JP2012140941A - 輸送機関に電力供給する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】航空機システムを動作させる方法およびシステムを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンシステムは、低圧（ＬＰ）シャフトと、高圧（ＨＰ）シャフトと、ＬＰシャフトに機械的に結合された入力、および定周波数（ＣＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する定速機械駆動アセンブリと、ＨＰシャフトに機械的に結合された入力、および可変周波数（ＶＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する補機ギアボックスアセンブリとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は、一般に、航空機の発電システムおよび配電システムに関し、より具体的には、高圧タービンがストールする可能性を低減させる方法およびシステムに関する。

既知の航空機の少なくともいくつかは、２つ以上の高バイパス比ターボファンエンジンによって駆動される。これらのエンジンは、推進システムによる推力全体のうちかなりの部分を供給する低圧スプールによって駆動されるファンを含む。高圧スプールによって、１つまたは複数の圧縮機が駆動され、排出物を後方に送ることによって追加の推力が生じる。

エンジンは、航空機を推進する推力をもたらし、かつ航空機の油圧システムおよび空気圧システムに動力を与えるのに加えて、環境制御システム、航空機コンピュータ、油圧モータポンプ、および／または他のモータおよび電気装置を含めた多数の航空機構成部品に電力を供給する。航空機エンジンから電力を得る一手法に、エンジンからの回転機械動力の幾分かを電力に変換する手法がある。

米国特許出願公開第２０１０／０１３３８１３号明細書

最新の航空機は、より小型のエンジンを有し、ストールを回避するために、高圧スプールからの電力抽出が限られている。また、最新の航空機は、より多くの電気負荷で設計されている。それだけに限られるものではないが、降下条件中などのある条件下では、圧縮機をストールさせずに電気負荷を支持するために、高圧スプールからは十分な電力を得ることができない場合がある。エンジンストールの問題は、比較的新しい問題であるので、この問題を解決する試みは限られてきている。

一実施形態では、ガスタービンエンジンシステムは、低圧（ＬＰ）シャフトと、高圧（ＨＰ）シャフトと、ＬＰシャフトに機械的に結合された入力、および定周波数（ＣＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する定速機械駆動アセンブリと、ＨＰシャフトに機械的に結合された入力、および可変周波数（ＶＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する補機ギアボックスアセンブリとを含む。

別の実施形態では、航空機システムを動作させる方法は、始動機／発電機を用いて第１のシャフトを駆動することによってターボファンエンジンを始動し、第１のシャフトは、圧縮機とエンジンの第１のタービンとの間に連結されているステップと、始動機／発電機を用いて、可変周波数（ＶＦ）電気エネルギーをＶＦ電気バスに供給するステップと、ファンとエンジンの第２のタービンとの間に連結された第２のシャフトに結合された発電機を用いて、定周波数（ＣＦ）電気エネルギーをＣＦ電気バスに供給するステップと、可変周波数（ＶＦ）電気エネルギーをＶＦ電気バスから航空機構成部品に分配し、定周波数（ＣＦ）電気エネルギーをＣＦ電気バスから他の航空機構成部品に分配するステップとを含む。

さらに別の態様では、航空機システムは、ガスタービンエンジンを含み、このガスタービンエンジンは、圧縮機と第１のタービンとの間に延在する高圧（ＨＰ）シャフトを介して第１のタービンに結合された圧縮機と、可変周波数（ＶＦ）発電機と、ＨＰシャフトに機械的に結合された入力、および可変周波数（ＶＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する補機ギアボックスアセンブリと、ファンと第２のタービンとの間に延在し、かつ高圧シャフトと同軸の低圧（ＬＰ）シャフトを介して第２のタービンに結合されたファンと、定周波数（ＣＦ）発電機と、ＬＰシャフトに機械的に結合された入力、および定周波数（ＣＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する定速機械駆動アセンブリとを含む。この航空機システムはまた、前記ＶＦ発電機に電気的に結合されたＶＦバスであって、航空機システムの電気負荷の一部分に電力を供給するように構成されたＶＦバスと、前記ＣＦ発電機に電気的に結合されたＣＦバスであって、航空機システムの電気負荷の残りの部分に電力を供給するように構成されたＣＦバスとを含む。

本明細書に記載の方法およびシステムの例示的な実施形態を示す図であり、本発明の例示的な実施形態による航空機ガスタービンエンジンの概略断面図である。 本明細書に記載の方法およびシステムの例示的な実施形態を示す図であり、本発明の例示的な実施形態による電気システムの構造の概略ブロック図である。

