KR20110048489A - 파워 샤프트에서 전달된 토크를 측정하기 위한 장치 - Google Patents

파워 샤프트에서 전달된 토크를 측정하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전토크를 파워 샤프트의 축(A)에 전달하기 위한 파워 샤프트(12); 각도마크를 구비하고, 파워 샤프트에 고정되는 제1 휠(18); 각도마크를 구비하는 제2 휠을 구비한 보조샤프트(20); 및 파워 샤프트에 전달되는 토크를 측정하기 위해 적어도 상기 휠 중의 1개에 마주하여 배치되는 센서(26)를 포함하는 토크 측정장치에 관한 것이다.
본 발명은 제1 휠(18)이 제1 시리즈의 각도마크와 제2 시리즈의 각도마크를 구비하고; 및 제2 휠(22)은 제3 시리즈의 각도마크와 제4 시리즈의 각도마크를 구비하며, 제2 시리즈의 각도마크와 제4 시리즈의 각도마크는 서로 평행하고 파워 샤프트의 축(A)을 포함하는 제1 축면에 대해 기울어져 있고, 제1 시리즈의 각도마크(D1)가 제2 시리즈의 각도마크에 대해 기울어져 있으며, 센서(26)에서 발생되는 신호가 파워 샤프트(12)의 온도로 나타나는 것을 특징으로 한다.

Description

파워 샤프트에서 전달된 토크를 측정하기 위한 장치{Device for measuring the torque transmitted by a power shaft}
본 발명은 예를 들어 항공기 터빈엔진의 샤프트와 같은 엔진의 샤프트에 전달된 토크를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
토크는 일반적으로 조종사가 헬리콥터를 조종하기 위해 고려하는 본질적인 데이타 항목 중에 하나를 구성하기 때문에, 샤프트의 회전토크를 측정하는 것은 헬리콥터 엔진분야에서 특히 중요하다. 헬리콥터의 로터가 일정한 속도를 나타내면, 헬리콥터의 동력은 오로지 토크에만 의존한다.
이러한 토크를 측정하기 위해서, 다양한 해결책이 제시되어 왔다. 다양한 해결책 중에 비틀림에 따른 샤프트의 변이를 측정하는 것에 기초하는 해결책이 있고, 특히 변이는 전달된 토크의 함수로 이루어진다.
종래 발명은 비틀림에 따른 샤프트의 변이를 측정하는 것에 기초하는 장치를 제공하는 것이다.
무엇보다도 특히, 이러한 종래 발명은 회전토크를 파워 샤프트의 축에 전달하기 위한 파워 샤프트; 각도마크를 구비하고, 파워 샤프트에 고정되는 제1 휠; 및 파워 샤프트의 한쪽 단부에 고정되는 제1 단부 및 각도마크를 구비하는 제2 휠을 구비하고, 제1 휠과 동일한 축에 위치하는 자유로운 제2 단부를 갖는 보조샤프트;를 포함하여 이루어지되, 적어도 상기 휠 중 1개에 마주하여 배치되고 제1 휠과 제2 휠 사이에 각변이량을 나타내는 신호를 발생하기에 적절한 센서를 포함하고, 이러한 신호는 센서에 의해 발생되는 신호에 근거하여 파워 샤프트에 전달된 토크를 측정하기에 적절한 계산장치에 전달되도록 형성되는 토크 측정장치를 제공하는 것이다.
프랑스 특허 2 595 821의 도 1에 이러한 측정장치가 나타나 있다. 포닉휠의 치형상부에 마주하여 배치되는 자석센서는 포닉휠들 사이에 각변이량을 탐지하는 역할을 하고, 따라서 이후에 회전토크를 계산하기 위해서 계산장치가 비틀림에 따른 파워 샤프트의 변이를 측정할 수 있게 된다.
그러나, 이러한 프랑스 특허에서 강조되는 것처럼, 비틀림에 의한 파워 샤프트의 강성(stiffness)은 샤프트를 구성하는 재료의 탄성계수(Young's modulus)의 값에 관련되고, 이러한 탄성계수의 값은 온도함수로 나타난다. 즉, 얻어진 값이 상당히 잘못되지 않았다면, 토크를 계산할 때 파워 샤프트의 온도를 고려할 필요가 있게 된다.
