JP2015500933A - 非接触作動による回転機械システム - Google Patents

Abstract

本発明は、構造要素（１４）に対してその主軸を中心に回転可能に実装されたシャフト（１２）と、主軸（Ａ）を中心に一緒に回転するためにシャフト（１２）に固定されるように、およびシャフト（１２）に対して選択的に運動するのに適するように、シャフト（１２）上に実装された可動部材（１６）と、構造要素（１４）上に実装された第一固定部分（２０）およびシャフト（１２）上に実装されて可動部材（１６）に接続された第二可動部分（２２）を含む、シャフト（１２）に対して可動部材（１６）を動かすための駆動手段（１８）と、を含み、駆動手段（１８）は、第一部分（２０）と第二部分（２２）との間の空隙電気機械アクチュエータからなることを特徴とする、機械システム（１０）に関する。

Description

本発明は、可動シャフトに対して運動するのに適している、可動シャフト上に実装された部材を含む回転機械システムに関する。

電気機械システムは、１つの部品が可動シャフトに対して移動可能な無摩擦駆動装置を含み、このため駆動装置の耐用年数は、可動部の間の摩擦を低減することによって向上する。

たとえば可変ブレードピッチアライメント機構を含むタービンエンジンなどの回転機械システムにおいて、ブレードは、その主軸を中心に回転可能に実装されたシャフトによって担持されている。

各ブレードは、ブレードピッチを変更するために、主要シャフト軸に対して半径方向軸を中心にシャフトに対してさらに移動可能に実装されている。

ブレードは、ブレードに接続されて、１つの部品がタービンエンジンの構造要素上に実装されている、駆動システムによって回転させられる。

実施形態の周知の例によれば、ブレードを駆動する手段は、回転シール油圧システムまたは電子システムの回転接触電気装置からなる。

このような実施形態は、互いに接触している多数の可動要素を含む。これは、部品摩耗および著しい発熱を招く。このように、機械システムはまた、これらの部品の加熱および摩耗を制限するための冷却および潤滑手段も含む。また、時々機械システムの定期的な保守作業を実施する必要がある。

本発明の目的は、可動要素の間の摩擦を制限するように、シャフトに対してブレードを動かす手段が実現される、機械システムを提供することである。

本発明は、
構造要素に対してその主軸を中心に回転可能に実装されたシャフトと、
主軸を中心に一緒に回転するためにシャフトに固定されるように、およびシャフトに対して選択的に運動するのに適するように、シャフト上に実装された可動部材と、
構造要素上に実装された第一固定部分およびシャフト上に実装されて可動部材に接続された第二可動部分を含む、シャフトに対して可動部材を動かすための駆動手段と、を含み、
駆動手段は第一部分と第二部分との間の空隙電気機械アクチュエータからなることを特徴とする、機械システムに関する。

アクチュエータの２つの部分の間の空隙は、構造要素に接続された要素と構造要素に対して移動可能な要素との間のいかなる接触も排除できるようにし、こうして摩擦を低減する。

好ましくは、駆動手段は半径方向磁場空隙電気機械アクチュエータからなる。

好ましくは、駆動手段は軸方向磁場空隙電気機械アクチュエータからなる。

好ましくは、駆動手段の第二部分は、シャフトと同軸に回転可能に実装されており、シャフトの主軸を中心に回転可能に案内する手段によってシャフトに接続されている。

好ましくは、機械システムは、第二部分に接続された運動入力部材を含む、シャフトに対する第二部分の回転運動をシャフトに対する可動部材の運動に変換する手段を含み、前記運動入力部材は、可動部材の運動の間、シャフトに対して選択的に回転可能である。

好ましくは、機械システムは、シャフトの回転速度に応じて、第一部分に対する駆動手段の第二部分の回転速度を制御するために駆動手段を制御する手段を含む。

好ましくは、制御手段は、シャフトに対して可動部材を動かすためにシャフトを中心に運動入力部材の回転を生じるように、実現される。

好ましくは、可動部材は、主軸に対して半径方向配向を有する副軸（Ｂ）を中心にシャフトに対して回転可能に実装されており、前記副軸（Ｂ）は、主軸を中心に一緒に回転するようにシャフトに固定されている。

