Vakiokierroslaite

Vakiokierroslaite (engl. constant speed drive,lyh. CSD) on vaihteisto, joka ottaa käyttöakselin välityksellä vastaan vaihtelevanopeuksista pyörimisliikettä, ja muuntaa sen ulostuloakselin välityksellä vakionopeuksiseksi pyörimisliikkeeksi. Yleisin vakiokierroslaitteen käyttökohde on liikenne- tai sotilaslentokoneen moottoriin kytketty generaattori, jossa sitä tarvitaan vakiotaajuisen vaihtovirran tarvitseman jännitteen tuottamiseksi, sillä tämä edellyttää vaihtosähkögeneraattorin (alternaattori) pyörimistä vakionopeudella, yleensä 5000-6000 kierrosta/min. Yleensä kyseessä on suihkuturbiinimoottorin apulaitekoteloon kytketty hydraulitoiminen vaihteisto. Nykykoneissa vakiokierroslaite ja generaattori ovat tyypillisesti samaa laitetta, jolloin käytetään nimitystä integroitu vaihteistogeneraattori (engl. integrated drive generator) eli IDG.

Sundstrand-yhtiöiden (myöh. Hamilton-Sundstrand) valmistama Boeing 727:n vakiokierroslaite.

Rakenne

Tekniset toteutukset vaihtelevat laitteittain, mutta ohessa on esitelty Douglas DC-8:n erittäin perinteinen toteutus. DC-8:n Pratt and Whitney JT3D-3B-moottorin vakiokierroslaite koostuu planeettapyörästöstä, pumppuryhmästä, öljysäiliöstä, säätöjärjestelmästä ja sähköisestä irtikytkentälaitteesta. Irtikytkentälaite (generator drive disconnection apparatus) mahdollistaa generaattorin akselin irtikytkennän eräissä hätätilanteissa. DC-8:ssa voitiin irtikytketty akseli kytkeä uudelleen myös ilmassa moottorin ollessa sammuksissa, mutta nykyisissä IDG-laitteissa tämä pitää tehdä maassa. Säätöjärjestelmän tehtävänä on säätää tarpeen mukaan generaattorin ulostuloakselin pyörimisnopeutta: jos se esimerkiksi pienenee, tulee säätöyksikölle tästä tieto, ja se kasvattaa ulostuloakselin pyörimisnopeutta planeettapyörästön välityksellä. Voimansiirto moottorista generaattoriin perustuu planeettapyörästön ja pumppuryhmän yhteisvaikutukseen. Pumppuryhmä koostuu vakiosyöttöisestä ja säätösyöttöisestä hydraulipumppumoottorista.

Planeettapyörästön osat ovat kannatusakseli, kaksi planeettapyörää sekä ulostulo- ja menopuolen kehäpyörät. Kehäpyörien ja kannatusakselin välityssuhde on 2:1. Ulostulopuolen kehäpyörän kuormitusvääntömomentin määrää kaikilla nopeuksilla ja kuormilla ulostuloakselin hammaspyörä. Sisäänmenopuolen vääntömomentin puolestaan antaa menoakselin kannatusakselia pyörittävä hammaspyörä. Jos menopuolen kehäpyörässä ei olisi lainkaan vääntörasitusta, pyörisi se nopeudella, jolla tulopuolen kehäpyörä olisi pysähdyksissä. Koska kannatusakselin ja kehäpyörien välityssuhde on 2:1, olisi menopuolen kehäpyörän pyörimisnopeus kaksinkertainen kannatusakselin pyörimisnopeuteen nähden. Koska nyt halutaan säätää ulostulonopeutta, on menopuolen kehäpyörän nopeutta pienennettävä. Jos menopuolen kehäpyörän nopeus pidetään nollassa, pyörii ulostuloakselin kehäpyörä kannatusakselin kaksinkertaisella nopeudella. Jos menopuolen kehäpyörää pyöritetään kannatusakseliin nähden vastakkaiseen suuntaan, kasvaa ulostulopuolen kehäpyörän pyörimisnopeus tätä suuremmaksi ja päinvastoin. Huomataan, että säätämällä hydromekaanisesti menopuolen kehäpyörän pyörimissuuntaa, voidaan nopeutta muuttaa. Tämä tapahtuu säätämällä pumppuryhmän vakiosyöttöisen puolen pyörimisnopeutta ja suuntaa säätösyöttöisen puolen avulla alla selitettävällä tavalla. Käytännössä menopuolen kehäpyörä siis hienosäätää apulaitevaihteiston antamaa nopeutta halutun ulostulonopeuden saavuttamiseksi. Säätösyöttöisen pumppu/moottorin muodostavat sylinterirunko, männät, kallistettava vaappu ja säätömäntä. Tämä säätösyöttöinen puoli on yhdistetty moottorin apulaitevaihteistoon suoralla hammasvälityksellä, josta johtuen sylinteriryhmän nopeus on aina suoraan verrannollinen moottorin nopeuteen ja pyörimissuunta on aina sama.

