JP2008138680A - ブレード先端電気機構 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンから電力を発生させる電磁機構を提供する。
【解決手段】本電磁機構は、ファンブレード翼形部の先端上のロータ磁極とブレード翼形部の周りで円周方向に間隔を置いて配置されたステータ要素とを有することにより、エンジンから電力を発生させる。ブレード翼形部上の磁極先端が励磁されているので、磁極先端は、ステータ要素を通過して回転して、ステータ内に磁束変化を引き起こす。磁束変化は、電力を提供するために使用される電位を生じさる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気機構（電気機械）に関し、より具体的には、ガスタービンエンジン内部の電気機構に関する。

航空機用エンジンのようなガスタービンエンジンでは、制御システムに電力を提供するため又は機体に電力を提供するためのようなエンジン内外の様々な目的のために、電気エネルギーを発生することが要求される。今日、ガスタービンエンジンが必要とする電力を供給する発電機は、機械的ギヤボックスによって駆動されている。発電機及び機械的ギヤボックスは、エンジンナセル内に取付けられる。発電機のサイズは、航空機の増大する電力需要を満たすために、次第に大きくなってきている。翼又は胴体に取付けたガスタービンエンジンの場合、発電機の増大したサイズは、ナセルの拡大を必要とし、結果的に航空機の抗力を増大させるおそれがある。

１つのシステムは、ガスタービンエンジン内に組み込まれて発電機又は電動機として作動する電気機構を構成する。圧縮機ブレードは、半径方向外端部においてシュラウドで被って、該ブレードの空気力学的部分を電気的ロータ突出部から分離することができる。シュラウドを越えて、圧縮機ブレードに取付けられたロータ突出部によって、電気機構が形成される。これらの突出部は、磁束コアの溝内を通過して進み、その結果、容易にアクセスできるようにタービンの燃焼ガス通路の外部に位置しかつ最適化磁束経路を有する電気機構が得られる。ブレードのシュラウドは、ガス通路の外周部の周りに配置されてガスを閉じ込めるためのリングを形成し、このシュラウドは、該シュラウドと溝壁との間に配置されて該シュラウドの周りから溝内へのガス漏洩に抗するシールを有する。

別のシステムは、エンジンの回転構成部品から発電機への機械的連結を構成して、増大した需要を満たすのに十分な電力を発生するようにする。機械的連結システムにおける機械的複雑さのレベルを低減しようとして、この別のシステムでは、エンジンの回転スプール、好ましくは高圧スプール内に発電機が組み込まれる。しかしながら、エンジンの中心軸線の領域内における空間は限られており、この提案は、全く満足なものでないことが判明した。

同様に、さらに別のガスタービンエンジンは、発電機を含んでいる。この発電機はまた、エンジン始動のためのような駆動力を提供する電動機として作動させることができる。エンジンは、少なくとも１つの回転ブレードのリングを含む。この電動機／発電機は、回転ブレードリングを含む回転部分と、ブレードリングの周りで円周方向に配置された複数のコイルを含む固定部分とで形成される。この方法は、機械的構造の複雑さを低減するが、ファンブレードを励磁するための伝統的な方法及びシステムに依存している。
米国特許第６，８３２，４８６ Ｂ２号公報 米国特許第７，０３２，８５９ Ｂ２号公報 米国特許第６，９７９，９２５ Ｂ２号公報 米国特許第６，７２９，１４０ Ｂ２号公報 米国特許第６，２４９，０７１ Ｂ１号公報 米国特許第５，３７６，８２７号公報 米国特許第４，７２０，６４０号公報 米国特許第４，４５０，３６１号公報 米国特許第４，３６７，４１３号公報 米国特許第４，３０９，６２１号公報 米国特許第３，４２４，４０４号公報 米国特許第２，８５３，６３８号公報 米国特許第２，５４７，９３４号公報 米国特許出願公開第２００５／０２８５４０７ Ａ１号公報 国際特許出願公開第２００５／０５９３１６ Ａ１号公報 ロシア特許第２２５３７３７ Ｃ２号公報 中国特許第１４４４３２４号公報

従って、必要とされるものは、現存のナセル内で航空機エンジンの発電を増大させると共にシステムを励磁するためにファン又は圧縮機ブレード先端の構造に適した横方向磁束電気機構を構成する、ガスタービンのファン又は圧縮機ブレードを統合式電気機構の磁極として利用する方法及びシステムである。

