(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじり過負荷の下で破壊可能である脆弱要素（２、２’）を有する伝動シャフト（１）を備える機械的保護装置であって、少なくとも、
主軸（Ｘ）を中心に回転するように伝動シャフト（１）に固定され、主軸（Ｘ）に対して半径方向に外方向に第１の位置から第２の位置に移動するのに適した可動部材（３）と、
可動部材（３）を第１の位置に向かって付勢するばね（４）と、
可動部材（３）が第２の位置にあるときに、回転する可動部材（３）が衝突して、主軸（Ｘ）の周りの可動部材（３）の回転を停止させるのに適した接線方向当接部（８）とをさらに備え、
可動部材（３）およびばね（４）が、所定の始動角速度からは、可動部材（３）がばね（４）のプレストレスより大きい遠心力の効果の下で第１の位置から第２の位置に移動するように較正されることを特徴とする、機械的保護装置。
【請求項２】
可動部材（３）が、第１の位置から第２の位置に並進式に移動するのに適する、請求項１に記載の機械的保護装置。
【請求項３】
可動部材（３）が、第１の位置から第２の位置に枢動式に移動するのに適する、請求項１に記載の機械的保護装置。
【請求項４】
駆動シャフト（１３）と、供給ポンプ（１５）と、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の機械的保護装置とを含む機械であって、前記伝動シャフト（１）が、前記供給ポンプ（１５）を作動させるために駆動シャフト（１３）を供給ポンプ（１５）に接続する、機械。
【請求項５】
前記供給ポンプ（１５）が燃料供給ポンプである、請求項４に記載の機械。
【請求項６】
前記駆動シャフト（１３）が、前記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（１２）に結合される、請求項５に記載の機械。
【請求項７】
機械的保護方法であって、
伝動シャフト（１）の特定の角速度において、遠心力の効果の下、かつ遠心力とは反対の方向に可動部材（３）を付勢するばね（４）からの弾性プレストレスに反して、可動部材（３）を第１の位置から、伝動シャフト（１）に対して半径方向にさらに外にある第２の位置に移動させることを始動させるステップであって、可動部材（３）は伝動シャフト（１）と共に回転する、ステップと、
第２の位置において、回転する可動部材（３）を１つまたは複数の接線方向当接部（８）に衝突させるステップと、
可動部材（３）が接線方向当接部（８）に衝突することによって引き起こされたねじり過負荷の下で伝動シャフト（１）の脆弱要素（２、２’）を破壊するステップとを含む、機械的保護方法。
【請求項８】
前記伝動シャフト（１）が、回転を駆動シャフト（１３）から供給ポンプ（１５）に伝動する、請求項７に記載の機械的保護方法。
【請求項９】
前記供給ポンプ（１５）が、駆動シャフト（１３）を回転させるのに適した熱エネルギーを送出する燃焼に燃料を供給する、請求項８に記載の機械的保護方法。
【請求項１０】
前記駆動シャフト（１３）が、タービン（１２）によって作動され、タービン（１２）は、さらに、前記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、請求項９に記載の機械的保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的保護装置、詳細には過速度に対する機械的保護をもたらすための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
装置を機械的な過負荷から保護するために、当業者は、長い間、機械的伝動システム内の一要素が、過負荷の発生時に犠牲になり、その結果システム内のそれより下流側のより深刻な損傷を回避する保護装置の存在を認識している。通常、そのような装置は、過剰な力またはトルクに対する保護をもたらす役割を果たす。たとえば、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する機械的保護をもたらすための装置を開示している。そうではあるが、これらの従来の犠牲的装置は、過速度に対する保護をもたらさないという欠点を示している。多くの状況において、過速度は、過剰な力またはトルクと同じほどの、またはさらにはそれより大きい損傷を生じさせ得ることがある。特に、たとえばターボシャフトエンジンなどの特定の機械では、過速度は、機械が壊れるまで速度を漸進的に増大させるポジティブフィードバック現象を生じさせる可能性がある。
【０００３】
