KR102255948B1

KR102255948B1 - 엔진 시동기용 디커플러 조립체

Info

Publication number: KR102255948B1
Application number: KR1020180054930A
Authority: KR
Inventors: 수브라타 나약; 엘리엘 프레스코 로드리게즈; 데이비드 앨런 드란스착; 실로 몽고메리 에머슨 메이어스; 팔라비 트리파티
Original assignee: 유니슨 인더스트리즈, 엘엘씨
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2021-05-24
Also published as: US11378011B2; ES2901626T3; US10519866B2; KR20180125401A; BR102018009188A2; EP3404234A1; EP3404234B1; US20180328286A1; US20200141324A1

Abstract

입구(32), 출구(34), 유로를 통한 가스 유동의 전달을 위해 입구(32)와 출구(34) 사이로 연장되는 유로(36)를 형성하는 하우징(30)을 포함하는, 엔진(14)을 시동하기 위한 공기 터빈 시동기(10)가 개시된다. 터빈 부재(38)가 하우징(30) 내에 저널링되고(journaled), 가스의 유동으로부터 기계적 동력을 회전식으로 추출하기 위해 유로 내에 배치된다. 기어열(40)이 터빈 부재(38)와 구동식으로 커플링되고, 구동 샤프트(64, 164, 264)가 기어열(40)과 작동 가능하게 커플링되고, 출력 샤프트(74, 174, 274)는 디커플러(72, 172, 272)를 통해 엔진(14)과 함께 회전하도록 선택적으로 작동 가능하게 커플링된다.

Description

엔진 시동기용 디커플러 조립체{DECOUPLER ASSEMBLIES FOR ENGINE STARTER}

본 발명은 엔진 시동기용 디커플러 조립체에 관한 것이다.

항공기 엔진, 예를 들어 가스 터빈 엔진은 공기 터빈 시동기에 규칙적인 작업으로 결합되어 있다. 가스 터빈 엔진 및 공기 터빈 시동기 양자 모두의 내부 구성요소는 함께 회전하고, 연속적인 부분 사이에 저단 변속(step down) 비 또는 고단 변속(step up) 비를 허용하는 기어박스를 각각 포함할 수 있다. 역구동(back drive)을 방지하기 위해, 오버러닝 클러치가 공기 터빈 시동기 출력 샤프트와 공기 터빈 시동기 기어박스 섹션 사이에 배치된다. 역구동 이벤트는, 엔진이 공기 터빈 시동기의 출력 샤프트를 구동하여 공기 터빈 시동기 내의 터빈 회전자가 과도하게 회전하게 할 때, 결합 위치에서 오버러닝 클러치 고장에 의해 발생될 수 있다. 역구동 이벤트 시에, 가스 터빈 엔진으로부터 공기 터빈 시동기를 디커플링(decouple)하는 것이 바람직할 수 있다.

일 양태에서, 본 개시내용은 엔진을 시동하기 위한 공기 터빈 시동기로서, 입구, 출구, 유로를 통한 가스 유동의 전달을 위해 입구와 출구 사이로 연장되는 유로를 형성하는 하우징, 하우징 내에 저널링되고(journaled) 가스의 유동으로부터 기계적 동력을 회전식으로 추출하기 위해 유로 내에 배치되는 터빈 부재, 터빈 부재와 구동식으로 커플링(coupling)된 기어열(gear train), 기어열과 작동 가능하게 커플링되고 그 출력 단부에 사면 톱니(ramped teeth)를 갖는 구동 샤프트를 포함하는 공기 터빈 시동기에 관한 것이다. 시동기는, 구동 샤프트에 선택적으로 작동 가능하게 커플링된 정합하는 사면 톱니를 갖는 제1 단부 및 엔진에 작동 가능하게 커플링되어 함께 회전하도록 구성된 제2 단부를 갖는 출력 샤프트를 포함하는 디커플러를 더 포함하고, 사면 톱니는 구동 샤프트로부터 출력 샤프트로의 구동 토크의 전달을 허용하고, 사면 톱니는 역구동 토크가 전달될 때 서로 활주하여 출력 샤프트가 구동 샤프트로부터 이격되게 이동하게 된다. 제1 단부를 갖는 본체를 구비하는 커넥터가 출력 샤프트에 커플링되고, 제2 단부를 포함한다. 자기적 커플링(magnetic coupling)은 커넥터의 제2 단부를 구동 샤프트에 선택적으로 결합시키고, 구동 토크가 전달될 때 커넥터는 자기적 커플링을 통해 구동 샤프트에 자기적으로 결합되고 역구동 토크가 전달될 때 커넥터는 자기적 커플링의 적어도 일부로부터 이격되게 이동된다.

다른 양태에서, 본 개시내용은 엔진을 시동하기 위한 공기 터빈 시동기로서, 입구, 출구, 유로를 통한 가스 유동의 전달을 위해 입구와 출구 사이로 연장되는 유로를 형성하는 하우징, 하우징 내에 저널링되고 가스의 유동으로부터 기계적 동력을 회전식으로 추출하기 위해 유로 내에 배치되는 터빈 부재, 터빈 부재와 구동식으로 커플링된 기어열, 기어열과 작동 가능하게 커플링되고 그 출력 단부에 사면 톱니를 갖는 구동 샤프트를 포함하는 공기 터빈 시동기에 관한 것이다. 시동기는, 구동 샤프트에 선택적으로 작동 가능하게 커플링된 정합하는 사면 톱니를 갖는 제1 단부 및 엔진에 작동 가능하게 커플링되어 함께 회전하도록 구성된 제2 단부를 갖는 출력 샤프트를 포함하는 디커플러를 더 포함하고, 사면 톱니는 구동 샤프트로부터 출력 샤프트로의 구동 토크의 전달을 허용하고, 사면 톱니는 역구동 토크가 전달될 때 서로 활주하여 출력 샤프트가 구동 샤프트로부터 이격되게 이동하게 한다. 제1 단부를 갖는 본체를 구비하는 커넥터가 구동 샤프트에 커플링되고, 제2 단부를 포함한다. 자기적 커플링은 커넥터의 제2 단부를 출력 샤프트에 선택적으로 결합시키고, 구동 토크가 전달될 때 커넥터는 자기적 커플링을 통해 출력 샤프트에 자기적으로 결합되고 역구동 토크가 전달될 때 자기적 커플링의 적어도 일부는 커넥터의 제2 단부로부터 이격되게 이동된다.

