JP2013057316A - ガスタービンエンジンから電力を抽出するための方法および器具 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの高圧スプールおよび低圧スプールの両方から動力を抽出することにより航空機に動力を供給するための方法および器具を提供する。
【解決手段】ガスタービンが、高圧スプール２６と、低圧スプール２８と、ＡＣ発電機と、低圧スプール２８に機械的に結合される入力およびＡＣ発電機に機械的に結合される出力を有するＬＰ駆動アセンブリと、ＤＣ発電機と、高圧スプール２６に機械的に結合される入力およびＤＣ発電機に機械的に結合される出力を有するＨＰ駆動アセンブリと、を含む。ＤＣ電力が高圧スプール２６を使用して発生され得、ＡＣ電力が低圧スプール２８を使用して発生され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関する。

燃焼タービンエンジンとしても知られるガスタービンエンジンは、エンジンを通過して多数のタービンブレード上に到達する燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出するロータリエンジンである。ガスタービンエンジンは陸上用および航海用の移動手段および発電に使用されてきたが、最も一般的には、飛行機またはヘリコプタなどの航空用途に使用される。飛行機では、ガスタービンエンジンが航空機を推進させるのに使用される。

ガスタービンエンジンはまた、通常、例えば推進させること以外の航空機上で必要とされる機能のための装置である、発電機、スタータ／発電機、永久磁石交流発電機（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ａｌｔｅｒｎａｔｏｒ（ＰＭＡ））、燃料ポンプおよび油圧ポンプなどの、多数の異なる補機に動力を供給する。例えば、現代の航空機は航空電子工学機器およびモータのための電力を必要とする。ガスタービンエンジンに結合される発電機は、エンジンの機械動力を、補機に動力を供給するのに必要となる電気エネルギーに変換する。

ガスタービンエンジンは２つ以上のスプールを有することができ、これには、推進系統全体の推力の大部分を提供する低圧（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）スプールと、１つまたは複数の圧縮機を駆動させて後部方向の排気生成物を誘導することにより追加の推力を生成する高圧（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）スプールとが含まれる。トリプルスプールガスタービンエンジン（ｔｒｉｐｌｅ ｓｐｏｏｌ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ）は、第３の中間圧力（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＩＰ））スプールを含む。

交流の形態の電力（ＡＣ電力）を生成するためにＡＣ発電機をガスタービンエンジンのＨＰスプールに結合することが知られている。ＨＰスプールに加えてＬＰスプールからもＡＣ電力を抽出する試みも行われている。２０１０年１２月２９日に出願された米国特許出願第１２／９８１，０４４号が、ＨＰスプールから可変周波数ＡＣ電力を引き出しさらにＬＰスプールから一定周波数ＡＣ電力を引き出すシステムを開示している。航空機内の補機によって使用されるＤＣ電力を生成するために、ガスタービンエンジンから発生されるＡＣ電力を整流することも知られている。

米国特許出願公開第２０１０／０２５１７２６号明細書

一実施形態では、ガスタービンが、高圧（ＨＰ）スプールと、低圧（ＬＰ）スプールと、ＡＣ発電機と、ＬＰスプールに機械的に結合される入力およびＡＣ発電機に機械的に結合される出力を有するＬＰ駆動アセンブリと、ＤＣ発電機と、ＨＰスプールに機械的に結合される入力およびＤＣ発電機に機械的に結合される出力を有するＨＰ駆動アセンブリと、を含む。

別の実施形態では、航空機システムに動力を供給するための方法が、ガスタービンエンジンの低圧（ＬＰ）スプールからＡＣ電力を抽出することと、ガスタービンエンジンの高圧（ＨＰ）スプールからＤＣ電力を抽出することと、ＡＣ発電機によって抽出されたＡＣ電力を負荷に供給することと、ＤＣ発電機によって抽出されたＤＣ電力を負荷に供給することと、を含む。

本発明の一実施形態による、航空機のためのガスタービンエンジンを示す概略的な断面図である。 図１のガスタービンエンジンのための電力システムアーキテクチャを示す概略的なブロック図である。 図２に示される電力システムアーキテクチャのデュアル巻線発電機（ｄｕａｌ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の第１の巻線を示す概略図である。 図２に示される電力システムアーキテクチャのデュアル巻線発電機の第２の巻線を示す概略図である。

本明細書で開示される主題は航空機エンジンからの動力抽出に関し、より詳細には、マルチスプールタービンエンジン（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｐｏｏｌ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ）から電力を生成するのを可能にする電力システムアーキテクチャに関する。しかし、本明細書に開示される主題が、産業用途、商業用途および家庭用途などの、航空機ではない用途の電力システムアーキテクチャに対する一般性を有することも企図される。

