УСТРОЙСТВО МЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
MECHANICAL PROTECTING DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройству механической защиты, в частности устройству для обеспечения механической защиты от превышения скорости.
Для того чтобы защищать устройства от механических перегрузок, специалистам в области техники давно были известны устройства защиты, в которых элемент в механической системе передачи приносится в жертву в случае перегрузки так, чтобы исключать более серьезное повреждение далее по ходу в системе. Обычно такие устройства служат для обеспечения защиты от избыточных сил или крутящих моментов. Например, патенты США № 4313712 и 6042292 раскрывают устройства для обеспечения механической защиты от избыточных радиальных сил на вращательных валах. Тем не менее, эти известные устройства имеют недостаток отсутствия обеспечения защиты от превышений скорости. Во многих ситуациях может случаться, что превышение скорости может порождать такое же или даже большее повреждение, чем избыточная сила или крутящий момент. В частности, в некоторых машинах, таких, как, например, турбовальные двигатели, превышение скорости может порождать явление положительной обратной связи, заставляющее скорость постепенно увеличиваться до тех пор, пока машина не разрушится.
Международная заявка на патент WO 2008/101876 раскрывает устройство механической защиты, имеющее передаточный вал с резонансной частотой при изгибании, которая соответствует заданному вращательному превышению скорости передаточного вала. В этом устройстве резонанс при изгибании передаточного вала служит для поглощения мощности, передаваемой при вращении передаточным валом, тем самым предотвращая превышение скорости от превышения. Тем не менее, это возможно, только если доступная мощность ограничивается, и демпфирование при изгибании вала является достаточным для рассеивания всей доступной мощности. Если доступная мощность может увеличиваться с противодействующим крутящим моментом, то резонанс при изгибании вала будет недостаточным для ее преодоления.
Настоящее изобретение стремится обеспечивать устройство механической защиты, содержащее передаточный вал с элементом, который является разрушаемым под действием скручивающей перегрузки, причем это устройство является пригодным для обеспечения механического узла с эффективной защитой от превышения скорости.
В по меньшей мере одном варианте выполнения эта задача решается тем, что устройство содержит по меньшей мере подвижный элемент, прикрепленный к передаточному валу с возможностью вращения вокруг главной оси и пригодный для перемещения радиально наружу относительно главной оси из первого положения во второе положение, вместе с пружиной, толкающей подвижный элемент по направлению к первому положению, и тангенциальный упор, пригодный для остановки вращения подвижного элемента вокруг главной оси, когда подвижный элемент находится во втором положении. Подвижный элемент и пружина откалиброваны так, что с заданной пусковой угловой скоростью подвижный элемент перемещается из первого положения во второе положение под действием центробежной силы, большей, чем предварительное напряжение пружины.
Таким образом, устройство работает на двух принципах: принципе обнаружения, что пороговая скорость была превышена, основанном на использовании центробежного эффекта и предварительного напряжения пружины, и принципе остановки устройства, основанном на разрушении разрушаемой секции в результате запуска за счет обнаружения, что порог скорости был превышен. Посредством этих конструкций передача мощности механическим валом может эффективно прерываться в случае превышения скорости, тем самым исключая более серьезное повреждение в механическом узле. Удар подвижного элемента о тангенциальный упор заставляет передаточный вал останавливаться и заставляет разрушаемую секцию передаточного вала немедленно разрушаться, причем главным образом независимо от крутящего момента, передаваемого передаточным валом до удара. Предварительное напряжение пружины исключает радиальное перемещение подвижного элемента до тех пор, пока не будет достигнут порог скорости, тем самым предоставляя преимущество ограничения износа.
Тангенциальный упор может, в частности, представлять собой неподвижный упор. Подвижный элемент может быть пригоден при поворачивании или еще для перемещения из первого положения во второе положение при прямолинейном перемещении, например, путем скольжения в радиальной направляющей.
Изобретение также обеспечивает машину, включающую приводной вал, подающий насос, в частности, подающий топливо насос и устройство механической защиты изобретения, в котором передаточный вал соединяет приводной вал с подающим насосом для того, чтобы приводить в действие подающий насос. Таким образом, разрушение передаточного вала в случае превышения скорости приводного вала прерывает приведение в действие подающего насоса, тем самым имея эффект остановки машины.