또 다른 양태에서, 본 개시내용은 엔진을 시동하기 위한 공기 터빈 시동기로서, 입구, 출구, 유로를 통한 가스 유동의 전달을 위해 입구와 출구 사이로 연장되는 유로를 형성하는 하우징, 하우징 내에 저널링되고 가스의 유동으로부터 기계적 동력을 회전식으로 추출하기 위해 유로 내에 배치되는 터빈 부재, 터빈 부재와 구동식으로 커플링된 기어열, 기어열과 작동 가능하게 커플링되고 출력 단부를 갖는 구동 샤프트, 구동 샤프트의 출력 단부에 작동 가능하게 커플링된 제1 단부 및 제1 단부에 대향하고 사면 톱니를 갖는 제2 단부를 갖춘 본체를 갖는 중간 커넥터, 중간 커넥터에 선택적으로 작동 가능하게 커플링된 정합하는 사면 톱니를 갖는 제1 단부 및 엔진에 작동 가능하게 결합되어 함께 회전하도록 구성된 제2 단부를 갖는 출력 샤프트로서, 사면 톱니는 중간 커넥터로부터 출력 샤프트로의 구동 토크의 전달을 허용하고 사면 톱니는 서로 활주하여 역구동 토크가 전달될 때 중간 커넥터가 출력 샤프트로부터 이격되게 이동하게 되는 것인 출력 샤프트, 중간 커넥터에 커플링된 제1 단부 및 출력 샤프트에 선택적으로 작동 가능하게 커플링된 제2 단부를 갖는 커넥터, 및 구동 샤프트 내에 장착되고 중간 커넥터 또는 커넥터 중 적어도 하나와 자기적으로 커플링되도록 구성된 자기 커플링 쌍극자(magnetic coupling dipole)를 포함하는 공기 터빈 시동기에 관한 것이다.

도 1은 본 명세서에 설명된 다양한 양태에 따른 부속 기어박스 및 시동기를 갖는 터빈 엔진의 개략 등각도.
도 2는 본 명세서에 설명된 다양한 양태에 따른 도 1의 시동기의 확대 단면도.
도 3은 도 2의 시동기에 이용될 수 있는 디커플러 조립체의 부분의 등각도.
도 4는 제1 위치에서 도 3의 디커플러 조립체의 단면도.
도 5는 제2 디커플링 위치에서 도 4의 디커플러 조립체의 단면도.
도 6은 제1 위치에서 도 2의 시동기에 이용될 수 있는 디커플러 조립체의 단면도.
도 7은 제2 디커플링 위치에서 도 6의 디커플러 조립체의 단면도.
도 8은 제1 위치에서 도 2의 시동기에 이용될 수 있는 디커플러 조립체의 절결 등각도.
도 9는 도 8로부터의 디커플러 조립체의 부분의 등각도.
도 10은 제1 위치에서 도 8의 디커플러 조립체의 단면도.
도 11은 디커플링 위치에서 도 8의 디커플러 조립체의 단면도.

본 개시내용은 회전 장비의 부분과 커플링된 회전 샤프트의 형태의 동적 모션을 발생하는 구동 메커니즘에 관한 것이다. 비한정적인 한 가지 예는 부속 기어박스 상에 하나 초과의 구성요소를 포함하는 시동기를 커플링하는 것이다. 시동기는 가스 터빈 엔진을 시동하는 것을 포함하여 다양한 용례를 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 예는 터빈 엔진 및 시동기의 용례에 관한 것이지만, 본 개시내용은, 구동 출력에서 회전 모션을 발생시키고 회전 장비의 다른 부분에 회전 모션을 제공하는 구동 메커니즘의 임의의 구현예에 적용될 수 있다.

모든 방향 지시어(예를 들어, 반경방향, 상부, 하부, 상향, 하향, 좌측, 우측, 측방향, 전방, 후방, 위, 아래, 위에, 아래에, 수직, 수평, 시계방향, 반시계방향)는 단지 본 개시내용의 독자의 이해를 돕기 위한 식별 목적으로만 사용되고, 특히 그 위치, 배향, 또는 사용에 대한 한정을 의도하는 것은 아니다. 연결 관련 어구(예를 들어, 부착됨, 커플링됨, 연결됨, 및 결합됨)는 광범위하게 해석되어야 하고, 달리 지시되지 않으면 요소의 집합과 요소들 사이의 상대 이동 사이의 중간 부재를 포함할 수 있다. 이와 같이, 연결 관련 어구는 반드시, 2개의 요소가 직접 연결되어 있고 서로 고정 관계에 있는 것을 암시하는 것은 아니다. 예시적인 도면은 단지 예시의 목적이고, 여기 첨부된 도면에 반영되어 있는 치수, 위치, 순서 및 상대적 크기는 변할 수 있다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "전방" 또는 "상류측"은 엔진 입구를 향한 방향에서의 이동을 가리키며, 또는 구성요소가 다른 구성요소에 비해 엔진 입구에 비교적 더 근접한 것을 칭한다. 용어 "후미" 또는 "하류측"은 엔진 중심선에 대해 엔진의 후방 또는 출구를 향한 방향을 칭한다. 부가적으로, 본 명세서에 사용될 때, 용어 "반경방향" 또는 "반경방향으로"는 엔진의 중심 종축과 외부 엔진 원주 사이로 연장되는 차원을 칭한다. "세트"는, 단지 하나의 요소인 것을 비롯하여, 임의의 수의 각각의 설명된 요소를 포함할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.

