JP2007113587A - ガスタービンエンジンの付属機械の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搭載された装置の動作に適合した速度範囲をＡＧＢギアボックスに与えながら、ＨＰおよびＬＰ本体からの混合出力抽出を達成する。
【解決手段】本発明は、ＬＰ軸およびＨＰ軸を有する多軸ガスタービンエンジンの補助機械を駆動するための装置に関し、この機械は、ギアボックス（７）中に搭載され、装置は、ＨＰ軸（３）とこのギアボックスの間に第１機械的伝動装置（５）を備え、ＬＰ軸（１）とこのギアボックスの間に油圧伝動装置（１０）をさらに備えることを特徴とする。
本発明の解決策は、補助機械をＬＰ軸を介して駆動することを可能にし、ＨＰ軸により与えられる負荷を軽減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多軸ガスタービンエンジンの分野、特に航空機用途に関し、付属装置を駆動するためにロータ軸から機械的出力を抽出する手段に関する。

ガスタービンエンジンは、一般に少なくとも部分的に燃焼チャンバに供給する１組の空気圧縮機を備える。燃焼チャンバから発生するガスは、圧縮機に機械的に連結された１個または複数のタービン段を駆動し、推力を供給する。二軸エンジンは、第１軸を介して低圧タービンのグループに接続された１組の「低圧」圧縮機を備え、組み立て体は低圧のＬＰ軸を形成する。また、二軸エンジンは、第１軸と同心に第２軸に固定して取り付けられた高圧のＨＰ軸と呼ばれる第２軸を備える。２個のロータは互いに機械的に自由に回転する。ＨＰ軸は燃焼チャンバと直接連絡する。ターボジェット、特に民間の航空機ターボジェットは、通常ＬＰ軸によって駆動されるファンロータを備え、推力の大部分を伝達する。

航空機タービンエンジンによって供給される出力の一部は、タービンエンジン自体および推進力を与える航空機の両方の補助機械に供給するために用いられる。

現在、多軸エンジンにおいて、この出力は高圧段の軸から部分的に機械的に抽出されて、付属装置を駆動するためのギアボックスの入力受け軸を駆動する。このギアボックスはＡＧＢ（付属ギアボックス）とも呼ばれる。例えば、ターボファンターボジェットでは、ＡＧＥギアボックスはファンケーシング上に配置される。その入力軸は通常ケーシングの構造アームの１つに収容された伝動軸によって駆動され、角度伝動ギアボックスを介して高圧軸に固定して取り付けられたピニオンに接続される。発電機、および燃料ポンプまたは油圧ポンプなどの様々な付属機械は、このギアボックスに搭載されて複数組のギアによって駆動される。

抽出の他の部分は高圧圧縮機から供給される圧縮空気からなり、特に航空機客室の加圧および空気調節または除氷を行う。

現在の動向は、より柔軟に使用できると考えられる電気的手段の割合が増加しているため、機械的出力抽出の割合を増加させる方向に向かっている。この航空機の装置への電気的供給に対する要求が増加することによって、エンジンの動作および性能上の理由のため、主として低い回転速度においてＨＰ軸からだけ出力を抽出することはもはや不可能である。これらの抽出は圧縮機の変動を招きやすい。

タービンエンジンの新しい用途において出力抽出を増加させる手段は、エンジンのＨＰおよびＬＰ本体からの混合機械的出力抽出システムを利用することである。

しかし、ＨＰおよびＬＰ本体は異なる速度で独立に回転し、異なる動作範囲を有する。アイドリング速度と全ガス速度の間で、ＨＰ軸の速度比は約２であり、回転速度は、例えば毎分１００００回転から毎分２００００回転に増加する。他方、ＬＰ軸の速度比は約５であり、その速度は、例えばアイドリング速度の毎分９００回転から全ガス速度の毎分４５００回転に増加する。さらに、ＡＧＢギアボックスに搭載された付属装置はＨＰ軸の速度比に適合した所定の動作範囲を有する。

