(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受ハウジング（５０）に取り付けられるようにした軸受ロータスラストセンサアセンブリ（１０）であって、
前記ハウジング（５０）は、スラスト荷重方向に離間して対向する前記ハウジングの一対の対向部分（６０，６２）の間に延在する複数のフィンガ（５８）を備え、
前記アセンブリ（１０）は、
前記ハウジングの第１の前記部分（６０）内に形成された第１の開口（７２）で受けられる第１の滑り止め（２２）を有し、前記一対の対向ハウジング部分のうち第１のハウジング部分に結合するように構成された第１のアンカ部材（１４）と、
前記ハウジングの第２の前記部分（６２）内に形成された第２の開口（７４）で受けられる第２の滑り止め（２４）を有し、前記一対の対向ハウジング部分のうち第２のハウジング部分に結合するように構成された第２のアンカ部材（１６）と、
前記第１のアンカ部材と前記第２のアンカ部材との間に少なくとも一部が位置づけられ、ロードセル（２６）を有するヘッドセンサブラケット（１２）であって、前記セルが前記セルにかかる力を表す信号を生成するためのブリッジ回路を有するブラケット（１２）と、
を有するアセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記ロードセル（２６）は金属製のロードセルを有する請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項３】
前記ロードセル（２６）は鋼材を有する請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項４】
前記ブリッジ回路はホイートストンブリッジを有する請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項５】
前記ヘッドセンサブラケット（１２）は略空洞を呈する請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項６】
前記ロードセル（２６）は前記ヘッドセンサブラケット（１２）と一体に形成されている請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項７】
さらに、前記第１のアンカ部材（１４）に結合され、前記第１のアンカ部材と前記ヘッドセンサブラケットとの間において前記ヘッドセンサブラケット（１２）に少なくとも一部が結合される引き締めネジを有し、前記引き締めネジは、前記第１のアンカ部材と前記ヘッドセンサブラケットとの間の距離を変えるように構成されている請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項８】
前記第２のアンカ部材（１６）は、前記ロードセル（２６）に電気的に結合された少なくとも１つの導線（３４，３６，３８，４０）を収容するための開口（２０）を有する請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項９】
前記第２のアンカ部材（１６）は、開口（２０）を有し、前記ヘッドセンサブラケット（１２）の一部は、前記開口に受け入れられかつ前記第２のアンカ部材に結合される請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記第２のアンカ部材（１６）と前記ロードセル（２６）との間に介在するスプリング（４６）をさらに備える請求項１に記載のアセンブリ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、広くガスタービン機関に関し、特にガスタービンエンジンの軸受アセンブリにかかる軸受スラスト荷重の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも幾つかの既知のガスタービンエンジンは、回転するコンプレッサ及びタービンを含んでいる。これら回転するコンプレッサ及びタービンは、軸受アセンブリによりケース内で支持される。動作中、スラスト荷重は軸受アセンブリに誘導され、そのような軸受アセンブリの動作寿命の損失及び／又は短縮をもたらす可能性がある。したがって、軸受スラスト力は、時として当該力が当該軸受アセンブリの動作寿命の損失及び／又は短縮をなすほどに大きいものかどうかを判定するために監視される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
