JP6827927B2 - ねじり破断可能な機械的ヒューズおよびこの種のヒューズを備えるターボシャフトの冷却ユニット - Google Patents

Description

本発明は、ねじり破断可能な機械的ヒューズに関する。本発明はまた、この種の機械的ヒューズを備えるターボシャフトの冷却ユニットに関する。

多くの技術分野、特に航空用途においては、機械軸の連結器が所定の値を超える対向力から成るトルクを受けると破損し得る該連結器を有する必要があることが多い。この機能性により、これらの連結器の下流の部品を保護することができる。これを行うために、軸線上にねじり破断可能な部分を設けることが知られている。この種のねじり破断可能な部分は、所定の値を超える対向力からなるトルクの作用を受けると破損し得るという特定の特徴を有する。

軸線上にねじり破断可能な部分を形成するための知られている解決策は、その直径が局所的に減少する中実軸を使用し、トルクが所定の値を超えるとより小さい直径を有するこの部分が破損し得るようにすることを必要とする。

この解決策の欠点のうちの１つは、破断可能な部分が破損した場合は軸全体を取り替えることが必要であるが、いくつかの用途については、軸に連結される部品すべてを分解することを必要する。これは、特に、ターボシャフトの冷却ユニットに当てはまる。冷却ユニットは、ピニオンと、ピニオンを担持する軸に片持ち状に取り付けられるインペラとを備える。直径を局所的に減少することによって軸に形成された破断可能な部分が破損した場合は駆動軸を取り替えることができるように、インペラと、冷却ユニットに連結されたレジューサモジュールとを取り外すことが必要である。これにより、この種の破断可能な部分を維持し取り替えることが複雑になり、実施するのがあまり実際的にならない。

そのうえ、たとえば冷却ユニットインペラに当てはまるが、最大トルクが比較的低い場合、破断可能な部分は小さくてもよいが、これは、（前記破断可能な部分に応力を加えないように）かなりの設置上の制約および動作制約（軸線の力学、運動荷重下での移動）を課す場合がある。

軸線上にねじり破断可能な部分を設けるためのもう１つの解決策は、その内壁または外壁に材料を局所的に減少させた中空軸を使用することを必要とする。この解決策は、従来の解決策の欠点を依然として有する。加えて、この解決策の破断トルクのサイジングは、適切に制御するには小さすぎる厚さを与える。

もう１つの解決策は、一方の機械部品を他方の機械部品上に収縮させ、摺動力を制御することを必要とする。この解決策の欠点のうちの１つは、関係している部品の動作温度範囲内で摺動を適切に制御することが困難であることである。この欠点は、この解決策を特にターボシャフト冷却ユニットに対して不適当にしている。

したがって、ターボシャフトの部品の機械的連結器にねじれ破断可能な部分を設けるための改善された解決策を有する必要がある。このような必要性は、特に、それだけではないが、ターボシャフト冷却ユニットでの使用の場合に述べられる。

特に、いかなる特別な困難もなしに、および特にこの連結器によって影響を受ける機械的部品の完全な分解を必要とせずに、この破断可能な部分を取り替えできる解決策を有する必要がある。

本発明は、ターボシャフトの機械的連結器にねじり破断可能な部分を設けるための知られている解決策の欠点のうちの少なくともいくつかを克服することを目的とする。

本発明はまた、本発明の少なくとも１つの実施形態において、組立および曲げ応力に関して本質的により堅牢な破断可能な部分を設けることを目的とする。

本発明は、本発明の少なくとも１つの実施形態において、いかなる特別な困難もなしに操作者によって取り替えられ得る破断可能な部分を設けることを目的とする。

また、本発明は、本発明による破断可能な部分を備えた冷却ユニットを提供することを目的とする。

これを行うために、本発明は、同じ回転軸線を中心としてそれぞれ回転する、駆動部材とよばれる駆動機械部材と、受容部材とよばれる被駆動機械部材との間にターボシャフトに連帯して取り付けられるように意図された、機械的ヒューズに関する。

