(57)【要約】  回転シャフト（３４）のためのひずみセンサ装置（４０）であって、放射エミッタ／レシーバ（４２）と、シャフトに取り付けられる振動素子（４４、６０）と、振動素子（４４ａ、４４ｂ、６６）上に放射を反射するように位置決めされる反射器（５６、５６、６２）と、を有するひずみセンサ装置である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転シャフト（３４）のためのひずみセンサ装置（４０）であって、前記ひずみセンサ装置は、放射エミッタ／レシーバ（４２）と、前記シャフト（３４）に取り付けられる振動素子（４４、６０）と、前記振動素子（４４ａ、４４ｂ、６６）上に放射を反射するように位置決めされる反射器（５６ａ、５６ｂ、６２）と、を有するひずみセンサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記反射器（５６ａ、５６ｂ）は、凹状であり、且つ、前記振動素子の最大振幅となる部分に放射を反射させるように位置決めされる、ひずみセンサ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記反射器（６２）は放射を前記振動素子（６６）へ導く壁を有する、ひずみセンサ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記反射器（５６ａ、５６ｂ、６２、６４）は、前記振動素子からの放射を前記放射エミッタ／レシーバ（４２）に向けて反射するように位置決めされる、ひずみセンサ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、放射反射性環部（４６）が、前記シャフトおよび前記振動素子を囲む、ひずみセンサ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、導波路（４８）が、前記エミッタ／トランシーバ（４２）と前記環部（４６）内に画定される開口部（５０）との間に延びる、ひずみセンサ装置。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、２つの振動素子（４４ａ、４４ｂ）が、一方から他方へ放射を反射するように位置決めされる、ひずみセンサ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記２つの振動素子（４４ａ、４４ｂ）は離間され、且つ、互いに約９０°の角度にある、ひずみセンサ装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記振動素子はワイヤ（４４）である、ひずみセンサ装置。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記振動素子はプレート（６０）である、ひずみセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスの屈曲動作測定に関連する方法および装置に関し、特に、しかし非排他的に、たとえばガスタービンエンジンのシャフトの安定および／または振動のトルク測定に関連する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のワイヤレスセンサは、たとえば、エンジン開発作業、処理プラント、および薬剤のような機器の領域で幅広い用途がある。ワイヤレスセンサは、振動および回転の監視へのポテンシャルを示してきた。ガスタービンエンジンの開発の機器に適用される場合、ワイヤレスセンサは、高価なワイヤの低減、複雑さの低減、監視のためのセットアップ時間の低減、および接続不良の除去のような多数の利点がある。
【０００３】
ワイヤレスセンサの１つの応用は、回転シャフトのトルクの測定である。多数のトルクセンサはひずみゲージを採用し、また、データ転送に、スリップリング、誘導リンクまたは光学リンクを用いる。
【０００４】
このような１つのトルクセンサ装置３０が図１に示され、これは、金属ワイヤ３６を備えるシャフト３４に向けられるエミッタ／トランシーバ３２を有する。金属ワイヤは、シャフト上の２つのポイントの間に回転軸３８に対して所定角度で取り付けられる。トルクが付与されていない場合、シャフトの共通の動作中の振動は、ストリングを励起し、共振周波数ｆ０で振動させる。共振周波数ｆ０は、ストリングの幾何学的および材料的なパラメータにより決定される。シャフトへのトルクの付与は、ストリングの張力を変化させ、共振周波数の対応する変化を生じさせる。検知ワイヤ４４に向けられるマイクロ波トランシーバ３２は、ワイヤ４４により反射されるラジオ周波数（ＲＦ）信号を放射する。戻り信号５４の大きさは、ストリングの振動により変調される。連続する一回転当たりの測定値の間の大きさの変化は、シャフト３４に付与されるトルクの指標である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この従来技術の構成は、ワイヤの三次元の振動が全方向の波の散乱を生じさせてトランシーバに戻る信号の強度を減少させるので、欠点がある。
