專利名稱：用于諧振頻率響應衰減的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及振動環境，特別是涉及用于諧振頻率響應衰減 的方法和裝置。
背景技術：
電纜的諧振頻率行為由電纜和電纜/夾持支承系統的質量和硬度 來確定。電纜由于發動機的不平衡力而引起的諧振頻率響應行為的相 位和幅值取決于力函數的相位和幅值，且當力函數與電纜的模態響應 一致時，可能導致早期故障。當安裝于發動機上時，電導體或電纜需 要有效阻尼和支承約束，以便能存在于該用途的高水平振動環境中。
電纜是成束的，并用柔性導管包裹，從而能夠布線成適應預先存 在的電纜夾/托架位置，且有較低的抗彎剛度。這些阻尼特性必須在較 寬的帶頻和熱范圍上有效，以便控制機械引起的振動激勵。電纜布線 結構通常通過專用裝置來調節成靜止，且各用途的振動穩定性分別通 過測試、監測和確定趨勢來檢驗。自由跨距夾持長度確定為將振動頻 率響應控制在可接受的水平。這些問題的解決方案需要大量的數據表 征，是自然反應，并需要大量的資源來解決。
電纜和電纜狀傳感器(例如TNAC)由內部導線和外部保護套組成。 TNAC的外部保護套由鎳-200制成，并由于燃氣渦輪發動機的振動激勵 而反復彎曲。當外部保護套反復彎曲時，它將變硬、變脆和斷裂。當 鎳-200外部保護套斷裂時，內部傳感器線直接暴露于燃氣渦輪發動機 的惡劣工作環境中，并很快損壞。
燃氣渦輪發動機部件(例如TNAC)所需的安全外場壽命預期要求 為高達五萬工作小時無故障。不過，TNAC的平均外場壽命只有3千工作 小時。因此，TNAC不能滿足外場壽命預期要求。為了避免損壞整個傳 感器并同時滿足外場預期要求，內部傳感器線必須固定不動，并防止 受到外部環境損壞。該環境包括發動機的振動和溫度狀態以及其它各 種負載，例如由維護工作人員桂在外部保護套上的工具。
因此，需要一種在較寬頻率范圍和針對一種溫度范圍的應用上有
效的改進阻尼系統，它衰減所有的振動，而不需要調節成針對特定頻 率。
發明內容
在一個實施例中，公開了一種用于衰減諧振頻率響應的方法。該 方法包括將至少一個傳導元件包入保護護套內，并將阻尼元件布置在 該至少一個傳導元件周圍。阻尼元件牢固固定在該至少一個傳導元件 上，用于防止傳導元件與導管之間的相對運動。該方法還包括將該至 少一個傳導元件同心地定位在導管內，以便在該至少一個傳導元件與 導管之間限定間隙。
在另一示例實施例中，公開了一種諧振頻率響應衰減裝置。該裝
置包括導管；至少一個傳導元件，該傳導元件包在保護護套中；以 及阻尼元件，該阻尼元件布置在該至少一個傳導元件周圍。阻尼元件 牢固固定在該至少一個傳導元件上，用于防止該傳導元件和導管之間 的相對運動，且該至少一個傳導元件同心地布置在導管中，并在導管 與該至少一個傳導元件之間限定了間隙。
圖l是燃氣渦輪發動機的示意圖； 圖2是燃氣渦輪發動機的示意剖視圖3表示了燃氣渦輪發動機，其中管道安裝在該燃氣渦輪發動機 上，且傳導元件安裝在該管道上；
圖4表示了用于將傳導元件安裝在圖3的發動機管道上的安裝結構 的放大圖5表示了諧振頻率響應衰減裝置的示例實施例； 圖6表示了諧振頻率響應衰減裝置的另 一示例實施例； 圖7表示了諧振頻率響應衰減裝置的還一示例實施例； 圖8表示了諧振頻率響應衰減裝置的還一示例實施例。
具體實施例方式
圖1表示了燃氣渦輪發動機10的示意圖，該燃氣渦輪發動機10包括 低壓壓縮機12、高壓壓縮機14和燃燒器16。燃氣渦輪發動機10還包括高壓渦輪18、低壓渦輪20和渦輪噴嘴組件30。
在工作時，空氣流過低壓壓縮機12，然后，壓縮空氣從低壓壓縮 機12供給至高壓壓縮機14。低壓壓縮機12和高壓壓縮機14分別包括可 調定子葉片22,該定子葉片22控制空氣在進入壓縮機12、 14時的入射 角，從而使得燃氣渦輪發動機10更高效地工作。常規的燃料系統28提 供燃料，該燃料與高壓空氣組合，并在燃燒器16中燃燒。所形成的高 溫燃氣從燃燒器16傳送至渦輪噴嘴組件30。來自燃燒器16的氣流(圖l 中未示出)驅動高壓渦輪18和低壓渦輪20。
