一种低压涡轮转子超转保护断油机构及其方法与流程

1.本发明属于涡轮发动机技术领域，特别涉及一种低压涡轮转子超转保护断油机构及其方法。


背景技术：

2.低压涡轮转子失去负载(如低压轴断裂)将可能导致轮盘飞转破裂产生高能非包容碎片，验证危害发动机安全，发动机适航规定：如果某些零部件失效导致超转保护装置不能防止转子超转，需在电子超转保护系统外另设置机械超转保护机构，目前基于机械超转保护机构的设计主要方式有3种：
3.1)轴断裂后涡轮转子后移，超转保护机构触发燃油系统，直接关闭油门；
4.2)轴断裂后涡轮转子后移，导向叶片等静子件卡住旋转件，或打断转子叶片，防止轮盘继续超转；
5.3)轴断裂后涡轮转子超转，叶片在达到轮盘破裂转速前断裂飞出，防止涡轮盘转速继续增加，这种方式一般称之为叶片脱落保护设计。
6.然而目前的机械超转保护机构具有如下缺点：
7.1)电子超转保护模式下轮盘、叶片结构强度设计相对简单，不用考虑盘一定要比叶片破裂转速高，但是存在一定的控制系统失效风险；
8.2)叶片脱落保护模式可靠性高，但是结构强度设计复杂，会带来转子重量上升，叶片寿命下降的风险；
9.3)导向叶片等静子件卡住旋转件，或打断转子叶片，防止轮盘继续超转方式风险性高，现有发动机应用经验偏少。