【０００６】
それゆえ、本発明の目的は、上述の問題を克服する新しいトルクセンサ装置およびトルクの測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、回転シャフトのためのひずみセンサ装置が提供され、この装置は、放射エミッタ／レシーバと、シャフトに取り付けられる振動素子と、振動素子へ放射を反射するように位置決めされる反射器と、を有する。
【０００８】
好ましくは、反射器は凹状であり、振動素子の最大振幅の部分へ放射を反射するように位置決めされる。
【０００９】
代替的に、反射器は、振動素子への放射を導く壁を有する。
【００１０】
好ましくは、反射器は、振動素子からの放射を放射エミッタ／レシーバへ戻るように反射するように位置決めされる。
【００１１】
好ましくは、放射反射性の環部はシャフトおよび振動素子を囲む。
【００１２】
好ましくは、導波路がエミッタ／レシーバと環部内に画定される開口との間を延びる。
【００１３】
代替的に、２つの振動素子は、一方から他方へ放射を反射するように位置決めされる。
【００１４】
好ましくは、２つの振動素子は、互いに離間され約９０度で傾斜する。
【００１５】
好ましくは、振動素子はワイヤである。
【００１６】
代替的に、振動素子はプレートである。
【００１７】
本発明は、以下で、例として添付図面を参照しながらより完全に説明される。添付図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来技術によるシャフトに適用されるトルクセンサ装置の概略図である。
【図２】従来技術による３シャフトダクトファンガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図３】本発明による、シャフトに適用されるトルクセンサ装置の概略側面図である。
【図４ａ】本発明による、トルクセンサ装置の実施形態の概略レイアウトを示す図である。
【図４ｂ】本発明による、トルクセンサ装置の実施形態の概略レイアウトを示す図である。
【図５】本発明による、シャフトに適用されるトルクセンサのさらなる実施形態の軸方向の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図２を参照すると、ダクトファンガスタービンエンジンが全体として符号１０で示され、これは、主軸である回転軸ｘ−ｘを備える。エンジン１０は、軸方向の直列流れにおいて、空気吸気部１１、推力ファン１２、中間圧力コンプレッサ１３、高圧力コンプレッサ１４、燃焼装置１５、高圧力タービン１６、中間圧力タービン１７、低圧タービン１８、およびコアエンジン排気ノズル１９を有する。
【００２０】
ガスタービンエンジン１０は従来のように動作し、吸気部１１に入る空気は、ファン１２により加速され２つの空気の流れを生成する。第１空気は、中間圧力コンプレッサ１４に流れ込み、第２空気は、バイパスダクト（図示せず）を通って流れ推力を提供する。中間圧力コンプレッサ１３は、高圧コンプレッサ１４に空気を送る前に流れ込む空気の流れを圧縮する。高圧コンプレッサ１４ではさらなる圧縮が行われる。高圧コンプレッサ１４から排出される圧縮された空気は、燃焼装置１５内に導かれる。ここで、圧縮空気は燃料と混合され、混合物が燃焼される。結果として生じる熱い燃焼物は膨張し、それにより、ノズル１９を通って排出される前に高圧、中圧、低圧タービン１６、１７、１８を駆動し、追加の推力を提供する。高圧、中圧、低圧タービン１６、１７、１８はそれぞれ、シャフト２０、２１、２２にそれぞれ接続されることにより、高圧、中圧コンプレッサ１４、１３、およびファン１２を駆動し、それにより、高圧、中圧、低圧のスプールを形成する。
【００２１】
図３を参照すると、新規のトルクセンサ装置４０は、振動素子４４に向けられるエミッタ／トランシーバ４２を有し、この例では、振動素子４４はシャフト３４に取り付けられる金属ワイヤであり、たとえば２つのフランジ３３、３５の間に取り付けられる。導波路４８は、それ自身で放射反射するものであり、エミッタ／トランシーバ４２と環４６内に画定される開口部５０との間を延びる。
