JP5208688B2 - ターボ機械のシャフトの破損を検出するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に航空機用のターボ機械のシャフトの破損を検出するための装置に関する。本発明は、特にそのような検出を行うように構成された装置に関する。

ターボ機械は、圧縮機と、燃焼チャンバと、タービンとを備える。圧縮機は、燃焼チャンバに供給される空気の圧力を上昇させる働きをする。タービンは、燃焼チャンバから出る高温ガスから圧力エネルギの一部を取り出すことにより、またその圧力エネルギの一部を機械的エネルギに変換することにより、圧縮機に回転駆動を供給する働きをする。

圧縮機およびタービンは、ステータを構成する固定の第１のセットの部品と、ステータに対して回転するように設定されるのに適し、ロータを構成する第２のセットの部品とから構成される。

圧縮機のロータおよびタービンのロータは、回転シャフトにより確実に相互接続されるユニットを形成する。シャフトが破損した場合には、圧縮機のロータとタービンのロータとの間の機械的接続は絶たれる。そのような状況で、タービンのロータは突然、ロータにエネルギの一部を伝えることができずに、タービンのロータ自身で燃焼チャンバからのエネルギの全てを受けることになり、したがって、ロータは空転を始める。そのような空転または「過回転（ｏｖｅｒｓｐｅｅｄ）」の結果、危険を伴い、ターボ機械の自己破壊をかなり早めてしまう。

このような過回転を防ぐために、緊急にさまざまな処置が必要である。まず、燃料供給を止めてエネルギの供給を遮断し、次に、タービンロータが受ける動力を低減するように散逸させる必要がある。動力の散逸は、タービンロータおよび／またはタービンステータの変形、摩擦、破壊により達成することができる。タービンロータのエネルギを散逸する技術の例は、米国特許第４，４９８，２９１号明細書、４，５０３，６６７号明細書、４，５０５，１０４号明細書に記載されている。

緊急処置を効果的に行うために、シャフトが破損したことを出来る限り早急に検出し、緊急処置を行うことができる、特に燃料供給を遮断することができるターボ機械の部材に、早急にこの情報を転送することが必要である。

ターボ機械のシャフトの破損を検出する公知の１つの装置は、１組の速度センサを使用することにある。各センサはシャフトの上流側端部または下流側端部近くにそれぞれ配置されている。シャフトが無傷の場合、２つのセンサにより測定される速度は実際には同じである。上流側速度センサにより測定された圧縮機のロータの速度と、下流側速度センサにより測定されたタービンロータの速度との差が大きすぎると、速度比較器によって、シャフトが破損したと判断される。次に、比較器はタービンロータの過回転を避けるのに必要な緊急処置を開始することができる。シャフトの破損を検出するためのそのような装置の例は、英国特許第２，２５６，４８６号明細書および米国特許第６，４９４，０４６号明細書に記載されている。

それでも、タービンが燃焼チャンバのすぐ下流側に位置する場合、非常に高温に曝されるためタービン環境は厳しいので、速度センサをターボ機械のロータシャフトの下流側端部近くに埋め込むのは難しい。

さらに、複数の速度センサを使用することで、比較的複雑でターボ機械の総重量を増加させる検出装置となってしまう。重量低減は、航空機分野においては常時生じる課題であることは公知である。

米国特許第４，４９８，２９１号明細書 米国特許第４，５０３，６６７号明細書 米国特許第４，５０５，１０４号明細書 英国特許第２，２５６，４８６号明細書 米国特許第６，４９４，０４６号明細書

本発明の目的は、タービンの近くにセンサを設置する必要がなく、上述の問題を軽減することができる、ターボ機械のロータシャフトの破損を検出するための装置を提案することである。

この目的は、以下のようなターボ機械のシャフトの破損を検出するための装置を導入することで達成される。装置は、上流側端部および下流側端部を有するシャフトと、上流側端部および下流側端部を有し、シャフト内部でシャフトと同軸上に配置され、ロッドの下流側端部がシャフトの下流側端部に確実に締め付けられ、ロッドの上流側端部がシャフトの上流側端部に対して自由に回転できる、ロッドと、ロッドの上流側端部とシャフトの上流側端部との回転速度の差を検出するのに適したセンサとを備える。

