CN107250755A - 联接负载测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种联接负载测量方法及装置，该联接负载测量方法允许测量借助于毂(3)连接的第一驱动轴(1)和第二从动轴(2)之间的负载，毂(3)借助于联接至所述毂(3)和所述第一轴(1)和/或所述第二轴(2)的至少一个柔性联接元件(5,6)来与第一轴(1)且与第二轴(2)联接，该方法包括在轴(1,2)的运行期间测量关于在毂的第一凸缘(31)与柔性联接元件(5,6)的第二凸缘(61)之间的基准距离的距离变化的测量步骤，以及使用所述测量的距离变化用于计算所述负载的步骤。

Description

联接负载测量方法及装置
技术领域
本文公开的主题的实施例对应于用于联接负载测量的方法及装置，具体但不限于涡轮领域。
背景技术
在机械领域中，当设备的两个旋转轴(驱动和从动)相互联接时，需要补偿两者的相对位移，以便避免设备自身的破坏。
在一个(或两个)驱动轴(或以其整体的驱动/从动机器)经历可引起一个轴的热膨胀的可变(高)工作温度而导致在联接件的驱动轴和从动轴之间的相应空间位移时，该需求进一步显著。
具体而言，如可理解那样，该需求在燃气涡轮领域中特别显著，其中正常情形是将涡轮轴联接到变速箱或一个(或多个)压缩机上。
为了连接涡轮驱动轴和变速箱或压缩机从动轴，本领域中已知的是使用带柔性元件的柔性联接件。
具体而言，此柔性联接元件连接两个旋转轴(驱动和从动)，以便将转矩从一个传递到另一个，来补偿不同类型的失准(径向或角向或两者)和补偿轴的轴向位移，以便任一者都不施加过大的推力至另一个。
每个柔性联接元件均包括介于平行于彼此的第一与第二凸缘之间的一个或多个柔性元件：转矩由联接毂传递至柔性元件，其分别拴至间隔物，由此补偿两个轴的失准。
由于柔性联接元件的使用，因此减小作用于两个轴上的力。
除了这些联接柔性元件的使用之外，在燃气涡轮领域中，已经开发出了用于控制在两个轴之间传递的转矩的方法；在US 7,784,364和US 2012/0234107中描述了能够测量转矩的装置的实例。
尽管使用柔性联接元件和转矩测量，但仍可在过大负载的情况下发生对从动轴的止推轴承的磨损和最终破坏。
因此，存在测量在从动轴上(且相反在驱动轴上)的负载的普遍需要，以便能够作用于联接件上或涡轮上或变速箱或压缩机上来减小对止推轴承的磨损和破坏。
附加的问题在于提供一种能够以较大准确性执行此负载测量的方法和装置。
另一个附加问题在于提供一种在不干涉联接的设备(例如，涡轮/压缩机)的情况下能够执行此负载测量的方法和装置。
又一个附加问题在于提供一种在已经安装的设备(例如，涡轮/压缩机)中在不需要较大改变安装的设备的情况下能够执行此负载测量方法及装置。
另一个问题在于提供一种负载测量，其对于由工作轴达到的相对高温引起的热膨胀不敏感或有限敏感。
发明内容
因此，存在对于用于联接负载测量的改进的方法和装置的普遍需要，以便清楚地识别出现在涡轮/使用者联接件的驱动/从动轴上的负载。
重要的构想在于通过将联接柔性元件的至少部分用作测量装置的部分来测量借助于至少一个联接柔性元件连接的第一驱动轴和第二从动轴之间的轴向负载：此轴向负载是止推轴承磨损和破坏的主要原因，因为其为驱动轴(例如，涡轮轴)与从动轴(即，使用者轴，例如，示例性变速箱轴或压缩机轴)之间的轴向位移的结果。
在此背景下，另一个重要构想在于以无接触方式执行此轴向负载测量，以便避免干涉旋转轴或干涉联接柔性元件。
本文公开的主题的第一实施例对应于用于测量在借助于毂连接的第一驱动轴与第二从动轴之间的负载的联接负载测量方法，该毂借助于联接到所述毂和所述第一轴和/或所述第二轴上的至少一个柔性联接元件来与第一轴且与第二轴联接，其中，该方法包括(至少在轴的运行期间)测量关于毂的第一凸缘与柔性联接元件的第二凸缘之间的基准距离的距离变化的测量步骤，以及使用所述测量的距离变化用于计算所述负载的步骤。
