JP2013511645A - 航空機用エンジンのタービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間の変速比を変更するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、航空機用エンジンのタービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間の変速比を変更するための装置であり、
始動発電機（２０）のシャフト（２２）によって担持される第１および第２の固定ギヤホイール（２３、２４）と、
タービンシャフトによって担持される第１および第２のアイドラーギヤホイール（１３、１４）であり、異なるギヤ比を規定するために第１および第２の固定ギヤホイールとそれぞれ噛み合うアイドラーギヤホイール（１３、１４）と、
アイドラーギヤホイールの間に配置され、タービンシャフトに機械的に結合される切換えスリーブ（５０）であり、２つの結合位置の間で前記タービンシャフト上で並進移動可能である切換えスリーブ（５０）と、
タービンシャフトと始動発電機シャフトとの間のトルクの和が符号を変化させる場合に、切換えスリーブを、その結合位置のいずれか一方から他方の結合位置へ自動的に並進移動させるための手段と
を備える装置を提供する。

Description

本発明は、ガスタービンの一般的な分野、およびより詳細には、始動発電機を制御することに関する。

本発明の適用分野は、飛行機またはヘリコプタ、およびまた、補助動力装置（ＡＰＵｓ）のためのエンジン用のガスタービンの分野である。

ガスタービンでは、装置のいくつかの部品、または補機が、タービンシャフトから取り出される機械的動力による機械式伝動装置によって駆動される。補機ギヤボックス（ＡＧＢ）と呼ばれるこの機械式伝動装置は、ケーシングに収容されかつ補機に機械的に結合される一組のギヤホイールを備える。これらのアクセスは、特に、油圧エネルギーを発生し、燃料を送給し、潤滑を行うためのさまざまなポンプ、およびある用途では、１つまたは複数の電気始動発電機（Ｓ／Ｇ）を備える。ＡＧＢを通して、Ｓ／Ｇの速度は、特に、ＡＧＢの歯車装置のラインのギヤ比に対応する比例係数にて、エンジンの動作速度に正比例する。

ガスタービンが動作している場合には、そのまたは各Ｓ／Ｇは、発電装置として動作し、航空機およびそのエンジン（複数可）用の１つまたは複数の電気配分センタに電力を供給する電圧を発生する。

ガスタービンが静止またはゆっくりと回転している場合には、Ｓ／Ｇは、ＡＧＢが接続されるタービンシャフトを回転することによってガスタービンを動作させるために外部エネルギー源から動力を供給されることによって、始動機として動作することができる。

Ｓ／Ｇを動作するための最適な機械的条件は、これが始動機として動作しているか、または発電機として動作しているかによって相反する。

所与の機械的動力について、Ｓ／Ｇが始動機として動作している場合には、Ｓ／Ｇのトルクを最小限にし、同時にまたエンジンを始動できるようになる充分なトルクを与えるために、高い回転速度を優先させることが望ましい。ギヤ比の変化がない場合に、始動機モードで高速を優先させる比を用いると、発電機モードで広範囲に及ぶ速度変化がもたらされ、それによって、航空機の電気ネットワークにこれを組み入れるのに不利となるようにＳ／Ｇの周波数範囲を増大させる。特に、（ある旅客機で通常容認できる、８００ヘルツ（Ｈｚ）よりも大きな）上限が、許容できない場合がある。

その結果として、タービンシャフトとＳ／Ｇとの間のギヤ比は、始動機としてのＳ／Ｇの動作と発電機としてのＳ／Ｇの動作との間の、使うのに便利な妥協点を与えるように選択される。ある旅客機では、始動機モードを損なうギヤ比を決定するのは発電機モードである。

仏国特許第２８９７８９５号明細書

この問題を解決するために、本出願人は、Ｓ／Ｇ制御システムついての特許出願番号仏国特許出願第０９／５４９８３号明細書で提案を行っており、その中では、ギヤボックスが、タービンシャフトとＳ／Ｇとの間に配置され、前記ギヤボックスのギヤ比は、Ｓ／Ｇの動作のモードに応じて変化される。それにもかかわらず、この種のシステムは、ギヤボックスのギヤ比の変化を制御するために追加されるべき装置を必要とする欠点を示す。

したがって、本発明の主な目的は、タービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間の変速比を変更するための装置を提案することによってこの種の欠点を軽減することであり、それは、その種の制御装置を用いることを必要としない。

