JP2007248465A - 中空軸、特に航空用ターボ機械に属するものの内側の寸法を測定するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械に属する中空軸（１）内の、円筒状空洞の半径などの内部寸法を、規定の長さにわたって測定するシステムに関する。
【解決手段】空洞の内部に軸線に沿った並進可動性を有する支持体に、取り外し可能に取り付けられている測定モジュール（４０）を備え、測定モジュール（４０）は、寸法を測定し測定値に対応する信号を配送する測定要素を（４３）を備え、上記測定値を記録し記憶する記録記憶手段（４６１）を組み込む。より詳しくは、測定モジュール（４０）は、空洞の内部表面を感知するように収縮位置と伸張位置の間を移動することが可能な機械的感知要素（４３）を備える。このシステムは、特にターボ機械の回転軸の内部空洞の穴あけに対する点検に適用される。
【選択図】図４

Description

本発明はターボ機械の分野に関し、中空軸の内部寸法を測定する手段に関する。

航空用ガスタービンエンジンなどのターボ機械では、様々なコンプレッサとタービンディスクを連結する回転軸は主要構成部であり、高速で回転し、大きな負荷に耐える能力があると同時に、重量は比較的軽量なままである必要がある。これらの製造は、外部表面が機械加工された鍛造物に長手方向の空洞を孔けることを含む。この穴あけ作業の後、特に、壁の厚みをある種の許容幅に限定するために必要となる可能性のある補正を行うことができるように、回転軸の内部寸法を点検する必要がある。

本出願人に知られている、孔けられた穴に対して寸法点検を実施する従来の手段は、時間が掛かり、１５００ｍｍ長さの回転軸に対して１０箇所程度の測定点での部分的な点検に限定されている。知られている１つの手段に、３次元測定式の機械を使用して点検を実施するものがある。これらの手段は、特に、アクセスし難い湾曲半径または勾配度を有する領域で測定が実施されるように型を採取することを含むが、これは、複雑で長時間にわたる作業である。

本出願人は、長手方向の空洞が孔けられた後、回転軸の内側の寸法を点検することができる測定システムを創出することを目的とする。

他の目的は、被加工部品を測定専用装置に移動する必要なく、それが加工機上に配置されている間に点検作業を実施できるようにすることである。

他の目的は、以前よりも高速で、多くの箇所で測定値を得ることができるようにすることである。

他の目的は、仕上げ再加工作業中に、最初の穴に対して位置合わせをし直すことができるようにすることである。

これらの目的を、ターボ機械の中空軸内などの、円筒状空洞の内部寸法を所定の長さにわたって測定するシステムを使用して達成することが可能となっており、このシステムは、空洞の内部に軸線に沿った並進可動性を有する支持体に、取り外し可能に取り付けられている測定モジュールを備え、測定モジュールは、寸法を測定し測定値に対応する信号を配送する測定要素を備え、上記測定値を記録し記憶する記録記憶手段を組み込む。

好ましくは、モジュールは、空洞の内部表面を感知するように収縮位置と伸張位置の間を移動することができる機械感知器型の測定要素を備える。この構成は、モジュールが測定要素を損傷するリスクを許容する必要なく、空洞の内側に精確に設置されるのを可能にする。

他の特色によると、この構成要素は制御手段によって定位置に配置され、その電力源は上記測定モジュール内に構築される。

より詳しくは、この空洞が、機械加工を使用した円筒状金属被加工部品の穴あけの結果である場合、可動支持体は、上記加工機の穴あけヘッド用の支持体としての役割を果たす心棒である。

他の特色によると、加工機が自動制御ステーションを有する場合、自動制御ステーションは、心棒の位置を軸線方向にかつ／または角度を付けて制御する制御手段と、測定要素を制御する制御手段とを備える。好ましくは、制御信号は、例えば赤外線を使用して、制御ステーションと測定モジュールの間にワイヤレスで伝送される。

他の特色によると、このシステムはモジュール内に記録されたデータを読み取るデータ読取手段を備える。

本発明の方法の非限定的実施形態についての以下の記述から、他の特色も明らかとなるが、この記述には添付図面も付随する。

図１から図４で分かるように、この場合には内部寸法が点検される予定の被加工部品は、タービン軸である。回転軸１は、金属の塊をそれに所望の外部形状を与えるように鍛造することによって製造される。次いで被加工部品の外部が加工される。最後に被加工部品は支持体２に配置され、一方端１１から機械加工することによって穴あけされるが、その一方端は、その反対端１４が遠位端と称される限り近位端である。加工機３は、適切な駆動手段が設けられた駆動ユニット３２によってそれ自体のまわりで回転される、軸線ＸＸに沿って並進移動するように駆動される心棒３１を備える。これらの要素は図４の概略図である。

回転軸１に穴あけするために、心棒３１にはその遠位端に適切な工具が装備される。これは、穴あけ作業が完成されているので表していない。

図１および２は、回転軸１の断面の形状を示す。中央空洞の直径は、２つの端１１と１４の間で一定ではない。この直径は第１の入口の部分１１では一定であり、円錐台形状の内部表面を形成する第２部分１２で徐々に広がり、最も長い部分である第３部分１３では一定のままとなる。次いで狭まり、最終部分１４ではより複雑な形状で狭まり続ける。