本文公开的主题的第二实施例对应于用于测量在借助于毂连接的第一驱动轴与第二从动轴之间的负载的联接负载测量装置，该毂借助于联接到所述毂且联接到所述第一轴和/或到所述第二轴的至少一个柔性联接元件来与第一轴且与第二轴联接，所述柔性联接元件包括至少一个弹性元件，优选多个压紧的弹性盘，所述柔性联接元件的所述弹性元件与毂和第一或第二轴之间的一个的联接，用来在两者之间传递转矩，其中，该装置包括毂的第一凸缘；和所述柔性联接元件的第二凸缘，所述第二凸缘与所述弹性元件联接；以及用于测量关于在所述第一与第二凸缘之间的基准距离的距离变化的至少一个测量站。
以此方式，有可能通过使用作为测量装置的一部分的至少一个柔性联接元件来测量在联接的第一和第二轴上的轴向负载；一旦已经测量了两个凸缘之间的距离，则将有可能测量作用于轴上的轴向力(负载)；具体而言，在轴之间的联接件(联接件包括第一和第二柔性联接元件和连接毂)具有弹簧系统的特征的假设下，则将有可能以很简单的算术关系(胡克定律)来确定或测量作用于轴上的轴向负载。
附图说明
并入本文中且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的示例性实施例，且连同详细的说明阐释了这些实施例。在附图中：
图1示出了联接负载测量装置的示例性实施例的侧截面；
图2示出了图1中的联接负载测量装置的前截面；
图3至6示出了图1和2中的负载测量装置的测量站的不同截面；以及
图7和8示出了用于设有热电偶的前图的测量站的支承物的前视图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参考附图。
以下描述不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。
说明书各处提到的"一个实施例"或"实施例"意思是与实施例有关所描述的特定特征、结构或特点包括在公开主题的至少一个实施例中。因此，说明书各处的各种位置出现的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"不必然指相同实施例。此外，特定特征、结构或特点可在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。
联接负载测量装置的一个实施例在图1-8中示出，且作为整体以100来引用。
联接负载测量装置100用于测量在第一驱动轴1与第二从动轴2之间的负载。
例如，驱动轴1是涡轮轴，而从动轴2是变速箱或压缩机轴。
两个轴1,2借助于与第一轴1且与第二轴2联接的毂3连接。
毂可取决于特定安装而具有不同形状；例如如附图的示例性实施例中那样，毂可具有大致管形。
在第一轴1和/或第二轴2之间的联接件包括至少一个柔性联接元件。
此柔性联接元件5,6将转矩从一个轴1传递至另一个轴2，且同时补偿不同类型的失准(径向或角向或两者)，且还补偿轴的轴向位移；柔性联接元件5,6是本领域中公知的，且这里在下文中仅给出简要描述。
在附图的示例性的实施例中，示出了两个柔性联接元件5,6，一个柔性联接元件5联接至毂3和驱动轴1，且第二柔性联接元件5联接至毂3和从动轴2。
必须理解的是，在其它实施例中，仅提供了一个柔性联接元件5或6：在此情况下，两个轴中的一个(1或2)与毂直接地联接，而另一个轴(2或1)借助于一个柔性联接元件5或6与毂联接。
在示例性实施例中，每个柔性联接元件5,6包括与毂3和第一或第二轴1,2之间的一个联接的至少一个弹性元件52,62，用于在操作期间在两个轴之间传递转矩。
优选地，所述弹性元件52,62包括多个压紧弹性盘，其在压紧盘的中心和外周区域处与毂和轴联接，以便压紧盘可弹性地补偿由于不同原因(例如，热生长)引起的在毂与轴之间的相互的失准(reciprocal misalignment)。
根据示例性实施例，装置100还包括毂3的第一凸缘31，以及所述柔性联接元件6的第二凸缘61。