도 1을 참조하면, 시동기 모터 또는 공기 터빈 시동기(10)가 변속기 하우징으로서 또한 알려져 있는 부속 기어박스(accessory gear box: AGB)(12)에 커플링되고, 이들은 함께 가스 터빈 엔진과 같은 터빈 엔진(14)에 장착되는 것으로서 개략적으로 도시되어 있다. 이 조립체는 보통 통합형 시동기/발전기 기어박스(Integrated Starter/Generator Gearbox: ISGB)라 칭한다. 터빈 엔진(14)은 고압 압축 영역(18)에 공기를 공급하는 팬(16)을 갖는 공기 흡기구를 포함한다. 팬(16)을 갖는 공기 흡기구 및 고압 압축 영역은 총체적으로 연소의 상류측의 터빈 엔진(14)의 '저온 섹션(cold section)'으로서 알려져 있다. 고압 압축 영역(18)은 고압 공기를 연소 챔버(20)에 제공한다. 연소 챔버에서, 고압 공기는 연료와 혼합되어 연소된다. 고온의 압축된 연소 가스는 터빈 엔진(14)으로부터 배기되기 전에 고압 터빈 영역(22) 및 저압 터빈 영역(24)을 통과한다. 압축 가스가 고압 터빈 영역(22)의 고압 터빈(도시 생략) 및 저압 터빈 영역(24)의 저압 터빈(도시 생략)을 통과함에 따라, 터빈은 터빈 엔진(14)을 통과하는 가스의 유동으로부터 회전 에너지를 추출한다. 고압 터빈 영역(22)의 고압 터빈은 샤프트를 경유하여 고압 압축 영역(18)의 압축 기구(도시 생략)에 커플링되어 압축 기구에 동력을 공급할 수 있다. 저압 터빈은 샤프트를 경유하여 공기 흡기구의 팬(16)에 커플링되어 팬(16)에 동력을 공급할 수 있다.

터빈 엔진은 현대식 상용 항공기 및 군용 항공기에 통상적으로 사용되는 General Electric GEnx 또는 CF6 시리즈 엔진과 같은 터보팬 엔진일 수 있고, 또는 터보프롭(turboprop) 또는 터보샤프트(turboshaft)와 같은 다양한 다른 공지의 터빈 엔진일 수 있다. 터빈 엔진은 배기 가스의 속도를 증가시켜, 이에 의해 추력을 증가시키기 위해 저압 터빈 영역(24)의 하류측에서 부가의 양의 연료를 연소시키는 후연소기(afterburner)를 또한 가질 수 있다.

AGB(12)는 기계식 동력 인출 장치(power take-off)(26)를 경유하여 고압 터빈 영역(22) 또는 저압 터빈 영역(24)에서 터빈 엔진(14)에 커플링된다. 기계식 동력 인출 장치(26)는 다수의 기어, 및 터빈 엔진(14)으로의 AGB(12)의 기계식 커플링을 위한 수단을 포함한다. 정상 작동 조건 하에서, 동력 인출 장치(26)는 예를 들어 이들에 한정되는 것은 아니지만, 연료 펌프, 전기 시스템, 및 객실 환경 제어부와 같은 항공기의 부속 장치에 동력 공급하기 위해 터빈 엔진(14)으로부터 AGB(12)로 동력을 전달한다. 공기 터빈 시동기(10)는 팬(16)을 포함하는 공기 흡기구 영역의 외부에 또는 고압 압축 영역(18) 부근의 코어 상에 장착될 수 있다.

이제, 도 2를 참조하면, AGB(12)에 장착될 수 있는 공기 터빈 시동기(10)가 더 상세히 도시되어 있다. 일반적으로, 공기 터빈 시동기(10)는 입구(32), 출구(34), 유로를 통한 가스 유동의 전달을 위해 입구(32)와 출구(34) 사이로 연장되는 유로(36)를 형성하는 하우징(30)을 포함한다. 비한정적인 한 가지 예에서, 가스는 공기이고, 지상 동작식 에어 카트(ground-operating air cart), 보조 동력 유닛, 또는 미리 작동하는 엔진으로부터의 크로스-블리드 스타트(cross-bleed start)로부터 공급된다. 공기 터빈 시동기(10)는, 하우징(30) 내에 저널링되고 유로(36)를 따른 가스의 유동으로부터 기계적 동력을 회전식으로 추출하기 위해 유로(36) 내에 배치된 터빈 부재(38)를 포함한다. 기어박스(42)가 하우징(30) 내에 장착된다. 또한, 기어박스(42) 내에 배치되고 터빈 부재(38)와 구동식으로 커플링된 기어열(40)이 회전하게 될 수 있다.

기어열(40)은 링 기어(46)를 포함하고, 예를 들어 이들에 한정되는 것은 아니지만 유성 기어 조립체 또는 피니언 기어 조립체를 포함하는 임의의 기어 조립체를 더 포함할 수 있다. 터빈 샤프트(50)가 기어열(40)을 터빈 부재(38)에 커플링하여 기어열(40)로의 기계적 동력의 전달을 허용한다. 터빈 샤프트(50)는 기어열(40)에 커플링되고 한 쌍의 터빈 베어링(52)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 기어열(40)은 한 쌍의 캐리어 베어링(53)에 의해 지지된다. 기어박스 내측부(54)는, 기어열(40), 링 기어(46), 및 베어링(52, 53)과 같이 내부에 수납된 기계 부분에 윤활 및 냉각을 제공하기 위한, 그리스(grease) 또는 오일(이들에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 유활제를 포함할 수 있다.

터빈 샤프트(50)가 그를 통해 연장되고 캐리어 샤프트(58)와 연동하는 구멍(56)이 기어박스(42) 내에 존재하고, 이 캐리어 샤프트에는 클러치(60)가 장착되어 한 쌍의 이격된 베어링(62)에 의해 지지된다. 구동 샤프트(64)가 기어박스(42)로부터 연장되고 클러치(60)에 커플링되며 한 쌍의 이격된 베어링(62)에 의해 부가적으로 지지된다. 구동 샤프트(64)는 기어열(40)에 의해 구동되고 AGB(12)에 커플링되어, 시동 작동 중에 구동 샤프트(64)가 AGB(12)에 구동 모션을 제공하게 된다.

클러치(60)는 터빈 샤프트(50), 캐리어 샤프트(58), 및 구동 샤프트(64)를 포함하는 단일의 회전형 샤프트(66)를 형성하는 임의의 유형의 샤프트 인터페이스부일 수 있다. 샤프트 인터페이스부는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 기어, 스플라인, 클러치 기구, 또는 이들의 조합을 포함하여 임의의 공지의 커플링 방법에 의한 것일 수 있다. 샤프트 인터페이스부의 예는 General Electric의 미국 특허 제4,281,942호에 개시되어 있고, 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다.