圖2表示了圖1的燃氣渦輪發動機10的剖視圖。低壓壓縮機12、高 壓壓縮機14、高壓渦輪18和低壓渦輪20各自包括轉子組件。轉子組件 (例如渦輪18)包括一組轉子葉片36，其中，各轉子葉片36與轉子盤 (圖2中未示出)連接，該轉子盤可旋轉地連接至轉子軸42，使得葉片 36繞轉子盤的周邊間隔開。多個周向間隔開的轉子葉片32、 34、 36、 38統稱為動葉(bucket)。在燃氣渦輪發動機10的工作過程中，轉子 組件在燃氣渦輪發動機10結構中引起機械的和氣動的振動激勵。
壓縮機12、 14和渦輪18、 20的轉子組件在燃氣渦輪發動機10內引 起機械振動激勵。在燃氣渦輪發動機10的工作過程中，轉子組件經受 在旋轉過程中所產生的不平衡，從而使燃氣渦輪發動機10的靜止部件 產生機械振動激勵。主要的轉子組件不平衡在機器的每一轉中產生一 次。外來物體損傷也引起機械振動激勵。在工作過程中，燃氣渦輪發 動機10可能吸入某種類型的外來物體或碎屑，例如冰、鳥或跑道上的 機械工具。根據所吸入物體或碎屑的尺寸，轉子葉片32、 34、 36、 38 可能會折斷，從而進一步引起轉子組件和轉子葉片的不平衡。另外， 轉子葉片32、 34、 36、 38通過諧振而進一步產生振動激勵，該諧振以
每一轉多次來形成。
氣動振動激勵由轉子葉片32、 34、 36、 38的通過頻率(passing frequency)來產生。當轉子葉片32、 34、 36、 38經過燃氣渦輪發動 機10的靜止部件時產生氣動力。這些氣動力在發動機10的靜止部件(例 如噴嘴組件30)上產生振動信號，然后在整個燃氣渦輪發動機機殼40 上傳遞。
圖3表示了安裝在燃氣渦輪發動機管道11上的傳導元件42。在一個 示例實施例中，傳導元件42可以為電阻式溫度檢測器，也稱為RTD。不
過應當知道，在其它各種示例性實施例中，傳導元件42可以為任意類 型的傳導元件，且并不局限于RTD。在高溫應用中的傳導元件42 (例如 RTD)由金屬護套來保護，該金屬護套將內部電纜溫度控制在可接受的 范圍內。高溫應用施加的最大溫度大于五百華氏度(260攝氏度)。傳 導元件42在三維空間中布線，以便與外部燃氣渦輪發動機10結構一 致。傳導元件42的布線包括通過相交彎頭半徑、簡單彎頭和端子而相 互連接的直線段。
在該示例實施例中，傳導元件42可以是一種稱為平均面積電阻式 溫度檢測器的特定類型RTD。圖4表示了使用 一 系列小夾子44而安裝在 燃氣渦輪發動機管道11上的TNAC。
圖5表示了電纜50的透視圖。在該示例實施例中，電纜50具有振動 阻尼元件，該振動阻尼元件設計成衰減所有的發動機振動行為，而不 需要調節成針對特定頻率。在該示例實施例中，電纜50包括兩個傳導 元件或傳感器元件52，該元件52由鉑制成并包在鎳-200護套54內，并 布置在外部導管60中。整個導體為O. 118英寸(0. 3cm)寬，0. 053英 寸(0. 13cm)高和57. 60英寸(146cm)長。應當知道，檢測元件52可 以具有任意橫截面形狀。
外部導管60由因康鎳合金(鎳鐵合金)制成，有圓形橫截面積， 并延伸過檢測元件52的整個長度。此外，外部導管60具有由內徑確定 的內表面和由外徑確定的外表面。在該示例實施例中，導管60的內徑 為O. 18英寸(0. 46cm)。應當知道，外部導管60可以由適合其它用途 和它們各自工作環境的其它材料制成。因此，在其它各個示例實施例 中，外部導管可以由例如(但不局限于)不銹鋼、鋁和PVC制成。還應 當知道，外部導管60的內徑和外徑以及相應的橫截面積可以為任意尺 寸，只要該內徑小于外徑。不過，外部導管60的外徑尺寸會由于燃氣 渦輪發動機10中的可用空間而受限制。而且應當知道，盡管在示例實 施例中，外部導管60有圓形橫截面，但是該外部導管60也可以有任意 橫截面形狀。
