JP2004324639A - 磁気結合式一体化電力／冷却ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】環境制御、二次電源及び緊急電源を一体化する。
【解決手段】電気機械装置の第１のローターに結合され、圧縮空気またはラム空気を受ける入力と、冷却済み空気または排出空気を放出する出力とを有する冷却タービン、電気機械装置の第２のローターに結合され、エンジンブリード空気または周囲空気を受ける入力と、圧縮空気を放出する出力とを有する圧縮機、第１のローターと第２のローターとを磁気結合する手段、圧縮機に結合された発電タービン、圧縮機の出力と冷却タービンの入力との間に接続された熱交換器及び第１のローターと第２のローターとの間の磁気結合を制御する第１の制御ユニットにより構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機の環境制御システム及び電力システムに関し、さらに詳細には、環境制御システム、二次電源及び緊急電源システムを一体化したものに関する。

現在の航空機用環境制御、二次電源及び緊急電源システムを一体化したものは、圧縮機、発電タービン及び膨張タービンが単一の中実軸により連結されている。単一の始動器／発電機は同じ軸に取り付けられている。この構成では、ターボ機械の構成要素が全て同一速度で強制的に回転させられる。システム内のエネルギーは合計するとゼロになってバランスさせる必要があるため、全ての構成要素を同一速度で作動させて最大効率を得ることは困難である。

熱管理の考え方を現在のシステム設計に適用すると、ターボ機械の個々の構成要素のサージマージン及び設計上の他の固有の制約により運転性能が限られたものとなる。多数の要素を単一の軸に取り付けると、動作許容範囲及びマージンが狭くなる。加えて、ターボ機械の全ての要素を取り付けるには長い軸が必要となる。さらに、始動器／発電機を使用すると臨界速度が低くなければならないため、高速での動作が不可能である。現在のシステムはまた、高い高度で緊急動作を行うための貯蔵エネルギーを提供する空気蓄積ボトル使用する。

ラム空気タービン及び、空気ボトル及びヒドラジン駆動緊急電力ユニット（ＥＰＵ）のような貯蔵エネルギー装置は、独立型の緊急電源装置として使用されている。しかしながら、かかるシステムはほとんどの時間、作動状態にはならず、航空機の重量及び体積の増加要因となる。

環境制御、二次電源及び緊急電源を提供できる一体化装置が求められている。

発明の概要

本発明は、航空機の環境制御、二次電源及び緊急電源を提供する装置を提供する。この装置は、電気機械装置の第１のローターに結合され、圧縮空気またはラム空気を受ける入力と、冷却済み空気または排出空気を放出する出力とを有する冷却タービンと、電気機械装置の第２のローターに結合され、エンジンブリード空気または周囲空気を受ける入力と、圧縮空気を放出する出力とを有する圧縮機と、第１のローターと第２のローターとを磁気結合する手段と、圧縮機に結合された発電タービンと、圧縮機の出力と冷却タービンの入力との間に接続された熱交換器と、第１のローターと第２のローターとの間の磁気結合を制御する第１の制御ユニットとより成る。

第１のローターと第２のローターとを磁気結合する手段は、第１のローターに磁気結合された第１のステーター巻線と、第２のローターに磁気結合された第２のステーター巻線とより成り、制御ユニットは、パルス符号変調により第１のステーター巻線と第２のステーター巻線との間で電圧及び/または電流を接続することができる。

この装置はさらに、第３のステーター巻線と、第３のステーター巻線を電力源に接続する手段とを備えることができる。第２の制御ユニットを、第２のローターと第２のステーターとをモーターとして駆動するために設けることができる。第１のローター、第２のローター、第１のステーター巻線、第２のステーター巻線及び第３のステーター巻線は、スイッチトリラクタンス装置の構成要素でよい。

発明の詳細な説明

添付図面を参照して、図１は、本発明に従って一体化された環境制御、二次電源及び緊急電源システム１０の概略図である。このシステムは、膨張または冷却タービン１２を有し、このタービンには圧縮空気またはラム空気を受ける入力１４と、冷却済み空気または排出空気を放出する出力１６とがある。冷却タービン１２は、第１の軸２２により電気機械装置２０の第１のローター１８に結合されている。圧縮機２４は、軸２８により電気機械装置２０のローター２６に結合され、エンジンブリード空気または周囲空気を受ける入力３０と、圧縮済み空気を放出する出力３２とを備えている。電気機械装置２０は、第１及び第２のローターを互いに磁気結合するステーター３４を有する。これは、システムの所望の動作モードに応じてモーターまたは発電機として作動可能であるため、時としてモーター／発電機または始動器発電機と呼ばれる。