軸受スラスト荷重は、軸受アセンブリのレースに取り付けられた歪ゲージを用いて測定されることがある。例えば、歪ゲージは、試験室で較正されその後に軸受のレースに設置されることがある。少なくとも幾つかの既知の軸受のレースは、当該ゲージがそのレースに確実に係合することができるように再加工される必要がある。しかしながら、軸受の再加工や各歪ゲージの較正は、時間がかかり困難なものである。
【特許文献１】米国特許第５０７６３７５号明細書
【０００４】
軸受スラスト荷重を測定するための少なくとも幾つかの既知の歪ゲージの構成は、ガスタービンエンジンの静止した構造を通じて電源及び測定回路へ引き回される引出導線を含んでいる。この導線がその測定回路に不適切に接続されると、スラストの読取値は反転する可能性がある。すなわち、スラスト荷重は、実際のスラスト荷重の方向の反対の方向にあるように表示される可能性がある。また、上述した歪ゲージ構成により、内部のエンジン表面に取り付けられた引出導線は、時間とともに緩んでしまうことがあり、信号を失う結果ともなりうる。また、歪ゲージの読み取りは、温度補正にも依存しうる。当該ゲージへの温度の影響を補償するため、歪ゲージの領域に温度センサを実装する必要性が出てくる可能性もあり、これにより、設置や測定を複雑にしてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、軸受ロータスラストセンサアセンブリは、軸受ハウジングに取り付けられるように設けられ、そのハウジングが、当該ハウジングの一対の対向部分の間に延在する複数の指状体（フィンガ）を備えたものとしている。このアセンブリは、第１の滑り止めを含み対向する一対のハウジング部分のうちの第１のハウジング部分に結合するように構成された第１のアンカ部材と、第２の滑り止めを含み当該対の対向するハウジング部分のうちの第２のハウジング部分に結合するように構成された第２のアンカ部材と、第１のアンカ部材と第２のアンカ部材との間に少なくとも一部が位置づけられたヘッドセンサブラケットとを含む。このヘッドセンサブラケットは、ロードセルを含み、このセルが当該セルにかかる力を表す信号を生成するためのブリッジ回路を含む。
【０００６】
他の態様において、ロータ軸受は、ハウジングと、接着剤を用いることなく当該ハウジングに結合された軸受ロータスラストセンサアセンブリとを含む。この軸受ロータスラストセンサアセンブリは、ロードセルを含み、このセルが当該セルにかかる力を表す信号を生成するためのブリッジ回路を含む。
【０００７】
別の態様においては、軸受ロータスラストセンサアセンブリを軸受ハウジングに固定する方法が提供され、そのハウジングは、当該ハウジングの一対の対向する部分の間に延在する複数の指状体（フィンガ）を備えるようにしている。この方法は、ヘッドセンサブラケットを第１及び第２のアンカ部材にこれら部材の間に少なくとも部分的に結合し、当該対の対向するハウジング部分のうちの第１のハウジング部分にある第１の開口に近接して第１のアンカ部材の第１の滑り止めを位置づけ、当該対の対向するハウジング部分のうちの第２のハウジング部分にある第２の開口に近接して第２のアンカ部材の第２の滑り止めを位置づけ、第１及び第２のアンカ部材の間隔をあけて第１の滑り止めを第１の開口で受け第２の滑り止めを第２の開口で受け当該アセンブリの軸受ハウジングへの固着を容易にするように第１及び第２の滑り止めの各々がそれぞれの第１及び第２のハウジング部分に力を伝達するようにすることを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、模範的実施形態の軸受ロータスラストセンサアセンブリ１０の透視図である。アセンブリ１０は、軸受ハウジング（図１には示されていない）に実装され、一対のアンカ部材１４及び１６との間に少なくとも一部が位置づけられたヘッドセンサブラケット１２を含む。より詳しくは、ヘッドセンサブラケット１２は、アンカ部材１４及び１６に、これらの間に少なくとも一部が結合されている。