CS240748B1

CS240748B1 - Touch security devices for turbomachines, especially turbocompressors

Info

Publication number: CS240748B1
Application number: CS848922A
Authority: CS
Inventors: Pavel Dvorak; Jaromir Beran; Pavel Sidlo
Original assignee: Pavel Dvorak; Jaromir Beran; Pavel Sidlo
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1984-11-21
Publication date: 1986-02-13
Also published as: CS892284A1

Abstract

Řešení se týká impulsního čidla, uchyceného ha statoru, které zabezpečuje lopatkový stroj, zejména turbokompresor při vzniku náhlého porušení přípustné radiální či ažiální vůle rotoru či statoru. Vlastní čidlo může být vytvořeno na tlakovém principu (tlakový spínač) nebo na elektrickém principu a' je nastaveno na velikost přípustného posuvu. Jde však vždy o zařízení dotyková. Rotační plocha protilehlá čidlu je opatřena nejméně jednou radiálně příčnou drážkou, jejíž šířka je větší než průměr čela impulsního čidla a hloubka je alespoň 0,5 míň. Impulsní čidlo je s výhodou axiálně odpruženo.The solution concerns an impulse sensor, attached to the stator, which provides a blade machine, in particular a turbocompressor, in the event of a sudden violation of the permissible radial or axial clearance of the rotor or stator. The sensor itself can be created on the pressure principle (pressure switch) or on the electrical principle and is set to the size of the permissible displacement. However, it is always a contact device. The rotating surface opposite the sensor is provided with at least one radially transverse groove, the width of which is greater than the diameter of the face of the impulse sensor and the depth is at least 0.5 less. The impulse sensor is preferably axially spring-loaded.

Description

Vynález se týká dotykového zabezpečovacího zařízení k ochraně lopatkového stroje, zejména turbokompresoru proti nadměrnému posuvu jeho rotoru vůči statoru.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a tactile safety device for protecting a turbomachine, in particular a turbocompressor, against excessive movement of its rotor relative to a stator.

U rotačních strojů, na rozdíl od strojů s vratným pohybem činné části,, dochází ke styku mezi. rotorem a statorem pouze v ložiskách, v některém případě pak ještě také ve styčných plochách kontaktních ucpávek.In rotary machines, unlike machines with reciprocating movement of the active part, there is a contact between. rotor and stator only in the bearings, in some cases also in the contact faces of the contact seals.

V jiných místech je rotor a stator od sebe oddělen určitou vůlí. Velikost této vůle mezi rotorem a statorem v některých místech nemá vliv na vlastnosti stroje; v jiných místech je však naopak třeba dodržet určitou minimální vůli, protože její zvětšení by mělo za následek zhoršení vlastností stroje, vedlo by ke zvýšení ztrát, snížení stupně komprese, snížení objemové účinnosti a podobně. Snaha po minimalizaci vůle mezi rotorem a statorenr^v rozhodujících místech vede na druhé straně ke zvětšení rizika havárie. Vzhledem k vysokým obvodovým rychlostem, které mívají hodnotu až několika set m/s není možno· připustit, aby došlo ke styku mezi rotorem a statorem v důsledku nadměrného posuvu rotoru vůči statoru, to znamená většího posuvu, než je velikost příslušné vůle mezi statorem a rotorem.In other places, the rotor and stator are separated by a certain clearance. The magnitude of this clearance between the rotor and the stator at some points does not affect the machine properties; in other places, however, a certain minimum clearance must be observed, since increasing it would result in a deterioration of the machine properties, resulting in increased losses, a decrease in the degree of compression, a decrease in volumetric efficiency and the like. On the other hand, the effort to minimize the clearance between the rotor and the stator leads to an increased risk of accident. Due to the high peripheral speeds of up to several hundred m / s, it is not possible to allow contact between the rotor and the stator due to excessive displacement of the rotor relative to the stator, i.e. greater displacement than the respective clearance between the stator and rotor .

