CN1119470A - 用于制备一种与转速相应的测量压力下的液体的变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在测量管(3)中制备好一种处于与绕轴线(1)旋转的轴颈(2)转速相应的测量压力下的液体的变换器。轴颈(2)可滑动地装在固定壳体(5)中，并有一个从轴颈端头(6)起沿旋转轴线(1)设置在内部的轴颈孔(7)。壳体(5)有一个围绕轴颈(2)的第一槽(9)，它通过在轴颈(2)上的至少一个横向孔(12)与轴颈孔(7)连通。此变换器有一个一方面与处于原始压力下的贮液器(10)而另一方面又与无压力的液池(8)相连的液体流动途径，此流动途径包括第一槽(9)、横向孔(12)、轴颈孔(7)和节流器(11)，以及，测量管(3)在横向孔(12)与节流器(11)之间从流动途径分流。按本发明，节流器(11)是一个与壳体(5)刚性连接的构件(5、24)与轴颈(2)之间的一个间隙(11)。在贮液器(10)与液池(8)之间形成了一个与转速有关的流动平衡，这种流动平衡决定了相应于转速的测量压力。此变换器特别适用于作蒸汽透平(15)的转速调节，其中，轴颈(2)可以直接装在蒸汽透平(15)的传动轴(14)上。
Description
本发明涉及一种用于在测量管中制备好一种处于与绕轴线旋转的轴颈转速相应的测量压力下的液体的变换器，其中，轴颈可滑动地装在固定壳体中，并有一个从轴颈端头起沿旋转轴线设置在内的轴颈孔；壳体有一个围绕轴颈的第一槽，它通过在轴颈上的至少一个横向孔与轴颈孔连通；以及，构成了一个一方面与处于原始压力下的贮液器而另一方面又与无压力的液池相连的液体流动途径，此流动途径包括第一槽、横向孔、轴颈孔和节流器，测量管在横向孔与节流器之间从流动途径分流。
这种变换器又称为“涡轮”或“转速-压力-变换器”；它提供具有测量压力的液压信号，这一信号作为转速的度量。这种变换器主要应用于发动机的转速调节，尤其是蒸汽透平的转速调节。为此，旋转轴颈与发动机传动轴连接，在测量管中制备好与转速有关的测量压力，用来控制一个可改变转速的装置。在发动机是一台蒸汽透平的情况下，这一装置例如是一个节流阀，或是一个有多个节流阀及相关伺服机构的装置。因为变换器直接提供一个液压信号，所以它特别适用于液压调节系统中，这种液压调节系统在蒸汽透平中得到广泛采用。
引言中所述类型的时常为蒸汽透平配置的变换器，可参阅Mc.Graw-Hill公司，纽约，1950年出版的B.G.A.Skrotzki和W.A.Vopat所著“蒸汽和燃气涡轮机”(Steam and Gas Turbines)一书的第7章229页起，尤其是240页图7-18和246页图7-28。第一个图表示一种上述类型的变换器。在每一种所介绍的变换器中，由贮液器通过另一根其中有作为节流器的隔板的管道，向在壳体轴承孔中的一个环形槽(在引言中称“第一槽”)供液体，与传动轴连接的轴颈在此壳体中旋转，贮液器主要是一个由主油泵来供应基本上不变的原始压力的管道系统。测量管从该环形槽分流，在该测量管中应当制备好具有与轴颈转速有关的测量压力的液体。此变换器的工作方式建立在下述基础之上，即，在贮液器与测量管之间建立一种流动平衡，这种流动平衡取决于轴颈的转速。为此，轴颈有一个沿其旋转轴线设置在内的轴颈孔，大约垂直于旋转轴线设置在轴颈上的横向孔与轴颈孔相通。这些横向孔将槽与轴颈孔连接起来。通过横向孔流入出口的液体量的大小，取决于轴颈的转速，液体从出口流入一个无压力的液池，亦即收集液体的容器。轴颈转得越快，液体经横向孔流出时受到离心力的阻碍就越大。于是，由于所建立的流动平衡，在槽中形成一个压力，这一压力与轴颈转速相关，并作为所需的测量压力不断进入测量管。虽然按此书介绍的一种变换器，其轴颈直接是蒸汽透平传动轴的延续部分，但这种变换器并未在实践中经过考验，因为特别是轴颈在定位中的微小偏心度会非常严重地影响到变换器的作用，而由于总是存在有传动轴的间隙，所以总会造成这种偏心度。尤其在蒸汽透平的传动轴经常处于高转速时会产生另外的缺点，这种高转速使变换器的设计变得非常困难。由于这一原因，实际上变换器没有直接设在传动轴上，而是设在一根分开的由传动轴经适当的减速器传动的转得比较慢的专用轴上。