本発明はまた、上記請求項のいずれかに記載の機械システムを含み、可動部材は可変配向ブレードからなることを特徴とする、航空機タービンエンジンにも関する。

好ましくは、タービンエンジンは、シャフトの主軸を中心に分布する複数のブレードを含む。

本発明による機械システムの模式図である。 変換運動のための手段の第二の実施形態を示す、図１と類似の図である。 駆動手段が磁石非同期または非同期モータからなる、本発明による機械システムの詳細な模式図である。 駆動手段が界磁コイル同期モータからなる、図３と類似の図である。 駆動手段が軸方向空隙同期モータからなる、図３と類似の図である。

図面は、タービンエンジンの構造要素１４と関連して、その主軸Ａを中心に回転可能なシャフト１２を含むタービンエンジンロータなどの機械システム１０を示す。構造要素は同様にタービンエンジンに固定されてもよく、あるいはタービンエンジン内で移動可能であってもよい。明確さのため、構造要素１４は、シャフト１２に対して固定されていると見なされる。

シャフトは、主軸Ａに対してシャフト１２を中心に均等に分布し、主軸Ａを中心に構造要素１４に対して一緒に回転するためにシャフト１２に固定されている、複数のブレード１６を担持する。

機械システム１０は、システムをタービンエンジンの運転条件に適合させるためにブレード１６のピッチを設定する手段を含む。

このように、各ブレード１６は主軸Ａに対して半径方向の主配向を有する副軸Ｂを中心に、シャフト１２に対して移動可能に実装される。各副軸Ｂは結合するブレード１６の主軸であり、したがってこれは主軸Ａを中心に一緒に回転するためにシャフト１２に固定されている。

ブレード１６のピッチを設定する手段は、結合する副軸Ｂを中心に各ブレード１６を回転させるための駆動手段１８を含む。

駆動手段は基本的に、構造要素１４に取り付けられた第一固定部分２０と、各ブレード１６に接続された第二可動部分２２とを含む。

第二部分は、主軸Ａを中心に構造要素１４に対して回転可能に実装されている。

本明細書において、第一部分２０および第二部分２２は、シャフト１２と同軸であり、シャフト１２上で半径方向に重ねられた２つの回転要素からなる。

駆動手段１８は、空隙電気機械アクチュエータからなる。これは、固定部分２０と可動部分２２との間に空隙が存在することを意味する。

このように、固定部分２０と可動部分との間には機械的接触がない。

可動部分２２は、２つの部分２０、２２の間の接触を必要としない電磁力によって、固定部分２０に対して回転させられる。

図３に示される第一の実施形態によれば、駆動手段１８は、永久磁石同期モータからなる。

この実施形態によれば、可動部分２２は１つまたは複数の永久磁石（図示せず）を担持し、固定部分２０は、永久磁石を担持する可動部分の回転を誘発する電磁場を発生する手段を含む。

図４に示される第二の実施形態によれば、駆動手段１８は、界磁コイル同期モータからなる。

この実施形態によれば、可動部分２２は、１つまたは複数の電磁石として機能するように電流が印加される、１つまたは複数の巻線を担持する。

本発明によれば、固定部分２０と可動部分２２との間のいかなる電気的接触も排除するために、可動部分２２は、やはり非接触タイプである電流誘導システム２４によって、動力供給される。

さらなる実施形態によれば、駆動手段１８は、非同期モータからなる。

機械システム１０の運転中、シャフト１２および可動部分２２はいずれも主軸Ａを中心に回転する。

機械システム１０は、ブレード１６の運動を可能にするために、第二部分２２がシャフト１２の回転速度とは異なる速度で回転するのに適するように、実現される。

加えて、第二部分２２と第一部分２０との間、より一般的には第二部分２２と構造要素１４との間には接触がないので、第二部分２２は、主軸Ａを中心にシャフト１２に対して第二部分２２を回転可能に案内する手段である、第二部分２２をシャフト１２に連結する手段２６によって、主シャフトＡを中心に回転可能に案内される。

