JP2004132359A - 電動式補機の補助および緊急駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　電動機が故障した場合や、電力供給が絶たれた場合でも、補機の動作が継続できるように、補機、特に、燃料ポンプを駆動するためのシステムを提供する。
【解決手段】　ターボエンジン１０において燃料ポンプ１３またはオイルポンプなどの補機を駆動するためのシステムであって、このシステムは、電動機２１を含み、電動機２１に結合されたエアタービン２０をさらに含む。エアタービンは、ターボエンジン１０のコンプレッサ１２から取り込んだ空気流の供給、および補機の駆動の寄与に適している。また、このシステムは、コンプレッサから取り込んだ空気の流れを制御するための弁２５を含み、この制御弁は、ターボエンジン１０が始動している間は閉位置にある。
【選択図】　　　図４Ａ

Description

　本発明は、ターボエンジン、特に、航空機用エンジンの電動式補機の動作安全性に関する。

　推力／重量比は、軍用ジェット機の改良に努めるエンジン製造業者にとって、常に主要な達成目標である。圧縮比の増大、タービン入口温度の上昇、および効率の向上を図ることで、エンジンサイズの小型化が進んでいる。

　従来、燃料ポンプ、オイルポンプ、および発電機などのジェット機の補機を駆動するために必要なパワーテイクオフは、アングルテイクオフ手段を介してコンプレッサシャフトにより駆動されて、エンジンの一方側に配置されたハウジングに位置する補機を駆動するラジアルシャフトを含む。パワーテイクオフと補機ハウジングは、エンジンの改良に追随することが困難であるため、特に、補機ハウジングが始動機および交流発電機も含む場合、エンジン、特に、小型エンジンの全重量の非常に大きな部分を占める。

　補機ハウジングのサイズにより、エンジンの前面面積が増大する。

　しかしながら、訓練航空機および攻撃用または偵察用の無人飛行機、または巡航ミサイルで小型エンジンを使用するためには、このようなエンジン改善して目立たなくして、エンジン前面面積を縮小化することが、エンジン製造業者に要求される。

　エンジンの重量の軽量化および前面面積の縮小化は、ジェット機において始動機／発電機を一体化し、発電機により電力供給される電動機を使用して補機を駆動することにより達成できる。

　このような状況下において、機械的なパワーテイクオフおよび補機ハウジングを小型化したり、省いたりすることができる。

　燃料ポンプ、潤滑オイルポンプ、および油圧ポンプなどの補機を駆動するために電動機を使用する利点は、補機の制御が容易であり、補機にアクセスし易く取り替えが容易な場所に、機体またはエンジン取り付け用パイロンのどこにでも補機を配置可能であるにもかかわらず、予想される敵の射撃に対する被攻撃性を低減させる点である。

　したがって、エンジン／補機の唯一の接点は、電気的伝送だけになる。これは、補助動力ユニットから、始動機およびエンジンを始動しながら燃料ポンプを駆動する電動機に、エネルギーを伝達する電気網を構成し、エネルギー伝達後、ジェット機の独自飛行が可能になると、補機を駆動する電動機、特に、燃料ポンプを駆動する電動機に、一体型の始動機／発電機が電力を供給する。

　しかしながら、現在の電気システムが高信頼性のものであるのにもかかわらず、発電機または燃料ポンプを駆動する電動機のいずれかに、飛行中、電気的な故障が生じる可能性が常にある。これにより、エンジンが作動しなくなることがあり、エンジンが１つしか積まれていなければ、飛行機や航空機が失われることになりかねない。

米国特許第５８９９０８５号明細書 米国特許第５５７７３８５号明細書 米国特許第６１４５３１４号明細書 欧州特許出願公開第０６９４４７２号明細書

　本発明の目的は、ターボエンジンが始動した後、電動機への電力供給が断たれた場合や電動機が故障した場合でも、独自に補機の機能を確実に継続可能なバックアップシステムを、補機を駆動するための電動機に結合することにより、このような深刻な問題を解決することである。