В дополнительном аспекте указанный приводной вал соединен с турбиной, выполненной с возможностью приведения в действие путем расширения текучей среды, нагреваемой сгоранием топлива, доставленного подающим насосом. Таким образом, в случае превышения скорости турбины и, таким образом, приводного вала и передаточного вала, разрушение передаточного вала прерывает подачу топлива к машине, тем самым заставляя турбину останавливаться. Сгорание может быть внутренним или внешним. Таким образом, путем примера, турбина может представлять собой газовую турбину, приводимую в действие непосредственно газом, полученным от сгорания топлива.
Изобретение также обеспечивает транспортное средство, в частности летательный аппарат, включающий машину согласно изобретению. Например, машина может представлять собой турбовальный двигатель для винтокрылого летательного аппарата.
Изобретение также обеспечивает способ защиты механической защиты, причем этот способ содержит этапы в по меньшей мере одном варианте выполнения, на которых:
при некоторой угловой скорости передаточного вала запускают перемещение подвижного элемента из первого положения во второе положение, которое расположено радиально еще дальше относительно передаточного вала, под действием центробежной силы и противодействуя упругому предварительному напряжению пружины, толкающей подвижный элемент в направлении, противоположном центробежной силе, причем подвижный элемент вращают с передаточным валом;
во втором положении заставляют вращающийся подвижный элемент создавать контакт с тангенциальным упором; и
разрушают разрушаемый элемент передаточного вала под действием скручивающей перегрузки, вызванной подвижным элементом, создающим контакт с тангенциальным упором.
Изобретение может быть хорошо понятно, и его преимущества проявлены лучше при изучении следующего подробного описания трех вариантов выполнения, представленных в качестве неограничивающих примеров. Описание относится к сопровождающим чертежам, на которых:
Фиг.1А - вид в продольном сечении устройства механической защиты в первом варианте выполнения;
Фиг.1В и 1С - виды в поперечном сечении устройства с фиг.1А в двух различных положениях подвижного элемента;
Фиг.2 - вид в продольном сечении устройства механической защиты во втором варианте выполнения;
Фиг.3А - вид в продольном сечении устройства механической защиты в третьем варианте выполнения;
Фиг.3В - вид подробный вид устройства с фиг.3А с подвижным элементом во втором положении;
Фиг.4А - схема, иллюстрирующая турбовальный двигатель, включающий устройство механической защиты с фиг.1А-1С; и
Фиг.4В - схема, иллюстрирующая турбовальный двигатель с фиг.4А в случае разрушения передаточного вала устройства механической защиты.
Устройство механической защиты в первом варианте выполнения показано на фиг.1А и 1В. Устройство содержит передаточный вал 1 с первым передаточным элементом 1а для соединения передаточного вала с приводным средством (не показано), и второй передаточный элемент 1b для соединения передаточного вала 1 с приводимым в движение устройством, суженную секцию, образующую разрушаемый элемент 2, и подвижный элемент 3, принятый в радиальной направляющей 9, включенной в передаточный вал 1, таким образом, чтобы быть вынужденным вращаться с передаточным валом 1, оставаясь подвижным в радиальном направлении. Предварительно напряженная пружина 4 прижимает проксимальный конец 3а подвижного элемента 3 к внутреннему радиальному упору 5 по направлению к оси вращения Х передаточного вала 1, в то время, как радиальное отверстие 6 позволяет дистальному концу 3b подвижного элемента 3 проходить наружу. Как показано, в частности, на фиг.1В, неподвижная пластина 7 установлена вокруг передаточного вала 1 при аксиальном положении подвижного элемента 3. В варианте выполнения, показанном на Фиг.1В, эта неподвижная пластина 7 включает упор 8 в направлении, тангенциальном вращению дистального конца 3b подвижного элемента 3 вокруг оси Х.