檢測元件52對于燃氣渦輪發動機10的惡劣工作環境很敏感，因此 保護護套54布置在各檢測元件52周圍，從而將檢測元件52有效包在該 保護護套54中。為了進一步保護檢測元件52 (其中，各檢測元件52包 在各自的保護護套中)，這些檢測元件52同心地布置在外部導管60中，
以便在保護護套54的外表面和外部導管60的內表面之間限定一間隙 62。在該示例實施例中，間隙62在0. 0025英寸(0. 006化m)和O. 0065 英寸(0. 1651cm)之間。優選是，間隙62有恒定寬度，并延伸過該檢 測元件52的整個長度。應當知道，檢測元件52的數目并不局限于兩個 元件52，且可以使用任意數目的檢測元件52。不過，檢測元件52的數 目會受到外部導管60的內徑尺寸的限制。還應當知道，間隙62的寬度 可以根據外部導管60的內徑和布置在該導管60中的檢測元件52的數目 而變化。
圖5還表示了布置在保護護套54之間的隔離線56。隔離線56由與保 護護套54相同的材料(鎳-200 )制成，且外徑為0.0285英寸 (0. 072cm)。應當知道，隔離線56可以由其它材料制成，只要該材料 不會損壞其它部件，包括阻尼線58 (后面將介紹)和外部導管60。隔 離線56有助于填充保護護套54的外表面和外部導管60的內表面之間的 間隙62，從而形成更為圓形的橫截面形狀，以匹配外部導管60的內部 橫截面形狀。應當知道，當檢測元件的數目增加時，將需要更少的隔 離線56來匹配外部導管60的內部截面形狀。
包在保護護套54中并由隔離線56分開的檢測元件52形成一種組合 結構54。振動阻尼元件例如阻尼線58布置在該組合結構64周圍，并與 外部導管的內表面成穩固接觸，從而同心定位這些檢測元件52并阻尼 檢測元件52的振動。阻尼線58有圓形橫截面，外徑為O. 0285英寸 (0. 072cm)，并布置在外部導管60內并且在保護護套54的外表面與外 部導管60的內表面之間的間隙62中。另外，阻尼線58螺旋纏繞在組合 結構64上，并外接(circumscribe)該組合結構64。而且，阻尼線58 可以釬焊至組合結構64的保護護套54，以便抑制由于阻尼線58和保護 護套54之間的相對熱膨脹、振動或其它作用而引起的任何相對運動。 這樣就防止阻尼線58磨損該保護護套54以及防止檢測元件52產生接地 短路。阻尼線58由鎳-200或鎳材料衍生物(特征為更柔軟的材料)制 成，并應該不比保護護套54的材料更硬。應當知道，阻尼線58可以由 適合其它用途和它們各自工作環境的其它材料制成。因此，在其它各 種示例實施例中，阻尼線58可以由材料例如(但不局限于)鎳、橡膠、 銅、鋼和粘彈性材料制成。阻尼線58應當是輕質且經濟的。
各燃氣渦輪發動機10產生不同頻率或正弦函數的不同振動激勵，
因此，電纜布線結構將被分別調節。不過，燃氣渦輪發動機io都要經 歷與不同工作階段相對應的不同工作振動激勵頻率。例如，燃氣渦輪
發動機在熱機階段的相應頻率為大約60Hz，而恒定連續飛行階段的相 應頻率為180Hz。在該示例實施例中，通過調節阻尼線58的螺旋節距、
諧振頻率響應。
將阻尼線58布置成以螺旋形式外接該組合結構64將有利于調節該 檢測元件52。具體地，阻尼線58的螺旋節距控制檢測元件52的諧振頻 率。這樣，減小螺旋節距將增大檢測元件52的諧振頻率。同樣，增加 螺旋節距將減小檢測元件52的諧振頻率。該螺旋節距設計成控制燃氣 渦輪發動機10在大約180Hz頻率處的恒定連續飛行階段諧振頻率響 應，從而不需要調節成針對特定頻率。在該示例實施例中，阻尼線58 的螺旋節距為6. 25英寸(15. 88cm)。
