专利名称：用于校准扭矩测量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本文中公开的本主题涉及涡轮，并且更尤其地涉及测量可旋转轴的角位移以确定扭矩。
背景技术：
诸如燃气涡轮和/或蒸汽涡轮的各种机器可用于驱动诸如功率发生器的负荷。尤其地，燃气涡轮和/或蒸汽涡轮可用于旋转定子内的磁体以生成电功率。功率发生器包括轴，其连接到旋转磁体并且其自身连接到通过一个或多个涡轮旋转的大的连接轴(也称作负荷联接轴)。连接轴典型地大并且硬，由此当扭矩施加在连接轴上时导致非常小的扭转位移(应变)。进行对通过连接轴传输的扭矩的测量以确定使连接轴旋转的涡轮的功率输出。 在实例中，通过构造成在轴中的选定位置处测量角位移的传感器或测量仪器确定扭矩测量。角度测量的值典型地非常小，通常低于I度。因此，对于传感器和角位移与相应的扭矩的测量的改进的精度还改进用于涡轮的功率输出的确定。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供用于校准用于可旋转对象的扭矩测量的方法，其中方法包括联接可旋转对象到结构，结构包括沿可旋转对象的表面的长度延伸的部件；联接可旋转对象到适配器；并且经由适配器施加已知扭矩到可旋转对象。方法还包括经由第一传感器测量第一旋转位移，第一传感器在可旋转对象的第一轴向位置处联接到部件；经由第二传感器测量第二旋转位移，第二传感器在可旋转对象的第二轴向位置处联接到部件；并且基于第一旋转位移和第二旋转位移确定可旋转对象的第一角位移和第二角位移。根据本发明的另一方面，提供用于校准可旋转对象的扭矩测量的设备，其中设备包括联接到可旋转对象的结构，结构包括沿可旋转对象的表面的长度延伸的部件；联接到可旋转对象的适配器，其中适配器构造成施加已知扭矩到可旋转对象。该设备还包括第一传感器，其联接到部件并且定位成在可旋转对象的第一轴向位置处测量可旋转对象的第一旋转位移；和第二传感器，其联接到部件并且定位成在可旋转对象的第二轴向位置处测量可旋转对象的第二旋转位移。从结合附图的以下描述中这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
视为本发明的本主题在说明书的结尾处的权利要求中特别地指出并且明确地主张权利。前述和其它特征以及本发明的优点从结合附图的以下详细描述中显而易见，其中图I是涡轮机系统的实施例的示意图；图2是示范校准设备的侧视图；并且
图3是待放置在示范校准设备中的轴的示意端视图。详细描述经由参考附图的实例解释了本发明的实施例，连同优点和特征。部件列表100燃气涡轮系统102压缩器104燃烧器106涡轮108轴110喷嘴112燃料供应113负荷114轴200校准设备202结构204适配器
206轴的第一端207轴的第二端208第一部件210第二部件211表面212齿214第一传感器216第二传感器218齿220第三传感器221距离222第四传感器224长度226直径228轴线230第一位置232第二位置234控制器300扭矩302角位移304半径306线性位移
具体实施方式
图I是诸如燃气涡轮系统100的涡轮机系统的实施例的示意图。系统100包括压缩器102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在实施例中，系统100可包括多个压缩器102、多个燃烧器104、多个涡轮106、多个轴108和多个燃料喷嘴110。压缩器102和涡轮106通过轴108联接。轴108可为单一轴或联接在一起以形成轴108的多个轴段。在一方面，燃烧器104利用液体燃料和/或气体燃料，诸如天然气或富氢合成气体以运行发动机。例如，燃料喷嘴Iio与空气供应和燃料供应112流体连通。燃料喷嘴110产生空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排入燃烧器104，由此为产生热增压排气的连续燃烧提供燃料。燃烧器100引导热增压排气通过过渡件进入涡轮喷嘴(或“一级喷嘴”)，从而导致涡轮106旋转。涡轮106的旋转导致轴108旋转，由此在空气流入压缩器102时压缩空气。而且，负荷113经由轴114联接到涡轮106。涡轮106的旋转由此通过轴114传递旋转输出以驱动负荷113。当扭矩经由涡轮106 (驱动构件)与负荷113 (从动构件)之间的连接施加到轴时，轴114经受扭转位移。通过轴114传输的扭矩的测量用于确定涡轮106的功率输出。用于校准扭矩测量的设备和方法在下文参考图2-3详细讨论。
