JP2006144788A - オイルエンクロージャにおける強磁性体粒子を自動的に検出するための装置を有するターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機の存在によってボールベアリングの摩損の検出を損なうことのない、ターボ機械を提案する。
【解決手段】縦軸Ｘ−Ｘを有するターボ機械であって、ターボ機械は、ターボ機械の縦軸に中心合わせされた環状ロータ１２と、ロータのまわりに同軸に配置された環状ステータ１４と、ロータ１２に配置され且つ前記ステータ１４を回転可能に支持する少なくとも１つのボールベアリング１８とを備え、ロータの内側は、ベアリング１８のボールを冷却し且つ潤滑するためのオイルエンクロージャ２０の一部を画定し、ターボ機械はさらに、ステータ１４に固定された二次磁気回路２２およびロータ１２と共に回転させられる一次磁気回路２４を有する発電機と、オイルエンクロージャ２０における強磁性体粒子を自動的に検出するための検出装置とを備え、検出装置は、電磁誘導によって給電される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、オイルエンクロージャにおける強磁性体粒子を自動的に検出するための装置が設けられた、ターボ機械の包括的な分野に関する。本発明は、さらに詳細には、発電機が、そのステータの１つに固定された二次磁気回路と、そのロータの１つと共に回転させられる一次磁気回路とによって形成されている、航空機用エンジンに関する。

航空機用エンジンの分野においては、付属部品（例えばアクチュエータ）は、概して大部分が液圧式である。信頼性、安全性、およびコンパクト性の理由のために、そのような液圧式付属部品が電気付属部品によって置き換えられることが、ますます一般的になりつつある。

この目的のために、電気付属部品を有するターボ機械に発電機を含むことが必要となりつつある。そのような発電機は、同時にターボ機械に属する電気設備（ポンプ、アクチュエータ等）の種々のアイテムに給電し、且つターボ機械もスタートさせる。

電気ケーブルを通過させる目的のために、ターボ機械ケーシングを保持するアーム（またはスペーサ）を利用するために、通常選択される解決策は、ターボ機械の高圧本体のオイルエンクロージャの１つにそのような発電機を設置することである。そのようなオイルエンクロージャは、種々のシャフト間のボールベアリングを冷却し且つ潤滑するために用いられている。典型的には、発電機は、それぞれターボ機械の高圧タービンのステータおよびロータに固定されている、（二次磁気回路を形成する）コイルおよび（一次磁気回路を形成する）磁石を備えている。

加えて、ターボ機械のオイルエンクロージャに、シャフト間のボールベアリングの摩損を検出し、且つ前記エンクロージャに結合される検出器が備えられることも知られている。そのようなセンサは、一般に外部磁気プラグの形態をとっている。これらのプラグは、オイルエンクロージャの内側でボールベアリングの摩損により生ずる強磁性体粒子を捕捉する磁石を備えている。ターボ機械についての地上保守操作の間に、磁気プラグは、ターボ機械から取り外され、分光分析が使用され、ボールベアリングの摩損状態を分光分析から推論するために、収集された粒子の起源および量を決定する。

ターボ機械に、上述されたような発電機が備えられているとき、ボールベアリングの摩損をどのように検出するかという問題が生ずる。オイルエンクロージャの内部への発電機の一次磁気回路を構成する磁石の存在は、磁気プラグを用いるベアリング摩損検出を曲解する因果関係を有している。

より一般的には、磁気プラグを用いてボールベアリングの摩損を検出することは、時間がかかり且つ不正確な作業であることがわかる。分光分析が必要であるという事実に加えて、磁気プラグは、特定の場合においてのみ（ターボ機械が、地上における保守に供されている間にのみ）読み取られ得る。結果として、ボールベアリングの摩損のレベルは、ときには遅れてのみ検出され、それはターボ機械の安全性を危うくし得る。

本発明の主たる目的は、したがって、発電機の存在によってボールベアリングの摩損の検出を損なうことのない、ターボ機械を提案することによって、そのような欠点を緩和することにある。