発電タービン３６は、軸２８と同じ軸でもよい軸３８により圧縮機に結合されている。発電タービンは、燃焼室４０とタービン部分４２とを有する。弁４４は、圧縮機の出力を発電タービンの入力４６と接続する。タービン部分には排気ポート４８が設けられている。

熱交換器５０は、圧縮機の出力と冷却タービンの入力とに結合されている。この熱交換器は、矢印５２、５４で示すように燃料が通過する空気／燃料熱交換器でよい。一体化された制御ユニット５８、６０を備えた制御ユニット５６は、航空機システム制御システム６２から入力信号を受けて、第１のローターと第２のローターとの間の磁気結合を制御する。

膨張冷却タービンの入力は、熱交換器から高圧の冷却済み空気を受ける第１のダクト６４と、空気を受けるダクト６６とに接続されている。弁６８は、ラム空気ダクトを開閉する手段として働く。膨張冷却タービンの出力は、低圧の冷却済み空気を放出する第１のダクト７０と、ラム空気を放出する第２のダクト７２とに接続されている。弁７４は、ラム空気排出ダクトを開閉する手段として働く。冷却タービンから排出される冷却済み空気は、航空機の客室または航空機用機器類へ送ることができる。弁６８、７４は、以下に述べるシステムの種々の動作モードに合うように開閉制御することができる。

図１において、第１及び第２のローター及びステーターを単一の電磁装置として示すが、２つの電磁装置を用いて、第１のローターを第１のステーターに、また第２のローターを第２のステーターに磁気結合してもよいことを理解されたい。ステーターは図示の制御ユニットにより制御されるであろう。

２つのローターをインライン構成にすると、パッケージがコンパクトになるという利点が得られる。電気機械装置の冷却装置はより簡単にすることが可能であり、また電磁遮蔽をより効率的にすることができる。ローター１８と２６とは、一体化制御ユニットが、電子スイッチングによる電力の直接伝送により磁気結合する。システムが必要とする差電力は、航空機電力システムから受けて電気機械装置のローター２６を駆動することができる。システムの制御により、冷却タービン１２と圧縮機２４との間の電力差を変調することができる。本発明の一実施例において、電気機械装置のローター２６は２つの巻線を有するモーターとして働く。１つの巻線はローター１８からの電力の直接伝送を可能にし、別の巻線は通常冷却モード時に航空機電力システムから電力を受ける。

システムの電気機械装置の構成要素は、ラム空気回路のような搭載条件に合致するようにそれぞれ別個の機械として実現することができる。しかしながら、かかる構成では、高電力の伝送を取り扱うためにＩＣＵ５８及び６０をより重くする必要があり、これらのＩＣＵは電力管理のために必要な電子電力スイッチングによる損失が大きくなる。それにもかかわらず、それらは依然として実現可能な構成である。

本発明は、ラム空気タービン、電気式始動器／発電機及びターボ機械の特徴を磁気結合一体化電力及び冷却ユニット（ＭＣＩＰＣＵ）に組み込んだものである。このＭＣＩＰＣＵは、冷却タービンと補助電源部分を電気的にリンクさせる。冷却タービンは２つのモードで動作するように設計されている。それは、冷却済み圧縮空気を膨張させて通常冷却モードで冷却用空気を発生させる冷却タービンとして働く。緊急時、ラム空気取入れ口を開いて発電を可能にする。通常冷却モード時は、タービンのドラッグを最小限に抑えるために発電タービン部分を介して供給されるエンジンブリード空気を最小限に抑える。システムは、主エンジン始動器／発電機により発生される電力からの電力入力により動作することができる。一つの実施例において、必要とされる電力入力差の大きさは冷却負荷が５０−６０ｋＷでほぼ２５０Ｈｐである。その実施例において、冷却タービンは約１５０Ｈｐのエネルギーを発生し、圧縮機は作動媒体を圧縮するのに４００Ｈｐのエネルギーを必要とする。

図１のシステムにおいて、膨張冷却タービンは、分割式モーター／発電機である電磁装置の第１のローターを介してそれ以外の要素に結合されている。圧縮機と発電タービンとは、モーター／発電機の第２のローターに結合されている。これら２つのローターは磁気結合によりリンクしている。