Vakiokierroslaitteen toimiessa ylinopeuskäytöllä (käyttöakselin nopeus liian pieni) toimii säätösyöttöinen puoli pumppuna. Jotta laite toimisi pumppuna, ohjaa vakionopeussäädin syöttö-öljyä säätömännälle, joka kääntää vaapun siten, että öljy puristuu kokoon mäntien painuessa sisään. Tämä korkeapaineöljy (tyőpaineöljy) johdetaan vakiosyöttöiseen pumppu/moottoriin.Sisäännmenonopeuden kasvaessa ja nopeudenlisäystarpeen pienentyessä nopeussäädin ohjaa vähemmän öljyä ohjaussylinteriin, kunnes vaappu on jokseenkin suorassa kulmassa mäntiä vastaan. Tällöin säätösyöttöinen puoli ei pumppaa eikä saa öljyä, lukuunottamatta sitä pientä määrää, jolla kompensoidaan kitkan ja vuodon aiheuttamat tehohäviöt. Nyt vakiokierroslaite toimii suorakäyttöisenä. Vakiokierroslaitteen toimiessa alinopeuskäytöllä (käyttöakselin nopeus liian suuri) säätösyöttöinen puoli toimii moottorina. Tätä varten nopeussäädin ohjaa öljyn pois säätösylinteristä, jolloin vaappu kääntyy, virtaussuunta muuttuu ja öljy virtaa vakiosyöttöiseltä puolelta säätösyöttöiselle.

Vakiosyöttöisen puolen puolestaan muodostavat sylinterryhmä, männät ja kiinteäkulmainen vaappu. Sen pyörimissuunnan ja nopeuden määräävät säätösyöttöisen puolen pumppaaman tai vastaanottaman öljyn määrä, johon puolestaan vaikuttavat säätösyöttöien puolen vaapun kulman suuruus sekä sylinteriryhmän pyörimisnopeus. Vakiokierroslaitteen toimiessa ylinopeuskäytöllä, vakiosäätöinen puoli toimii moottorina. Tällöin säätösyöttöisen puolen pumppaama öljy painaa vakiosyöttöisen puolen männät liukumaan vaapun viistopintaa pitkin alaspäin, jolloin sylinteriryhmä pyörii. Ryhmä pyörittää planeettapyörästön menopuolen kehäpyörää kannatusakselin pyörimissuunnalle vastakkaiseen suuntaan, jolloin planeettapyörästö lisää apulaitevaihteiston antamaa nopeutta siten, että generaattorin pyörimisnopeus pysyy vakiona. Suorakäyttötilanteessa (jolloin sisäänmenonopeus on ensin suurentunut ja nopeuden lisäämistarve pienentynyt) pumppaa säätösyöttöinen puoli vähemmän ja vähemmän öljyä vakiosyöttöiseen puoleen, kunnes sylinteriryhmä pysähtyy, jolloin vakiokierroslaite siirtyy suorakäyttöön. Vastaavasti alinopeustilanteessa vakiosäätöinen puoli painaa öljyä säätösyöttöiseen puoleen, jolloin sylinteriryhmä ja menopuolen kehäpyörä pyörivät ylinopeuskäytölle vastakkaisiin suuntiin, ja jälleen ulostulonopeus pysyy vakiona.

Kuvataan seuraavaksi nopeudensäätöjärjestelmän toimintaa. Vakionopeussäädin on jousitoiminen, keskipakosäätimellä varustettu hydraulinen ohjausventtiili. Säadin toimii ohjaamalla vakiokierroslaitteen syöttö-öljyn pääsyä saatösylinteriin. Tuloakselin hammaspyörä käyttää säätimen pyörivää luistirunkoa, joten säädin tuntee vakiokierroslaitteen ulostulonopeuden. Mainittuun luistinrunkoon laakeroidut kiertopainot liikuttavat luistirungon sisälla olevaa venttiililuistia jousta vastaan. Syötto-öljy tulee tuloaukosta venttiiiluistin kahden laipan väliseen uraan.Venttiililuistin asemasta riippuen öljy pääsee joko säätosylinteriin tai vuotaa laitteen runkoon.Vakionopeussäätimessä on magneettinen hienosäädin, jota ohjaavat ohjaamon taajuuden ja kuormituksen ohjauspaneelilta tulevat korjaussignaalit.Hienosäätimeen kuuluu permanettimagneettiset kiertopainot ja niiden pyörivien päiden yläpuolelle sijoitettu sähkömagneetti. Säädetyn tasavirran kulkiessa magneettikelan kautta muodostuu säteittäinen magneettikenttä samakeskisten rengasmaisten napakenkien väliin. Kentän suunnan määrää tasavirran napaisuus. Pyörivien permanettimagneettisten kiertopainojen magneettinen akseli suuntautuu paaasiallisesti suorakulmaisesti sähkömagneetin säteittäistä kenttää vasten. Nämä kaksi kenttää leikkaavat toisensa, ja synnyttavat kiertopainoihin vaikuttavan, säädettävän voiman. Tämä magneettinen voima siirtää yhdessa keskipakovoimien kanssa luistia, mikä mahdollistaa laitteen toiminnan ohjaamisen ilman muita lisälaitteita. Lisäksi laitteessa on hydraulinen syöttöjärjestelmä öljyvirtojen ohjailua varten ja muita apujärjestelmiä.