JP2009532613A - 発電機ユニットを備えたジェットエンジン - Google Patents

Abstract

例えば航空機などに用いられるジェットエンジン１であって、少なくとも１本のタービン軸を備え、該タービン軸上に少なくとも１つのコンプレッサ部と１つのタービン部とが配設されており、ハウジングが該ジェットエンジン１の外側面を覆って延展しており、更に、少なくとも１本のタービン軸上に少なくとも１つの発電機ユニット１０が配設されている。この発電機ユニット１０は取付板１１ｂと発電機１２とを備えており、またこの発電機ユニット１０はエンジン側の取付板１１ａに脱着可能に装着されている。そのため、発電機ユニット１０を備えたジェットエンジン１は、ジェットエンジン１からの発電機ユニット１０の取外し、ジェットエンジン１への発電機ユニット１０の装着、及び発電機ユニット１０のメンテナンスが容易となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば航空機などに用いられるジェットエンジンであって、少なくとも１本のタービン軸を備え、該タービン軸上に少なくとも１つのコンプレッサ部と１つのタービン部とが配設されており、ハウジングが該ジェットエンジンの外側面を覆って延展しており、更に、少なくとも１本のタービン軸上に少なくとも１つの発電機ユニットが配設されているジェットエンジンに関する。

この種のジェットエンジンにおいては、そのジェットエンジンの複数本のタービン軸のうちの少なくとも１本のタービン軸上に発電機ユニットを配設し、そのタービン軸と発電機ユニットとの連結によって、機械的エネルギを取出して電力に変換している。また、この種のジェットエンジンは、航空機用ジェットエンジンとしても用いられており、定置型ジェットエンジン（ガスタービンエンジン）としても用いられている。また、こうして得られる電力は、ジェットエンジンに装備されている種々の機器の電源として必要とされていると共に、航空機の様々な電気機器の電源としても必要とされているものであるが、最近の発展動向として、様々な機器が電動化されつつあることから、ジェットエンジンないし航空機に必要とされる電力は益々増大している。また様々な機器のうちには、電動化されたとはいえ、現時点ではなお機械的に駆動されている機構部分を含んでいるものがあり、例えば燃料ポンプや油圧発生ポンプなどの装置は「ギアボックス」と呼ばれている伝動機構を介して駆動されているが、そのような装置もいずれ、機械的駆動方式から電気的駆動方式に取って替わられるものと思われる。更に、航空機に搭載されている機器に必要とされる電力も増大の一途をたどっている。

本発明を適用するジェットエンジンとして想定しているもののうちには、２軸型ジェットエンジンとして設計されたターボファンエンジンが含まれ、このジェットエンジンは、そのファンが、ブロワとして機能してジェットエンジンに流入する空気を予圧縮すると共に、高温の排気流の外周を流れるバイパス流を発生させるようにしたものである。また、想定しているジェットエンジンのうちには、前部領域にマルチアクシス型コンプレッサ部を備え、後部領域にシングルアクシス型またはマルチアクシス型のタービン部を備えた、公知の単軸型ジェットエンジンも含まれる。

この一般的な種類のジェットエンジンの具体例としては、米国特許公開第2002/0122723 A1号公報に記載されているものがあり、同公報のジェットエンジンは、高圧コンプレッサ部に発電機を一体的に組込んだものである。また、このジェットエンジンは、コンプレッサ段がシュラウドによって囲繞されており、発電機はそのシュラウドの外側に配設されている。更に、その発電機は、巻線により構成されるステータと、エンジン軸に連結されて一体的に回転するロータとで構成されている。ロータ構造体がステータの内部で回転することによって、ステータの巻線に電圧が誘起される。ロータ構造体を構成している複数の構成部品が、高圧コンプレッサ部のタービン翼の外側に配設されており、それら構成部品は、そこから径方向外方へ突出して、発電機のステータの内部まで延在している。