本発明によるヒューズは、いったんヒューズが前記駆動部材と受容部材との間に取り付けられると、前記回転軸線に平行な長手方向に延在する本体を備える。

本発明によるヒューズは、前記本体が、複数の長手方向バーを備え、各バーが、破断可能な機械的ヒューズを形成するように、すべてのバーに加えられるねじりモーメントの作用によって曲げにより変形されるのに適していることを特徴とする。

したがって、本発明は、ターボシャフトの機械的部材の連結器にねじり破断可能な部分を設けるための新規な解決策を提案する。この解決策は、２つの機械的部材を相互接続する挿入物である機械的ヒューズを使用することを伴う。したがって、この挿入物は、破断可能な部分の破損があった場合には取り替えられ得る。この機械的ヒューズは、ねじりモーメントの作用によって曲げによりそれぞれ変形可能な複数のバーを備えるという特定の特徴を有する。このヒューズによって接続される機械的部材の回転軸線に長手方向に設けられるバーのこの組が、ねじり破断可能なヒューズを形成する。言い換えれば、ヒューズのねじりに対する抵抗は、バーの曲げに対する抵抗に依存する。本発明によるヒューズにより、曲げ剛性を増大することでき、それにより、アンバランスに対する感度が低下する。言い換えれば、本発明によるヒューズにより、従来技術の破断可能な部分よりも不適切な方法で破壊する可能性が低い、ねじり破断可能な部分を形成することができる。

そのうえ、本発明によるヒューズにより、バーの数、バーの長さ、バーの幅、バーの厚さ、バーの横断面、およびバーの長さ、および大まかに言えばバーのすべての寸法および幾何学的特徴を決定することを通して、破断可能な部分のサイジングの改善が可能になる。

有利には、本発明による機械的ヒューズは、ヒューズを前記駆動部材に可逆的に連結するための手段を備え、その手段は、遠位端とよばれる、前記本体の長手方向端部に配置される。

有利には、本発明によれば、前記本体の前記遠位端は、前記駆動部材の円筒形または円錐形部分に適合する、円筒形部分または円錐形部分を有する。これらの部分は、可逆的連結手段を形成する。

機械的ヒューズと駆動部材との間の円錐形または円筒形の接続により、最小の偏心を与えることができ、それにより受容部材のアンバランスを制限することができる。特に、この別形による機械的ヒューズが冷却ユニットのピニオンと、機械的ヒューズによってピニオン上に片持ち状に取り付けられるインペラとの間の接続部として使用される場合には、円錐状の接続がバランス基準を形成する。これにより、ピニオンとインペラとの間の接続が各組立て中に全く同じに繰り返され得ることを保証することができる。

有利には、本発明によるヒューズは、ヒューズを前記受容部材に可逆的に連結するための手段を備え、その手段が、近位端とよばれる、前記本体の長手方向端部に配置される。

有利には、かつ本発明によれば、前記本体の前記近位端は、前記受容部材に取り付けられるのに適した取付け板を備える。この取付け板は、可逆的連結手段を形成する。

したがって、この別形による機械的ヒューズの組立および分解は特に容易である。そのうえ、ターボシャフト冷却ユニットでの使用との関連で、ヒューズは、特にユニットのレジューサを分解することを必要とせずに、分解され取り替えられ得る。

有利には、かつ本発明によれば、本体は中空である。

中空本体により、特に、本体の中心において取付け要素なしで済ますことができる。バーの使用により、材料の厚さを容易に機械加工可能に保つことができ、その寸法により、破断可能な部分の破断トルク範囲を制御することができる。これらの取付け要素は、たとえば、ヒューズの遠位端まで中空本体に受け入れられるナットまたはねじを備える。これらの取付け要素は、円錐形部分と関連して駆動部材にヒューズを組み立てることに寄与する。

