CN103314231A - 机械保护方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到提供机械保护的装置领域和方法，特别涉及到一种带有传动轴(1)的机械保护装置，所述传动轴弯曲时的共振频率对应于传动轴(1)预定旋转过速，所述传动轴不能充分阻尼到可避免因为所述弯曲共振而造成的传动轴(1)断裂，本发明还涉及到一种机械保护方法，按照这种方法，传动轴(1)会因为弯曲时的这种共振而断裂。

Description

机械保护方法和装置
技术领域
本发明涉及一种机械保护装置，特别涉及一种可防止过速的机械保护装置。
背景技术
为了防止各种装置出现机械过载，所属领域的技术人员早就知道一些保护装置，在这些保护装置中，使用了一种在出现过载时就会牺牲的机械传动系统部件，避免对传动系统下游造成较为严重的损坏。通常，这种保护装置可以设计成防止出现超大力或超大扭矩。例如，美国专利US 4 313 712和US 6 042 292公开了可防止过大径向力作用在旋转轴上的机械防护装置。然而，这些已知的牺牲装置的缺陷是不能提供过速保护。在许多情况下，过速同样会引起损坏,或者甚至比过大力或过大扭矩造成的损坏更严重。特别是，在某些机器中，诸如涡轮发动机，过速会引起正反馈现象，该现象引起渐进加速，从而机器损坏。
国际专利申请WO 2008/101876公开了一种机械保护装置，其采用一根在弯曲时产生共振频率的传动轴，该共振频率对应于传动轴的预定旋转过速。在这个装置中，传动轴的弯曲共振通过传动轴来吸收转动时所传输的功率，从而防止超过所述预定过速。然而，只有在可用功率受到限制，且传动轴的弯曲阻尼足以耗散所有可用功率时，所述情况才可行。如果可用功率随着反向力矩而面临增加的危险时，那么，传动轴的弯曲共振将不能足以克服。
发明内容
本发明试图解决这些缺陷。
由于传动轴的阻尼不能足以避免所述弯曲共振造成的断裂，从而实现了该目的。为此，传动轴构成了一种牺牲部件，出现超时情况时，该牺牲部件会中断机械传动系统的运转。
通过上述措施，可以有效地防止精确预定的过速现象，即使在所传输功率不受限制时。
有利的是，所述弯曲共振频率对应于第一弯曲方式。为此，在传动轴渐进加速期间所达到的第一共振频率为该轴断裂时的频率。
本发明还提供了一种机器，包括驱动轴、供料泵，特别是燃油供料泵，以及本发明的机械保护装置，其特征在于，传动轴将驱动轴连接到供料泵上，以便驱动供料泵。于是，在驱动轴过速时,传动轴会断裂，从而中断对供料泵的驱动，进而停止机器运转。
有利的是，所述驱动轴连接到涡轮，后者通过流体膨胀来被驱动，而流体的膨胀则是因供料泵所输送燃油燃烧受热所致。这样，如果涡轮过速情况下，进而在驱动轴和传动轴过速情况下，传动轴会断裂,中止向机器送油，从而使得涡轮停止转动。该燃烧可以是内部燃烧或外部燃烧。为此，涡轮可以是由燃油燃烧所产生气体直接驱动的燃气涡轮，或者是由燃油燃烧而间接加热的流体来驱动的蒸汽涡轮。
本发明还提供了一种运载工具，特别是飞机，其包括本发明的机器。例如，该机器可以是转翼飞机的涡轮轴发动机。
本发明还提出了一种机械保护方法，其包括传动轴在预定转动过速时弯曲共振而折断传动轴。
附图说明
通过阅读如下以非限定性示例给出的实施例的详细说明，可以更好地理解本发明，本发明的优点也会更清楚地显现出来。所述说明参照附图，附图如下：
图1示出了本发明一个实施例的机械保护装置的传动轴的模型；
图2为图1所示传动轴的坎贝尔图；
图3A为包括了图1所示机械保护装置的涡轮发动机的示意图；以及
图3B是图3A所示涡轮发动机机械保护装置传动轴断裂时的示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明一个实施例中的机械保护装置传动轴1的模型。传动轴1采用Jeffcott转子模型，其包括彼此相互固定并经由弹性安装轴承2，3和4支撑的轴杆1a和中央轮盘1b。轴杆1a本身也是弹性的。为此，传动轴1是一种动态系统，其提供了多个共振频率，包括轴承2，3和4之间弯曲时的共振。传动轴1的每个弯曲方式都会呈现两个共振频率，即正向涡动(FW)共振频率和反向涡动(BW)旋转共振频率。这两个频率的曲线都会随传动轴1转速的不同而变化。图2为正向涡动和反向涡动曲线，根据传动轴1的转速变化，分别表示第一正向涡动方式的共振频率和第一反向涡动方式的共振频率。在同一曲线图上，直线I示出的是频率比fr，对应于传动轴1的转速Ω。主要是因为失衡，甚至可能无意中，在以该频率fr旋转的轴上施加多个力。反向涡动弯曲方式不会因为失衡而启动。然而，即图2所示曲线，在临界转速ΩFW时，当频率比fr与正向涡动共振频率相一致时，传动轴1则会进入共振。虽然实际传动轴1会提供一定程度的固有阻尼，但这种固有阻尼非常有限，通常不能足以耗散以这个转速在轴1上引起的振动能量。因此，传动轴1弯曲振动幅度会分散，直至传动轴1断裂。
在所示的机械保护装置中，传动轴1经过校准，这样，第一弯曲方式的正向涡动临界转速ΩFW对应于预定的过速，例如，设定为传动轴1标称转速Ωn的120%。为此，如果传动轴1达到该过速ΩFW时，该过速会使得传动轴1出现灾难性共振，从而折断传动轴1，进而中断传动系统运行。
为此，传动轴1作为牺牲机械保护装置来使用，而不是针对过大力或过大扭矩，而是针对过速。图3A给出了这种机械保护装置针对过速而起保护作用的一个应用示例。在这个示例中，本发明的装置用来保护涡轮发动机10防止过速。涡轮发动机10包括压缩机11和涡轮12，二者通过驱动轴13连接到一起，以及燃烧室14，后者通过供料泵15来向其输送燃油。压缩机12所压缩的空气被送至燃烧室14，流过涡轮12的热燃烧气体的膨胀可带动驱动轴13，所产生的动力超过了驱动压缩机11所需要的动力。为此，将驱动轴13连接到其它的机械装置上，从而能够驱动这些机械，诸如直升机旋翼。
在涡轮发动机10中，传动轴1经由附件齿轮箱(AGB)连接到驱动轴13上。传动轴1还连接到供料泵15上，以便驱动供料泵。这样，在运行时，通过传动轴1来从驱动轴13获得动力，从而向燃烧室14输送燃油。
如果达到驱动轴13预定过速时，传动轴1达到其临界转速ΩFW，从而因为弯曲共振而断裂。于是，供料泵15不再被驱动，向燃烧室14的燃油输送也停止。因为涡轮发动机10不再有燃油送入，其停止产生带动驱动轴13运转的动力，从而防止驱动轴13失控。
在示例应用中，涡轮发动机10传动轴13的标称转速为每分钟30000转，机械保护装置可以设定为在标称转速120%过速时停止输送燃油，即在36,000rpm时。如果传动轴1由驱动轴13以齿轮比1/3驱动时，那么，其应该设计成在临界转速12,000rpm时断裂，即在传动轴的第一弯曲方式时,正向涡动共振频率ΩFW为200赫兹。
尽管本发明已经在上面结合具体实施例进行了描述，但很清楚，所述实施例可以进行各种改进和改动，但都没有超出权利要求所提出的本发明的一般范围。为此，所述说明和附图应视为说明性的，而不是限定性的。