このために、ターボ機械が提供され、このターボ機械は、ターボ機械の縦軸に中心合わせされた環状ロータと、ロータのまわりに同軸に配置された環状ステータと、ロータに配置され且つ前記ステータを回転可能に支持する少なくとも１つのボールベアリングとを備え、ロータの内側が、ボールベアリングのボールを冷却し且つ潤滑するためのオイルエンクロージャの一部を画定し、ターボ機械がさらに、ステータに固定された二次磁気回路およびロータと共に回転させられる一次磁気回路を有する発電機を備え、ターボ機械は、オイルエンクロージャにおける強磁性体粒子を自動的に検出するための検出装置をさらに含み、前記検出装置は、電磁誘導によって給電されることを特徴とする。

本発明の特定の特徴によれば、検出装置は、ロータの内側環状面に配置される一対の電極を備え、各電極は、金属薄膜および複数の実質的に平行な金属トラックを備え、各電極のトラックは、他方の電極のトラック間に交互配置され、検出装置はさらに、ロータに固定される二次磁気回路を備え、この二次磁気回路は、強磁性体粒子が電極のトラックの間に受けられたときに、電気信号が、前記電極間に発生されるように、電極間に電圧を印加するように、ターボ機械の発電機の二次磁気回路によって作られる磁界によって励磁され、検出装置はさらに、電極の間に発生される電気信号の強度を検出するための検出器を備え、前記電気信号の強度は、オイルエンクロージャ内存在する強磁性体粒子に応じる。

結果として、発電機の一次磁気回路の存在は、ボールベアリングの摩損によって発生される強磁性粒子を、検出装置の磁気トラックに磁気的に吸引するために使用される。これは、ボールベアリングの摩損の正確な検出が得られるのを可能とする。

さらにまた、そのようなボールベアリング摩損検出装置は、単に電磁誘導によって電力が供給されるから、独立に給電されるという利点を与える。検出装置の二次磁気回路は、それゆえ単に導体ワイヤのコイルによって構成され得る。

本発明の他の特定の特徴によれば、検出装置は、ターボ機械の全デジタル電子式エンジン制御装置（ＦＡＤＥＣ）に無線信号を送信するために、検出器に接続された無線送信機をさらに含み、この無線信号は、オイルエンクロージャ内に存在する強磁性体粒子の密度に応じる。

無線送信機は、オイルエンクロージャ内に存在する強磁性体粒子の密度に応じる信号を、連続的に且つリアルタイムでＦＡＤＥＣに送信する。したがって、ＦＡＤＥＣは、ボールベアリングの摩損の現実のレベルを連続的に報知される。その後に地上で検査の作業は、何ら必要とされない。

検出装置の各電極の金属薄膜は、実質的にターボ機械の縦軸に沿って延びてもよく、且つ各電極の金属トラックは、ターボ機械の前記縦軸に対して実質的に横切る方向に延びても良い。

その代わりに、検出装置の各電極の金属トラックは、実質的にターボ機械の縦軸に沿って延びてもよく、且つ各電極の金属薄膜は、ターボ機械の前記縦軸に対して実質的に横切る方向に延びてもよい。

好ましくは、発電機の二次磁気回路は、ステータの内側環状面に巻装されたコイルによって構成され、発電機の一次磁気回路は、ロータの外側環状面に配置された少なくとも１つの磁石によって構成される。

有利には、次に発電機のコイルおよび磁石は、ステータに固定された環状のシール装置によって、オイルエンクロージャから絶縁されている。

本発明の他の特徴および利点は、限定的特性を持たない、実施形態を示す添付図面を参照して与えられる以下の説明から明らかになる。

図１は、縦軸Ｘ−Ｘを有するターボ機械の破断長手方向断面図を示し、より正確には、その高圧本体１０を示す。図示されたターボ機械は、航空機エンジンである。

ターボ機械の高圧本体１０は、特に、縦軸Ｘ−Ｘに中心合わせされた環状ロータ１２、およびロータ１２のまわりに同軸に配置された環状ステータ１４を備えている。ロータ１２は、ターボ機械の低圧本体のシャフト１６によって回転され、このシャフトは、ロータと同軸である。ボールベアリング１８は、ステータ１４に対して回転支持を提供するために、ロータ１２に配置されている。

