专利名称：用于调节动力传动系的扭转频率的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及对包括旋转体的动力传动系(power train)或其他系统中的扭转频率进行补偿。
背景技术：
动力传动系通常是产生并传输动力的机械和电气系统。动力传动系的示例是通过载荷联接件所联接的涡轮机和发电机。涡轮机向载荷联接件施加转矩，载荷联接件驱动发电机，发电机产生电力。由施加到动力传动系或者由动力传动系施加的转矩或其他力的周期性变化引起动力传动系中的振动。如果这些周期性变化的频率与动力传动系的固有频率一致，则该周期性变化会引起动力传动系中的过量扭转振动。动力传动系经常设计成在远离其扭转固有频率的情况下操作。尽管是动机良好的设计，但是动力传动系会在固有频率处或固有频率附近的频率处经受转矩的周期性变化。在这些周期性变化之下，动力传动系可以过度振动并被损坏。长久以来需要用以调整动力传动系和其他旋转体的惯性(inertia)和固有扭转频率的装置和方法。工业动力传动系中的涡轮机和发电机通常是大而重的装置。涡轮机可以是大而重的发电机组的工业燃气涡轮机或蒸汽涡轮机。类似地，发电机可以是由公用事业用来发电的大型发电机。由于涡轮机和发电机的大尺寸和大质量，很难在它们已经完全安装之后调整涡轮机和发电机以使得它们振动的固有频率改变。长久以来需要基本不必改变涡轮机或发电机而调整工业动力传动系的惯性和固有扭转频率。
发明内容
已开发出用以改变动力传动系的扭转固有频率的装置和方法。该装置能够修改动力传动系的惯性矩(moment of inertia)。通过围绕载荷联接件的凸缘而布置位于环形阵列中的质量件可以调整惯性矩。通过移除、增加或改变质量件，来改变载荷联接件的惯性矩。惯性矩的改变可变动载荷联接件和动力传动系的扭转固有频率。通过适当选择和定位围绕载荷联接件的质量件，动力传动系的扭转固有频率可以经调节，以在期望操作条件期间提供用于动力传动系的充足扭转频率裕度。构想用于动力传动系的载荷联接装置，其包括能够旋转的轴；位于轴的第一端上的第一凸缘，其中第一凸缘适合于联接到转矩产生动力源或转矩驱动动力载荷的第一旋转轴；位于轴的相对端上的第二凸缘，其中轴适合于联接到转矩动力源或转矩驱动动力载荷当中另一者的第二旋转轴；和增加到第一凸缘的附加质量件，其中附加质量件经选择以使得动力传动系的扭转固有频率改变成远离动力传动系的操作条件。附加质量件可以是从第一凸缘的联接区域径向向外延伸的环状环形件，其中第一凸缘的联接区域容纳紧固件以将第一凸缘固定到第一旋转轴的凸缘。环状环形件可以与第一凸缘形成整体，其中载荷联接件适合于替换动力传动系中的现有载荷联接件。环状环形件可以装配到第一凸缘的外圆周。载荷联接装置还可以包括修整质量件(trim mass),修整质量件适合于顺序地增加到附加质量件。修整质量件可以是布置在环形阵列中的插塞件、布置在环形阵列中的环形件和板。插塞件可以是在环状环形件中布置在圆形阵列中的能够移除的修整质量插塞件。构想一种用于动力传动系的载荷联接装置，其包括能够旋转的轴；位于轴的第一端上的第一凸缘，其中第一凸缘适合于联接到转矩产生涡轮机或转矩驱动发电机的第一旋转轴；位于轴的相对端上的第二凸缘，其中轴适合于联接到涡轮机和发电机当中另一者的第二旋转轴；和从第一凸缘径向向外延伸的环状环形件，其中环状环形件的质量经选择以使得动力传动系的扭转固有频率改变成远离动力传动系的操作条件。构想一种动力传动系,其包括包括旋转的连接凸缘的转矩产生动力源；包括旋转的连接凸缘的转矩驱动动力载荷；载荷联接件，其具有第一凸缘，第一凸缘适合联接到转矩产生动力源和转矩驱动动力载荷当中一者的连接凸缘；位于载荷联接件上的第二凸缘，第二凸缘适合联接到转矩产生动力源或转矩驱动动力载荷当中另一者的连接凸缘；和增加到连接凸缘或载荷联接件当中至少一者的附加质量件，其中附加质量件经选择以使得动力传动系的扭转固有频率改变成远离动力传动系的操作条件。