本発明の目的は、搭載された装置の動作に適合した速度範囲をＡＧＢギアボックスに与えながら、ＨＰおよびＬＰ本体からの混合出力抽出を達成することである。

本発明によれば、多軸、詳細にはＬＰ軸およびＨＰ軸を有する二軸のガスタービンエンジンの補助機械を駆動する装置（この機械はギアボックスに搭載され、装置はＨＰ軸と上記ギアボックスの間に第１機械的伝動装置を備える）は、ＬＰ軸とこのギアボックス間に油圧伝動装置も備えることを特徴とする。

「ギアボックス」は、１個または複数の運動抽出装置から補助機械を機械的に駆動する手段を設けた補助機械の支持体を意味する。

本発明の装置によって、ＬＰ軸はエンジン速度に応じてギアボックス装置の駆動に関与することができる。その結果、エンジン動作に問題のある状態の間は、ＨＰ軸からの出力の抽出を軽減する。また、油圧伝動装置も回転速度に負荷を与えることなくＬＰ軸からの出力の伝動を可能にし、ギアボックスはこの第１の機械的伝動装置を介してＨＰ軸による機械的な駆動を維持するので、入力速度はＨＰ軸の速度によって制御される。このようにして、ギアボックス速度の制御はギアボックスに搭載された既存の装置の動作との適合性が保たれる。

第１実施形態によれば、油圧伝動装置は、第２機械的伝動装置を介してＬＰ軸に接続され、油圧回路を介して油圧モータに接続された油圧ポンプを有し、それ自体が第３の機械的伝動装置を介してこのギアボックスに接続された、流体静力学的変速機を備える。

さらに詳細には、第１伝動装置および第３伝動装置はギアボックスに並列に接続される。用いられるポンプに応じて第２伝動装置は減速ギアを備える。

この実施形態は、用途に大きな柔軟性があり、特に、ポンプとモータを互いに離れた別の位置に配置することができるので有利である。

ポンプとモータの少なくとも１つは正の変位、好ましくは可変容積を有することが有利である。

油圧回路は、ポンプの下流に流体アキュムレータを備え、したがって、その圧力制御が可能になる。油圧モータの出力制御の部材は、ＬＰ軸によって提供される補充出力の調節を可能にする。

他の実施形態によれば、第３機械的伝動装置は遊星ギア群を有する差動ギアを備える。

この解決策は油圧伝動装置を介して伝達される出力を低減させ、したがってこの部品の寸法を縮小することが可能である。

遊星ギア群は、ケージ、太陽ギア、および遊星キャリアの３段からなる。この用途では、遊星ギア群は２個の入力段と、選択されたギア群の比に応じて決定される１個の出力段を備える。したがって、入力段である遊星ギア群の太陽ギアは、第４の機械的伝動装置を介してＬＰ軸に接続され、油圧モータの軸は、他の入力段である遊星ギア群のケージに機械的に接続される。

さらに詳細には、油圧モータの軸は減速ギアを介して入力に接続され、出力段である遊星キャリアはギアボックスに接続される。

第３実施形態によれば、油圧伝動装置は、一方で第２機械的伝動装置を介してＬＰ軸へ、他方で第３伝動装置を介してこのギアボックスに接続された、油圧カプラーを備える。伝達された出力は制御手段によって制御され、液体を充填する。

前述の例のように、本発明は、ＨＰ軸を介してエンジンおよび航空機装置の動作に適合したギアボックスの速度制御を保持することを可能にする。また、ＬＰ軸から発生する出力を付属装置に伝動し、エンジン動作に問題のある状態の間、ＨＰ軸からの抽出出力を軽減することを可能にする。

また、流体動力学的伝動による速度の損失を制限することが可能であり、ＨＰ軸から１００％の出力伝動を可能にする。

さらに詳細には、この実施形態は、カプラーがそれ自体従来の油圧解決策よりも嵩高な装置であるにも拘らず、使用がより単純であるという利点を有する。

他の特徴および利点は、添付図面と共に本発明の３つの実施形態の説明によって明らかになる。

図１を参照する実施形態は二軸ガスタービンエンジンに関し、タービンエンジンの２個の軸１および３が全て図示されており、１つはＬＰ軸に対応し、他はＨＰ軸に対応する。本実施形態から知られるように、２個の軸は同心であり機械的に互いに自由に回転する。エンジンの種類によって、それらの動作は同一方向回転または逆回転である。ＬＰ軸はＨＰ軸内の適切なベアリングを介して搭載される。複流ターボジェットの場合、それは例えば前方に配置されたファンを駆動する。