国際特許出願の国際公開第２００８／１０１８７６号は、伝動シャフトの所定の回転過速度に対応する、曲げにおける共振周波数を有する伝動シャフトを有する機械的保護装置を開示している。この装置では、伝動シャフトの曲げ共振は、伝動シャフトによって回転式に伝動された動力を吸収する役割を果たし、それによって過速度が超過することを防止する。そうではあるが、これは、利用可能な動力が限定され、シャフトの曲げにおける減衰がすべての利用可能な動力を消散させるのに十分である場合のみ可能である。利用可能な動力が反対方向のトルクに伴って増大し得る場合、シャフトの曲げ共振は、これを打ち勝つのに十分でなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４３１３７１２号明細書
【特許文献２】米国特許第６０４２２９２号明細書
【特許文献３】国際公開第２００８／１０１８７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ねじり過負荷の下で脆弱要素を備えた伝動シャフトを備える機械的保護装置であって、機械的組立体に過速度に対する効果的な保護をもたらすのに適した装置を提供することを目指すものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
少なくとも１つの実施形態では、この目的は、装置が、主軸を中心に回転するように伝動シャフトに固定され、主軸に対して半径方向に外方向に第１の位置から第２の位置に移動するのに適した可動部材、それと共に可動部材を第１の位置に向かって付勢するばねと、可動部材が第２の位置にあるときに主軸の周りの可動部材の回転を停止させるのに適した接線方向当接部とを少なくとも備えるということによって達成される。可動部材およびばねは、所定の始動角速度からは、可動部材が、ばねのプレストレスより大きい遠心力の効果の下で第１の位置から第２の位置に移動するように較正される。
【０００７】
したがって、装置は、２つの原理に基づいて作動する：閾値速度が、ばねの遠心効果およびプレストレスを用いることによって超過されていることを検出する原理、および速度閾値が超過されていることを検出することによる始動の結果脆弱セクションを破壊することによって装置を停止させる原理。これらの構成を用いることにより、機械的シャフトによる動力の伝達は、過速度の発生時に効果的に遮断されることが可能であり、それによって機械的組立体におけるより深刻な損傷を回避する。接線方向当接部に対する可動部材の衝突は、伝動シャフトを停止させ、伝動シャフトの脆弱セクションをすぐに破壊し、このとき、これは、衝突前に伝動シャフトによって伝動されたトルクとはほとんど無関係である。ばねのプレストレスは、速度閾値に到達しない限り可動部材が半径方向に移動されることを回避し、それによって摩耗を抑制するという利点を有する。
【０００８】
接線方向当接部は、特に、固定式当接部でよい。可動部材は、枢動に適するものでよく、または、たとえば半径方向ガイド内で摺動することによって、第１の位置から第２の位置に並進式に移動するのに適するものでよい。
【０００９】
本発明はまた、駆動シャフトと、供給ポンプ、特に燃料供給ポンプと、本発明の機械的保護装置とを含む機械であって、伝動シャフトが、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、駆動シャフトの過速度発生時の伝動シャフトの破壊は、供給ポンプの作動を遮断し、それによって機械を停止させるという効果を有する。
【００１０】
追加の態様では、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を燃焼させること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。したがって、タービン、故に駆動シャフトおよび伝動シャフトの過速度の発生時には、伝動シャフトの破壊が機械への燃料の供給を遮断し、それによってタービンを停止させる。燃焼は内燃式でも外燃式でもよい。したがって、例として、タービンは、燃料の燃焼から導出されたガスによって直接作動されるガスタービンでよい。
【００１１】
本発明はまた、本発明の機械を含む、車両、特に航空機も提供する。たとえば、機械は、回転翼航空機用のターボシャフトエンジンでよい。
【００１２】
本発明はまた、機械的保護を保護する方法であって、少なくとも１つの実施において以
下のステップを含む方法も提供する：
伝動シャフトの特定の角速度において、遠心力の効果の下、かつ遠心力とは反対の方向に可動部材を付勢するばねからの弾性のプレストレスに反して、可動部材を第１の位置から、伝動シャフトに対して半径方向にさらに外にある第２の位置に移動させることを始動させるステップであって、可動部材は伝動シャフトと共に回転する、ステップ、