c
1
1
c
1
1
1
c
1
e
При работе вращение передаточного вала 1 порождает центробежную силу F, равную произведению массы m подвижного элемента 3 на радиальное положение r центра тяжести CG подвижного элемента 3 и на квадрат угловой скорости ω передаточного вала 1. В исходном радиальном положении подвижного элемента 3, как показано на фиг.1А, причем проксимальный конец 3а находится в контакте с внутренним упором 5, и центр тяжести CG подвижного элемента 3 находится в первом радиальном положении r, пружина 4 прикладывает упругое предварительное напряжение F в радиальном направлении к оси вращения X. Вследствие этого, до тех пор, пока центробежная сила F не превысит противодействующее предварительное напряжение F, проксимальный конец 3а подвижного элемента 3 остается прижатым к внутреннему радиальному упору 5, и центр тяжести CG подвижного элемента 3 остается в первом радиальном положении r. Тем не менее, начиная с угловой скорости ω, центробежная сила F становится больше, чем предварительное напряжение F, и заставляет подвижный элемент 3 перемещаться наружу. По закону Гука упругая сила F может быть приближенно выражена следующей формулой:
e
1
1
F = k(r-r) + F,
где k - коэффициент жесткости пружины 4.
Со своей стороны, центробежная сила удовлетворяет следующей формуле:
e
2
F = mωr,
где m - масса подвижного элемента 3, ω - угловая скорость передаточного вала, а r - радиальное расстояние центра тяжести пальца 3 от оси вращения X.
1
Вследствие этого, угловая скорость ω для запуска устройства механической защиты может калиброваться с использованием следующей формулы:
1
<mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>m</mi><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
ω =
1
1
Для того чтобы получать внешнее радиальное ускорение подвижного элемента 3 в результате запуска устройства защиты, коэффициент жесткости k должен быть меньше отношения предварительного напряжения Fк исходному радиальному положению r:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
k <
1
1
Таким образом, при угловой скорости ω запуска центробежная сила, приложенная к подвижному элементу, превышает предварительное напряжение F пружины и увеличивается более быстро, чем реакция пружины во время внешнего радиального перемещения подвижного элемента.
1
Для того чтобы исключать преждевременный запуск устройства механической защиты, также целесообразно задавать ему размер таким образом, чтобы оно не могло запускаться вибрацией или другими внешними ускорениями. С этой целью радиальное расстояние r может удовлетворять следующему уравнению:
1
<mrow><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mtext>K</mtext><mi>γ</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
r
,
n
где γ - заданное внешнее ускорение, К - коэффициент безопасности и ω - номинальную угловую скорость передаточного вала, которая меньше пусковой угловой скорости.
1
1
1
n
Масса m и исходное положение r подвижного элемента 3, и жесткость k и предварительное напряжение F пружины 4 могут, таким образом, калиброваться на основе этих формул для того, чтобы запускать устройство защиты при критической скорости ω, которая превышает номинальную скорость ω передаточного вала 1 на заданное превышение скорости Δω. После такого запуска подвижный элемент 3 перемещается по направлению ко второму положению, расположенному радиально еще дальше, чем первое положение.
После того как подвижный элемент 3 переместился во второе положение, передаточный вал 1 может выполнять не более чем один полный оборот до того, как дистальный конец 3b вращающегося подвижного элемента 3 столкнется с тангенциальным упором 8 неподвижного периферийного элемента 7, как показано на Фиг.1С. Удар дистального конца 3b подвижного элемента 3 о тангенциальный упор 8 резко останавливает вращение передаточного вала 1, тем самым создавая мгновенную скручивающую перегрузку на передаточном валу 1 и разрушая разрушаемый элемент 2, который располагается аксиально между первым соединяющим элементом 1а и подвижным элементом 3. Передаточный вал 1, таким образом, действует в качестве жертвенного элемента механической защиты, защиты не только от избыточной силы или крутящего момента, но и от избыточной скорости Δω.
Во втором варианте выполнения, показанном на фиг.2, разрушаемый элемент 2 образуется не суженной секцией передаточного вала 1, но пальцем 1, который является разрушаемым при сдвиге и который соединяет вместе два отдельных сегмента 1а и 1b передаточного вала 1. Другие элементы устройства механической защиты в этом втором варианте выполнения являются по существу функционально эквивалентными тем, что в первом варианте выполнения и они представлены такими же ссылочными позициями.