有利には、かつこの別形によれば、機械的ヒューズは、前記近位端を通して前記中空本体に受け入れられ、前記遠位端の前記円錐形部分を、前記駆動部材の前記接合する円錐形部分に当接して配置できるのに適しているストラットを備える。

ストラットの使用により、機械的なヒューズの内径を制限することができ、スクリュー／ナットタイプの取付け要素へのアクセスを容易にする。そのうえ、駆動部材の円錐形部分に対する遠位端の円錐形部分のこの当接により、機械的ヒューズを使って駆動部材による受容部材の回転駆動を与えることができる。

有利には、かつこの別形によれば、前記ストラットは、ヒューズの機械的破損があった場合には前記受容部材の軸線方向移動を制限することを可能にする肩部を有する。

ストラットに設けられた肩部により、機械的ヒューズによって形成された破断可能な部分の破損があった場合に、受容部材の軸方向移動を阻止することができる。

もう１つの別形によれば、機械的ヒューズは、遠位端の前記円錐形部分を、前記駆動部材の接合する円錐形部分に当接して配置するために、前記中空本体に直接受け入られるねじを備える。

有利には、かつ本発明によれば、本体は、円筒形であり、ヒューズは、前記本体の周りに均等に配置される３つのバーを備える。

もちろん、他の別形によれば、機械的ヒューズは３つよりも多くのバーを備えることができる。

本発明はまた、駆動軸と、前記軸に片持ち状に取り付けられるインペラとを備えるターボシャフトの冷却ユニットであって、本発明による機械的ヒューズを備えることを特徴とする、冷却ユニットに関する。

また、本発明は、上記または下記に述べられた特徴のすべてまたはいくつかによる組み合わせを特徴とする、機械的ヒューズおよびターボシャフトの冷却ユニットに関する。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、単に非限定的に与えられ、添付の図を参照する次の説明を読むことによって明らかになるであろう。

駆動軸と、この軸に片持ち状に取り付けられるインペラと、この軸の直径を減少することによって形成されるねじり破断可能な部分とを備える、従来技術によるターボシャフトの冷却ユニットの横断面の概略図である。 駆動軸と、この軸に片持ち状に取り付けられるインペラと、本発明の一実施形態による機械的ヒューズによって形成されるねじり破断可能な部分とを備える、本発明の一実施形態によるターボシャフトの冷却ユニットの横断面の概略図である。 本発明の一実施形態による機械的ヒューズの斜視図である。 本発明の一実施形態による機械的ヒューズのバーの横断面の概略図である。 本発明の一実施形態による機械的ヒューズのバーの平面図の概略図である。

図において、尺度および比率は、説明および明瞭さのために、厳密に守られているわけではない。図を参照して続く詳細な説明を通じて、特にそれとは反対の指示がない限り、機械的ヒューズの各要素は、ヒューズがターボシャフトの冷却ユニットに取り付けられる場合に、ユニットの駆動ピニオンとピニオンに片持ち状に取り付けられる冷却ユニットのインペラとの間に配置されるとされている。この配置が、図２に示されている。

従来技術の冷却ユニットが、図１に部分的に示されている。この冷却ユニットは、軸９に取り付けられるピニオン８と、軸９に片持ち状に取り付けられるインペラ１０とを備える。ピニオン８および軸９は、次の説明を通じて無関心に、ピニオン８または軸９がピニオン８および軸９によって形成されるアセンブリを表すのに使用されるように単一体に形成される。軸９とインペラ１０との間のこの機械的連結器は、軸９の直径を減少することによって形成される、ねじり破断可能な部分１１を備える。この破断可能な部分は、通常、約５ｍｍまで軸９の直径を局所的に減少することによって実現される。

図１から、破断可能な部分１１が破損した場合、軸９を取り替えることが必要であることが明らかである。そのうえ、軸９にアクセスするためには、明瞭にするために図示されていない、レジューサなどの、このピニオンの上流に接続される機械的部材、およびインペラ１０を取り外すことが必要である。

