一种机械式转子超转保护传感器装置
阅读说明：本技术 一种机械式转子超转保护传感器装置 (Mechanical type rotor overrotation protection sensor device ) 是由 李经警 况开鑫 周泽堂 董武 刘阳 潘少杰 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机械式转子超转保护传感器装置,涉及转子超转保护领域,包括外座、内座、活塞杆和配重块,外座包括至少两个用于卡接内座和配重块的弯嘴结构和至少两个用于卡接内座的卡接结构,还包括套设于活塞杆上的圆筒结构,内座包括用于放置配重块的凹槽和圆环结构,活塞杆包括活塞头部、主体和尾部,当转子转速达到设计保护转速时,在离心力的作用下,机械式转速传感器中的配重块开始将活塞杆顶出,机械式结构紧凑、简单,安装使用方便,本发明成本较低、受环境影响小、应用可靠性和有效性高,拓宽了传感器使用范围,不需经传动系统间接计量,可直接对涡轮转子特定转速进行超转保护,敏感度和响应性高。(The invention discloses a mechanical rotor over-rotation protection sensor device, which relates to the field of rotor over-rotation protection and comprises an outer seat, an inner seat, a piston rod and a balancing weight, wherein the outer seat comprises at least two bent nozzle structures for clamping the inner seat and the balancing weight, at least two clamping structures for clamping the inner seat and a cylinder structure sleeved on the piston rod, the inner seat comprises a groove for placing the balancing weight and a ring structure, the piston rod comprises a piston head part, a main body and a tail part, when the rotating speed of a rotor reaches a designed protection rotating speed, the balancing weight in a mechanical rotating speed sensor starts to push out the piston rod under the action of centrifugal force, the mechanical structure is compact and simple, the installation and the use are convenient, the cost is lower, the influence of the environment is small, the application reliability and the effectiveness are high, the use range of the sensor is widened, the indirect measurement is not needed through a transmission system, the over-rotation protection can be directly carried out on the specific rotating speed of a turbine rotor, the sensitivity and the responsiveness are high.)
技术领域
本发明涉及转子超转保护领域，尤其涉及一种机械式转子超转保护传感器 装置。
背景技术
涡轮转子是发动机关键工作部件，负荷大、转速高、温度高、工作环境恶 劣，尽管在设计生产过程中给予极大的关注，但仍存在涡轮转子在特殊情况下 失去负载后引起的超转现象。为防止涡轮转子超转对发动机造成巨大损伤，必 须实现对涡轮转子在特定转速下的超转保护。
目前对涡轮转子的超转保护是通过磁电式传感器来实现的。该传感器是通 过磁性材料的电磁感应原理、磁阻效应或霍尔效应来工作。当转子某一部位经 过传感器时，会引起传感器磁性材料的磁场变化，从而使得磁性材料的电阻发 生变化或磁场电动势产生变化。由此将转子的转速信号转化为磁电材料的电阻 信号或电压信号，从而实现对转子转速进行感应。发动机数控系统会根据磁电 式传感器感应的信号判断转子是否发生超转，当发生超转时，会通过减少燃油 供给等措施控制转速，实现对转子的超转保护。由于磁电式传感器布置需要， 实际应用过程中普遍装配在外机匣上，通过监控转子减速器齿轮等传动零件的 转速来间接实现对转子转速的监控，且应用电子元器件和磁性材料对环境的电 磁包容性及腐蚀性有较高要求，应用范围有一定限制。