外部形状は実質的に円筒形状であり、フランジ部分１５を入口１１付近に備えている。このフランジは、回転軸を図示していないタービン回転子に連結するのに使用される。

本発明のシステムは、実質的に、アクセスが縮小される第２部分１２および第３部分１３に沿って、内部空洞の表面を点検するために開発されている。

本発明のシステムは、２つの部分４１と４２に作られる管形状の測定モジュール４０を備える。遠位部４１は、近位部４２の直径よりも僅かに小さな直径を有する。「近位」という形容詞は、駆動システム３２に最も近い部分を指す。「遠位」は、駆動システム３２から最も遠い部分を指す。

管状部４１の直径は、それが回転軸の最終部分１４の開口を通過するのを可能にする。近位部４２の直径は、モジュール４０が回転軸の入口部分１１から導入されるのを可能にする。ここで、最終部分１４の開口を超える。回転軸の内側に収容されているとき、モジュール４０の軸線は回転軸の軸線ＸＸと一致する。固定手段４２１は、モジュール４０を機械３の心棒３１に取り外し可能に取り付ける機能を有する。この手段は、モジュールが代替される工具と同じように、心棒３１に嵌るような形状となっている。

管状部４１と近位部４２の間の中間ゾーンでは、モジュールは、直角ブラケットとして形作られたレバーの形態の感知測定要素４３を備え、これは軸線ＸＸに対して垂直の軸線のまわりで連節される。ブラケットの一方の脚４３１には、その自由端で感知ボールが設けられ、他方の脚４３２は、引張ばね４５に対して反対に作用する電気作動式張力作動装置４４に接続される。感知測定要素４３を収縮位置にもたらすために、作動装置が、ばね４５の力に対して張力を掛けるようにされる。作動装置が解除されると、ばねが脚４３２を引っ張り、これによって感知ボールを備えた脚４３１がモジュール４０の管状外皮から離れるようになる。

定規４６も脚４３２に機械的に連結される。この目的は、感知測定要素４３の動きを精確に観察することである。この目的のために、これはデータ記憶記録手段４６１に電気接続される。Ｈｅｉｄｅｎｈａｉｎ社がこの種類の定規の一例を提供する。

管状部４１は、作動装置４４が活動化されるときこの作動装置に電力を供給する蓄電池を含む。その自由端にはインターフェース４８が設けられ、これは赤外線信号を受け取り、赤外線信号を、作動装置を制御する電気信号と、定規４６によって記録される測定値を記録する電気信号とにそれぞれ転換する。

モジュールは、対応する外部手段に接続するための電気接続手段４９を備え、外部手段を介して蓄電池４７を再充電し、データ記憶手段４６１に記録されたデータを外部読取手段に伝送することができる。

図４はシステム制御の図式を示す。加工機の制御ステーション１００は、この回転軸３１の軸方向位置と、軸線ＸＸのまわりのその角度位置の両方を設定するように、回転軸駆動システムに接続される。制御ステーション１００は、軸線ＸＸに沿って位置決めされる、インターフェース４８に面する赤外線制御要素１１０にも接続される。

このシステムは、機械加工点検装置の付近に位置している測定モジュール４０用の支持体１２０も備え、それに、支持体１２０に属する対応する接続手段１２２とその接続手段４９が係合された状態でそれを位置決めすることができて、一方で蓄電池４７の再充電を、他方でデータ記憶手段４６１にあるデータの復元が可能になる。

この支持体１２０は、データ処理ソフトが装備されたパーソナルコンピュータ１３０などの計算手段に接続される。

図から分かるように、測定値分析の結果に応じて、機械加工に必要な補正を行うように、機械加工コマンドを制御ステーション１００に伝送することを想定することが可能である。この補正アクションは、加工機に回転軸が存在することから実施することができる。これはこのシステムの１つの利点である。

このシステムの機能は以下の通りである。

回転軸１が完全に穴あけされた後、回転軸３１から穴あけヘッドが抜かれ、穴あけ工具がそこから分解される。このように機械加工されたタービンの回転軸１は支持体２で定位置に残って、本発明によってその内部寸法を点検し、記録できるようになる。この穴あけ工具は、本発明の測定モジュール４０と取り替えられる。

図から分かるように、このデバイスは、被加工部品１用の支持体を形成する床１０を備える。被加工部品１は、それが中に滑動され、空間で精確に位置決めされる固定具２によって、一方端で支持される。この被加工部品は縦方向に支持される。

測定モジュール４０は、穴あけ工具に配置された穴あけヘッドの回転軸３１に取り付けられている。穴あけヘッド駆動手段に対して反対側の床の端に、かつ軸線ＸＸの延長するところに、測定ヘッドに含まれた構成要素を制御する赤外線制御システム１１０が存在する。