　したがって、本発明は、ターボエンジンにおいて燃料ポンプまたはオイルポンプを駆動するためのシステムに関し、前記システムは、固定子と回転子とを有する電動機を含む。

　本発明によれば、駆動システムは、ケーシングと回転アセンブリとを有するエアタービンをさらに含み、前記エアタービンは、前記補機の駆動に寄与するために、前記ターボエンジンのコンプレッサから取り込んだ空気流の供給に適したものであることを特徴とする。エアタービンは、前記電動機と同軸であることが好ましい。前記電動機の固定子は、前記エアタービンのケーシングに一体化され、前記電動機の回転子は、回転アセンブリに一体化されることが最も有利である。

　「一体化」という用語は、電動機の固定子が、ケーシングにより保持され、回転子が、エアタービンの回転軸と同軸に、電動機に特有の軸受を持たずに回転アセンブリ上に取り付けられることにより、駆動システムの小型化および軽量化を図ることを意味するために使用される。

　本発明の別の特徴によれば、駆動システムは、コンプレッサから取り込んだ空気の流れを制御するための制御弁をさらに含み、制御弁は、ターボエンジンが始動している間は閉位置にあり、始動した後は開位置にある。

　このような構成により、エアタービンを装備している航空機の飛行中、エアタービンに空気を供給することができるため、電動機を少なくとも部分的に搭載しないことができ、さらに、電動機のサイズの小型化と電力要求の低減により、電力消費量も減少できるため、その電力を他の要求に利用できることになる。

　コンプレッサから取り込んだ空気の流れは、電力供給がない場合や、前記電動機が故障した場合に、エアタービンによりポンプが動作され、飛行の継続が可能な量であることが有益である。

　電動機の回転子は、回転アセンブリの壁に取り付けられ、固定子は、ケーシングの壁に取り付けられる。

　好ましくは、回転アセンブリは、補機に機械的に連結されたシャフトを含み、前記シャフトは、前記シャフトとケーシングとの間に置かれた軸受により支持される。

　第１の実施形態において、エアタービンは軸求心型であり、回転アセンブリは、シャフトの自由端にホイールを含み、ホイールの周囲から軸求心翼が延在する。

　第１の実施形態の第１の変形例において、翼間での空気流通路は、翼の端部に固定された壁により外向きに画定され、電動機の回転子が周りに取り付けられる円筒状のスリーブにより空気の流れ方向に軸方向に延在する。

　第１の実施形態の第２の変形例において、ホイールは、翼の径方向外端に円筒状のスリーブを与え、このスリーブは、空気の流れ方向と反対の方向に軸方向に延在し、軸受の周りのケーシングに形成された軸方向のハウジングに配置され、電動機の回転子は、前記スリーブ内に取り付けられる。

　本発明の第２の実施形態において、エアタービンは軸型のものであり、ケーシングから径方向内向きに延在する静翼の少なくとも１つのリングと、シャフトに固定されたドラムから径方向外向きに延在する動翼リングとを含み、電動機の回転子は、前記ドラム内に取り付けられ、固定子は、構造アームによりケーシングに接続された円筒状スリーブの周りに取り付けられる。

　本発明の第３の実施形態において、エアタービンは軸型のものであり、ノズル翼リングと、シャフトの中間ゾーンから径方向に延在するホイールの周囲に設けられた動翼リングとを有し、前記シャフトは、それぞれの軸受により各端部で支持され、空気流は、軸受の１つに対して支持構造体を形成する２つのシュラウドにより、動翼リングから下流側に画定され、電動機の回転子は、前記ホイールの一面に取り付けられ、前記電動機のエアギャップは径方向の面にある。