ジェットエンジンの内部に配設するようにした発電機のまた別の具体例として、米国特許第6,378,293 B1号公報に記載されているものがある。同公報のジェットエンジンは、多軸型であり、複数のエンジン軸の各々が、このジェットエンジンの複数のコンプレッサ部の各々を、それらに対応した複数のタービン部の各々に連結している。また、電磁ベアリングに供給するための電力を発生する発電機を備えており、この発電機が発生した電力の一部は航空機へも供給される。発電機は電磁ベアリングから離れた位置に配設されており、独立したユニットとして構成されている。発電機の駆動方式は、ジェットエンジンの低圧段のエンジン軸を発電機に連結し、それによって、発電機を駆動するというものである。この構成には、メンテナンス作業及び組付作業が面倒であり、そのため高コストにならざるを得ないという欠点が付随している。更に、流体接続のためには、通常、ケーブル収容配管及び流体配管に接続するための高コストの接続機構を装備する必要があり、発電機を取外す際には、流体接続を解除して分離しなければならない。

以上に説明した、ジェットエンジンのエンジン軸上に発電機ユニットを配設するための従来の配設構造には、発電機の装着部位へのアクセスが困難であるという問題が付随しており、また特に、発電機の配設位置を高圧コンプレッサ部の近傍とした場合には、装着条件に関する制約がより厳しいことから、そのアクセスは更に困難になる。一方、発電機の配設位置を低圧段のエンジン軸の軸端とした場合にも、発電機の装着方式が非常に複雑になる上に、発電機とジェットエンジンないし航空機との間を接続するための、流体接続機構、機械的取付機構、それに電気接続機構のメンテナンス及び修理の困難度が上昇する。そのため、メンテナンス作業及び組付作業が面倒なものとなり、また特に、発電機の交換作業が、極めて面倒なものとなることが知られている。発電機の脱着作業を行うには、先ず、低圧段のエンジン軸との間の機械的連結を解除する必要があり、またそれと共に、通常はケーブルや圧力配管など複雑に接続されている電気接続や流体接続を解除する必要もある。更に、エンジン軸と発電機との間の機械的連結は、多くの場合、軸継手などの機械的連結機構によって行われているが、その機械的連結機構の着脱作業もまた、面倒な作業である。
米国特許公開第２００２／０１２２７２３ Ａ１号公報 米国特許第６，３７８，２９３ Ｂ１号公報

従って本発明の目的は、ジェットエンジンへの発電機ユニットの着脱を容易にした、発電機ユニットを備えたジェットエンジンを提供することにある。また、メンテナンス作業の面倒を軽減することも本発明の目的の１つである。

上記目的は、請求項１の前段部分に記載した種類のものであって、しかも請求項１の特徴部分に記載した特徴を備えた、発電機ユニットを備えたジェットエンジンによって達成される。従属請求項は、本発明の特に好適な構成例に係る特徴を記載したものである。

本発明に係る技術的教示は、発電機ユニットを、取付板と発電機とを備えたものとし、その発電機ユニットが、エンジン側の取付板に脱着可能に装着されているようにすることにある。

本発明の基礎を成す概念は、発電機ユニットを、インターフェースを備えたものとすることであり、このインターフェースは、発電機ユニットを、多機能接続構成体の他方の半体を構成しているエンジン側の取付板に締結するためのものであると同時に、発電機軸とタービン軸とを連結するためのものであり、発電機軸とタービン軸との連結は、直接的な連結としてもよく、或いは、（伝動機構を介した）間接的な連結としてもよい。また、この連結のために、エンジン側の取付板には、タービン軸より径の大きな孔を設けておくようにする。また、エンジン側の取付板の孔に対する発電機軸の挿脱を容易にするために、エンジン側と発電機側とを位置合せするための少なくとも１本の位置合せピンを設けておき、このピンが係合した後に、その他の構成要素が互いに係合するようにしておくようにするとよい。