図２は、破断可能な部分１１が本発明の一実施形態による機械的ヒューズ１２に取り替えられている、同じ冷却ユニットの概略図である。インペラ１０の形状および軸９の形状は、本発明による機械的ヒューズを取り付けできるように僅かに変更されている。

特に、この機械的ヒューズは、中空本体１３と、軸９の一端に当接して配置されるように構成される遠位端２０と、インペラ１０に接続されるように構成される近位端２１とを備える。

これを行うために、遠位端２０は、軸９の端部に設けられる円錐形部分２２に適合する内側円錐形部分（この円錐形部分は図２で理解できる）を備える。そのうえ、ねじ２３が、機械的ヒューズ１２および軸９を連帯して取り付けることができるように、近位端２１を通して中空本体１３に受け入れられ得る。これを行うために、軸９の円錐形部分２２は、ねじ２３を受け入れるのに適したねじ付きボアを有する。

ねじ２３および円錐形部分２０、２２は、ヒューズ１３を軸９に組み立てるための手段を形成する。

ヒューズの近位端２１は、取付け板２５を備える。この板は、４つのボア２６を備え、各ボアは、インペラ１０を取付け板に取り付けるための焼嵌めピン２７を受け入れることができる。これを行うために、インペラ１０はまた、取付け板のボア２６に対向して配置されるボアを備える。

円錐形部分の当接を容易にするために、ヒューズは、本体１３に受け入れられるストラット２９をさらに備える。このストラット２９は、機械的ヒューズの近位端を通して受け入れられる。このストラットにより、軸９の円錐形部分２２を、ヒューズの円錐形状の遠位端２０を介して当接しておくことができる。摩擦を回避し、必要とされるトルクでヒューズが破損するのを確実にするために、ストラット２９と機械的ヒューズ１２の本体１３との間に半径方向クリアランスが設けられる。

このストラット２９はまた、ヒューズの機械的破損があった場合にインペラ１０の軸線方向移動を制限するための肩部３０を有する。また、摩擦を防止し、必要とされるトルクでヒューズが破損することを確実にするために、ストラット２９の肩部３０と機械的ヒューズの板２５との間に軸線方向クリアランスが設けられる。

図の実施形態による機械的ヒューズは、図３にさらに詳細に示されるように、中空本体１３の周りに均等に配置される３つの長手方向バー１４をさらに備え、各バー１４は曲げによって変形されるのに適している。バー１４は、ピニオン８によるインペラ１０の駆動に関係があるトルクを吸収し、曲げによって作用する。

図４ａおよび図４ｂは、バー１４の、および曲げによるその変形の概略図である。お分かりのように、トルクＣがヒューズに加えられるならば、その場合、各バーは、中空本体１３に接する力Ｆを受ける。この力Ｆは、Ｃ＝ｎ・ｒ・Ｆであるようなものであり、ここで、ｒは、回転軸線７に対する中立繊維の半径であり、ｎは、バーの数（この場合はｎ＝３）である。両端固定梁の理論によれば、最大曲げモーメントＭは、式Ｍ＝Ｆ・Ｌ／２によって定義され、ここで、Ｌはバーの長さである。図４ｂは、力Ｆを受けるバー１４の平面図である。バーは、曲げによって変形する。次に、梁の横断面の応力の値が梁の領域がどうであれ最大応力に等しい場合には、バーの破断基準を決定することが可能である。この値は、バーの可塑化および材料の分散に依存する。

図の実施形態によれば、各バー１４は、その長さが２．９５ｍｍであり、その幅が２．９ｍｍである矩形横断面を有する。中立繊維が、軸の軸線７に対して６．４７５ｍｍの半径に位置している。そのうえ、各バーは、１１．８５ｍｍの長さを有する。もちろん、これらの寸法は、単に例示として与えられており、本発明は、単にこの実施形態に限定されるものではない。計算は、ステンレス鋼で作られたバーの場合、１８．３Ｎｍ〜４０．５Ｎｍの破断トルク範囲を示している。そのうえ、実験は、１００Ｎの半径方向力の下で、従来技術の７５４５Ｎ／ｍｍの剛性よりもはるかに良好な１５，４５３Ｎ／ｍｍの曲げ剛性が得られることを示している。

