JP6061871B2

JP6061871B2 - ねじりトルク計を較正する方法

Info

Publication number: JP6061871B2
Application number: JP2013555921A
Authority: JP
Inventors: アネル，エドガー
Original assignee: Turbomeca SA
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: RU2013144055A; CN103403514A; CA2827403C; US9032776B2; FR2972256B1; JP2014507004A; KR101948945B1; WO2012117187A1; EP2681525B1; CN103403514B; FR2972256A1; EP2681525A1; KR20140061293A; US20130327119A1; RU2596178C2; CA2827403A1; PL2681525T3

Description

本発明は、たとえば航空機ターボ機械のシャフトなど、エンジンシャフトによって伝達されるトルクを測定する装置に関する。

本発明はより具体的には、好ましくはヘリコプタターボ機械に実装されるように意図される、ねじりトルク計を較正する方法に関する。

シャフトの回転トルクの測定は、通常はパイロットによって考慮される必要不可欠な航行データ項目の１つを提供するので、ヘリコプタエンジンの分野において特に重要である。一旦ヘリコプタのロータが一定速度に到達すると、これによって供給される動力はトルクのみに依存するようになる。

仏国特許第２９３１５５２号明細書は、シャフトのねじり変形の測定に基づくトルク計を記載しており、この変形は具体的には伝達されたトルクの関数である。

本明細書に記載されるねじりトルク計は、
軸の周りの回転トルクを伝達するように意図されたパワーシャフトであって、前記パワーシャフトには第一および第二シリーズの角度基準点を担持する第一ホイールが設けられている、パワーシャフトと、
パワーシャフトの一端に締結された第一末端と、第三および第四シリーズの角度基準点を担持する第二ホイールが設けられた第二末端とを有する基準シャフトであって、第一および第三シリーズの角度基準点は互いに平行であり、その一方で第二および第四シリーズの角度基準点は、第一および第三シリーズの基準点に対して傾斜しながら互いに平行である、基準シャフトと、
第一および第三シリーズの角度基準点にそれぞれ属する２つの角度基準点の間の第一角度オフセットと、第二および第四シリーズの角度基準点にそれぞれ属する２つの角度基準点の間の第二角度オフセットとを測定するための測定装置と、
具体的には測定装置によって測定された第一および第二角度オフセットに基づいて、パワーシャフトによって出力されたトルクの値を決定するための計算ユニットと、を含む。

パワーシャフトによって供給されるトルクを計算するために、計算ユニットは、測定装置によって提供されたデータを用いてシャフトの温度を事前に判断しなければならない。一旦温度が判断されると、計算ユニットのメモリに事前に記憶されたデータベースを用いてトルク値が決定されるが、このデータベースは異なる温度での角度変形のいくつかの値に対応するトルク値を含んでいる。

したがって、先行技術によるねじりトルク計は、パワーシャフトの温度の、およびパワーシャフトの材料の、挙動モデルの知識を必要とする。

仏国特許発明第２９３１５５２号明細書

本発明の目的は、較正済みトルク計が、パワーシャフトの温度を判断する必要性を伴わずにトルクを計算できるように、上述のタイプのねじりトルク計を較正する方法を提案することである。

本発明の方法主題によれば、
ねじりトルク計は第一状態に置かれ、パワーシャフトによって出力されたトルクの値が第一所定トルク範囲内に収まり、その後ねじりトルク計のシャフトが第一温度となり、
第一セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセットが決定され、パワーシャフトによって出力されたトルクは基準トルク計を用いて測定され、
ねじりトルク計は第二状態に置かれ、パワーシャフトによって出力されたトルクの値が第二所定トルク範囲内に収まり、第二所定トルク範囲は第一所定トルク範囲とは異なっており、その後ねじりトルク計のシャフトが実質的に第一温度となり、
第二セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセットが決定され、パワーシャフトによって出力されたトルクは基準トルク計を用いて決定され、
トルク計は第三状態に置かれ、パワーシャフトによって出力されたトルクの値が第二所定トルク範囲内に収まり、ねじりトルク計のシャフトが第一温度とは異なる第二温度となり、
第三セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセットが決定され、パワーシャフトによって送達されるトルクは基準トルク計を用いて測定され、
トルク計は第四状態に置かれ、それによりパワーシャフトによって出力されたトルクの値は第一所定トルク範囲内に収まり、その一方でねじりトルク計のシャフトは実質的に第二温度となり、
第四セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセットが決定され、パワーシャフトによって出力されたトルクは基準トルク計を用いて測定され、
計算ユニットは、第一、第二、第三、および第四セットの測定から較正される。