発電機ユニットは、ジェットエンジンの前部領域のコンプレッサ部の側において、及び／または、ジェットエンジンの後部領域のタービン部の側において、タービン軸に装着されているようにするとよい。発電機ユニットの装着位置を、これら２箇所のいずれとしたものも、本発明の範囲に包含される。また、それら２箇所の両方に１つずつの発電機ユニットを装着するようにしてもよい。前部領域のコンプレッサ部の側に装着する場合には、その発電機ユニットを、いわゆるノーズコーンの内部や吸気導入グリッド部の内部に装着するようにしてもよい。一方、発電機ユニットの装着位置を後部領域のタービン部の側とする場合には、いわゆる排気コーンの内部や排気導流部の内部に装着することができる。それぞれ、それを可能にする空間条件及び装着条件が存在することが重要であるが、コンプレッサ部の側に装着する場合には、装着位置の温度が低いことが利点となる。

ただし、発電機を更に別のタービン軸に連結して駆動力を伝達するようにしてもよく、そうする場合には伝導機構を付加するなどすればよい。発電機ユニットの装着作業が行われるときには、ジェットエンジンの吸気部、及び／または、排気部に設けられているエンジン側の取付板に発電機ユニットが取付けられると同時に、多機能接続構成体の内部において、電気接続、流体接続、及び機械的連結が行われる。多機能接続構成体の発電機側の半体は、多機能接続構成体のエンジン側の半体に備えられている機能部品の夫々に対応した、ただしそれらとは鏡像関係にある配設位置に配設された機能部品を備えており、それによって、発電機が装着されて接続状態とされたならば、電流の導通及び流体の流通が何ら支障なく行われるようになっている。多機能接続構成体の発電機側の半体は、発電機に一体的に形成したフランジ形の構造体としてもよく、或いはまた、発電機とは別体の構造体として形成したものを発電機に取付けるようにしてもよい。尚、本願において接続機構と称するものには、多機能接続構成体の双方の半体に装備される電気接続用のモジュラープラグや、同じく多機能接続構成体の双方の半体に装備される自動閉塞式の流体コネクタが含まれ、それらプラグやコネクタからは、後方へ接続配管が延出している。

発電機ユニットに含まれる発電機を取外すには、或いはそれを別の発電機に交換するには、単にその発電機を取付板から取外すようにすればよい。また、個々の接続機構は簡明な構成とすることができ、脱着作業が面倒なものとなることもない。これによってメンテナンス作業が格段に簡明になっており、なぜならば、発電機をモジュールとして構成することができ、そのため、メンテナンス作業に際して発電機を発電機側の取付板から取外すことができ、しかもその取外しが容易だからである。

エンジン側の取付板とジェットエンジンの非回転部分との間に、電気配線収容配管及び流体配管を配設できるように、エンジン側の取付板は、ジェットエンジンのステータ上に配設するようにしており、このステータは、電気配線収容配管及び／または流体配管を挿通可能な複数の中空リブを備えている。特に、高熱が作用したならば内部の電気配線が損傷するおそれのある電気配線収容配管は、このステータのリブ部分の中空空間（必要に応じて更なる断熱を行うことも可能である）に挿通すると有利であり、更に、エンジン側の取付板に連結するための機械的連結機構も、このステータの中空空間に配設すると有利である。

流体接続用の接続機構は自動閉塞式のものとして、その分離に際して流体の漏出が防止されるようにしておくと有利である。これによって、流失及び汚損のおそれのない取外し作業が可能となる。また特に、空間条件が制約されていることから、適当な構成のコネクタを使用して、接続機構の自動閉塞が確実に行われるようにするのがよい。流体接続用の接続機構を分離したときには流体の漏出が生じるおそれがあるため、取付板側の接続機構と発電機側の接続機構とのいずれも、分離したならば、弁などの閉塞機構によって流体の漏出と配管の中への汚染物質の侵入とが防止されるようにしいておくのがよい。またここでいう流体とは、基本的には、冷却液などであって、発電機と冷却回路との間を往復して流れる流体である。また、電気接続用の接続機構は、例えばプラグなどの接続部材であって、この電気接続用の接続機構についても、その分離及び再接続を別作業として行う必要はない。

本発明の特に有利な１つの実施の形態では、前記接続機構が、Ｏリングとして形成された封止部材を備えている。これに関して、その封止部材の形態は様々なものとすることができ、例えば、接続機構がプラグなどの接続部材である場合には、その接続部材の形状に応じた適当な封止部材を使用すればよい。