Nadměrný posuv rotoru může mít řadu příčin. Může. být například způsoben porušením ložiska, může být způsoben náhlou nesouměrnou deformací skříně statoru a podobně. Aby se zabránilo následkům nadměrného relativního posuvu rotoru vůči sta₇toru, bývají turbokompresory vybaveny, zvláštním zařízením, které zajistí odstavení poháněcího stroje, jestliže v kontrolovaném místě dojde ke snížení vůle mezi rotorem a statorem, pod minimální přípustnou hodnotu.Excessive displacement of the rotor can have a number of causes. Can. For example, it may be caused by a bearing failure, may be caused by a sudden asymmetric deformation of the stator housing, and the like. In order to avoid the consequences of excessive relative displacement of the rotor relative to the stator ₇ , the turbochargers are equipped with a special device to ensure that the drive machine is shut down if the clearance between the rotor and the stator decreases below the minimum permissible value.

Tato zabezpečovací zařízení jsou v podstatě dvojího druhu; dotyková a bezdotyková.These security devices are essentially of two kinds; touch and contactless.

Bezdotykové hydraulické ' zabezpečovací zařízení pracuje v podstatě tak, že tlakové médium., a to obvykle tlakový olej nebo vzduch, proudí tryskou, která je upevněna na statoru a nastavena proti některé rotační ploše rotoru. Pokud nedojde k posuvu rotoru vůči statoru, nemění se velikost vůle mezi ústím trysky a rotující plochou rotoru a tlak média se nemění. Dojde-li však k posuvu rotoru, změní se velikost vůle a tato změna vyvolá změnu velikosti tlaku pracovního média. Při překročení nastavené hodnoty dá napojený tlakový spínač impuls k odstavení poháněcího stroje. ·The non-contact hydraulic safety device operates essentially so that the pressure medium, usually pressure oil or air, flows through a nozzle that is mounted on the stator and is aligned against a rotational surface of the rotor. If there is no displacement of the rotor relative to the stator, the clearance between the nozzle orifice and the rotating surface of the rotor does not change and the pressure of the medium does not change. However, if the rotor is moved, the clearance will change and this change will cause the pressure of the working medium to change. If the set value is exceeded, the connected pressure switch gives an impulse to shut down the drive machine. ·

Bezdotykové elektrické zabezpečovací zařízení využívá změny magnetické indukce nebo změny elektrické kapacity v závislostí na změně-, velikosti mezery mezi rotující plochou a příslušným magnetickým nebo kapacitním snímačem, který je uchycen na statoru.The non-contact electrical security device utilizes changes in magnetic induction or changes in electrical capacity as a function of change, the amount of gap between the rotating surface and the associated magnetic or capacitive sensor, which is mounted on the stator.

Bezdotykové zabezpečovací zařízení je po- měrně složité, z provozního hlediska velmiThe contactless interlocking device is relatively complex, very operationally

V Z¹ náročné a mě^^JJldhlivé ve sro dotykovým zabezpečovacím zařízením, ré je značně jednodušší a spolehlivější.' u^J \ dotykového zabezpečovacího zařízení proti rotační ploše rotoru, jejíž případný relativní posuv má být indikován, je ve statoru uchyceno čidlo, jehož čelo je vytvořeno ze snadno mechanicky porušitelného materiálu. Toto čidlo je proti rotující ploše nastaveno s vůlí, která v podstatě odpovídá maximální velikosti přípustného posuvu rotoru. Pokud dojde - k relativnímu posuvu rotoru většímu, než je velikost nastavené vůle, dotykem čidla s rotující plochou dojde k mechanickému rozrušení čidla, které způsobí odstavení stroje a tím zamezí další posuv rotoru. U elektrických čidel je na čele čidla například umístěn vodič, jehož přerušení rozpojí elektrický obvod, což dá impuls k odstavení poháněcího stroje. U hydraulických čidel má čidlo svou vnitřní dutinu pomocí čela z křehkého materiálu oddělenou od vnitřních prostor stroje, takže při porušení čela dojde ke změně tlaku ve vnitřní dutině Čidla a napojený tlakový spínač dá impuls k odstavení stroje.VZ ^{1 is} demanding and has a touch-sensitive security device which is considerably simpler and more reliable. u ^J \ touch security device against the rotating surface of the rotor, the possible relative movement is to be indicated, in the stator is attached sensor, the front of which is formed of an easily breakable material mechanically. This sensor is set against a rotating surface with a clearance that substantially corresponds to the maximum magnitude of the permissible rotor feed. If the relative displacement of the rotor is greater than the set clearance, contact of the sensor with the rotating surface will cause mechanical disruption of the sensor, which will cause the machine to stop and thus prevent further rotation of the rotor. In the case of electrical sensors, for example, a conductor is placed on the front of the sensor, the interruption of which disconnects the electrical circuit, giving the impulse to shut down the driving machine. In the case of hydraulic sensors, the sensor has its internal cavity by means of a face made of brittle material separated from the interior of the machine, so that if the front fails, the pressure in the internal cavity of the sensor changes.