构想一种改变动力传动系的扭转固有频率的方法，动力传动系包括载荷联接件，所述动力传动系施加涡轮机的转矩输出以驱动发电机，该方法包括确定动力传动系具有在动力传动系的预期操作条件期间被过度激发(excite)的扭转固有频率；向载荷联接件增加环状环形件或环形阵列以改变动力传动系的扭转固有频率响应；和确定与具有环状环形件或环形阵列的载荷联接件一起操作的动力传动系是否没有在动力传动系的预期操作条件期间过度地激发已改变的扭转固有频率。
在下列附图中公开本发明，包括其最佳实施方式，其中图1是具有载荷联接件的动力传动系的示意图。图2是常规载荷联接件的透视图。图3是具有包括质量调整件的载荷联接件的动力传动系的示意图。图4是具有质量调整件的载荷联接件的透视图。图5是将插入到载荷联接件中的插塞件的透视图。图6是具有增加的环形质量件的载荷联接件的横截面图。图7和图8是增加到载荷联接件的凸缘以及转子或涡轮机轴的凸缘的附加质量件的其他实施例的横截面图。图9和图10是分别与载荷联接件轴线平行地和与该轴线垂直地获得的、增加到载荷联接件的凸缘和动力传动系的轴的凸缘的附加质量件的另一实施例的横截面图。图11是插入在质量环形件的腔室中的板的透视图。图12是向载荷联接件的凸缘增加质量的另一实施例的横截面图。图13是缩短的载荷联接件和夹在载荷联接件与轴之间的质量盘的横截面图。图14是在载荷联接件和动力传动系系统中的轴之间增加质量的另一实施例的横截面图。图15是具有包括利用联接件的轴的增加质量件的载荷联接件的另一实施例的透视图。
具体实施例方式图1是具有蒸汽或燃气涡轮机10的常规动力传动系的示意图，蒸汽或燃气涡轮机10具有转子轴12，转子轴12附连到载荷联接件14的第一端。载荷联接件的相对端附连到发电机18的转子16。动力传动系通常将设计成使得其操作条件避开扭转固有频率。例如，转子和载荷联接件的通常操作旋转速度可以经选择以避开动力传动系的扭转固有频率。动力传动系的设计要求可以包括各自以扭转固有频率为中心的裕度。动力传动系将在避开这些裕度的旋转速度下操作，以避免激发扭转固有频率。尽管试图将动力传动系设计成避开扭转固有频率，但是在动力传动系的测试或其他操作期间会发现在正常操作条件下激发扭转固有频率。如果在操作条件期间激发动力传动系的一个或多个扭转固有频率、或者如果动力传动系具有不充足的扭转频率裕度，则需要调整动力传动系的扭转频率。动力传动系具有一个或多个固有频率，这些固有频率会由在扭转固有频率处或扭转固有频率附近处产生的扭转振动激发。动力传动系的固有频率取决于动力传动系的惯性。载荷联接件的惯性是动力传动系的惯性的分量。因为载荷联接件的惯性影响动力传动系的固有频率，所以通过改变载荷联接件的惯性可以调节动力传动系的固有频率。图2示出常规载荷联接件14，载荷联接件14在圆柱驱动轴24的相对端处具有环形凸缘20、22。凸缘包括孔，孔容纳螺栓或其他紧固件以附连到涡轮机和发电机的转子的端部处的配合凸缘(mating flange)。载荷联接件传递由用于润轮机的转子施加的转矩，以驱动用于发电机的转子。常规载荷联接件14不提供调节载荷联接件的质量或惯性的能力。图3示出包括蒸汽或燃气涡轮机10、载荷联接件28、发电机18的动力传动系26,蒸汽或燃气涡轮机10具有转子轴12，发电机18具有转子轴16。载荷联接件28可以包括通常尺寸的凸缘20，凸缘20联接至用于涡轮机或发电机的转子轴上的类似尺寸的凸缘30。载荷联接件28的相对端上的凸缘32可以尺寸超大或者在其圆周上具有质量连接件34。凸缘32的径向向内的区域可以附连至用于发电机或涡轮机的转子上的类似尺寸的凸缘36。在替换实施例中，尺寸超大或具有环形件或其他质量附件的凸缘可以是用于涡轮机或发电机的转子上的凸缘。