技术实现要素：

10.为了解决背景技术中的至少一个问题，本发明提出一种低压涡轮转子超转保护断油机构及其方法。
11.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
12.一种低压涡轮转子超转保护断油机构，包括上机匣、排气机匣、下机匣、保护机构、低压轴和涡轮转子；
13.所述保护机构位于低压轴一侧，用于低压轴断裂后传递涡轮转子的位移信息；
14.所述涡轮转子安装在低压轴上，用于当低压轴断裂后，涡轮转子与保护机构相碰，并推动保护机构移动；
15.所述排气机匣一端与上机匣固定连接，另一端与保护机构连接；
16.所述保护机构远离排气机匣的一端与下机匣连接；
17.所述保护机构还连接有钢索，所述钢索一侧还安装有位移传感器，所述位移传感器用于当钢索移动到预设位置后发出断油信号；
18.所述钢索还连接有断油阀，所述断油阀用于接收断油信号，随后断油，发动机停
机。
19.优选地，所述保护机构包括触发螺钉、内转动连杆、移动连杆、外转动连杆、第一安装座和第二安装座；
20.所述触发螺钉与内转动连杆螺纹连接；
21.所述内转动连杆靠近触发螺钉的一端与第一安装座转动连接，所述内转动连杆远离触发螺钉的一端与移动连杆转动连接；
22.所述移动连杆远离内转动连杆的一端与外转动连杆转动连接；
23.所述第二安装座与外转动连杆转动连接。
24.优选地，所述触发螺钉沿低压轴轴向设置。
25.优选地，所述第一安装座与所述排气机匣固定连接；
26.所述第二安装座与所述下机匣固定连接；
27.所述排气机匣与所述下机匣相对活动。
28.优选地，所述外转动连杆与钢索连接。
29.一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，用于上述的一种低压涡轮转子超转保护断油机构。
30.优选地，方法包括：低压轴断裂后，计算第一时间，所述第一时间为涡轮转子沿低压轴轴向移动直至与保护机构相碰所需的时间；
31.计算第二时间，所述第二时间为保护机构与涡轮转子相碰后沿轴向移动预设距离的时间；或，计算第三时间，所述第三时间为保护机构将涡轮转子的位移信息传递出去所需的时间；
32.计算保护时间，所述保护时间为第一时间和第二时间之和，或计算第一时间和第三时间之和；
33.基于保护时间，切断发动机的燃油供给，直至发动机停止转动。
34.优选地，计算第一时间，包括：
35.获取低压轴断裂前，保护机构中触发螺钉距离涡轮转子的轴向距离，记为l1；
36.基于以下公式计算第一时间：
37.t1＝l1/v1，式中t1为第一时间，v1为涡轮转子的移动l1的平均速度。
38.优选地，计算第二时间，包括：
39.获取保护机构中触发螺钉与涡轮转子相碰后沿轴向移动的预设距离，记为l2；
40.基于以下公式计算第二时间：
41.t2＝l2/v2，式中t2为第二时间，v2为触发螺钉沿轴向移动l2的平均速度。
42.优选地，计算第三时间，包括：
43.获取外转动连杆的沿轴向移动的距离，记为l3；
44.基于l3获取与外转动连杆连接的钢索的移动距离，记为l4；
45.钢索一侧的位移传感器检测到钢索移动距离l4后发出计算第三时间的信号；
46.基于l3计算第三时间t3，公式如下：
47.t3＝l3/v3，式中t3为第三时间，v3为为外转动连杆沿轴向移动l3的平均速度。
48.优选地，所述l3/l2》1。
49.本发明的有益效果：
50.1、本发明通过使用保护机构来传递涡轮转子的位移信息，使得低压轴断裂后，可以通过传动机构及时将断裂信息传递至发动机，使发动机及时停机，避免低压轴因高度转动而造成涡轮盘破裂的情况；
51.2、本发明通过计算第一时间、第二时间和第三时间，提出通过控制触发螺钉距离涡轮转子的轴向距离l1、触发螺钉与涡轮转子相碰后沿轴向移动的预设距离l2和外转动连杆的沿轴向移动的距离l3，使得保护时间可以控制在目标范围内，避免出现涡轮转子超转导致涡轮盘破裂的情况，避免控制系统出现失效的风险。
52.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
53.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
54.图1示出了本发明的一种低压涡轮转子超转保护断油机构的结构示意图；
55.图2示出了本发明的保护机构的结构示意图；
56.图3示出了本发明的一种低压涡轮转子超转保护断油的方法的流程图。
57.图中：1、上机匣；2、排气机匣；3、下机匣；4、保护机构；401、触发螺钉；402、内转动连杆；403、移动连杆；404、外转动连杆；405、第一安装座；406、第二安装座；5、低压轴；6、涡轮转子；7、钢索；8、位移传感器；9、断油阀。
具体实施方式
58.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
59.一种低压涡轮转子超转保护断油机构，如图1所示，包括上机匣1、排气机匣2、下机匣3、保护机构4、低压轴5和涡轮转子6；其中上机匣1、排气机匣2和下机匣3均为回转体结构，涡轮转子6安装在低压轴5上，保护机构4位于低压轴5一侧，当低压轴5断裂后，涡轮转子6就会往图1中右侧移动，随后与保护机构4碰撞并移动一段距离，保护机构4随着涡轮转子6的推动而移动，并将该位移信息传递出去，直至发动机断油；排气机匣2一端与上机匣1固定连接，另一端与保护机构4连接，保护机构4远离排气机匣2的一端与下机匣3连接，而且排气机匣2与所述下机匣3相对活动，保护机构4还连接有钢索7，钢索7一侧还安装有位移传感器8，位移传感器8用于当钢索7移动到预设位置后发出断油信号给与钢索7连接的断油阀9，随后断油阀9断油，发动机停机，而且从图1中可知，下机匣3与上机匣1并未接触，二者留有一定的间隙，这样能够保证保护机构4上下两端能够相对移动。