従来の態様においては、オイル循環回路（図示せず）が、ベアリング内のボールを潤滑し且つ冷却するために、ボールベアリング１８にオイルを供給するように機能する。ボールベアリング１８を潤滑し且つ冷却したオイルは、次に、ロータ１２によって半径方向に一部分画定されたオイルエンクロージャ２０に閉じこめられる。

ターボ機械は、発電機をさらに有し、発電機は、ターボ機械に属する電気装備の種々の部分（ポンプ、アクチュエータ等）に電力を供給し、且つターボ機械を始動させる。

発電機は、電磁誘導に基づいて動作する。発電機は、ステータ１４に固定された二次磁気回路、およびロータ１２と共に回転させられる一次磁気回路を備えている。例として、二次磁気回路は、ステータ１４の内側面１４ａに巻装された導体ワイヤコイル２２によって構成されても良い。一次磁気回路は、ロータ１２の外側面１２ｂに装着された１つ以上の磁石２４によって形成されていても良い。

ターボ機械が動作状態にあるときは、ロータ１２の回転は、静止したままのコイル２２の内側で発電機の磁石２４を回転させる。これは、コイル２２の導体ワイヤに誘導電流を生じさせ、この誘導電流は、高圧本体のアーム（またはスペーサ）２３に沿って延びる電気ケーブル（図示せず）によって、ターボ機械における装備の種々の部分に伝達される。

図１において、ターボ機械の発電機のコイル２２および磁石２４が、ステータ１４に固定されているリップガスケットタイプの環状シール装置２５によって、オイルエンクロージャ２０から絶縁されていることが分かる。

そのようなターボ機械は、オイルエンクロージャ２０内の強磁性体粒子を自動的に検出するための検出装置をさらに含んでおり、検出装置は、電磁誘導によって給電されている。

より正確には、図２および図３に示されるように、検出装置は、ロータ１２の環状内側面１２ａに配置された一対の電極２６ａ、２６ｂを備えている。

各電極２６ａ、２６ｂは、それぞれ金属薄膜２８ａ、２８ｂおよび複数の実質的に平行な金属トラック３０ａ、３０ｂを備えており、一方の電極のトラックは、他方の電極のトラック間に交互配置されている。したがって、各々の電極２６ａおよび２６ｂは、くしの形態になっている。

電極のトラック３０ａおよび３０ｂは、表面積を最大限可能な限り覆うような態様で、ロータ１２の内側面１２ａ上に配分されている。薄膜２８ａおよび２８ｂならびにトラック３０ａおよび３０ｂを形成する金属は、例えば銅であっても良い。

図２に示されるように、検出装置の各電極２６ａ、２６ｂの金属薄膜２８ａ、２８ｂは、実質的にターボ機械の縦軸Ｘ−Ｘに沿って延びていても良く、金属トラック３０ａ、３０ｂは、前記縦軸Ｘ−Ｘに対して実質的に横切る方向に延びていても良い。

その代わりに、検出装置の各電極２６ａ、２６ｂの金属トラック３０ａ、３０ｂは、実質的に縦軸Ｘ−Ｘに沿って延びていても良く、金属薄膜２８ａ、２８ｂは、前記縦軸Ｘ−Ｘ（図３）に対して実質的に横切って延びていても良い。

二次磁気回路を構成し且つロータ１２に固定された導体ワイヤコイル３２は、検出装置の電極２６ａおよび２６ｂに接続されている。コイルは、ロータ１２の内側面１２ａに巻装されている。ターボ機械の発電機のコイル２２によって形成される磁界によって励磁されるこのコイル３２は、電極２６ａ、２６ｂ間に電圧を印加するように機能する。

したがって、検出装置は、それ自体の電源を持っている。ターボ機械が動作状態にある間に、ロータ１２の回転は、検出装置のコイル３２に、発電機のコイル２２（発電機コイルは静止している）に対する回転を生じさせる。このことは、誘導電流をコイル３２の導体ワイヤに生じさせ、誘導電流は、整流器３３を介して電極２６ａ、２６ｂ間にまたがる電圧を印加する。