本発明は、単に説明された実施形態に限定されるものではない。特に、機械的ヒューズは、ターボシャフト冷却ユニットの連結器以外の３つより多くのバーおよび装備連結器を備えることができる。

Claims (10)

1. ターボシャフト内において、駆動部材（８、９）とよばれる、前記ターボシャフトの駆動機械部材と、受容部材（１０）とよばれる、前記ターボシャフトの被駆動機械部材との間に取り付けられるように構成された機械的ヒューズであって、前記機械的ヒューズは、前記受容部材（１０）に固定され、且つ前記駆動部材（８、９）に固定されるように構成され、前記駆動部材（８、９）および前記受容部材（１０）はそれぞれ、同じ回転軸線（７）を中心として回転し、いったんヒューズが前記駆動部材（８、９）と受容部材（１０）との間に取り付けられると、前記回転軸線（７）に平行な長手方向に延在する本体（１３）を備える機械的ヒューズであって、
   前記本体（１３）が、複数の長手方向バー（１４）を備え、各バー（１４）が、破断可能な機械的ヒューズを形成するように、すべてのバーに加えられるねじりモーメントの作用によって曲げにより変形されるのに適しており、前記すべてのバーにねじりモーメントが加えられた後に、機械的ヒューズがバーの部位で破損することを特徴とする、機械的ヒューズ。
2. ヒューズを前記駆動部材（８、９）に可逆的に連結するための手段を備え、前記駆動部材（８、９）が、遠位端（２０）とよばれる、前記本体（１３）の長手方向端部に配置され、前記遠位端（２０）が、前記駆動部材（８、９）に向かっている、前記本体（１３）の長手方向端部であることを特徴とする、請求項１に記載のヒューズ。
3. 前記本体（１３）の前記遠位端が、円錐形部分または円筒部分を有し、前記円筒部分が、前記駆動部材の円錐形部分（２２）または円筒部分に適合することを特徴とする、請求項２に記載の機械的ヒューズ。
4. ヒューズを前記受容部材（１０）に可逆的に連結するための手段を備え、前記受容部材（１０）が、近位端（２１）とよばれる、前記本体（１３）の長手方向端部に配置され、前記近位端（２１）が、前記駆動部材（８、９）とは反対側の、前記本体（１３）の長手方向端部であ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ヒューズ。
5. 前記本体（１３）の前記近位端が、前記受容部材（１０）に取り付けられるのに適した取付け板（２５）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の機械的ヒューズ。
6. 前記本体（１３）が中空であ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的ヒューズ。
7. 前記近位端（２１）を通して中空の前記本体（１３）に受け入れられ、遠位端（２０）の前記円錐形部分を、前記駆動部材（８、９）の接合する前記円錐形部分（２２）に当接して配置できるのに適しているストラット（２９）を備えることを特徴とする、請求項３を引用する請求項４を引用する請求項６に記載の機械的ヒューズ。
8. 前記ストラット（２９）が、ヒューズの機械的破損があった場合には前記受容部材（１０）の軸線方向移動を制限することを可能にする肩部（３０）を有することを特徴とする、請求項７に記載のヒューズ。
9. 前記本体（１３）が円筒形であり、前記本体（１３）の周りに均等に配置される３つのバー（１４）を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のヒューズ。
10. 駆動軸（９）と、前記軸（９）に片持ち状に取り付けられるインペラ（１０）とを備えるターボシャフトの冷却ユニットであって、前記駆動軸（９）と前記インペラ（１０）との間に配置される請求項１から９のいずれか一項に記載の機械的ヒューズ（１２）を備えることを特徴とする、冷却ユニット。

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