시동기(10)는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 알루미늄, 스테인레스강, 철 또는 티타늄과 같은 고강도 경량 금속의 다이캐스팅을 포함하여, 임의의 재료 및 방법에 의해 형성될 수 있다. 하우징(30) 및 기어박스(42)는 공기 터빈 시동기(10)에 그리고 이에 따라 항공기에 불필요한 중량을 추가하지 않으면서 적절한 기계적 강성을 제공하기에 충분한 두께로 형성될 수 있다.

회전형 샤프트(66)는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 알루미늄, 철, 니켈, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 바나듐, 또는 몰리브덴을 포함하는 것들과 같은 고강도 금속 합금의 압출 또는 기계가공을 포함하여, 임의의 재료 및 방법에 의해 구성될 수 있다. 터빈 샤프트(50), 캐리어 샤프트(58), 및 구동 샤프트(64)의 직경은 일정할 수도 있고, 회전형 샤프트(66)의 길이를 따라 변할 수도 있다. 상기 직경은 다양한 크기뿐만 아니라 다양한 회전자 대 고정자 간격을 허용하도록 변할 수 있다.

본 명세서에 설명되는 바와 같이, 유로(36)를 따라 공급된 공기는 회전 샤프트(50, 58, 64)의 회전을 구동하기 위해 터빈 부재(38)를 회전시킨다. 따라서, 시동 작동 중에, 시동기(10)는 회전 샤프트(50, 58, 64)의 회전을 통한, 터빈 엔진(14)을 위한 구동 기구일 수 있다. 비구동 기구, 즉 구동 기구에 의해 구동되는 장비는, 예를 들어 시동기(10) 내에 전기를 발생하기 위해, 회전 샤프트(50, 58, 64)의 회전 이동을 이용하는 회전 장비로서 이해될 수 있다.

구동 샤프트(64)는 또한 출력 샤프트(74)를 갖는 역구동 디커플러(72)를 포함하는 디커플러 조립체(70)에 커플링된다. 출력 샤프트(74)는 엔진(14)에 작동 가능하게 커플링되어 함께 회전하도록 구성된다. 커넥터(76)가 출력 샤프트(74)에 커플링되고, 구동 샤프트(64)의 자기적 커플링(78) 내로 연장되어 커넥터(76)를 구동 샤프트(64)에 선택적으로 커플링시킬 수 있다. 또한, 커넥터(76)는 구동 샤프트(64)와 출력 샤프트(74) 양자 사이에 정렬을 제공할 수 있다.

도 3을 참조하면, 출력 샤프트(74)가 더 상세히 도시되어 있다. 제1 단부(79)가 톱니(80)의 세트를 포함한다. 각각의 톱니(80)는 톱니부(82) 및 사면부(ramped portion)(84)를 포함한다. 사면부(84)는 비한정적인 예에서, 일 방향에서 결합을 가능하게 하기 위한 톱니(80)의 경사부(inclined portion), 각형성부(angled portion), 또는 다른 방식으로 배향된 부분일 수 있다. 3개의 톱니가 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적은 톱니가 고려된다. 톱니(80)는 제1 단부(79)에서 출력 샤프트(74)의 원통형 본체(86)를 한정한다. 원통형 본체(86)는 내측부(88)를 갖고 제2 단부(90)에서 종료된다. 제2 단부(90)는 출력 샤프트(74)를 AGB(12)에 커플링하기 위한 임의의 유형의 커플링 기구(도시 생략)를 포함할 수 있다. 제2 단부(90)는 제2 단부가 커플링되는 AGB(12)에 따라 다양한 길이를 가질 수 있다.

차단 기구(92)가 출력 샤프트(74)의 제1 단부(79)에 제공될 수 있다. 차단 기구(92)는 팽창 위치에서 도시되어 있는 편향 기구(94)를 포함할 수 있다. 편향 기구(94)는 비한정적인 예로서, 압축 스프링(96)으로서 제시되어 있다. 출력 샤프트(74) 내에 도시되어 있지만, 차단 기구는 출력 샤프트(74)의 제1 단부(79)가 구동 샤프트(64)와 만나는 위치에서 구동 샤프트(64) 상에 제공될 수 있다.

도 4는 정상 구동 조건 하에서 디커플러 조립체(70)가 제1 위치(100)에 있는 시동기(10)의 부분을 또한 도시하고 있다. 출력 샤프트(74)의 톱니(80)와 정합하기 위한 상보형 톱니(106)를 갖춘 출력 단부(104)를 구비하는 2차 샤프트(102)에서 구동 샤프트(64)가 종료되는 것을 더 용이하게 볼 수 있다. 제시되어 있지 않지만, 톱니(106)는, 톱니가 톱니부 및 사면부를 또한 포함하도록 상보적이다. 수축 위치에서 도시되어 있는 압축 스프링(96)은 톱니(80)에서 출력 샤프트(74) 내에 위치된다. 2차 샤프트(102)는 외장(sheath)(110)이 위치되어 있는 내측부(108)를 더 포함한다. 외장(110)은 퓨즈(76)가 그를 통해 활주할 수 있는 개구(111)를 갖는 개방 실린더이다. 외장(110)은 고도로 자기 투과성인 재료로 제조된 중공 실린더일 수 있다. 외장(110)은 예를 들어, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 코발트-철, 구리, 페라이트, 페라이트 스테인레스강, 또는 퍼멀로이(permalloy)로 제조될 수 있다.

커넥터(76)는 구동 샤프트(64)의 내측부(108)로 그리고 개구(111)를 거쳐 출력 샤프트(74)의 내측부(88)를 통해 연장되는 본체(112)를 갖고, 여기서 커넥터(76)는 출력 샤프트(74)에 커플링된 제1 단부(114)에서 종료된다. 커넥터(76)는 비한정적인 예로서 강과 같은 임의의 자성 재료로 제조될 수 있다. 커넥터(76)는 제1 단부(114)에서 출력 샤프트(74)에 기계식으로 고정된다. 내측부(108) 내에 위치되어 있는 본체(112)의 부분은, 커넥터(76)가 자기적 커플링(78) 내로 연장되는 제2 단부(116)에서 종료되는 위치를 넘어 외장(110)을 통해 연장된다.

