JP2013530348A - トルク計を用いた測定によるフリータービンの過速度の検出 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの圧縮機（１）、燃焼室（３）、および少なくとも１つの結合式タービン（４）を含むガス発生器と、前記燃焼室内に噴射される燃料を制御するためのシステムとを備えるタービンエンジンのフリータービン（６）の過速度に対して保護するための装置であって、前記発生器によって生成されたガスは、前記フリータービン（６）に送られ、前記装置は、前記フリータービンに機械的に結合された出力シャフト（８、１１）によって支持された少なくとも１つのトルク測定手段（１２）と、トルクが降下して設定値を下回ることが検出された場合に噴射される燃料の流量を低減する命令をタービンエンジンの制御システムに伝達することができる信号処理ユニットとを備え、前記低減を始動させるために使用されるトルクの測定が、前記出力シャフト（８、１１）の回転の分数に対応する回転中実施される、装置に関する。

Description

本発明の分野は、ターボ機械、より詳細にはタービンエンジンのフリータービンに安全保護対策を施す分野である。

タービンエンジンは、一般的に、航空機の推進、特にヘリコプタの推進および上昇に使用されている。これらのエンジンは、とりわけ、駆動シャフトに沿って、１つまたは複数の圧縮機と、シャフトを取り囲む環状燃焼室と、駆動シャフトを介して１つの圧縮機または複数の圧縮機を駆動する、結合式タービンと称される１つまたは複数のタービンとからなるガス発生器を備える。この発生器を離れたガスは、次いで、発生器の駆動シャフトから離れた動力シャフトに結合され、かつ推進および／または上昇に有用な動力を供給する、フリータービンと称されるタービンインペラ上に向けられる。室およびフリータービンを含む、燃焼室の下流側の構成要素のすべては、高温部と称され、他の部分は、対照的に低温であると考えられる。

タービンエンジンを設計するとき、フリータービンシャフトの破損のリスクに対して十分な配慮を与えることが適切であるが、その理由は、そのような事象が発生したとき、ガスによってタービンに供給された動力は、もはや、このシャフトによって駆動される装置によって吸収されず、フリータービンの回転速度が急激に上がるためである。そのような過速度により、すぐに翼は破損し、および／またはタービンディスクから外れる。これらの翼は、遠心力によって外向きに激しく投げ出され、タービンを取り囲むケーシングを通り抜けることもあり、それによって極めて重大なエンジン損傷を引き起こし、場合によっては航空機およびその乗客を危険にさらす。

したがって、航空機エンジンの設計者は、そのような過速度の影響を防止することを余儀なくされる。必要とされる保護を与える１つの一般的な方法は、タービン回りに、外れるすべての翼のエネルギーを吸収し、翼をエンジン内に含むことができる保持リングを取り付けることである。そのような装置は、当然ながら、かなりかさばるものである。

タービンインペラの回転速度を感知するための１つまたは複数のセンサと、過速度が発生し始めるとき、噴射される燃料の流れを低減または断ち切るためにガス発生器の調節に作用する、信号処理ユニットまたは任意の他のプログラム可能な論理システムとを用いた、過速度検出装置が評価されている。保持リングを有さないエンジンに適用されたとき、この装置は、エンジン内部のシャフトの破損に対応する必要がある。その欠点は、センサが、そのためにフリータービンに最接近して、すなわち温度が特に高い空間内に配置される必要があることである。これは、シャフトの破損がフリータービンと速度センサが配置された地点との間に起こった場合、この破損をセンサが検出しないため、速度センサをフリータービンとは反対側のシャフトの端部に配置することは不可能であるためである。これらのセンサを高温空間内に設置することに伴う問題が特に複雑であるという事実に加えて、センサは、信頼性の要求が非常に高い機能には好ましくない経験環境条件を使用していた。作動環境は、センサの信頼性またはセンサの寿命にとっては好ましいものではないため、安全機能の利用可能性に関する問題が、センサの信頼性が不十分であるために生じ得る。

ターボ機械のタービンによって適用されたトルクを測定することによって作動する過速度検出装置が、たとえば米国特許第２９１２８２２号明細書または米国特許第５３６３３１７号明細書、さらには本出願人の仏国特許第２９３１５５２号明細書から知られている。これらの装置は、トルク測定のための機械的装置であって、その反応時間が、明記されていないが、使用されている技術のために比較的長いものである、装置、または速度測定を使用する装置を説明しているという欠点を有する。これらは、フリータービンの過速度を検出するには良好に適合されておらず、検出が極めて短い期限内で行われなかった場合、フリータービンが駆動するシャフトが破損した場合に爆発的な暴走を経験する。