測定モジュール４０は、このようにして制御ユニット１００から制御信号を受け取る。

モジュールが穴あけヘッドに配置されると、デバイスが赤外線遠隔制御によって起動される。全てが制御ステーション１００によって作動される。第１ステップは、デバイスを横軸Ｘに沿って、軸線ＸＸに沿って、かつ軸線ＸＸに垂直な縦軸Ｚに沿ってデバイスを較正することからなる。

ステーション１００は、モジュール４０を、図２のように遠位端の、最大深さの位置にもたらすように駆動ユニット３２を制御する。

赤外線制御システム１１０およびインターフェース４８によって、測定要素４３が延長される。この動作は、作動装置への電力供給を切断することによって実施され、引張ばね４５が、脚４３１が旋回してモジュール４０から出るようにする。脚４３１は、感知ボールを介して回転軸の内部壁にもたれかかるようになる。定規４６の縦軸線測定値Ｚは、測定要素４３のこの位置に対応する。さらに軸位置Ｘも分かる。

近位端１１の方向に、軸線方向に例えば０．１ｍｍ分ずつ、かつ異なった角度位置、例えば４つの角度位置（０°、９０°、１８０°、および２７０°）に隔てられた連続した確定点にわたってモジュール４０を動かすことによって、このプログラムは一連の測定を開始する。これらの規定点で、定規４６によって供給される測定値Ｚが記録される。一連の測定が完了すると、モジュール４０は回転軸から引き抜かれ、支持体１２０に配置されて、メモリー４６１に記憶された全てのＺデータを収集する。これらのデータはコンピュータ１３０に伝送され、そこで分析される。この情報に基づいて、操作者は必要なステップを取ることができ、例えば、機械加工を制御する数値制御手段も備える制御ステーション１００を使用して、壁の厚みを補正するのに必要な外部加工を指揮する。

言い換えれば、作動するために、このシステムはモジュール４０に記録されたデータを制御し活用する専用ソフトウェアを必要とする。このモジュール４０は、赤外線によってユニット１００からコマンドを受け取るソフトウェアによって作動され、ユニット１００は、心棒３１と測定ヘッド４０のクロックカード同士の同期化も制御する。

データ処理は、ユニット４０からの読み取りを理論的モデルと比較するパーソナルコンピュータ１３０によって、加工機から離れて実施される。この比較は、許容誤差からはみ出た寸法の値を示す、記録された寸法のマップ１３１をもたらす。この記録は、主にモジュール４０からの読み取りと同心である必要がある外部形状を機械加工するために、仕上げ作業中に被加工部品の平衡をとるための基準系１３２としての役割も果たす。

タービンの中空軸の内側で第１位置に配置された、本発明による測定モジュールである。 回転軸の遠位端の位置にある、この実施例のタービン軸の内側のモジュールである。 感知測定要素を有する測定モジュールの一部のより詳しい図である。 測定システムの制御の概略図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 支持体
３ 加工機
１１ 中央空洞の第１部分
１２ 中央空洞の第２部分
１３ 中央空洞の第３部分
１４ 中央空洞の最終部分
１５ フランジ部分
３１ 心棒
３２ 駆動システム
４０ 測定モジュール
４１ 管状部
４２ 近位部
４３ 感知測定要素
４４ 作動装置
４５ 引張ばね
４６ 定規
４７ 蓄電池
４８ インターフェース
４９ 電気接続手段
１００ 制御ステーション
１１０ 赤外線制御要素
１２０ 支持体
１２２ 接続手段
１３０ パーソナルコンピュータ
１３２ 基準系
４２１ 固定手段
４３１ ブラケットの一方の脚
４３２ ブラケットの他方の脚
４６１ 記憶記録手段

Claims (8)

1. ターボ機械の中空軸内の円筒状空洞の、半径などの内部寸法を、規定の長さにわたって測定するシステムであって、空洞の内部に軸線に沿った並進可動性を有する支持体に、取り外し可能に取り付けられた測定モジュールを備え、測定モジュールは、寸法を測定し測定値に対応する信号を配送する測定要素を備え、前記測定値を記録し記憶する記録記憶手段を組み込む、システム。
2. モジュールが、空洞の内部表面を感知するように収縮位置と伸張位置の間を移動することができる機械感知器型の測定要素を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 測定要素が、電力源が前記測定モジュール内に内蔵されている制御手段によって定位置に配置される、請求項１および２に記載のシステム。
4. 可動支持体が、加工機の穴あけヘッド、特に前記空洞を中空にするのに使用されるものの支持体としての役割を果たす心棒である、請求項１から３に記載のシステム。
5. 心棒の位置を軸線方向にかつ／または角度を付けて制御する制御手段を備える加工機を制御する自動制御ステーションを備える、請求項１から４に記載のシステム。
6. 制御ステーションが、測定要素を制御する制御手段を備える、請求項１から５に記載のシステム。
7. 伝送が、特に赤外線を使用した無線式である、請求項１から６に記載のシステム。
8. 測定モジュールに記録されたデータを読み取るデータ読取手段を備える、請求項１から７の一項に記載のシステム。

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