샤프트의 온도를 측정하기 위해서, 프랑스 특허 2 595 821은 보조샤프트에 대한 파워 샤프트의 길이방향 팽창을 측정하고, 이로부터 온도를 계산할 수 있는 추가적인 센서를 사용하는 것을 제안하였다.
본 발명의 목적은 파워 샤프트에 전달된 토크를 측정하는 장치를 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 장치는 보다 적은 구성요소로 형성되고, 결과적으로 본 발명의 장치는 종래 발명과 비교하여 보다 작은 크기와 적은 무게를 갖고, 생산단가를 낮출 수 있게 된다.
본 발명의 목적은 제1 휠이 제1 시리즈의 각도마크와 제2 시리즈의 각도마크를 구비하고; 및 제2 휠은 제3 시리즈의 각도마크와 제4 시리즈의 각도마크를 구비하며, 제1 시리즈의 각도마크와 제3 시리즈의 각도마크는 서로 평행하고, 제2 시리즈의 각도마크와 제4 시리즈의 각도마크는 서로 평행하며 파워 샤프트의 축을 포함하는 제1 축면에 대해 기울어져 있고, 제1 시리즈의 각도마크가 제2 시리즈의 각도마크에 대해 기울어져 있으며; 센서에서 발생되는 신호가 파워 샤프트의 온도로 나타나는 것을 특징으로 하여 달성될 수 있다.
바람직하게는, 제1 휠과 제2 휠은 포닉휠(phonic wheel)이고, 제1, 제2, 제3, 제4 시리즈의 각도마크(D1, D2, D3, D4)들은 치형상부(teeth)로 구성된다.
센서가 파워 샤프트에 실제로 전달된 토크를 계산할 수 있는 위치에 이후에 위치되므로, 포닉휠의 이러한 특별한 구조는 유리하게도 한 개의 센서로 파워 샤프트의 각변이량과 샤프트의 온도를 측정할 수 있게 된다.
본 발명의 작동원리는 다음과 같다.
파워 샤프트가 회전하는 동안, 자석 센서가 포닉휠의 각각의 시리즈의 치형상부에 속하는 치형상부(teeth)의 통과를 탐지한다. 따라서, 자석 센서에서 발생되는 각각의 신호는 일련의 펄스신호(pluse signals)를 형성하고, 개략적으로 각 "피크(peak)"는 치형상부에 상응하게 된다.
신호에 있어서 치형상부가 각 피크에 연관되어 있다는 것을 인식할 수 있도록, 계산장치가 프로그램된다.
따라서, 센서에서 전달되는 연속적인 신호는 제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부 사이의 제1 각변이 및 제2 시리즈의 치형상부와 제4 시리즈의 치형상부 사이의 제2 각변이를 측정하는 역할을 하고, 이에 따라 연속적인 피크 사이에서의 주기로부터 이러한 각변이를 측정할 수 있게 된다.
치형상부들 사이의 초기값의 차이를 아는 것에 의해, 제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부 사이의 제1 각변이 및 제2 시리즈의 치형상부와 제4 시리즈의 치형상부 사이의 제2 각변이를 계산할 수 있게 된다.
각각의 제1 각변이와 제2 각변이는 비틀림에 따른 변이에 관한 정보를 포함하고, 더욱이 측정된 변이값 중의 적어도 하나는 온도에 관한 정보를 포함한다.
평행한 제2 시리즈의 치형상부와 제4 시리즈의 치형상부가 파워 샤프트의 축을 포함하는 제1 축면에 대해 기울어지자마자, 보조축에 대한 파워 샤프트의 축열팽창(axial thermal expansion)은 이러한 시리즈의 2개의 치형상부 사이의 각변이를 변동시키고, 이러한 변이가 온도로 나타나게 된다.
즉, 온도에 따른 각변이의 변화는 전달되는 토크로부터 초래된 비틀림에 따른 샤프트의 변형에 의해 각변이의 편차를 증가시키게 된다.