２個の軸の各々には、伝動軸を駆動するためのピニオン１ａおよび３ａがそれぞれ設けられる。第１の機械的伝動を形成する、例えば一端部でＨＰ軸上のピニオンである運動伝動部材５ａを有する第１軸５は、２個の軸１および３によって画定されるエンジンの軸に対して放射状に配置される。その他の端部で、それはギア５ｂを介して回転運動を付属ギアボックス７の入力軸７ａに伝達する。また、このギアボックスは本発明の部分ではないので、さらに詳細な説明は行わない。それは１個または複数の運動抽出軸に接続されたギアを設けた枠を備える。ギアボックスに搭載される要素の構成はそれが用いられるエンジンに依存する。特にエンジンが民間航空機ターボファンターボジェットである場合、ギアボックスはファンケーシングに結合され、伝動軸５はケーシングの構造アーム上に放射状に配置される。

本発明によれば、この第１実施形態において、入力軸７ａは、流体静力学的変速機であるＬＰ軸からの油圧伝動手段１０によって駆動される。手段１０は第２の機械的伝動装置１０ｒ１を介して軸１に機械的に接続される。これは軸１に固定して取り付けられたピニオン上のピニオンかみ合いとすることができる。また、これは必要であれば減速ギア装置とすることができる。手段１０は軸１０ｂを介して、ギアボックスの入力軸７ａに機械的に接続され、ここで減速ギア装置によって第３の機械的伝動装置１０ｒ２を形成する。流体静力学的伝動装置は軸１０ａによって機械的に駆動されるポンプ１１を備える。減速ギア１０ｒ１は入力軸の速度をポンプの速度に一致させることが可能である。ポンプは可変容積の容積式ポンプであることが有利である。この種のポンプの一例は調節可能な傾斜板を含む。板の傾斜角度の変化はポンプのピストンの行程とその容積を変化させる。容積は制御部材１３によって制御される。ポンプはさらに導管１７を介して、可変容積の油圧モータ１５に油圧流体を供給する。この導管１７に並列に流体アキュムレータ１９がポンプの下流に配置される。このシステムにおいて、油圧回路は他の油圧回路と独立していることに留意されたい。

ＬＰ軸からの出力抽出の管理は、特に軸１０ａおよび１０ｂの速度およびポンプによって送られる圧力の関数として、制御装置１３を介してポンプ１１とモータ１５を制御することによって得られる。

油圧モータの速度は、ＨＰ軸に動力学的に接続された軸７ａの回転速度によって定まる。その結果、エンジン速度とは関係なく、ギアボックスはそれが支持する装置をＨＰ軸と同じ動作範囲の速度で駆動する。

装置は多重抽出状態中、以下のようにして動作する。

第１の選択肢によれば、ポンプ１１の作業圧力は一定値、例えばΔＰ＝３５０ｂに保たれる。モータ１５の制御は容積を変化させることによって得られる。特に、モータによって伝達される出力は、
モータ出力＝モータ速度×容積×ΔＰ
の関係式によって与えられる。

モータ速度はＨＰ軸の速度によって定まり、作業圧力はポンプによって一定に保たれるので、モータ出力はそれを通過する流体の量、したがって容積に比例する。

第２の選択肢によれば、モータ容積はその最大値に保たれ、したがって伝達される出力はΔＰに比例する。油圧回路の圧力はポンプの容積を変化させることによって制御される。

ここに示した解決策の利点は、このシステムがＬＰおよびＨＰの２つの本体の間に動力学的な結合を生じさせないことである。

さらに、ある速度を超えると、ＨＰ軸は全ての出力をギアボックスに提供する動作領域になる。したがって、混合された出力抽出システムは停止することができる。これを行うために、制御システム１３はポンプおよびモータに圧力ゼロおよび出力ゼロを指令する。したがって、ポンプおよびモータは、損失と抗力を低減するために負の圧力下に置かれる。