シャフトが無傷の場合、ロッドは、シャフトの下流側端部に確実に締め付けられているロッドの下流側端部により、シャフトと同じ速度で回転駆動する。この回転がロッドの上流側端部およびシャフトの上流側端部に伝えられ、ロッドの上流側端部はシャフトと同じ速度で回転する。

シャフトが破損している場合には、ロッドはシャフトの下流側端部と同じ速度で回転駆動を続ける。シャフトの下流側端部の回転がシャフトの上流側端部に正確に伝えられなくなるので、ロッドの上流側端部とシャフトの上流側端部との間で位相シフトが生じる。シャフトの上流側端部に対するロッドの上流側端部の速度を測定するセンサがこの位相シフトを検出し、この位相シフトがシャフトの破損を示すものとして判断される。

有利には、ターボ機械のシャフトの破損を検出するための本発明の装置は、重量の低減を伴う。この装置は、ターボ機械のタービンの辺りにセンサを設置しなくてよい。シャフトの破損の検出をより良く制御するのに、タービン内のエネルギを散逸するための重い機械的手段を利用しなくてよい。

有利には、ターボ機械のシャフトの破損を検出するための本発明の装置は、２つのセンサを必要とする従来技術の装置とは違い、１つのセンサのみを必要とするので、より単純である。さらに、センサにより検出された信号を処理するための電子手段は、例えば、速度比較器の使用が必要でなくなるので、同様により単純化される。

添付図面を参照して、以下で本発明をより詳細に説明して、その他の特徴や利点をより明確に示す。

ターボ機械の概略図である。 本発明のシャフトの破損検出装置の下流側端部の断面図である。 本発明のシャフトの破損検出装置の上流側端部の断面図である。

図１は、ステータの一部を構成する固定ケーシング６、圧縮機７、燃焼チャンバ８、タービン９を備えるターボ機械の図を示す。圧縮機７は圧縮機ロータ７１を含み、タービン９はタービンロータ９１を含む。圧縮機ロータ７１およびタービンロータ９１は、シャフト１により相互接続されており、圧縮機ロータ７１はシャフト１の上流側端部１１に確実に締め付けられ、タービンロータ９１はシャフト１の下流側端部１２に確実に締め付けられている。「上流側」および「下流側」は、タービンを通過する流体流れの流れ方向に対して定義される。

図２は、シャフト１の破損を検出するための本発明の装置の下流側端部を示す図である。装置は、一部分において、シャフト１と細長い部品であるロッド２により構成される。シャフト１は通常、管状形状、すなわち中空円筒形であり、ターボ機械の回転軸に対応する回転軸（Ｘ）を有する。

ロッド２は、シャフト１の内部に配置され、同軸上でシャフトの長さに沿ってシャフトを貫通して延びる。シャフトの下流側端部１２およびロッドの下流側端部２２は互いに確実に締め付けられる。この締め付けを行うために、種々の手段２３、例えば、接着剤、溶接、ボルト締め、ネジ締め付け、または機械的噛合いが考えられる。締め付けは、シャフト１の下流側端部１２が拘束されてロッド２の下流側端部２２と供回り（ｅｎｔｒａｉｎ ｒｏｔａｔｉｏｎ）するようにしなければならない。したがって、ピンまたはキーを使用することも可能である。

ネジ締め付けを利用する場合、反対方向の回転によりネジが外れる危険があり、それにより、２つの部品が離れて、部品の一方の回転駆動が他方によって失われてしまうので、ネジ締め方向はシャフト１の回転がロッド２の下流側端部２２とシャフト１の下流側端部１２との間のネジ係合を強固にするような方向にするのが重要である。ネジ係合のために、シャフト１の下流側端部１２は、ロッド２の下流側端部２２に位置するネジ山と協働するタッピングを含んでもよい。