자기적 커플링(78)은 예를 들어, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 영구 자석(122)의 집합과 커넥터(76) 사이에 형성된 자극(magnetic pole)(120)을 포함한다. 영구 자석(122)은 구동 샤프트(64)의 2차 샤프트(102) 내에서 커넥터(76) 주위에 자기링으로서 원주방향으로 배열된다. 커넥터(76)는 자기 쌍극자(120)에 의한 자기적 커플링(78)으로 구동 샤프트(64)에 선택적으로 축방향으로 커플링된다.

화살표(124)로 도시되어 있는 토크 경로는 구동 샤프트(64)로부터 톱니(106)를 갖는 출력 단부(104) 및 출력 샤프트(74)의 톱니(80)를 통해, 출력 샤프트(74)를 통해, 그리고 마지막으로 AGB(12) 및 엔진(14)으로 계속하여 연장된다. 톱니(106) 및 톱니(80)는 토크 경로(124)를 따라 일 방향으로 높은 토크 전달을 가능하게 한다. 정상 작동 조건 하에서, 토크 경로(124)는 구동 샤프트(64)가 AGB(12)에 토크를 제공하여 엔진(14)을 시동하는 것을 허용한다.

도 5를 참조하면, 토크 경로(125)가 방향을 전환하는 역구동 조건의 이벤트 시에, 구동 샤프트(64)의 출력 단부(104)와 출력 샤프트(74)는 반대 방향으로 회전한다. 이들이 반대 방향으로 회전함에 따라, 구동 샤프트(64)의 톱니(106)와 출력 샤프트(74)의 톱니(80)는 톱니(80, 106)의 사면부(84)에 기인하여 서로에 대해 슬립(slip)한다. 톱니(80)는 톱니(106) 위에서 활주하여 출력 샤프트(74)가 구동 샤프트(64)로부터 이격되어 들어올려지게 한다.

커넥터(76)는 출력 샤프트(74)와 커플링되기 때문에, 이는 또한 구동 샤프트(64)로부터 이격되어, 자기적 커플링(78) 외부로, 그리고 외장(110) 내로 이동한다. 외장(110)은 커넥터(76)와 영구 자석(122) 사이의 자기 쌍극자(120)를 파단하도록 자기장 라인의 방향을 바꾼다. 자기 쌍극자(120)의 파단 시에, 출력 샤프트(74)는 구동 샤프트(64)로부터 디커플링된다. 출력 샤프트(74)가 구동 샤프트(64)로부터 이격되어 들어올려질 때, 편향 기구(94)는 수축 위치(도 4)로부터 도 5에 도시되어 있는 팽창 위치로 이동한다. 압축 스프링(96)은 가능한 리커플링(recoupling)을 방지하기 위해, 디커플링 후에 구동 샤프트(64)로부터 이격된 상태로 출력 샤프트(74)를 유지하도록 팽창한다.

도 6은 시동기(10)에 이용될 수 있는 다른 예시적인 디커플러 조립체(170)를 도시하고 있다. 디커플러 조립체(170)는 도 4에 도시되어 있는 디커플러 조립체(70)와 기능이 유사하고, 따라서 유사한 부분은 100만큼 증가된 유사한 도면 부호로 식별될 것이다. 달리 언급되지 않으면, 디커플러 조립체(70)의 유사한 부분에 관한 설명은 다른 예시적인 디커플러 조립체(170)에 적용된다는 것이 이해되어야 한다.

전술한 디커플러에서와 같이, 출력 샤프트(174)는 정합하는 사면 톱니(180)를 갖는 제1 단부(179)에서 종료된다. 톱니(180)는 제1 단부(179)에서 출력 샤프트(174)의 원통형 본체(186)를 한정한다. 한 가지 차이점은, 원통형 본체(186)가 출력 샤프트(174)의 내측부(188) 내에 외장(210)을 더 포함한다는 것이다. 외장(210)은 고도로 자기 투과성인 재료로 제조된 중공 실린더일 수 있다. 외장(210)은 예를 들어, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 코발트-철, 구리, 페라이트, 페라이트 스테인레스강, 또는 퍼멀로이로 제조될 수 있다. 다른 차이점은, 비한정적인 예로서, 원통형 본체(186) 내에 원주방향으로 배열되고 외장(210)에 인접한 영구 자석(222)의 집합으로부터 자기적 커플링(178)이 형성된다는 것이다.

구동 샤프트(164)는 출력 샤프트(174)의 톱니(180)와 정합할 수 있는 상보형 톱니(206)를 갖는 출력 단부(204)를 구비하는 2차 샤프트(202)에서 종료된다. 2차 샤프트(202)는 내측부(208)를 더 포함한다. 커넥터(176)는 제1 단부(214) 및 제2 단부(216)를 갖춘 본체(212)를 갖는다. 제2 단부(216)는 구동 샤프트(164)에 기계식으로 커플링된다. 디커플러(170)가 제1 위치에 있을 때, 커넥터(176)는 구동 샤프트(164)로부터 2차 샤프트(202)의 내측부(208)를 통해 그리고 외장(210)을 통해 연장되어 자기적 커플링(178) 내의 제1 단부(214)에서 종료된다. 자기적 커플링(178)은 영구 자석(222)의 집합과 커넥터(176)의 제1 단부(214) 사이에 형성된 자기 쌍극자(220)를 포함한다. 이 방식으로, 커넥터(176)는 자기 쌍극자(220)에 의한 자기적 커플링(178)으로 구동 샤프트(164)에 선택적으로 축방향으로 커플링된다.

토크 경로(224)는 구동 샤프트(164)로부터 톱니(206) 및 정합하는 사면 톱니(180)를 통해 출력 샤프트(174)로 그리고 계속하여 AGB(12) 및 엔진(14)으로 연장된다. 정상 작동 조건 하에서, 토크 경로(224)는 구동 샤프트(164)가 AGB(12)에 토크를 제공하여 엔진(14)을 시동하는 것을 허용한다.

