機械的保護装置および方法

本発明は、機械的保護装置に関し、より詳細には過剰速度に対して機械的保護をもたらす装置に関する。

機械的な過負荷に対して装置を保護するために、当業者は、長い間、機械的動力伝達機構内の一要素が、動力伝達機構から下流側のより深刻な損傷を回避するために過負荷発生時に犠牲にされる、保護装置について認識している。たいてい、そのような装置は、過剰な力またはトルクに対して保護をもたらすように設計される。例として、米国特許第4313712号明細書および米国特許第6042292号明細書は、回転シャフト上の過剰な半径方向力に対して機械的保護をもたらす装置を開示している。そうではあるが、これらの知られている犠牲的装置は、過剰速度に対して保護をもたらさないという欠点を有している。数多くの状況では、過剰速度は、過剰な力またはトルクと同じほどの損傷またはそれ以上でもある損傷を生じさせ得る。特に、たとえばタービンエンジンなどの特定の機械では、過剰速度は、正のフィードバック現象を生じさせて、機械の破壊に至るまでの加速において漸進的増加を生じさせることがある。

国際公開第2008/101876号は、伝達シャフトの所定の回転の過剰速度に対応する曲げ共振周波数を有する伝達シャフトを含む機械的保護装置を開示している。この装置では、伝達シャフトの曲げ共振は、伝達シャフトによって回転式に伝達された動力を吸収する働きをし、それによって所定の過剰速度を上回ることを防止する。そうではあるが、これは、利用可能な動力が限定され、曲げにおけるシャフトの減衰が利用可能な動力のすべてを消散するのに十分である場合のみ可能である。利用可能な動力が対抗するトルクと共に増大する危険にある場合、シャフトの曲げ共振は、これに打ち勝つのに十分ではなくなる。

米国特許第4313712号明細書

米国特許第6042292号明細書

国際公開第2008/101876号

本発明は、これらの欠点に対処しようとするものである。

本目的は、伝達シャフトの減衰が、前記曲げ共振の結果として、破損を回避するには不十分であるということによって達成される。したがって、伝達シャフトは、過剰速度発生時に機械的動力伝達機構を中断させる犠牲的要素を形成する。

これらの対策を用いることにより、伝達されている動力が限定されない場合でも、正確に事前決定された過剰速度に対して効果的な保護を得ることが可能である。

有利には、前記曲げ共振周波数は、第1の曲げモードに対応する。したがって、伝達シャフトの漸進的加速中に到達する第1の共振周波数は、シャフトが破損する周波数である。

本発明はまた、駆動シャフトと、特に燃料供給ポンプである供給ポンプと、本発明の機械的保護装置とを含む機械であって、伝達シャフトが、供給ポンプを作動させるために駆動シャフトを供給ポンプに接続する、機械も提供する。したがって、駆動シャフトの過剰速度発生時における伝達シャフトの破損は、供給ポンプの作動を中断させ、それによって機械を停止させる働きをすることができる。

有利には、前記駆動シャフトは、供給ポンプによって送出された燃料の燃焼によって加熱された流体の膨張によって作動されるように構成されたタービンに結合される。こうして、タービン、したがって駆動シャフトおよび伝達シャフトの過剰速度の発生時、伝達シャフトの破損は、機械への燃料の供給を中断し、それによってタービンを停止させる。燃焼は、内部でも外部でもよい。したがって、タービンは、燃料の燃焼から結果的に生じるガスによって直接的に作動されるガスタービン、または燃料の燃焼によって間接的に加熱された流体によって作動される蒸気タービンでよい。

本発明はまた、本発明の機械を含む、特に航空機である車両も提供する。たとえば、機械は、回転翼航空機のターボシャフトエンジンでよい。

本発明はまた、所定の回転過剰速度においてシャフトの曲げ共振によって伝達シャフトを破損させることを含む、機械的保護方法も提供する。

本発明は、非限定的な例としてのみ与えられた実施形態の以下の詳細な説明を読み取ることにより、良好に理解され得、その利点はより良好に明らかになる。本説明は、添付の図を参照する。