第２の位置において、回転する可動部材を接線方向当接部と接触させるステップ、および
可動部材が接線方向当接部と接触することによって引き起こされたねじり過負荷の下で伝動シャフトの脆弱要素を破壊するステップ。
【００１３】
本発明は、非限定的な例として与えられた３つの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、その利点はより明確になり得る。本説明は、添付の図を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】第１の実施形態における機械的保護装置の長手方向断面図である。
【図１Ｂ】可動部材の１つの位置にある図１Ａの装置の断面図である。
【図１Ｃ】可動部材の別の位置にある図１Ａの装置の断面図である。
【図２】第２の実施形態における機械的保護装置の長手方向断面図である。
【図３Ａ】第３の実施形態における機械的保護装置の長手方向断面図である。
【図３Ｂ】可動部材が第２の位置にある図３Ａの装置の詳細図である。
【図４Ａ】図１Ａから１Ｃの機械的保護装置を含む、ターボシャフトエンジンを示す図である。
【図４Ｂ】機械的保護装置の伝動シャフトの破壊発生時の図４Ａのターボシャフトエンジンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の実施形態における機械的保護装置が、図１Ａおよび図１Ｂに示されている。装置は、伝動シャフトを駆動手段（図示せず）に結合させるための第１の伝動部材１ａと、伝動シャフト１を駆動させる対象の装置に結合させるための第２の伝動部材１ｂとを備えた伝動シャフト１と、脆弱要素２を形成する低減セクションと、半径方向に移動可能であるままで伝動シャフト１と共に回転するように拘束されるようにして、伝動シャフト１内に組み込まれた半径方向ガイド９内に受け入れられた可動部材３とを備える。プレストレスばね４は、可動部材３の近位端部３ａを伝動シャフト１の回転軸Ｘに向かって内部半径方向の当接部５に押し付け、一方で半径方向開口部６は、可動部材３の遠位端部３ｂが外方向に通過することを可能にする。図１Ｂに特に示されるように、固定式プレート７が、伝動シャフト１の周りに可動部材３の軸方向位置に取り付けられる。図１Ｂに示される実施形態では、この固定式プレート７は、軸Ｘ周りの可動部材３の遠位端部３ｂの回転の接線方向に当接部８を含む。
【００１６】
作動においては、伝動シャフト１の回転は、可動部材３の質量ｍに、可動部材３の重心ＣＧの半径方向位置ｒおよび伝動シャフト１の角速度ωの二乗を乗じた積に等しい遠心力Ｆｃを生じさせる。図１Ａに示される可動部材３の初期の半径方向位置では、近位端部３ａが内部当接部５と接触し、可動部材３の重心ＣＧが第１の半径方向位置ｒ１にある状態において、ばね４は、弾性のプレストレスＦ１を半径方向に回転軸Ｘに向かって及ぼす。その結果、遠心力Ｆｃが、反対方向のプレストレスＦ１を超過しない限り、可動部材３の近位端部３ａは、内部半径方向当接部５に押し付けられたままであり、可動部材３の重心ＣＧは、第１の半径方向位置ｒ１にあるままである。そうではあるが、角速度ω１から、遠心力ＦｃはプレストレスＦ１を上回るようになり、可動部材３を外方向に移動させる。フックの法則の適用においては、弾性力Ｆｅは、以下の公式によって近似され得る：
Ｆｅ＝ｋ（ｒ−ｒ１）＋Ｆ１
式中、ｋは、ばね４の剛性係数である。
【００１７】
この部分に関しては、遠心力は以下の公式を満たす：
Ｆｅ＝ｍω２ｒ
式中、ｍは可動部材３の質量であり、ωは伝動シャフトの角速度であり、ｒは、回転軸Ｘからの、指部３の重心の半径方向距離である。
【００１８】
その結果、機械的保護を始動させる角速度ω１は、以下の公式を用いて較正され得る：
【００１９】
【数１】
0005996632.tif 000002
【００２０】
保護装置が始動された結果として可動部材３の外方向の半径方向加速を得るために、剛性係数ｋは、初期半径方向位置ｒ１によって割られたプレストレスＦ１の商より小さくならなければならない。
【００２１】
【数２】
0005996632.tif 000003
【００２２】
したがって、始動角速度ω１では、可動部材上に及ぼされた遠心力は、ばねのプレストレスＦ１を超過しており、可動部材の外方向の半径方向移動中、ばねの反応よりすばやく増大する。
【００２３】
機械的保護装置の時期尚早な始動を回避するために、これを、振動または他の外部加速によって始動できないように寸法設定することも適切である。この目的のために、半径方向距離ｒ１は、以下の方程式を満たすことができる。
【００２４】
【数３】
0005996632.tif 000004
