 12 отбора мощности, исходя из вычисленной температуры Т и из изменения Δх первой угловой разности, соответствующего деформации кручения между двумя фоническими колесами, посредством использования заранее сохраненной таблицы. Упомянутая таблица может быть в виде базы данных, содержащей величины крутящего момента в функции температуры и в функции изменения угловой разности. Она может быть заблаговременно составлена в цеху.
На фиг.5А и 5В показан второй вариант осуществления, который отличается от первого тем, что зубья D1 и D3 первой и третьей последовательностей зубьев не параллельны оси Х вала 12 отбора мощности, а расположены под углом θ относительно второй осевой плоскости Р2, которая содержит ось А вала 12 отбора мощности. Таким образом, угол θ является противоположным углу наклона θ′ зубьев D2 и D4 второй и четвертой последовательностей зубьев.
На фиг.5А показано относительное расположение зубьев D1, D2, D3 и D4, когда крутящий момент не передается валом 12 отбора мощности.
0
0
В неподвижном состоянии первая угловая разность равна х, а вторая угловая разность равна y.
На фиг.5В показано относительное расположение между теми же самыми зубьями, когда вал отбора мощности передает крутящий момент, причем оно определено в тот момент, когда вал 12 отбора мощности находится при температуре Т.
При этом изменения Δх и Δy первой и второй угловой разности каждое равно угловому изменению между двумя фоническими колесами плюс элемент угловой разности, который обусловлен расширением. Поскольку пары зубьев D1, D3 и D2, D4 расположены под противоположными углами, отсюда следует, что элементы угловой разности, обусловленные расширением, содержащиеся в изменениях первой и второй угловой разности, являются противоположными, так что результат сложения изменений первой и второй угловой разности представляет собой удвоенную угловую деформацию между двумя фоническими колесами, а результат вычитания изменений первой и второй угловой разности представляет собой удвоенный элемент угловой разности, который обусловлен расширением, из которого определяется температура.
Таким образом, опять же имеются в наличии две единицы информации, необходимые для того, чтобы позволить вычислительному элементу вычислять крутящий момент, передаваемый валом отбора мощности.