　本発明の第３の実施形態の好適な構成において、ホイールの他面に回転子が取り付けられた第２の電動機が提供される。

　本発明の他の利点および特徴は、添付の図面を参照しながら、例示的に示した以下の記載を読むことにより明らかになる。

　図１から図３は、ターボエンジン１のケーシング４の下方に配置された、補機ハウジング３を有する軸Ｘのターボエンジン１を示す。ハウジング３に配置された補機は、ラジアルテイクオフシャフト５と、アングルギアとにより駆動される。テイクオフシャフト５は、ターボエンジン１のタービンをコンプレッサに接続する軸Ｘのシャフトにより駆動される。ハウジング３に含まれた補機は、本質的に、発電機と、燃料ポンプと、オイルポンプと、油圧ポンプと、電動式または空気駆動式の始動機とを含み、これらはすべて、機械的駆動システムにより機械的に駆動される。図２および図３に示すように、ハウジング３は、大容積のものであり、特に、低出力の単一シャフトターボジェットにより構成される場合、ターボエンジン１の前面面積を著しく増大する。ハウジングと補機との重量は、低出力ターボエンジンにおいて、ターボエンジン１の総重量の２０％ほどのことがある。

　このようなターボジェットの重量の軽量化および前面面積の縮小化を図るために、ターボエンジン１に一体化された発電機／始動機により、すなわち、ターボエンジン１の回転子に固定された独自の回転子を有する軸Ｘの発電機／始動機により、動力が供給される電動機により補機を駆動することが有益である。次いで、補機は、ターボエンジン１を支持するエアフレームまたはパイロンの任意の場所に配置することができ、また、電動機を使用することにより、補機の制御がしやすくなるという利点が得られる。ハウジング３とテイクオフシャフト５は、取り除くことができる。

　電動機により補機を駆動する主な欠点は、前記電動機が故障した場合や、電動機への電力供給が断たれた場合に、補機が駆動されなくなることである。

　補機が燃料ポンプであれば、燃焼室に燃料が供給されなくなり、すなわち、燃焼室が作動しなくなる。

　本発明の目的は、電動機が故障した場合や、電力供給が絶たれた場合でも、補機の動作が継続できるように、補機、特に、燃料ポンプを駆動するためのシステムを提供することである。

　図４Ａおよび図４Ｂは、コンプレッサ１２により空気が供給され、燃料ポンプ１３により燃料が供給される燃焼室１１を含む、軸Ｘの「全電化」ターボエンジン１０を示す図である。燃焼室１１からの熱ガスは、シャフト１５によりコンプレッサ１２に接続されたタービン１４を駆動する。また、ターボエンジン１０は、軸Ｘに一体化された始動機／発電機１６が装備され、コンプレッサ１２のコールドゾーンに配置される。参照符号１７は、パイプ１８によりポンプ１３に接続された燃料タンクを表す。

　燃料ポンプ１３は、電動機２１とエアタービン２２との両方を含む駆動システム２０により駆動され、エアタービン２２は、電動機２１と同軸上にあることが好ましく、ターボエンジン１０の完全自動化ディジタルエンジン制御装置（Ｆａｄｅｃ：ｆｕｌｌ−ａｕｔｈｏｒｉｔｙ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ）（図示せず）の制御下で、２ポート制御弁２５を配置した空気取出パイプ２４を介して、コンプレッサ１２に接続された入口管２３を有する。

　駆動システム２０は、以下に記載するように動作する。

　ターボエンジン１０が始動している間、制御弁２５は閉位置にある。始動機／発電機１６は、始動機の構成にあり、補助動力ユニット（図示せず）からの電気により動力が供給される。また、電動機２１も、始動中、補助動力ユニットにより動力が供給される。ターボエンジン１０の回転子は、点火速度で回転を開始し、燃焼室１１は、コンプレッサ１２により空気が供給される。次いで、Ｆａｄｅｃの制御下で、電動機２１により駆動される燃料ポンプ１３により、燃焼室１１に燃料が噴射される。エンジンが点火されると、始動機／発電機１６は、発電機の構成に置かれる。アイドリング速度に到達すると、発電機１６は、燃料ポンプ１３を駆動するための電動機２１と、他の補機を駆動するための電動機に動力を供給できる十分な電力を供給することにより、補助動力ユニットから助力を受けることなく、ターボエンジン１０が独自に稼動できるようになる。

　次いで、コンプレッサ１２から取り出された空気の流れを制御するための弁２５が、Ｆａｄｅｃにより開かれるため、エアタービン２２は、全飛行状況下で燃料ポンプ１３を機械的に駆動する。