以下の詳細な説明は、本発明の実施形態を例示として示すものであり、本発明を限定するものではない。以下の説明は、当業者が本開示を製造または使用することを明確に可能とするものであり、現時点で本開示を実施する最良の形態と考えられるものを含めて、本開示のいくつかの実施形態、応用形態、変形形態、代替形態、および使用について説明する。本開示は、例示的な実施形態、すなわち航空機に電力供給するシステムおよび方法に適用されるものとして説明する。しかし、本開示は、産業用途、商業用途、および居住用途における電気システム構造に一般に応用することが企図される。

本明細書では、単数形で示し、単語「ａ」または「ａｎ」が前に付された要素またはステップは、複数の要素またはステップの除外が明示されない限り、複数の要素またはステップも含まれるとして理解すべきである。さらに、本発明の「一実施形態」に関する言及は、記載の特徴をやはり組み込んだ追加の実施形態の存在が除外されるとして解釈すべきではない。

本発明の実施形態は、タービンエンジンの低圧（ＬＰ）スプールから、ギアボックス定速機械駆動の定周波数（ＣＦ）ＡＣ発電機を介して得られる定周波数（ＣＦ）ＡＣ電力と、補機ギアボックスＶＦ発電機を駆動する、タービンエンジンの高圧（ＨＰ）スプールから得られる可変周波数（ＶＦ）ＡＣ電力とを含む、航空機用の新規な電気システム構造を実現する。ＣＦ電力を必要とする電気負荷には、ＬＰスプール駆動のＣＦ発電機によって供給され、ＶＦ電力を許容できる電気負荷には、ＨＰスプール駆動のＶＦ発電機によって供給される。したがって、この構造には、パワーエレクトロニクスに基づいたいかなる変換装置も必要でなく、また、この構造は、エンジンストールに対するマージンが低減する航空機降下モード下では、タービンのＬＰスプールから抽出する電力を最大にし、かつタービンのＨＰスプールからの電力抽出を最小限に抑えることによって、タービン動作性／タービンストールの可能性の問題を解決する。さらに、ＨＰスプール駆動の発電機はまた、タービンエンジンを始動する始動発電機として構成することができる。

図１は、ＧＥ ＣＦＭ５６シリーズエンジンなど、エンジン軸８を有する航空機ガスタービンエンジン１０の例示的な実施形態の概略断面図である。エンジン１０は、下流方向に順に、ファン１４を含むファン区画１３、ブースタまたは低圧圧縮機（ＬＰＣ）１６、高圧圧縮機（ＨＰＣ）１８、燃焼区画２０、高圧タービン（ＨＰＴ）２２、および低圧タービン（ＬＰＴ）２４を含む。高圧シャフト２６によって、ＨＰＴ２２がＨＰＣ１８に駆動可能に連結され、低圧シャフト２８によって、ＬＰＴ２４がＬＰＣ１６およびファン１４に駆動可能に連結されている。ＨＰＴ２２は、ＨＰＴロータ３０を含み、ロータ３０の周辺にはタービンブレード３４が取り付けられている。ブレード３４は、ブレードプラットフォーム３９から半径方向外方のブレード先端まで、半径方向外方に延びている。

図２は、本発明の例示的な実施形態による電気システム構造２００の概略図である。この例示的な実施形態では、電気システム構造２００は、動作中に可変周波数を有する供給を許容できる複数の負荷２０４に電力を供給するように構成された可変周波数電気バス２０２を含む。電気システム構造２００はまた、動作中に定周波数を有する電力を使用する複数の負荷２０８に電力を供給するように構成された定周波数電気バス２０６も含む。定周波数電気バス２０６はまた、動作中に可変周波数を有する供給を許容できる１つまたは複数の負荷２１０にも電力を供給するように構成されている。

電力は、可変周波数発電機２１２から、可変周波数電気バス２０２に供給される。様々な実施形態では、可変周波数発電機２１２は、始動工程中に、高圧シャフト２６に回転トルクをもたらすように構成された始動機／発電機を備える。電力は、定周波数発電機２１４から、定周波数電気バス２０６に供給される。可変周波数発電機２１２は、高圧シャフト２６により、高圧シャフト２６と可変周波数発電機２１２との間に機械的に結合された補機ギアボックス２１６を介して駆動される。定周波数発電機２１４は、低圧シャフト２８により、低圧シャフト２８と定周波数発電機２１４との間に機械的に結合された定速機械駆動アセンブリ２１８を介して駆動される。