【００２２】
エミッタ／トランシーバ４２は、マイクロ波を放射し（実線５２）、これは導波路４８を通って伝搬し、開口部５０を通り、シャフト３４と環部４６との間の概ね環状の空間４１に入る。重要なことにシャフト３４および環部４６の両方は、（マイクロ波）放射に対して実質的に不透過性であり、これらの表面は放射を反射する。マイクロ波放射の出力５２は、回転シャフト３４と環部４６との間で導かれ、振動ワイヤ４４にぶつかる。振動素子により反射された放射、すなわち戻り信号は、破線５４で示される。シャフト３４が回転しているとき、従来技術の構成のような一回転ごとの間隔ではなく、振動素子４４はマイクロ波放射を常に「見る」ことができるようになる。この新規なトルクセンサ装置４０は、それゆえ、検出されるより高い平均信号レベルが得られ、これは、より改善された量および質のデータを与えることができる。
【００２３】
本発明のさらなる利点は、一回転毎の「スナップショット」ではなく信号の連続的な可視性であり、これは、フラッタのような動作不良の検出を可能にする。換言すれば、シャフトの１回転の回転内で生じる振動特性は、従来技術の構成では検出することができず、説明できないか、または明らかでない現象により影響を受けることがあった。以下で説明されるように、これは本発明の構成では生じない。
【００２４】
図４ａに示される他の実施形態において、トルクセンサ装置４０は、最適な信号条件を達成するために、２つの反射器５６ａ、５６ｂを互いに約１３５°の角度で備え、振動素子４４ａ、４４ｂは、反射器に向かい合ってシャフト軸に対して４５°の位置にある。入るおよび戻る放射の経路５２、５４は、同一のラインに沿うことに注意されたい。図４ｂは、図４ａに比べた改良である。それは、放射が反射器５６ａ、５６ｂにそれぞれ反射され、それぞれストリング４４ａまたは４４ｂに至るからである。反射の後のエネルギー損失は、反射器が剛直である前の構成と比較して少ないであろう。
【００２５】
図４ｂにおいて、２つの反射器５６ａ、５６ｂは、約９０°で配置され、単一の振動素子４４に隣接している。一方の反射器５６ａは、マイクロ波を振動素子に導き、他の反射器５６ｂは、振動素子から反射された信号を検出器４２へ導く。これは、検出器での強い信号を達成する。それは、反射器５６ａが、発された放射５２を振動素子上に集束させることができるからである。第３の改良は、図４ｃに示され、ここで、パラボラ反射器は、放射をストリングの中心に集束させ、反射は、レシーバに戻るように導かれる。パラボラ反射器は、放射の伝達を最大化することができる。上の説明は、ストリングの幾何形状に好適であるが、図５で提案されるプレート６０に幾分大きな影響を提供する。特に、パラボラ反射器を備える図４ｃの構成は、プレートの中心ポイント上に放射を導くことができる。
【００２６】
図４ｂを参照して説明される実施形態において、反射器は、平面形状または凹形状のいずれともすることができる。特に、凹形状は、放射を振動素子４４の中心に集束させることができ、ここで振幅が最大になり、それゆえ、反射応答がさらに改善される。
【００２７】
図５は、本発明のさらなる実施形態を示し、シャフト３４に溝６０が形成され、側壁６２および端部壁６４を備える。ここではプレートの形態である振動素子６６は、溝６０内に配置され、また、端部壁６４から離間している。側壁６２は、プレート６６に向かって収束し、入ってくる放射を振動素子６６に向かって案内させ集束させる。振動素子はワイヤとしてもよい。いずれの場合でも、端部壁６４は反射器であり、振動素子６６からの放射をトランシーバ４２に向けて反射する。
【００２８】
当業者は、任意の特定の用途のために実施形態の様々な組み合を使用することができ、それらはすべて本発明の範囲内とされることを意図している。たとえば、振動プレート６０は、図４ａ−ｃにおける振動ワイヤ４４ａ、４４ｂに交換することができる。振動素子の１つ以上のペアおよび反射器の１つ以上のペアを用いることもできる。
【００２９】
マイクロ波放射が好ましい波長であるが、他の形態の放射を用いることができる。典型的には、環部は、放射を反射する適当な材料から形成される。同様に、振動素子４４、６６は、同様な材料から形成することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
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【国際調査報告】
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