JP5524239B2 - 回転シャフトのねじれを測定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転シャフトのねじれの測定に関し、より詳細には、軽量で精密な装置で、前記回転シャフトのねじれを直接測定し、有利には、そのことにより前記回転シャフトが伝達するトルクを推定することができる装置に関する。特に、本発明により、前記ねじれの値が臨界値（超えると破損の可能性がある）未満に保たれているか否かを連続的に監視することができる。本発明は、特に、航空機ターボジェットのファンシャフトのねじれの測定に適用できるが、本発明の原理は、他の推進システム、特に、二重反転プロペラを有するターボジェットにも適用できる。

バイパスターボジェットには、ファンを駆動する「低圧」シャフトのねじれを直接測定する装置はない。しかしながら、このような情報は、ターボジェットの動作を監視するためだけでなく、不具合を予測することができるためにも有益な情報となる。

このようなターボジェットは、通常、タービンによって伝えられるトルクを測定するための機械装置を装備している。

国際公開第２００４／０６７２１５号

その機械装置は、重い上にあまり精密でない。

また、国際公開第２００４／０６７２１５号パンフレットが知られており、これには、シャフトのねじれを測定するための電磁的手段が記載されている。

本発明は、このようなシャフトのねじれを測定するための光学装置を提案する。

より詳細には、本発明は、回転シャフト、特に、駆動シャフトのねじれを測定する装置にして、レーザビーム発生器と、シャフトに固定され互いに離間された２つの偏光フィルタと、レーザ光受光器とを備え、前記発生器は放射するレーザビームが両方のフィルタを通過するように設置され、前記受光器は前記ビームが両方のフィルタを通過した後に前記ビームを受光するように設置される装置であって、フィルタを通過したビームを反射し、そのビームを前記受光器に向かってビーム自体に平行に戻すためにフィルタ近くに反射システムが設置されること、および前記反射システムは４５°の円錐台形ミラーを備えることを特徴とする装置を提供する。

有利な実施形態では、２つのフィルタはシャフト自体の２つの両端のそれぞれの端部近くに取り付けられる。シャフトが中空の場合、有利には、両方のフィルタはシャフト内部に設置される。

別の有利な特徴によれば、発生器および受光器は、これらの光軸が一直線になるように、シャフトの回転軸に対して垂直にシャフト回転軸の両側に配置される。しかしながら、前記シャフトによって担持される別の４５°の円錐台形ミラーが発光器と受光器との間に配置される。

別の有利な特徴によれば、２つのフィルタのうちの１つは、偏光領域と非偏光領域とを交互に有するリングを備え、測定値および基準値を表す周期的な一連の偏光が得られるようにする。

このことで、測定システムの一種の連続的な較正が得られる。

ほんの一例として添付図面を参照して考察された、本発明の原理に従った回転シャフトのねじれを測定する装置の以下の説明から、本発明はより十分に理解され、本発明の他の利点がより明らかになる。

本発明のねじれ測定装置を装備したバイパスターボジェットの一般的な長手方向片側断面図である。 装置の上流側部分を示す拡大部分図である。 装置の下流側部分を表す拡大図である。 基準値の測定を表す図である。 シャフトのねじれを示す値の測定を表す図である。

図１から図３を参照すると、バイパス航空機ターボジェット１１の主要なサブアセンブリ、すなわち、上流側から下流側に向かって、ファン１３、低圧圧縮機１５、高圧圧縮機１６、燃焼チャンバ１９、高圧タービン２１、低圧タービン２３が示されている。低圧タービンは、ファン１３のロータを駆動する軸Ｘの軸方向中空シャフト２５に接続される。

これらの要素全てはよく知られているので、これ以上詳細には説明しない。

本発明の主な目的は、シャフト２５のねじれ角を連続して測定することである。このシャフトは、図示されている実施形態では、本発明の測定装置の構成要素を埋め込みやすい略管状構造を有する。

装置は、レーザビーム発生器２７と、第１の偏光フィルタ２９と、第２の偏光フィルタ３１と、光電池式のレーザ光受光器３３とを備える。フィルタは両方ともシャフト２５に固定される。フィルタは、レーザビームがフィルタを通過するように配置される。最初にビームが通過する第１のフィルタ２９はシャフトの上流側端部近く（ファンの傍）に配置され、次にビームが通過する第２のフィルタ３１はシャフトの下流側端部近く（高圧タービンの傍）に配置される。

概して、本発明によれば、発生器２７はレーザビームが両方のフィルタを通過するように設置され、受光器３３はビームが両方のフィルタを通過した後にビームを受光するように設置される。

さらに、（この例では下流側で）、２つのフィルタのうちの１つのフィルタ（この場合、前記第２のフィルタ３１）の近くに反射システム３５が設置されて、前記フィルタを通過したビームを反射して、そのビームを前記受光器３３に向かってレーザ光ビーム自体に平行に戻す。装置のこの部分は、図３に示されている。より正確には、前記第２の偏光フィルタ３１および反射システム３５は、下流側端部近く、すなわち、タービン２３の傍でシャフト２５内部に設置された共通の支持体３９上に配置される。この支持体３９は、上流側から下流側に向かって軸方向に、前記第２の偏光フィルタ３１と、回転軸Ｘに対して角度４５°の円錐台形ミラーとを担持する。そうすることによって、最初に回転軸Ｘから距離ｄで偏光フィルタ３１を通過するレーザビームＦは、２回反射され、ビーム自体に平行に回転軸Ｘに関して対称な方向に戻される。