第一、第二、第三、および第四セットの測定は較正データの決定を可能にするが、これは後に、ねじりトルク計によって測定されるようなトルク値を計算するために、計算ユニットによって使用される。

一旦較正されると、ねじりトルク計の計算ユニットは、第一および第二角度オフセットから、ならびに較正データから、トルクの値を決定する。

較正方法は、４セットの測定および２つの温度安定化されたトルク値のみを必要とするので、特に高速で実行しやすい。前記較正は、熟練の操作者によって３０分未満で実行されることが可能である。

加えて、本発明の較正方法は、好ましくはトルク計がターボ機械に実装されているときに実現される。したがって較正は、ターボ機械を取り外すことなく、テストベンチ上で容易に実行されることが可能である。

本発明の方法を実現することによって較正されたトルク計は先行技術によるトルク計よりも優れた精度を有することが、付加的に見いだされた。実際、得られた精度は、較正に使用される基準トルク計の精度をほんのわずかに下回るだけである。

一旦較正されると、ねじりトルク計は、パワーシャフトの温度を判定する必要性を伴わずに、正確なトルク値を提供することができる。その結果、パワーシャフトによって伝達されるトルクを計算できるようにするために、温度の関数としてパワーシャフトの材料の挙動モデルの知識を有する必要は、もはやなくなる。

好適な一実施形態によれば、第二所定トルク範囲は第一所定トルク範囲よりも高く、その一方で第二温度値は第一温度値よりも高い。

したがって、好ましくは、第二セットの測定は、実質的に第一セットの測定と同じ温度で行われる。第三セットの測定は、第二セットの測定と同じ範囲内で行われる。第四セットの測定は、第三セットの測定と同じ温度で、および第一セットの測定と同じトルク範囲内で、行われる。

「実質的に」という語によって、好ましくはプラスまたはマイナス５から２０％の許容範囲を意味する。

好ましくは、第二セットの測定は、熱慣性を通じてシャフトの温度が上昇してさらにトルクの上昇を招く時間を持たないように、第一セットの測定の直後、たとえば第一セットの測定から１分以内に実行される。第一および第二所定トルク値の間のトルクの上昇は、その加熱およびひいてはシャフトの温度の上昇を引き起こすターボ機械の速度を増加させることによって、得られる。

同様に、第四セットの測定は、熱慣性を通じてシャフトの温度が低下してさらにトルクの低下を招く時間を持たないように、第三セットの測定の直後、たとえば第三セットの測定から１分以内に実行される。

また、第一所定トルク範囲は好ましくは、ただしこれに限らないが、ねじりトルク計を備えるターボ機械が発生させることが可能な最大トルクの０から２０％の間の第一平均トルク値の領域に含まれる。

第二所定トルク範囲は好ましくは、ただしこれに限らないが、前記最大トルクの８０％を超える第二平均トルク値の領域に含まれる。

非限定例として、第一トルク範囲の規模は、第一平均値プラスまたはマイナス１０％に相当する。同様に、非限定例として、第二トルク範囲の規模は、第二平均値プラスまたはマイナス１０％に相当する。