在书中还介绍了一种用于蒸汽透平调节系统中的转速-压力-变换器，尤其详细说明了液压式调节系统。所推荐的液压调节系统主要建立在这样的基础之上，即，通常总是为发动机提供有一种适用于液压目的的液体，也就是润滑油以供使用，这种润滑油来自可提供足够高的原始压力的源头，因此可直截了当地用于使液压调节系统工作。
蒸汽透平调节系统以及通常作为这种调节系统组成部分的保护装置的其他设计，参见已公知的文件DE3138561A1和DE3138562A1。由这些文件，尤其可得知液压开关和操纵机构的细节设计。
由美国专利3395718可知一种转速-压力-变换器，它与引言所述的变换器不同，不是利用一种取决于轴颈转速基本上稳定的流动平衡，而是在液体中产生形式上的压力波的脉冲，它的预定的脉冲通过时间通过延迟管与转速的变化成比例地设定，此时，由脉冲在通过延迟管后传入一个制在轴颈上的开关中，开关将延迟管交替地与测量管和液池连接。根据转速的不同，有或多或少部分的脉冲到达测量管中。以此方式，在测量管中产生一个取决于转速的测量压力，此测量压力供入液体伺服机构中。人们可以将这种变换器采用电子学中惯用的名词叫做“数字式”变换器，因为它主要的工作只是确定预定的单位脉冲；而在引言中所述类型的变换器没有脉冲也行，所以可称之为“模拟”变换器。与模拟式变换器相比，那些自然的构件如节流器，对数字式变换器而言是完全无缘的。
由公知文件DE1798268A1还同样已知一种在引言中所述类型的变换器，亦即一种模拟式变换器。在这种变换器中，轴颈孔扩大一个腔，经横向孔流入轴颈中的液体，从此腔出来一部分通过节流成器流向液池，一部分经相应的管道流入液压测量装置。轴颈在一个专用的壳体中旋转，并按一种圆柱形罐的样式扩大；在轴颈外面的壳体整个内腔，在当前的结构关系中可看作是第一槽。在轴颈罐状扩大部分和第一槽的旁边，在壳体中设有一个围绕着轴颈的第二槽，它通过横向孔和一个纵向孔，与同样扩得很大的原有的轴颈孔连通，测量管从轴颈孔起通往液压伺服机构。
通过评估现有技术提出的本发明的目的在于，提出一种引言所述类型的变换器，它可以避免上面指出的缺点，其中，可旋转的轴颈可直接附设在发动机的以高速转动的传动轴上，以及，不会由于可能出现的轴颈偏心度或液体不稳定的温度，对它产生不利的影响此变换器还应尽可能结构简单和适合于成批生产。
为了达到上述目的，提出了一种在测量管中制备好一种处于与绕轴线旋转的轴颈转速相应的测量压力的液体的变换器，其中：
a)轴颈可滑动地装在固定壳体中，它有一个从轴颈端头起沿旋转轴线设置在内的轴颈孔；
b)壳体有一个围绕着轴颈的第一槽，它通过在轴颈上的至少一个横向孔与轴颈孔连通；
c)构成了一个一方面与处于原始压力下的贮液器而另一方面又与无压力的液池相连的液体流动途径，此流动途径包括第一槽、横向孔、轴颈孔和节流器，以及，测量管在横向孔与节流器之间从流动途径分流，此时，节流器按本发明是在一个与壳体刚性连接的构件和轴颈之间的间隙。
