JP2008529893A - 航空機ガスタービンエンジン機器用の電気供給装置 - Google Patents

航空機ガスタービンエンジン機器用の電気供給装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、航空機のガスタービンエンジン用の電気供給装置であって、直流電圧または交流電圧をエンジンの電気機器の第1アイテムに分配する第1バス(24)と、それよりも大きな直流電圧または交流電圧をエンジン機器の他のアイテムに分配する第2バス(30)とを備え、第1バスと第2バスが、航空機の電気分配ネットワーク、あるいはエンジン専用でありエンジンによって駆動される電気発生器などの電源に自体が連結される第3バスに連結される、電気供給装置に関する。

Description

本発明は、ガスタービンの航空機エンジン機器に電気的に電力供給することに関する。
ガスタービンの航空機エンジンから電気を作り出す従来式回路を図1に示す。
一体型駆電力発生器(IDG)などの発生器は、エンジンによって駆動され、航空機の電気分配回路の一部を形成する交流バス(ACバス)に電気を配送する。この回路は通常、変成整流ユニット(TRU)を介してACバスから電力供給される直流バス(DCバス)も含む。電気を作り出し、航空機の電気ネットワークに分配する特定のシステムが特に以下の文献、即ち米国特許第5764502号明細書、米国特許第5233286号明細書、米国特許出願公開第2004/119454号明細書、および欧州特許第0838396号明細書で述べられている。
エンジンが特定の速度に達すると、エンジンに関連付けられた全自動電子制御ユニット(ECU)モジュールに、エンジンのタービンシャフトに機械的に結合された機器ボックスに搭載された永久磁石同期発電機(PMA)などの発生器によって電力供給される。ECUは、PMAが必要な電気を配送するのを可能にするのに充分なエンジン速度が達成されるまで電力供給されるように、またはPMAが故障したときのために、示されているように航空機電気回路のDCバスにも、またはある変形例ではACバスにも連結される。
図1に示しているものと類似の回路は、航空機の各エンジンと関連付けられて、そのようにして複数の電源を利用可能にしていることが分かる。
ECUはそれが受け取った電気を使用して、その構成要素が動作するのを可能にし、プローブまたは感知器、電気制御弁、限られた量の電力しか必要ないサーボ弁などのエンジンの様々な部材を励起する。一般的に、ECUは重複した2つの同一部分(1/2ECU)またはチャネルを備える。
本発明はより正確には、航空機電気回路全般ではなく、ガスタービンエンジンの電気回路に関し、その目的は、ガスタービンの航空機エンジンに電気を分配する新規のアーキテクチャであって、エンジン機器の益々多くの部分が、油圧電力を使用するのではなく電気を使用してそれらを動作させることが望まれる際に特に適したアーキテクチャを提供することである。
この目的は、ガスタービンの航空機エンジン用の電力供給回路であって、DCまたはACをエンジンの電気機器の第1部分に分配する第1バスと、より高い電圧のDCまたはACをエンジンの電気機器の他の部分に分配する第2バスとを備える少なくとも3つの電力供給バスを有し、第1バスと第2バスは、少なくとも1つの電源に自体が連結される第3バスに連結される、電力供給回路によって達成される。
必要な電力は、航空機の電気分配ネットワークから得ることができる。電気をエンジンに送る特定の発生器の存在はもはや必要ではない。航空機の電気消費量が増大していることから、益々大量の電力が航空機電気ネットワークに配送される必要がある。エンジンによって必要とされる電力はしたがって、航空機内のネットワークによって必要とされる電力と比較して小さいので、大きな欠点を伴わずにネットワークからそれを得ることができる。
それにも関わらず、エンジン専用の発生器であって、エンジンによって駆動されてエンジンを完全に単独で稼動させるのに必要な電力を配送するための発生器などの特別の電力源を使用する可能性が残る。