Obecně lze říci, že předností dotykových · zařízení tohoto druhu je především jednoduchost konstrukčního řešení, které/neobsahuje žádné-pohyblivé části. Známá dotyková zařízení k ochraně lopatkového stroje mají však i některé nedostatky, které se objeví za určitých provozních situací, takže není vyloučeno jejich selhání. Tako- . váto situace nastane např. tehdy, když nežádoucí přibližování rotoru ke statoru se děje postupně a tedy-pomalu. Nepatrným tlakem na čelo čidla dochází k jeho vysoťkému vyhřátí, které pak při zmenšené křehkosti se částečně deformuje aniž .dojde k jeho fyzickému rozrušení. Čidlo pak' nedá včasný impuls k odstavení stroje, i když mě- . žitím došlo k překročení hranice minimální vůle mezi statorem a rotorem.Generally speaking, the advantage of contact devices of this kind is primarily the simplicity of the design, which does not contain any moving parts. However, the known contacting devices for protecting a turbomachine have some drawbacks which occur in certain operating situations, so that their failure cannot be excluded. Tako-. This is the case, for example, when the undesired approach of the rotor to the stator takes place gradually and thus slowly. A slight pressure on the front of the sensor leads to its high heating, which in case of reduced brittleness is partially deformed without physical disturbance. The sensor then does not give a timely impulse to shut down the machine, even if it does. the minimum clearance between stator and rotor was exceeded.

Uvedená situace, kdy se předepsaná vůle v provozu pozvolna překračuje až dojde k havarijní situaci není sice běžná, ale je třeba s ní — jak ukazuje praxe — vážně počítat.This situation, when the prescribed clearance in operation is gradually exceeded until an emergency situation occurs, is not common, but it has to be seriously taken into account - as practice shows.

Ochranu lopatkových strojů i při těchto situacích řeší provedení dotykového, zabezpečovacího zařízení podle vynálezu.-' Jeho podstata spočívá v tom, že na rotační ploše protilehlé čelu impulsního čidla je vytvořena alespoň -jedna radiálně příčná drážka, je- . jíž šířka je větší než průměr čela impulsního čidla a hloubka alespoň 0,5 mm.The protection of the turbomachines in these situations is also solved by an embodiment of the contacting security device according to the invention. It is based on the fact that at least one radially transverse groove is formed on the rotating surface of the opposite face of the pulse sensor. the width of which is greater than the diameter of the face of the pulse sensor and a depth of at least 0,5 mm.

Impulsní čidlo je s výhodou jemně axiálně odpruženo např. tlačnou pružinkou, nebo uložením konce čidla v tělese čidla pomocí těsnicí, ale pružné hmoty, např. pryže.The pulse sensor is preferably finely axially springed by, for example, a compression spring or by placing the end of the sensor in the sensor body by means of a sealing but resilient mass, such as rubber.

Výhodou dotykového zabezpečovacího zařízení k ochraně lopatkového stroje podle vynálezu je vysoká spolehlivost za všech provozních situací, zejména když se pře-The advantage of the touch guard for protecting a turbomachine according to the invention is the high reliability in all operating situations, especially when

-Π ,á vůle a statorem přesaje pomalu a tedy nenápadně. Další výnodou je okolnost, že řešení podle vynálezu lze použít k ochraně proti nadměrnému jak axiálnímu, tak radiálnímu posuvu rotoru vůči statoru.-Π, the will and stator will move slowly and inconspicuously. Another advantage is that the solution according to the invention can be used to protect against excessive both axial and radial displacement of the rotor relative to the stator.