类似地，尺寸超大或具有质量附件的凸缘可以联接至用于涡轮机、载荷联接件和发电机的轴12、38和16当中的一者或多者。图4是具有尺寸超大的凸缘32的载荷联接件28的正面和侧面的透视图。与常规尺寸的凸缘20相比，尺寸超大的凸缘可以具有大得多的直径(D)。径向向内圆形阵列的孔40容纳螺栓，螺栓将载荷联接件联接至涡轮机或发电机的转子轴。类似阵列的螺栓孔42位于载荷联接件的相对端处的凸缘20上。大尺寸凸缘32的径向向外区域44具有可调节的质量并因此具有可调节的惯性。在图4所示的示例中，通过插入到外部区域44中的圆形阵列的孔48 (例如螺纹孔)中的质量插塞件46来提供可调节的质量。插塞件46可以从孔48移除，并且可以插入到圆形阵列中所有的孔48中。与常规载荷联接件14的惯性相比，凸缘32增大的直径导致载荷联接件28的不同惯性。由于用载荷联接件28代替常规载荷联接件14而引起的惯性改变可以用于改变动力传动系的扭转固有频率。惯性的变化将改变动力传动系的固有频率。固有频率的变化旨在避开施加于动力传动系或由动力传动系所产生的扭转振动的频率。通过重新布置和替换插塞件引起的固有频率的有意变化将会使动力传动系不经受过量扭转振动并具有充分的扭转频率裕度。除了替换载荷联接件之外或者作为选择地，插塞件、环或其他附加质量可以增加到与载荷联接件或用于涡轮机或发电机的转子轴相关联的一个或多个凸缘的径向向外部分。可以在不移动涡轮机或发电机并且不对与载荷联接件相邻的其他组件进行实质改变的情况下，安装增加到现有凸缘的周边(例如，在原地载荷联接件上)的替换载荷联接件28或质量件。现有载荷联接件14可以从涡轮机和发电机的转子轴12、16被拧松并由起重机移走。具有大直径凸缘32的替换载荷联接件28可以由起重机定位在转子轴12、16之间，以使得螺栓开口 40、42与用于涡轮机和发电机的转子轴凸缘中的螺栓开口对准。螺栓被插入穿过螺栓开口以将载荷联接件28联接至涡轮机和发电机的转子轴12、16。具有各种质量的插塞件46可以用于插入到孔48中。插塞件可以用于调整动力传动系的频率响应，具体地是改变动力传动系的扭转固有频率。例如，在动力传动系的初始设置期间，插入到所有的孔48中的插塞件46可以各自具有与形成大尺寸凸缘32的材料基本相同的密度(例如，由相同材料形成)。如果在动力传动系的初始测试期间或者在其他时间确定需要改变动力传动系的固有频率，则插塞件46可以由具有与初始安装在孔48中的插塞件不同的质量(例如更低密度)的替换插塞件替代。改变插塞件的密度将引起载荷联接件以及动力传动系的惯性改变。图5是示例性插塞件46的侧面和正面的透视图。插塞件46可以是螺纹杆的一部分，以使得插塞件的螺纹外表面50与凸缘32中孔48的内圆柱表面上的螺纹接合。插塞件可以在横截面上为圆形，并且具有平直的中心轴线。六角形凹口 52与该轴线对准并且在插塞件的前表面中。六角形凹口 52容纳用于将插塞件插入凸缘的孔48中和从该孔48移除插塞件的六角形端工具。插塞件46可以相对容易地被替换和重新布置，而不需要拆开动力传动系的其他组件。插塞件46是可以用于对动力传动系的频率响应进行精密调节的修整质量件的示例。除了向载荷联接件增加更大质量之外，还可以使用修整质量件以改变动力传动系的扭转频率固有振型(natural mode)。可替换地,修整质量件可以包括与动力传动系的初始安装一起提供的载荷联接件中。图6是常规载荷联接件14的横截面图，其中将环形质量件53附连到载荷联接件的一个凸缘22的周边。环形质量件53改变载荷联接件的惯性，并因此改变包括该载荷联接件的动力传动系的扭转固有频率。环形质量件53可以是金属性的并且由与载荷联接件基本相同的金属形成。环形质量件53可以被压入配合和热收缩在凸缘22上。环形质量件可以被加热以使得其膨胀。在膨胀时，环形质量件沿着轴向方向移动而被压在凸缘22的外周边上。