通过使用扭矩测量仪测量进行自由涡轮机超速的检测

摘要

本发明涉及用于保护涡轮发动机的自由涡轮机(6)不超速的装置，该涡轮发动机包括燃气发生器，该燃气发生器包括至少一个压气机(1)，燃烧室(3)，至少一个联接涡轮机(4)和用于控制喷射入所述燃烧室中燃料的系统，通过所述发生器产生的燃气被送往所述自由涡轮机(6)，所述装置包括由机械地联接所述自由涡轮机的输出轴(8、11)所支撑的至少一个扭矩测量装置(12)和信号处理单元，如果该信号处理单元检测到扭矩下降到设定值以下，该信号处理单元能够向涡轮发动机控制系统传输指令以减少所喷射燃料的流量，其中：在对应于所述输出轴(8、11)一部分转动的转动期间进行用于触发所述减少的扭矩测量。

说明书

技术领域

本发明的领域是涡轮机组领域，更特别地是防护涡轮发动机的自由涡轮机的领 域。

背景技术

涡轮发动机通常用于航空器的推进，特别是用于直升机的推进和上升。这些发 动机包括气体发生器，该燃气体发生器特别地沿着主动轴包括一个或多个压气机， 围绕轴的环形燃烧室和一个或多个称为联接涡轮机的涡轮机，其通过主动轴驱动一 个或多个压气机。离开该发生器的燃气然后送往称为自由涡轮机的涡轮机叶轮，该 自由涡轮机连接动力轴，该动力轴与发生器的主动轴是分开的，并且该动力轴供应 有用的动力用于推进和/或上升。包括燃烧室和自由涡轮机的燃烧室下游的所有元件 称为热部件，相比较认为其它元件是冷的。

当设计涡轮发动机时，对自由涡轮机轴的破裂风险给予适当考虑是正确的，因 为当这种事情发生时，由燃气供应给涡轮机的动力不再会被该轴所驱动的设备吸收， 自由涡轮机的转速极其快速地增加。这种超速很快引起叶片破裂和/或变得与涡轮机 圆盘分离。因为离心力，这些叶片会被很猛烈地向外扔去，甚至可以穿过围绕涡轮 机的壳体，引起非常明显的发动机损坏，并且潜在地甚至危及航空器和其乘客。

因此，航空器发动机的设计者不得不预防这种超速的后果。提供所需要保护的 一个常用方法是在涡轮机周围安装固位环，该固位环能够吸收变得分离的任何叶片 的能量和能够在发动机内包括它们。这种过程的装置代表着很重的质量。

使用一个或多个感测涡轮机叶轮转速的传感器和信号处理单元，或任何其它可 编程逻辑系统，已经评估了超速检测装置，当开始出现超速时，这种装置作用于燃 气发生器的调节，以减少或切断所喷射的燃料量。当这种装置应用于没有固位环的 发动机时，它必须盖住发动机内部轴的破裂。缺点是由此传感器必须定位于紧邻自 由涡轮机的附近，即，其中温度特别高的空间中。这是因为不可能定位速度传感器 在自由涡轮机轴的相反端，因为那样，如果轴破裂发生在自由涡轮机和传感器所定 位的点之间，就不会检查到这种破裂。除了在热空间中安装这些传感器特别复杂的 问题事实外，所用的传感器经历环境条件，该环境条件不利于对可靠性要求非常高 的功能。因为工作环境不是利于传感器可靠性或传感器寿命，因为传感器的不足够 的可靠性，可以出现与安全性功能可用性有关的问题。

例如从专利申请US2912822或US5363317，乃至申请人公司的专利申请 FR2931552可知通过测量涡轮机组涡轮机所施加的扭矩而工作的超速检测装置是已 知的。

这些装置具有所描述的用于扭矩测量的机械装置的缺点或者利用速度测量的装 置的缺点，其反应时间尽管没有特别指定，但是由于所用技术而是相对较长。它们 并不是特别适合检测自由涡轮机的超速，如果在极其短的期限内没有做出检测，如 果自由涡轮机驱动的轴破裂，就会经历爆炸性失控。