ヘリコプタエンジンのフリータービンにおける過速度を検出するためのシステムは、本質的に、３つのタイプの事象に対応することが必要である：
エンジンが、必要とされる動力を超過した動力を抑制することなく送出するような、エンジンの暴走、
エンジンとヘリコプタの伝動機構の結合部の、エンジン外部の破損、
フリータービンと出力シャフトの間の結合部の、エンジン内部の破損。エンジン内部のシャフト破損は、フリータービンとトルク計の間の破損、さらに、トルク計シャフト自体の破損も意味すると理解されるものである。

最初の２つのシナリオは、一般的には、出力シャフトの速度を直接的に監視することによって対処され得る。それとは反対に、３番目は、測定手段を高温部に設置しなければ、対処され得ない。

米国特許第２９１２８２２号明細書 米国特許第５３６３３１７号明細書 仏国特許第２９３１５５２号明細書

本発明の目的は、フリータービンのシャフトが破損した場合のフリータービン用の過速度防止装置であって、従来技術のいくつかの欠点を有さず、そのような事態が発生したときに、ガス発生器内に噴射される燃料の流れを非常に迅速に低減することを可能にする装置を提案することによってこれらの欠点を軽減することである。

この目的を達成するために、本発明の１つの主題は、少なくとも１つの圧縮機、燃焼室、および少なくとも１つの結合式タービンを備えるガス発生器と、前記燃焼室内に噴射される燃料の量を調節するためのシステムとを備えるタービンエンジンのフリータービン用の過速度保護装置にして、前記発生器からのガスが前記フリータービン上に向けられ、前記装置が、前記フリータービンに機械的に結合された出力シャフトによって支持された少なくとも１つのトルク測定手段と、トルクが降下して第１の基準値を下回ったことが検出された場合、噴出された燃料の流れを低減する指令を、タービンエンジン調節システムに伝達することができる信号処理ユニットとを備える、装置であって、前記低減を始動させるために使用されるトルク測定値が、前記出力シャフトの回転の分数に対応する回転中に行われることを特徴とする、保護装置である。

シャフトの速度および伝達されたトルクを同時に決定することを可能にする信号を送出し、極めて迅速な応答時間を特徴とするトルク計装置の使用は、タービンエンジン内部のシャフト破損がほとんど瞬時に検出され得、それにより、調節システムが、フリータービンが極めて高い回転速度に到達する前に介入できることを意味する。この場合、トルク計はまた、シャフト速度を測定するために使用され得ることも留意され得る。

有利には、測定手段は、ホニックホィールトルク計であり、回転の分数は、前記ホニックホィールの２つの連続する歯の間に含まれたセクタによって規定される。

第１の実施形態では、前記トルク測定値は、回転の新しい分数ごとに更新される。したがってトルク力学に関する情報が極めて迅速に得られ、これは、エンジンの高速度に基づいた過速度の検出に適合される。

有利には、流れの低減は、トルク値が、第１の所定の時間間隔内で降下して、第１の基準値を下回る場合にのみ始動される。

さらにより有利には、第１の時間間隔は、５ｍｓ以下である。

好ましくは、この第１の実施形態では、前記処理ユニットは、測定された動力が、最大取り出し動力の約５０％以上になる場合にのみ、流れの前記低減を始動させる。

第２の実施形態では、前記トルク測定値は、少なくとも１回転にわたる前記出力シャフトの回転中に記録された値に対する移動平均によって得られる。１回転または整数回転にわたって平均化され得るこの平均化情報は、エンジンの中速度を用いて過速度を検出することに適合される。

有利には、流れの低減は、トルク値が、第２の所定の時間間隔内で降下して、第２の基準値を下回る場合にのみ始動される。

さらにより有利には、第２の時間間隔は、１０ｍｓ以下である。

好ましくは、前記処理ユニットは、この第２の実施形態において、測定された動力が、最大取り出し動力の約２５％から５０％の間に含まれる場合にのみ、流れの前記低減を始動させる。

別の実施形態では、前記処理ユニットは、さらに、測定された動力が最大取り出し動力の約２５％未満であり、瞬時のトルク測定値が降下して第３の基準値を下回る場合に流れの低減を始動させ、前記基準値は、ガス発生器の速度によって決まる。

有利には、トルク測定手段は、非組み合わせ歯を備えた２つのホニックホィールトルク計を備え、前記処理ユニットはまた、２つのホニックホィール間の速度の相違が検出された場合に流れの低減を始動させる。