치형상부의 기울어진 각도를 아는 것에 의해, 제1 각변이와 제2 각변이로부터 오직 파워 샤프트의 비틀림으로부터 발생되는 각변이량을 측정할 수 있고, 열팽창에 의해 오직 2개의 샤프트 사이의 각도 기울기로부터 발생되는 각변이량을 측정할 수 있으며, 이에 따라 각도 기울기로 나타나는 이러한 변이로부터 온도가 측정될 수 있다.
그리고 나서, 비틀림에 의한 변형으로 인한 온도변이와 각변이는 계산장치로 보내지고, 계산장치는 미리 저장된 차트(chart)에 근거하여 파워 샤프트에 실제로 전달된 토크값을 계산할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 있어서, 일련의 치형상부는 1개의 치형상부를 구비할 수 있고, 바람직하게는 다수의 치형상부를 구비할 수도 있다.
바람직하게는, 제1 포닉휠과 제2 포닉휠은 제1 포닉휠의 치형상부가 제2 포닉휠의 치형상부에 각지게 엇갈리는 방식으로 배치된다.
일련의 신호에 있어서, 2개의 연속적인 "피크"는 2개의 별개의 포닉휠에 있는 2개의 치형상부에 속하게 된다. 따라서, 각변이량은 모든 2개의 연속적인 치형상부 사이의 주기를 고려하는 것에 의해 측정될 수 있다.
바람직하게는, 파워 샤프트의 원주방향으로, 제1 시리즈의 치형상부, 제3 시리즈의 치형상부, 제2 시리즈의 치형상부, 및 제4 시리즈의 치형상부가 연속적으로 뒤이어 나타난다.
바람직하게는 계산장치는 이러한 특별한 시퀀스를 알 수 있도록 프로그램된다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 있어서, 파워 샤프트의 원주방향에서, 제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부는 파워 샤프트의 축에 대해 평행하다. 따라서, 제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부는 축면으로 확장되고, 반면에 제2 시리즈의 치형상부와 제4 시리즈의 치형상부는 제1 축면에 대해 기울어진 면으로 확장된다.
제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부가 파워 샤프트의 축에 대해 평행하기 때문에, 제1 각변이는 오직 파워 샤프트의 비틀림에 대한 변형으로만 나타난다. 열팽창에 따른 각도 기울기는 축에 대해 평행한 2개의 치형상부 사이의 각변이를 변화시키지 않는다.
즉, 이러한 제1 각변이로부터 오직 비틀림에 의해 변형되는 각변이를 측정할 수 있다.
그러므로, 상기에서 설명된 바와 같이, 제2 각변이는 축열팽창으로 인한 각변이와 함께 비틀림에 의한 변형으로부터 발생하는 각변이로 구성된다.
상기의 각변이가 제1 각변이로부터 측정되는 한, 바람직하게는 제2 시리즈의 치형상부와 제4 시리즈의 치형상부의 각도 기울기를 아는 것에 의해서 온도를 측정할 수 있다.
마지막으로, 비틀림에 따른 변형으로부터 발생하는 온도변이와 각도변이는 파워 샤프트에 실제로 전달된 토크의 값을 측정하는 계산장치로 전송된다.
본 발명의 바람직한 제2 실시예에 있어서, 파워 샤프트의 원주방향으로 고려할 때, 제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부는 파워 샤프트의 축을 포함하는 제2 축면에 대해 소정의 각도로 기울어져 있고, 제2 시리즈의 치형상부와 제4 시리즈의 치형상부는 파워 샤프트의 축을 포함하는 제1 축면에 대해 상기 소정의 각도와 반대되는 각도로 기울어져 있다.
이러한 실시예에서, 제1 각변이와 제2 각변이는 비틀림에 의한 파워 샤프트의 온도와 변이에 관한 정보를 포함한다.
제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부의 각도 기울기가 제2 시리즈의 치형상부와 제4시리즈의 치형상부의 각도 기울기에 반대되기 때문에, 제1 각변이와 제2 각변이의 절반값의 합(half-sum)과 절반값의 차(half-difference)는 각각 원하는 온도변이와 각도변이를 나타내게 된다.