検出装置の電極２６ａ、２６ｂのための電源の変形においては、当該変形は図示されていないが、コイル３２に面するステータ１４の内側面１４ａに一次磁気回路を構成する、１つ以上の磁石を設置することを考えることができる。したがって、ターボ機械が動作状態にある間に、ロータ１２の回転が、検出装置のコイル３２を、それ自体が静止している前記磁石に対して回転させる。それによって、検出装置のコイルに誘導電流があらわれる。

ロータ１２の外側面１２ｂにおける発電機の１つ以上の磁石２４の存在は、エンクロージャ２０の内部のオイル内に存在する強磁性体粒子３４を、ロータの内側面１２ａに磁気的に吸引する効果を有する。そのような粒子３４は、（特に剥離による）ボールベアリング１８の摩損の結果である。

これらの強磁性体粒子３４が、ロータ１２の内側面１２ａに吸引されるとき、それら強磁性粒子は、検出装置の電極２６ａ、２６ｂのトラック３０ａ、３０ｂ間で受けられ、したがって回路を閉じる。電気信号は、そのようにして電極２６ａおよび２６ｂ間に生成される。

換言すれば、検出装置は、スイッチのように動作する。すなわち、強磁性体粒子３４が、検出器のトラック３０ａ、３０ｂ間で受けられると、すぐに、接点が閉じられ、且つ電気信号が発生される。

電極２６ａ、２６ｂに接続された検出器３６は、前記電極間に発生される電気信号の強度を検出し且つ計測するように機能する。検出された電気信号の強度は、検出装置のトラック３０ａ、３０ｂに接触する強磁性体粒子３４の密度、すなわちオイルエンクロージャ２０内に存在する粒子の密度に応じる。

図４は、検出装置のトラックに接触する強磁性体粒子の密度（横座標に沿う）に応じた、検出された電気信号の強度（縦座標上向き）の変化を示す曲線を描いている。この曲線により、上限に達するまでの粒子密度の増加に伴って、電気信号の強度が増大することが、明確にわかる。

本発明の有利な特徴によれば、検出装置は、検出器３６に接続された無線送信機３８をさらに備えている。送信機３８は、ＦＡＤＥＣ電子コンピュータに無線信号を送信することができ、この無線信号は、オイルエンクロージャ２０内に存在する強磁性体粒子３４の密度に応じる。

したがって、ＦＡＤＥＣは、オイルエンクロージャ２０内に存在する強磁性体粒子３４の密度について、したがってボールベアリング１８の摩損の状態について、リアルタイムで連続的に報知させる（ここで粒子の高い密度は、ベアリングのボールの高い度合いの摩損に対応する）。

その結果として、シャフト内ボールベアリングの摩損状態に気付くために、ターボ機械が地上における保守に供されるのを待つ必要はなくなる。例えば、ボールベアリングの摩損が重大なしきい値に達した場合には、ＦＡＤＥＣは、飛行機のパイロットに、次回に飛行機が停止されたときに、ボールベアリングの保守を行うことが必要であると報知することができる。

本発明のターボ機械の破断長手方向断面である。 図１のターボ機械の検出装置の実施形態を示す図である。 図１のターボ機械の検出装置の実施形態を示す図である。 収集された強磁性体粒子の密度に応じて、検出装置によって測定される信号の強度を描いたグラフである。

符号の説明

１０ 高圧本体
１２ 環状ロータ
１４ 環状ステータ
１６ シャフト
１８ ボールベアリング
２０ オイルエンクロージャ
２２、３２ 導体ワイヤコイル
２３ アーム
２４ 磁石
２５ 環状シール装置
２６ａ、２６ｂ 電極
２８ａ、２８ｂ 金属薄膜
３０ａ、３０ｂ トラック
３３ 整流器
３４ 強磁性体粒子
３６ 検出器
３８ 送信機

Claims (9)