この模範的実施形態において、ヘッドセンサブラケット１２は、引き締めネジ１８によりアンカ部材１４に結合され、ブラケット１２は、アンカ部材１６の開口２０内で受け入れられ溶接などの（但しこれに限定されない）適切な構造及び／又は手段を用いて部材１６に結合される。引き締めネジ１８は、アンカ部材１４とアンカ部材１６との間の距離を変え、アセンブリ１０を軸受ハウジングに固着することを容易にしている。これについては、以下で詳しく説明する。アセンブリ１０は、適切な構成、配置、形態、及び／又は適切な構造及び／又は手段により軸受ハウジングに実装することができる。例えば、この模範的実施形態では、アンカ部材１４及び１６の各々は、軸受ハウジング内の対応する開口（図１には示されていない）の中での受け入れのために当該部材から外側に延びるそれぞれの滑り止め２２及び２４を含む。これについては以下に詳しく説明する。アンカ部材１４及び１６の各々はそれぞれ滑り止め２２及び２４の１つだけしか含まないものとして示されているが、軸受ハウジングにおける任意の数の開口における受け入れのために、アンカ部材１４及び１６の各々は、それぞれ任意の数の滑り止め２２及び２４を含んでもよい。この模範的実施形態では、ヘッドセンサブラケット１２は、中身の詰まったブラケットと比較して質量を小さくすることを容易にし、振動応答を減少させること及び動作中に荷重をかけることを容易にするよう空洞となっている。
【０００９】
ヘッドセンサブラケット１２は、ロードセル（ここでは検出要素と呼ぶこともある）２６を含む。幾つかの実施形態では、ロードセル２６は、溶接など（但しこれに限定されない）の適切な構造及び／又は手段を用いて、或いはこの構造及び／又は手段に代わり又は加えてネジ部品を用いて、ブラケット１２に結合される。他の実施形態では、ロードセル２６は、ブラケット１２に一体に形成される。ロードセル２６は、スクリーン印刷された厚膜パターンの複数の層とともに金属製の基板から製造される。ロードセル２６は、適切な金属製の基板から製造可能であるが、幾つかの実施形態においては、ロードセル２６は、４３４０合金鋼など（但し、これに限定されない）の鋼材を含む。幾つかの実施形態において、ロードセル２６は、以下に述べるように、腐食保護被膜で被覆され、歪ゲージブリッジ、温度センサ及び故障保護機能を含む。一般に、ロードセル２６は、二重カンチレバーヘッド構成を有し、両カンチレバー支持部の間に歪検出材料を具備するものとしている。
【００１０】
この模範的実施形態において、アンカ部材１６は、各々がツイストペアの導線３４，３６，３８及び４０をそれぞれ含む一対の導線ケーブル３０及び３２の一部を入れるための開口２８を含む。導線３４及び３６は、ロードセル２６に半田付けされ、ロードセル２６に励起電圧を供給する。導線３８及び４０も、ロードセル２６に半田付けされ、そのセル出力を検出回路（図１には示されていない）に伝送する。幾つかの実施形態において、ロードセル２６と導線３４，３６，３８及び４０との間の１つ又は２つ以上の半田接合部は、搬送及び振動ダメージに対し、より大なる耐性を付与するためにエポキシで被覆される。
【００１１】
プッシュロッド４２は、アンカ部材１６のボディ４４から延びてロードセル２６に接触する。それ故、プッシュロッド４２は、例えば、ロードセル２６上に所望の先行荷重を与え、或いはこの先行荷重の付与に代替的又は付加的に軸受ハウジングの軸方向の動きの間にロードセル２６を撓ませるように、ロードセル２６に力を伝えるように位置づけられる。この点については、以下に詳しく説明する。幾つかの実施形態において、プッシュロッド４２の位置は、ロードセル２６上の先行荷重の調整を容易にするためにアンカ部材１６のボディ４４に対して調整可能である。アンカ部材１６は、ヘッドセンサブラケット１２とプッシュロッド４２との間の相対的移動を容易にする１つ又は２つ以上のスプリング４６も含む。スプリング４６はまた、プッシュロッド４２によりロードセル２６へ与えられる軸方向の動きの量が、ロードセル２６の移動能力内に維持されることができることを規定することを容易にする。スプリング４６は、各々が適切な形状を含むことができるが、この模範的実施形態では、スプリング４６は、ここに示したような形状とされている。
【００１２】