電磁装置は、発電と動力発生の両方を行える。この構成により、幾つかの動作モードが可能となる。地上冷却モードでは、地上メインテナンス時に、外部からの電力を電気機械装置に加えて冷却タービンをモーターとして作動させることにより、空気をシステムに循環させて部分的な冷却を行うことができる。冷たい空気が必要な場合、圧縮機を電気駆動して圧縮空気を提供することが可能である。圧縮済み空気は、地上冷却空気により冷却されて冷却タービンに送り込むことができる。その後、冷却タービンは圧縮済み空気を膨張させて航空機用機器類及び乗組員を冷却するための冷たい空気を発生させる。

始動モードでは、圧縮機は圧縮機側の始動器／発電機によりモーターとして作動されるため、周囲空気を圧縮することができる。その結果得られる圧縮空気を燃焼室において燃料と混合すると、高圧高温のガスが発生する。高温ガスは発電タービンを駆動して電力を発生させ、エネルギーを共通軸を介して圧縮機にフィードバックする。膨張冷却タービンは、圧縮機及び発電タービンから切り離すことができるため、この動作モード時には望ましくないドラッグの発生に寄与せず、より効率的な動作を可能にする。

補助動力モードでは、発電タービンが始動された後、圧縮機が周囲空気を吸入して、圧縮済み空気を燃焼器へ送り込む。燃料を高圧空気と混合して燃焼室内で燃焼させると、高温高圧の空気が発生して発電タービンを駆動する。始動器／発電機により電力を発生させて航空機で使用する。発生される電力量は、減率特性及び空気密度の減少により変化する。減率特性は、大気中における高度の増加による理論的な温度の低下率である。

通常冷却モードでは、圧縮機はエンジンブリード空気または周囲空気を圧縮して、中間冷却熱交換器に供給する。中間冷却熱交換器は、周囲空気またはエンジン燃料の何れかにより冷却することができる。冷却後、高圧で冷却済みの空気は冷却タービン内で膨張して、航空機用機器類及び乗組員の冷却ニーズのための冷たい空気を発生させる。圧縮機からの部分圧縮された空気は、発電タービンを通すことによりドラッグを最小限に抑えることができる。圧縮機の駆動に必要な電力は、始動器／発電機を介してフィードバックされる冷却タービンにより発生される電力により一部を供給することが可能であり、さらに必要な電力は航空機電気系統により供給される。

エンジンに搭載した発電機が故障した場合、システムは、周囲空気を吸い込まずに高高度でエンジンブリード空気を用いて緊急電力モードで動作することが可能であり、また、補助電力モードで電力を発生することにより、電力システムに冗長性を与えることができる。システムはエンジンブリード空気により動力を受けるため、高高度で作動することができる。

エンジンが止まった場合、システムは、ラム空気取入れ口を開くことにより冷却タービンがラム空気タービンとして働く緊急電源モードとして動作することができる。発電モードでモーター／発電機により発生される電力は、補助電力モードを確立できる高度へ降下するまで航空機の電力条件を維持する。

図２は、本発明によるシステムに使用可能な電磁装置及び関連の要素を示す概略図である。図１に対応する図２の部分は、同じ参照番号で示す。

図２のシステムでは、軸２２と２８との間の磁気結合を永久磁石式電気機械装置８０により行う。電気機械装置は、ステーター巻線８２、８４、８６に関して相対移動可能なように取り付けられたローター１８、２６を有する。ステーター巻線８２は第１のステーター８８に取り付け可能であり、またステーター巻線８４、８６はステーター９０に取り付け可能である。軸２２上の機械エネルギー入力は、永久磁石のローター１８とステーター巻線８２との間の相対移動による電気エネルギーに変換されて、ステーター巻線８２に電圧を発生させる。一体化制御ユニット（ＩＣＵ）５８は、巻線８２を、スイッチ９４として示す接続手段を介して外部負荷９２で示すような航空機電力システムに接続するか、またはスイッチ９６で示す接続手段により巻線８４に接続することができる。このシステム制御６２は、制御論理回路を備え、全てのシステム管理及び通信を担当する。軸２２及び２８の端部はそれぞれ軸受け９８、１００により支持することができる。