도 7을 참조하면, 디커플러 조립체(70)와 유사하게, 디커플러 조립체(170)는 역구동 조건의 이벤트 시에 출력 샤프트(174)가 구동 샤프트(164)로부터 디커플링되는 것을 가능하게 한다. 디커플러 조립체(170)에서, 커넥터(176)는 구동 샤프트(164)에 기계식으로 연결되는 반면에 자기적 커플링은 출력 샤프트(174) 내에 위치된다. 역구동 이벤트 중에, 톱니(206, 180)가 구동 샤프트(164)로부터 이격되게 출력 샤프트(174)를 들어올림에 따라, 커넥터(176)는 이동하지 않는다. 오히려, 자기적 커플링(178) 및 외장(210)은 출력 샤프트(174)와 함께 이동한다. 외장(210)이 커넥터(176)의 제1 단부(214) 위로 통과함에 따라, 커넥터(176)와 영구 자석(222) 사이의 자기 쌍극자(220)는 파단된다. 이는 구동 샤프트(164)로부터 출력 샤프트(174)를 완전히 디커플링한다. 재차, 분리를 유지하기 위해 편향 기구(194)가 사용될 수 있다.

도 8은 다른 예시적인 디커플러 조립체(270)의 절결 등각도를 도시하고 있다. 디커플러 조립체(270)는 도 4에 도시되어 있는 디커플러 조립체(70)와 기능이 유사하고, 따라서 유사한 부분은 200만큼 증가된 유사한 도면 부호로 식별될 것이다. 달리 언급되지 않으면, 디커플러 조립체(70)의 유사한 부분에 관한 설명은 다른 예시적인 디커플러 조립체(270)에 적용된다는 것이 이해되어야 한다.

디커플러 조립체(270)는 출력 단부(330)에서 종료되는 구동 샤프트(264)를 포함한다. 복수의 영구 자석(322)이 구동 샤프트(270)의 내측부 기부(332) 내에 원주방향으로 배열되어 자기적 커플링(278)을 형성한다. 구동 샤프트(264)는 스플라인 특징부(334)가 수용될 수 있는 스플라인 커플러(345)를 더 포함한다.

출력 샤프트(274)는 톱니(280)를 갖는 제1 단부(279)에서 종료된다. 톱니(280)는 출력 샤프트(274)의 제1 단부(279)에서 출력 샤프트(274)의 원통형 본체(286)를 한정한다. 원통형 본체(286)의 제1 단부(279)는 구동 샤프트(264)의 팁(338; tip) 내에 제공된 베어링(336)의 세트에 의해 지지된다.

커넥터(276)는, 출력 샤프트(274)에 커플링된 제1 단부(314) 및 중간 커넥터(340)에 커플링된 제2 단부(316)를 갖춘 본체(312)를 갖는다. 커넥터(276)는 부가의 축방향 안정성을 제공한다. 커넥터(276)는 비한정적인 한 가지 예에서 인장 퓨즈(tensile fuse)이다. 출력 샤프트(274) 및 중간 커넥터(340)의 부분은 구동 샤프트(264)의 출력 단부(330)의 내측부(308) 내에 위치된다.

중간 커넥터(340)는 도 9의 등각도에 더 상세히 도시되어 있고, 복수의 스플라인(344)이 커넥터(340)의 기부(348)를 한정하는 것을 더욱 명확하게 볼 수 있다. 복수의 스플라인(344)이 종료되는 중간 커넥터(340)의 기부(348)는 돌출부(346)에 의해 형성된다. 출력 샤프트(274)의 톱니(280)와 정합하기 위한 상보형 톱니(306)를 갖는 면(304)이, 중간 커넥터(340)의 기부(348)에 대향하는 단부(350)에 제공된다. 중간 커넥터(340)는 스플라인 커플러(334) 및 복수의 스플라인(344)을 통해 구동 샤프트(264)에 커플링된다. 중간 커넥터(340)는 출력 샤프트(274)에 선택적으로 커플링되도록, 면(304)에서 종료되는 출력 샤프트(274)를 향해 연장된다. 중간 커넥터(340)는 예를 들어, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 코발트-철, 구리, 페라이트, 페라이트 스테인레스강, 또는 퍼멀로이와 같은 고도로 자기 투과성인 재료로 제조된다. 정상 작동 중에, 중간 커넥터(340)의 돌출부(346)는 출력 샤프트(274)를 향한 중간 커넥터(340)의 축방향 이동을 제한한다.

도 10을 참조하면, 디커플러 조립체(270)는 제1 위치(300)에서 단면도로 도시되어 있다. 정상 작동 중에, 토크 경로(324)는 구동 샤프트(264)로부터 중간 커넥터(340), 톱니(306) 및 정합하는 사면 톱니(280)를 통해 출력 샤프트(274)로 그리고 계속해서 AGB(12) 및 엔진(14)으로 연장된다. 중간 커넥터(340)의 톱니(306) 및 출력 샤프트(274)는 일 방향에서의 높은 토크 전달 및 다른 방향에서의 슬립을 허용한다. 정상 작동 조건 하에서, 토크 경로(324)는 구동 샤프트(164)가 AGB(12)에 토크를 제공하여 엔진(14)을 시동하는 것을 허용한다.

역구동 이벤트 시에, 디커플러 조립체(270)는 도 11에 도시되어 있는 바와 같이 출력 샤프트(274)가 중간 커넥터(340)로부터 디커플링되는 것을 가능하게 한다. 역구동 중에, 토크 경로(324)가 역전될 때, 톱니(306) 및 톱니(280)는 서로 활주하여, 중간 커넥터(340)를 구동 샤프트(264) 내로 그리고 출력 샤프트(274)로부터 이격되게 밀어낸다. 중간 커넥터(340)가 출력 샤프트(274)로부터 이격되게 이동함에 따라, 커넥터(276)는 역구동 중에 전단하도록 구성되고 중간 커넥터(340)의 이동을 허용하는 것을 차단한다. 중간 커넥터(304)는 영구 자석(322) 내에서 이동한다. 영구 자석(322)과 중간 커넥터(340) 사이에 자기 커플링 쌍극자가 형성된다. 중간 커넥터(340)는 출력 샤프트(274)로부터 이격되어 자기 커플링 쌍극자에 의해 유지되어, 출력 샤프트(274)가 자유롭게 스핀(spin)하여 구동 샤프트(264)로부터 디커플링되도록 허용된다.