本発明はまた、出力シャフト上で測定されたトルクが降下して基準値を下回ったことを検出した場合に流れを低減する指令を、本明細書の上記で説明されたような装置を装備したタービンエンジンを調節するためのシステムに伝達することができる、信号処理ユニットまたはプログラム可能な論理システムを含む算出ボックスにも関する。最後に、本発明は、本明細書の上記で説明されたようなフリータービン用の過速度保護装置を備えるタービンエンジンに関する。

本発明は、添付の概略図を参照して与えられた、本発明が具現化される方法に関する完全に例示的かつ非限定的な１つの例の以下に続く一連の詳細な説明において、より良好に理解され、その目的、詳細、特徴、および利点がより明確に明らかになるであろう。

本発明によるトルク計が取り付けられた、減速ギアを有する、フリータービンのタービンエンジンの概略断面図である。 本発明によるトルク計が取り付けられた、減速ギアを有さない、フリータービンのタービンエンジンの概略断面図である。 タービンエンジンの出力動力シャフト上で測定されたトルクが、タービンエンジンの高動力時、フリータービンのシャフトが破損したときにどのように回転するかを、本発明による第１の測定方法を用いて時間の関数として示す概略図である。 タービンエンジンの動力出力シャフト上で測定されたトルクが、タービンエンジンが中動力で作動時、フリータービンのシャフトが破損したときにどのように回転するかを、本発明による第２の測定方法を用いて時間の関数として示す概略図である。

圧縮機１と、ガスが結合式タービン４内にそこから噴出される燃焼室３とを従来の方法で備えるタービンエンジンを示す図１に参照がなされる。結合式タービンは、駆動シャフトとして知られているシャフト７によって圧縮機に堅固に連結される。結合式タービンの出口側では、ガスは、動力シャフト８が装着されたフリータービン６上に向けられ、この動力シャフトは、駆動シャフト７を通り抜けることによってタービンエンジンの上流側に向かって延びている。

図１に示された例では、動力シャフト８はギアボックス内に入り、ここでこのシャフトは、専用の駆動シャフトを介して、またヘリコプタの示された例では、出力シャフト１１と称されるヘリコプタの伝動機構駆動シャフトが出現する、エンジン内に組み込まれた減速ギアモジュール１０を介して、さまざまな補機を駆動する。

この出力シャフト１１上に装着されるのは、図１で概略的に示されたトルク計１２であり、このトルク計は、フリータービン６によってこの出力シャフト１１に伝達されたトルクの大きさを常に測定している。トルク計は、算出ボックス（図示されず）内に装着され、動力シャフト８が破損した場合に、測定されたトルクに基づいて警報を発するよう意図された信号処理ユニットに結合される。トルク計は、従来のひずみ計式のトルク計でよく、または好ましくは、出力シャフト１１の捩じり可撓性である部分の各側に１つずつ配置された２つのホニックホィール間に存在する位相シフトを測定することによって作動するトルク計でよい。そのようなトルク計は、組み合わせ歯を有し、１つだけのホニックホィールを備えるものとして示されるタイプ、あるいは非組み合わせ歯を備え、捩じり変形を受けることができるシャフト（トルク計シャフトと称される）の部分の２つの端部に配置された２つのホニックホィールを有するタイプのトルク計でよい。図示されるように、トルク計１２は、組み合わせ歯を有し、出力ピニオンと称されるピニオンの領域内で出力シャフト１１上に配置され、動力シャフト８は、このピニオンを介して出力シャフト１１を駆動する。

図２は、本発明が、減速ギアを備えず、トルク計が動力シャフト８上に直接的に装着されたエンジンに適用された、図１に類似する形態を示す。図１のものと同一である要素は、同じ参照番号が付与され、新たには説明されない。

図３および４は、実線で、動力シャフト８が破損したときにトルク計１２によって測定されたトルクの、時間の関数としての回転を表す。図３では、ガス発生器は、破損する前、最大取り出し動力（ＭＴＯＰ）に近い、高動力点にある。図４では、ガス発生器は、破損する前、最大動力ＭＴＯＰの２５から５０％の間の中間動力にある。図はまた、タービンエンジン調節コンピュータで利用可能である、トルク値を示す曲線状の点線を示している。これらの値は、パイロットに与えられるエンジン作動情報のために、またタービンエンジンを調節するために使用されるが、シャフト破損を検出するには使用不可能であり、正確性を追い求めることにより、統合およびフィルタリングにかけられる時間のために実際にはより遅い測定ダイナミックを招く。これらの値は、動力シャフト８の破損の検出に使用可能になるほど十分な速さで減少しないことが見られ得る。