　エアタービン２２の大きさは、発電機１６または電動機２１が故障した場合、ターボエンジン１０が装備された飛行機または航空機が、おそらく速度を落として、飛行の継続や基地への帰還ができるように、燃料ポンプ１３を駆動するのに十分な緊急動力を独自に供給可能なものである。

　図５から図９は、ギアポンプ１３を駆動するための電子空力式駆動装置２０の実施形態を示す。

　図５および図６に示す第１の実施形態において、エアタービン２２は軸求心型であり、その端部の１つに溝付き孔３１を有することで、ギアポンプ１３の歯車３３の１つの駆動シャフト３２と連結できる軸Ｙのシャフト３０を含む。シャフト３０は、エアタービン２２のケーシング３５の孔３４にある２つの軸受３３ａおよび３３ｂにより支持される。ギアポンプ１３と反対の端部に、シャフト３０は、軸求心状の翼３７が、周囲から径方向外向きに延在する空力的プロファイルのホイール３６を有し、径方向外側の前縁３８は、入口管２３からの空気の流れを翼３７間を流れる空気流に分流し、翼３７の出口から軸Ｙに対して平行に排気する。

　本発明の第１の実施形態の第１の変形例において、図５に示すように、翼３７を通る空気流の通路は、翼３７に固定され空力的プロファイルを有する壁４０により外側に画定される。この壁４０は、軸Ｙの円筒状スリーブ４１により空気の流れ方向に延在し、その周りに電動機２１の回転子４２が取り付けられ、円筒状スリーブ４１と位置合わせしてケーシング３５に形成された孔４４に、前記電動機の固定子４３が取り付けられる。電動機２１には、それ自体の軸受がない。この別の実施形態において、シャフト３１およびホイール３６は、単一部品からなる。

　本発明の第１の実施形態の第２の変形例において、図６に示すように、ギアポンプ１３から離れた位置にあるシャフト３１の端部は、翼付きホイール３６の孔に係合される。径方向外側の端部で、このホイール３６は、翼３７の前縁３８と並んで、翼３７からの出口での空気の流れ方向とは反対の方向に軸方向に延在する、軸Ｙの円筒状スリーブ４１を有する。円筒状スリーブ４１は、軸受３３ａおよび３３ｂの支持体４６の周りのケーシング３５に配設され、ホイール３６の近傍で軸方向に開いた円筒状ハウジング４５に配置される。

　電動機２１の回転子４２は、円筒状スリーブ４１内に取り付けられ、電動機の固定子４２を取り囲み、固定子４２は、軸受３３ａおよび３３ｂの支持体４６の周りにある円筒状ハウジング４５に取り付けられている。

　図５および図６において、参照符号４７は、軸受３３ａおよび３３ｂの間に配置されたスペーサを表す。これらの軸受３３ａおよび３３ｂは、ショルダと、溝と協働する弾性リングとにより、従来の方法でシャフト３０に保持される。

　図７は、ギアポンプ１３の駆動システム２０の第２の実施形態を示す。この場合のエアタービン２２は軸型であり、シャフト３０の自由端に設けられたドラム５０を含み、シャフト３０は、エアタービン２２のケーシング３５の孔３４にある２つの軸受３３ａおよび３３ｂにより支持されている。また、シャフト３０は、ギアポンプ１３の歯車３３の駆動シャフト３２と連結するための孔３１を有する。ドラム５０は、その周囲に、径方向外向きに延在する２つの動翼リング５１および５２を有する。ドラム５０を取り囲むケーシング３５の部分は、第１の静翼リング５３、または入口管２３と動翼リング５１との間の「ノズル」と、動翼リング５１と動翼リング５２との間で径方向内側に延在する第２の静翼リング５４と、第２の動翼リング５２から下流側に径方向内向きに延在し、円筒状スリーブ５６がドラム５０内に軸方向に延在する内部構造体５５に外側ケーシング３５を接続する、複数の構造アーム５５とを有する。電動機２１の固定子４３は、円筒状スリーブ５６の周りに取り付けられ、回転子４２は、ドラム５０内の孔に取り付けられる。