図２は、アセンブリ１０（図１に示される）を用いることのできる模範的エンジン軸受ハウジング５０の、部分的に断面でかつ破断部分を伴う等角側面図である。軸受ハウジング５０は、油溜めハウジング５２と、軸受アセンブリ５６を支持するために油溜めハウジング５２から延びる軸受支持ブラケット５４とを含む。複数の指状支持部（ここではフィンガと呼ぶこともある）５８は、ブラケット５４の部分６０と部分６２との間に延在する。図２には、このようなフィンガ５８を１つだけしか示していない。軸受アセンブリ５６は、内側レース６４及び外側レース６６を含み、ボールベアリング６８は、レース６４とレース６６との間に位置づけられる。回転部材７０は、内側レース６４に固定されており、部材７０及び内側レース６４が回転すると、軸受アセンブリ５６に荷重（例えば、図２に後続荷重の力の向きが示される）が掛けられる。幾つかの実施形態において、複数の案内部（図示せず）は、導線ケーブル３０及び３２の案内をなすように軸受ハウジング５０の周囲近辺に配置される。
【００１３】
図３は、軸受ハウジング５０に固定された軸受ロータスラストアセンブリ１０の透視図である。アセンブリ１０は、適切な構成、配置、形態、及び／又は適切な構造及び／又は手段により軸受ハウジングに実装可能である。この模範的実施形態においては、アセンブリ１０は、隣接のフィンガ５８の間において、アセンブリ１０がハウジングフィンガ５８に概して平行になるようにハウジング５０に固定される。詳述すると、滑り止め２２は、軸受ハウジング６０における開口７２に隣接して位置づけられ、滑り止め２４は、軸受ハウジング６２における開口７４に隣接して位置づけられる。そしてアンカ部材１４及び１６は、引き締めネジ１８を用いて広げられ、滑り止め２２が開口７２内で受けられ、滑り止め２４が開口７４内で受けられ、滑り止め２２及び２４の各々が、軸受ハウジング部分６０及び６２にそれぞれ力を伝達するようにし、これにより、アセンブリ１０の軸受ハウジング５０への固定した取り付けを簡単なものとしている。
【００１４】
軸受ハウジング５０が引張荷重又は圧縮荷重に付されると、ハウジング５０の軸方向の寸法が例えば約０から±約数ミルまで変わる。プッシュロッド４２は、軸受ハウジング５０のこの軸方向の寸法変化によって動き、プッシュロッド４２が動くにつれ、ロードセル２６上の荷重（又は当該セルにかかる撓み）も変化する。ロードセル２６上の撓み変化を検出することによって、軸受ハウジング５０上の荷重を測定することができる。スプリング４６は、プッシュロッド４２とヘッドセンサブラケット１２との間、したがってプッシュロッド４２とロードセル２６との間の相対移動を容易にする。スプリング４６は、プッシュロッド４２によりロードセル２６に与えられた軸方向の動きの量がロードセル２６の動き能力内に維持されることができることを規定することを容易にすることもできる。
【００１５】
図４は、ロードセル２６と一体的に組み立てられる電気回路すなわち導電パスの模範的実施形態の概略的回路図である。特に、ロードセル２６は、スクリーン印刷された厚膜パターンの複数の層により金属製基板から製造される。セル２６は、腐食保護被膜により被覆され、歪ゲージブリッジ、温度センサ及び欠陥保護機能を含んでいる。選定される具体的な金属製基板は、セル２６が用いられる環境に応じたものとすることができる。例えば、ガスタービンエンジンでは、当該軸受におけるオイルの平均的温度は、動作中、華氏約３００度であり、動作停止の間に熱交換器が稼働していないときには華氏約３２０度にまでオイルが加熱する可能性がある。温度変動を補償するため、セル２６の１つの層は、プラチナ熱電対としてもよい。このようなロードセルは、Ｂｏｋａｍ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社（３６３３  ＭａｃＡｒｔｈｕｒ  Ｂｌｖｄ．，  Ｓｕｉｔ  ４１２，  Ｓａｎｔａ  Ａｎａ，  ＣＡ  ９２７０４）から商業的に入手可能である。
【００１６】