上記の目的は、航空機用エンジンのタービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間の変速比を変更するための装置にして、
始動発電機のシャフトによって担持される第１および第２の固定ギヤホイールと、
タービンシャフトによって担持される第１および第２のアイドラーギヤホイールであり、異なるギヤ比を規定するために第１および第２の固定ギヤホイールとそれぞれ噛み合うアイドラーギヤホイールと、
アイドラーギヤホイールの間に配置され、タービンシャフトに機械的に結合される切換えスリーブであり、２つの結合位置、すなわちこれが第１のアイドラーギヤホイールと噛み合う位置と、これが第２のアイドラーギヤホイールと噛み合う反対の位置との間で前記タービンシャフト上で並進移動可能である切換えスリーブと
を備える装置であって、
タービンシャフトと始動発電機シャフトとの間のトルクの和が符号を変化させる場合に、切換えスリーブをその結合位置のいずれか一方から他方の結合位置へ自動的に並進移動させるための手段をさらに備えることを特徴とする、装置によって達成される。

切換えスリーブをその結合位置のうちの一方から他方へ並進移動させるために、本発明は、タービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間のトルクの和が符号を変化させる場合のエンジンの動作点を利用することに備える。これらの動作点は、始動発電機のシャフトが（タービンシャフトに対して）駆動から被駆動に、またその反対に変化するとき、すなわちエンジンが始動または停止されていながら始動発電機の動作の２つのモードの間の遷移中の瞬間に対応する。さらに、本発明の装置の変速比の変化は、自動的に生じる、すなわち、この動作を行うために（電気または油圧アクチュエータなどの）特別な制御装置の必要はない（比が変化する点は、始動発電機のトルクレベルによって制御され得る）。これは、信頼性があり、軽量で、かつ低コストの装置を生む。

切換えスリーブの側面のそれぞれが、ドグを担持し、各ドグは、
スリーブがその結合位置のうちの１つにある場合にアイドラーギヤホイールのうちの１つによって担持される歯の平面状のトルク伝動面に対して係合するための第１の平面と、
第１の平面と反対側の第２の平面であり、タービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間のトルクの和が符号を変化させる場合に、そのトルク伝動面と反対側のアイドラーギヤホイールのうちの１つの歯の平面状の結合解除面上を摺動することが意図される第２の平面と
を有することが有利である。

切換えスリーブのドグの第２の平面は、切換えスリーブの回転軸に実質的に平行であることができ、同時にアイドラーギヤホイールの歯の結合解除面は、前記スリーブの回転方向へ前記回転軸に対して傾斜され得る。

あるいは、アイドラーギヤホイールの歯の結合解除面は、切換えスリーブの回転軸に実質的に平行であることができ、同時に切換えスリーブのドグの第２の平面は、前記スリーブの回転方向へ前記回転軸に対して傾斜され得る。

さらに、特定の実施形態では、切換えスリーブのドグの第１の平面およびアイドラーギヤホイールの歯のトルク伝動面は、前記スリーブの回転方向へ切換えスリーブの回転軸に対して実質的に傾斜される。この傾斜角は、アイドラーギヤホイールに対してスリーブの保持を強める。

装置は、その結合位置において切換えスリーブを安定させるための手段をさらに含むことが有利である。

また、本発明は、タービンシャフトと、始動発電機と、上で規定したようにタービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間の変速比を変更するための装置とを含む航空機用エンジンを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、いかなる限定的な性質をも有さない実施形態を示す添付の図面を参照して行われる、次の説明から明らかになる。

本発明のタービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間の変速比を変更するための装置の機能図である。 本発明の変速比変更装置の動作原理を示す線図である。 本発明の変速比変更装置の動作原理を示す線図である。 本発明の変速比変更装置の動作原理を示す線図である。 本発明の変速比変更装置の動作原理を示す線図である。 図１の変速比変更装置の斜視部分図である。 本発明の他の実施形態の変速比変更装置の概略平面図である。

本発明は、たとえば飛行機またはヘリコプタなどの、航空機用の任意のタイプのガスタービンエンジンに適用される。

図１を参照して本明細書において説明される例では、より詳細には補機ギヤボックス１０（ＡＧＢ）を含む飛行機のタービンエンジンに注意が払われ、この補機ギヤボックス１０は、油圧エネルギーを発生し、燃料を送給し、潤滑を行うなど、および特に始動発電機２０（またはＳ／Ｇ）を駆動するためのさまざまなポンプのような、タービンの補機または補助装置を駆動するために使用される。