式中、γは所定の外部加速を表し、Ｋは安全係数を表し、ωｎは、始動角速度より小さい伝動シャフトの公称角速度を表す。
【００２５】
可動部材３の質量ｍおよび初期位置ｒ１、ならびにばね４の剛性ｋおよびプレストレスＦ１は、したがって、伝動シャフト１の公称速度ωｎを所定の過速度Δωだけ超過した臨界速度ω１で保護装置を始動させるために、これらの公式に基づいて較正され得る。そのような始動後、可動部材３は、第１の位置より半径方向にさらに外に位置する第２の位置に向かって移動する。
【００２６】
可動部材３が第２の位置に移動した後、伝動シャフト１は、回転する可動部材３の遠位端部３ｂが、図１Ｃに示されるように固定式周囲要素７の接線方向当接部８に当たる前に最大限でも１回の全回転しか実施できない。接線方向当接部８に対する可動部材３の遠位端部３ｂの衝突は、伝動シャフト１の回転を突然停止させ、それによって伝動シャフト１上に瞬間的なねじり過負荷を発生させ、第１の結合部材１ａと可動部材３の間に軸方向に配置された脆弱要素２を破壊する。伝動シャフト１は、したがって、超過の力またはトルクに対してだけではなく、超過速度Δωに対しても犠牲的な機械的保護部材として作用する。
【００２７】
図２に示される第２の実施形態では、脆弱要素２は、伝動シャフト１の低減されたセクションによって形成されず、せん断において脆弱で、伝動シャフト１の２つの別個のセグメント１ａおよび１ｂを一緒に接続するピン１によって形成される。この第２の実施形態における機械的保護装置の他の要素は、第１の実施形態のものとほぼ機能的に等価であり、これらは同じ参照番号が与えられる。
【００２８】
可動部材３を、動力伝動シャフト１内に組み込まれた半径方向ガイド９内で摺動させることによって半径方向に移動させるためにこれらの第１および第２の実施形態において使用されるのは、遠心力であるが、代替策を想定することが可能である。したがって、図３Ａおよび図３Ｂに示される第３の実施形態、および枢動する調速機おもりを有するＷａｔｔ調節機に類似する形態では、機械的保護装置は２つの可動部材３を有し、それぞれは、伝動シャフト１に対して長手方向平面内で枢動するように装着される。２つの可動部材３はＬ形状であり、それぞれは、第１のセグメント上の近位端部３ａと、第２のセグメント上の遠位端部３ｂと、第１と第２のセグメントの間のほぼ直角のコーナにある枢点Ｐとを有する。したがって、図３Ａに示される第１の位置では、それぞれの可動部材の第１のセグメントは、ほぼ半径方向である方向に向けられ、その第２のセグメントは、ほぼ長手方向である方向に向けられ、それによってばね４を伝動シャフト１の内側に長手方向に配置することを可能にしている。ばね４は、プレストレスがかけられ、それにより、この第１の位置では、このばねは、それぞれの可動部材３の遠位端部３ｂの内側面を、伝動シャフト１の回転軸Ｘに向かって内部半径方向当接部５に押し付ける。
【００２９】
作動においては、この第３の実施形態における伝動シャフト１の回転は、可動部材３の
質量ｍに、可動部材３の重心ＣＧの半径方向位置ｒおよび伝動シャフト１の角速度ωの二乗を乗じた積に等しい遠心力Ｆｃを、それぞれの可動部材３上に生じさせる。この遠心力Ｆｃは、遠心力に枢点Ｐからの重心ＣＧの長手方向距離Ｌを乗じた積に等しい枢動トルクＭｃを生じさせる。可動部材３が図３Ａに示されるような初期位置にあるとき、それぞれの可動部材３が内部当接部５と接触し、それぞれの可動部材３の重心ＣＧが第１の半径方向位置ｒ１にある状態において、ばね４は、弾性のプレストレスＦ１を、回転軸Ｘの方向に沿って２つの可動部材３に対して及ぼす。この弾性のプレストレスＦ１は、それぞれの可動部材３に対して、遠心枢動トルクＭｃとは反対方向に枢動トルクＭ１を生じさせる。その結果、遠心枢動トルクＭｃが、プレストレスＦ１によって発生した反対方向の枢動トルクＭ１を超過しない限り、可動部材３の遠位端部３ｂは、内部の半径方向当接部５に押し付けられたままであり、可動部材３の重心ＣＧは、第１の半径方向位置ｒ１にあるままである。そうではあるが、角速度ω１から、遠心トルクＭｃはプレストレストルクＦ１を上回るようになり、可動部材３を外方向に枢動させる。フックの法則の適用においては、ばね４によって２つの可動部材３上に及ぼされる弾性力Ｆｅは、以下の公式によって近似され得る：
Ｆｅ＝ｋｘ＋Ｆ１
式中、ｋはばね４の剛性係数であり、ｘは、ばね４が図３Ａに示される初期位置から圧縮された距離である。
【００３０】
この部分に関しては、それぞれの可動部材３上に及ぼされた遠心力は以下の公式を満たす：
Ｆｃ＝ｍω２ｒ
式中、ｍはそれぞれの可動部材３の質量であり、ωは伝動シャフトの角速度であり、ｒ