図３では、実線の曲線は、２つのホニックホィール上の３つの連続する歯の通過時に行われた位相シフト測定の詳細な解釈であり、４個の歯を各々が備えたホニックホィールのこの例では、４分の１回転によるシャフトの回転に対応する。３つの連続する歯を測定することは、行われ得る最速の測定であることが留意されよう。測定が行われる回転の分数は、２つのホニックホィールのうち１つの２つの連続する歯間の角度セクタによってここでは規定される。図４では、実線で引かれた曲線は、今回は、シャフトの全回転にわたる移動平均として行われた測定の詳細な解釈を示しており、この測定は、４分の１回転ごとに更新される。

図３の例では、測定されたトルクは、非常に突然に減少し、４分の１回転にわたって測定されたその値は、約５ｍｓ後には最小値に到達することが留意され得る。測定された値は、次いで、この最小値辺りで変動し、このときリップルの緩和は、トルク計１２にさらに固定されたシャフトラインの捩じり応答に対応する。５ｍｓのこの値は、動力シャフト８の破損後にエンジンに安全保護対策を施すための装置に対する応答時間の要件に適合するほど十分小さいものである。情報は次いで、噴射される燃料の量をタービンエンジン調節システムに敏速に低減させるために、その目的の特別な処理ユニットを介して、タービンエンジン調節システムに送られる。フリータービンに伝達された動力のほぼ瞬時の低減により、フリータービンが顕著な過速度を発生させることが防止される。破損後に到達した最大回転速度は抑制されたままであるため、翼の機械的完全性は、その付属製品の簡単な工学的設計によって、またはこれがうまくいかない場合は、ほんのわずかの重量の保持リングを用いて保証され得る。

図４からは、最小値に到達するトルク測定にかかる時間は約１０ｍｓであることが見られ得る。また、第１の最小レベルに到達した後のリップルのレベルは、図３に観察されたものより顕著に小さい、相対的振幅のものであることも見られ得る。測定されたリップルの振幅と、トルクがシャフト破損後にその第１の最小値に到達するために低減される量との比は、後者の場合、前述のシナリオと比較してかなり小さい。したがって検出時間はより長くなるが、これは中動力で適用されるために完全に許容される。

これらの観察事項に照らして、本発明は、高動力時（論理上、ＭＴＯＰの５０％を上回ると考えられるが、この値は必須ではない）におけるタービンエンジン作動と、中間値（ＭＴＯＰの２５から５０％の間）における作動との間の相違を引き出して、シャフト破損を検出するための規則を定義する。

第１のシナリオでは、破損の検出が課された装置は、測定値を引き出すことを可能にする回転の最小分数にわたって測定を行い、トルクの変化を監視する。破損が判断されたとき、タービンエンジンがこの高動力に合わせてさらに調節された状態で、測定されたトルクは、所与の時間窓において降下して所定の閾値を下回っている。この検出閾値は、適切なマージンを有して、信頼高い検出が得られ得る開始値から十分に遠い値に、かつ緩和リップルの効果に関連付けられた妨害を回避するのに十分な近さの値で設定される。

エンジンの中速度のシナリオでは、第１の最小値が到達した後に観察されるトルク値の反発で生じる相違が小さすぎるため、同じ規則および同じ測定方法が使用された場合に信頼高い検出閾値を規定することは不可能である。その理由のため、エンジンの中速度における作動では、本発明は、シャフトの１回転にわたる移動測定を用いて、記録された値の平均に基づいて算出されたトルク値を使用し、この測定された値は、回転の新しい分数ごとに更新され、したがって新しい位相シフト情報を得ることを可能にする。この場合、反発はこれまでより小さい程度のものであるため、誤った警報を発することなく破損が実際に起こっていることを保証する検出閾値を、前述のシナリオのように規定することが可能である。

高動力において使用される方法の代わりにこの方法を用いた結果、閾値は、前述のシナリオより遅く（５ｍｓではなく１０ｍｓ）到達する。しかしながら、そのようなシナリオに含まれる動力は、より小さいものであり、破損後のフリータービンの角加速度も対応して小さい。続いて起こる過速は、このとき十分に抑制され、タービンの機械的完全性は、破損の検出がこうしてわずかに遅れたにも関わらず保証されたままである。

また、たとえば、ガス発生器の回転速度の関数として、正常作動において、出力シャフト１１に適用された最小トルクを示す論理上ほぼ線形である理論的法則を確立し、次いで、この曲線を使用して、破損検出閾値を形成するために許容可能なマージンによって下方向にオフセットした曲線を規定することによって、より低速のエンジン（ＭＴＯＰの２５％を下回る）に関する監視を使用可能とすることも可能である。測定されたトルクが降下してこの閾値を下回る場合、破損が生じており、警報信号が、噴射燃料の量を低減させるようにガス発生器を調節するコンピュータに送られる必要がある。