同様に、始動時に、始動がギアボックスによって行われるならば、出力は始動モータから直接ＨＰ軸に伝動され、流体静力学的伝動はアイドリング状態に設定される。ポンプおよびモータの板は最小の容積を与えるように駆動される。特に、始動はＨＰ軸だけを駆動することによって達成される。

第２実施形態に関する図２を参照すれば、図１の要素に対応する要素が参照番号に２００を追加することによって示される。図は、図示されない二軸タービンエンジンのＬＰ軸２０１およびＨＰ軸２０３を示す。軸２０３は第１機械的伝動装置２０５を介して補助機械ギアボックスＡＧＢ２０７に接続され、ここで伝動軸はピニオン２０５ａを介してＨＰ軸のピニオン２０３ａとかみ合い、この２つによって角度伝動が形成される。

本発明によれば、油圧伝動装置はＬＰ軸２０１およびギアボックス２０７の間に配置される。この伝動装置は後に説明する油圧機械的伝動装置の一部を形成する。

伝動装置の流体静力学部分は、先行解決策のように、流体静力学的変速機２０７を備える。流体静力学的変速機は、油圧ポンプ２１１、および油圧回路２１７を介して接続された油圧モータ２１５を備える。２個の機械２１１および２１７は可変容積を有し、これはそれぞれ矢印２１１’および２１５’で示される。アキュムレータは回路２１７に並列に配置され、ポンプ圧力を制御する。制御部材２１３は、２個の機械の軸２１０ａおよび２１０ｂの各々の速度パラメータである回路の圧力および設定点値を受取り、第１実施形態のようにモータ２１６および／またはポンプの容積の制御用信号を送る。

ポンプ２１１を駆動するための軸２１０ａは、第２機械的伝動装置２１０ｒ１を介してＬＰ軸に接続される。これは詳細には２つの速度を互いに合致させるための減速ギアである。

モータ２１５によって駆動される軸２１０ｂは、第３の機械的伝動装置２２０を介してギアボックス２０７に接続される。

第３の機械的伝動装置は遊星ギア群差動装置２２１を備える。遊星ギア群差動装置は、太陽ギア２２２、その遊星キャリア２２３を有する遊星ギア、およびケージ２２４からなる。太陽ギア２２２は、ここでは軸２１０とかみ合う伝動軸で表される第４の機械的伝動装置２３０を介してＬＰ軸に接続される。また、第３の伝動装置２２０は、油圧モータ２１５の軸２１０ｂと差動装置２２１のケージ２２４の間に減速ギア２１０ｒ２をさらに備える。遊星キャリア２２３はギアボックス２０７の入力軸に接続される。

ＬＰ軸はこの組み立て体を介して、遊星ギア群２２１の太陽ギア２２２によって形成される入力に出力を直接伝達し、流体静力学的変速機を介してケージ２２４によって形成される入力に間接的に伝達する。遊星キャリア２２３によって形成される遊星ギア群２２１の出力はＡＧＢに接続される。

遊星ギア群２２１の入力および出力の速度は、それぞれ第４の機械的伝動装置２３０を介してＬＰ軸によって、および第１伝動装置２０５を介してＨＰ軸に接続されたギアボックス２０７を介して、定められる。したがって、油圧モータ２１５の速度は遊星ギア群の比によって固定される。

遊星ギア群の比は、流体静力学的伝動装置を通過する出力を最小にし、最大使用速度での損失を低減するように選択される。

装置は第１実施形態と同様に動作する。

多伝動状態の間である。

第１の選択肢によれば、ポンプ２１１の作業圧力は一定値、例えばΔＰ＝３５０ｂに保たれる。モータ２１５はその容積を変化させることによって制御される。

モータ速度はＨＰ軸の速度によって定まり、作業圧力はポンプによって一定に保たれるので、モータ出力はそれを通過する流体の量、したがって容積に比例する。

第２の選択肢によれば、モータの容積はその最大値に保たれ、したがって伝動出力はΔＰに比例する。油圧回路の圧力はポンプの容積を変化させることによって制御される。

ある速度を超えると、ＨＰ軸はギアボックスに全ての出力を提供する動作領域になる。したがって、混合された出力抽出システムは停止することができる。これを行うために、制御システム２１３はポンプおよびモータに圧力ゼロおよび出力ゼロを指令する。したがって、ポンプおよびモータは、損失と抗力を低減するために負の圧力下に置かれる。