图2是示范校准设备200的侧视图。校准设备200构造成执行用于旋转对象，诸如轴114的扭矩测量的校准。校准设备200包括联接到轴114的第一端206的结构202和联接到轴114的第二端207的适配器204。结构202包括沿轴114的表面211轴向延伸的第一部件208和第二部件210。如图所示，第一部件208和第二部件210布置在轴114的大致对立侧(即180度分开)。轴114具有从表面211在第一轴向位置230处突出的齿212，其中齿212和相应轴114的旋转运动通过第一传感器214和第二传感器216测量。类似地，齿218从表面211在第二轴向位置232处突出，其中齿218的旋转运动通过第三传感器220和第四传感器222测量。在实施例中，在轴114的表面211上的适当标记的运动可用于测量旋转位移。示范标记包括在表面211的轮廓中或轮廓上的改变,诸如齿、沟槽或反射标记。齿212和齿218以对应于第一和第二轴向位置232之间的距离的距离221轴向间隔开。示范轴114具有大于大约6英尺的总体轴向长度224。在实施例中，长度224在大约5英尺与10英尺之间。在另一实施例中，长度224在大约6英尺与8英尺之间。示范轴114具有大于大约20英寸的直径226。在实施例中，直径226在从大约15英寸到大约25英寸之间变动。在其它实施例中，直径226在从大约20英寸到大约30英寸之间变动。如图所示，轴114构造成围绕轴线228旋转。在实施例中，校准设备200接收轴114，其中第一端206联接到结构202并且第二端207联接到适配器204。第一部件208和第二部件210分别容纳第一组传感器(214，216)和第二组传感器(220，222)。部件208和部件210是足够硬的刚性体，其以以便在测量工艺期间不相对于结构202弯曲或移动的方式附连和支撑。而且，在实施例中，部件208和210是从结构202延伸的单一件。例如，部件208和210补偿结构202的运动，因为传感器214和220与部件208 —起运动并且传感器216和222与部件210 —起运动。在一个实施例中，第一部件208和第二部件210可以是适当构型的单一部件的部分，以在轴114的对立侧上容纳传感器。示范传感器214、216、220和222是确定旋转位移的精密传感器，诸如数字线性传感器或卡尺(caliper)。传感器214、216、220和222通过测量在表面211的轮廓上的标记，诸如齿212、218的运动来确定旋转位移。校准设备200还包括控制器234，其构造成接收、发送和/或控制到设备的构件，包括传感器214、216、220和222的通信。确定或测量在以距离221分开的两个轴向位置处的旋转位移能够确定由在轴114上给予的相应已知扭矩引入的角位移。在示范扭矩校准中，扭矩通过施加在大致对立方向上的两个大致相等并且平行的力，诸如经由适配器204施加到轴114的两个切向并且对立的力而生成。如果两个对立的力不相等或者彼此不平行，那么轴114可除了经由适配器204施加的已知扭矩之外还经受弯曲。因此，测量扭矩的精度通过将传感器定位在轴114的对立侧，由此补偿轴114的弯曲而改进。在实施例中，校准设备200和关联校准方法提供用于扭矩测量的大约O. 5%的精度。因而，校准提供用于评价涡轮设备的性能的改进的数据。在一个实施例中，在校准工艺中，适配器204施加大于大约400，OOOft-Ibs的已知扭矩。在另一实施例中，适配器204施加大于大约500，OOOft-Ibs的已知扭矩。在另一实施例中，适配器204施加大于大约600，OOOft-Ibs的已知扭矩。示范传感器214、216、220和222配置成提供带有小于大约O. 5%的精度的角位移测量。此外，传感器214、216、220和222构造成测量旋转位移以能够确定测量分辨率小于大约O. 0001度的、大约O. 2度到大约I. O度的用于轴114的角位移值。
图3是示范轴114的示意端视图。图描述了施加到轴114的扭矩300。施加的扭矩300 (还称作“已知施加的扭矩”)导致旋转位移306，其连同半径304用于确定轴114的角位移302。如上文所述，在轴114的两个或更多个轴向位置(230，232)处的角位移302用于确定扭矩值。确定的扭矩值可与施加的扭矩200对比，并且用于校准用于涡轮系统的扭矩测量。用于确定角位移302的示范方程如下sin Θ =d/r,其中θ =角位移302,d=旋转位移306，r =半径304并且d/r以弧度表示。因而，传感器214、216、220和222确定旋转位移306，其连同半径304的已知值而利用以确定角位移302。用于确定扭矩的示范方程如下T = Kt · Θ，其中Θ =第一轴向位置230和第二轴向位置232处的角位移302之间的差异，Kt =轴的扭转刚度并且T =确定扭矩。示范方程和测量用于确定在轴上的不同位置处的角位移302，分别包括第一轴向位置230和第二轴向位置232。因而，公开设备提供确定角位移302的改进的精度，其改进用于评价涡轮机的扭矩测量。用于校准扭矩测量的一个示范工艺可包括如下步骤。轴114联接到结构202，其中部件208和210沿表面211的长度延伸。适配器204也联接到轴114，其中适配器204然后施加已知扭矩300到轴114。传感器214和216然后测量在第一轴向位置230处的第一旋转位移。类似地，传感器220和222然后测量在第二轴向位置232处的第二旋转位移。控制器234然后基于第一旋转位移和第二旋转位移来确定轴114的角位移。所确定的角位移用于计算确定的扭矩，其与已知扭矩300对比。角位移和确定的扭矩值可通过诸如上文描述的那些的适当计算来确定。比较的扭矩值然后用作用于当轴安装在驱动涡轮与从动负荷之间时的轴的扭矩测量的校准。虽然本发明已经仅关于有限数目的实施例进行了详细描述，但是应当容易地明白本发明不受限于这种公开的实施例。而是，本发明能够修改以合并迄今未描述的任何数目的变型、改造、替换物或等价配置，但这些变型、改造、替换物或等价配置与本发明的精神和范围相称。