이러한 2가지 실시예에서, 보조샤프트는 파워 샤프트의 안쪽에서 축방향으로 확장되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 제1, 제2, 제3, 및 제4 시리즈의 치형상부들은 그들 각각의 포닉휠의 원주의 일부에 각지게 배치되어 있다.
마지막으로, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 파워 샤프트에 전달된 토크를 측정하기 위한 장치를 포함하는 터보장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 장치는 보다 적은 구성요소로 형성되고, 결과적으로 본 발명의 장치는 종래 발명과 비교하여 보다 작은 크기와 적은 무게를 갖고, 생산단가를 낮출 수 있게 된다.
본 발명의 이점은 종래의 장치가 샤프트의 온도를 계산하는 토크 값을 얻기 위해 다수의 센서를 필요로 한데 반해서, 본 발명은 오직 1개의 센서만을 필요로 한다는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 토크 측정장치를 구비하는 헬리콥터 터빈엔진을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 토크 측정장치의 축단면의 절반의 도면이다.
도 2a는 파워 샤프트에 설치된 구멍을 나타내는 도 1의 상세도로서, 여기에서 제2 포닉 휠의 치형상부가 파워 샤프트를 관통하여 확장된다.
도 2b는 도 2에 나타난 장치의 다른 실시예의 축단면의 절반의 도면이고, 이러한 장치에서 보조샤프트가 파워 샤프트의 바깥쪽으로 확장된다.
도 3은 제1 포닉휠의 치형상부와 제2 포닉휠의 치형상부의 상대적인 위치를 나타내는 회전반경의 단면도이다.
도 4a는 파워 샤프트가 정지할 때, 포닉휠의 원주방향에서 바라본 본 발명의 제1 실시예의 제1 포닉휠의 치형상부와 제2 포닉휠의 치형상부의 상대적인 위치를 나타낸다.
도 4b는 파워 샤프트가 토크를 전달할 때, 도 4a의 제1 포닉휠의 치형상부와 제2 포닉휠의 치형상부의 상대적인 위치를 나타낸다.
도 5a는 파워 샤프트가 토크를 전달하지 않을 때, 포닉휠의 원주방향에서 바라본 본 발명의 제2 실시예의 제1 포닉휠의 치형상부와 제2 포닉휠의 치형상부의 상대적인 위치를 나타낸다.
도 5b는 파워 샤프트가 토크를 전달할 때, 도 5a의 제1 포닉휠의 치형상부와 제2 포닉휠의 치형상부의 상대적인 위치를 나타낸다.
이에 한정되지 않는 이하에서 제시된 실시예를 읽어봄에 따라, 본 발명은 더욱 쉽게 이해되고, 본 발명의 이점이 더욱 잘 나타날 것이다. 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
토크미터(torquemeter) 또는 비틀림 지시계(torsion indicator)로서 언급되는 본 발명의 토크 측정장치는 샤프트에 전달되는 토크를 알고 싶은 많은 경우에 사용될 수 있다. 이하의 상세한 명세서에서, 측정장치는 도 1에 나타난 가스터빈(gas turbine, 9)과 같은 헬리콥터 터빈의 배타적이지 않은 실시예를 제외하고 명세서에 설명되어 있다.
도 1에 나타난 본 발명의 토크 측정장치(torque measurement device, 10)는 다른 샤프트나 터빈엔진의 기어를 연결하기 위한 단부를 구비하는 샤프트의 일부의 일반적인 형태로 이루어진다.
즉, 토크 측정장치(10)는 회전토크를 파워 샤프트의 축(axis, A)에 전달하기 위한 공동(hollow)의 파워 샤프트(power shaft, 12)를 구비한다. 회전토크가 측정될 토크이다.
도 1의 실시예에 있어서, 파워 샤프트(12)는 파워 샤프트의 제1 단부(12a)에 있는 기어(gear, 14), 및 제1 단부로부터 반대편에 위치하는 파워 샤프트의 제2 단부(12b)에 있는 구동장치(drive member, 16)를 구비한다. 물론, 파워 샤프트의 단부들은 약간 다른 방식으로 고정될 수 있다.