而本发明的机械式超转保护传感器装置通过与涡轮轴连接，可直接实现对 转子特定转速的保护，具有较高的可靠性，且为纯机械式结构，不受环境的影 响，应用范围更广。
发明内容
针对磁电式传感器存在高转速转子使用过程中可靠性不高的问题，本发明 提供了一种机械式转子超转保护传感器装置，通过一系列精密配合的机械结构 将涡轮转子在特定转速下的旋转运动转化为活塞杆的伸出运动，以此来实现对 涡轮转子特定转速的超转保护。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种机械式转子超转保护传感器装置，包括外座、内座、活塞杆和配重块， 外座包括至少两个用于卡接内座和配重块的弯嘴结构和至少两个用于卡接内座 的卡接结构，还包括套设于活塞杆上的圆筒结构，内座包括用于放置配重块的 凹槽和圆环结构，活塞杆包括活塞头部、主体和尾部，活塞杆主体相对于活塞 头部由近至远依次上套设有衬套和挡圈，衬套一端设置于外座的圆筒结构内， 衬套另一端和挡圈共同套接有弹簧，活塞杆尾部套设连接销，衬套设置有用于 挡住弹簧端部的环形凸起，环形凸起位于外座与弹簧之间，挡圈远离衬套的一 端开设有圆形凹槽，圆形凹槽与活塞杆同轴设置，圆形凹槽与连接销相适配， 配重块包括矩形块和三角形块；该传感器装置初始状态弹簧被压缩，活塞头部 与外座相配合将配重块和内座压紧。
进一步地：所述弯嘴结构内侧开设有圆弧凹槽，所述三角形块位于圆弧凹 槽内部位呈圆弧状。
进一步地：所述弯嘴结构内侧呈圆弧凹槽，所述三角形块位于圆弧凹槽内 部的一端呈圆弧状。
进一步地：所述外座与衬套滑动连接，所述活塞杆与衬套和挡圈滑动连接。
进一步地：所述弹簧一端与挡圈之间设置垫片，所述衬套位于弹簧内的部 位外径小于弹簧内径，所述挡圈位于弹簧内的部位外径小于弹簧内径。
进一步地：外座与内座通过铆钉固定。
进一步地：衬套和挡圈内径相同。
进一步地：该传感器装置通过外座螺纹与涡轮轴啮合连接，随涡轮轴及叶 片盘同步转动，信号开关传感器装配在导向器内腔。
下文通过计算公式分析了运动过程中配重块的受力情况。
配重块绕组件旋转中心向外旋转，产生的离心力F离心力对旋转中心(配重块 与外座接触点)产生的力矩：
(2)配重块与活塞杆接触，活塞杆对配重块有个向下的弹簧拉紧力(配重 块对活塞杆有个向上的离心顶力)，离心顶力对旋转中心的力矩为：
M2＝离心顶力×力臂＝F2×b
M1＝M2配重块处于力矩平衡状态，则F2的计算公式为：
(3)由于弹簧压缩对活塞杆产生的拉紧力计算公式为：
F3＝弹性系数×压缩长度＝K×(L+ΔL)
弹簧拉紧力对单个配重块旋转中心的力矩计算公式为：
(4)当活塞杆被顶出时，作用在活塞杆上的富余顶力计算公式为：
ΔF富余顶力＝2×F2-F3
式中：m为配重块质量；a为离心力对旋转中心的力臂；n为转速；r为 到转子旋转轴距离；b为配重块对顶杆施加的力对旋转中心的力臂；K为弹簧弹 性系数，L为活塞杆顶出距离，ΔL为弹簧初始压缩长度。
(5)1：当转速n小于设计保护转速，配重块无相对运动(L1＝0)， M1<M3；
2：当转速n等于设计保护转速，配重块为平衡状态(L1＝0),M2＝M3；则：
配重块、零件初始配合尺寸及弹簧选定时，m，r，a，b，K，ΔL均为常数， 即可实现对确定设计保护转速n的监控。同样若保护转速n确定，也可通过调 整配重块重量和零件尺寸，将装置应用在不同尺寸的转子零件上。
3：当转速n大于设计保护转速时，配重块开始转动(L逐渐增大)，活塞杆 顶出。
由于m，K，ΔL均可以选定，r，a，b也均可转换为与L相关的参数，通 过控制活塞杆伸出量L和转速n的范围，从而确定富余顶力的大小，保证达到 设计保护转速时，活塞杆可以触发其余控制元件，使得转速保护传感器工作
本发明的有益效果：
(1)该传感器装置通过外座螺纹与涡轮轴啮合连接，随涡轮轴及叶片盘同 步转动，信号开关传感器装配在导向器内腔。当转子转速达到设计保护转速时， 在离心力的作用下，机械式转速传感器中的配重块开始将活塞杆顶出。当活塞 杆被顶出伸出一定长度后，会与信号开关传感器的弹钮接触并施加一定的力在 弹钮上，随后弹钮受力转动到一定程度时，将信号开关传感器的控制元件触发， 随后停止涡轮转子供气，转速降低，以此起到极限转速保护的作用，机械式结 构紧凑、简单，安装使用方便。
(2)本发明成本较低、受环境影响小、应用可靠性和有效性高，拓宽了传 感器使用范围。
(3)不需经传动系统间接计量，可直接对涡轮转子特定转速进行超转保护， 敏感度和响应性高。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为发明整体结构示意图；
图2为本发明整体结构中心剖面示意图；
图3为本发明工作状态示意图；
图4为本发明实际应用示意图；
图5为本发明工作状态配重块受力示意图。