機械的噛合いの手段による締め付けの場合、シャフト１の下流側端部１２およびロッド２の下流側端部２２は、相補的スプライン２３を含んでもよい。スプライン２３を使用することは、シャフト１の上流側端部１１からロッド２を挿入して、締め付けることを容易にするという点で有利である。

図３は、シャフト１の破損を検出するための本発明の装置の上流側端部を示す図である。装置は、シャフト１と、ロッド２と、シャフト１の上流側端部１１に対するロッド２の上流側端部２１の速度を測定するのに適したセンサ３とによって構成される。

センサ３は、筐体３８を備え、シャフト１の上流側端部１１に確実に締め付けられる。この締め付けを行うために、種々の手段４、例えば、接着剤、溶接、ボルト締め、ネジ締め付け、機械的噛合いが考えられる。１つの可能な締め付け手段４は、センサ３に固定されたナット４により構成され、シャフト１の上流側端部１１でネジ締めすることができる。図３は、この締め付けがネジ締め付けである一実施形態を示す図である。

センサ３は、基本的にシャフト１と同軸の中空円筒形状である。センサ３の中空内部３０は、ロッド２の上流側端部２１を受け入れる働きをし、上流側端部は、センサ３に対して、およびシャフト１の上流側端部１１に対して自由に回転する。

図３に示されたセンサ３は、電磁誘導型のセンサである。筐体３８の内部には、シャフト１およびロッド２と同軸上に配置された可動リング３１を備える。この回転リング３１は、回転対称な形状を有し、回転軸（Ｘ）の軸周りの回転に適しており、シャフトの下流側端部１２とロッドの下流側端部２２との間の上述した締め付け手段２３と同じ締め付け手段２４、例えば、スプライン２４により、ロッド２の上流側端部２１に結合されている。この締め付けは、ロッド２の上流側端部２１が軸（Ｘ）周りの可動リング３１に供回りするようにしなければならない。好ましくは、可動リング３はポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））などの摩耗に耐える材料製である。可動リング３１は、可動リング３１に内蔵できる永久磁石を含む。

筐体３８内部に、センサ３はさらに導電巻線３２を含み、この巻線３２は銅線が好ましい。巻線３２は、センサ３の筐体３８に固定され、シャフト１およびロッド２と同軸上に配置される。巻線３２は、可動リング３１が回転している時に、シャフトの下流側端部１２とロッドの下流側端部２２との速度差の結果として、電流が導電巻線３２で誘導されるように、可動リング３１を取り巻く。

シャフトが無傷の場合、ロッド２はシャフト１と同じ速度で供回りして、巻線３２で電流が全く誘導されない。

シャフト１が破損している場合、ロッド２は、シャフト１の下流側端部１２と同じ速度で回転駆動を続ける。シャフト１の下流側端部１２の回転がシャフト１の上流側端部１１に正確に伝えられなくなるので、ロッド２の上流側端部２１とシャフト１の上流側端部１１との間で位相シフトが生じる。可動リング３１と導電巻線３２とを備えるアセンブリにより、シャフト１の上流側端部１１に対するロッド２の上流側端部２１の速度を測定するセンサ３は、巻線３２で電流が誘導される際にこの位相シフトを検出する。

ターボ機械のシャフト１の破損に対応するこの位相シフトが、信号処理電子手段に送信される警告信号を発して、ターボ機械への燃料供給を止める。これらの電子手段は、ＦＡＤＥＣ（全自動デジタル電子式制御装置）、またはＦＡＤＥＣとは関係のない、ＦＡＤＥＣとは異なる燃料供給を止めるその他の何らかの装置としてもよい。例として、これらの電子手段は、誘導電流により自動的に動力が供給される、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）としてもよい。

警告信号は、センサ３内で導電巻線３２に近接して配置された無線送信機３３により送信されてもよい。誘導により供給された電流は送信機に電力を供給する働きをする。

センサ３はさらに、センサ３を封止し、ロッド２の上流側端部２１を軸方向に保持するための上流側プラグ５１を含む。センサ３に取り付けるために、プラグ５１はセンサ３のネジ山３５と協働するタッピング５３を有する。