在环形质量件的分段被焊接而形成围绕载荷联接件的轴的环形物之后、或者在载荷联接件被从涡轮机或发电机的转子轴拆开之后，可以执行这种压入配合。环形质量件冷却并收缩在凸缘22的周边上。环形焊接头54可以将环形质量件固定到凸缘22。可以通过与第一环形质量件53堆叠的一个或多个环形质量件来将附加质量件增加到载荷联接件14。附加环形质量件56可以沿轴向与第一环形质量件53堆叠。夹钳58可以将环形质量件56、53固定在一起。或者，为了沿轴向堆叠环形质量件，环形质量件可以沿径向安装(例如叠加)，其中，每个环形件具有比前一环形件略大的直径。随着在环形质量件的每个应用之间所测试的动力传动系的振动频率响应，可以顺序地增加附加环形质量件56。当动力传动系的频率响应可接受时，例如当动力传动系具有充分的扭转频率裕度时。图7和图8是增加到载荷联接件62的凸缘60和发电机或涡轮机轴66的凸缘64的附加质量件的其他实施例的横截面图。图7和图8中仅部分地示出载荷联接件和凸缘。环状的环形质量件68可以与凸缘60、64中的一者形成整体，或者可以安装在这些凸缘当中的一者或两者上。环形质量件68的周边包括一个或多个阶梯型平台(stepped ledge) 70。附加环形质量件72、74可以放置在平台70上。环形质量件72可以如图8所示沿着轴向堆叠，或者如图7所示沿着径向堆叠。此外，环形质量件可以例如通过具有不同的横截面形状而具有不同的质量。环形质量件68、72、74可以由与凸缘64相同的材料形成，以允许环形件和凸缘有均匀热膨胀和收缩。对于改变动力传动系的扭转固有频率以使得扭转频率裕度充足来说，增加环形质量件68本身可足够。如果环形质量件68不够，可以顺序地增加附加环形质量件72、74以调整动力传动系的频率响应并确保与动力传动系的固有频率相关联的足够裕度。通过紧靠环形质量件68、72或74的环状环形件或柄部76可以将环形质量件68、72和74固定至凸缘64。柄部76可以是到凸缘60的环形阵列的齿状焊接头78。环形件或柄部76可以具有充足的质量，以促进改变由环形质量件68、72或74提供的惯性和扭转固有频率。图9和图10是分别与载荷联接件轴线平行地和与该轴线垂直地获得的、增加到载荷联接件62的凸缘60和发电机或润轮机轴66的凸缘64的附加质量件的另一实施例的横截面图。环形质量件80具有内部环形槽82，内部环形槽82容纳向环形质量件80增加质量的环形带84、86或板88。环形槽可以围绕凸缘64为连续的，或者如图10所示分成单独的腔室。如果槽82是连续的，则增加的质量件可以是环形带84、86。如果槽82是分段的，则参考图11，板88可以增加到槽的所选分段中。增加环形带84、86和板88，以调节载荷联接件的惯性并从而调整动力传动系的频率响应。图12是向载荷联接件62的凸缘60、64和动力传动系的轴66增加质量的另一实施例的横截面图。具有内腔室92的环状的环形件90增加到凸缘60、64中的任一者或与凸缘60、64中的任一者形成整体。如果需要增加质量以改变扭转固有频率,则从液体源94将液体泵送到腔室92中。基于需要增加以改变动力传动系的扭转固有频率的质量的量和期望的改变量，来确定被泵送到腔室中的液体的量。在操作期间，由于环形件90的旋转引起的离心力将引起液体在腔室92中径向向外移动。图13是具有正常直径凸缘102、104的缩短的载荷联接件100的横截面图，凸缘102,104被螺栓连接到用于涡轮机和发电机的轴108的凸缘106。载荷联接件100没有在轴的端部之间延伸全部距离。载荷联接件100可以替换现有载荷联接件(例如，图1中的14)。质量盘或环形件109夹在载荷联接件的凸缘102和轴109的凸缘106之间。螺栓110延伸穿过凸缘和盘或环形件109中对准的开口，以将组件联接在一起。质量盘109可以是具有足以改变动力传动系的惯性和扭转固有频率的质量的圆形或环形装置。