電源が、航空機内の電気ネットワーク(400ヘルツ(Hz)または可変周波数で115ボルト(V)ACまたは230Vacなど)、あるいはエンジン専用の発生器などのAC電源であるとき、エンジンに対する様々な実施形態の電力供給装置を想定することができる。
第1バスは、変圧器と有利には回路遮断器とによって第3バスに連結されるAC分配バスであり、第2バスは、単に回路遮断器を介して第3バスに連結することができるAC分配バスであり、第2バスの電圧は第3バスで利用可能な電圧と同じである第1実施形態、
第1バスは、電圧変換器または変成整流器と、有利には回路遮断器とを介して第1バスに連結されるDC分配バスであり、第2バスは、第1実施形態のように単に回路遮断器を介して第3バスに連結することができるAC分配バスである第2実施形態、
第1バスは第2実施形態のようにDC分配バスであり、第2バスは電圧変換器または変成整流器と有利には回路遮断器とを介して第3バスに連結されるDC分配バスである第3実施形態、
第1バスは第1実施形態のようにAC分配バスであり、第2バスは第3実施形態のようにDC分配バスである第4実施形態。
第1および第2実施形態では、第2バスに求められる電圧が第3バスで利用可能な電圧と異なるとき、第2バスを、変成器を介して第3バスに連結できることが分かる。
電源が、航空機内の電気ネットワーク(例えば270Vdc)などのDC電源であるとき、第1バスは電圧変換器を介して有利には回路遮断器によって第3バスに連結されるDC分配バスであり、第2電気分配バスは単に回路遮断器を介して第3バスに連結することができ、第2バスの電圧は第3バスで利用可能な電圧と同じである第5実施形態のエンジンおよび電力供給装置を想定することができる。それにも関わらず、第2バスに求められる電圧が第3バスで利用可能な電圧と異なるとき、第2バスと第3バスとの間に電圧変換器を設けることもできる。
第1電力供給バスは、例えば100ワット(W)未満の電力を必要とする電気機器の第1部分に電力供給するのに使用されるのが好ましい。電気機器の第1部分は、エンジン用の電子調整モジュールと、エンジンに配送される燃料の流量全体を制御する弁と、エンジン部材の調子および使用を管理するシステムと、圧縮機の過渡ブリード弁と、エンジンの燃焼室噴射器に配送される燃料の流量を制御する弁と、タービンブレードの先端の隙間を調整するように空気流量を制御する弁と、燃焼点火装置とから選択される1つまたは複数のアイテムを備えることができる。
電気機器の他の部分は、ピッチ可変翼のピッチ角度を制御する装置と、圧縮機用の調節可能なブリード弁と、燃料をエンジンに供給する回路のポンプとから選択される1つまたは複数のアイテムを備えることができる。
本発明の電力供給装置の特徴によると、エンジンの電気機器は、励起、制御、またはサーボ制御をする電子回路に関連付けられ、これらの電子回路の少なくとも一部は、機器の対応する部分に局部的に埋め込まれ、そこに一体化され、電力供給バスによって電力供給される。
本発明による電力供給装置の一変形例では、タービンブレードの先端の隙間を調整するシステムは、第3バスによって直接的に電力供給される電気加熱装置を含む。
非制限の表示によってここに掲げる以下の記述を、添付図面を参照して読めば、本発明をよりよく理解することができる。
図2から図6で、参照符号10および20はそれぞれ、航空機の周界と航空機に取り付けられたガスタービンエンジンの周界とを示す。
ここに示すとおり、1つまたは2つの電気発生器21はエンジン20によって駆動されて、航空機の電気分配ネットワークに必要な電気を提供する。有利に、電気始動器として、次いでエンジンのタービンによって駆動されるとき発生器として働くことが可能な電気機械が使用されるが、このような機械は一般に始動器/発生器(S/G)と呼ばれる。冗長分を設けるために、発生器21と並列して、航空機の別のエンジンによって駆動される1つまたは2つの類似の発生器が、航空機の電気分配ネットワークに電気を同様に配送することによって、航空機内の冗長分電源を有することができるようになる。配送された電気は航空機の電気分配ネットワークで、一般的に400Hzまたは変動周波数で115Vacまたは230Vacの交流に、あるいは一般的に270Vacの直流として変換される。