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当明白本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。相应地，本发明不被视为受前述描述的限制，而是仅受限于所附权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于校准用于可旋转对象(114)的扭矩测量的方法，所述方法包括 联接所述可旋转对象(114)到结构(202)，所述结构(202)包括沿所述可旋转对象(114)的表面(211)的长度延伸的部件(208，210)； 联接所述可旋转对象(114)到适配器(204)； 经由所述适配器(204)施加已知扭矩(300)到所述可旋转对象(114)； 经由第一传感器(214)测量第一旋转位移，所述第一传感器(214)在所述可旋转对象(114)的第一轴向位置(230)处联接到所述部件(208，210)； 经由第二传感器(220)测量第二旋转位移，所述第二传感器(220)在所述可旋转对象(114)的第二轴向位置(232)处联接到所述部件(208，210);并且 基于所述第一旋转位移和第二旋转位移确定所述可旋转对象(114)的第一角位移和第二角位移(302)。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，测量所述第一旋转位移和第二旋转位移包括利用数字线性传感器测量各位移。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用数字线性传感器测量包括经由在所述可旋转对象(114)的表面(211)的轮廓中的改变来测量位移。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述可旋转对象(114)包括轴(114)，其带有大于大约20英寸的直径和大于大约6英尺的长度。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，测量所述第一旋转位移包括利用定位在所述可旋转对象(114)的对立侧在所述第一轴向位置(230)处的第一组传感器(214，216)来测量，并且测量所述第二旋转位移包括利用定位在所述可旋转对象(114)的对立侧在所述第二轴向位置(232)处的第二组传感器(220，222)来测量，由此考虑所述可旋转对象(114)的弯曲。
6.一种用于校准可旋转对象(114)的扭矩测量的设备(200)，所述设备(200)包括 联接到所述可旋转对象(114)的结构(202)，所述结构(202)包括沿所述可旋转对象(114)的表面(211)的长度延伸的部件(208，210)； 联接到所述可旋转对象(114)的适配器(204)，其中，所述适配器(204)构造成施加已知扭矩(300)到所述可旋转对象(114)； 第一传感器(214)，其联接到所述部件(208，210)，并且定位成在所述可旋转对象(114)的第一轴向位置(230)处测量所述可旋转对象(114)的第一旋转位移；和 第二传感器(220)，其联接到所述部件(208，210)，并且定位成在所述可旋转对象(114)的第二轴向位置(232)处测量所述可旋转对象(114)的第二旋转位移。
7.根据权利要求6所述的设备(200)，其特征在于，所述第一传感器(214)和所述第二传感器(220)各包括数字线性传感器，其构造成经由在所述可旋转对象(114)的表面(211)的轮廓中的改变来测量位移。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述可旋转对象(114)包括轴(108，114)，其带有大于大约20英寸的直径和大于大约6英尺的长度。
9.根据权利要求6所述的设备(200)，其特征在于，所述部件(208，210)在所述可旋转对象(114)的对立侧在所述第一轴向位置(230)处容纳第一组传感器(214，216)，并且在所述可旋转对象(114)的对立侧在所述第二轴向位置(232)处容纳第二组传感器(220，222)，由此补偿所述可旋转对象(114)的弯曲。
10.根据权利要求11所述的设备(200)，其特征在于，包括处理器以基于所述第一旋转位移和第二旋转位移来确定在所述可旋转对象(114)的第一轴向位置和第二轴向位置(232)处的角位移(302)，所述角位移(302)对应于施加到所述可旋转对象(114)上的已知扭矩(300)。
全文摘要
本发明涉及用于校准扭矩测量的方法和设备。根据本发明的一个方面，公开了一种用于校准用于可旋转对象的扭矩测量的方法，其中方法包括联接可旋转对象到结构，结构包括沿可旋转对象的表面的长度延伸的部件；联接可旋转对象到适配器；并且经由适配器施加已知扭矩到可旋转对象。方法还包括经由第一传感器测量第一旋转位移，第一传感器在可旋转对象的第一轴向位置处联接到部件；经由第二传感器测量第二旋转位移，第二传感器在可旋转对象的第二轴向位置处联接到部件；并且基于第一旋转位移和第二旋转位移确定可旋转对象的第一角位移和第二角位移。
文档编号G01L25/00GK102778331SQ201210052769
公开日2012年11月14日 申请日期2012年2月22日 优先权日2011年2月22日
发明者D·R·威尔逊, L·B·法尔二世, P·P-L·许 申请人:通用电气公司