逐渐加速运转的惯性轮的制作方法

专利名称：逐渐加速运转的惯性轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够在与驱动旋转轴的马达的供电源瞬时断开的情况下保持所述轴
的速度的装置。 本发明特别引起注意的应用涉及燃气轮机的液体燃料泵的驱动。

背景技术：
—般而言，在工业应用中，燃气轮机的附件由两个不同电源供电，以避免常见的故 障模式。 出于可靠性的原因，这两个电源并非同时向附件供电，致使可能的供电线 (feeder)故障不会从一个电源传递至另一个电源，例如，由过载或短路所引起的电压降。
通过与供电源瞬时断开，实现了从一个电源切换至另一个电源。这种从一个电源 切换至另一个电源通过对使用中的电源进行故障检测来自动实现，或通过操作人员的动作 (例如，出于操作或维护原因)来实现。 在没有特定预防措施进行的这种切换尤其会干扰燃气轮机的工作。事实上，必须 保持高压液体燃料的供送，以减小因火焰损失而断开(trip)或干扰动力生成的风险。对于 有些国家，以荷兰的情况为例，电网法规强制要求燃气轮机在动力丧失1. 5秒的情况下能 够继续工作。 为了遵循此强制要求，公知的是使用具有储器的气动蓄能器，该储器的容积由弹 性膜片分隔成在一侧具有高压液体燃料，而在另一侧具有加压中性气体。这种布置在低压 液体燃料侧运行良好。然而，蓄能器在用于高压液体燃料时，由于其导致时间常数增大，故 而会以不可接受的方式干扰轮机的控制。例如，进一步对于断路器断开或断路器位于孤立 的电网上而言，轮机因而不能应对快速的负载变化，同时燃料流的调整不能精确地跟随负 载变化。 此外，在启动时，或进一步对于电源切换而言或进一步对于轮机的突然负载变化 而言的蓄能器恢复期间，蓄能器的填充流取自燃料泵流量(capacity)，这会影响泵输送所 需流动以确保轮机正常工作的性能。这导致进一步对于电源切换或其它干扰而言瞬态时间 的延长。 同样，公知的还有使用具有活塞和气缸组件类型的机械蓄能器，该组件提供了其
中为轮机供给源的高压液体燃料的第一腔室，以及填充有促动流体的第二腔室。 在工作中，活塞完全由燃料压力推动。在正常工作中，由于储存完成时活塞抵靠气
缸底部，故该装置不起作用，且不会像气动蓄能器那样干扰燃料控制。随着与动力供给源的
瞬时断开，存在于蓄能器中的促动流体引起活塞移位，这容许所储存的燃料量返回到轮机
供给源中，从而援助泵的流动下降。 该布置所具有的主要缺点在于不能适用于燃料压力可连续变化以应对工作条件 的工业应用。事实上，机械蓄能器的燃料恢复是在所储存的压力下进行的，这仅对应于特定 的工作点。因此，在瞬时断开期间，所观察到的负载变化就像在储存条件与该情况时常见的 工作条件之间的差别那样大。
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发明简述 本发明的一个目的在于克服与燃料储存相关的上述缺点。 更具体而言，本发明的一个目的在于提供一种在电动马达与供电源瞬时断开期间 继续驱动泵且容许将高压燃料持续供送至燃气轮机的装置，并且在一定意义上是以特别快 速、高效和经济的方式，且减少了总体尺寸(foot print)。 所提出的本发明的另一个目的在于提供一种不会影响马达泵组件的启动时间的 装置。该性质实际上是必需的，以确保进一步对于在前泵上的故障而言在冗余泵之间快速 且高效的超前滞后(lead lag)。 本发明的再一个目的在于提供一种不会以液力方式干扰对轮机供给源进行供给 的流体以免增大控制回路的时间常数的装置。 本发明提供了一种用于马达(15)的后备驱动的装置，包括惯性轮(16)、在惯性轮 与马达(15)的轴(12)之间的转矩反向的情况下可自动地接合的单向离合器(18)，以及用 于将转矩施加到惯性轮上而大致不影响马达(15)的启动时间的加速运转(run up)装置 (20)，该装置可安装在马达的轴(12)的驱动端上，该驱动端与该轴的可联接到由马达(15) 驱动的机械设备上的一端相对。 该装置在所述马达瞬时断开期间，通过替换来自于惯性轮的动能，以特别简单、高 效且经济的方式提供用于马达轴的驱动系统。 事实上，在瞬时断开马达的供电源期间，可包括自由轮或自由的轮转离合器的单