エンジンの電気機器を作動させるのに必要な電気は、電力供給線12、12’によって航空機の電気分配ネットワークから得られる。
図2の実施形態で、電力供給線12、12’はACを配送する。
電力供給線12は航空機の電力供給回路のバス22に直接連結される。ACを分配する第1バス24ACは、回路遮断器26および変成器27を介してバス22に連結される。変成器27は、航空機電気分配ネットワークによって配送されたACを、バス22を介して、約115Vacの電圧などの低振幅のACに変成する。ACを分配する第2バス30ACは、回路遮断器32を介してバス22に連結される。
バス24ACを使用して、一般的に100ワット(W)未満の比較的小さな電力しか必要としないエンジン機器を動作させ、または作動させるのに必要な電気を配送する。このような機器は以下のアイテムのうち1つまたは複数を備えることができる。
「1/2ECU」と表示した同一の2つの回路(その一方は冗長分である)によって図面に表す、エンジンの冗長分の全自動電子制御ユニット(ECU)、
例えば電気制御された直接制御弁などの、エンジンに配送される燃料の流量全体を調整するための回路の燃料流量制御弁(FFCV)、
例えば電気制御された直接制御弁などの、過剰速度から回路を保護するように、エンジンに配送された燃料の流量全体を調整する、回路のオーバー速度弁(OSV)、
故障の診断とエンジン部材の維持管理とに有用な情報を配送する、エンジンの部材のための調子と使用を管理するシステム(HUMS)、
双子の環状プリスイッチ(TAPS)燃焼器などの、エンジンの燃料室噴射器に配送される燃料の流量を制御するシステムの弁、
過渡応答ブリード翼(TBV)、即ち飛行の特定局面中、特に離陸中に作動される弁、
高圧タービンと低圧タービンのロータブレードの先端の隙間を制御するシステム用空気流量制御弁であって、それぞれ低圧タービンアクティブ隙間制御(LPTACC)と高圧タービンアクティブ隙間制御(HPTACC)として知られている空気流量制御弁、
点火栓によってエンジンの点火を制御する点火装置。
バス30ACを使用して、比較的大きな電力を必要とするエンジン機器を作動させるのに必要な電気を配送する。このような機器は以下のアイテムのうち1つまたは複数を備えることができる。
可変ステータ翼(VSV)を有するステータの翼、即ちノズルと圧縮機段の翼とのピッチ角度を制御する装置、
圧縮機のブリード排出を調整する可変ブリード弁(VBV)、即ち飛行継続時間の全てにわたって制御されるのに適した弁、
エンジンの燃料供給回路全体の電気ポンプ、特に容積型ギアポンプ(GP)。
冗長分を設けるために、電力供給線12’は、ACをバス22に対称的に分配するバス22’に直接連結されるが、バス24’ACでは、回路遮断器26’と、回路遮断器32’を介してバス30’ACでACを配送する変成器27’とを介して連結される。バス24’ACおよび30’ACによって電力供給される機器は、バス24ACおよび30ACによって電力供給さる機器と同じである。
当然ながら、以上に掲げた機器の一覧は全てを網羅しているわけではない。
図3は、エンジン電力供給回路の第2実施形態を示すが、これは、第1バスが、回路遮断器26および電圧変換器回路28を介してバス22に連結されるDCを分配するバス24DCであるという点で、図2の実施形態とは異なる。変換器28は、バス22によって配送されたDCを、約28Vdcの電圧などの低振幅のACに変成する。保障変換器28が有利に使用されるが、これは、受け取られたACに過渡的な妨害が発生した場合にもバス24DCの電力供給を維持できるように、過渡的な電力線の妨害に対する保護をもたらす。同様に、バス22’が、回路遮断器26’および電圧変換器28’を介してDCバス24’DCに連結され、バス24’DCはバス24DCと同じ機器に電力供給をする。