較正の精度を改善するためには、第三セットの測定を行う前に、トルク計のシャフトの温度が第二温度値で安定するまで待機する。

発明者らは、シャフトの温度が第二温度値で安定するのに、約１５分の時間で十分であることを突き止めた。

有利なことに、第一、第二、第三、および第四セットの測定は、計算ユニットのメモリ内に記憶される較正データを決定するために使用される。

これは好ましくは、必要であればターボ機械の寿命にわたってねじりトルク計の較正が何回か実行され得るように、メモリを書き換える。

有利なことに、第一および第二ホイールはフォニックホイールであり、角度基準点は歯である。

加えて、測定装置は好ましくは単一の磁気センサによって形成される。

本発明はまた較正済みねじりトルク計にも関し、これは、
軸の周りの回転トルクを伝達するように意図されたパワーシャフトであって、前記パワーシャフトは第一および第二シリーズの角度基準点を担持する第一ホイールを備える、パワーシャフトと、
パワーシャフトの一端に取り付けられた第一末端と、第三および第四角度基準点を担持する第二ホイールが設けられた第二末端とを有する基準シャフトであって、第一および第三シリーズの角度基準点は互いに平行であり、その一方で第二および第四シリーズの角度基準点は、第一および第三シリーズの基準点に対して傾斜しながら互いに平行である、基準シャフトと、
第一および第三シリーズの角度基準点にそれぞれ属する２つの基準点の間の第一角度オフセットと第二および第四シリーズの角度基準点にそれぞれ属する２つの角度基準点の間の第二角度オフセットとを測定するための測定装置と、
測定装置によって測定された第一および第二角度オフセットに基づいて、パワーシャフトによって出力されたトルク値を決定するための計算ユニットであって、計算ユニットは本発明の方法を実現することによって得られた較正データを記憶するためのメモリを含み、計算ユニットによって決定されるようなトルク値は、第一および第二角度オフセットの、および前記較正データの関数である、計算ユニットと、を含む。

最後に、本発明は、本発明にしたがって較正されたねじりトルク計を含むターボ機械に関する。

本発明は、以下の添付図面を参照して、非限定例として示される本発明の一実施形態の下記の説明を読むと、より良く理解されるだろう。

本発明にしたがって較正されたねじりトルク計の軸方向半断面図である。図１のトルク計の第一および第二フォニックホイールの歯の相対位置を示し、図１のトルク計のセンサによって測定された第一および第二角度オフセットを説明する図である。本発明の較正方法を実現するための設定を示す図である。本発明による較正方法のステップを示す図である。本発明の方法を実現することによって較正されたねじりトルク計を備えるターボ機械を説明する図である。

図１は、本発明の方法を実現することによって較正されるように意図された、ねじりトルク計１０の好適な一実施形態を示す。

ねじりトルク計１０は、その軸Ａの周りの回転トルクを伝達するように意図された、中空のパワーシャフト１２を含む。測定の対象とされるのは、このトルクである。

図１の例において、パワーシャフト１２は、その第一末端１２ａのピニオン１４と、第一末端の反対側のその第二末端１２ｂに配置された駆動部材１６とを含む。明らかに、パワーシャフトの末端がこれとは異なるように備えられることも可能である。

また、その第一末端１２ｂの付近で、パワーシャフト１２は、同軸であって複数の角度基準点、この場合は歯を含む、第一ホイール、ここではフォニックホイール１８を、担持する。

ねじりトルク計１０は、パワーシャフト１２の第一末端１２ａの付近で第一末端２０ａを介してこれが取り付けられる、パワーシャフト１２の軸方向内側に延在する基準シャフト２０をさらに含み、その一方でその第二末端２０ｂは解放されている。第一末端２０ａの反対側の基準シャフト２０の第二末端２０ｂは、第一フォニックホイール１８と同心の、ここではフォニックタイプ２２の第二ホイール２２を担持する。第二フォニックホイール２２は、パワーシャフト２０内に作成された開口部を通じて半径方向に延在する、複数の角度基準点、この場合は歯を、担持する。代替構成は、仏国特許第２９３１５５２号明細書に記載されている。

第一および第二フォニックホイール１８、２２に対向して、その正面を歯が通過するたびに電気信号を発生することが可能な単一の磁気センサ２６が配置され、前記信号はその後、パワーシャフト１２によって伝達されるトルクの値を決定するように意図された計算ユニット２８に送られる。