向离合器容许在没有外部指令的情况下该自由轮自动地联接到马达轴上，以便保持马达的
旋转。然后，当马达的供电源恢复时，使惯性轮脱线，这不会不利于马达的启动时间。 使用安置在惯性轮与马达轴之间的自由轮对于从一个电源切换至另一个电源而
言容许特别短的瞬态时间，即确保向燃气轮机持续供送燃料的转换时间。 此外，利用惯性轮的加速运转装置，就不必加大马达尺寸来容许使惯性轮旋转。 事实上，加速运转装置以一定的方式设计成使其并不影响马达的启动时间。在此
方面，加速运转装置包括例如使用油的液压联接器，其设计成用以在马达启动时保持惯性
轮静止，以及用以只有在马达达到其额定速度时才将转矩传递给惯性轮，该额定速度取决
于联接器的内部供油。 轮的惯性设计成在电源切换时间期间给予轴很低的减速，例如10%至15%。高压 燃料的很小的合成压力变化不会导致明显的负载变化， 一般认为该变化很平稳，且实际上 低到足以由轮机的燃料控制回路来补偿。 惯性轮驱动装置的优点在于，其能够传递可调地取自马达转矩的转矩，从而确保 了惯性轮的逐渐加速运转，以便在惯性轮加速运转期间对马达过载进行限制。这样，蓄积到 惯性轮中的动能就随着时间的推移而传播，以便其在随后供电源断开期间是可用的。由马 达轴供送的转矩得到调整，以避免马达过度过载。 用于惯性轮的驱动器件或加速运转装置构成了在马达轴与惯性轮之间的联接器 件，其能够给予有限且可调的驱动转矩，以确保逐渐加速运转。 优选的是，进一步对于自由轮闭锁(blocking)而言，来自惯性轮的惯性转矩在小 于五十毫秒内代替了马达的额定转矩。 该装置可包括用于将其安装到马达轴上的主空心轴。因此，主空心轴构成了将该装置安装到所述轴上的套筒。 有利的是，该装置还可包括围绕主空心轴径向地安置的副轴，且惯性轮安装在该 副轴上。自由轮可径向地安装在主空心轴与副轴之间。 优选的是，惯性轮包括轮毂、轮缘，以及将轮缘连接到轮毂上的轮辐。有利的是，轮 辐可包括叶片，叶片在惯性轮旋转时能够产生空气流，并且在该装置安装在所述马达的冷 却风扇的位置处时能够确保马达通风。惯性轮的轮缘可用于将所生成的空气流引向马达壳 体，以便使其冷却。 驱动装置可安装成悬置于在大体上与马达相关的冷却风扇位置处的马达轴上，而 不需要特定的轴承，并且容许通过轮辐叶片生成由轮缘引导的冷却空气流。这种布置不会 比标准马达需要大很多的空间，这自然就易于升级或改装现有的设施。 在另一可能的布置中，燃料供送泵包括马达、轴，以及如前文所述的所述轴的驱动装置。 本发明还提供了上述装置在燃气轮机中用来驱动液体燃料供给源的用途。 在另一可能的布置中，燃气轮机包括多个燃料供送泵，其分别具有其自身的马达、
轴以及如前文所述的所述轴的驱动装置。 本发明还提供了一种驱动马达的方法，其包括如下步骤提供单向自动离合器，该 离合器当在惯性轮与马达之间的转矩反向时接合，当马达到达额定速度时使惯性轮逐渐地 加速，以及在所述马达出故障的情况下使用惯性轮来驱动马达轴。
附图
简述 下文以举例的方式参照附图详细描述了本发明的实施例，图中示意性地示出了体
现本发明的装置的剖视截面。 发明详述 附图中示意性地示出了作为本发明的实施例的总体构造，其由参考数字标号10 表示，且设计成用于围绕视作为马达15的水平方向的轴线14来驱动轴12。轴12在马达壳 体的两侧上悬突。 更精确而言，装置10容许在马达15的供电源瞬时故障之后驱动轴12。马达15设 计成用以驱动燃料泵(未示出)。在考虑马达15时，使用轴12的与安装有装置10的一侧 相对的另一侧来进行与该泵的联接。 该装置特别适用于驱动用来产生能量或用于驱动气体压縮机的燃气轮机的燃料 供送泵。 然而，可容易地想到，装置10可用于驱动其它机械设备。 装置10包括作为主要构件的惯性轮16、安置在所述惯性轮与轴12之间的自由轮 18，以及使惯性轮加速的装置20。 如下文更为详细地描述的那样，自由轮18容许在惯性轮16与轴12之间的单向离合為。 为了容许装置10安装在轴12上，该装置10包括主空心轴22，其具有与轴12相同 的轴线。该主轴22确保了在轴12与加速运转装置20之间的连结。为此，主轴22在一侧 使马达轴12的端部直径与其内部开孔24相匹配，而在另一侧通过直径减小的部分26来匹 配加速运转装置20。可使用任何适合的器件，例如键，将主空心轴22联接到轴上。