더욱이, 파워 샤프트의 제2 단부(12b)에 인접한 곳에서, 파워 샤프트(12)는 제1 휠(first wheel, 18)), 특히 파워 샤프트와 동축으로 설치되는 포닉휠(phonic wheel, 18)을 구비하고, 포닉휠은 다수의 각도마크(angle mark), 특히 치형상부(teeth, 19)를 구비한다.
도 2에서 알 수 있는 것처럼, 또한 토크 측정장치는 파워 샤프트(12)의 안쪽에서 축방향으로 확장되는 보조샤프트(reference shaft, 20)를 구비하고, 보조샤프트는 파워 샤프트(12)의 제1 단부(12a)에 인접한 보조샤프트의 제1 단부(20a)를 통해 파워 샤프트에 고정되고, 반면에 보조샤프트의 제2 단부(20b)는 자유단이 된다. 도 2b는 측정장치를 위한 선택적인 실시예를 나타내고, 여기에서 보조샤프트(20')는 파워 샤프트(12')의 바깥쪽에서 축방향으로 확장되며, 보조샤프트는 파워 샤프트(12')의 제1 단부(12a)에 인접한 보조샤프트의 제1 단부(20a')를 통해 파워 샤프트에 고정되고, 반면에 보조샤프트의 제2 단부(20b')는 자유단이 된다.
다시 한번 도 2와 관련하여, 보조샤프트의 제1 단부(20a)의 반대편에 있는 보조샤프트(20)의 제2 단부(20b)는 특히 포닉휠 형태의 제2 휠(second wheel, 22)을 구비하고, 제2 휠은 제1 휠(18)과 같이 동일한 축에 위치한다. 제2 휠(22)은 다수의 각도마크(angle mark), 특히 치형상부(teeth, 23)를 구비하고, 도 2a에 잘 나타난 것처럼 치형상부가 파워 샤프트(12)에 형성된 구멍(opening, 24)을 통해 원주방향으로 확장된다.
치형상부가 센서의 앞을 지나가는 각각의 시간에 전기적인 신호를 발생하기에 적절한 1개의 자석 센서(sensor, 26)가 제1 휠(18)의 치형상부와 제2 휠(22)의 치형상부에 마주하도록 위치되고, 이러한 신호가 파워 샤프트(12)에 전달된 토크의 값을 측정하기 위한 계산장치(calculation member, 28)로 전송된다.
도 3은 제1 휠(18)의 치형상부와 제2 휠(22)의 치형상부의 각도 배열을 나타낸다. 이러한 실시예에 있어서, 하얀 치형상부(white teeth)는 제1 휠(18)에 속하고, 반면에 검은 치형상부(black teeth)는 제2 휠(22)에 속한다.
본 발명에 따르면, 제1 휠(18)은 서로 동일한 제1시리즈의 치형상부(D1)와 서로 동일한 제2시리즈의 치형상부(D2)를 구비하고, 반면에 제2 휠(22)은 서로 동일한 제3시리즈의 치형상부(D3)와 서로 동일한 제4시리즈의 치형상부(D4)를 구비한다.
이러한 도면에서 알 수 있는 것처럼, 제1 포닉휠과 제2 포닉휠은 제1 포닉휠(18)의 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 제2시리즈의 치형상부(D2)가 제2 포닉휠(22)의 제3시리즈의 치형상부(D3)와 제4시리즈의 치형상부(D4)와 각지게 엇갈리는 방식으로 배열된다.
여기에 설명된 실시예에서, 각각의 시리즈의 치형상부는 2개의 치형상부를 구비한다는 것을 알 수 있다.
무엇보다 특히, 도 4a부터 5b까지 나타난 있는 것처럼, 파워 샤프트(12)의 원주방향(circumferential direction, OR) 또는 방선방향(orthoradial direction)에서 고려할 때, 제1 시리즈의 치형상부(D1); 제3 시리즈의 치형상부(D3); 제2 시리즈의 치형상부(D2); 및 최종적으로 제4 시리즈의 치형상부(D4)가 연속적으로 뒤이어 배치되게 된다.