前記接続機構が、発電機とジェットエンジンないし航空機との間の電気接続を提供するための接離可能な複数の大電流用接点を備えている構成とすると有利である。それら複数の大電流用接点の電流容量は、例えば最大で５００Ａとするとよく、それだけの電流容量があれば高い安全性が得られる。

この電力出力用の接続機構に加えて更に、前記接続機構として、発電機の制御のための制御接点、及び／または、発電機パラメータの制御ないしフィードバックのためのバス系統接点を備えた電気接続用の接続機構を装備するようにするのもよい。またその場合に、それらの電気接続が、取付板と発電機との間に設けた個別の接続部材を介して行われるようにするのもよい。

特に有利な構成として、また特に大きな融通性が得られる方式として、取付板の装着部をモジュール式の構造とし、互いに異なる複数の形式の発電機が取付可能であるようにすることが推奨される。またその場合に、取付ける複数の形式の発電機を、互いに同一の装着部を有する発電機モジュールとして構成し、それによって、それら複数の型式の発電機を、標準化した取付板に装着して保持できるようにしておくとよい。本発明を適用する上で特に重要な発電機の型式としては、例えば、同期型、非同期型、それにリラクタンス型などの型式がある。

本発明を更に優れたものとするためのその他の手段の１つに、タービン軸と発電機軸とを接続する駆動力伝達用継手機構を、スプライン継手から成るものとするという手段がある。またその場合に、発電機軸を中空軸として形成して、取付板に形成した開口の中を延在させるようにするとよい。そして、この中空軸として形成した発電機軸が、タービン部のステータに支持されているタービン軸の軸端に係合するようにしておけば、発電機のフランジをエンジン側の取付板に結合したときに、その発電機軸とタービン軸とがしっかりと軸結合するようにすることができる。

以上に説明した軸継手の構造は、例えば、円弧形の歯を備えたスプライン軸を備えたスプライン継手とするとよく、そうすれば、タービン軸が、軸方向に変位可能であると共に僅かながら径方向にも変位可能であるようにすることができる。そして、それによって、発電機ユニットの脱着を行う際に、その他の補助的手段を何ら必要とすることなく、エンジン側の取付板に対する挿入及び抜脱を容易に行うことができるようになる。

発電機ユニットの装着方式をより有利な方式とするためには、発電機を装着するための装着空間が、取付板の外径よりも僅かに大きい円筒形の中空空間により画成されているようにするとよい。これによって、取付板を備えた深い陥凹部の形状の円筒形空間が形成され、この円筒形空間の中に発電機を配設することができる。また、これは、発電機を特にジェットエンジンの高温の排気流から防護するための一種のハウジングを構成することでもある。それゆえ、装着空間を画成するこの円筒形の中空空間は、高温断熱構造を備えたものとして、発電機ユニットを後部の排気領域の高温から防護するものとするのがよい。こうして得られる高温断熱構造が発電機の周囲を覆うことにより、不燃性ないし難燃性の材料以外の材料も使用可能になるという利点が得られる。

本発明を更に優れたものとするその他の手段については、従属請求項に記載した様々な手段があり、それら手段については、添付図面に即した本発明の好適な実施の形態についての説明を通して更に詳細に説示する。
図面は、本発明の典型的な技術的設計のみを示す。

