(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、エミッタ／レシーバ（４２）と、シャフト（３４）に取り付けられ、且つ、エミッタ／レシーバ（４２）から振動を受け取り、また、エミッタ／レシーバ（４２）へ信号を反射するように構成される振動素子（７０）と、を有する。振動素子（７０）は、シャフトの回転軸に対して、半径方向、軸方向、および／または円周方向の間で、非対称の剛性特性有する。」【選択図】図３
2012510046.tif 000002
【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、エミッタ／レシーバ（４２）と、前記シャフト（３４）に取り付けられ、且つ、前記エミッタ／レシーバ（４２）から信号を受け取り、また、前記エミッタ／レシーバ（４２）へ振動を反射するように構成される振動素子（４４）と、を有し、前記振動素子（７０）は、前記シャフトの回転軸に対して、半径方向および軸方向、および／または円周方向の間で非対称の剛性特性を備える、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、前記振動素子（７０）は、Ｌ断面、Ｔ断面、Ｈ断面、およびＩ断面のプレート（６０）のグループのいずれか１つである、ひずみセンサ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記振動素子（７０）は中空または波形である、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、前記プレート（６０）は、反射表面（６８）と他の表面（７０）との間で１より大きいアスペクト比を有する、ひずみセンサ装置。
【請求項５】
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、前記プレート（６０）は、反射表面（６８）と他の表面（７０）との間で約２０のアスペクト比を有する、ひずみセンサ装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記反射表面（６８）は、前記シャフト（３４）の回転軸（３８）に対して、半径方向に概ね平行である、ひずみセンサ装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のひずみセンサ装置（４０）であって、前記エミッタ／レシーバ（４２）は、マイクロ波、電磁波、光学放射または音響エネルギーの任意の１つを使用することができる、ひずみセンサ装置。
【請求項８】
請求項１乃至７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（７０）は、側方縁部（７６、７８）に対して取り付けられる、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（７０）は、軸方向縁部および／または円周方向縁部（７４）に取り付けられる、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／または振動のひずみおよび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、ほんの２、３例をあげるとエンジン開発作業、処理プラント、および薬剤のような機器の分野で幅広い用途がある。ワイヤレスセンサは、特に振動および回転の監視へのはっきりとした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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に示されるように、トルクセンサ装置３０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。トルクがシャフトに付与されていない場合、シャフトの共通の動作振動は、ワイヤを励起し、共振周波数ｆ０で振動させる。共振周波数ｆ０は、ワイヤ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、ワイヤの張力を変化させ、共振周波数の対応する変化を生じさせる。「検知」ワイヤに向けられるマイクロ波トランシーバは、ワイヤ４４により反射されるＲＦ信号を放射する。戻り信号の大きさは、ワイヤの振動により振幅変調される。
【０００５】
しかし、このトルクセンサは、上述のストリングの全方向振動であり、全方向波散乱であるという欠点があり、これは、トランシーバに戻る振動強度を減少させる。共振周波数はワイヤの張力に依存する。ひずみが測定され、ひずみを増加させるように材料が端部を移動させ、それゆえ、共振周波数が大きくなり、ひずみの測定として検出される。遠心性の負荷は、半径方向外側にワイヤを曲げ、これは、ワイヤの張力を増加させて周波数に追加の変化を生じさせ、ひずみの測定における混乱を生じさせ、または、少なくともワイヤシステムの校正が必要になるであろう。さらに、ワイヤのひずみヒステリシスは、ワイヤの寿命を通じて自然周波数を変化させ、それにより、周波数の校正を必要とし、さもなくば誤差を生じさせる。
【課題を解決するための手段】
【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。
【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、これは、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、を有し、振動素子は、エミッタ／レシーバから信号を受信し、また、エミッタ／レシーバへ信号を反射するように構成され、振動素子は、シャフトの回転軸に対して、半径方向、軸方向、および／または円周方向に非対称の剛性を有する。
【０００８】
好ましくは、振動素子はプレートであり、Ｌ、Ｔ、Ｈ、またはＩ形状の断面のいずれかとすることができる。
【０００９】
振動素子は、中空とすることができ、または、波形とすることができる。
【００１０】
好ましくは、プレートは、反射表面と他の表面との間で、１より大きいアスペクト比を有する。
【００１１】
有利には、プレートは、反射表面と他の表面との間で、約２０のアスペクト比を有する。
【００１２】
好ましくは、反射表面は、シャフトの回転軸に対して半径方向にほぼ平行である。