装置10还包括用于安装惯性轮16的副轴30。副轴30设计为在主轴22外侧且围 绕主轴22的具有轴线14的空心轴。副轴30在一侧连结到加速运转装置20上。加速运转 装置20包括在马达轴与惯性轮之间的联接件，该联接件可在期望的时间进行接合，以逐步 将旋转给予惯性轮。 为了容许副轴30和主轴22的单向旋转，装置10还包括具有轴线14的球轴承38， 以及径向地安置在主轴22与副轴30之间的自由轮18。这里示意性地示出的球轴承38为 商用类型，且轴向地安装在自由轮18与马达15之间。 自由轮18轴向地安装成靠近球轴承38。图中示意性地示出了自由轮18。其包括 安置在轴22和轴30之间的许多闭锁元件或凸轮(cam)，以及用以收容这些凸轮的圆形笼 罩。凸轮的轮廓形成为在驱动转矩的方向上倾斜，而在另一方向上则支撑在轴22和轴30 之间。 换言之，凸轮的轮廓形成为对于自由轮18的工作而言，容许在惯性轮16与轴12 之间没有转矩传递的未咬合状态，对于这种工作状态而言，轴22和30构成用于自由轮18 的凸轮的滚动轨迹。 簧环类型的轴向保持环40安装到空心轴30的开孔32中，以便将自由轮18和球 轴承38轴向地保持在主轴22与副轴30之间的轴向腔内。 具有轴线14的惯性轮16包括轮毂42、定形为轴向地延伸成部分地覆盖马达本体 15的外环的轮缘44，以及将轮缘连结到轮毂上的轮辐46。惯性轮16轴向地定位在加速运 转装置20与马达15之间。轮毂42通过任一适合的器件(这里为键48)安装在副轴30的 外表面上。轮毂42具有围绕轴线14为中心的环形。轮毂42与轮缘44之间的轮辐46容 许转矩传递使惯性轮沿旋转方向加速，其中来自于轮缘44的惯性转矩与旋转方向相反，所 述轮缘提供了惯性轮16的大部分能量。 轮辐46装有示意性地示出的叶片50，或与这些叶片形成为一体，以生成指向马达 15来确保使其冷却的空气流。因此，惯性轮16，且更具体而言是轮辐46，构成了生成如由箭 头52和54所示的冷却空气流的器件，这容许惯性轮16替代马达15原有的冷却风扇。轮 缘44容许所生成的冷却空气流指向马达15。 惯性轮的加速运转装置20悬置在主轴22和副轴30上，且联接到两个轴上。加速 运转装置20设计成用以将有限的驱动转矩输送至惯性轮16，以确保由取自轴12的转矩来 逐渐地加速运转。这种转矩传递经由主轴22然后经由副轴30进行，主轴22和副轴30借 助于加速运转装置20相连。加速运转装置20(示意性地示出)为液压联接器。
装置10的工作模式如下。 进一步对于驱动马达15的启动而言，轴12和主轴22受到驱动而旋转。由于存在 作为开启的离合器进行工作的自由轮18，故副轴30保持静止。 一旦轴12到达其额定速度， 则加速运转装置20于是将取自马达15的有限转矩传递至副轴30，以便使惯性轮16逐渐地 加快速度，直到其速度接近所述马达的速度。 这样，马达15的启动时间就不受惯性轮16加速运转的影响，因为这种加速运转是 在马达已经完成其启动阶段之后进行的。相比于驱动马达15的性能，惯性轮16逐渐加速 运转仅需要有限的转矩，这因而不需要任何尺寸增大或过载。 换言之，只要未达到马达15的额定转速，加速运转装置20就不起作用，以及之后变得起作用，以便以可调转矩来驱动惯性轮。 在供电源与马达15瞬时断开期间，电转矩消失且泵的阻力转矩趋于使轴12减速。 自由轮的凸轮趋于以促进它们闭锁在轴22和轴30的轨迹之间的方式自动地倾斜，这导致 它们使自由轮闭锁。然后，自由轮18作用为闭合的离合器进行工作，且可在惯性轮16与轴 12之间传递驱动转矩。因此，通过使先前蓄积在惯性轮16中的动能恢复来驱动轴12，且这 样便替代了消失的电转矩。当然，可容易理解的是，轮16的惯性为从动设备所需动力的函 数和该轮16可接受的减速的函数，以及为从一个电源切换至另一个电源的断开持续时间 的函数。 —旦实现从一个电源切换至另一个电源，则然后再次对马达15供送电力，这导致 轴12的再加速和释放自由轮18的凸轮。自由轮18又用作开启的离合器。以与马达启动 期间类似的方式，加速运转装置20将再次使惯性轮加速运转，以补偿速度损失，这样就变 为在与供电源重新断开的情况下准备好援助马达。 驱动装置在此提供的是，能够在电源瞬时故障期间稳定、经济且在有限的空间内 提供援助，以便确保驱动设备的瞬态时段。 尽管所示的布置示出了副轴30和惯性轮16为两个独立部件，但可在本发明的范 围内构想出惯性轮16和轴30制作为单个部件的布置。