以下のパラグラフは、本明細書と共に提出した特許請求の範囲の独立請求項に記載した本発明の実施形態を要約している。１つの実施形態では、本発明は、ブレード先端電気機構を対象としており、本ブレード先端電気機構は、横方向磁束機構と、複数のブレードで構成された回転ブレード装置と、複数のロータ磁極要素とを有する。複数のロータ磁極要素の各ロータ磁極要素は、複数のブレードの１つのブレードの遠位端部上に配置される。ブレード先端電気機構はまた、複数のステータ要素を有し、複数のステータ要素の各ステータ要素は、複数のブレードの円周方向周辺部の少なくとも一部分の周りで円周方向に配置されかつ円周方向に間隔を置いている。ブレード先端電気機構はまた、少なくとも１つのコイル要素を有する。横方向磁束機構は、回転運動を行う回転ブレード装置を励磁し、複数のロータ要素が、複数のステータ要素内ではなく該複数のステータ要素の近傍を通過し、それによって少なくとも１つのコイル要素内の磁束の変化を引き起こす。

本発明の別の実施形態は、ガスタービンエンジンを対象としており、本ガスタービンエンジンは、低圧スプールタービン及び高圧スプールタービンと、圧縮チャンバと、ブースタ燃焼チャンバと、排気システムと、回転ブレード装置とを有し、回転ブレード装置は、複数のブレードを有する。ブレード先端電気機構はまた、複数のロータ要素を含み、複数のロータ要素の各ロータ要素は、複数のブレードの１つのブレードの遠位端部上に配置される。本発明はまた、複数のステータ要素を含み、複数のステータ要素の各ステータ要素は、複数のブレードの円周方向周辺部の周りで円周方向に配置されかつ円周方向に間隔を置いている。さらに、複数のステータ要素の１つのステータ要素上に配置された少なくとも１つのコイル要素があり、ガスタービンエンジンは、回転運動を行う回転ブレード装置を有し、ロータ要素が、複数のステータ要素の近傍を通過し、それによって少なくとも１つのコイル要素のステータ要素内の磁束の変化を引き起こす。

本発明の１つの利点は、ナセルのサイズをさらに増大させずに、航空機用エンジンの発電が増大することである。

本発明の更なる利点は、ブレード転向性能が改善されることである。

本発明のさらに別の利点は、性能を低下させずに、軸方向シャフト移動が可能になることである。

本発明のさらに別の利点は、ブレードの前縁に磁極が組み込まれること及び先端構造が改善されることである。

本発明のその他の特徴及び利点は、実施例によって本発明の原理を示している添付の図面と関連させて行う好ましい実施形態についての以下の一層詳細な説明から明らかになるであろう。

可能な場合には常に、図面全体を通して同じ参照符号を使用して、同一又は同様な部品を示している。

図１には、高バイパス式ガスタービンエンジン１０を概略的に示している。運転時、空気は、ファン１２によって強制的に送られる。空気の一部分は、エンジンのコアをバイパスし、エンジンを推進させる推力を発生させるために使用される。空気の一部分は、エンジンのブースタ１４及び圧縮機１６部分において、大気圧の最大１０〜２５倍まで加圧され、またこの過程で断熱的に加熱される。この加熱かつ加圧空気は、エンジンの燃焼器１８部分内に導かれ、燃焼器１８部分において燃料ノズルシステム２０を通して供給された燃料と混合される。燃料が点火され、燃焼プロセスによりガスが加熱される。これらの高温ガスは、高圧タービン２２及び低圧タービン２４を通って流れ、そこで回転ディスクが、エネルギーを抽出して、エンジンのファン及び圧縮機を駆動する。高温ガスが高圧タービンを通過すると、その高温ガスは、燃焼ガスというよりもコアガスであると見なされる。ガスは次に、中心本体３２を含む排気システム２６に送られ、そこで航空機を推進させるための推力を発生する。