例示的な実施形態では、ＶＦ電力およびＣＦ電力をさらに条件付ける必要はなく、例えば、ＶＦ電力およびＣＦ電力はそのまま使用され、電力変換装置が必要でない。適正に動作するためにＣＦ電力が必要となる負荷には、低圧シャフト２８駆動の定周波数発電機２１４から電力が送られ、残りの負荷は、可変周波数発電機２１２によって電力供給される。

低圧シャフト２８駆動の定周波数発電機２１４に対して、ある最小限の負荷印加（ｌｏａｄｉｎｇ）を維持し、かつ高圧シャフト２６駆動の可変周波数発電機２１２からの電力抽出を最小限に抑えることによって、航空機が、エンジンをアイドル回転速度で、またはアイドル回転速度付近で動作させて推力を最小限に抑える降下モードにある間、タービンがストールする可能性が解消される。

本発明の実施形態の技術的利点として、ある負荷に必要となるＣＦ電力が、低圧シャフト２８駆動の定周波数発電機２１４から得られるので、高圧シャフト２６駆動の可変周波数電機２１２について電力変換装置が不要となる点、およびある動作条件下、例えば航空機が降下モードにある間、負荷印加を高圧シャフト２６から低圧シャフト２８に移行することによって、タービンがストールする可能性が解消される点が含まれる。本発明の実施形態はまた、より高い効率を有し、より低費用の電気システム構造を実現する。

駆動／定速発電機によってタービンのＬＰスプールから航空機のＣＦ電力を得、ＨＰスプール駆動の発電機からＶＦ電力を得る方法およびシステムの上述の実施形態は、ＬＰスプールから電力を抽出することによって、ＣＦ電力を得るための電力変換装置が不要となり、かつＨＰスプールのストールが解消される、費用効果が高く、かつ信頼性が高い手段を実現する。その結果、本明細書に記載の方法およびシステムによって、航空機の動作が、費用効果が高く、かつ信頼性が高い形で促進される。

本明細書では、例を用いて、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、いかなる装置またはシステムの製造および使用、ならびに組み込まれたいかなる方法の実施も含めて、当業者が本発明を実施可能とするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想到される他の例も含まれ得る。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言とそれほど相違ない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内に含まれるものである。

８ エンジン軸
１０ 航空機ガスタービンエンジン
１３ ファン区画
１４ ファン
１６ 低圧圧縮機（ＬＰＣ）
１８ 高圧圧縮機（ＨＰＣ）
２０ 燃焼区画
２２ 高圧タービン（ＨＰＴ）
２４ 低圧タービン（ＬＰＴ）
２６ 高圧シャフト
２８ 低圧シャフト
３０ ＨＰＴロータ
３４ タービンブレード
３９ ブレードプラットフォーム
２００ 電気システム構造
２０２ 可変周波数電気バス
２０４ 負荷
２０６ 定周波数電気バス
２０８ 負荷
２１０ 負荷
２１２ 可変周波数発電機
２１４ 定周波数発電機
２１６ 補機ギアボックス
２１８ 定速機械駆動アセンブリ

Claims (20)