シャフト２５の上流側端部の傍には、レーザビーム発生器２７と受光器３３とが、前記シャフトの回転軸Ｘに垂直に、シャフトの回転軸の両側に互いに面して配置される。したがって、これらの光軸は一直線になり、シャフト２５によって軸方向に担持される別の４５°の円錐台形ミラー４３が発光器と受光器との間に配置される。シャフトのこの上流側端部近くに、シャフトと一緒に回転するように拘束されて、上流側から下流側に向かってこの円錐台形ミラー４３と前記第１の偏光フィルタ２９とを担持する支持体４５がある。

この配置により、発生器によって回転軸Ｘに平行に発せられたレーザビームＦが第１の偏光フィルタ２９に向けられ、ビームが二回目に第１の偏光フィルタ２９を通過した後に前記受光器３３に向かって戻り方向に反射されるようになる。

油霧が漏れて機器を部分的に汚すのを避けるために、シャフトから上流側に透明スクリーン４６が横断方向に配置される。

発生器２７とミラー４３との間で、またミラー４３と受光器３３との間で、レーザビームはファンディスクに機械加工された穴４９を通過する。

本発明の別の有利な特徴によれば、２つのフィルタのうちの１つのフィルタは、具体的には、この場合は第１のフィルタ２９は、偏光領域５１と非偏光領域５２とが交互にあるリングを含み、このことで、測定値と基準値とをそれぞれ表す周期的な一連の偏光を得ることができる。

図４および図５を参照して、動作を説明する。

発生器は、回転軸に垂直なビームを発し、ビームは円錐台形ミラー４３に向けられる。したがって、ビームは軸Ｘに平行に戻される。このビームは、最初に上流側に位置する前記第１のフィルタ２９を通過し、その後、下流側に位置する前記第２のフィルタ３１を通過する。ビームは、円錐台形ミラー３５によって２回反射され、ビーム自体に平行に戻される。ビームは、再度前記第２のフィルタ３１を通過し、最終的には、最後に受光器３３に向かって反射される前に第１のフィルタ２９を通過する。前記第１のフィルタは、それぞれが９０°の中心角を有し、以下の偏光を有する４つのセクタ５１、５２を有する：
垂直偏光
非偏光
水平偏光
非偏光

Ｉ_０を発生器２７によって発せられるレーザビームの強度とする。ビームに対するシャフト２５の角度位置が図４に示されたような角度位置である（第１のフィルタによる減衰がない）である場合、受光器３３によって測定される強度値はＩ_０／２以下の基準値である。

ビームＦに対するシャフト２５の角度位置が図５に示されたような角度位置である場合、測定される強度値は基準値およびねじれ角θの関数である。

したがって、受光器３３は可変信号を発する。この信号の最小／最大比は、ｓｉｎ^２（２θ）を表す。したがって、ねじれ角θを直接測定することができる。また、この信号の周波数はシャフトの速度を表す。速度とねじれと（ひいてはトルクと）を知ることで、常にシャフトによって伝えられる機械力を知ることができる。

Claims (7)

1. 回転シャフト（２５）のねじれを測定する装置であって、
   レーザビーム発生器（２７）と、シャフトに固定され互いに離間した２つの偏光フィルタ（２９、３１）と、レーザ光受光器（３３）とを備えており、前記発生器は、放射したレーザビームが前記２つの偏光フィルタの両方を通過するように設置されており、前記受光器は、前記ビームが前記２つの偏光フィルタの両方を通過した後に該ビームを受光するように設置されており、前記２つの偏光フィルタのうちの１つ（３１）の近くに反射システム（３５）が設置されて、該偏光フィルタを通過したビームを反射してこのビームを前記受光器に向かってビーム自体に平行に戻すようになっており、
   前記反射システムが４５°の円錐台形ミラー（３５）を備えていることと、
   前記２つの偏光フィルタのうちの１つ（２９）が、測定値および基準値を表す周期的な一連の偏光を得るように偏光領域（５１）と非偏光領域（５２）とが交互になったリングを備えていることとを特徴とする、前記装置。
2. 前記２つの偏光フィルタ（２９、３１）が、前記シャフト（２５）の２つの両端のそれぞれの端部近くに取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記発生器（２７）および前記受光器（３３）が、これらの光軸が一直線になるように、前記シャフト（２５）の回転軸（Ｘ）に対して垂直にシャフト回転軸の両側に互いに面して配置されることと、前記シャフトによって担持される別の４５°の円錐台形ミラー（４３）が前記発光器（２７）と前記受光器（３３）との間に配置されることとを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記シャフト（２５）が中空であることと、前記シャフト（２５）が前記２つの偏光フィルタ（２９、３１）を収容することとを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記シャフトが、前記反射システム（３５）を収容することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記シャフトが中空であることと、該シャフトが前記２つの偏光フィルタと前記別の円錐台形ミラー（４３）とを収容することとを特徴とする、請求項３に記載の装置。
7. 航空機ターボジェットのファンシャフト（２５）に組み込まれていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

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