図１は、本発明の一実施形態による、航空機のためのガスタービンエンジン１０の概略的な断面図である。エンジン１０は、下流方向のシリアルフローの関係において、ファン１４を含むファン区間１２と、ブースタまたは低圧（ＬＰ）圧縮機１６と、高圧（ＨＰ）圧縮機１８と、燃焼区間２０と、ＨＰタービン２２と、ＬＰタービン２４とを含む。ＨＰシャフトまたはスプール２６がＨＰタービン２２をＨＰ圧縮機１８に駆動可能に接続し、ＬＰシャフトまたはスプール２８がＬＰタービン２４をＬＰ圧縮機１６およびファン１４に駆動可能に接続する。ＨＰタービン２２はタービンブレード３２を有するＨＰタービンロータ３０を含み、タービンブレード３２はタービンロータ３０の周囲部のところに装着される。タービンブレード３２はブレードプラットフォーム３４から、径方向外側のブレード先端部３６まで、径方向外向きに延在する。

図２は、図１のガスタービンエンジン１０ための電力システムアーキテクチャ４０の概略的なブロック図である。システムアーキテクチャ４０は本明細書では図１に示されるガスタービンエンジン１０によって利用されるものとして説明されるが、システムアーキテクチャ４０は別のエンジンにも使用される。本明細書で示されるシステムアーキテクチャ４０は、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８の２つのスプールによって提供される機械動力を使用する。しかし、システムアーキテクチャ４０は、ＨＰスプールおよびＬＰスプールに加えて中間圧力（ＩＰ）スプールを有する３スプールエンジン（３−ｓｐｏｏｌ ｅｎｇｉｎｅ）などの、２つ以上のスプールを有するエンジンにも実装され得る。複数のエンジンを有する航空機の場合、図１に示されるシステムアーキテクチャ４０は各エンジンに適用され得る。

示される実施形態では、システムアーキテクチャ４０は、ＨＰスプール２６によって供給される機械動力から直流（ＤＣ）電力を生成するように構成される、本明細書ではスタータ−発電機４２として示される、ＤＣ発電機４２、ＬＰスプール２８によって供給される機械動力から交流（ＡＣ）電力を生成するように構成されるＡＣ発電機（または、交流発電機）４４を含む。

ＨＰスプール２６は、ＨＰスプール２６に機械的に結合される入力およびＤＣスタータ−発電機４２に機械的に結合される出力を有するＨＰ駆動アセンブリによりＤＣスタータ−発電機４２に動作可能に結合され得る。ＨＰ駆動アセンブリの一実施形態は補機歯車装置４６であり、この場合、ＤＣスタータ−発電機４２が補機歯車装置４６に装着および結合され得る。補機歯車装置４６内では、さらに、動力が別のエンジン補機に伝達され得る。ＤＣスタータ−発電機４２が、ＨＰスプール２６によって供給される機械動力を電力に変換してＤＣ電力出力４８を生成する。ＤＣスタータ−発電機４２はまた、航空機のエンジンに対して始動機能を提供する。別法として、システムアーキテクチャ４０のＨＰ側のＤＣ発電機４２は、航空機のエンジンに対して始動機能を提供しない発電機を有することもできる。この場合、航空機のための始動機能を実行するために、補機歯車装置４６に接続される別個のスタータモータが設けられてよい。さらに、システムアーキテクチャ４０は、適度の冗長性を与えることを目的としてＤＣ電力を生成するためにＨＰスプール２６から機械動力を引き出す複数の発電機を含むことができる。

ＬＰスプール２８は、ＬＰスプール２８に機械的に結合される入力およびＡＣ発電機４４に機械的に結合される出力を有するＬＰ駆動アセンブリによりＡＣ発電機４４に動作可能に結合され得る。ＬＰ駆動アセンブリの一実施形態は定速駆動装置（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ｄｒｉｖｅ（ＣＳＤ））５０であり、これは、ＬＰスプール２８からの可変速度入力を一定速度に変換する。ＣＳＤ５０はＡＣ発電機４４に機械的に結合され得、一定速度でＡＣ発電機４４を駆動させる。ＡＣ発電機４４は、ＬＰスプール２８によって供給される機械動力から交流（ＡＣ）電力を生成するように構成されてよく、ブラシレスＡＣ発電機であってよい。本明細書に示される実施形態はシステムアーキテクチャ４０のＬＰ側の１つのＡＣ発電機４４を使用するものとして説明されるが、本発明の別の実施形態は、適度の冗長性を与えることを目的としてＡＣ電力を生成するためにＬＰスプール２８から機械動力を引き出す複数のＡＣ発電機４４を使用することができる。さらに、分離したＡＣ発電機４４およびＣＳＤ５０が本明細書で考察されるが、ＣＳＤ５０と発電機４４とを共通のユニットとして組み合わせた一体型の駆動用発電機（ｄｒｉｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）が代わりに使用されてもよい。