図4は、エンジン電力供給回路の第3実施形態を示すが、これは、第2バスが、回路遮断器32と、過渡的な妨害に対して安全に作られていることが好ましい変成整流器または変換器33とを介してバス22に連結されるDC分配バス30DCであるという点で、図3の実施形態とは異なる。変成整流器または変換器33はバス22のACをDCに変成する(例えばバス22が115Vacを分配するとき270Vdcの電圧で)。同様にバス22’は回路遮断器32’と変成整流器または変換器33’とを介してDCバス30’DCに連結され、バス30’DCはバス30DCと同じ機器に給電する。
図5は、エンジン電力供給回路の第3実施形態を示すが、これは、第2バスが、回路遮断器32と過渡的な妨害に対して安全に作られることが好ましい変成整流器または変換器33とを介してバス22から電力供給される、図4に示すDC分配バス30DCであるという点で、図2の実施形態とは異なる。同様にバス30’DCは、回路遮断器32’と変成整流器または変換器33’とを介してバス22’から電力供給される。
図2および図3の実施形態では、バス30ACおよび30’ACに求められる電圧が、バス22および22’で利用できる電圧とは異なる場合には、バス30ACおよび30’ACを、変成器を介してバス22、22’に連結できることを認識されたい。
図6の実施形態では、電力供給線12、12’は、航空機電力供給回路のDCバス22、22’にDCを直接配送する。第1DC分配バス24DCは、回路遮断器26と、バス22のDCを低DC電圧(28Vdcなど)に変成する電圧変換器29(航空機搭載のネットワークの270Vdcなど)とを介してバス22に連結される。第2DC分配バス30DCは、回路遮断器32を介してバス22に連結される。同様に、DC分配バス24’DCは、回路遮断器26’と電圧変換器29’を介してバス22’に連結され、DC分配バス30’DCは回路遮断器32’を介してバス22’に連結される。バス24’DCおよび30’DCによって電力供給される機器は、バス24DCおよび30DCによって電力供給される機器と同じである。
図6の実施形態では、バス30DCおよび30’DCに求められる電圧が、バス22および22’で利用できる電圧とは異なる場合には、バス30DCおよび30’DCを、変換器を介してバス22、22’に連結できることを認識されたい。
上述の実施形態から選択された特定の実施形態は、航空機搭載のネットワークから利用できる電圧と、エンジン機器の動作を制御するのに求められる電力供給とに応じたものである。
機器のある部分の動作は、電力供給装置しか必要としない。これは、ここに示す例ではバス24AC、24DCまたは24’AC、24’DCによって並列式に電力供給される1/2ECUおよびHUMSに当てはまる。
機器の1つまたは複数の他の部分は、励起回路に供給される電気しか必要とせずに動作する。これは、図7に示す例では点火回路の点火栓に当てはまり、この点火栓は、バス24、24’(即ち24ACまたは24DCと24’ACまたは24’DCと)によって並列式に電力供給される電子励起回路TCに連結される。この回路TCは任意選択で、冗長分を設けるために重複させてもよい。
電気ポンプGPの動作は、電気モータEMとモータEMを制御する電子制御回路CCとを必要とする(図7)。電気モータEMは、バス30および30’(即ち30ACまたは30DCと30’ACまたは30’DCと)によって並列式に電力供給される。モータEMの巻線は、関連する電子制御回路CCと同様に、任意選択で冗長分として重複させてもよい。