图中：1、外座；101、弯嘴结构；102、卡接结构；111、圆弧凹槽；2、内 座；3、活塞杆；31、活塞头部；4、衬套；41、环形凸起；5、弹簧；6、挡圈； 61、圆形凹槽；7、垫片；8、连接销；9、配重块；91、矩形块；92、三角形块； 10、铆钉；11、机械式转速传感器；12、涡轮轴；13、叶片盘；14、信号开关 传感器；15、导向器；
K、主件旋转中心；P1、配重块与活塞环接触点；P2、配重块与外座接触点； F1、配重块受到的离心力；F2、配重块对活塞杆有个向上的离心顶力；F3、弹簧 拉紧力；Fy、配重块受到的离心力在主件旋转中心线方向的分力；
M1、配重块受到的离心力对配重块与外座接触点产生的力矩；M2、离心顶 力对配重块与外座接触点的力矩；M2、弹簧拉紧力对单个配重块旋转中心的力 矩；
L1、衬套与挡圈的间距；L2、弹簧的长度；L、活塞顶出距离；G、配重块 的质点；
a、为离心力对旋转中心的力臂；n、为转速；r、为到转子旋转轴距离；b、 为配重块对顶杆施加的力对旋转中心的力臂。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
参照图1-5所示，本发明的优选实施例提供了一种机械式转子超转保护传感 器装置，包括外座1、内座2、活塞杆3和配重块9，外座1包括至少两个用于 卡接内座2和配重块9的弯嘴结构101和至少两个用于卡接内座2的卡接结构 102，还包括套设于活塞杆3上的圆筒结构，内座2包括用于放置配重块9的凹 槽和圆环结构，活塞杆3包括活塞头部31、主体和尾部，活塞杆3主体相对于 活塞头部31由近至远依次上套设有衬套4和挡圈6，衬套4一端设置于外座1 的圆筒结构内，衬套4另一端和挡圈6共同套接有弹簧5，活塞杆3尾部套设连 接销8，衬套4设置有用于挡住弹簧5端部的环形凸起41，环形凸起41位于外 座1与弹簧5之间，挡圈6远离衬套4的一端沿着活塞杆3轴向开设有圆形凹 槽61，圆形凹槽61与活塞杆3同轴设置，圆形凹槽61与连接销8相适配，配 重块9包括矩形块91和三角形块92；该传感器装置初始状态弹簧5被压缩，活 塞头部31与外座1相配合将配重块9和内座2压紧。
外座1的弯嘴结构101内侧开设有圆弧凹槽111，配重块9在离心力的作用 下，以配重块9与外座1接触点为旋转中心转动，为了使配重块9顺利转动， 本实施例中优选地，配重块9的三角形块92位于圆弧凹槽111内部一端呈圆弧 状；
本实施例中优选地，活塞头部31与活塞杆3主体连接部位以圆弧过渡，且 配重块9的矩形块91与活塞杆3接触的相应部位呈圆弧倒角结构。
为了活塞头部31接触信号开关传感器14位置精准，本实施例中优选地， 活塞头部31呈圆锥状，活塞头部31形状也可为半圆状、圆柱体或者梯形。
外座1与内座2固定连接，为了保证该传感器装置在极限条件下工作的可 靠性，本实施例中优选地，外座1与内座2通过铆钉10固定，且有利于该传感 器装置的制造以及延长使用寿命。
外座1与衬套4滑动连接，活塞杆3与衬套4和挡圈6滑动连接，活塞杆3 与连接销8固定连接；本实施例中优选地，衬套4和挡圈6内径相同。
为了减少弹簧5的磨损，弹簧5一端与挡圈6之间设置垫片7，同时，衬套 4位于弹簧5内的部位外径略小于弹簧5内径，挡圈6位于弹簧5内的部位外径 略小于弹簧5内径。
如图2所示，该传感器装置通过外座1螺纹与涡轮轴12啮合连接，随涡轮 轴12及叶片盘13同步转动，信号开关传感器14装配在导向器15内腔。当转 子转速达到设计保护转速时，在离心力的作用下，机械式转速传感器11中的配 重块9开始将活塞杆3顶出。当活塞杆3被顶出伸出一定长度后，会与信号开 关传感器14的弹钮接触并施加一定的力在弹钮上，随后弹钮受力转动到一定程 度时，将信号开关传感器14的控制元件触发，随后停止涡轮转子供气，转速降 低，以此起到极限转速保护的作用。
如图3所示，其工作要点如下：在初始阶段，弹簧5存在初始压缩量，可 通过调整垫片7的数量对弹簧5的初始长度L2进行调节从而调整弹簧5初始压 缩量。由于弹簧5初始压缩量的存在使得活塞杆3始终处于弹簧5压缩力的拉 紧状态；传感器随涡轮转子一起转动并达到设计保护转速时，配重块9在离心 力的作用下开始转动，从而顶开活塞杆3使得传感器开始工作。
实际工作过程中，在某一设计保护转速以下时，配重块9对活塞杆3的离 心顶力小于弹簧5对活塞杆3的初始弹力，配重块9是不运动的。当超过设计 保护转速时，配重块9对活塞杆3的离心顶力大于弹簧5对活塞杆3的初始弹 力，配重块9开始转动，活塞杆3被顶出；同时随转速增大，活塞杆3顶出距 离增加，而当活塞杆3顶出距离达到设计值时(通过衬套4与挡圈6的距离L1 控制)，活塞杆3触动其他传感装置，从而实现超转信号的输出。
设计保护转速与配重块9重量、质心及组件配合尺寸和弹簧5弹力有关， 同时通过设计零件尺寸可将此传感器应用在不同规格的涡轮转子上。通过选择 特定重量、形状及配合尺寸的配重块9和弹簧5弹力，可以选择需要的设计保 护转速。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术 人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代， 只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明 的保护范围。