用于检测直升机发动机中自由涡轮机中超速的系统基本上需要包括3种类型事 件：

-发动机失控，以至于发动机不可控制地输送超过所需要动力的动力；

-直升机动力系发动机外部的发动机联接的破裂；

-自由涡轮机和输出轴之间发动机外部的联接的破裂；发动机内部的轴破裂理解 为意指自由涡轮机和扭矩测量仪之间破裂，以及扭矩测量仪轴本身的破裂。

通过直接监测输出轴的速度通常可以处理前两种情况。相比较，在热部件中不 安装测量装置就不能处理第三种情况。

发明内容

本发明的目的是通过提出用于防止自由涡轮机轴破裂的超速预防装置来减轻这 些缺点，其没有现有技术的一些缺点，允许发生这种事故时，喷射入燃气发生器内 燃料流量的非常快速的减少。

为此，本发明的一个目的是用于包括燃气发生器的涡轮发动机的自由涡轮机的 超速保护装置，该燃气发生器包括至少一个压气机，燃烧室，至少一个联接涡轮机 和用于调节喷射入所述燃烧室中燃料量的系统，来自于所述发生器的燃气被送往所 述自由涡轮机，所述装置包括由机械地联接所述自由涡轮机的输出轴所支撑的至少 一个扭矩测量装置和信号处理单元，如果该信号处理单元检测到扭矩已经下降到第 一基准数值以下，该信号处理单元能够向涡轮发动机调节系统传输指令以减少所喷 射的燃料流量，其特征在于：在对应于所述输出轴一部分转动的转动期间采用用于 触发所述减少的扭矩测量。

传输可以同时测定轴速度和所传输的扭矩的信号以及特征在于极快的响应时间 的扭矩测量仪装置的使用意指几乎瞬间可以检测到涡轮机内部的轴破裂，这样在自 由涡轮机已经达到禁止性高转速之前调节系统可以干预。可以注意到在这种情况下， 扭矩测量仪也可以用于测量轴速度。

有利地，测量装置是音轮扭矩测量仪，转动部分由包括在所述音轮的两个连续 齿之间的扇体所限定。

在第一实施方式中，针对每个新转动部分更新所述扭矩测量。由此极快地获得 涉及扭矩动力学的信息，并且这适合基于高速发动机的超速检测。

有利地，只有在第一预定时间间隔内扭矩值下降到第一基准值以下时才触发流 量减少。

更有利地还在于第一时间间隔小于或等于5ms。

优选地在该第一实施方式中，只有当所测得的动力大于或等于最大输出动力的 约50％时，所述处理单元才触发所述流量减少。

在第二实施方式中，通过取所述输出轴转动期间对至少一次转动所记录数值的 运转平均值获得所述扭矩测量。可以平均为一次转动或整数次转动的该平均信息适 于使用中间发动机速度检测超速。

有利地，只有在第二预定时间间隔内扭矩值下降到第二基准值以下时才触发流 量的减少。

更有利地还在于第二时间间隔小于或等于10ms。

优选地在该第二实施方式中，只有当所测得的动力包含在最大输出动力的约 25％和50％之间时，所述处理单元才触发所述流量减少。

在另一个实施方式中，如果所测量的动力小于最大输出动力的约25％和如果瞬 时扭矩测量下降到第三基准值以下时，所述处理单元进一步触发流量的减少，所述 基准值依赖于燃气发生器的转速。

有利地，扭矩测量装置包括带有非交错的齿的两个音轮扭矩测量仪，并且如果 检测到两个音轮之间速度差异，所述处理单元也触发流量减少。

本发明也涉及包括信号处理单元或可编程逻辑系统的计算盒，能够向系统传输 指令以当它检测到输出轴上所测量的扭矩已经下降到基准值以下时减少流量，该系 统用于调节装配有上述装置的涡轮发动机。

在下面参考附图所给出的体现本发明一个完整示例性和非限制性实施例的详细 解释性说明的过程期间，将更好地理解本发明，并且其进一步目的、细节、特征和 优点将变得更清楚明显。