必须注意的是，在该实施例中，第二凸缘61是使毂3与从动轴2连接的柔性联接元件6的凸缘，但在其它实施例中(未示出)，第二凸缘是使毂3与驱动轴1连接的柔性联接元件5的凸缘51。
然而，如果第一轴是涡轮轴，使用使毂3与从动轴2连接的柔性联接元件6的第二凸缘61具有关于减小热应力的一些优点。
所述第二凸缘51,61与所述弹性元件52,62联接，以便与后者大致一起移动。
装置100还包括至少一个测量站7',7''，用于测量关于所述第一和第二凸缘之间的基准距离的距离变化。
在示例性实施例中，出于以下阐述的原因示出了所述测量站7',7''中的两个；必须理解的是，可仅提供一个测量站7',7''。
在示例性实施例中，测量站7'和/或7''包括用于测量关于在第一和第二凸缘之间的基准距离的距离变化的至少一个传感器，优选涡流传感器。
基准距离是在轴的非运行状态中(在其转速大约为零时)在第一和第二凸缘之间的测量的距离。
在示例性实施例中，如在图3-5中所示，各个测量站7',7''包括分别具有一个测量末梢73,74的至少两个传感器71,72；各个传感器71,72的各个测量末梢73,74面对在第一凸缘31和第二凸缘61之间的一个，以便测量在各个测量末梢与相关的第一凸缘31或第二凸缘61之间的距离，且具体地测量关于所述基准距离的距离变化。
传感器安装在支承物9上，以便测量关于在平行于轴的旋转轴线38的方向上的基准距离的距离变化或距离。
优选地，所述传感器是无接触类型，例如，光学的(例如，激光)或类似的，还更优选地，那些传感器为涡流类型；涡流传感器是在本领域中公知的，且将不会在此详细描述。
优选地，如示例性实施例中那样，设置两个测量站7',7''；还更优选地，所述两个测量站7',7''中的各个位于所述第一凸缘31和第二凸缘61的对应的测量区域处。
优选地，所述两个测量站7',7''位于所述毂3的相对侧上，还更优选地相对于所述毂3的中心旋转轴线38处于彼此成180°，这可在图2中清楚看到。
该特定实施例具有的额外的优点，允许在联接件的两个不同区域中测量，且补偿由两个站7',7''进行的不同测量：此补偿可由两次测量之间的平均值执行。
在示例性实施例中，如在图3-5中所示，测量站7',7''还包括用于支承所述至少一个传感器71,72或两个传感器71,72(当如在附图的优选实施例中那样设置两个传感器时)的支承物9；传感器71,72安装到支承物9上，以便它们中的一个面对第一凸缘，且另一者面对第二凸缘。
支承物9可固定在地面上或包括驱动轴或从动轴中的至少一个或毂的设备的壳体上。
优选地，支承物9以低热生长系数的材料制成。
在示例性实施例中，如在图3-5中所示，测量站7',7''还包括用于冷却所述支承物9和/或所述至少一个传感器71,72的冷却装置，以便减小传感器或支承物的热膨胀引起的测量误差。
在所示优选实施例中，冷却装置包括至少一个空气导管11,12，用于发送空气流到所述支承物9上和/或所述至少一个传感器71,72上。
空气导管11,12在其转向上可操作地连接至冷却空气源，如，冷却空气管路、压缩空气源或类似的(未示出)。
必须注意的是，备选地，冷却装置可利用不同于空气的流体运行，例如，用于冷却传感器71,72和/或支承物的液体冷却。
此外，在未示出的其它实施例中，可设置有用于清洁测量表面或区域的清洁装置，以便具有更好的测量结果；那些清洁装置在传感器是替代涡流传感器的光学传感器(例如，激光传感器)时特别有用。
在此情况下，为了减小测量误差，特别有用的是保持测量区域清洁而没有灰尘；这可通过使用清洁装置获得(例如，朝那些区域引导的空气流)。
在特定实施例中，清洁装置被包括在已经描述的冷却装置中：这可通过不但朝传感器或支承物而且朝凸缘供应空气流来获得。
由于支承物或传感器的热膨胀或生长可引起测量上的误差，所以为了限制所述测量误差，优选地为各个传感器提供至少一个温度传感器是重要的(如在图7,8中所示)。
还更优选地，参看上图，且为了提供非常准确的测量，设置用于各个传感器71,72的一对温度传感器15,16;17,18。