按本发明变换器的一个重要特点是，节流器包含在壳体内轴颈的支承中，因为以此方式可以保证，由于存在轴颈的偏心度而有可能产生的向轴颈供给液体的变化，可因此而得到补偿，即，节流器也产生相应的形状改变，以及，使轴颈略有改变的几何尺寸适应液体的流动阻力。在这种情况下产生的测量压力，基本上与轴颈在壳体中的偏心度无关。此外业已证明，变换器的这种几何结构，使测量压力与液体温度的关系很小。还有一个重要之点在于，液体从第一槽可能的漏泄因液体流经构成节流器的间隙的同步的流量变化得到补偿。总起来说可以肯定，按本发明的变换器，通过分析测量压力，可以很准确地和在工作期间可能产生的偏心度和/或温度波动的情况下都很少受影响地确定转速。而且尤其是对于工业中使用的蒸汽透平往往出现的非常高的转速，可以可靠地获得一个液压信号，即测量压力。为了使用现有的模拟式变换器而迄今广泛采用的前置变速箱，在必要时便可以取消了。通过使用按本发明的变换器，可以显著简化液压调节系统。除此之外，由于加工特别简单而使此变换器具有突出的优点，因为节流器是由两个必需的构件之间的间隙构成的，所以不再需要制备一个单独的节流器。因此，此变换器还特别适合于进行低成本的批量生产。
变换器的轴颈最好设计成圆柱形结构，并支承在壳体的一个圆柱形支承孔中，第一槽作为相应的凹槽设在此支承孔中。这种结构特别有助于低成本地制造变换器及其构件。
在一种特别有利的结构框架中，支承孔内有第二槽，此第二槽与第一槽沿旋转轴线相隔一个距离，节流器是轴颈与支承孔之间的一个间隙，第二槽通过此间隙与第一槽连通，以及，测量管从第一槽分流。在此结构中还包括，通过轴颈横向孔到达轴颈孔内的液体必须流往液池。因此，在轴颈与支承孔之间的间隙内的主要部分，形成了在变换器中为构成测量压力十分重要的流动平衡；由此可见，这种变换器对于轴颈在支承孔中的偏心度不太敏感，因为，由于偏心度而可能发生的构成节流器的间隙变化所带来的影响被同步改变相邻间隙的作用所补偿，经轴颈和支承孔之间的间隙来自第一槽或第二槽的漏泄液流，便是通过此相邻间隙流出的。还有，这种结构对液体的温度变化几乎没有反应，这一点为了保证顺利的起动过程尤其对于蒸汽透平而言具有特殊意义，在起动时液体必须明显自然地变热。
此外，第二槽最好围绕旋转轴线，因此在第一槽和第二槽之间有一个完全围绕着轴颈的间隙可供使用，并因而将可能发生的漏泄量控制得很小。
在一种更加有利的设计结构中，测量管由第一槽分流并位于第二槽与轴颈端头之间，这带来了另一个优点，因为这样做也是避免较大漏泄量所要求的。显然，在这里所描述的设计中，从第二槽出发的漏泄液流至少是起次要的作用；从第一槽的漏泄液流只能沿轴颈端头方向流出，当然，对此只有一个很小的压力降，亦即在测量压力与液池中的压力之间的压差可供使用。
为了进一步提高可由此变换器获得的测量压力的准确度，此变换器最好紧邻于一个为轴颈配置的滑动轴承，其中，滑动轴承有一个轴承间隙，此滑动轴承的间隙小于变换器中的间隙，如已详细阐明的那样，变换器中的间隙意味着变换器的节流器。以此方式，会对变换器造成损害的轴颈的振动受到极大程度的抑制，除此之外，轴颈的偏心度被限制到一个不再成为问题的值。
在变换器轴颈中的轴颈孔，最好相对于旋转轴线设置成轴对称的，以保证可能存在的多个横向孔具有基本一致的液体流动特征，并避免在液体中产生压力波。以此方式，可获得一种流往轴颈孔和在轴颈孔中的液体均匀的流动，这一点是测量压力与转速之间具有准确的关系所要求的。若将轴颈孔朝轴颈端头扩大成锥形是十分有利的，因为在这种情况下有助于在离心力作用下导出液体，这是为了在轴颈孔中形成一个确定的压力所需要做的。最好能做到流往液池的液体具有某个压力，此压力协助液体从变换器输送出。