附图说明

图1是装配有本发明扭矩测量仪，带有减速齿轮的自由涡轮机涡轮发动机的截 面示意图。

图2是装配有本发明扭矩测量仪，不带有减速齿轮的自由涡轮机涡轮发动机的 截面示意图。

图3是示意图，表示当自由涡轮机轴破裂，涡轮发动机处于高动力时，使用本 发明第一种测量方法，涡轮发动机的输出动力轴上所测量的扭矩如何根据时间而变 化。

图4是示意图，表示当自由涡轮机轴破裂，涡轮发动机以中间动力工作时，使 用本发明第二种测量方法，涡轮发动机的动力输出轴上所测量的扭矩如何根据时间 而变化。

具体实施方式

参考图1，其表示涡轮发动机，按照常规方式包括压气机1、燃烧室3，燃气由 燃烧室上喷出而进入联接涡轮机4中。联接涡轮机通过称为主动轴的轴7刚性地连 接压气机。在联接涡轮机的出口侧，气体被送往自由涡轮机6，其上安装有动力轴8， 该动力轴通过穿过主动轴7而朝涡轮发动机的上游侧延伸。

在图1中所示的实施例中，动力轴8进入齿轮箱，它在齿轮箱中通过专用的主 动轴驱动各种附件，并且在所描述的直升机实施例中，通过结合在发动机内的减速 齿轮模块10驱动各种附件，其中出现了称为输出轴11的直升机动力系主动轴。

安装在该输出轴11上的是图1中所示意的扭矩测量仪12，其通常测量自由涡 轮机6传输给该输出轴11的扭矩的幅度。它与计算盒(未示出)中所安装的信号处 理单元有关，并且如果动力轴8要破裂，用于根据所测量的扭矩发出警报。该扭矩 测量仪可以是常规标准应力的扭矩测量仪，或者优选地通过测量两个音轮之间存在 的相位移而工作的扭矩测量仪，所述两个音轮中每个音轮位于输出轴11扭转弹性部 分的每侧上。这种扭矩测量仪可以是称为具有交错齿的扭矩测量仪类型，只具有一 个音轮，或者可替代的带有非交错齿的类型，具有在能够经受扭转变形的轴(称为 扭矩测量仪轴)部件两端定位有两个音轮。如所述，扭矩测量仪12具有交错的齿， 并且定位在称为输出小齿轮的小齿轮区域中输出轴11上，动力轴8通过该输出小齿 轮驱动输出轴11。

图2表示与图1结构相似的结构，其中本发明应用于没有减速齿轮的发动机上， 扭矩测量仪直接安装在动力轴8上。与图1的元件相同的元件分配了相同的附图标 记，不再重新描述。

图3和图4以实线表示当动力轴8破裂时，扭矩测量仪12所测量的扭矩随着时 间的变化。在图3中，燃气发生器在破裂前处于高动力点，接近最大输出动力 (MTOP)。在图4中，燃气发生器在破裂前处于最大动力MTOP的25％和50％之 间的中间动力。这些图也示出了给出扭矩值的弯曲虚线，在涡轮发动机调节计算机 中可以得到该扭矩值。这些值用于提供给飞行员发动机运转信息和用于调节涡轮发 动机，并且不能用于检测轴破裂；精确度的搜索由于整合和过滤所花费的时间实际 上导致了更慢的测量动态。可以看出这些值并没有足够快地减少而能用于检测动力 轴8的破裂。

在图3中，实线曲线表示两个音轮上三个连续齿的通道上所取的相位移测量的 详细解释，在我们音轮实施例中，音轮带有4个齿，每个齿对应于四分之一转的轴 转动。将注意到经过三个连续齿的测量是可以采用的最快测量。测量所采用的转动 部分这里由两个音轮中一个音轮的两个连续齿之间角度扇区限定。在图4中，实线 所画出的曲线这次表示测量的详细解释，该测量视为轴全部转动的运转的平均值， 在每四分之一转时更新该测量。