知られている方法では、ＡＧＢ１０は、動力伝動シャフト１１によって回転駆動される複数のギヤホイール（図示せず）を備え、そのシャフトは、タービンのシャフトに機械的に結合され、それによってタービンを始動できるようになる（通常、タービンエンジンの高圧シャフト）。

Ｓ／Ｇ２０、ならびにＳ／Ｇ２０の動作および調整の仕方は、それ自身知られており、本明細書において説明されない。例示として、仏国特許第２８９７８９５号明細書の説明に関する参照が行われ得る。

また、タービンエンジンは、タービンシャフトとＳ／Ｇ２０のシャフト２２との間の変速比を変更できるようにする本発明の装置３０を含んでいる。

その装置は、特に、ギヤホイールを担持する２つのシャフト、すなわちそれに固定される第１および第２の固定ギヤホイール２３、２４を担持するＳ／Ｇのシャフト２２と、遊んでおり、かつそれぞれ第１および第２の固定ギヤホイールと噛み合う第１および第２のアイドラーギヤホイール１３、１４を担持するＡＧＢのシャフト１２とを有するギヤボックス４０を備えている。

第１のギヤホイール１３、２３は、第２のギヤホイール１４、２４によって規定されるギヤ比ｋ２と異なるギヤ比ｋ１を規定している。

切換えスリーブ５０は、アイドラーギヤホイール１３とアイドラーギヤホイール１４との間に配置され、ＡＧＢのシャフト１２に機械的に結合される。この切換えスリーブは、２つの結合位置、すなわちこれが第１のアイドラーギヤホイール１３と噛み合う位置（図２Ａ）と、これが第２のアイドラーギヤホイール１４と噛み合う反対の位置（図２Ｄ）との間で（たとえば、図に示されていないフルーティングによって）このシャフト１２上で並進移動するのに適している。

このために、切換えスリーブ５０の側面のそれぞれは、その回転軸Ｘ−Ｘを中心に規則的に配置される複数のドグ５０２を含んでいる。同様に、アイドラーギヤホイール１３、１４のそれぞれの内側側面上に、アイドラーギヤホイール１３、１４は、これがその結合位置にある場合に切換えスリーブのドグ５０２と噛み合うための複数の歯１３２、１４２を有する。

より正確には、切換えスリーブ５０のドグ５０２のそれぞれは、互いに反対側の第１および第２の平面をもつ。

ドグの第１の平面５０４は、切換えスリーブがその結合位置にある場合にアイドラーギヤホイール１３、１４の対応する歯１３２、１４２のトルク伝動平面１３４、１４４に対して係合するように設計される。

駒の第１の平面５０４および歯のトルク伝動平面１３４、１４４は、（図１から図３に示されるように）切換えスリーブの回転軸Ｘ−Ｘに平行であることができ、さもなければ、これらは、（図４に示されるように）前記軸に対して実質的に傾斜され得る。この第２の形態では、図４に角度αによって概略的に示されるように面５０４、１３４、１４４の傾斜角は、切換えスリーブの回転方向Ｓに方向付けられ、約５°であることができる。この種の傾斜角は、アイドラーギヤホイールに対してスリーブの保持を促進する働きをする。

ドグ５０２の第２の平面５０６に関する限りでは、噛み合わされたアイドラーギヤホイール１３、１４が制動し、切換えスリーブ５０がそれに対して前進する場合には、前記第２の平面は、アイドラーギヤホイールの対応する歯１３２、１４２の平面の結合解除面１３６、１４６上を摺動するように設計され、これらの結合解除面は、歯のトルク伝動平面１３４、１４４と反対側にある。

この種の摺動を得るために、切換えスリーブのドグの第２の平面５０６は、切換えスリーブの回転軸Ｘ−Ｘに平行であることができ、同時にアイドラーギヤホイールの歯の結合解除面１３６、１４６は、その軸に対して傾斜される。図２Ｃに角度βで概略的に示されるこの傾斜角は、スリーブの回転方向Ｓに方向付けられ、約４５°から６０°の範囲にあることが好ましい。

もちろん、逆の配置が、同じ結果となることもでき、すなわち、示されていない実施形態では、アイドラーギヤホイールの歯の結合解除面は、切換えスリーブの回転軸に実質的に平行であり、同時に切換えスリーブのドグの第２の平面は、前記スリーブの回転方向と反対の方向に前記回転軸に対して傾斜される。