파워 샤프트가 정지해 있을 때, 다시 말하면 파워 샤프트가 토크를 전달하지 않을 때, 각각의 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 제3 시리즈의 치형상부(D3)는 도면에 나타난 것처럼 제1 각변이(first angular difference, X0)를 나타내고, 반면에 각각의 제2 시리즈의 치형상부(D2)와 제4 시리즈의 치형상부(D4)는 도면에 나타난 것처럼 제2 각변이(second augular difference, Y0)를 나타낸다.
대조적으로, 파워 샤프트(12)가 토크를 전달할 때, 전달된 토크의 양과 파워 샤프트의 온도에 따라 보다 크거나 보다 적은 범위로 비틀림에 의한 변형이 발생된다.
도입부에서 설명된 것처럼, 파워 샤프트(12)에 토크가 전달되는 동안, 제1 포닉휠과 제2 포닉휠의 치형상부는 제1 각변이와 제2각변이의 값을 변화시키기 위해 서로에 대해 이동하게 된다.
도 4a와 도 4b를 참조하여, 이하에서 본 발명의 제1 실시예를 설명한다. 이러한 도면은 포닉휠의 원주방향(OR)으로 고려되어 있다. 마치 포닉휠들의 원주가 직선인 것처럼, 도 4a와 도 4b는 치형상부의 상대적인 위치를 개략적으로 나타내고 있다.
본 발명에 따르면, 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 제3 시리즈의 치형상부(D3)는 서로 평행하고, 동시에 제2 시리즈의 치형상부(D2)와 제4 시리즈의 치형상부(D4)도 서로 평행하며 파워 샤프트(12)의 축(A)을 포함하는 제1 축면(first axial plane, P1)에 대해 기울어져 있고, 제1 시리즈의 치형상부(D1)가 제2 시리즈의 치형상부(D2)에 대해 기울어져 있다.
특히 이러한 실시예에 있어서, 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 제3 시리즈의 치형상부(D3)는 파워 샤프트(12)의 축(A)에 평행하고, 바꿔말하면 이러한 치형상부들은 2개의 축면으로 확장되며, 반면에 제2 시리즈의 치형상부(D2)와 제4 시리즈의 치형상부(D4)는 제1 축면(P1)에 대해 θ의 각도로 기울어져 있다. 바꿔말하면, 각각의 제2 시리즈의 치형상부(D2)와 제4 시리즈의 치형상부(D4)는 제1 축면(P1)에 대해 θ의 각도를 형성하는 평면으로 확장된다.
도 4a는 파워 샤프트(12)에 아무런 토크도 전달되지 않고 정지한 상태에서 각각의 치형상부(D1, D2, D3, D4)의 상대적인 위치를 나타낸다.
정지한 상태에서, 제1 각변이는 X0와 동일하고, 반면에 제2 각변이는 Y0와 동일하게 된다.
도 4b는 파워 샤프트가 토크를 전달하는 동일한 치형상부(D1, D2, D3, D4)의 상대적인 위치를 나타내고, 이러한 위치에서 파워 샤프트(12)는 온도(T)를 갖는다.
제1 시리즈의 치형상부(D1)가 제1 각변이의 변화로 언급된 값(△X)에 의해 제3 시리즈의 치형상부(D3)로부터 떨어져서 각지게 이동하고, 반면에 제2 시리즈의 치형상부(D2)가 제2 각변이의 변화로 언급된 값(△Y)에 의해 제4 시리즈의 치형상부(D4)로부터 떨어져서 각지게 이동한다.
더욱이, 엔진의 온도의 증가 및 샤프트의 각각의 팽창계수에 의한 온도팽창현상(temperature expansion phenomenon) 때문에 파워 샤프트(12)는 보조샤프트(20)로부터 떨어져서 각지게 이동한다.
제4 시리즈의 치형상부(D4)의 경사 때문에, 제2 각변량(△Y)는 제1 각변량(△X)과 별도의 열팽창에 대응하는 열팽창각변이량(expansion angular variation, △Z)의 합과 동일하게 된다. 이러한 후자의 각변이 값은 참조번호 d로 표시된 축팽창(axial expansion, d)의 차(difference)에 비례하게 된다. 따라서, 축팽창(d)이 온도함수가 되는 한, 열팽창각변이량(△Z)은 파워 샤프트의 온도(T)함수가 된다.