第一フォニックホイール１８は、第一および第二シリーズの角度基準点、すなわち互いに同一の第一シリーズの歯Ｄ１および互いに同一の第二シリーズの歯Ｄ２を含み、その一方で第二フォニックホイール２２は、互いに同一の第三シリーズの歯Ｄ３および互いに同一の第四シリーズの歯Ｄ４を含む。

第一および第二フォニックホイールは、第一フォニックホイール１８の歯Ｄ１、Ｄ２が第二フォニックホイール２２の歯Ｄ３、Ｄ４と角度的に交互になるように、配置されている。

図２に見られるように、第一および第三シリーズの歯Ｄ１、Ｄ３は互いに平行であり、その一方で第二および第四シリーズの歯Ｄ２、Ｄ４は、第一および第三シリーズの歯に対して傾斜しながら、互いに平行である。

この図２において、歯の分布は、パワーシャフトの正放線方向ＯＲで描かれている。したがって、白い歯Ｄ１およびＤ２は第一フォニックホイールに属し、その一方で黒い歯は第二フォニックホイールに属することが、理解されるだろう。

歯Ｄ１およびＤ３はパワーシャフトの軸方向に対して角度γ１に位置しており、その一方で歯Ｄ２およびＤ４はγ１とは異なる角度γ２に位置している。

磁気センサ２６は、それぞれ第一シリーズの歯および第二シリーズの歯に属する２つの歯Ｄ１、Ｄ３の間の第一角度オフセットα_ｍの決定を可能にする、測定装置である。磁気センサ２６はまた、それぞれ第二シリーズの歯および第四シリーズの歯に属する２つの歯Ｄ２、Ｄ４の間の第二角度オフセットβ_ｍの測定も、可能にする。

ねじりトルク計１０の計算ユニット２８は、磁気センサ２６によって測定された第一および第二角度オフセットα_ｍおよびβ_ｍから、ならびに計算ユニット２８のメモリ２９に記憶された較正データから、トルク値ＴＱを計算するようにプログラムされている。

トルク値ＴＱは、たとえば、ただしこれに限らないが、以下の数式を用いて得られる。

ここで、
α_ｍおよびβ_ｍはセンサによって測定された第一および第二角度オフセットを表し、
Ｒ_０、α_ｏｆｆ、β_ｏｆｆ、ＴＱ０_α、およびＴＱ０_βは較正データである。

この数式は、計算ユニットのプロセッサに記憶されている。

較正データＲ_０、α_ｏｆｆ、β_ｏｆｆ、ＴＱ０_α、およびＴＱ０_βは、図３および図４を参照して以下に記載される本発明の較正方法の完了時に得られる。

したがって、一旦較正データＲ_０、α_ｏｆｆ、β_ｏｆｆ、ＴＱ０_α、およびＴＱ０_βがわかればねじりトルク計は完全に特性化されることは、理解される。したがって較正の目的は、値Ｒ_０、α_ｏｆｆ、β_ｏｆｆ、ＴＱ０_α、およびＴＱ０_βを計算することである。

図３は、本発明の較正方法を実現するための設定を示す。この場合、これは較正ベンチ５０である。

較正されるときにねじりトルク計１０はターボ機械５２に実装されており、このエンジンは較正ベンチ５０上に配置されている。

パワーシャフト１２の末端は、ターボ機械５２の外部にある基準トルク計５４に取り付けられている。

したがって基準トルク計５４は、設定トルクＴＱ_Ｃがターボ機械から要求されるときに、パワーシャフト１２によって出力される基準測定値ＴＱ_ｍを提供する。トルク計が較正されていない場合には、値ＴＱ_ｍは設定値ＴＱ_Ｃに正確に対応しないことが、理解されるだろう。

ここで図４を参照して、本発明の方法の実現に関する詳細な説明が示される。

まず、ねじりトルク計は、パワーシャフト１２によって出力されたトルクの値が実質的に第一平均トルク値Ｃ１を中心とする第一所定トルク範囲Ｐ１の範囲内に収まる第一状態Ｅ１に置かれる。この第一状態Ｅ１において、ねじりトルク計のパワーおよび基準シャフトは、第一温度Ｔ１である。この非限定例において、第一平均トルク値Ｃ１は、ターボ機械が発生することが可能な最大トルクの１０％に等しく、その一方で第一温度は約８０℃である。この例における第一範囲の限界は、第一平均トルク値のプラスまたはマイナス約１０％である。