1. 縦軸（Ｘ−Ｘ）を有するターボ機械であって、前記ターボ機械が、ターボ機械の縦軸に中心合わせされた環状ロータ（１２）と、ロータのまわりに同軸に配置された環状ステータ（１４）と、環状ロータ（１２）に配置され且つ前記環状ステータ（１４）を回転可能に支持する少なくとも１つのボールベアリング（１８）とを備え、環状ロータの内側が、ボールベアリング（１８）のボールを冷却し且つ潤滑するためのオイルエンクロージャ（２０）の一部を画定し、前記ターボ機械がさらに、環状ステータ（１４）に固定された二次磁気回路（２２）および環状ロータ（１２）と共に回転させられる一次磁気回路（２４）を有する発電機を備え、前記ターボ機械が、オイルエンクロージャ（２０）における強磁性体粒子を自動的に検出するための検出装置をさらに含み、前記検出装置が、電磁誘導によって給電されることを特徴とする、ターボ機械。
2. 検出装置が、
   環状ロータ（１２）の内側環状面（１２ａ）に配置される一対の電極（２６ａ、２６ｂ）を備え、各電極（２６ａ、２６ｂ）が、金属薄膜（２８ａ、２８ｂ）および複数の実質的に平行な金属トラック（３０ａ、３０ｂ）を備え、各電極（２６ａ、２６ｂ）のトラック（３０ａ、３０ｂ）が、他方の電極のトラック間に交互配置され、検出装置がさらに、
   環状ロータ（１２）に固定される二次磁気回路（３２）を備え、該二次磁気回路（３２）は、強磁性体粒子（３４）が電極（２６ａ、２６ｂ）のトラック（３０ａ、３０ｂ）の間に受けられたときに、電気信号が、前記電極間で発生されるように、電極間に電圧を印加するように、ターボ機械の発電機の二次磁気回路（２２）によって形成される磁界によって励磁され、検出装置がさらに、
   電極（２６ａ、２６ｂ）の間に発生される電気信号の強度を検出するための検出器（３６）を備え、前記電気信号の強度が、オイルエンクロージャ内に存在する強磁性体粒子（３４）に応じることを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械。
3. 検出装置が、ターボ機械の全デジタル電子式エンジン制御装置（ＦＡＤＥＣ）に無線信号を送信するために、検出器（３６）に接続された無線送信機（３８）をさらに含み、無線信号が、オイルエンクロージャ（２０）内に存在する強磁性体粒子（３４）の密度に応じることを特徴とする、請求項２に記載のターボ機械。
4. 検出装置の二次磁気回路が、導体ワイヤのコイル（３２）によって構成されることを特徴とする、請求項２または３に記載のターボ機械。
5. 検出装置の各電極（２６ａ、２６ｂ）の金属薄膜（２８ａ、２８ｂ）が、実質的にターボ機械の縦軸（Ｘ−Ｘ）に沿って延び、且つ各電極の金属トラック（３０ａ、３０ｂ）が、ターボ機械の前記縦軸（Ｘ−Ｘ）に対して実質的に横切る方向に延びることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械。
6. 検出装置の各電極（２６ａ、２６ｂ）の金属トラック（３０ａ、３０ｂ）が、実質的にターボ機械の縦軸（Ｘ−Ｘ）に沿って延び、且つ各電極の金属薄膜（２８ａ、２８ｂ）が、ターボ機械の前記縦軸（Ｘ−Ｘ）に対して実質的に横切る方向に延びることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械。
7. 発電機の二次磁気回路が、環状ステータ（１４）の内側環状面（１４ａ）に巻装されたコイル（２２）によって構成され、発電機の一次磁気回路が、環状ロータ（１２）の外側環状面（１２ｂ）に配置された少なくとも１つの磁石（２４）によって構成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のターボ機械。
8. 発電機のコイル（２２）および磁石（２４）が、環状ステータ（１４）に固定された環状のシール装置（２５）によって、オイルエンクロージャ（２０）から絶縁されていることを特徴とする、請求項７に記載のターボ機械。
9. 環状ロータ（１２）および環状ステータ（１４）が、ターボ機械の高圧本体に属することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のターボ機械。

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