대조적으로, 제1 시리즈의 치형상부와 제3 시리즈의 치형상부가 열팽창에 의한 축변형의 방향에 평행하게 되는 한, 제1 각변이량(△X)은 오직 제1 휠(18)과 제2 휠(22) 사이의 각변이만을 측정하게 되고, 이에 따라 열팽창은 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 제3 시리즈의 치형상부(D3) 사이의 각변이에 아무런 영향을 주지 않게 된다.
연속적인 신호를 발생하는 자석 센서(sensor, 26)가 이러한 정보를 계산장치(28)에 보내고, 이러한 계산장치는 다양한 신호를 구별할 수 있고, 제1 각변이량과 제2 각변이량을 계산할 수 있다. 그 후에, 제2 각변이량에서 제1 각변이량을 빼는 것에 의해서 열팽창각변이량(△Z)을 계산할 수 있고, 이러한 열팽창각변이량으로부터 온도(T)를 계산할 수 있다.
최종적으로, 계산장치(28)는 계산된 온도(T) 및 2개의 포닉휠 사이에서의 비틀림 변형에 상응하는 제1 각변이량(△X)으로부터 파워 샤프트(12)에 전달된 토크값을 미리 저장된 차트(chart)를 사용하여 측정할 수 있다. 이러한 차트는 온도함수와 각변이함수와 같은 토크값을 포함하는 데이터베이스의 형태로 이루어질 수 있다. 차트는 작업장에서 미리 형성될 수 있다.
도 5a와 5b는 제1 실시예와는 다른 제2 실시예를 나타내고, 여기에서 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 제3 시리즈의 치형상부(D3)는 파워 샤프트(12)의 축에 평행하지 않고, 파워 샤프트(12)의 축(A)을 포함하는 제2 축면(second axial plane, P2)에 대해 θ의 각도로 기울어져 있다. 따라서, 각도(θ)는 제2 시리즈의 치형상부(D2)와 제4 시리즈의 치형상부(D4)의 각도 기울기(θ')와 반대가 된다.
도 5a는 파워 샤프트(12)에 아무런 토크도 전달되지 않는 동안에 각각의 치형상부들(D1, D2, D3, D4)의 상대적인 위치를 나타낸다.
정지한 상태에서, 제1 각변이는 X0와 동일하게 되고, 반면에 제2 각변이는 Y0와 동일하게 된다.
도 5b는 파워 샤프트가 토크를 전달하는 동안에 동일한 치형상부 사이의 상대적인 위치를 나타내고, 이때 파워 샤프트(12)는 온도(T)가 된다.
이러한 시간에, 제1 각변이량(△X)과 제2 각변이량(△Y)은 2개의 포닉휠 사이의 각변이와 열팽창에 의한 각변이 성분(component)을 더한 값과 동일하게 된다. 한 쌍의 치형상부들(D1과 D3, D2와 D4)이 반대 각도로 기울어져 있기 때문에, 제1 각변이와 제2 각변이를 포함하는 열팽창에 의한 각변이 성분은 서로 반대되고, 이에 따라 제1 각변이와 제2 각변이를 더한 값은 2개의 포닉휠 사이의 각변이의 2배가 되고, 반면에 제1 각변이와 제2 각변이를 뺀 값은 열팽창에 의한 각변이 성분의 2배가 되며, 이러한 값으로부터 온도(T)가 계산된다.
따라서, 계산장치로 파워 샤프트에 전달된 토크를 계산하기 위해 필요한 정보의 2개의 항목은 다시 한 번 이용할 수 있다.
9 : 가스터빈, 10 : 토크 측정장치,
12 : 파워 샤프트, 12a : 파워 샤프트의 제1 단부,
12b : 파워 샤프트의 제2 단부, 14 : 기어,
16 : 구동장치, 18 : 제1 휠,
19 : 치형상부, 20 : 보조샤프트,
20a : 보조샤프트의 제 1단부, 20b : 보조샤프트의 제2 단부,
22 : 제2 휠, 23 : 치형상부,
24 : 구멍, 26 : 센서,
28 : 계산장치, A: 축,
D1 : 제1 시리즈의 치형상부, D2 : 제2 시리즈의 치형상부,
D3 : 제3 시리즈의 치형상부, D4 : 제4 시리즈의 치형상부,
d : 축팽창, P1 : 제1 축면,
P2 : 제2 축면, △X : 제1 각변이량,
△Y : 제2 각변이량, △Z : 열팽창각변이량,
OR : 원주방향.