1. 低圧（ＬＰ）シャフトと、
   高圧（ＨＰ）シャフトと、
   前記ＬＰシャフトに機械的に結合された入力、および定周波数（ＣＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する定速機械駆動アセンブリと、
   前記ＨＰシャフトに機械的に結合された入力、および可変周波数（ＶＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する補機ギアボックスアセンブリと
   を備える、ガスタービンエンジンシステム。
2. 前記ＣＦ発電機が、ＣＦ電気バスに電気的に結合されている、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
3. 前記ＶＦ発電機が、前記ＶＦ電気バスに電気的に結合されている、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
4. 前記ＶＦ発電機が、エンジン始動工程中に、前記ＨＰシャフトを回転させ、かつ始動後の動作中に、前記ＨＰシャフトから電力を生成するように構成された始動機／発電機を備える、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
5. ＣＦ電力が、前記ＣＦ発電機から前記ＣＦ電気バスに直接供給される、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
6. 前記ＣＦ電気バスと、前記ＶＦ電気バスとが、電気的に独立して維持される、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
7. 前記定速機械駆動アセンブリの前記入力の回転速度が、前記ＬＰシャフトの回転速度に伴って変動し、前記定速機械駆動アセンブリの前記出力の回転速度が、実質的に一定である、請求項１記載のガスタービンエンジンシステム。
8. 始動機／発電機を用いて第１のシャフトを駆動することによってターボファンエンジンを始動し、前記第１のシャフトが、圧縮機と前記エンジンの第１のタービンとの間に連結されているステップと、
   前記始動機／発電機を用いて、可変周波数（ＶＦ）電気エネルギーをＶＦ電気バスに供給するステップと、
   ファンと前記エンジンの第２のタービンとの間に連結された第２のシャフトに結合された発電機を用いて、定周波数（ＣＦ）電気エネルギーをＣＦ電気バスに供給するステップと、
   前記可変周波数（ＶＦ）電気エネルギーを前記ＶＦ電気バスから航空機構成部品に分配し、前記定周波数（ＣＦ）電気エネルギーを前記ＣＦ電気バスから他の航空機構成部品に分配するステップと
   を含む、航空機システムを動作させる方法。
9. 始動中に、ＶＦ電気エネルギーを前記ＶＦ電気バスから前記始動機／発電機に供給するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 補機ギアボックスアセンブリを、前記第１のシャフトと前記始動機／発電機との間に結合するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
11. 定速機械駆動アセンブリを、前記第２のシャフトと前記発電機との間に結合するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
12. 少なくとも１つの負荷を前記ＶＦ電気バスから電気的に断絶するステップと、
    前記少なくとも１つの負荷を前記ＣＦ電気バスに電気的に結合して、前記第１のタービンがストールする可能性を低減させるステップと
    をさらに含む、請求項８記載の方法。
13. 前記可変周波数（ＶＦ）電気エネルギーを前記ＶＦ電気バスから航空機構成部品に分配し、前記定周波数（ＣＦ）電気エネルギーを前記ＣＦ電気バスから他の航空機構成部品に分配するステップが、前記ＶＦ電気バスと、前記ＣＦ電気バスとを電気的に独立して維持するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
14. 前記始動機／発電機を用いて、可変周波数（ＶＦ）電気エネルギーをＶＦ電気バスに供給するステップが、電力変換装置を使用せずに、可変周波数（ＶＦ）電気エネルギーをＶＦ電気バスに供給するステップを含む、請求項８記載の方法。
15. 定周波数（ＣＦ）電気エネルギーをＣＦ電気バスに供給するステップが、電力変換装置を使用せずに、定周波数（ＣＦ）電気エネルギーをＣＦ電気バスに供給するステップを含む、請求項８記載の方法。
16. 航空機システムであって、ガスタービンエンジンと、ＶＦバスと、ＣＦバスとを備え、
    前記ガスタービンエンジンが、
    圧縮機と第１のタービンとの間に延在する高圧（ＨＰ）シャフトを介して前記第１のタービンに結合された前記圧縮機と、
    可変周波数（ＶＦ）発電機と、
    前記ＨＰシャフトに機械的に結合された入力、および前記可変周波数（ＶＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する補機ギアボックスアセンブリと、
    ファンと第２のタービンとの間に延在し、かつ前記高圧シャフトと同軸の低圧（ＬＰ）シャフトを介して前記第２のタービンに結合された前記ファンと、
    定周波数（ＣＦ）発電機と、
    前記ＬＰシャフトに機械的に結合された入力、および前記定周波数（ＣＦ）発電機に機械的に結合された出力を有する定速機械駆動アセンブリとを含み、
    前記ＶＦバスが、前記ＶＦ発電機に電気的に結合され、前記航空機システムの電気負荷の一部分に電力を供給するように構成され、
    前記ＣＦバスが、前記ＣＦ発電機に電気的に結合され、前記航空機システムの前記電気負荷の残りの部分に電力を供給するように構成される、航空機システム。
17. 前記ＶＦ発電機が、ＶＦ始動機／発電機をさらに備え、前記ＶＦ電気バスが、前記ガスタービンエンジンの始動工程中に、前記ＶＦ始動機／発電機に前記ＶＦ電力を供給するように構成され、前記ＶＦ始動機／発電機が、前記ガスタービンエンジンが始動した後に、前記ＶＦ電気バスに電力を供給するように構成される、請求項１６記載の航空機システム。
18. ＣＦ電力が、前記ＣＦ発電機から前記ＣＦ電気バスに直接供給される、請求項１６記載の航空機システム。
19. 前記ＣＦ電気バスと、前記ＶＦ電気バスとが、互いに電気的に独立して維持される、請求項１６記載の航空機システム。
20. 前記定速機械駆動アセンブリの前記入力の回転速度が、前記ＬＰシャフトの回転速度に伴って変動し、前記定速機械駆動アセンブリの前記出力の回転速度が、実質的に一定である、請求項１６記載の航空機システム。