図２は、電気機構３７の部分を含む前方ファン組立体１２の部分概略図を示している。明瞭にするために、ファンブレード４０及びコア４４の全ては示していないが、ブレード４０及びコア４４は、ファン外周部の周りに規則的間隔で間隔を置いて配置されていることを理解されたい。電気機構３７は、複数のロータ磁極３８で構成したロータ組立体を有する。ロータ磁極３８は、ブレード４０に取付けられるか又はブレード４０と一体形に形成される。より具体的には、ブレード４０の根元部４１は、ハブ４３との間の接合部に十分なガス流量を維持すると共に漏洩を防止するための従来型の手段を設けた状態で、該ハブ４３に連結される。ブレード４０は、従来通りの方式でハブ４３上に装着することができ、或いはそれに代えてブレード４０及びハブ４３は、単体構造のものとすることができる。ファンブレード４０は、該ブレード４０の前縁が電気機構３７の外側に向かって配向されるようにハブ４３上に配置され、またステータセグメント又は磁気コア４４は、それらがブレード先端４２と整列するように斜めに向けられる。ブレード４０は、シュラウドで被われないのが好ましい。横方向磁束機構により、電気機構の励磁方法が得られる。ロータ磁極３８が永久磁石である場合には、発電のためにコイル５０を励磁する必要はない。また、ロータ磁極３８が透磁性である場合には、コイル５０は、リラクタンス機構の場合と同様に励磁することができる。

次に図３を参照すると、１つの実施形態では、電気機構３７は、従来から横方向磁束機構と呼ばれている構成を有する。ロータ磁極３８は、ブレード先端４２上に配置されかつ鋼のような透磁性材料で製作されているが、このロータ磁極３８は、あらゆる透磁性材料で製作することができる。ステータ組立体は、一連の磁気コア４４及びコイル５０を含む。各コア４４は、透磁性材料で製作された馬蹄形状の要素である。図３Ａに詳細に示すように、各コア４４は、基部４８から延びる２つの突出アーム４４ａ、４４ｂを有する。コア４４のアーム４４ａ、４４ｂは、溝４９を形成する。コア４４は、ステータ組立体の周りで円周方向に配置されて、内向き溝４９を形成する。１つ又はそれ以上の導電性コイル５０は、溝４９を貫通して、セグメントブレードリングの外周の周りに連続リングを形成する。複数のコイル５０は、発電機出力のチャンネルを形成しかつ個別電気相を提供することができる。内向き溝４９は、ブレードリングを形成するブレード先端４２が、電気機構３７の作動中に１つ又は複数の相コイル５０を囲む溝４９の近傍を通過して励磁し、それによって各コイル５０内に電流を誘導するように配置される。

図３に示すように、コア４４は、ステータコイル５０の周りに円周方向に間隔を置いて配置される。コイル５０及び複数のステータコア４４は、固定状態になっており、従って複数のブレード４０の回転に応じて発電する。ステータコア４４は、コイル５０が該コア４４の内向き溝４９内に嵌装されるように配置される。ファン１２が回転する時、ブレード先端４２は、内向き溝４９の近傍を通過する。

個々のステータコア４４は、図２に破線で示した単一コイル５０を跨ぐように配置される。個々のステータコア４４は、ブレード先端４２がコア内の内向き溝４９の近傍をまたコイル５０の近傍を通過するのを可能にするように、ファン組立体１２及びブレード４０の周りに円周方向に配置される。ブレード４０が回転すると、ロータ磁極３８は、内向き溝４９及び１つ又は複数のコイル５０の近傍を通過する。コイル５０及びコア４４を通過する磁極３８の移動により、以下に一層詳細に説明するように、磁束経路がコア４４を通って移動し、それによって電力に変換されるようになる（一般的には、５図参照）。単一ステータコイル５０に加えて、１つよりも多い円周方向ステータコイル５０を使用することができる。

図４及び図５は、本発明の好ましい実施形態を示しており、この場合、ステータ組立体の各コア部分４４は、該コア４４の基部４８の周りに巻き付けられた個別のステータコイル４６を含む。先行技術は、エアギャップをほぼ軸方向に横切る磁束を備えたシステムについて記述している。個々のコイル４６は、該個々のコイル４６が励磁されて、コア４４と磁極３８との間のギャップをほぼ半径方向に横切るような方向に向き、また透磁性のブレード先端磁極又はステータコアの部分を通って軸方向のみの方向に向いた磁束を形成する（図５参照）のを可能にするような適切な電気配線（図示せず）を含む。図示するように、各ステータコア４４は、馬蹄形又はＣ字形状であって、コア４４の基部４８の周りに巻かれた個々のコイル４６を有する。個々のステータコア４４は、図３の単一コイル構成におけるステータコア４４と同様に配置され、この場合、ブレード４０の方に向いた溝４９を有するステータコア４４は、ファンブレード４０がその中で回転する通路の周りに円周方向に配置される。内向き溝４９は、エンジンの運転時に、ロータ磁極３８が溝４９の近傍を通過するように位置する。ロータ磁極３８が溝４９の近傍を通過する時、ステータコア４４及び磁極３８の磁束に変化が起こる。
この磁束における変化は、電圧を誘導して、コイル４６内に電力を生じさせる。