ロッド２は剛体でも可撓体でもよい。ロッド２は例えば、任意で編組の中実のあるいは中空の金属芯により、場合により可撓性の保護鞘で補強した、例えばプラスチック材料またはゴム材料製の金属芯により構成してもよい。鞘も、鋼鉄などの金属製としてもよく、シリコーンなどの高温に耐えるポリマーで被覆してもよい。ロッド２の可撓性により、ロッド２をターボ機械のロータのシャフト１に沿って挿入するのが容易になる。

この可撓性は、捩れや曲げの動きに関して、寄生の位相シフトを生じさせてしまう恐れのある障害となるのを避けるように、程度決めをしなければならない。

図３は、センサ３がシャフト１に固定される好ましい実施形態を示すが、ロッド２に固定されるセンサ３もまた考えられる。また、シャフト１にもロッド２にも固定されないが、シャフト１の上流側端部１１およびロッド２の上流側端部２１から上流側に配置されるセンサ３も想定され得る。

本発明はさらに、上述したシャフトの破損検出装置を含むターボ機械を提供する。

１ シャフト
２ ロッド
３ センサ
４ 締め付け手段（ナット）
６ 固定ケーシング
７ 圧縮機
８ 燃焼チャンバ
９ タービン
１１ シャフトの上流側端部
１２ シャフトの下流側端部
２１ ロッドの上流側端部
２２ ロッドの下流側端部
２３ 締め付け手段（相補的スプライン）
２４ 締め付け手段（スプライン）
３０ 中空内部
３１ 回転可動リング
３２ 導電巻線
３３ 無線送信機
３５ ネジ山
３８ 筐体
５１ プラグ
５３ タッピング
７１ 圧縮機ロータ
９１ タービンロータ

Claims (11)

1. 上流側端部（１１）および下流側端部（２２）を有するシャフト（１）と、
   上流側端部（２１）および下流側端部（２２）を有し、シャフト（１）内部でシャフト（１）と同軸上に配置され、ロッド（２）の下流側端部（２２）がシャフト（１）の下流側端部（１１）に確実に締め付けられ、ロッド（２）の上流側端部（２１）がシャフト（１）の上流側端部（１１）に対して自由に回転できる、ロッド（２）と、
   ロッド（２）の上流側端部（２１）とシャフト（１）の上流側端部（１１）との回転速度の差を検出するのに適したセンサ（３）と
   を備える、ターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
2. センサ（３）が、シャフト（１）の上流側端部（１１）に確実に締め付けられた筐体（３８）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
3. センサ（３）が、シャフト（１）と同軸の中空円筒形状であることを特徴とする、請求項２に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
4. センサ（３）が、
   シャフト（１）と同軸上に配置された永久磁石を含み、シャフト（１）の軸周りに回転可能であり、ロッド（２）の上流側端部（２１）に結合された回転可動リング（３１）と、
   センサ（３）の筐体（３８）に固定され、シャフト（１）と同軸の導電巻線（３２）と
   を備えることを特徴とする、請求項３に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
5. 巻線（３２）が、可動リング（３１）を取り巻くことを特徴とする、請求項４に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
6. 可動リング（３１）とロッド（２）の上流側端部（２１）とが、スプライン（２４）により互いに結合されることを特徴とする、請求項４または５に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
7. シャフト（１）の下流側端部（１２）とロッド（２）の下流側端部（２２）とが、相補的スプライン（２３）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
8. センサ（３）が、上流側プラグ（５１）を含むことを特徴とする、請求項１〜７のうちいずれか１項に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置を含む、ターボ機械。
10. センサ（３）が、巻線に生じる誘導電流に応じた位相シフトを検出することにより、ロッド（２）の上流側端部とシャフト（１）の上流側端部との回転速度の差を検出する、請求項３に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。
11. センサ（３）内で巻線に近接して配置された無線送信機（３３）をさらに含んで構成され、
    無線送信機（３３）が、ロッド（２）の上流側端部とシャフト（１）の上流側端部との回転速度の差から当該シャフト（１）の破損が検出されたときに、警告信号を送信する、請求項１に記載のターボ機械のシャフト（１）の破損を検出するための装置。

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