同様に、始動時に始動がギアボックスによって行われるならば、出力は始動モータから直接ＨＰ軸に伝達され、流体静力学的伝動装置はアイドリング状態に設定される。ポンプおよびモータの板は最小の容積を与えるように駆動される。特に、始動はＨＰ軸だけを駆動することによって達成される。

第３実施形態に関する図３を参照すれば、図１の要素に対応する要素が参照番号に３００を追加することによって示される。

図は、第１および第２軸、それぞれ３０１および３０３を示す。これらは、それぞれ図示されない二軸ガスタービンエンジンのＬＰ軸およびＨＰ軸である。これらの２個の軸には、運動抽出のための適切なピニオン３０１ａおよび３０３ａが設けられる。第１軸はここでは流体動力学的である伝動装置３１０の入力軸３１０ａを介して、運動抽出を可能にする。第２軸３０３ａは第１伝動手段を形成する伝動軸３０５のピニオン３０５ａを介して、運動抽出を可能にする。ピニオン３０１ａと入力軸３１０ａの間に、第２の機械的伝動装置３１０ｒ１が減速ギアの形で設けられる。

前述の場合のように、モータに対してオフセットする付属ギアボックス３０７はこれらの２つの手段によって駆動される。第１手段３１０は、第３の機械的伝動装置を形成する減速ギア装置３１０ｒ２を介して軸３０７ａを駆動する、軸３１０ｂを備える。また、軸３０７ａも適切なギア３０５ｂを介して軸３０５によって回転する。

流体動力学的伝動装置はそれ自体既知であり、部分的充填制御システム３１２に接続された油圧トルク変換器３１１とも呼ばれる、油圧カプラーを備える。システム３１２は制御部材３１３によって制御される充填および排出ポンプを備える。既知の油圧カプラーは、タービンを形成する第２ロータに面した、ポンプを形成する翼を設けた第１ロータからなる。ロータが回転すると、翼はタービンを形成する第２ロータの翼の中に油圧流体を噴出し、それを運動させる。第２ロータの速度は減速ギア３１０ｒ２の速度によって定まるので、２個のロータの間に存在する流体の量を変化させることによって、１つのロータから他のロータへ伝達される出力も変化する。第１実施形態のように、このシステムはＬＰ本体とＨＰ本体の間に動力学的結合がない利点を有する。

２個の減速ギアの減速比は、タービンエンジンの２つの本体の動作範囲において、流体動力学的伝動のポンプとタービン間に正の速度転移を生じるように選択される。システムのタービンの回転速度は、それ自体ＨＰ軸に動力学的に接続されたギアボックスの回転速度によって定まる。したがって、ギアボックスはＨＰ軸の速度と同じ動作範囲の速度で装置を駆動する。

伝動装置３１０によって伝達される出力は、ポンプの回転速度および流体出力に比例する。この流体出力は伝動装置３１０の部分的充填を行うシステムによって制御され、ＬＰおよびＨＰの速度に応じて制御される。この制御システムはＬＰ軸から所望の出力抽出を得ることを可能にする。

ある速度を超えると、ＨＰ軸はギアボックスに全ての出力を提供する動作領域になる。したがって、出力抽出システムは停止することができる。これを行うために、伝動装置３１０は空にされ、損失と抗力を低減するために負の圧力下に置かれる。