Несмотря на то, что в этих первом и втором вариантах выполнения используется центробежная сила, чтобы заставлять подвижный элемент 3 перемещаться радиально путем скольжения в радиальной направляющей 9, включенной в вал 1 передачи мощности, возможно предусматривать альтернативы. Таким образом, в третьем варианте выполнения, показанном на фиг.3А и 3В, и в форме, аналогичной регулятору Уатта с поворотными грузиками, устройство механической защиты имеет два подвижных элемента 3, каждый из которых прикреплен к шарниру в продольной плоскости относительно передаточного вала 1. Два подвижных элемента 3 имеют L-образную форму, каждый с проксимальным концом 3а на первом сегменте, дистальным концом 3b на втором сегменте и шарниром P на по существу прямоугольном углу между первым и вторым сегментами. Таким образом, в первом положении, показанном на Фиг.3А, первый сегмент каждого подвижного элемента ориентирован в направлении, которое является по существу радиальным, а его второй сегмент ориентирован в направлении, которое является по существу продольным, тем самым позволяя размещать пружину 4 в продольном направлении внутри передаточного вала 1. Пружина 4 предварительно напряжена так, что в этом первом положении она прижимает внутреннюю поверхность дистального конца 3b каждого подвижного элемента 3 по направлению к оси вращения X передаточного вала 1 и к внутреннему радиальному упору 5.
c
c
c
1
1
1
1
c
c
1
1
1
1
c
1
e
При работе вращение передаточного вала 1 в этом третьем варианте выполнения порождает центробежную силу F на каждом подвижном элементе 3, которая равна произведению массы m подвижного элемента 3 на радиальное положение r центра тяжести CG подвижного элемента 3 и на квадрат угловой скорости ω передаточного вала 1. Эта центробежная сила F порождает поворотный крутящий момент M, равный произведению центробежной силы на продольное расстояние L центра тяжести CG от шарнира P. Когда подвижные элементы 3 находятся в исходном положении, как показано на Фиг.3А, причем каждый подвижный элемент 3 находится в контакте с внутренним упором 5, и причем центр тяжести CG каждого подвижного элемента 3 находится в первом радиальном положении r, пружина 4 прикладывает упругое предварительное напряжение F вдоль направления оси вращения X к двум подвижным элементам 3. Это упругое предварительное напряжение F порождает поворотный крутящий момент М на каждом подвижном элементе 3, противодействующий центробежному поворотному крутящему момент M. Вследствие этого, до тех пор, пока центробежный поворотный крутящий момент M не превысит противодействующий поворотный крутящий момент M, созданный предварительным напряжением F, дистальный конец 3b подвижного элемента 3 остается прижатым к внутреннему радиальному упору 5, и центр тяжести CG подвижного элемента 3 остается в первом радиальном положении r. Тем не менее, начиная с угловой скорости ω, центробежный крутящий момент M становится больше крутящего момента F предварительного напряжения и заставляет подвижный элемент 3 поворачиваться наружу. По закону Гука упругая сила F, приложенная пружиной 4 к двум подвижным элементам 3, может быть приближенно выражена следующей формулой:
e
1
F = kx + F,
где k - коэффициент жесткости пружины 4, а x - расстояние, на протяжении которого пружина 4 сжимается из исходного положения, показанного на Фиг.3А.
Со своей стороны, центробежная сила, приложенная к каждому подвижному элементу 3, удовлетворяет следующей формуле:
c
2
F = mωr,
где m - массу каждого подвижного элемента 3, ω - угловую скорость передаточного вала, а r - радиальное расстояние центра тяжести каждого подвижного элемента 3 от оси вращения X.
1
Если подвижные элементы 3 являются по существу идентичными, и если их точки контакта с пружиной 4 находятся на радиальном расстоянии ℓ от шарнира P, угловая скорость ω для запуска устройства механической защиты может калиброваться с использованием следующей формулы:
1
<mrow><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mi>ℓ</mi></mrow><mrow><mi>N</mi><mi>m</mi><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mtext>L</mtext></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
ω =
,
где N - количество подвижных элементов 3 (в показанном варианте выполнения N=2).