図１に、断面図ではなく外観図によって、発電機ユニット１０（１１ｂと１２よりなる）を示した。図１の模式図では、多機能接続構成体１７の構成要素であるエンジン側の取付板１１ａが図中左側に示され、同じくこの多機能接続構成体１７の構成要素である発電機側の取付板１１ｂが図中右側に示されている。それら２つの取付板は、いずれも円板形に形成されており、その各々が、電気接続機構である一対のモジュラープラグの一方と、一対の自動閉塞式の流体コネクタの一方とを備えているが、ただし図１には、それらモジュラープラグ及び流体コネクタは示されていない。多機能接続構成体１７の右側に発電機１２が配設されている。発電機１２は、円筒形の形状に構成されいて、多機能接続構成体１７の発電機側の半体に連結されており、中心線１９で示したように、発電機１２と多機能接続構成体１７とは同心的な位置関係にある。発電機１２と発電機側の取付板１１ｂとの間に、接続配管１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが配設されており、それら接続配管は、電力出力配線を収容するための配線収容配管、センサの信号配線を収容するための配線収容配管、バス配線を収容するための配線収容配管、それに液体配管であり、それらのうち液体配管は、発電機１２を冷却するための冷却液などを流通させるために用いられる。以上に述べた夫々の接続配管は、多機能接続構成体１７を介して接続されるようにしてあり、接続先の夫々の配管は、エンジン側の取付板１１ａの背面側から延出して、ステータの中空リブの中を通り、エンジンを貫通して外部へ導出されている（図示せず）。多機能接続構成体１７には中心線１９に対して同心的な孔が形成されており、発電機軸１４はこの孔の中を貫通して延在することにより、エンジン軸に連結可能とされている。

図２及び図３に、本発明に係るジェットエンジン１を斜視図で示した。ジェットエンジン１は、前部領域である吸気領域１５と、後部領域である排気領域１６とを備えている。ジェットエンジン１のハウジングの直径は前部の吸気領域１５の方が大きくなっており、これは、そこにファンが組込まれているためである。後部の排気領域１６では、ジェットエンジンの直径はより小さくなっており、また、後部の排気領域１６はその内部に、本発明の実施の形態に係る発電機ユニット１０を装着するための装着空間が画成されている。図２は、発電機ユニット１０が装着状態にあるところを示した図である。これに対して、図３では、ジェットエンジン１の後部領域である排気領域１６の内部の本来の装着位置よりも手前に発電機ユニット１０を引き出して、斜視図で示している。そのため図３では、エンジン側の取付板１１ａが見えており、このエンジン側の取付板１１ａは、流体コネクタ２０及び２０ａと、センサ信号配線用のモジュラープラグ２１と、電力出力用のモジュラープラグ２２とを備えている。図３では更に、発電機軸１４も見えており、この発電機軸１４は、タービン軸１８に対向するように配置され、軸継手などの軸連結機構を介してタービン軸１８に連結される。

図４は、発電機ユニット１０（１２及び１１ｂ）が、エンジン側に結合されている取付板１１ａに取付けられるところの、その取付部を示した模式図である。取付板１１ａはハッチングを付して示してあり、この取付板１１ａと、発電機１２のフランジ型の取付部１１ｂとの間の分離面に、複数の接続機構が設けられており、それら接続機構を介して、複数の接続配管１３ａ、１３ｂ及び１３ｃが接続されるようにしてある。それら接続配管のうちには、いずれも配線収容配管である信号線収容配管、バス配線収容配管、及び電力出力配線収容配管と、冷却液を流通させるための流体配管とが含まれている。

図５は、多機能接続構成体１７の一方の半体（即ち、互いに接続される一対の多機能接続構成体１７のうちの一方）の端面を、模式的に示した図である。図示した多機能接続構成体１７の半体は、流体コネクタ２０及び２０ａを備えており、それら流体コネクタは、エンジンと発電機との間をつなぐ冷却液の往路と復路とを提供する。更に、センサ信号配線及びバス配線を接続するための信号配線用のモジュラープラグ２１と、発電機が出力する電流をジェットエンジンないし航空機に供給するための電力出力用のモジュラープラグ２２とが備えられている。発電機のフランジ１１ｂに形成されている多機能接続構成体の半体と、取付板１１ａに形成されている多機能接続構成体の半体とは、互いに鏡像関係となるように構成されており、それによって、モジュラープラグ２１及び２２と、流体コネクタ２０及び２０ａとが、相手側の多機能接続構成体の半体に装備されているそれらに対応したモジュラープラグないし流体コネクタに接続されるようになっている。

本発明は、以上に例示した好適な実施の形態の構成に限定されるものではない。以上に詳述した解決手段を、以上に例示した実施の形態とは全く異なる実施の形態で適用するような様々な変更構成が考えられる。