质量盘可以具有径向向外区域112，径向向外区域112比盘的径向向内部分具有更大的质量。径向向外地集中盘的质量会提高由于增加质量盘109而引起的扭转惯性的变化。图14是在载荷联接件100的凸缘102和动力传动系系统中的轴108的凸缘106之间增加质量的另一实施例的横截面图。图13示出夹在凸缘之间的单一盘109，而图14示出夹在凸缘之间的两个或更多个环形件或盘的堆叠。第一盘或环形件112可以相对厚，并且向载荷联接件和动力传动系增加大量的质量。第一盘或环形件112可以经选择以接近改变动力传动系的扭转固有频率所需要的期望质量。一个或多个更薄的盘或环形件114可以堆叠在第一盘112和凸缘106之间，以调整动力传动系的固有频率和频率响应。更薄的盘可以具有较少的质量，例如在第一盘112的质量的一半至四分之一之间。更薄的盘可以顺序地增加，并且在增加每个盘114时，动力传动系可以经测试以确定其频率响应是否提供围绕扭转固有频率的充足裕度。图15是载荷联接件120的侧面和端部的透视图，载荷联接件120具有增加到轴124的环形套管122，作为增加的质量。载荷联接件的相对端部处的凸缘126可以选择尺寸以连接到涡轮机和发电机上的相应凸缘。环形套管可以与载荷联接件的轴形成整体，或者增加(例如焊接或夹紧)到载荷联接件的轴。环形套管可以与载荷联接件的轴线同轴，并且与载荷联接件的纵向中心对准。环形套管的外圆柱表面可以包括用于修整质量件128的凹口。修整质量件128可以是插入到环形套管中的螺纹开口中的螺纹插塞件。修整插塞件可以被移除或由具有不同质量的其他修整插塞件替换。修整插塞件的移除和替换可以用于对包括载荷联接件120的动力传动系的频率响应进行精密调节(例如微调)。尽管结合当前认为最佳实施和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不限于公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。
权利要求
1.一种动力传动系，其包括 转矩产生动力源，所述转矩产生动力源包括旋转的连接凸缘； 转矩驱动动力载荷，所述转矩驱动动力载荷包括旋转的连接凸缘； 载荷联接件，其具有第一凸缘，所述第一凸缘适合联接到所述转矩产生动力源和所述转矩驱动动力载荷当中一者的连接凸缘； 第二凸缘，所述第二凸缘位于所述载荷联接件上，所述第二凸缘适合联接到所述转矩产生动力源或所述转矩驱动动力载荷当中另一者的连接凸缘；和 附加质量件，所述附加质量件增加到连接凸缘或所述载荷联接件当中至少一者，其中所述附加质量件经选择以使得所述动力传动系的扭转固有频率改变成远离所述动力传动系的操作条件。
2.根据权利要求1所述的载荷联接装置，其特征在于，所述附加质量件是从所述第一凸缘的联接区域沿着径向向外延伸的环状环形件，所述第一凸缘的联接区域容纳紧固件以将所述第一凸缘固定到第一旋转轴的凸缘。
3.根据权利要求2所述的载荷联接装置，其特征在于，所述环状环形件与所述第一凸缘形成整体，并且所述载荷联接件适合于替换所述动力传动系中的现有载荷联接件。
4.根据权利要求2所述的载荷联接装置，其特征在于，所述环状环形件装配到所述第一凸缘的外圆周。
5.根据权利要求1所述的载荷联接装置，其特征在于，所述载荷联接装置还包括修整质量件，所述修整质量件适合于顺序地增加到所述附加质量件。
6.根据权利要求5所述的载荷联接装置，其特征在于，所述修整质量件是布置在环形阵列中的插塞件、布置在环形阵列中的环形件和板当中的至少一者。
7.根据权利要求3所述的载荷联接装置，其特征在于，所述载荷联接装置还包括在所述环状环形件中布置在圆形阵列中的能够移除的修整质量插塞件。
8.根据权利要求1所述的载荷联接装置，其特征在于，所述附加质量件增加到所述载荷联接件的轴。