トルク計が第一状態Ｅ１にあるとき、第一および第二角度オフセットα_ｍ１およびβ_ｍ１が磁気センサ２６によって決定される第一セットの測定が実行され、パワーシャフトによって出力されたトルクＴＱ_ｍ１は基準トルク計５４を用いて測定される。

ターボ機械の速度率は、パワーシャフト１２によって出力されたトルクの値が実質的に第一平均トルク値Ｃ１よりも高い第二平均トルク値Ｃ２を中心とする第二所定トルク範囲Ｐ２内に収まる第二状態Ｅ２にトルク計を置くように（矢印Ｆ１）、設定値ＴＱ_Ｃを増加させることによって増加させられる。その後第二セットの測定が迅速に行われ、それによって第一および第二角度オフセットα_ｍ２およびβ_ｍ２が磁気センサ２６を用いて決定され、パワーシャフトによって出力されたトルクＴＱ_ｍ２が基準トルク計５４を用いて測定される。第二状態においてねじりトルク計のシャフトの温度が実質的に第一温度Ｔ１と等しいままとなるように、第二セットの測定が迅速に実行される。

この例において、第二平均値Ｃ２は実質的に、ターボ機械が発生することが可能な最大トルクの８０％に等しい。

この例における第二範囲の限界は、第二平均トルク値の約プラスまたはマイナス１０％に収まる。

第二セットの測定を完了した後、ねじりトルク計が第三状態Ｅ３となるようにエンジンが加熱されるまで待機し（矢印Ｆ２）、ここでねじりトルク計のシャフトが温度Ｔ１よりも高い第二温度Ｔ２となり、その一方でパワーシャフト１２によって出力されたトルクの値は第二トルク範囲内に収まったままである。言い換えると、トルク値は実質的に第二平均トルク値Ｃ２に等しいままである。

ねじりトルク計１０のシャフトが第二温度Ｔ２で安定するのを数分間待った後、第三セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセットα_ｍ３およびβ_ｍ３が磁気センサによって決定され、パワーシャフトによって出力されたトルクＴＱ_ｍ３が基準トルク計５４を用いて測定される。

するとターボ機械の速度はトルク計を第四状態Ｅ４にするように減少するが（矢印Ｆ３）、ここでパワーシャフト１２によって出力されたトルクの値は第一トルク範囲Ｐ１内に収まる。トルクの値は実質的に第一平均トルク値Ｃ１に等しく、その一方でトルク計のシャフトはまだ実質的に第二温度Ｔ２である。

トルク計が第四状態に置かれると、第四セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセットα_ｍ４およびβ_ｍ４が磁気センサによって決定され、パワーシャフトによって出力されたトルクＴＱ_ｍ４が基準トルク計５４を用いて測定される。第四セットの測定は、シャフトの温度が実質的に第二温度Ｔ２に等しいままとなるように、第一所定トルク範囲Ｐ１に到達した直後に実行される。