図１および図２に見られるように、駆動手段１８の第二部分２２は、運動変換手段２８を介してブレード１６にさらに接続されている。

運動変換手段２８は、主軸Ａを中心に一緒に回転するためにシャフト１２に固定されるように、シャフト１２上に実装されている。運動変換手段２８は、駆動手段１８の第二部分２２に接続された運動入力部材３６を含む。運動変換部材３６は、主軸Ａを中心の駆動手段１８の第二部分２２の回転速度に応じて、シャフト１２を中心に選択的に回転するのに適している。

運動変換手段２８は、運動入力部材３６がシャフト１２に対して回転するときに、各ブレード１６が結合する副軸Ｂを中心に回転するように、実現される。

図１に示される実施形態によれば、運動変換手段２８は、傘歯車結合３２を含むタイプである。

図２に示される実施形態によれば、運動変換手段２８は、クランクシャフトシステム３４を含むタイプである。

本明細書において、運動入力部材３６は、主軸Ａを中心の第二部分２２の回転速度に対する主軸Ａを中心の運動入力部材３６の回転速度を変更するための歯車システム３０を介して、駆動手段１８の第二部分２２に接続されている。

歯車システム３０の歯車比は、駆動手段１８を形成するアクチュエータのタイプに応じて、およびシャフト１２の回転速度範囲に応じて、第二部分２２の回転速度を低減または増加させるように、決定される。

代替実施形態によれば、駆動手段１８の第二部分２２は、運動入力部材３６に直接接続されている。

駆動手段１８はまた、構造要素１４に対するシャフト１２の回転速度に応じて、および歯車システム３０の歯車比に応じて、構造要素１４に対する第二部分２２の回転速度を調整するように設計された、調整手段（図示せず）も含む。

調整手段は、ブレード１６の配向が変更される必要があるときに、シャフト１２に対する運動入力部材の回転を選択的に誘発するように、実現される。

実際、機械システム１０の運転中、およびブレード１６がシャフト１２に対して移動すべきではないとき、運動入力部材３６はシャフト１２に対して不動のままとなるべきであり、すなわちこれは構造要素１４に対してシャフト１２と同じ速度で回転する。

このように、構造要素１４に対する第二部分２２の回転速度は、構造要素１４に対する運動入力部材３６の回転速度が構造要素１４に対するシャフト１２の回転速度に等しくなるように、定義される。

しかしながら、ブレード１６の配向が変更されるとき、調整手段は、運動入力部材３６が各ブレード１６の角度位置の変更に相当する所定の角度だけシャフト１２に対して回転するように、特定の時間にわたって構造要素１４に対する第二部分２２の回転速度を変更する。

構造要素１４に対する第二部分２２の回転速度の変更は、第二部分２２の回転速度の増加、減少、または反転からなってもよい。

各ブレード１６の求められる角度位置が得られると、調整手段は、運動入力部材３６が構造要素１４に対してシャフト１２と同じ速度で回転するように、およびひいては運動入力部材３６がシャフト１２に対して不動となるように、構造要素１４に対する第二部分２２の回転速度を変更する。

駆動手段１８が永久磁石同期モータからなる非限定例として、固定部分２０における電源周波数は、主軸Ａに対するシャフト１２の回転速度を相殺するべきである。

したがって参照符号「Ｆ１２」は第一部分２０に対するシャフト１２の差分回転周波数であるとして定義される（たとえば１２００ｒｐｍの主軸Ａに対するシャフト１２の回転速度では、これは２０Ｈｚの周波数Ｆ１２に相当する）。

参照符号「ｐ」はまた、磁石同期モータの極の対の数であるとして定義される。

シャフト１２に対する第二部分２２の相対回転周波数「Ｆ２２」を得るためには、ｐ×（Ｆ１２＋Ｆ２２）の磁石同期モータの電源周波数が必要とされるだろう。

３つの極対および１０，２００ｒｐｍの最大駆動速度を有する磁石同期モータでは３×（２０Ｈｚ＋１７０Ｈｚ）＝５７０Ｈｚの最大電源周波数が得られる。

非同期モータを使用する場合には、電源はｐ×（Ｆ１２＋Ｆ２２＋Ｆｒ）の式で定義され、ここでＦｒは第二部分２２におけるロータ電流周波数である。

Ｆｒは、印加されるトルクおよび動作点に応じて変化する。

３つの極対および１２００ｒｐｍの最大駆動速度を有する非同期モータでは、たとえば定常条件下において、３×（２０Ｈｚ＋１７０Ｈｚ＋１０Ｈｚ）＝６００Ｈｚの最大電源周波数が得られる。