ファン又は圧縮機が作動する時、各個々のロータ磁極３８は、各ステータコア４４及びその関連するステータコイル４６を通過する。磁極３８及びコア４４が整列した時の回転位置において、磁束経路が形成される。ロータ磁極３８内の磁束経路は、矢印５４で示しており、ファン１２の回転軸線とほぼ平行である。コア４４内の磁束経路は、矢印５６、６０及び６２で示している。磁束経路は次に、コア４４と磁極３８との間のエアギャップ５２を横切り、コアアーム４４ｂ、コア基部４８及びコアアーム４４ａを通って流れ、再びエアギャップ５２を横切って、磁極３８内に戻る。本発明は、電気機構３７内の横方向磁束を使用するものであるので、磁束は、従来型の磁束機構の作動時に起こるようにファンブレードの全長に沿ってファン組立体から半径方向に進むことはない。短縮した磁束経路は、そのような機構が電気エネルギーを発生するために使用されることを可能にする。

上記のようなコイル４６に対するブレード４０上の磁極３８の移動により、電気機構３７は、発電機又は電動機として使用できることが、以上の記述から容易に理解できるであろう。従って、エンジン１０が作動している時、コイル４６又は５０は、電力の形でエンジン１０から出力を取り出すように構成することができる。電気機構３７が発電機として使用される時には、機械的な力がロータ３０を駆動する。電動機として使用される時には、コイル４６又は５０が電力供給され、それにより機構を回転させて、例えばタービンエンジンに始動トルクを供給するようにする。

図２を参照すると、ブレード４０の形状は、空気力学的捻じれを有する矩形状であるように図示しているが、ブレードは、機構の性能に適したあらゆるその他の適当な形状とすることができることを理解されたい。ブレード４０は、該ブレード４０上の応力を低減しながら、該ブレード４０のために最も良い空気力学的通路を形成するような形状にされかつそのような位置に置かれるのが好ましい。しかしながら、ブレード４０は、エンジンに適しまたブレード先端４２上に磁極３８を有するのに適したあらゆる形状のものとすることができることに注目されたい。

本明細書に記載した新規な構成は、以前は可能でなかった幾つかのオプション形態を可能にする。図６及び図７に示すように、磁束経路は、不連続ループとなり得るので、機構をまさにブレード４０周辺部の一部分で構成することが可能になる。この構成はまた、以前は可能でなかった幾つかの方法で、多相の構築を可能にする。磁束経路は、複数ではなくて個々のコイル４６と関連する不連続ループである。個々のコイル４６は、１つ又はそれ以上の相を形成するように直列又は並列に接続することができる。図６は、ブレード４０と、従って磁極３８と整列して、磁極３８とコア要素４４との間のエアギャップ（図示せず）を横切る半径方向の磁束経路と、磁極３８及びコア要素４４の部分内を軸方向貫通する磁束経路と形成するコア要素４４を示している。図７は、複数列のコア要素４４を有しまたブレード４０及び磁極３８を有して、エアギャップ（図示せず）を横切る半径方向の磁束経路を形成する機構を示している。磁束経路は、磁極３８とコア要素４４との間で半径方向に形成され、また磁極３８及びコア要素４４の部分を軸方向に通って形成される。ブレード４０は、ブレード転向角６１にて整列しており、ブレードの回転方向６３における移動時に、磁束がこの記述した経路（図５参照）を辿るようになる。転向角６１は一般に、軸方向６５に対して鋭角である。

ファンブレード構成において本発明を説明してきたが、電気機構３７はまた、圧縮機１６上に配置することもでき、その場合には、磁極３８は、圧縮機１６のブレードに取付けられるか又は圧縮機１６のブレードと一体形にされ、また電気機構３７の残りの部品は、上述したように配置される。さらに、ファンブレードは、全てではなく少数のブレード先端がロータ磁極であるように配置することができる。このことは、空気力学的要件とは独立した電気機構設計に適合させる自由度を可能にし、例えば、空気流量のために必要とされるファンブレードの数を、その電気システム内で必要な磁極の数とは異なるものとすることができる。さらに、ブレード先端はブレードと一体形にされるので、変更ブレード先端と関連する付加的重量は殆どなく、従ってブレードリング上には、付加的遠心力又はその他の力は殆ど生じない。この構成（図示せず）は依然として、システムに必要な電力を提供するが、システム内の各又は全てのブレード先端が変更を必要とするわけではない。