본 명세서에 설명된 디커플러 조립체와 연계된 장점은 출력 샤프트의 비의도적인 재결합의 가능성을 최소화하는 것을 포함한다. 이는 터빈 엔진을 위한 시동기의 바람직하지 않은 역구동을 방지하는 것을 포함한다. 역구동을 방지함으로써, 본 명세서에 설명된 부분, 특히 구동 샤프트 및 출력 샤프트의 마모가 감소한다. 마모를 감소시키는 것은 결국 부품의 수명을 증가시킨다. 디커플러 조립체는 본 명세서에 설명된 바와 같이 더 낮은 유지보수 비용 및 용이한 수리를 가능하게 한다.

커넥터는 구동 샤프트와 출력 샤프트 양자 사이에 정렬을 제공할 수 있다. 커넥터는 자기 커플링 쌍극자와 인터페이스(interface)하여 축방향 접속성을 제공한다. 자기 쌍극자 및 커넥터를 이용하는 것은 역구동과 연계된 임의의 충격(impulse)을 감소시키는 것을 돕는다. 상기 충격의 감소는 또한 시동기에서의 진동 노이즈를 감소시키는데, 이는 효율 및 전체 성능을 향상시킨다.

부가적으로, 중간 커넥터를 포함하는 디커플러 조립체에 관하여, AGB를 향한 구동 샤프트의 축방향 이동의 제한이 발생할 때, 중간 커넥터는 출력 샤프트와 구동 커넥터 사이에 배치될 수 있다.

전술되지 않은 정도로, 다양한 양태의 상이한 특징부 및 구조는 원하는 바에 따라 서로 조합될 수 있다. 일 특징부가 모든 양태에서 예시될 수 없다는 것은, 일 특징부가 모든 양태에 포함될 수 없다는 것으로 해석되도록 의도되는 것은 아니고, 설명의 간략화를 위해 행해진 것이다. 따라서, 새로운 예가 명시적으로 설명되건 설명되지 않건 간에, 상이한 양태의 다양한 특징부는 원하는 바에 따라 혼합되고 정합되어 새로운 예를 형성할 수 있다. 더욱이, 다양한 요소의 "세트"가 설명되었지만, "세트"는 단지 하나의 요소를 포함하는 것을 비롯하여, 임의의 수의 각각의 요소를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 본 명세서에 설명된 특징부의 조합 또는 치환은 본 개시내용에 의해 커버(cover)된다. 상기 도면들에 도시되어 있는 것에 추가하여 다수의 다른 가능한 실시예 및 구성이 본 개시내용에 의해 고려된다. 부가적으로, 시동기, AGB, 또는 이들의 구성요소와 같은 다양한 구성요소의 디자인 및 배치는 다수의 상이한 인라인(in-line) 구성이 실현될 수 있도록 재배열될 수 있다.

이상 기술된 설명은 최선의 모드를 포함하여, 본 발명의 양태를 개시하기 위해, 그리고 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조하고 사용하는 것과 임의의 구체화된 방법을 수행하는 것을 포함하여, 당 기술 분야의 임의의 숙련자가 본 발명의 양태를 실시하는 것을 가능하게 하기 위해, 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범주는 청구범위에 의해 규정되고, 당 기술 분야의 숙련자들에게 착안 가능한 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 이들이 청구범위의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 갖거나, 또는 이들이 청구범위의 문자 언어와 비실질적인 차이점을 갖는 등가의 구조적 요소를 포함하면, 청구범위의 범주 내에 있도록 의도된다.

10: 시동기 12: 부속 기어박스
14: 터빈 엔진 16: 팬
18: 고압 압축 영역 20: 연소 챔버
22: 고압 터빈 영역 24: 저압 터빈 영역
26: 동력 인출 장치 30: 하우징
32: 입구 34: 출구
36: 유로 38: 터빈 부재
40: 기어열 42: 기어박스
44: 유성 기어 시스템 46: 링 기어
48: 유성 기어의 세트 50: 터빈 샤프트
52: 터빈 베어링 53: 캐리어 베어링
54: 기어박스 내측부 56: 구멍
58: 캐리어 샤프트 60: 클러치
62: 이격된 베어링 64: 구동 샤프트
66: 회전형 샤프트 70: 디커플러 조립체
72: 역구동 디커플러 74: 출력 샤프트
76: 커넥터 78: 자기적 커플링
79: 제1 단부(출력 샤프트) 80: 정합하는 사면 톱니
82: 톱니부 84: 사면부
86: 원통형 본체 88: 내측부(원통형 본체)
90: 제2 단부(출력 샤프트) 92: 차단 기구
94: 편향 기구 96: 압축 스프링
100: 제1 위치 102: 2차 샤프트
104: 출력 단부 106: 상보형 톱니
108: 내측부(2차 샤프트) 110: 외장
112: 본체(커넥터) 114: 제1 단부(커넥터)
116: 제2 단부(커넥터) 120: 자기 쌍극자
122: 영구 자석 124: 토크 경로
125: 역토크 경로 164: 구동 샤프트
170: 디커플러 조립체 174: 출력 샤프트
176: 커넥터 178: 자기적 커플링
179: 제1 단부(출력 샤프트) 180: 정합하는 사면 톱니
182: 톱니부 184: 사면부
186: 원통형 본체 188: 내측부(원통형 본체)
190: 제2 단부(출력 샤프트) 192: 차단 기구
194: 편향 기구 196: 압축 스프링
200: 제1 위치 202: 2차 샤프트
204: 출력 단부 206: 상보형 톱니
208: 내측부(2차 샤프트) 210: 외장
212: 본체(커넥터) 214: 제1 단부(커넥터)
216: 제2 단부(커넥터) 220: 자기 쌍극자
222: 영구 자석 224: 토크 경로
225: 역토크 경로 264: 구동 샤프트
270: 디커플러 조립체 272: 역구동 디커플러
274: 출력 샤프트 276: 커넥터
278: 자기적 커플링 279: 제1 단부(출력 샤프트)
280: 정합하는 사면 톱니 282: 톱니부
284: 사면부 286: 원통형 본체
288: 내측부(원통형 본체) 290: 제2 단부(출력 샤프트)
292: 차단 기구 294: 편향 기구
296: 압축 스프링 300: 제1 위치
302: 2차 샤프트 304: 출력 단부
306: 상보형 톱니 308: 내측부(2차 샤프트)
310: 외장 312: 본체(커넥터)
314: 제1 단부(커넥터) 316: 제2 단부(커넥터)
320: 자기 쌍극자 322: 영구 자석
324: 토크 경로 325: 역토크 경로
330: 노즈 섹션 332: 기부
334: 스플라인 커플러 336: 베어링의 세트
338: 팁(tip) 340: 중간 커넥터
344: 스플라인 346: 시트
348: 기부 350: 단부