在按本发明变换器另一种可供选择的结构中，轴颈孔在轴颈端头附近相对于旋转轴线是旋转对称的，并有一个与壳体刚性连接的栓塞插入此轴颈孔中，此时，在栓塞与轴颈之间留有的间隙构成了节流器，以及，测量管从轴颈孔通过栓塞分流。在这种设计结构中，实际上可以阻止从在其中建立所需测量压力的轴颈孔漏泄液流，因为除了测量管以外，液体从轴颈孔流出只有唯一的一个可能性，那就是通过起节流作用的间隙。在刚才所说的这种设计结构中第一槽内供有原始压力，所以来自第一槽的漏泄液流直接到液池去，因此对于形成测量压力不起作用，也就是说，测量压力的产生与漏泄液流基本无关。还有，刚才所说的这种变换器的构造非常简单，因为在支承孔中只需要唯一的一个槽，该槽在组装后自行构成。
刚才所述的这种设计的变换器，最好与一个为轴颈配置的轴承紧邻，以便通过已阐明的方式基本避免振动和偏心度。
在每种设计的变换器中，最好使第一槽围绕旋转轴线，以保证那些重要的工作构件尽可能是轴对称的结构，并避免在液体中产生压力波。
轴颈有多个横向孔是特别有利的，最好至少有4个横向孔。这样做也有利于保证在变换器中有尽可能轴对称的液体流动途径，并有利于液体的均匀流动。原则上每种设计的变换器，没有变速器作为中间连接，直接设在发动机传动轴上是非常好的。变换器因而可以在制造费用低廉的情况下，获得一个高质量的液压信号，用来确定传动轴的转速。
每种设计的变换器最好在采用油，尤其是润滑油或液压油作为液体的情况下来使用，在这种液体中可以制备好所期望的测量压力。
用于制备处于与转速相应的测量压力下的液体的变换器，最好在转速约6000转/分与约20000转/分之间进行工作，尤其在9000转/分与16000转/分之间。在这种情况下，此变换器能非常杰出地与蒸汽透平共同工作。
处于测量压力下的液体最好输往轴的液压转速调节器，此轴的组成部分便是变换器的轴颈。转速调节器尤其是配属于一台发动机，例如一台蒸汽透平，其中，在其上装有变换器的轴是发动机的传动轴。
变换器最好这样来设计和进行工作，即它所制备的测量压力在1×105帕斯卡与4×105帕斯卡之间。原始压力，亦即输入变换器的液体所具有的压力，最好约为106帕斯卡。
变换器最好这样来设计以及原始压力与测量压力在变换器使用范围内这样来调整，即，测量压力为原始压力的10％至60％之间，最好为原始压力的约30％与约50％之间。具有这样的参数情况下，可保证所建立的取决于转速的测量压力的高度准确性；尤其是在按上述最佳实施形式的变换器中，可以获得在测量压力与转速之间的一种关系，这种关系对于蒸汽透平的转速调节是非常有利的。
由附图可以看到变换器的实施例以及它的应用，并在下面加以说明。附图是部分示意表示和/或略有失真，以便特别突出变换器的某些特征。其中：
图1和2为变换器最佳实施形式的纵剖面图，图1还示意表示了变换器安装和应用的特点；
图3为变换器另一种实施形式的纵剖面图。
为了详细说明图1和2所示的实施形式，首先涉及这些图上的共同的问题。变换器有一个轴颈2，它可绕旋转轴线1旋转地装在壳体5的一个支承孔4中。在支承孔4中设置一个第一槽9，它围绕旋转轴线1并与测量管3连通，在测量管中应制备好一种处于测量压力下的液体，此时，此测量压力取决于转速，在当前的情况下大约与转速成平方关系，轴颈2以此转速绕旋转轴线1旋转。为此，将具有规定的原始压力的液体从贮液器10往第一槽9输送，此时，液体经节流器流入第一槽9。液体从第一槽9经横向孔12到达在轴颈2内的一个轴颈孔7中，并从此孔在轴颈端头6流出，以便流往一个无压力的液池8。当轴颈2旋转时，由于存在离心力使液体通过横向孔的流动受阻，所以轴颈2的转速越高，在第一槽9和测量管3中形成的测量压力越大。此变换器的一个重要特点在于节流器11的类型及实施方式。也就是说，为了输送液体，设置一个位于第一槽9旁边的第二槽13，其中存有处于原始压力下的液体。节流器11是在第一槽9与第二槽13之间延伸的轴颈2和壳体5之间的间隙；对于形成测量压力实属重要的流动平衡，通过此间隙11和横向孔12来决定。第一槽9位于第二槽13与轴颈端头6之间；由此产生一个向轴颈端头6的十分有限的漏泄流，此漏泄流由它们的几何条件决定，如通过间隙11的流量，并因而可以补偿由于轴颈2偏心度的变化或液体温度的变化引起的液流中的波动。在轴颈2中的轴颈孔7设计成锥形，这样便可以利用由于轴颈2旋转产生的离心力来导出液体。