如在图7和8中所示，温度传感器15,16;17,18中的各对在相关的传感器71,72的相对侧上，优选在在支承物9上固定的且围绕各个传感器的外周的主体延伸的支承环结构上。
现在参看本文公开的联接负载测量方法，必须要说，其可借助于上文公开的装置100来使用。
所述方法提供用于测量在第一驱动轴1和第二从动轴2之间的负载，尤其测量在那些轴1,2之间的轴向负载。
上文提到的方法至少包括以下步骤：测量关于毂31的第一凸缘和柔性联接元件5,6的第二凸缘61之间的基准距离的距离变化；该距离变化在当两个轴1,2旋转运行时的运行状态中测量。
该方法还包括使用所述测量的距离变化用于计算所述负载的步骤。
尤其，所述负载作为所述测量距离的线性函数被计算。
还更优选的是，F是所述负载且X是关于基准距离的所述测量距离的变化，所述负载以F=K*X被计算，在轴之间的联接件(联接件包括连接毂和柔性联接元件与第一或第二轴之间的至少一个)具有弹簧系统的特征的假设下：那么将有可能以很简单的算术关系(胡克定律)确定或测量作用于轴上的轴向负载。
尤其，在设置一个联接元件用于将毂3联接至第一轴与第二轴之间的一个的情况下，则K是大致等于所述柔性联接元件的轴向刚度的系数。
当设置两个联接元件用于将毂3联接至第一轴1和第二轴2时，则K是大致等于柔性联接元件的轴向刚度的和的系数。
在本文所述的优选但不限制的实施例中，所述测量步骤相对于所述第一凸缘31和第二凸缘61无接触地执行。
无接触测量允许了避免测量传感器之间的磨损，且执行更好的测量；这在驱动轴是涡轮轴时特别有用，因为在运行中转速特别高。
优选地，无接触的测量借助于涡流传感器来执行。
还更优选地，在运行中，无接触的测量步骤至少通过测量在所述第一凸缘31与第一测量点73之间的距离和测量在所述第二凸缘61与第二测量点74之间的距离来执行。
为了减小测量中的误差，设置所述第一和第二凸缘31,61的至少两个不同的测量区域7',7''。
优选地，所述两个测量区域在所述毂3的相对侧上，还更优选地相对于毂3的中心旋转轴线38处于彼此成180°。
所述测量步骤通过至少一个测量站7',7''实现，且该方法还提供了冷却至少所述测量站7',7''优选至少所述传感器的步骤。
所述冷却步骤优选至少通过由朝所述测量传感器引导的空气流执行，所述空气流具有低于所述测量站温度的温度，以便冷却至少传感器。

Claims (14)

1.一种联接负载测量方法，其用于测量借助于毂(3)连接的第一驱动轴(1)和第二从动轴(2)之间的负载，所述毂(3)借助于联接至所述毂(3)和所述第一轴(1)和/或所述第二轴(2)的至少一个柔性联接元件(5,6)来与所述第一轴(1)且与所述第二轴(2)联接，其中，所述方法包括，在所述轴(1,2)的运行期间测量关于所述毂的第一凸缘(31)和所述柔性联接元件(5,6)的第二凸缘(61)之间的基准距离的距离变化的测量步骤，以及使用所述测量的距离变化用于计算所述负载的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载以所述测量的距离的线性函数计算，优选地F是所述负载且X是关于基准距离的所述测量的距离变化，所述负载以F=K*X计算，其中K在设置一个联接元件用于将所述毂(3)联接至所述第一驱动轴(1)与第二驱动轴(2)之间的一个的情况下是等于所述柔性联接元件的轴向刚度的系数，且在设置多于一个的联接元件用于将所述毂(3)联接至所述第一驱动轴(1)和第二从动轴(2)之间的一个的情况下是等于所述柔性联接元件的任一个的轴向刚度的和的系数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述测量步骤相对于所述第一和第二凸缘(31,61)无接触地执行，优选借助于涡流传感器(71,72)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述无接触的测量步骤至少通过测量在所述第一凸缘(31)和第一测量点(73)之间的距离和通过测量在所述第二凸缘(61)与第二测量点(74)之间的距离来执行。