セル１６は、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びＲ４により形成されるホイートストンブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ  ｂｒｉｄｇｅ）を含む。抵抗器Ｒ１とＲ２との接続部に結合される電圧ラインＶによりこのブリッジに電圧信号が供給される。抵抗器Ｒ３及びＲ４は、グランドラインＧＮＤに結合される。抵抗器Ｒ１，Ｒ４の接続部及び抵抗器Ｒ２，Ｒ３の接続部にそれぞれ接続されるラインＳ２及びＳ１には、出力信号が供給される。抵抗器Ｒ５は、電圧ラインＶ及びグランドラインＧＮＤに直列に接続される。
【００１７】
知られているように、動作においては、ロードセル２６における歪が変化すると、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びＲ４の抵抗が変わる。この結果、ブリッジが無負荷の下で平衡が保たれている場合（又は選択された力まで先行荷重がかけられている場合）に、ブリッジに他の力がかかるとき、ラインＳ１及びＳ２における信号により示されるようにブリッジは平衡が保たれなくなる。ラインＳ１及びＳ２における信号は、セル２６に作用する力を表す。この力が過大となり抵抗器Ｒ５に結合された導電パス又はバイア（ホール）を破壊に至らしめると、このような状態は、ラインＶ及びＧＮＤにおける信号によって示される。したがって、このようなラインＶ及びＧＮＤを監視することによって、欠陥状態を検出することができる。変動する温度状態に対する補償に関しては、上述したように、セル２６の層をプラチナ熱電対とすることができる。かかる層を出力ラインＳ１及びＳ２に接続することによって、ラインＳ１及びＳ２における信号は、セル２６における温度状態も表すものとなる。
【００１８】
セル２６をラインＳ１及びＳ２における信号を受信する測定回路に結合する場合、セルラインＶ及びＧＮＤを電源に結合するときには、良好な電気的接続が形成されそのような接続が高温動作環境に耐えることができることを保証することが重要になる。ガスタービンエンジンにおける高温動作環境に耐えるのに十分な態様でロードセルに結合される測定回路及び電源は、Ｂｏｋａｍ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社（３６３３  ＭａｃＡｒｔｈｕｒ  Ｂｌｖｄ．，  Ｓｕｉｔ  ４１２，  Ｓａｎｔａ  Ａｎａ，  ＣＡ  ９２７０４）から商業的に入手可能である。
【００１９】
ロードセル２６に関して、４つの外部導線（例えば、導線３４，３６，３８及び４０）しか当該セル２６に結合される必要がない。セル２６に４つの外部導線で済ますことによって、本センサアセンブリに必要な導線の数は、既知の歪ゲージに必要な導線の数よりも減る。導線の数を減らすことは、より少数の回路によって信頼性を向上させるものと思われる。また、上述したロードセルにより、当該セル内で温度補償が行われるので、歪ゲージの領域に組み付けられる外部温度センサの必要性が排除されるものと思われる。このような外部温度センサの必要性を排除することは、本センサアセンブリの設置及び操作をさらに簡単にするものと思われる。
【００２０】
図５は、アセンブリ１０とともに用いられる検出回路１００の模範的実施形態の概略的ブロック図である。回路１００は、エンジン（図示せず）から外れた場所に配置される信号処理電子機器（回路）１０２に複数のコネクタ１０４を介して電気的に結合された複数のセンサアセンブリ１０を含む。３つのアセンブリ１０が示されているが、軸受ハウジングは、これに取り付けられるアセンブリ１０を幾つでも具備することができる。この模範的実施形態では、信号処理電子機器１０２は、各アセンブリ１０の微小な歪測定値を電圧として読み取る。信号処理電子機器１０２は、その動作の包括的制御及び当該電圧測定値の読み取りをなす制御パネル１０６を含むようにしてもよい。幾つかの実施形態では、信号処理電子機器１０２は、例えばその上に実装され、又はその近くに配された、電圧を歪に変換するためのチャート１０８を含む。信号処理電子機器は、幾つかの実施形態において約２０対１から約３０対１の利得を含むが、他の利得を有するものとしてもよい。
【００２１】