響應。通過調節保護護套54的外表面與外部導管60的內表面之間的間 隙62的寬度，可以進一步控制諧振頻率響應，或者進一步調節檢測元 件52。減小間隙62的寬度將增大檢測元件52的諧振頻率響應。增大間 隙62寬度將減小檢測元件52的諧振頻率響應。
在該示例實施例中，檢測元件52的諧振頻率響應還通過布置在該 組合結構64周圍的阻尼線58的數目來控制。增加阻尼線58的數目將減 小檢測元件52的諧振頻率響應。減少阻尼線58的數目將增大檢測元件 52的諧振頻率響應。
在該示例實施例中，該組合結構64制造成直線長度結構。外部導 管60有圓形橫截面積，并且也制造成直線長度結構。組合結構64與阻 尼線58—起插入外部導管60中，然后再將裝配好的電纜相應布置在整 個發動機10中。應當知道，將組合結構64和阻尼器58布置在外部導管 60內并不構成搖擺配合。因為阻尼線58與外部導管60的內表面穩固接 觸，因此阻尼線58也增強了該外部導管60。
應當知道，盡管在該示例實施例中使用單個阻尼線58，但是任意 數目的阻尼線58可以以螺旋形式外接在組合結構64的周圍并釬焊在該 組合結構64上。還應當知道，不同于阻尼線58的振動阻尼元件也可以 用在并布置在間隙62中。
圖6表示了另一示例實施例，其中，該振動阻尼元件包括彼此相鄰 并平行布置的兩個阻尼線58。這兩個阻尼線58—起螺旋纏繞并外接在 該組合結構64周圍，并釬焊在該組合結構64上。應當知道，阻尼線58 也可以相互釬焊至對方，并彼此平行布置且并不交叉。還應當知道， 盡管一個或多個阻尼線58可以布置在護套54的外表面和外部導管60的 內表面之間的間隙62中，但是其它阻尼材料也可以在間隙62中代替阻 尼線58。
圖7表示了還一示例實施例，其中，振動阻尼元件包括具有熱收縮 特性的可選粘彈性材料，例如收縮管66，并將它布置在間隙62中。收 縮管66為特氟隆(Teflon)類型材料，它布置在組合結構64周圍，該 特氟隆材料在加熱時尺寸收縮。當該收縮管材料66被加熱時，它的尺 寸收縮，從而壓縮該組合結構64，并能夠使該組合結構64與收縮管66 一起滑入外部導管60中。收縮管材料66使得組合結構64在該外部導管 60中固定不動。不過，收縮管材料66向外部導管60提供較小的結構支 承或加強，因為它并不象以螺旋結構布置在組合結構64周圍的阻尼線 58—樣硬。收縮管66用于最大溫度小于三百華氏度(149攝氏度)的低 溫用途中。
圖8表示了還一示例實施例，其中，振動阻尼元件包括布置在間隙 62中的線網材料68。線網68纏繞在組合結構64上，使得該線網68至少 一次外接該組合結構64。線網68釬焊至組合結構64。而且應當知道， 在其它各種示例實施例中，線網68多次外接該組合結構64，多層線網 68布置和外接在組合結構64周圍。這些線網68層也可以相互釬焊。線 網68用作阻尼器，并能承受很寬范圍的極大振動頻率和溫度。不過， 線網材料68向外部導管60提供較小的結構支承或加強。
在該示例實施例中，振動阻尼元件在很寬的強制頻率(forcing frequency )范圍和很寬溫度范圍內通過摩擦阻尼而有效控制不利的振 動響應。該頻率范圍基本上是從大約30赫茲至大約三千赫茲，并與壓 縮機轉子葉片32、 34和渦輪轉子葉片36、 38的通過頻率相對應。該頻 率范圍包含全部純音、隨機和諧振強制頻率。該溫度范圍從負40華氏 度(-40攝氏度)的最小值至750華氏度(399攝氏度)。
這里所述的振動阻尼元件的該示例實施例設計成阻尼所有振動， 而不需要調節成針對特定頻率。在該示例實施例中，振動阻尼元件通 過耗散由內部檢測元件52和外部導管60之間的諧振和相對運動所引起
的摩擦能量而控制不利的振動。另外，該振動阻尼元件的柔性允許該 傳導或檢測元件52、振動阻尼元件與該外部導管60的組合可以在不彎 曲的直狀態下進行組裝，然后形成為能夠符合構造布線要求。而且， 該振動阻尼元件在高溫應用向該內部溫度檢測元件52提供熱保護，同 時保持導熱性以及對外部導管60的瞬態響應。當在高溫下暴露于高能 量聲音或機械振動輸入時，振動阻尼元件提供了對于檢測電路元件的 振動保護。