9.根据权利要求2所述的载荷联接装置，其特征在于，所述载荷联接装置还包括所述环状环形件中的环形腔室，并且所述环形腔室适合于容纳并保持充分质量的液体以改变所述动力传动系的扭转固有频率。
10.一种用于动力传动系的载荷联接装置，其包括 能够旋转的轴； 第一凸缘，所述第一凸缘位于所述轴的第一端上，其中所述第一凸缘适合于联接到转矩产生涡轮机或转矩驱动发电机的第一旋转轴； 第二凸缘，所述第二凸缘位于所述轴的相对端上，其中所述轴适合于联接到涡轮机和发电机当中另一者的第二旋转轴；和 环状环形件，所述环状环形件从载荷联接件径向向外延伸，其中所述环状环形件的质量经选择以使得所述动力传动系的扭转固有频率改变成远离所述动力传动系的操作条件。
11.根据权利要求10所述的载荷联接装置，其特征在于，所述环状环形件与所述第一凸缘形成整体，并且所述载荷联接件适合于替换所述动力传动系中的现有载荷联接件。
12.根据权利要求10所述的载荷联接装置，其特征在于，所述环状环形件装配到所述第一凸缘的外圆周。
13.根据权利要求10所述的载荷联接装置，其特征在于，所述载荷联接装置还包括修整质量件，所述修整质量件适合于顺序地增加到所述载荷联接件。
14.根据权利要求13所述的载荷联接装置，其特征在于，所述修整质量件是布置在环形阵列中的插塞件、能够安装在利用所述载荷联接件所包括的所述环状环形件中的环形件和板当中的至少一者。
15.根据权利要求14所述的载荷联接装置，其特征在于，所述修整质量件包括在所述环状环形件中布置在圆形阵列中的插塞件，并且所述插塞件能够从所述环状环形件移除。
16.一种改变动力传动系的扭转固有频率的方法，所述动力传动系包括载荷联接件，所述动力传动系施加涡轮机的转矩输出以驱动发电机，所述方法包括 确定所述动力传动系具有在所述动力传动系的预期操作条件期间被过度激发的扭转固有频率； 向载荷联接件增加环状环形件或环形阵列以改变所述动力传动系的扭转固有频率响应；和 确定与具有所述环状环形件或环形阵列的所述载荷联接件一起操作的所述动力传动系是否没有在所述动力传动系的预期操作条件期间过度地激发已改变的扭转固有频率。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，增加环状环形件包括用具有大直径凸缘的载荷联接件替换具有较小直径凸缘的载荷联接件，所述环状环形件是所述大直径凸缘的整体部分。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，增加环状环形件包括将环状环形件按压在所述载荷联接件的凸缘上。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括向所述环状环形件增加修整质量件，其中，所述修整质量件布置成围绕所述载荷联接件的纵轴线对称。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述修整质量件是能够移除地插入在所述环状环形件中的插塞件。
全文摘要
本发明涉及用于调节动力传动系的扭转频率的系统和方法，其包括能够旋转的轴；位于轴的第一端上的第一凸缘，其中第一凸缘适合于联接到转矩产生涡轮机或转矩驱动发电机的第一旋转轴；位于轴的相对端上的第二凸缘，其中轴适合于联接到涡轮机和发电机当中另一者的第二旋转轴；和从第一凸缘径向向外延伸的环状环形件，其中环状环形件的质量经选择以使得动力传动系的扭转固有频率改变成远离动力传动系的操作条件。可以增加修整质量件以对动力传动系的扭转固有频率进行精密调整。
文档编号F16F15/22GK103016612SQ201210352259
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者N.S.格拉哈姆, R.A.文森特, G.卡里奥佩, P.斯图肯伯格 申请人:通用电气公司