Na připojených schematických obrázcích jsou znázorněny příklady provedení dotykového zabezpečovacího zařízení k ochraně lopatkového stroje podle vynálezu. Na obr. 1 je znázorněn podélný řez stupněm radiálního turbokompresoru vybaveného tímto zařízením při použití tlakového impulsního čidla a na obr. 2 pak půdorys z obr. 1. Na obr, 3 je znázorněna schematicky část dotykového tlakového bezpečnostního zařízení v alternativním provedení použitého k ochraně stroje při překročení přípustného radiálního posuvu rotoru vůči statoru.The attached schematic drawings show exemplary embodiments of a touch guard for protecting a turbomachine according to the invention. Fig. 1 shows a longitudinal section through a stage of a radial turbocharger equipped with this device using a pressure pulse sensor; and Fig. 2 shows a plan view of Fig. 1. Fig. 3 schematically illustrates a portion of a touch pressure safety device in an alternative embodiment used to protect a machine when the permissible radial displacement of the rotor relative to the stator is exceeded.

V příkladu provedení na obr. 1 a 2 je na statoru 1 pomocí závitu 2 uchyceno a maticemi 3 fixováno impulsní čidlo 4, jehož koncová část je vyrobena ze skla a pevně zatmelena v tělese čidla 4. Koncová část čidla 4 tvoří tlakové rozhraní mezi vnitřní dutinou 6 čidla 4 a vnitřním prostorem 7 stroje. Vnitrní dutina 6 čidla 4 je propojena s tlakovým spínačem (nezakreslenj. Čidlo 4 je nastaveno tak,' že mezera M mezi jeho čelem 5 a protilehlou rotující plochou 8 na čele oběžného kola 9 (obr. 1, 2), nebo· na válcové ploše rotoru 10 (,obr. 3) má velikost přípustného posuvu rot.ující plochy 8 vůči statoru 1. Na rotující ploše 8 protilehlé čelu 5 čidla 4 je vytvořena radiální příčná drážka 11 o šířce L, která je větší než šířka D čela 5 čidla 4 a jejíž hloubka h je 1 mm.In the embodiment shown in Figs. 1 and 2, a pulse sensor 4 is mounted on the stator 1 by means of a thread 2 and fixed by nuts 3, the end part of which is made of glass and firmly cemented in the sensor body 4. The end part of the sensor 4 forms a pressure interface between the inner cavity 6 of the sensor 4 and the interior 7 of the machine. The inner cavity 6 of the sensor 4 is connected to a pressure switch (not shown). The sensor 4 is set so that the gap M between its face 5 and the opposite rotating surface 8 on the impeller face 9 (Figs. 1, 2); The rotor 10 (FIG. 3) has a magnitude of the permissible displacement of the rotating surface 8 relative to the stator 1. On the rotating surface 8 of the opposite face 5 of the sensor 4 a radial transverse groove 11 is formed with a width L greater than the width D of the face 5 of the sensor 4. and whose depth h is 1 mm.

Radiální příčná drážka 11 vytváří ve styku s rotující plochou 8 hranu 12. Na obr. 3 znázorněná koncová část čidla 4 ze skla je v. tělese čidla 4 uložena -pomocí pružného těsnicího elementu 13, který je v příkladu provedení vytvořen z epoxykaučuku.The radial transverse groove 11 forms an edge 12 in contact with the rotating surface 8. The end portion of the glass sensor 4 shown in FIG. 3 is mounted in the sensor body 4 by means of a resilient sealing element 13, which in the embodiment is made of epoxy rubber.

Funkce zařízení spočívá obecně v tom, že tlakový spínač (neznázorněn) propojený s Čidlem 4 odstaví poháněči stroj, dojde-li ke změně tlaku ve vnitrní dutině 6 čidla 4. Změna tlaku nastane mechanickým roz. rušením čela 5 čidla 4 jestliže je překročena mezera M, tj. přípustný relativní posuv rotoru 10 vůči statoru 1 a Čelo 5 čidla 4 se dostane do destrukční zóny točícího se rotoru 10.The function of the device is generally that the pressure switch (not shown) connected to the Sensor 4 shuts down the drive machine if the pressure in the internal cavity 6 of the sensor 4 changes. by disturbing the sensor face 5 when the gap M is exceeded, i.e. the permissible relative displacement of the rotor 10 relative to the stator 1 and the sensor face 5 reaches the destruction zone of the rotating rotor 10.