由图1可见安装和应用此变换器的其他特点。轴颈2直接构成发动机15传动轴14的延续部分，此发动机15是一台蒸汽透平15。已经提及，此变换器尤其可用于轴颈2转速很高的情况，如通常的工业蒸汽透平的传动轴14所存在的高转速那样。紧挨在变换器旁边的是为轴颈2或传动轴14所设的轴承16。此轴承16是一个滑动轴承，在轴颈2与轴承16之间有一个轴承间隙17，它比变换器中的间隙11要小得多。在这种情况下，轴颈2可能的偏心度受轴承间隙17的限制，这一点对于测量压力与转速依赖关系的准确度是有利的。变换器中注入的具有原始压力的液体来自贮液器10，它通常是一个管道系统，如实施例所表示的，它借助于泵21以及可能还有的调节装置，将液体加压至原始压力。图1中对于这种管道系统象征性地表示了唯一的一根通往第二槽13的液体导管22。与一般的实践经验相符，使变换器受到冲击的液体在一个循环中运行。这一循环表明，从轴颈孔7的轴颈端头6出来的液体，通过排出管23输往液池8，尤其可输往一个贮液容器。液体从液池8流到泵21，以便重新加压至原始压力并输往贮液器10。不言而喻，与液体导管22一样，排出管23也可看作为一个较大的管道系统的代表，系统中包括了例如从轴承或其他液压系统出来的液体的排出管。
与通常的实践情况相应，变换器用于调整蒸汽透平15的转速。为此通过测量管3将测量压力供入转速调节器18，此转速调节器18根据测量压力控制一个在透平进汽管20中的透平阀19，蒸汽是通过此进汽管20加入蒸汽透平15的。转速调节器18通常基本上是一个全液压式系统，它控制一个同样为液压操纵的透平阀19。液体是停留在测量管3内还是在流动之中这一问题，对于变换器的工作并不是绝对重要的；必要时，按照接在测量管3上的仪表和设备的要求，例如转速调节器18，可在设计变换器时加以考虑。
图3表示变换器的另一种设计。在这种变换器中，轴颈同样在壳体5中旋转，并被第一槽9围绕，第一槽9通过液体导管22输入处于原始压力下的液体。液体从第一槽9经横向孔12进入轴颈2的轴颈孔7中.。轴颈孔7用一个栓塞24封闭，栓塞24插入轴颈孔7中并留有一个间隙11，此间隙11起所要求的节流器的作用。流经间隙11的液体经排出管23流出。测量管3穿过栓塞24从轴颈孔7分流。栓塞24设在一个可用来封闭壳体5的盖25上。
按图3所示的变换器，测量压力与转速是单调下降的关系，这与图1和2所示的变换器不同，在那里测量压力与转速是单调上升的关系。当然这在原则上对于变换器在调节发动机方面的可应用性没有影响。
每种设计的变换器都由于其在测量压力与转速之间高度精确的相互关系而优点突出，它尤其适用于直接添加连接在工业用蒸汽透平类型的发动机传动轴上。变换器的应用只需付出很低的设备方面的费用；尤其在关系到对发动机转速的调节时，它保证具有高的工作可靠性。
Claims (20)
1、用于在测量管(3)中制备好一种具有与绕轴线(1)旋转的轴颈(2)转速相应的测量压力的静止液体的变换器，其中：
a)轴颈(2)可滑动地装在固定壳体(5)中，它有一个从轴颈端头(6)起沿旋转轴线(1)设置在内部的轴颈孔(7)；
b)壳体(5)有一个围绕轴颈(2)的第一槽(9)，它通过在轴颈(2)上的至少一个横向孔(12)与轴颈孔(7)连通；