應當知道，各種其它示例實施例可以用于需要防止外部高溫或過 大機械振動或者兩者的損壞的任何傳導元件。各種其它示例實施例可 以用于任何振動環境，例如但不局限于剪草機發動機、摩托艇發動 機和巡航輪船發動機。
盡管已經參考特定實施例介紹了本發明，但是該特定實施例的說 明只是示意表示，并不構成對本發明范圍的限定。在不脫離發明的精 神和范圍的情況下，本領域技術人員可以進行各種其它變化和改變。
部件列表
10燃氣渦輪發動機
11燃氣渦輪發動機管道
12寸氐壓壓縮;f/L
14高壓壓縮才幾
16燃燒器
18高壓渦輪
20低壓渦輪
22可變定子葉片
28常規燃料系統
30渦輪噴嘴組件
32壓縮機轉子葉片
34壓縮機轉子葉片
36渦輪轉子葉片
38渦輪轉子葉片
40燃氣渦輪發動機機殼
42 傳導元件
44 小夾子
50 電纜
52 檢測元件或傳感器元件
54保護護套
56 隔離線
58 阻尼線
60 外部導管
62 間隙
64 組合結構
66 收縮管材料
68 線網
權利要求
1一種諧振頻率響應衰減裝置，包括導管(60)；至少一個傳導元件(42)，該傳導元件包在保護護套(54)中；阻尼元件(58)，該阻尼元件布置在該至少一個傳導元件周圍，其中，該阻尼元件牢固固定在該至少一個傳導元件上，用于防止該傳導元件與導管之間的相對運動，且該至少一個傳導元件同心地布置在導管中，并在該導管與該至少一個傳導元件之間限定了間隙(62)。
2. 根據權利要求l所述的裝置，還包括多個傳導元件(42)，該多個傳導元件同心地布置在導管(60) 內；以及至少一個隔離線(56)，該隔離線沿縱向布置成鄰近該多個傳導 元件中的至少一對。
3. 根據權利要求l所述的裝置，其中該阻尼元件(58)螺旋布 置在該至少一個傳導元件(42)的周圍，并與導管(60)的內表面接 觸。
4. 根據權利要求l所述的裝置，其中，制造該阻尼元件(58)的 材料選自鎳、橡膠、銅、鋼以及粘彈性材料。
5. 根據權利要求l所述的裝置，還包括至少一個另外阻尼元件 (58)，該另外阻尼元件布置在該阻尼元件附近并與其平行，且該至少一個另外阻尼元件螺旋布置在該至少一個傳導元件(42)周圍并外 接該至少一個傳導元件(42)，其中，該至少一個另外阻尼元件牢固 固定在該至少一個傳導元件上，用于防止該至少一個另外阻尼元件與 傳導元件之間的相對運動，并用于調節該至少一個傳導元件的諧振頻 率響應。
6. 根據權利要求l所述的裝置，其中，該阻尼元件(58)具有可 變節距，用于調節該傳導元件(42)的諧振頻率響應。
7. 根據權利要求l所述的裝置，其中，該間隙寬度可變，以便于 調節該傳導元件(42)的諧振頻率響應。
8. 根據權利要求2所述的裝置，其中，該阻尼元件(58)包括粘 彈性材料，該粘彈性材料布置在多個傳導元件(42)的周圍并在該多 個隔離線(56)周圍，該多個傳導元件(42)分別包在各自的保護護套(54)中。
9.根據權利要求l所述的裝置， 網材料(68)。權利要求書第2/2頁其中該阻尼元件(58)包括線
全文摘要
本發明提供了一種諧振頻率響應衰減裝置。該諧振頻率響應衰減裝置包括導管(60)；至少一個傳導元件(42)，該傳導元件包在保護護套(54)中；阻尼元件(58)，該阻尼元件布置在該至少一個傳導元件周圍，其中，阻尼元件牢固固定在該至少一個傳導元件上，用于防止傳導元件和導管之間的相對運動，且該至少一個傳導元件同心地布置在導管中，并在導管和該至少一個傳導元件之間限定了間隙(62)。
文檔編號F16L55/035GK101169209SQ20071015276
公開日2008年4月30日 申請日期2007年9月20日 優先權日2006年9月21日
發明者D·C·霍沃德, E·M·奧奈爾, P·J·瓦爾科 申請人:通用電氣公司