Claims (9)

  1. 회전토크를 축(A)에 전달하기 위한 파워 샤프트(12);
    각도마크를 구비하고, 상기 파워 샤프트에 고정되는 제1 휠(18);
    상기 파워 샤프트의 한쪽 단부에 고정되는 제1 단부(20a) 및 각도마크(22)를 구비하는 제2 휠을 구비하고, 상기 제1 휠과 동일한 축에 위치하는 자유로운 제2 단부(20b)를 갖는 보조샤프트(20); 및
    적어도 상기 휠 중의 1개에 마주하여 배치되고, 제1 휠과 제2 휠 사이의 각변이량(△X, △Y)을 나타내는 신호를 발생하기에 적절한 센서(26)를 포함하여 이루어지되, 상기 신호는 상기 센서에서 발생되는 신호에 근거하여 상기 파워 샤프트에 전달되는 상기 토크를 측정하기 위해 적절한 계산장치(28)에 전달되도록 형성되어 있는 토크 측정장치에 있어서,
    상기 제1 휠(18)은 제1 시리즈의 각도마크(D1)와 제2 시리즈의 각도마크(D2)를 구비하고; 및
    상기 제2 휠(22)은 제3 시리즈의 각도마크(D3)와 제4 시리즈의 각도마크(D4)를 구비하며, 상기 제1 시리즈의 각도마크(D1)와 제3 시리즈의 각도마크(D3)는 서로 평행하고, 제2 시리즈의 각도마크(D2)와 제4 시리즈의 각도마크(D4)는 서로 평행하며, 파워 샤프트의 축(A)을 포함하는 제1 축면(P1)에 대해 기울어져 있고, 상기 제1 시리즈의 각도마크(D1)가 상기 제2 시리즈의 각도마크(D2)에 대해 기울어져 있으며, 상기 센서(26)에서 발생되는 신호가 상기 파워 샤프트(12)의 온도로 나타나는 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 휠(18)과 제2 휠(22)은 포닉휠(phonic wheel)이고, 상기 각도마크들(D1, D2, D3, D4)은 치형상부(teeth)로 구성되는 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 포닉휠(18)과 제2 포닉휠(22)은 제1 포닉휠(18)의 치형상부(19)가 제2 포닉휠(22)의 치형상부에 각지게 엇갈리는 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 파워 샤프트(12)의 원주방향(OR)으로, 제1 시리즈의 치형상부(D1), 제3 시리즈의 치형상부(D3), 제2 시리즈의 치형상부(D2), 및 제4 시리즈의 치형상부(D4)가 연속적으로 뒤이어 나타나는 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 샤프트(12)의 상기 원주방향(OR)에서, 상기 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 상기 제3 시리즈의 치형상부(D3)는 상기 파워 샤프트의 상기 축(A)에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 샤프트(12)의 상기 원주방향(OR)에서, 상기 제1 시리즈의 치형상부(D1)와 상기 제3 시리즈의 치형상부(D3)는 상기 파워 샤프트의 상기 축(A)을 포함하는 제2 축면(P2)에 대해 소정의 각도(θ)로 기울어져 있고, 제2 시리즈의 치형상부(D2)와 제4 시리즈의 치형상부(D4)는 상기 파워 샤프트(12)의 상기 축(A)을 포함하는 상기 제1 축면에 대해 상기 소정의 각도(θ)와 반대되는 각도(θ')로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3, 제4 시리즈의 치형상부들(D1, D2, D3, D4)은 각각의 포닉휠의 원주의 일부에 각지게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조샤프트(20)는 상기 파워 샤프트(12)의 안쪽에서 축방향으로 확장되는 것을 특징으로 하는 토크 측정장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 토크 측정장치를 포함하는 터보엔진(9).

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