1
1
Для того чтобы получать внешнее радиальное ускорение подвижного элемента 3 в результате запуска устройства защиты, коэффициент жесткости k должен быть менее, чем отношение предварительного напряжения F к исходному радиальному положению r:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
k <
1
Как в первом и втором вариантах выполнения, для того, чтобы исключать преждевременный запуск устройства механической защиты, радиальное расстояние r может удовлетворять следующему уравнению:
1
<mrow><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mtext>K</mtext><mi>γ</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>ω</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
r
,
n
где γ - заданное внешнее ускорение, К - коэффициент безопасности, и ω - номинальная угловая скорость передаточного вала, которая меньше угловой скорости запуска.
1
n
Таким образом, подвижные элементы 3 и пружина 4 в этом третьем варианте выполнения могут подобным образом калиброваться на основе этих формул для того, чтобы запускать устройство защиты при критической скорости ω, которая превышает номинальную скорость ω передаточного вала 1 на заданное превышение скорости Δω. После такого запуска подвижный элемент 3 перемещается по направлению ко второму положению, расположенному радиально еще дальше, чем первое положение, и показанному на фиг.3B.
После того как подвижный элемент 3 переместился во второе положение, передаточный вал 1 может выполнять не более чем половину оборота до того, как дистальный конец 3b одного из двух подвижных элементов 3, вращающихся вокруг главной оси X, столкнется с тангенциальным упором 8. Удар дистального конца 3b подвижного элемента 3 о тангенциальный упор 8 порождает мгновенную скручивающую перегрузку на передаточном валу 1, тем самым разрушая разрушаемый элемент 2, который размещается аксиально между первым соединяющим элементом 1а и подвижным элементом 3.
Примерное применение устройства механической защиты в соответствии с любым из первых предпочтительных вариантов выполнения показано на Фиг.4А. В этом примере устройство, такое, как одно из тех, что показаны на фигурах выше, используется для защиты турбовального двигателя 10 от превышения скорости Δω. Турбовальный двигатель 10 содержит компрессор 11 и турбину 12, которые соединены вместе приводным валом 13, вместе с камерой 14 сгорания, в которую подается топливо подающим насосом 15. Воздух, сжатый компрессором 11, доставляется в камеру 14 сгорания, а расширение горячего газа сгорания в турбине 12 служит для приведения в действие приводного вала 13 с большой поверхностью мощности по сравнению с мощностью, требуемой для приведения в действие компрессора 11. Приводной вал 13 может, таким образом, соединяться с другими механическими устройствами для того, чтобы приводить их в движение, как например, ротор вертолета.
В показанном турбовальном двигателе 10, передаточный вал 1 соединен с приводным валом 13 с помощью дополнительной коробки передач AGB. Передаточный вал 1 также соединен с подающим насосом 15 для того, чтобы приводить его в действие. Таким образом, при работе, мощность берется от приводного вала 13 с помощью передаточного вала 1 для того, чтобы подавать топливо в камеру 14 сгорания.
1
Если достигается заданное превышение скорости приводного вала 13, передаточный вал 1 достигает критической скорости ω и разрушается в разрушаемой секции 2. Приведение в действие подающего насоса 15, таким образом, прерывается, как показано на фиг.4В, и подача топлива в камеру 14 сгорания останавливается. Так как к нему больше не подается топливо, турбовальный двигатель 10 прекращает вырабатывать мощность для приведения в действие приводного вала 13, тем самым предотвращая разгон приводного вала 13.
Несмотря на то, что настоящее изобретение описано выше со ссылкой на специальные варианты выполнения, ясно, что могут быть выполнены различные преобразования и изменения этих вариантов выполнения без отклонения от общего объема охраны изобретения, который определен формулой изобретения. В частности, индивидуальные характеристики показанных различных вариантов выполнения могут быть объединены для выполнения дополнительных вариантов выполнения. Вследствие этого описание и чертежи должны быть рассмотрены в качестве иллюстрирующих, а не ограничивающих.