取付板とその取付板に結合された発電機とを備えた発電機ユニットの側面図である。 発電機ユニットを備えたジェットエンジンの斜視図であり、発電機ユニットが装着された状態を示した図である。 発電機ユニットを備えたジェットエンジンの斜視図であり、発電機ユニットがエンジン側の取付板から取外された状態を示した図である。 発電機ユニットの模式図であり、発電機ユニットはエンジン側の取付板に装着されており、複数の接続配管が多機能接続構造体を介して接続されている領域を示した図である。 図４の分離面Ｖ−Ｖにおける多機能接続構造体の模式図である。

Claims (12)

1. 航空機などに用いられるジェットエンジン（１）であって、少なくとも１本のタービン軸を備え、該タービン軸上に少なくとも１つのコンプレッサ部と１つのタービン部とが配設されており、ハウジングが該ジェットエンジン（１）の外側面を覆って延展しており、更に、少なくとも１本のタービン軸上に少なくとも１つの発電機ユニット（１０）が配設されているジェットエンジンにおいて、
   前記発電機ユニット（１０）は取付板（１１ｂ）と発電機（１２）とを備えており、前記発電機ユニット（１０）はエンジン側の取付板（１１ａ）に脱着可能に装着されていることを特徴とするジェットエンジン（１）。
2. 前記発電機ユニット（１０）は、前記ジェットエンジン（１）の前部領域のコンプレッサ部の側において、及び／または、前記ジェットエンジン（１）の後部領域のタービン部の側において、コンプレッサ軸ないしタービン軸に装着されていることを特徴とする請求項１記載のジェットエンジン（１）。
3. 前記取付板（１１ａ）は前記ジェットエンジン（１）のステータ上に配設されており、該ステータは電気配線収容配管及び／または流体配管を挿通可能な複数の中空リブを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載のジェットエンジン（１）。
4. 前記取付板（１１ａ）は前記発電機ユニット（１０）を脱着可能に接続するための複数の接続機構（１３）を備えており、それら複数の接続機構は、少なくとも１つの機械的取付機構と、駆動力伝達用継手機構と、電気接続用及び／または流体接続用の複数の接続機構とを含んでいることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のジェットエンジン（１）。
5. 少なくとも前記流体接続用の接続機構（１３：２０及び２０aの端部）は、自動閉塞式に構成されており、分離したときに流体の漏出及び／または配管の汚損が防止されるようにしてあることを特徴とする請求項４記載のジェットエンジン（１）。
6. 前記接続機構（１３）は、Ｏリングとして形成された封止部材を備えていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載のジェットエンジン（１）。
7. 前記接続機構（１３：２２の端部）は、前記発電機（１２）と前記ジェットエンジンないし航空機との間の電気接続を提供するための接離可能な複数の大電流用接点を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載のジェットエンジン（１）。
8. 前記接続機構（１３：２１の端部）は、前記発電機（１２）の制御のための制御接点、及び／または、発電機パラメータの制御ないしフィードバックのためのバス系統接点を備えていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載のジェットエンジン（１）。
9. 前記取付板（１１ａ）の装着部は、モジュール式の構造または拡張可能な構造とされており、それによって、互いに異なる複数の型式の発電機（１２）が取付可能とされていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載のジェットエンジン（１）。
10. エンジン側の駆動軸（１８）と発電機軸（１４）との間に設けられている前記駆動力伝達用継手機構は、円弧形の歯を備えたスプライン継手から成ることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載のジェットエンジン（１）。
11. 前記発電機（１２）を装着するための装着空間が、前記取付板（１１ａ）の外径よりも僅かに大きい円筒形の中空空間により画成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載のジェットエンジン（１）。
12. 前記装着空間を画成している円筒形の前記中空空間は高度の断熱性を有しており、それによって、後部の排気領域（１６）における排気の高温から前記発電機ユニットが防護されるようにしてあることを特徴とする請求項１１記載のジェットエンジン（１）。

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