c)构成了一个一方面与处于原始压力下的贮液器(10)而另一方面又与无压力的液池(8)相连的液体流动途径，此流动途径包括第一槽(9)、横向孔(12)、轴颈孔(7)和节流器(11)，以及，测量管(3)从横向孔(12)与节流器(11)之间的流动途径分流出来；其特征在于：节流器(11)是在一个与壳体(5)刚性连接的构件(5、24)与轴颈(2)之间的一个间隙(11)。
2、按照权利要求1所述的变换器，其中，轴颈(2)是圆柱形的，它支承在壳体(5)的一个圆柱形支承孔(4)中，第一槽(9)位于此支承孔(4)中。
3、按照权利要求2所述的变换器，其中：
a)支承孔(4)中有第二槽(13)，它与第一槽(9)沿旋转轴线(1)相隔一个距离；
b)节流器(11)是轴颈(2)与支承孔(4)之间的一个间隙(11)，第二槽(13)通过此间隙(11)与第一槽(9)连通；
c)测量管(3)从第一槽(9)分流。
4、按照权利要求3所述的变换器，其中，第二槽(13)围绕着旋转轴线(1)。
5、按照权利要求3或4所述的变换器，其中，第一槽(9)位于第二槽(13)与轴颈端头(6)之间。
6、按照权利要求3至5之一所述的变换器，它与一个配属于此轴颈(2)的滑动轴承(16)紧邻，其中滑动轴承(16)有一个轴承间隙(17)，此滑动轴承间隙(17)比变换器中的间隙(11)要小。
7、按照权利要求1-6之一所述的变换器，其中，轴颈孔(7)相对于旋转轴线(1)是轴对称的。
8、按照权利要求7所述的变换器，其中，轴颈孔(7)是锥形的。
9、按照权利要求1所述的变换器，其中：
a)轴颈孔(7)在轴颈端头(6)的附近相对于旋转轴线(1)是旋转对称的；
b)一个与壳体(5)刚性连接的栓塞(24)插入此轴颈孔(7)中，此时，在栓塞(24)与轴颈(2)之间留有的间隙(11)构成节流器(11)，以及，测量管(3)从轴颈孔(7)通过栓塞(24)分流。
10、按照权利要求9所述的变换器，它与一个配属于此轴颈(2)的轴承(16)紧邻。
11、按照上述权利要求之一所述的变换器，其中，第一槽(9)围绕着旋转轴线(1)。
12、按照上述权利要求之一所述的变换器，其中，轴颈(2)有多个横向孔(12)，最好至少有4个横向孔(12)。
13、按照上述权利要求之一所述的变换器，其中，轴颈(2)在一台发动机(15)，尤其是蒸汽透平(15)的一根可绕旋转轴线(1)旋转的传动轴(14)上。
14、按上述权利要求之一所述变换器的应用，用于制备处于与转速相应的测量压力下的液体，其中，液体是一种油，尤其是一种润滑油或一种液压油。
15、按权利要求14所述的应用或按权利要求1至13之一所述变换器的应用，用于制备处于与转速相应的测量压力下的流体，其中，转速在约6000转/分与约20000转/分之间，尤其在9000转/分与16000转/分之间。
16、按照权利要求14或15所述的应用或按照权利要求1至13之一所述变换器的应用，用于制备处于与转速相应的测量压力下的液体，其中，处于测量压力下的液体加入转速调节器(18)中。
17、按照权利要求16所述的应用，其中，转速调节器(18)配属于一台发动机(15)，尤其是蒸汽透平(15)。
18、按照权利要求14至17之一所述的应用或按照权利要求1至13之一所述变换器的应用，用于制备处于与转速相应的测量压力下的液体，其中，测量压力在1×105帕斯卡与4×105帕斯卡之间。
19、按照权利要求14至18之一所述的应用或按照权利要求1至13之一所述变换器的应用，用于制备处于与转速相应的测量压力下的液体，其中，原始压力约为106帕斯卡。
20、按照权利要求14至19之一所述的应用或按照权利要求1至13之一所述变换器的应用，其中，测量压力在原始压力的10％与60％之间，最好在原始压力的约30％与约50％之间。
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