上述したように、センサアセンブリ１０は、ガスタービンエンジンにおける軸受スラスト荷重を測定するために使用可能であり、既知の歪ゲージアセンブリと比べて、開発及び生産の双方においてエンジンを設置するための困難さ及び／又は時間消費を低減させることができる。例えば、センサアセンブリ１０は、軸受レースではなく軸受ハウジング５０に直接組み付けられるので、センサを設置するために軸受レースを再加工する必要性を排除することができる。さらに、センサアセンブリ１０は、接着剤を用いることなく軸受ハウジング５０に取り付けることができる。それ故、センサアセンブリ１０は、軸受スラスト荷重の測定に係わる時間及び／又はコストの削減を容易にすることができる。
【００２２】
ここで説明及び／又は図示したアセンブリ、軸受及び方法は、ここではガスタービンエンジンの軸受ハウジングに取り付けられるための特定のアセンブリに関して説明及び／又は図示されている。但し、このような検出要素は、数多くの代替可能な取付装置に用いることが可能であることを理解されたい。したがって、軸受ハウジングへの検出要素の取り付けの態様は、模範的構成であり、当該検出要素は、他の取付アセンブリに関連して用いることが可能である。
【００２３】
アセンブリ、軸受及び方法の模範的実施形態をここでは詳しく説明及び／又は図示している。アセンブリ、方法及び軸受は、ここで説明及び／又は図示した特定の実施形態に限定されるものではなく、アセンブリ及び軸受の各々の構成要素も、各方法のステップも、ここで説明及び／又は図示した他の構成要素及び／又はステップとは独立しかつ分離して用いることが可能である。各構成要素及び／又はステップは、他の構成要素及び／又はステップと組み合わせて用いることもできる。
【００２４】
滑り止め２２及び／又は２４の各々は、ここでは第１及び／又は第２の滑り止めと呼ぶことがある。アンカ部材１４及び１６の各々は、ここでは第１及び／又は第２のアンカ部材と呼ぶことがある。軸受ハウジング開口７２及び／又は７４の各々は、ここでは第１及び／又は第２の開口と呼ぶことがある。
【００２５】
ここで説明及び／又は図示したアセンブリ、軸受及び方法の要素や部品などに言及する場合においては、単数表現や特定のものを指す表現は、当該要素や部品などが１つ以上存在することを意味することを意図している。「有する」、「含む」及び「備える」といった文言は、包含可能であること、及びその挙げられた要素や部品などとは別の付加的な要素や部品などが存在しうることを意味することを意図している。
【００２６】
本発明を様々な特定の実施形態について説明してきたが、当業者であれば、請求項の主旨及び範囲内の変形をもって本発明を実施することができることが分かる筈である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】模範的実施形態の軸受ロータスラストセンサアセンブリの透視図である。
【図２】図１に示されるアセンブリを用いることのできる模範的エンジン軸受の側面図である。
【図３】図２に示される軸受に取り付けられた図１に示される軸受ロータスラストアセンブリの透視図である。
【図４】図１に示されるセンサアセンブリとともにに用いられる模範的実施形態のロードセルの概略的回路図である。
【図５】図１及び図３に示されるセンサアセンブリとともに用いられる模範的実施形態の検出回路の概略的ブロック図である。
【符号の説明】
【００２８】
10  センサアセンブリ
12  ヘッドセンサブラケット
14  アンカ部材
16   アンカ部材
18  引き締めネジ
20   開口
22   滑り止め
24   滑り止め
26   ロードセル
28   開口
30   導線ケーブル
32  導線ケーブル
34  導線
36  導線
38  導線
40  導線
42  プッシュロッド
44  ボディ
46  スプリング
50  軸受ハウジング
52  油溜めハウジング
54  軸受支持ブラケット
56  軸受アセンブリ
58  ハウジングフィンガ
60  軸受ハウジング部分
62  軸受ハウジング部分
64  内側レース
66  外側レース
68  ボールベアリング
70  回転部材
72  軸受ハウジング開口
74  開口
100  検出回路
102  信号処理電子機器
104  コネクタ
106  制御パネル
108  チャート
【図１】
0005252809.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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