本発明の一実施形態における機械的保護装置の伝達シャフトのモデルを示す図である。

図1の伝達シャフトのキャンベル線図である。

図1の機械的保護装置を含むタービンエンジンの図である。

機械的保護装置の伝達シャフトの破損中の図3Aのタービンエンジンの図である。

図1は、本発明の一実施形態における機械的保護装置のための伝達シャフト1のモデルを示している。伝達シャフト1は、互いに固定され、かつ弾性的に装着された軸受2、3、および4によって支持された、ステム1aおよび中央ディスク1bを備えるジェフコットロータとしてモデル化される。ステム1aはそれ自体弾性である。伝達シャフト1は、したがって、軸受2、3、および4の間の曲げ共振を含む、複数の共振周波数を有する動的システムである。伝達シャフト1の各々の曲げモードは、2つの共振周波数、すなわち前方旋回(FW)共振周波数および後方旋回(BW)共振周波数を有する。これらの2つの周波数の各々は、伝達シャフト1の回転速度の関数として曲線を辿る。図2は、シャフト1の回転速度の関数として、第1の前方旋回モードの共振周波数および第1の後方旋回モードの共振周波数をそれぞれ表す曲線FWおよびBWを示している。同じグラフ上において、直線Iは、シャフト1の回転速度Ωに対応する周波数比f_rを示している。主に不均衡であるために、力が、この周波数f_rにおいて回転するシャフト上に、さらに意図することなく及ぼされる。後方旋回曲げモードは、不均衡によって引き起こすことはできない。しかしながら、周波数比f_rが前方旋回共振周波数と一致するとき、すなわち図2のグラフでは、回転の臨界速度Ω_FWにおいて、シャフト1は共振を始める。実際の伝達シャフト1は特定量の固有の減衰を有することができるが、そのような固有の減衰は非常に限定され、通常、そのような回転速度においてシャフト1内に誘導される振動のエネルギーを消散させるのに十分ではない。したがって、シャフト1の曲げ振動の大きさは、シャフト1が破損するまで発散する。

図示される機械的保護装置では、シャフト1は、第1の曲げモードの回転の前方旋回臨界速度Ω_FWが、所定の過剰速度、たとえば例として、シャフト1の回転の公称速度Ω_nの120%に対応するように較正される。したがって、伝達シャフト1がこの過剰速度Ω_FWに到達する場合、過剰速度は、伝達シャフト1の壊滅的共振を生じさせ、それによって伝達シャフト1を破損させ、こうして動力伝達機構を中断させる。

伝達シャフト1は、こうして過剰な力または過剰なトルクに対してではなく、過剰な速度に対して犠牲的な機械的保護装置として作動する。過剰速度に対するそのような機械的保護装置の用途の一例が、図3Aに示されている。この例では、本発明の装置は、過剰速度に対してタービンエンジン10を保護するために使用される。タービンエンジン10は、駆動シャフト13によって一緒に接続された圧縮機11およびタービン12と、供給ポンプ15によって燃料が供給される燃焼室14とを備える。圧縮機12によって圧縮された空気は、燃焼室14に送出され、タービン12による高温の燃焼ガスの膨張は、駆動シャフト13を、圧縮機11を作動させるのに必要とされる動力を超過する大きな余剰動力で作動させる働きをする。駆動シャフト13は、こうして、たとえばヘリコプタロータなどの他の機械的装置を作動させるために、これらの装置に接続され得る。

タービンエンジン10では、伝達シャフト1が、補機ギアボックスAGBを介して駆動シャフト13に結合される。伝達シャフト1はまた、供給ポンプ15を作動させるためにこれに結合される。このようにして、作動時には、燃焼室14に燃料を供給するために、動力が伝達シャフト1を介して駆動シャフト13から取り出される。

駆動シャフト13の所定の過剰速度に到達した場合、伝達シャフト1は、回転のその臨界速度Ω_FWに到達し、曲げ共振の結果として破損する。次いで供給ポンプ15はもはや作動されず、燃焼室14への燃料の送出は停止する。タービンエンジン10は、もはや燃料が供給されないため、駆動シャフト13を作動させるための動力の生成を停止し、その結果、駆動シャフト13は暴走することが防止される。

例となる用途では、タービンエンジン10の駆動シャフト13は、1分あたり30、000回転(rpm)の公称速度を有することができ、機械的保護装置は、公称速度の120%の過剰速度、すなわち36、000rpmで燃料の供給を停止するように設定され得る。伝達シャフト1が、1/3のギア比で駆動シャフト13によって駆動される場合、12、000rpmの臨界速度において、すなわち、シャフトの第1の曲げモードにおいて200ヘルツ(Hz)の前方旋回共振周波数Ω_FWで、破損するように設計されなければならない。

本発明が特有の実施形態を参照して上記で説明されてきたが、さまざまな改変形態および変更が、特許請求の範囲によって定義された本発明の全体範囲を逸脱することなくこれらの実施形態に加えられてよいことが明確である。その結果、説明および図は、制限的ではなく例示的であると考えられなければならない。