Claims (12)

1.一种机械保护装置，包括传动轴(1)，其弯曲时的共振频率对应于传动轴(1)预定旋转过速，所述装置的特征在于，传动轴(1)的阻尼不能足以避免传动轴(1)因所述弯曲共振所造成的断裂。
2.根据权利要求1所述的机械保护装置，其特征在于，所述弯曲共振频率对应于第一弯曲方式。
3.一种机器，包括驱动轴(13)、供料泵(15)，和根据权利要求1或权利要求2所述的机械保护装置，其特征在于，所述传动轴(1)连接驱动轴(13)至供料泵(15)，从而带动所述供料泵(15)运转。
4.根据权利要求3所述的机器，其特征在于，所述供料泵(15)为燃油供料泵。
5.根据权利要求4所述的机器，其特征在于，所述驱动轴(11)连接到涡轮(12)上，后者通过所述燃油燃烧加热的流体膨胀来驱动。
6.一种运载工具，其包括根据权利要求3到5任一项所述的机器。
7.一种飞机，其包括根据权利要求3至5任一项所述的机器。
8.一种机械保护方法，其包括因在预定旋转过速时弯曲共振而断裂传动轴(1)。
9.根据权利要求8所述的机械保护方法，其特征在于，所述共振对应于所述传动轴(1)的第一弯曲方式。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的机械保护方法，其特征在于，所述传动轴(1)将旋转动作从驱动轴(13)传递给供料泵(15)。
11.根据权利要求10所述的机械保护方法，其特征在于，所述供料泵(15)输送燃烧用燃油，以便输送可使驱动轴(13)旋转的热能。
12.根据权利要求11所述的机械保护方法，其特征在于，所述驱动轴(13)通过涡轮(12)来驱动，所述涡轮(12)则通过所述燃烧加热的流体膨胀来驱动。
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