Při postupném, pomalém přibližování se čela 5 čidla 4 k protilehlé rotující ploše 8 nedojde však vždy k čelnímu rozrušení skleněného čela 5 čidla 4, ale naopak vzniklým' teplem dochází k postupné nedestruktivní deformaci jeho čelní plochy. Stačí však nepatrné přerušení kontaktu mezi čelem 5 čidla 4 a rotující plochou 8 vlivem vytvořené radiálně příčné drážky 11 na rotující ploše 8, aby došlo při následném nepatrném zvětšení posuvu rotoru 10 k rozrušení čela 5 čidla 4 o hranu 12 této příčné drážky 11. Jde přitom o působení řady vlivů jako je vyrovnávání pružných deformací, teplotní dilatace apod. Experimentálně bylo zjištěno, že k zajištění uvedených účinků stačí jedna příčná drážka 11 definovaného umístění a rozměrů.However, with gradual, slow approach of the sensor face 5 to the opposite rotating surface 8, however, the front face of the glass face 5 of the sensor 4 does not always be disturbed, but the non-destructive deformation of its face surface gradually occurs. However, a slight break of the contact between the front 5 of the sensor 4 and the rotating surface 8 due to the radially transverse groove 11 formed on the rotating surface 8 is sufficient to cause the front 5 of the sensor 4 to be disturbed by the edge 12 of this transverse groove. It has been experimentally found that one transverse groove 11 of a defined location and dimensions is sufficient to provide these effects.

Obdobně jako u dotykových zařízení k ochraně lopatkových strojů proti nadměrnému posuvu rotoru 10 vůči statoru 1 pracujících na principu změn tlaku, a proto vybavených tlakovým spínačem, lze řešení s příčnou drážkou 11 na rotující ploše 8 protilehlé čidlu 4 . použít i systémů elektrických, pracujících na principu mechanického přerušení jemného elektrického vodiče v destrukční zóně mezi statorem 1 a rotorem 10.Similar to the contact devices for protecting turbomachines against excessive displacement of the rotor 10 relative to the stator 1 operating on the principle of pressure changes and therefore equipped with a pressure switch, a solution with a transverse groove 11 on the rotating surface 8 opposite the sensor 4 can be provided. also use electrical systems operating on the principle of mechanical break of the fine electrical conductor in the destruction zone between the stator 1 and the rotor 10.

K zvýšení účinků vyvolaných pružnými deformacemi je výhodné použít odpruženého čidla, které v kontaktu s příčnou drážkou 11 po předchozí pružné deformaci‘způsobené kontaktem s rotující plochou 8 se vůči své ose axiálně zvětšuje a jeho destrukce o hranu příčné drážky 11 je okamžitá.In order to increase the effects caused by the elastic deformation, it is advantageous to use a spring-loaded sensor which, in contact with the transverse groove 11, after previous elastic deformation caused by contact with the rotating surface 8, increases axially relative to its axis.

predmetSubject

Claims

Touch the first security device vane machine in particular a turbocompressor to prevent excessive displacement roto _T ru relative to the stator comprising a sensor mounted on the stator, functional touch sensor portion is made of a brittle, electrically non-conductive material on which is threaded a thin electrical conductor, or of closed glass tubes forming an end piece firmly cemented into the pressure sensor body, which is connected to the pressurized branch of the conveyed gases, is associated with a pressure medium from a foreign source, the sensor being set against the opposite rotational surface of the toral plane with clearance or a radial displacement of the rotor relative to the stator, characterized in that the rotating surface (8) opposite the face (5) of the pulse sensor (4) is provided with at least one radially transverse groove (11) whose width (Ly is greater than the diameter) ( And the depth (h) is at least 0.5 mm.

2. The touch guard of the turbomachine according to claim 1, characterized in that the impulse sensor (4j) is axially spring-loaded.