電気機械装置は、軸２２によりラム−空気／冷却タービンへ、また軸２８により圧縮機に結合されている。巻線８２は、冷却モードにおいて、ＩＣＵ５８によりスイッチングされて電力を巻線８４へ伝送する。ブロック１０２で示す航空機用電力は、ＩＣＵ６０を介して巻線８６により電力を付加するために使用される。システムの電力バランスは、巻線８６への電力入力の大きさを調整することにより制御される。この作用により、圧縮機が受ける電力が直接変化し、システムの動作点が変化する。一体化制御ユニット５８、６０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）により電圧及び電流を制御できる。

緊急モードにおいて、ラム−空気／冷却タービンから取り出されるエネルギーは、ローター１８及び巻線８２により電気エネルギーに変換され、巻線８４へ供給されるのではなくてＩＣＵ５８によりスイッチングされて航空機で使用される。ＩＣＵ５８の電子スイッチ９６は開いた状態で、またスイッチ９４は閉じた状態で、電力を航空機に出力する。適当な高度に到達すると、航空機電力ユニット側のローター２６、圧縮機２４及び発電タービン４２は、燃焼室４０が空気を吸い込んで燃料を燃焼させるため、機能して発電する。一体化電力及び冷却ユニットの地上での始動時、ＩＣＵ６０は巻線８４と８６の両方を励起してローター２６を駆動させる。

このシステムによると、高圧の貯蔵空気ボトル、別の再充填圧縮機及びそれらに連携する任意の管路及び冷却要素が不要となる。また、従来型システムにおける高圧空気放出時におけるような着氷条件に対する技術的課題がなくなる。ラム空気による緊急発電が、貯蔵空気システムによる緊急電源機能にとって代わる。

本発明は、ターボ機械の要素間におけるエネルギーのマッチングを可能にする。本発明によるシステムはまた、ターボ機械のコストと重量を単一軸の場合と比較して減少させる。

本発明を特定の実施例について説明したが、頭書の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲から逸脱することなく図示説明した実施例に対する種々の変形例及び設計変更が可能であることを理解されたい。

本発明による一体化された環境制御、二次電源及び緊急電源システムを示す概略図である。 本発明によるシステムに使用可能な電磁装置及びその関連制御装置を示す概略図である。

Claims (11)

1. 航空機の環境制御、二次電源及び緊急電源を提供する装置であって、
   電気機械装置の第１のローターに結合され、圧縮空気またはラム空気を受ける入力と、冷却済み空気または排出空気を放出する出力とを有する冷却タービンと、
   電気機械装置の第２のローターに結合され、エンジンブリード空気または周囲空気を受ける入力と、圧縮空気を放出する出力とを有する圧縮機と、
   第１のローターと第２のローターとを磁気結合する手段と、
   圧縮機に結合された発電タービンと、
   圧縮機の出力と冷却タービンの入力との間に接続された熱交換器と、
   第１のローターと第２のローターとの間の磁気結合を制御する第１の制御ユニットとより成る、航空機の環境制御、二次電源及び緊急電源を提供する装置。
2. 第１のローターと第２のローターとを磁気結合する手段は、第１のローターに磁気結合された第１のステーター巻線と、第２のローターに磁気結合された第２のステーター巻線とより成り、第１の制御ユニットは第１のステーター巻線と第２のステーター巻線を互いに電気結合する手段とより成る請求項１の装置。
3. 第１の制御ユニットは、パルス符号変調により第１と第２のステーター巻線を接続する請求項２の装置。
4. 第３のステーター巻線と、
   第３のステーター巻線を電力源に接続する手段とをさらに備えた請求項２の装置。
5. 第３のステーター巻線を電力源に接続する手段は、第２のローターと第２のステーターとをモーターとして駆動する第２の制御ユニットより成る請求項４の装置。
6. 第１のローター、第２のローター、第１のステーター巻線、第２のステーター巻線及び第３のステーター巻線は、スイッチトリラクタンス装置の構成要素である請求項４の装置。
7. 冷却タービンの入力をラム空気入力に接続する手段をさらに備えた請求項１の装置。
8. 発電タービンは、
   燃焼室と、
   燃焼室を圧縮機の出力に接続する手段とより成る請求項１の装置。
9. 冷却タービンの出力を排気手段に接続する手段をさらに備えた請求項１の装置。
10. 冷却タービンは第１の軸により電気機械装置の第１のローターに接続され、圧縮機は第２の軸により電気機械装置の第２のローターに接続されている請求項１の装置。
11. 発電タービンは第２の軸に接続されている請求項１０の装置。

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