平面図でギヤボックスを示している図２Ａから図２Ｄを参照して、本発明の装置の動作の説明があとに続く。

タービンエンジンを始動させるための命令を作動させる以前は、切換えスリーブ５０は、図２Ａに概略的に示されるその第１の結合位置にある（第１のアイドラーギヤホイール１３と噛み合っている）。

命令が作動されると、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）は、これが始動機モードに変わるようにＳ／Ｇの励磁機を変更する。次いで、Ｓ／Ｇのシャフト２２は、（第１のギヤホイール１３と噛み合う切換えスリーブ５０によって）ＡＧＢのシャフト１２を回転駆動し、したがってタービンエンジンを始動させるためにタービンシャフトを駆動し、この噛み合いはギヤ比ｋ１で行われる。

いったんタービンエンジンが始動すると、タービンシャフト（およびしたがってＡＧＢのシャフト）は、速度を増す。ある段階で、ＡＧＢのシャフト１２とＳ／Ｇのシャフト２２との間のトルクの和が、符号を変える。（ＡＧＢのシャフトがＳ／Ｇのシャフトに対して駆動することになる）。この変化の結果として、（ＡＧＢのシャフト１２に結合される）切換えスリーブ５０は、（Ｓ／Ｇのシャフト２２に結合される）第１のアイドラーギヤホイール１３よりも早く回転する傾向があり、このことは、速度を落とす。これは、第１のアイドラーギヤホイール１３の歯１３２に対して切換えスリーブのドグ５０２の相対的な角度移動を生じさせ、その移動は、第１のアイドラーギヤホイールの回転方向Ｓに起こる。次いで、切換えスリーブのドグ５０２の第２の平面５０６は、第１のアイドラーギヤホイール１３の歯１３２の結合解除面１３６に当たり、第２の平面５０６は結合解除面１３６の上を摺動し、それによって、スリーブを、第２のアイドラーギヤホイール１４に向かって自動的に軸方向に並進移動させる（図２Ｂおよび図２Ｃ）。

その軸方向ストロークの終わりに、切換えスリーブは、図２Ｄに概略的に示されるその第２の結合位置にある（第２のギヤホイール１４および切換えスリーブ５０が噛み合う）。より正確には、切換えスリーブの他方の側面のドグ５０２の第１の平面５０４は、第２のアイドラーギヤホイール１４の対応する歯１４２のトルク伝動面１４４に対して当接するようになる。したがって、タービンシャフト（およびしたがって、ＡＧＢのシャフト１２）は、ギヤ比ｋ２によってＳ／Ｇのシャフト２２を回転駆動する。

もちろん、同一のプロセスの終わりに、切換えスリーブは、タービンシャフトとＳ／Ｇのシャフトとの間のトルクの和がもう一度符号を変えるとすぐに、図２Ａに示されるようにその第１の結合位置に復帰することができる。これは、特に、タービンエンジンが停止されながら起こり、そのプロセス中にＳ／ＧのシャフトがＡＧＢのシャフトに対して駆動することになる。

その結合位置のいずれか一方から他方の結合位置へのスリーブの切換えは自動的に起こることが上記のことから容易に理解され得る。アイドラーギヤホイールの歯の面および切換えスリーブのドグの面の特定の形状寸法により、タービンシャフトとＳ／Ｇのシャフトとの間のトルクの和が符号を変えるたびに、アイドラーギヤホイールの一方または他方に向かってスリーブを押し出すことができるようになる。

本発明の有利な特徴によれば、変速比変更装置は、その結合位置のそれぞれに切換えスリーブ５０を安定させるための手段６０をさらに含んでいる。

図１に示されるように、これらの手段６０は、静止構造物６２の内側を摺動するように取り付けられ、かつ切換えスリーブ５０の周囲に形成されるカム６４に当たるようになるヘッド６３を有する、ボールブッシュ６１の形態をとることができる。また、ボールブッシュは、構造物に固締されたその他端を有する戻しばね６５の端部に固締される。戻しばねは、ボールブッシュのヘッド６３をカム６４に対して絶えず圧迫するようにプリテンションが掛けられる。