60.需要说明的是，保护机构4是位移的传递机构，具体可以采用四连杆机构，详见图
2。
61.进一步地，如图2所示，保护机构4包括触发螺钉401、内转动连杆402、移动连杆403、外转动连杆404、第一安装座405和第二安装座406，，共同组成平面四杆连杆机构，主要功能是低压涡轮轴断裂后，触发燃油控制系统实现燃油切断，防止因低压涡轮转子6超转发生低压涡轮盘破裂后而导致机匣的非包容。在保护机构4中，触发螺钉401与内转动连杆402螺纹连接；内转动连杆402靠近触发螺钉401的一端与第一安装座405转动连接，而且沿低压轴5的轴向设置，内转动连杆402远离触发螺钉401的一端与移动连杆403转动连接；移动连杆403远离内转动连杆402的一端与外转动连杆404转动连接；第二安装座406与外转动连杆404转动连接。另外，第一安装座405与排气机匣2固定连接，第二安装座406与下机匣3固定连接，而且外转动连杆404与钢索7连接。
62.需要说明的是，当触发螺钉401沿低压轴5轴向移动时，内转动连杆402随之轴向移动，然后内转动连杆402带动移动连杆403上端超图2中右侧移动，移动连杆403下端则朝左移动，随后外转动连杆404往左移动，最后外转动连杆404拉紧与其连接的钢索7，钢索7位移一段距离，位移传感器8监测该距离。
63.需要进一步说明的是，低压涡轮轴断裂后，由于没有球轴承承受轴向力，涡轮转子6在向后的气动力作用下，涡轮转子6后移l1，通过时间t1(第一时间)，与触发螺钉401相碰,通过时间t2(第二时间)，触发螺钉401轴向移动预设距离l2，通过连杆机构内转动连杆402、移动连杆403、外转动连杆404后，外转动连杆404轴向距离可以移动l3，l3/l2＞1，即传动比，外转动连杆404带动钢索7，通过时间t3，钢索7触发位移传感器8，传递电信号给断油阀9，然后断油阀9切断燃油供给，发动机停车，通过时间t1+t2或t1+t3后，低压涡轮盘转速小于破裂转速，从而起到低压发动机转子超转的作用。
64.一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，用于上述的低压涡轮转子超转保护断油机构，如图3所示，具体如下：
65.s1：低压轴5断裂后，计算第一时间，第一时间为涡轮转子6沿低压轴5轴向移动直至与保护机构4相碰所需的时间；
66.s2：计算第二时间，第二时间为保护机构4与涡轮转子6相碰后沿轴向移动预设距离的时间；或，计算第三时间，第三时间为保护机构4将涡轮转子6的位移信息传递出去所需的时间；
67.s3：计算保护时间，保护时间为第一时间和第二时间之和，或为第一时间和第三时间之和；
68.s4：基于保护时间，切断发动机的燃油供给，直至发动机停止转动。
69.从步骤s1-s4可知，保护断油方法跟保护时间相关，一般来说，保护时间越短那么低压涡轮盘破裂的风险就越小，安全性就会更高，因此保护断油方法需要考虑如何缩短保护时间，具体计算过程如下：
70.进一步地，计算第一时间，包括：
71.s101：获取低压轴5断裂前，保护机构4中触发螺钉401距离涡轮转子6的轴向距离，记为l1；
72.s102：基于以下公式计算第一时间：
73.t1＝l1/v1，式中t1为第一时间，v1为涡轮转子6的移动l1的平均速度。
74.需要说明的是，通过第一时间的计算过程可知，l1越小，第一时间就会越短，因为低压轴5断裂后，v1的速度是不可控的，因此可以设置好l1来减小第一时间。
75.进一步地，计算第二时间，包括：
76.s201：获取保护机构4中触发螺钉401与涡轮转子6相碰后沿轴向移动的预设距离，记为l2；
77.s202：基于以下公式计算第二时间：
78.t2＝l2/v2，式中t2为第二时间，v2为触发螺钉401沿轴向移动l2的平均速度。
79.需要说明的是，触发螺钉401的移动速度与涡轮转子6接触时的速度相关，因此第二时间t2通过l2更方便调节，在设计触发螺钉401的可移动距离时，可以尽量减小l2，减少第二时间。
80.进一步地，计算第三时间，包括：
81.s301：获取外转动连杆404的沿轴向移动的距离，记为l3；
82.s302：基于l3获取与外转动连杆404连接的钢索7的移动距离，记为l4；
83.s303：钢索7一侧的位移传感器8检测到钢索7移动距离l4后发出计算第三时间的信号；
84.s304：基于l3计算第三时间t3，公式如下：
85.t3＝l3/v3，式中t3为第三时间，v3为为外转动连杆404沿轴向移动l3的平均速度。
86.需要说明的是，由于触发螺钉401安装在上机匣1内部，因此检测其移动数据时具有一定局限性，因此还可以通过计算第三时间来反推第二时间，同时能够验证第二时间的准确性。通过步骤s301-s304可知，保护机构4可以带动钢索7运动，因此保护机构4与钢索7是同步移动的，此时通过位移传感器8来监测钢索7，当钢索7移动到临界位置时，位移传感器8就可以给系统发出信号，然后切断燃油。
87.需要进一步说明的是，本发明的保护断油的方法中，需要在合理范围内调节l1、l2和l3的值，在确保保护断油机构能够稳定运行的情况下实现保护断油的作用。