機器の1つまたは複数の残りの部分の動作は、電気アクチュエータ、モータ、またはコイルなどの駆動手段を備える電子機械式アクチュエータによって制御される。これは特に、以下のアイテム、FFCV、OSV、TAPS、TBV、HPTACC、LPTACC、VSV、およびVBVに当てはまる。動作中の安全のために必要なときは、冗長分を設けるために電子機械式アクチュエータが重複される。これは特に、図7で冗長分の電子機械式アクチュエータAEMおよびAEM’を有するように示している以下のアイテム、FFCV、OSV、TBV、VSV、およびVBVに当てはまる場合がある。各アクチュエータは、バス24、24’によってまたはバス30、30’によって並列式に電力供給される。他の場合では、アイテムHPTACCおよびLPTACCなどのために、単一の電子機械式アクチュエータAEMを設けることができ、アクチュエータはバス24、24’によって並列式に電力供給される。
位置決めが調節可能であることを呈する機器の部分を、感知器によって検出されるそれらの実際の位置を対応する設定点位置と一致するよう維持する働きをするサーボ制御回路に関連付けることもできる。これは例えば以下のアイテム、FFCV、VSV、VBV、HPTACC、およびLPTACCに当てはまり、これらは電子サーボ制御回路SCおよびSC’によってそれぞれ制御される電子機械式アクチュエータAEMおよびおそらくはAEM’を有する。これは、速度超過または推力超過が検出された後に、限られた範囲で燃料の流量を調整するように用意がなされる場合に、ここに示す例のようにアイテムOSVにも当てはまることがある。
ここに示す例では、電子回路TC、CC、SC、およびSC’は、機器の関連する部分の近傍で局部的に埋め込まれ、または機器と一体化される。回路TC、CC、SC、およびSC’は、バス24、24’または30、30’によって並列式に電力供給され、それらはアイテム1/2ECUに、2つのアイテム1/2ECUのうち活動している一方によって配送される制御情報または設定点情報を受け取る連結部(図示せず)を介して連結される。ACバスによって電力供給される機器の1部分の電子回路それ自体に、DCバスによって電力供給できることも認識されたい。機器の様々な部分内に電子回路を埋め込むことは、アイテム1/2ECUを軽量化するのに役立ち得る。
それにも関わらず、一変形例として、1つまたは複数の電子回路TC、CC、SC、およびSC’の機能を、これらのアイテムと、関係しているモータまたはアクチュエータとの間に適切な連結部を設けることによって、1/2ECUに埋め込むこともできる。
図2から図6で、線18が、航空機の電気分配ネットワークを燃料締切弁(SOV)に直接連結して、エンジンが、航空機のコックピットから直接的に、またはエンジンの自動制御システムからオフにされるのを可能にする働きをすることを認識されたい。
上記では、LPTACCおよびHPTACCの機能は、タービンリングセクタに対して衝撃を与える空気の流量を制御して、リングセクタの温度に作用することによって寸法変化を制御することによって実行されると想定される。一変形例では、同じ機能を、知られているやり方で、リング支持ケーシングからの突起物に作用する抵抗加熱器システムによってもたらすことができる。図8に示すように、LPTACCおよびHPTACCシステムに、回路遮断器23、23’および25、25’を挿置してバス22、22’によって並列式に直接電力供給することができる。スイッチ回路(図示せず)がLPTACCおよびHPTACCシステムに関連付けられ、1/2ECUによって制御されて、バス22、22’による電力の供給を、または上記電力供給の中断を制御する。
図8は、図2の電力供給回路の一変形例を示すが、この同じ変形例を図3から図6の実施形態に同じ形で適用することもできる。
通常の従来技術と比較すると、本発明の利点は、エンジンの電気機器の異なる部分に共通の電力供給装置を提供することにある。
ここに示す電力供給回路の他の特別の利点は、エンジン電気機器によって必要とされる電気が航空機の電気分配ネットワークから得られることである。このことは、航空機の電気分配ネットワークで利用できる電力が大きく、航空機機器の益々増大する電気の必要量に対処することが可能であれば、何ら特段の不利益をもたらすことはなく、それは、エンジンの電力必要量はその電力のほんの僅かな部分でしかないことを意味する。