　図９は、上述したものと類似した駆動システム２０を示す。唯一の異なる点は、エアタービンのシャフト３０が中実であり、その周囲に、ギアポンプ１３のギア３３の１つの駆動シャフト３２に固定された歯車６１と噛み合う歯群６０を与える。歯群６０および歯車６１は、速度を落とすためのギアボックスとして作用する。

　図８は、本発明の第３の実施形態を示す。エアタービン２１は、単段軸型であり、エアタービン２１を通って空気が流れる方向に、入口管２３から下流側にノズル静翼リング５３を含む。ノズル翼リング５３から下流側に、動翼リング５１が配置される。動翼５１は、シャフト３０の中間ゾーンから径方向外向きに延在する中実ホイール６０の周囲から径方向外向きに延在し、シャフト３０は、軸受３３ａ、３３ｂにより各端部で支持されている。入口管２３の近傍に位置するシャフト３０の端部は、ギアポンプ１３のギア３３の駆動シャフト３２と連結するための溝付き孔３１を有する。

　動翼リング５１から下流側で、空気流は、軸受３３ａを支持するための構造体を形成する２つのシュラウド６１、６２により画定される。外側シュラウド６２には、排気口６３が設けられる。

　ホイール６０の径方向面の各々は、径方向エアギャップ電動機の回転子４２が取り付けられた環状ハウジングを有し、この電動機の固定子４３は、ケーシング３５またはシュラウド６１の孔に取り付けられる。

　したがって、この第３の実施形態の駆動システム２０は、ホイール６０の径方向の中間面の一方側に配置された２つの電動機を有する。

　上述したすべての３つの実施形態において、電動機２１は、エアタービン２２内に一体化され、回転子４２と固定子４３との間に電動機に特定の軸受が存在せず、軸受３３ａおよび３３ｂは、ケーシング３５に対してエアタービン２２の回転構成要素を中心合わせするように働くと同時に、固定子４３に対して回転子４２を中心合わせするように作用する。したがって、ギアポンプ１３の駆動システム２０は、小型、高信頼性、軽量のシステムである。

　電動機は従来型のものであり、例えば、永久磁石や可変磁気抵抗を備えたブラシレスの非同期式のものである。

　ギアポンプ１３が、取り付けおよび取り替えが容易な、完全なモジュールを構成するように、駆動システム２０に結合されてよいことに留意されたい。

テイクオフシャフトにより駆動される補機を含むハウジングを有する、従来のターボエンジンの側面図である。 テイクオフシャフトにより駆動される補機を含むハウジングを有する、別の従来のターボエンジンの側面図である。 図２のターボエンジンの正面図である。 燃料ポンプを駆動するための本発明によるシステムを備えた「全電化」型のターボエンジンを示すブロック図である。 図４に類似し、本発明の駆動システムの別の実施形態を示す図である。 本発明の駆動システムの第１の実施形態を示す図である。 本発明の第１の実施形態の変形例を示す図である。 本発明の駆動システムの第２の実施形態を示す図である。 本発明の駆動システムの第３の実施形態を示す図である。 図６に類似し、駆動システムの駆動シャフトと燃料ポンプのシャフトとの間に配置された減速ギアボックスを示す図である。

符号の説明

　１０　ターボエンジン
　１１　燃焼室
　１２　コンプレッサ
　１３　燃料ポンプ
　１４　タービン
　１５　シャフト
　１６　始動機／発電機
　１７　燃料タンク
　１８　パイプ
　２０　駆動システム
　２１　電動機
　２２　エアタービン
　２３　入口管
　２４　空気取出パイプ
　２５　制御弁

Claims (15)