在图3的实施例中，可以注意到所测定的扭矩非常突然地减少，并且四分之一 转时所测量的它的值在约5ms时间后达到最小值。所测量的值然后在该最小值上下 波动，同时松弛的波动对应于仍旧固定于扭矩测量仪12的轴线的扭转应答。该5ms 值足够低以与用于防护发动机动力轴8随后破裂的装置的应答时间要求相容。信息 然后通过特定的处理单元发送给涡轮发动机调节系统以使它急剧地减少所喷入的燃 料的量。传输给自由涡轮机的动力的接近瞬时的降低防止自由涡轮机发展成显著的 超速。因为破裂后所达到的最大转速保持受限，可以通过它们附件的简单工程学设 计，或者如果没有这个，使用仅限定重量的固位环而保证叶片的机械完整性。

从图4可以看出扭矩测量达到其最小值所花的时间是大约10ms。也可以看到第 一次最小水平已经达到后波动的水平具有明显小于图3中所观察到振幅的相对振 幅。所测得波动的振幅之间比率和轴破裂后扭矩减少达到其最小值的量在后一种情 况下要远远比前一种情况小。因此，检测的时间更长，但是因为对它施加的是中间 功率，这是完全可以接受的。

鉴于这些观察结果，本发明限定了用于检测轴破裂的规则，划分出在高动力涡 轮发动机运转(理论上考虑为大于MTOP的50％，这个值不是必需的)和在中间值 (MTOP的25％和50％之间)运转之间的区别。

在第一种情况，任务是检测破裂的装置监测对最小部分转动进行测量的扭矩变 化，这将允许推出测量。当所测量的扭矩在给定的时间窗口下降到预定阈值以下时， 所调节的涡轮发动机仍旧是高动力，则宣布破裂。该检测阈值设定为带有适合余量 的值，该值距离可以获得可靠的检测的起始值足够远，并且在足够接近的值附近， 以避免与松弛波动影响有关的扰动。

在中间发动机速度情况下，第一次最小值到达后所观察到的扭矩值的回弹将导 致对于其太小的差异以至于如果使用相同的规则和相同的扭矩测量方法而不能限定 可靠的检测阈值。为此，对于在中间发动机速度的运转，本发明利用了对轴的一次 转动所进行的运转测量，使用了根据所记录数值的平均值所计算的扭矩值，对每个 新转动部分进行测量值更新以可以获得新相位移信息。因为在这种情况下，回弹比 以前具有更小的幅度，如前面的情况，可以限定检测阈值，该检测阈值保证破裂已 经实际上发生了，不会发出错误警报。

使用这种方法取代在高动力所使用方法的结果是达到阈值比前述情况要延后 (10ms而不是5)。然而，因为在这种情况下所涉及的动力更低，破裂后自由涡轮 机的角加速度相应地更低。接着发生的超速然后充分受限，这样尽管在检测破裂方 面这种轻微延迟，涡轮机机械完整性得到保证。

通过设置，例如理论上基本上是直线的理论规定，可以在适当位置设定监测较 低发动机速度(MTOP的25％以下)，这给出了在正常运转下，根据燃气发生器的 转速，应用于输出轴11的最小扭矩，然后，通过限定向下偏移曲线的可接受余量， 利用该曲线，以形成破裂检测阈值。如果测定的扭矩下降到该阈值以下，那么已经 发生了破裂，报警信号必须发送给计算机，计算机调节燃气发生器使它减少喷入的 燃气量。

这种方法将不可避免地引起被引入到警报触发计算程序的延迟，该延迟比用高 和中动力所述方法所观察到的延迟要长。然而，再一次，因为起始动力是低的，自 由涡轮机将要达到的超速将会非常有限和保持与另外所采取的保证其机械完整性的 措施相容。

通过可替代的方案，可以用来自于预破裂值的扭矩降低梯度的阈值替换在上文 所述的扭矩水平阈值。

在本发明一个特别的实施方式中，所采用的扭矩测量仪12是具有两个音轮和非 交错齿的扭矩测量仪，每个轮固定于扭矩测量仪轴的端部。在这种可替代的形式中， 通过检测两个音轮之间速度的差异来提供扭矩测量仪轴本身破裂的检测。

尽管已经结合了一个特定的实施方式描述了本发明，但是非常清楚它包括所述 装置的所有技术等同和其组合，这些都落入本发明的范围。