それにも関わらず、図9に示す一変形例では、バス22(およびバス22’)に、エンジン専用でありエンジンによって駆動される少なくとも1つの冗長分の発生器34から直接電力供給することが可能であり、発生器34をバス22および22’に連結させる線に回路遮断器35、35’が挿入され、線12および12’は省かれる。
状況に応じてACまたはDCを配送する発生器34は、図2の実施形態だけでなく(図9に示すように)、図3から図6の実施形態でも使用することができる。
航空機の電気回路と航空機エンジンの電気回路とに対して電気を生成し分配するための1つの知られているやり方の極めて概略的な図である。 本発明による航空機エンジン電力供給回路の実施形態を示す極めて概略的な図である。 本発明による航空機エンジン電力供給回路の実施形態を示す極めて概略的な図である。 本発明による航空機エンジン電力供給回路の実施形態を示す極めて概略的な図である。 本発明による航空機エンジン電力供給回路の実施形態を示す極めて概略的な図である。 本発明による航空機エンジン電力供給回路の実施形態を示す極めて概略的な図である。 図2から図6の電力供給回路の一部分をより詳しく示す。 図2の電力供給回路の変形例を示す極めて概略的な図である。 図2の電力供給回路の変形例を示す極めて概略的な図である。

Claims (11)

  1. ガスタービンの航空機エンジン用の電力供給回路であって、DCまたはACをエンジンの電気機器の第1部分に分配する第1バスと、より高い電圧のDCまたはACをエンジンの電気機器の他の部分に分配する第2バスとを備える少なくとも3つの電力供給バスを有し、第1バスと第2バスが、少なくとも1つの電源に自体が連結される第3バスに連結される、電力供給回路。
  2. 第3バスが航空機の電気分配ネットワークに連結される、請求項1に記載の回路。
  3. 第3バスが、エンジン専用でありエンジンによって駆動される電気発生器に連結される、請求項1に記載の回路。
  4. 第1バスが、少なくとも1つの電圧変換器または変成器を介して第3バスに連結される、請求項1から3のいずれか一項に記載の回路。
  5. 第2バスが、少なくとも1つの電圧変換器または変成器を介して第3バスに連結される、請求項1から4のいずれか一項に記載の回路。
  6. エンジンの電気機器の第1部分が、100W未満の電力の電気を必要とするアイテムである、請求項1から5のいずれか一項に記載の回路。
  7. エンジンの電気機器の第1部分が、エンジン用の電子調整モジュールと、エンジンに配送される燃料の流量全体を制御する弁と、エンジンの部材の調子および使用を管理するシステムと、圧縮機の過渡応答ブリード弁と、エンジンの燃焼室噴射器に配送される燃料の流量を制御する弁と、空気流量を制御してタービンブレードの先端の間隔を調整する弁と、燃焼を点火する装置とから選択された少なくとも1つのアイテムを備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の回路。
  8. エンジンの電気機器の他の部分が、ピッチ可変翼のピッチ角度を制御する装置と、圧縮機用の調節可能なブリード弁と、エンジンに燃料を供給する回路のポンプとから選択された少なくとも1つのアイテムを備える、請求項1から7のいずれか一項に記載の回路。
  9. エンジンの電気機器が、励起、制御、またはサーボ制御をする電子回路に関連付けられ、前記電子回路の少なくとも一部が、電気機器の対応する部分と局部的に埋め込まれ、第1電力供給バスまたは第2電力供給バスによって電力供給される、請求項1から8のいずれか一項に記載の回路。
  10. 前記電子回路の少なくとも一部が、機器の対応する部分に一体化されることを特徴とする、請求項9に記載の回路。
  11. タービンブレードの先端の隙間を調整するシステムが、第3バスから直接に電力供給される電気加熱装置を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の回路。
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