は、回転軸Ｘからの、それぞれの可動部材３の重心の半径方向距離である。
【００３１】
可動部材３がほぼ同一であり、ばね４とのそれらの接触点が枢点Ｐから半径方向距離ｌにある場合、機械的保護装置を始動させるための角速度ω１は、以下の公式を用いて較正され得る：
【００３２】
【数４】
0005996632.tif 000005
式中、Ｎは可動部材３の数を表す（示された実施形態ではＮ＝２）。
【００３３】
保護装置が始動された結果として可動部材３の外方向の半径方向加速を得るために、剛性係数ｋは、初期半径方向位置ｒ１によって割られたプレストレスＦ１の商より小さくならなければならない。
【００３４】
【数５】
0005996632.tif 000006
【００３５】
第１および第２の実施形態のように、機械的保護装置の時期尚早の始動を回避するために、半径方向距離ｒ１は、以下の方程式を満たすことができる：
【００３６】
【数６】
0005996632.tif 000007
式中、γは所定の外部加速を表し、Ｋは安全係数を表し、ωｎは、始動角速度より小さい伝動シャフトの公称角速度を表す。
【００３７】
第３の実施形態における可動部材３およびばね４は、これも同様に、伝動シャフト１の公称速度ωｎを所定の過速度Δωだけ超過した臨界速度ω１で保護装置を始動させるために、これらの公式に基づいてこうして較正され得る。そのような始動後、可動部材３は、第１の位置より半径方向にさらに外にあり、図３Ｂに示される第２の位置に向かって移動する。
【００３８】
可動部材３が第２の位置に移動した後、伝動シャフト１は、主軸Ｘを中心に回転する２つの可動部材３の一方の遠位端部３ｂが接線方向当接部８に当たる前に、最大限でも半回転しか実施できない。接線方向当接部８に対する可動部材３の遠位端部３ｂの衝突は、伝動シャフト１上に瞬間的なねじり過負荷を発生させ、それによって第１の結合部材１ａと可動部材３の間に軸方向に配置された脆弱要素２を破壊する。
【００３９】
第１の好ましい実施形態のいずれか１つによる機械的保護装置の例となる適用が、図４Ａに示されている。この例では、上記の図で示されたものの１つなどの装置が、タービンシャフトエンジン１０を過速度Δωから保護するために使用される。ターボシャフトエンジン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と共に、供給ポンプ１５によって燃料が供給される燃焼室１４を備える。圧縮機１１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内の高温燃焼ガスの膨張は、圧縮機１１を作動させるのに必要とされる動力と比較して大きい表面の動力によって駆動シャフト１３を作動させる役割を果たす。駆動シャフト１３は、したがって、たとえばヘリコプタのロータなどの他の機械的装置を駆動するためにこれらに接続され得る。
【００４０】
図示されるターボシャフトエンジン１０では、伝動シャフト１は、補機歯車装置ＡＧＢを介して駆動シャフト１３に結合される。伝動シャフト１はまた、供給ポンプ１５を駆動するためにこれに結合される。このようにして、作動においては、燃焼室１４に燃料を供給するために、伝動シャフト１を介して駆動シャフト１３から動力が取り込まれる。
【００４１】
駆動シャフト１３の所定の過速度に到達した場合、伝動シャフト１は、臨界速度ω１に到達し、脆弱セクション２において破壊する。供給ポンプ１５の作動は、したがって図４Ｂに示されるように遮断され、燃焼室１４への燃料の供給は停止する。燃焼室にはもはや燃料が供給されないため、ターボシャフトエンジン１０は、駆動シャフト１３を作動させるための動力の生成を止め、それによって駆動シャフト１３の暴走を防止する。
【００４２】
本発明は、特定の実施形態を参照して上記で説明されてきたが、特許請求の範囲によって定義された本発明の全体的範囲から逸脱することなく、さまざまな改変形態および変更がこれらの実施形態に加えられ得ることが明確である。特に、図示されるさまざまな実施形態の個々の特性は、さらなる実施形態を生み出すために組み合わせられてよい。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るべきである。
【図１Ａ】
0005996632.tif 000008
【図１Ｂ】
0005996632.tif 000009
【図１Ｃ】
0005996632.tif 000010
【図２】
0005996632.tif 000011
【図３Ａ】
0005996632.tif 000012
【図３Ｂ】
0005996632.tif 000013
【図４Ａ】
0005996632.tif 000014
【図４Ｂ】
0005996632.tif 000015