さらに、切換えスリーブの周囲に形成されるカムは、２つの傾斜６６を有し、それぞれは、アイドラーギヤホイール１３、１４のそれぞれのものに向かって傾斜される。したがって、ボールブッシュのヘッドの２つの平衡位置だけが、切換えスリーブの２つの結合位置によって規定される。結果として、ボールブッシュの存在は、その結合位置に切換えスリーブを安定させる働きをする。また、ボールブッシュは、その結合位置のいずれか一方から他方へ位置を変えることを促進するために、スリーブを並進移動させることを容易にする。

Claims (9)

1. 航空機用エンジンのタービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間の変速比を変更するための装置にして、
   始動発電機（２０）のシャフト（２２）によって担持される第１および第２の固定ギヤホイール（２３、２４）と、
   タービンシャフトによって担持される第１および第２のアイドラーギヤホイール（１３、１４）であり、異なるギヤ比を規定するために第１および第２の固定ギヤホイールとそれぞれ噛み合うアイドラーギヤホイール（１３、１４）と、
   アイドラーギヤホイールの間に配置され、タービンシャフトに機械的に結合される切換えスリーブ（５０）であり、２つの結合位置、すなわちこれが第１のアイドラーギヤホイール（１３）と噛み合う位置と、これが第２のアイドラーギヤホイール（１４）と噛み合う反対の位置との間で前記タービンシャフト上で並進移動可能である切換えスリーブ（５０）と
   を備える装置であって、
   タービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間のトルクの和が符号を変化させる場合に、切換えスリーブをその結合位置のいずれか一方から他方の結合位置へ自動的に並進移動させるようにするための手段をさらに備えることを特徴とする、装置。
2. 切換えスリーブ（５０）の側面のそれぞれが、ドグ（５０２）を担持し、各ドグは、
   スリーブがその結合位置のうちの１つにある場合にアイドラーギヤホイール（１３、１４）のうちの１つによって担持される歯（１３２、１４２）の平面状のトルク伝動面（１３４、１４４）に対して係合するための第１の平面（５０４）と、
   第１の平面と反対側の第２の平面（５０６）であり、タービンシャフトと始動発電機のシャフトとの間のトルクの和が符号を変化させる場合に、そのトルク伝動面と反対側のアイドラーギヤホイールのうちの１つの歯の平面状の結合解除面（１３６、１４６）上を摺動することが意図される第２の平面（５０６）と
   を有する、請求項１に記載の装置。
3. 切換えスリーブのドグ（５０２）の第２の平面（５０６）が、切換えスリーブの回転軸（Ｘ−Ｘ）に実質的に平行であり、同時にアイドラーギヤホイールの歯（１３２、１４２）の結合解除面（１３６、１４６）が、前記スリーブの回転方向（Ｓ）へ前記回転軸に対して傾斜される、請求項２に記載の装置。
4. アイドラーギヤホイール（１３、１４）の歯（１３２、１４２）の結合解除面（１３６、１４６）が、切換えスリーブの回転軸（Ｘ−Ｘ）と角度（β）を形成し、その角度が４５°から６０°の範囲にある、請求項３に記載の装置。
5. アイドラーギヤホイール（１３、１４）の歯（１３２、１４２）の結合解除面（１３６、１４６）が、切換えスリーブの回転軸（Ｘ−Ｘ）に実質的に平行であり、同時に切換えスリーブのドグ（５０２）の第２の平面（５０６）が、前記スリーブの回転方向（Ｓ）へ前記回転軸に対して傾斜される、請求項２に記載の装置。
6. 切換えスリーブのドグ（５０２）の第１の平面（５０４）、およびアイドラーギヤホイールの歯（１３２、１４２）のトルク伝動面（１３４、１４４）が、前記スリーブの回転方向（Ｓ）へ切換えスリーブの回転軸（Ｘ−Ｘ）に対して実質的に傾斜される、請求項２から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 切換えスリーブのドグ（５０２）の第１の平面（５０４）、およびアイドラーギヤホイールの歯（１３２、１４２）のトルク伝動面（１３４、１４４）が、切換えスリーブの回転軸（Ｘ−Ｘ）と角度（α）を形成し、その角度が、約５°である、請求項６に記載の装置。
8. その結合位置において切換えスリーブ（５０）を安定させるための手段（６０）をさらに含む、請求項２から７のいずれか一項に記載の装置。
9. タービンシャフトと、始動発電機（２０）と、請求項１から８のいずれか一項に記載のタービンシャフトと始動発電機のシャフト（２２）との間の変速比を変更するための装置とを含む、航空機用エンジン。

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