第二部分２２の回転速度は、ジャーキングを防止するために、連続的に変更されてもよいことは、理解されるだろう。

図１から図４に示される実施形態によれば、駆動手段１８は半径方向磁場空隙タイプであり、すなわち固定部分２０および可動部分２２は同軸であって、互いに対して半径方向にずれている。

本発明はこの実施形態に限定されないこと、ならびに駆動手段１８は、たとえば駆動手段が軸方向磁場空隙タイプである図５に示されるような、別のタイプであってもよいことは、理解されるだろう。

この実施形態によれば、固定部分２０および可動部分２２は、互いに対して軸方向にずれている。

さらなる実施形態（図示せず）によれば、駆動手段１８は、半径方向磁場空隙および軸方向磁場空隙を組み合わせたタイプである。

加えて、本発明は、副軸Ｂを中心に回転するタービンエンジンブレード１６に関連付けて記載されてきた。本発明がこの実施形態に限定されないこと、ならびに本発明が、第二軸Ｂに沿って並進的に、または副軸Ｂに対して並進と回転とを組み合わせた運動にしたがって、副軸Ｂに沿って移動可能に実装されたいずれの要素に関連してもよいことは、理解されるだろう。

Claims (9)

1. 構造要素（１４）に対してその主軸を中心に回転可能に実装されたシャフト（１２）と、
   主軸（Ａ）を中心に一緒に回転するためにシャフト（１２）に固定されるように、およびシャフト（１２）に対して選択的に運動するのに適するように、シャフト（１２）上に実装された可動部材（１６）と、
   構造要素（１４）上に実装された第一固定部分（２０）およびシャフト（１２）上に実装されて可動部材（１６）に接続された第二可動部分（２２）を含み、第一部分（２０）と第二部分（２２）との間の空隙電気機械アクチュエータからなる、シャフト（１２）に対して可動部材（１６）を動かすための駆動手段（１８）と、を含み、
   シャフト（１２）の回転速度に応じて、第一部分（２０）に対する駆動手段（１８）の第二部分（２２）の回転速度を制御するために駆動手段（１８）を制御する手段を含むことを特徴とする、機械システム（１０）。
2. 駆動手段（１８）が半径方向磁場空隙電気機械アクチュエータからなることを特徴とする、請求項１に記載の機械システム（１０）。
3. 駆動手段（１８）が軸方向磁場空隙電気機械アクチュエータからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の機械システム（１０）。
4. 駆動手段（１８）の第二部分（２２）が、シャフト（１２）と同軸に回転可能に実装されており、シャフト（１２）の主軸（Ａ）を中心に回転可能に案内する手段（２６）によってシャフト（１２）に接続されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の機械システム（１０）。
5. 第二部分（２２）に接続された運動入力部材（３６）を含む、シャフト（１２）に対する第二部分（２２）の回転運動をシャフト（１２）に対する可動部材（１６）の運動に変換する手段を含み、前記運動入力部材（３６）は、可動部材（１６）の運動の間、シャフト（１２）に対して選択的に回転可能であ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機械システム（１０）。
6. 制御手段が、シャフト（１２）に対して可動部材（１６）を動かすためにシャフト（１２）を中心に運動入力部材（３６）の回転を生じるように実現されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の機械システム（１０）。
7. 可動部材（１６）が、主軸（Ａ）に対して半径方向配向を有する副軸（Ｂ）を中心にシャフト（１２）に対して回転可能に実装されており、前記副軸（Ｂ）は主軸（Ａ）を中心に一緒に回転するようにシャフト（１２）に固定されてい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機械システム（１０）。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の機械システム（１０）を含み、可動部材（１６）は可変配向ブレードからなることを特徴とする、航空機タービンエンジン。
9. シャフト（１２）の主軸（Ａ）を中心に分布する複数のブレード（１６）を含むことを特徴とする、請求項８に記載のタービンエンジン。

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