そのような方法は、高動力および中動力において説明された方法で観察されたものより長い遅延が、警報始動算出プログラムに導入されることを必然的に招く。しかしながら、ここでも、開始動力が低いため、フリータービンが到達する過速度は非常に限定され、その機械的完全性を保証するために別の形でとられる対策にさらに匹敵するものである。

代替策として、本明細書の上記で説明されたトルクレベル閾値を、破損前値からのトルクの減少こう配における閾値に置き換えることも可能である。

本発明の１つの特定の実施形態では、採用されたトルク計１２は、２つのホニックホィールおよび非組み合わせ歯を備えたトルク計であり、各ホィールは、トルク計シャフトの端部に固定されている。この代替策の形では、トルク計シャフト自体の破損の検出もまた、２つのホニックホィール間の速度の相違を検出することによってもたらされる。

本発明は、１つの特定の実施形態に関連付けて説明されてきたが、本発明の範囲内に含まれる、説明された手段のすべての技術的等価物およびその組合せを本発明が包含することは極めて明らかである。

Claims (14)

1. 少なくとも１つの圧縮機（１）、燃焼室（３）、および少なくとも１つの結合式タービン（４）を備えるガス発生器と、前記燃焼室内に噴射される燃料の量を調節するためのシステムとを備えるタービンエンジンのフリータービン（６）用の過速度保護装置にして、前記発生器からのガスが前記フリータービン（６）上に向けられ、前記装置が、前記フリータービンに機械的に結合された出力シャフト（８、１１）によって支持された少なくとも１つのトルク測定手段（１２）と、トルクが降下して第１の基準値を下回ったことが検出された場合、噴出される燃料の流れを低減する指令を、タービンエンジン調節システムに伝達することができる信号処理ユニットとを備える、装置であって、
   前記低減を始動させるために使用されるトルク測定が、前記出力シャフト（８、１１）の回転の分数に対応する回転中に行われることを特徴とする、保護装置。
2. 測定手段が、ホニックホィールトルク計（１２）であり、回転の分数は、前記２つのホニックホィールの１つの２つの連続する歯の間に含まれたセクタによって規定される、請求項１に記載の保護装置。
3. 前記トルク測定値が、回転の新しい分数ごとに更新される、請求項１および２のいずれか一項に記載の保護装置。
4. 流れの低減が、トルク値が、第１の所定の時間間隔内で降下して、第１の基準値を下回る場合にのみ始動される、請求項３に記載の保護装置。
5. 第１の時間間隔が、５ｍｓ以下である、請求項４に記載の装置。
6. 前記処理ユニットが、測定された動力が、最大取り出し動力の約５０％以上になる場合にのみ、流れの前記低減を始動させる、請求項３から５のいずれか一項に記載の保護装置。
7. 前記トルク測定値が、少なくとも１回転にわたる前記出力シャフト（８、１１）の回転中に記録された値に対する移動平均によって得られる、請求項１および２のいずれか一項に記載の保護装置。
8. 流れの低減が、トルク値が、第２の所定の時間間隔内で降下して、第２の基準値を下回る場合にのみ始動される、請求項７に記載の保護装置。
9. 第２の時間間隔が、１０ｍｓ以下である、請求項８に記載の装置。
10. 前記処理ユニットが、測定された動力が、最大取り出し動力の約２５％から５０％の間に含まれる場合にのみ、流れの低減を始動させる、請求項７から９までのいずれか一項に記載の保護装置。
11. 前記処理ユニットが、さらに、測定された動力が最大取り出し動力の約２５％未満であり、瞬時のトルク測定値が降下して第３の基準値を下回る場合に流れの低減を始動させ、前記基準値は、ガス発生器の回転速度によって決まる、請求項７から１０までのいずれか一項に記載の保護装置。
12. トルク測定手段が、非組み合わせ歯を備えたホニックホィールトルク計（１２）を備え、前記処理ユニットはまた、２つのホニックホィール間の速度の相違が検出された場合に流れの低減を始動させる、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の保護装置。
13. 出力シャフト（８、１１）上で測定されたトルクが降下して基準値を下回ったことを検出した場合に、流れを低減する指令を、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の装置を装備したタービンエンジンを調節するためのシステムに伝達することができる、信号処理ユニットを含む算出ボックス。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項に記載のフリータービン（６）用の過速度保護装置を備えるタービンエンジン。

Images