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量步骤在所述第一和第二凸缘(31,61)的至少两个不同测量区域(7',7'')中执行，优选所述两个测量区域在所述毂(3)的相对侧上，还更优选地相对于所述毂(3)的中心旋转轴线(38)处于彼此成180°。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述测量步骤由至少一个测量站(7',7'')实现，其中，设置冷却至少所述测量站(7',7'')的步骤，优选地借助于朝所述测量传感器引导的空气流，所述空气流具有低于所述测量站温度的温度。
7. 一种联接负载测量装置(100)，其用于测量在借助于毂(3)连接的第一驱动轴(1)与第二从动轴(2)之间的负载，所述毂(3)借助于联接至所述毂(3)和至所述第一轴(1)和/或所述第二轴(2)的至少一个柔性联接元件(5,6)来与所述第一轴(1)和与所述第二轴(2)联接，所述柔性联接元件(5,6)包括至少一个弹性元件(52,62)，优选多个压紧的弹性盘，所述柔性联接元件(5,6)的所述弹性元件(52,62)与所述毂(3)和所述第一或第二轴(1,2)之间的一个联接，用于在所述两个轴之间传递转矩，其中，所述装置(100)包括：
所述毂(3)的第一凸缘(31)，以及
所述柔性联接元件(5,6)的第二凸缘(61)，所述第二凸缘(51,61)与所述弹性元件(52,62)联接，以及
至少一个测量站(7',7'')，用于测量关于所述第一和第二凸缘之间的基准距离的距离变化。
8.根据权利要求7所述的装置(100)，其中，所述第二凸缘是与所述第二从动轴(2)联接的柔性联接元件(6)的凸缘(61)。
9.根据权利要求7或8所述的装置(100)，其中，所述测量站(7',7'')包括用于测量关于所述第一和第二凸缘之间的基准距离的距离变化的至少一个传感器(71,72)，优选涡流传感器。
10.根据权利要求9所述的装置(100)，其中，所述测量站(7',7'')包括分别具有一个测量末梢的至少两个传感器(71,72)，各个传感器(71,72)的所述测量末梢面对所述第一凸缘(31)与所述第二凸缘(61)之间的一个，以便测量各个测量末梢与相关的所述第一凸缘(31)或第二凸缘(61)之间的距离。
11.根据前述权利要求7至10中任一项所述的装置(100)，包括两个测量站(7',7'')，各个位于所述第一和第二凸缘(31,61)的对应的测量区域处，优选地所述两个测量站(7',7'')位于所述毂(3)的相对侧上，还更优选地相对于所述毂(3)的中心旋转轴线(38)处于彼此成180°。
12.根据权利要求12所述的装置(100)，其中，所述两个测量站(7',7'')位于所述毂(3)的相对侧上，优选相对于所述毂(3)的中心旋转轴线(38)彼此成180°。
13. 根据前述权利要求8至12中任一项所述的装置(100)，其中，所述测量站(7',7'')还包括：
用于支承所述至少一个传感器(71,72)的支承物(9)，以及
用于冷却所述支承物(9)和/或所述至少一个传感器(71,72)的冷却装置；
所述冷却装置优选包括用于发送空气流到所述支承物(9)上和/或到所述至少一个传感器(71,72)上的至少一个空气导管(11,12)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述支承物(9)包括用于各个传感器(71,72)的至少一个温度传感器(15,16,17,18)，优选用于各个传感器(71,72)的两个温度传感器(15,16;17,18)，还更优选用于各个传感器(71,72)的一对温度传感器(15,16;17,18)，所述一对中的各个温度传感器在所述相关的传感器(71,72)的相对侧上。
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