第１実施形態に関する一例の概要図である。 第２実施形態に関する一例の概要図である。 第３実施形態に関する一例の概要図である。

符号の説明

１、３、１０ａ、１０ｂ、２０１、２０３、２１０、２１０ａ、２１０ｂ、３０１、３０３、３１０ａ、３１０ｂ 軸
１ａ、３ａ、２０３ａ、３０１ａ、３０３ａ、３０５ａ ピニオン
５、３０５ 伝動軸
５ａ ピニオン運動伝動部材
５ｂ、３０５ｂ ギア
７、３０７ 付属ギアボックス
７ａ、３０７ａ 入力軸
１０ 油圧伝動手段
１０ｒ１、２１０ｒ１、３１０ｒ１ 第２の機械的伝動装置
１０ｒ２、２２０ 第３の機械的伝動装置
１１、２１１ ポンプ
１３、２１３、３１３ 制御部材
１５、２１５ 油圧モータ
１７ 導管
１９ 流体アキュムレータ
２０５ 第１機械的伝動装置
２０７ 補助機械ギアボックスＡＧＢ
２１０ｒ２、３１０ｒ２ 減速ギア
２１６ モータ
２１７ 油圧回路
２２１ 遊星ギア群差動装置
２２２ 太陽ギア
２２３ 遊星ギア
２２４ ケージ
２３０ 第４の機械的伝動装置
３１０ 流体動力学的な伝動装置
３１１ 油圧カプラー
３１２ 部分的充填制御システム

Claims (15)

1. ＬＰ軸およびＨＰ軸を有する二軸ガスタービンエンジンの補助機械を駆動するための装置であって、前記機械はギアボックス（７、２０７、３０７）中に搭載され、ＨＰ軸（３、２０３、３０３）と前記ギアボックスの間に第１機械的伝動装置（５、２０５、３０５）を備え、ＬＰ軸（１、２０１、３０１）と前記ギアボックスの間に油圧伝動装置（１０、２１０、３１０）をさらに備えることを特徴とする、装置。
2. 油圧伝動装置が、第２機械的伝動装置（１０ｒ１、２１０ｒ１）を介してＬＰ軸（１、２０１、３０１）に接続され、油圧回路（１７、２１７）を介して油圧モータ（１５、２１５）に接続された油圧ポンプ（１１、２１１）を有し、第３の機械的伝動装置（１０ｒ２、２２０）を介して前記ギアボックスに接続される、流体静力学的変速機を備える、請求項１に記載の装置。
3. 第３伝動装置（１０ｒ２、２２０）および第１伝動装置（５、２０５）がギアボックスに並列に接続される、請求項２に記載の装置。
4. 第２伝動装置（１０ｒ１、２１０ｒ１）が減速ギアを備える、請求項２または３に記載の装置。
5. ポンプおよびモータの少なくとも１つが容積式である、請求項２に記載の装置。
6. ポンプおよび／またはモータが可変容積を有する、請求項３に記載の装置。
7. 回路が、ポンプの下流に流体アキュムレータ（１９、２１９）を備える、請求項２から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 油圧モータの出力を制御するための部材（１３、２１３）を備える、請求項２に記載の装置。
9. 第３の機械的伝動装置（２２０）が、ケージ、太陽ギア、および遊星キャリアの３段階からなる遊星ギア群（２２１）を有する差動ギアを備える、請求項２から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 遊星ギア群（２２１）の入力段、例えば太陽ギア群が、第４の機械的伝動装置（２３０）を介してＬＰ軸（２０１）に接続される、請求項９に記載の装置。
11. 油圧モータ（２１５）の軸（２１０ｂ）が、遊星ギア群（２２１）の他の入力段、例えばケージ（２２４）に接続される、請求項１０に記載の装置。
12. 油圧モータの軸（２１０ｂ）が、減速ギア（２１０ｒ２）を介して遊星ギア群（２２１）の入力に接続される、請求項１１に記載の装置。
13. 出力段、例えば遊星キャリア（２２３）が、ギアボックス（２０７）に接続される、請求項９から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 油圧伝動装置が、一方で第２機械的伝動装置（３１０ｒ１）を介してＬＰ軸（３０１）へ、他方で第３伝動装置（３１０ｒ２）を介して前記ギアボックス（３０７）に接続された、油圧カプラー（３１１）を備える、請求項１に記載の装置。
15. カプラー（３１１）が、液体を充填するための制御手段（３１２）を備える、請求項１４に記載の装置。

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