明らかに、本明細書に示されるサイクルは限定的ではなく、４セットの測定が実行されて較正データが計算されれば、逆の順序または異なる順序で行われることも可能である。

ねじりトルク計、より具体的には計算ユニットはその後、第一、第二、第三、および第四セットの測定を用いて較正される。

言い換えると、上述の較正データは、第一、第二、第三、および第四セットの測定に基づいて決定される。

たとえば、

その後角度オフセットが計算される。

ここで

較正データはその後、上記の数式（１）を用いてトルク値ＴＱを計算するために計算ユニットによって使用され得るように、計算ユニット２８のメモリ２９に記憶される。

図５には、本発明の方法を用いて較正されたねじりトルク計１０を備えるターボ機械１００が示されている。

Claims

ねじりトルク計（１０）を較正する方法であって、ねじりトルク計は、
軸の周りの回転トルクを伝達するように意図されたパワーシャフト（１２）であって、前記パワーシャフトには第一および第二シリーズの角度基準点を担持する第一ホイールが設けられている、パワーシャフトと、
パワーシャフトの一端に取り付けられた第一末端と、第三および第四シリーズの角度基準点を担持する第二ホイールが設けられた第二末端とを有する基準シャフト（２０）であって、第一および第三シリーズの角度基準点は互いに平行であり、その一方で第二および第四シリーズの角度基準点は、第一および第三シリーズの基準点に対して傾斜しながら互いに平行である、基準シャフトと、
第一および第三シリーズの角度基準点にそれぞれ属する２つの基準点の間の第一角度オフセットと、第二および第四シリーズの角度基準点にそれぞれ属する２つの基準点の間の第二角度オフセットとを測定するための測定装置（２６）と、
測定装置によって測定された第一および第二角度オフセットに基づいて、パワーシャフトによって出力されたトルクの値を決定するための計算ユニット（２８）と、を含み、
方法において、
ねじりトルク計は第一状態に置かれ、それによりパワーシャフトによって出力されたトルクの値が第一所定トルク範囲（Ｐ１）内に収まり、その後ねじりトルク計のシャフトは第一温度（Ｔ１）となり、
第一セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセット（α_ｍ１、β_ｍ１）が決定され、パワーシャフトによって出力されたトルク（ＴＱ_ｍ１）は基準トルク計（５４）によって測定され、
ねじりトルク計は第二状態に置かれ、それによりパワーシャフトによって出力されたトルクの値が第二所定トルク範囲（Ｐ２）内に収まり、第二所定トルク範囲は第一所定トルク範囲とは異なり、その後ねじりトルク計のシャフトが実質的に第一温度（Ｔ１）となり、
第二セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセット（α_ｍ２、β_ｍ２）が決定され、パワーシャフトによって出力されたトルク（ＴＱ_ｍ２）は基準トルク計（５４）を用いて測定され、
トルク計は第三状態に置かれ、それによりパワーシャフトによって出力されたトルクの値が第二所定トルク範囲（Ｐ２）内に収まり、ねじりトルク計のシャフトが第一温度（Ｔ１）とは異なる第二温度（Ｔ２）となり、
第三セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセット（α_ｍ３、β_ｍ３）が決定され、パワーシャフトによって出力されるトルク（ＴＱ_ｍ３）は基準トルク計（５４）を用いて測定され、
トルク計は第四状態に置かれ、それによりパワーシャフトによって出力されたトルクの値は第一所定トルク範囲（Ｐ１）内に収まり、その一方でねじりトルク計のシャフトは実質的に第二温度（Ｔ２）となり、
第四セットの測定が実行され、それによって第一および第二角度オフセット（α_ｍ４、β_ｍ４）が決定され、パワーシャフトによって出力されたトルク（ＴＱ_ｍ４）は基準トルク計（５４）を用いて測定され、
計算ユニットは、第一、第二、第三、および第四セットの測定に基づいて較正される、ねじりトルク計を較正する、方法。
第二所定トルク範囲（Ｐ２）が第一所定トルク範囲（Ｐ１）よりも高く、その一方で第二温度（Ｔ２）は第一温度（Ｔ１）よりも高い、請求項１に記載のねじりトルク計を較正する方法。
第三セットの測定を行う前に、トルク計のシャフトの温度が第二温度値（Ｔ２）で安定するまで待機する、請求項１または２に記載のねじりトルク計を較正する方法。
計算ユニット（２８）のメモリ（２９）に記憶される較正データを決定するために第一、第二、第三、および第四セットの測定が使用される、請求項１から３のいずれか一項に記載のねじりトルク計を較正する方法。
ねじりトルク計（１０）がターボ機械（１００）に実装され、基準トルク計（５４）はターボ機械の外部に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のねじりトルク計を較正する方法。
第一および第二ホイール（１８、２２）がフォニックホイールであり、角度基準点（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）は歯である、請求項１から５のいずれか一項に記載のねじりトルク計を較正する方法。
測定装置が単一の磁気センサ（２６）によって形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のねじりトルク計を較正する方法。