权利要求
一种用于马达(15)的后备驱动的装置，包括惯性轮(16)、在所述惯性轮与马达(15)的轴(12)之间的转矩反向的情况下可自动地接合的单向离合器(18)，以及用于将转矩施加到所述惯性轮上而大致不影响所述马达(15)的启动时间的加速运转装置(20)，所述装置可安装在所述马达的轴(12)的驱动端上，所述驱动端与所述轴的可联接到将由所述马达(15)驱动的机械设备上的一端相对。
2. 根据权利要求l所述的装置，其特征在于，所述加速运转装置(20)在马达(15)启动 阶段期间不传递任何转矩。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，一旦到达所述马达的额定速 度，则所述加速运转装置(20)便传递驱动转矩。
4. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述加速运转装置(20)可操作成 用以提供所述惯性轮的逐渐加速运转。
5. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述加速运转装置(20)能够传递 取自所述轴(12)的可调转矩，以便在所述惯性轮(16)的加速运转时段期间限制所述马达(15) 的过载。
6. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，当所述单向离合器接合时，惯性轮(16) 转矩在少于五十毫秒内替代额定的马达(15)转矩。
7. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于将组件安装 到马达轴(12)上的主空心轴(22)。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括围绕所述主轴(22)安置 的空心副轴(30)，所述惯性轮(16)安装在所述副轴(30)上。
9. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述惯性轮(16)包括通过轮辐 (46)互连的轮毂(42)和轮缘(44)。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述轮辐(46)包括叶片(50)，所述叶片 (50)能够在所述惯性轮转动时生成空气流，以便容许所述惯性轮(16)替代所述马达(15) 的冷却风扇。
11. 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述惯性轮(16)的轮缘朝向所述马达 引导生成的所述空气流，以便确保使所述马达冷却。
12. 根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述单向离合器(18)包括自由 轮转的离合器。
13. —种根据任一前述权利要求所述的装置在燃气轮机中用于驱动液体燃料供给泵的 用途。
14. 一种包括多个液体燃料供给泵的燃气轮机，各所述供给泵均具有相应的马达、轴和 根据任一上述权利要求所述的用于后备驱动所述轴的装置。
15. —种驱动马达的方法，包括如下步骤提供单向自动离合器，所述离合器在惯性轮 与所述马达之间的转矩反向时接合；当所述马达达到额定速度时使惯性轮逐渐地加速；以 及在所述马达出故障的情况下使用所述惯性轮来驱动所述马达轴。
全文摘要
公开了一种用于马达15的驱动装置，该装置包括惯性轮16、能够在惯性轮与马达轴12之间的转矩反向时确保单向自动咬合的自由轮离合器18，以及用于惯性轮的加速运转装置20。驱动装置安装在马达轴12的与用于将马达联接到由马达15驱动的机械设备上的一端相对的另一端上。
文档编号H02K7/02GK101790832SQ200880100502
公开日2010年7月28日 申请日期2008年7月25日 优先权日2007年7月27日
发明者D·利弗奈斯 申请人:通用电气能源产品法国有限公司