88.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种低压涡轮转子超转保护断油机构，其特征在于，包括上机匣(1)、排气机匣(2)、下机匣(3)、保护机构(4)、低压轴(5)和涡轮转子(6)；所述保护机构(4)位于低压轴(5)一侧，用于低压轴(5)断裂后传递涡轮转子(6)的位移信息；所述涡轮转子(6)安装在低压轴(5)上，用于当低压轴(5)断裂后，涡轮转子(6)与保护机构(4)相碰，并推动保护机构(4)移动；所述排气机匣(2)一端与上机匣(1)固定连接，另一端与保护机构(4)连接；所述保护机构(4)远离排气机匣(2)的一端与下机匣(3)连接；所述保护机构(4)还连接有钢索(7)，所述钢索(7)一侧还安装有位移传感器(8)，所述位移传感器(8)用于当钢索(7)移动到预设位置后发出断油信号；所述钢索(7)还连接有断油阀(9)，所述断油阀(9)用于接收断油信号，随后断油，发动机停机。2.根据权利要求1所述的一种低压涡轮转子超转保护断油机构，其特征在于，所述保护机构(4)包括触发螺钉(401)、内转动连杆(402)、移动连杆(403)、外转动连杆(404)、第一安装座(405)和第二安装座(406)；所述触发螺钉(401)与内转动连杆(402)螺纹连接；所述内转动连杆(402)靠近触发螺钉(401)的一端与第一安装座(405)转动连接，所述内转动连杆(402)远离触发螺钉(401)的一端与移动连杆(403)转动连接；所述移动连杆(403)远离内转动连杆(402)的一端与外转动连杆(404)转动连接；所述第二安装座(406)与外转动连杆(404)转动连接。3.根据权利要求2所述的一种低压涡轮转子超转保护断油机构，其特征在于，所述触发螺钉(401)沿低压轴(5)轴向设置。4.根据权利要求2所述的一种低压涡轮转子超转保护断油机构，其特征在于，所述第一安装座(405)与所述排气机匣(2)固定连接；所述第二安装座(406)与所述下机匣(3)固定连接；所述排气机匣(2)与所述下机匣(3)相对活动。5.根据权利要求2所述的一种低压涡轮转子超转保护断油机构，其特征在于，所述外转动连杆(404)与钢索(7)连接。6.一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，其特征在于，用于权利要求2-5任一项所述的一种低压涡轮转子超转保护断油机构。7.根据权利要求6所述的一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，其特征在于，包括：低压轴(5)断裂后，计算第一时间，所述第一时间为涡轮转子(6)沿低压轴(5)轴向移动直至与保护机构(4)相碰所需的时间；计算第二时间，所述第二时间为保护机构(4)与涡轮转子(6)相碰后沿轴向移动预设距离的时间；或，计算第三时间，所述第三时间为保护机构(4)将涡轮转子(6)的位移信息传递出去所需的时间；计算保护时间，所述保护时间为第一时间和第二时间之和，或计算第一时间和第三时间之和；基于保护时间，切断发动机的燃油供给，直至发动机停止转动。
8.根据权利要求7所述的一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，其特征在于，计算第一时间，包括：获取低压轴(5)断裂前，保护机构(4)中触发螺钉(401)距离涡轮转子(6)的轴向距离，记为l1；基于以下公式计算第一时间：t1＝l1/v1，式中t1为第一时间，v1为涡轮转子(6)的移动l1的平均速度。9.根据权利要求8所述的一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，其特征在于，计算第二时间，包括：获取保护机构(4)中触发螺钉(401)与涡轮转子(6)相碰后沿轴向移动的预设距离，记为l2；基于以下公式计算第二时间：t2＝l2/v2，式中t2为第二时间，v2为触发螺钉(401)沿轴向移动l2的平均速度。10.根据权利要求9所述的一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，其特征在于，计算第三时间，包括：获取外转动连杆(404)的沿轴向移动的距离，记为l3；基于l3获取与外转动连杆(404)连接的钢索(7)的移动距离，记为l4；钢索(7)一侧的位移传感器(8)检测到钢索(7)移动距离l4后发出计算第三时间的信号；基于l3计算第三时间t3，公式如下：t3＝l3/v3，式中t3为第三时间，v3为为外转动连杆(404)沿轴向移动l3的平均速度。11.根据权利要求10所述的一种低压涡轮转子超转保护断油的方法，其特征在于，所述l3/l2>1。

技术总结
本发明属于涡轮发动机技术领域，公开了一种低压涡轮转子超转保护断油机构及其方法，其中保护断油机构包括上机匣、排气机匣、下机匣、保护机构、低压轴和涡轮转子。本发明通过使用保护机构来传递涡轮转子的位移信息，使得低压轴断裂后，可以通过传动机构及时将断裂信息传递至发动机，使发动机及时停机，避免低压轴因高度转动而造成涡轮盘破裂的情况；本发明通过计算第一时间、第二时间和第三时间，提出通过控制触发螺钉距离涡轮转子的轴向距离L1、触发螺钉与涡轮转子相碰后沿轴向移动的预设距离L2和外转动连杆的沿轴向移动的距离L3，使得保护时间可以控制在目标范围内，避免出现涡轮转子超转导致涡轮盘破裂的情况。子超转导致涡轮盘破裂的情况。子超转导致涡轮盘破裂的情况。


技术研发人员：务卫涛 吴明兵 陈剑 卢波 蒋晓炜 邓丽君
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/7/6