【００１３】
好ましくは、エミッタ／レシーバは、マイクロ波、電磁波、光学放射、または音響エネルギーのいずれかを用いることができる。
【００１４】
好ましくは、振動素子は、側方縁部に取り付けられる。
【００１５】
可能性として、振動素子は、軸方向縁部および／または円周方向縁部に取り付けられる。
【００１６】
本発明は、以下で添付図面とともに例示として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】
【００１７】
【図１】シャフトに適用される従来技術の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ひずみセンサ装置の概略側面図である。
【図４】本発明による、ひずみ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、ひずみセンサ装置の他の実施形態の概略レイアウトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
図３、４を参照すると、新規なひずみセンサ装置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、本発明によれば、振動素子４４はシャフト３４に取り付けられる。環部４６は、振動素子の半径方向外側でシャフト３４を囲む。導波路４８は、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。
【００２１】
このひずみセンサ装置４０は、出願人の参照番号ＤＹ４２１２の本願の出願人による同一出願日の係属中の英国出願によるものと構成および機能が類似している。それゆえ、出願人による係属中の教示は参照により本明細書に組み込まれ、異なる部分を本明細書で記載する。
【００２２】
本願は、振動素子４４の構成に向けられ、これは図４により詳細に図示されている。振動素子４４は、２つの支持部６２、６４の間に取り付けられる平坦なプレート６０を有し、側方縁部７６、７８を介して支持部６２、６４に取り付けられ、シャフト３４に接続される。これらの支持部の構造は概ね一致しており、多くの他の構成が可能であり、環状部（fillet）の半径および剛性のような設計の詳細は、用途に応じて変更できることを理解されたい。軸のセット６６は、プレート６０を参照する。プレート６０は、長さＬ，高さＨ，および厚さＴを備え、また、ＸＺ平面においてＬおよびＨにより画定される主表面６８を備える。好ましくは、この例において示されるように、Ｚはシャフト３８の回転軸に対して半径方向である。プレート６０は、「高さアスペクト」比を有し、これは表面７０の領域に対する表面６８の領域の比として定義される。表面６８は、好ましくは、回転軸３８に対して半径方向に平行である。効果的には、多くの場合、Ｌが各表面６８、７０に関して同一であり、高さアスペクト比は、Ｈ／Ｔであると考えることができる。
【００２３】
従来技術の振動ワイヤは、一般に円形の断面であり、それゆえ、１：１のアスペクト比、または、１（すなわち１／１）のアスペクト比であると一般に言及される。本発明の振動プレート６０は、アスペクト比が１より大きいという違いがある。出願人は、ガスタービンエンジンのシャフトに関して、アスペクト比１０は、有意な改良を提供すると考え、また、アスペクト比２０は特に有利であると考える。
【００２４】
本発明の振動プレートは、戻り放射信号強度の改良を探求しており、また、シャフトの回転により生じる遠心効果に対するプレートの耐性の改良を探求している。プレート６０は、たとえば、Ｙ方向において、関心振動モードが、Ｚ方向である遠心力に対して実質的に垂直になるように構成される。Ｙ方向は、この場合、円周方向に整合していないが、所望であればそうしてもよい。実際、この例において、プレートは、角度θ＝４５°において向き決めされている。この角度は、特にねじれ振動において好適であり、ここで、ねじれ力は、シャフトに軸３８に対して円周方向に４５°で作用する。
【００２５】
プレートの断面深さ、Ｚ方向の寸法により、プレートは特に堅く、また、遠心力に耐えることができる。しかし、Ｙ方向において、この場合ねじれ振動の最大振幅の方向、プレートは相対的に可撓性であり、それゆえ、有意によいより戻り放射信号を生成する。手短に記載すれば、本発明のプレートにより、ひずみに対するより大きな感度が可能になり、および／または、より高い回転スピードでの動作が可能になるということである。したがって、本発明は、方向性の無い振動プレートを提供し、これは、従来技術の振動ワイヤよりも優れた戻り信号を生成する。従来技術の振動ワイヤは、Ｚ方向において振動し、検出される振動戻り信号に不都合に干渉する。
【００２６】
Ｙ方向における振動の周波数は、ひずみの指標に用いられる。支持部６２、６４の間の距離が変化すると、Ｘ方向におけるプレートの張力が変化する。これは、Ｙ方向およびＺ方向の振動運動の共振周波数を変化させる。Ｙ方向におけるモード（複数可）（典型的にはＸ方向に沿った１つの波腹を備える基本モード）が、支持部６２、６４の間のひずみを測定するのに用いられるように、部品が設計される。プレートはＸ方向において堅く、任意の遠心力はＹ方向の振動に最小限の影響しか与えない。
【００２７】
寸法および周波数は、特定の用途に好適となるように設計段階で選択されるが、Ｙ方向における基本共振の典型的な値は５ｋＨｚである。
【００２８】
図５を参照すると、以下でプレート７０と言及されるが、非対称の剛性および適切な振動モードまたは周波数を備える任意の構造または幾何学構成を用いることができ、また、中空、波型、Ｌ、Ｔ、Ｈ、Ｉの断面とすることができる。プレート７０は、シャフトに取り付けることができ、または、軸方向および／または円周方向に延びる縁部７４に沿って測定された他の構造物に取り付けることができる。よい振動慣行に一般に、環状部（fillet）の半径７２のような応力を減少させる特徴を備える非均一の断面のプレートは都合がよいことがある。
【図１】
2012510046.tif 000003
【図２】
2012510046.tif 000004
【図３】
2012510046.tif 000005
【図４】
2012510046.tif 000006
【図５】
2012510046.tif 000007
【国際調査報告】
2012510046.tif 000008
2012510046.tif 000009