この記述では、最良の形態を含む実施例を使用して本発明を開示し、さらに当業者が本発明を作製しかつ使用することを可能にしている。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が思い付くその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない構造要素を有する場合には、本特許請求の範囲の技術的範囲内に含まれることになることを意図している。

従来型のガスタービンの簡略断面図。 本発明の単相コイル構成を示す図。 図１のファン組立体の周りに配置された本発明を示す図。 図３に示す区域３Ａの拡大図。 個々のコイル巻線を有する個々のステータコアを示す図。 ステータコア内に誘導された方向性磁界を示す図。 磁極及びロータの角度を示す、本発明の平面図。 本発明の別の実施形態の平面図。

符号の説明

１０ 従来型のガスタービンエンジン
１２ 前方ファン組立体
１４ コアエンジン
１６ 低圧シャフト
１８ 中圧シャフト
２０ 高圧シャフト
２２ タービン組立体
２４ タービン
２６ 軸線
２８ 圧縮機
３０ タービンロータ組立体
３４ 圧縮機
３６ タービンロータ組立体
３７ 電気機構装置
３８ ロータ磁極
３９ コアの端部
４０ ファンブレード
４１ ブレードの根元
４２ ブレード先端
４３ ディスク／ハブ
４４ ステータコア
４４ａ コアアーム
４４ｂ コアアーム
４５ ステータ組立体
４６ 複数ステータコイル
４７ ブレードリング
４８ コアの基部
４９ 内向き溝
６１ 転向角
６２ ブレードリング
６４ 円周方向ギャップ
５０ 単一ステータコイル
５２ 磁界
５４ 磁極を通る磁界
５６ コアを通る磁界
５８ コア基部を通る磁界
６０ コアを通り、磁極に戻る磁界

Claims (10)

1. 複数のブレード（４０）で構成された回転ブレード装置と、
   前記複数のブレード（４０）の１つの遠位端部（４２）上に各々が配置された複数のロータ磁極要素（３８）と、
   各々がスロット（４９）を有しかつ前記複数のブレード（４０）の円周方向周辺部の少なくとも一部分の周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数の透磁性ステータコア要素（４４）と、
   前記複数のステータコア要素（４４）の１つのスロット（４９）内に配置された少なくとも１つのコイル要素（５０）と、
   前記ロータ磁極要素（３８）と前記複数の透磁性ステータコア要素（４４）との間に配置されたエアギャップ（５２）と、を含み、
   前記回転ブレード装置が回転運動を行い、前記複数のロータ要素（３８）が前記複数のステータ要素（４４）の近傍を通過し、それによって磁束の変化を引き起こしかつ前記少なくとも１つのコイル要素（５０）内に電力を発生させ、
   前記発生した磁束が、前記エアギャップ（５２）を通って実質的に半径方向にまた前記複数のロータ磁極要素（３８）又は前記複数の透磁性ステータコア要素（４４）の一部分を通って実質的に軸方向に移動する、
   ブレード先端電気機構。
2. 前記少なくとも１つのコイル要素（５０）が、回転ブレードリング（４７）の周りで円周方向に配置された連続ループを含む、請求項１記載の機構。
3. 前記複数のステータコア要素（４４）の各ステータコア要素（４４）が、前記少なくとも１つのコイル要素（５０）を跨ぐように配置される、請求項２記載の機構。
4. 前記少なくとも１つのコイル要素（５０）が、前記複数のステータコア要素（４４）の１つのステータコア要素（４４）の中央部の周りに配置される、請求項１記載の機構。
5. 該電気機構が、ガスタービンエンジンの低圧スプールを駆動するように構成される、請求項１記載の機構。
6. 該電気機構が、ガスタービンエンジンの高圧スプールを駆動するように構成される、請求項１記載の機構。
7. 該電気機構が、ガスタービンエンジンの低圧スプールからエネルギーを抽出するように構成される、請求項１記載の機構。
8. 該電気機構が、ガスタービンエンジンの高圧スプールからエネルギーを抽出するように構成される、請求項１記載の機構。
9. 前記複数のステータコア要素（４４）が、前記複数のブレード（４０）の円周方向周辺部の実質的に周りに配置されかつ円周方向に間隔を置いている、請求項１記載の機構。
10. 前記複数のステータコア要素（４４）が、前記複数のブレード（４０）の円周方向周辺部上に円弧状セグメントの形態で配置されかつ円周方向に間隔を置いている、請求項１記載の機構。

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