Claims

엔진(14)을 시동하기 위한 공기 터빈 시동기(10)로서,
입구(32), 출구(34), 유로를 통한 가스 유동의 전달을 위해 상기 입구(32)와 상기 출구(34) 사이로 연장되는 유로(36)를 형성하는 하우징(30);
상기 하우징(30) 내에 저널링되고(journaled), 상기 가스 유동으로부터 기계적 동력을 회전식으로 추출하기 위해 상기 유로(36) 내에 배치되는 터빈 부재(38);
상기 터빈 부재(38)와 구동식으로(drivingly) 커플링(coupling)된 기어열(40);
상기 기어열(40)과 작동 가능하게 커플링되고 그 출력 단부(104)에 사면 톱니(80, 180, 280; ramped teeth)를 갖는 구동 샤프트(64, 164, 264);
디커플러(72, 172, 272; decoupler)
를 포함하고, 상기 디커플러는,
상기 구동 샤프트(64, 164, 264)에 선택적으로 작동 가능하게 커플링되는 정합하는 사면 톱니(80, 180, 280)를 갖는 제1 단부(79, 179, 279) 및 상기 엔진(14)에 작동 가능하게 커플링되어 상기 엔진과 함께 회전하도록 구성된 제2 단부(90, 190, 290)를 갖는 출력 샤프트(74, 274, 374)로서, 상기 사면 톱니(80, 180, 280)는 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)로부터 상기 출력 샤프트(74, 274, 374)로의 구동 토크(124, 224, 324)의 전달을 허용하고, 상기 사면 톱니(80, 180, 280)들은 역구동 토크(124, 224, 324)가 전달될 때 서로 활주하여 상기 출력 샤프트(74, 174, 274)가 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)로부터 이격되게 이동하게 되는 것인 출력 샤프트(74, 274, 374);
상기 출력 샤프트(74, 174, 274)에 커플링된 제1 단부(114, 214, 314) 및 제2 단부(116, 216, 316)를 갖춘 본체(112, 212, 312)를 갖는 커넥터(76, 176, 276);
상기 커넥터(76, 176, 276)의 제2 단부(116, 216, 316)를 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)에 선택적으로 결합시키는 자기적 커플링(78, 178, 278; magnetic coupling)으로서, 구동 토크(124, 224, 324)가 전달될 때, 상기 커넥터(76, 176, 276)는 상기 자기적 커플링(78, 178, 278)을 통해 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)에 자기적으로 결합되고, 역구동 토크(124, 224, 324)가 전달될 때, 상기 커넥터(76, 176, 276)는 상기 자기적 커플링(78, 178, 278)의 적어도 일부로부터 이격되게 이동되는 것인 자기적 커플링(78, 178, 278)
을 포함하는 것인 공기 터빈 시동기.
제1항에 있어서, 상기 자기적 커플링(78, 178, 278)은 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)의 부분에 그리고 상기 커넥터(76, 176, 276) 상에, 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)와 상기 커넥터(76, 176, 276) 사이에 축방향 접속성(axial connectivity)을 제공하도록 구성된 자기 커플링 쌍극자(120, 220, 320)를 포함하는 것인 공기 터빈 시동기.
제2항에 있어서,
상기 구동 샤프트(64, 164, 264) 내에 위치된 외장(110, 210, 310; sheath)
을 더 포함하고, 상기 외장(110, 210, 310)은 고도로 자기 투과성인 재료를 포함하는 것인 공기 터빈 시동기.
제3항에 있어서, 상기 커넥터(76, 176, 276)의 제2 단부(116, 216, 316)는 상기 외장(110, 210, 310) 내로 이동 가능하고, 상기 외장(110, 210, 310)은 상기 자기 커플링 쌍극자(120, 220, 320)에 의해 생성된 자기장의 적어도 일부의 방향을 바꾸도록 구성되는 것인 공기 터빈 시동기.
제1항에 있어서,
상기 출력 샤프트(74, 174, 274)가 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)와 작동 가능하게 커플링되는 것을 금지하도록 구성된 차단 기구(92, 192, 292)
를 더 포함하는 공기 터빈 시동기.
제5항에 있어서, 상기 차단 기구(92, 192, 292)는, 편향 기구(94, 194, 294)가 상기 구동 샤프트(64, 164, 264) 또는 상기 출력 샤프트(74, 174, 274) 중 하나 내에 위치되어 있는 수축 위치와, 편향 기구(94, 194, 294)가 상기 구동 샤프트(64, 164, 264) 또는 상기 출력 샤프트(74, 174, 274) 중 다른 하나와 이격되게 편향되도록 구성되는 팽창 위치 사이에서 이동 가능한 편향 기구(94, 194, 294)를 포함하는 것인 공기 터빈 시동기.
제6항에 있어서, 상기 편향 기구(94, 194, 294)는 압축 스프링(96, 196, 296)인 것인 공기 터빈 시동기.
제1항에 있어서, 상기 커넥터(76, 176, 276)는 상기 구동 샤프트(64, 164, 264)와 상기 출력 샤프트(74, 174, 274) 사이에 회전식 정렬(rotational alignment)을 제공하도록 구성되는 것인 공기 터빈 시동기.