1. 　ターボエンジン（１０）において燃料ポンプ（１３）またはオイルポンプを駆動するためのシステムであって、前記システムは、固定子（４３）と回転子（４２）とを有する電動機（２１）を含み、ケーシング（３５）と回転アセンブリ（３０、３６、５０）とを有するエアタービン（２０）をさらに含み、前記エアタービンは、補機の駆動に寄与するために、前記ターボエンジン（１０）のコンプレッサ（１２）から取り込んだ空気流の供給に適したシステム。
2. 　コンプレッサ（１２）から取り込んだ空気の流れを制御するための制御弁（２５）をさらに含み、前記制御弁は、ターボエンジン（１０）が始動している間は閉位置にあり、始動した後は開位置にある、請求項１に記載のシステム。
3. 　コンプレッサ（１２）から取り込んだ空気の流れは、電力供給がない場合や、前記電動機（２１）が故障した場合に、エアタービン（２２）によりポンプ（１３）を動作できるのに十分な量である、請求項１または２に記載のシステム。
4. 　エアタービン（２０）は、前記電動機と同軸にある、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 　前記電動機の固定子（４３）は、前記エアタービンのケーシング（３５）に一体化され、前記電動機の回転子（４２）は、回転アセンブリに一体化される、請求項４に記載のシステム。
6. 　電動機（２１）の回転子（４２）は、回転アセンブリの壁（４１）に取り付けられ、固定子（４３）は、ケーシング（３５）の壁に取り付けられる、請求項５に記載のシステム。
7. 　回転アセンブリは、補機（１３）に機械的に連結されたシャフト（３０）を含み、前記シャフト（３０）は、前記シャフト（３０）とケーシング（３５）との間に置かれた軸受（３３ａ、３３ｂ）により支持された、請求項６に記載のシステム。
8. 　エアタービン（２２）は、軸求心型であり、回転アセンブリは、シャフト（３０）の自由端にホイールを含み、ホイール（３６）の周囲から軸求心翼（３７）が延在する、請求項７に記載のシステム。
9. 　翼（３７）間での空気流通路は、翼（３７）の端部に固定された壁（４０）により外向きに画定され、電動機（２１）の回転子（４２）が周りに取り付けられる円筒状のスリーブ（４１）により空気の流れ方向に軸方向に延在する、請求項８に記載のシステム。
10. 　ホイール（３６）は、翼（３７）の径方向外端に円筒状のスリーブ（４１）を有し、前記スリーブは、空気の流れ方向と反対の方向に軸方向に延在し、軸受（３３ａ、３３ｂ）の周りのケーシング（３５）に形成された軸方向のハウジング（４５）に配置され、電動機（２１）の回転子（４２）は、前記スリーブ（４１）内に取り付けられる、請求項８に記載のシステム。
11. 　エアタービン（２２）は軸型のものであり、ケーシング（３５）から径方向内向きに延在する静翼（５３、５４）の少なくとも１つのリングと、シャフト（３０）に固定されたドラム（５０）から径方向外向きに延在する動翼リング（５１、５２）とを含み、電動機（２１）の回転子（４２）は、前記ドラム（５０）内に取り付けられ、固定子（４３）は、構造アーム（５５）によりケーシング（３５）に接続された円筒状スリーブ（５６）の周りに取り付けられる、請求項７に記載のシステム。
12. 　エアタービン（２２）は軸型のものであり、ノズル翼リングと、シャフト（３０）の中間ゾーンから径方向に延在するホイール（６０）の周囲に設けられた動翼リング（５１）とを有し、前記シャフトは、それぞれの軸受（３３ａ、３３ｂ）により各端部で支持され、空気流は、軸受の１つ（３３ａ）に対して支持構造体を形成する２つのシュラウド（６１、６２）により、動翼リング（５１）から下流側に画定され、電動機（２１）の回転子（４２）は、前記ホイール（６０）の一面に取り付けられ、前記電動機のエアギャップは径方向の面にある、請求項７に記載のシステム。
13. 　ホイール（６０）の他面に回転子（４２）が取り付けられた第２の電動機を有する、請求項１２に記載のシステム。
14. 　ターボエンジン（１０）は、「全電化」型の航空機用エンジンである、請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 　ポンプ（１３）は、ギアポンプであり、前記システムとともに、取り付けおよび取り替えが容易な完全なモジュールを構成する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。

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