ＡＣ発電機４４は、各巻線が異なる出力を形成するように構成されるデュアル巻線５２、５４を備えるメインスタータを有することができる。第１の巻線５２は、モータ制御装置を必要とすることなくモータ負荷を駆動させるための一定周波数ＡＣ電力出力５６を提供するように構成される。ＡＣ発電機４４は、一定周波数ＡＣ電力出力５６の電圧を調節するように構成される発電機制御ユニット５８を有する。例えば、一部の一般的な航空電子工学機器は２６Ｖ、２８Ｖまたは１１５ＶのＡＣを使用する。図３は、図２に示されるＡＣ発電機４４の第１の巻線５２の概略図である。

第２の巻線５４は、ＡＣ発電機４４によって生成されるＡＣ電力の一部をＤＣ電力出力６０に変換するように構成され得る。図４は、図２に示されるＡＣ発電機４４の第２の巻線５４の概略図である。第２の巻線５４は、所望の電圧でＤＣ電力出力６０を生成するために、位相角制御整流器ブリッジ（ｐｈａｓｅ ａｎｇｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｂｒｉｄｇｅ）６２に結合され得る。例えば、整流器ブリッジ６２は、可能な出力のなかでもとりわけ２７０ＶＤＣを生成するように構成され得る。システムアーキテクチャ４０内では種々の別のＡＣ−ｔｏ−ＤＣ電力変換スキームが採用され得る。

動作中、ガスタービンエンジン１０が始動された状態で、ＨＰＴ２２がＨＰスプール２６を回転させ、ＬＰＴ２４がＬＰスプールを回転させる。ＨＰスプール２６を回転させることにより補機歯車装置４６が駆動されてＨＰスプール２６からの機械動力をＤＣスタータ−発電機４２に伝送する。ＤＣスタータ−発電機４２が、ＨＰスプール２６によって供給される機械動力を電力に変換してＤＣ電力出力４８を生成する。ＬＰスプール２８を回転させることによりＣＳＤ５０が駆動されてＬＰスプール２８からの機械動力をＡＣ発電機４４に伝送する。ＡＣ発電機４４がＬＰスプール２８によって供給される機械動力を電力に変換するが、その電力の一部は、第１の巻線５２によりＡＣ電力出力５６として生成され得、一部は第２の巻線５４によりＤＣ電力出力６０として生成され得る。ＡＣ電力出力５６は、ＡＣ電力の供給を必要とする１つまたは複数の負荷６６にＡＣ電力を供給するように構成される電気バス６４に提供され得る。ＬＰスプール２８によって駆動されるＡＣ発電機４４のＤＣ電力出力６０は、組み合わされるＤＣ電力出力６８を形成するために、ＨＰスプール２６によって駆動されるＤＣスタータ−発電機４２のＤＣ出力４８と並列である。次いで、組み合わされたＤＣ電力出力６８は、ＤＣ電力の供給を必要とする１つまたは複数の負荷７２にＤＣ電力を供給するように構成される電気バス７０に提供され得る。動力を引き出す負荷のタイプによっては、システムアーキテクチャ４０によって抽出されるＤＣ電力および／またはＡＣ電力は、負荷６６、７２によって使用される前にさらなる処理を受けてもよい。

ＬＰスプール２８によって生成されるＤＣ電力出力６０を、ＨＰスプール２６よって生成されるＤＣ電力出力４８と並列することにより、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８が航空機のＤＣ負荷７２を共有することが可能となる。ＨＰスプール２６とＬＰスプール２８との間でＤＣ負荷を共有することは、ＤＣスタータ−発電機４２の励起を調節することによりシームレスに達成され得る。例えば、航空機降下モードでは、ＨＰスプール２６によって駆動されるＤＣスタータ−発電機４２上の負荷が、ＬＰスプール２８によって駆動されるＡＣ発電機４４からのＤＣ電力出力６０と引き換えに、最小化され得る。このような負荷共有スキームにより、図１のガスタービンエンジン１０内での潜在的なストールの問題を回避することができるという効果を得ることができる。さらに、この負荷共有スキームにより、ガスタービンエンジン１０の動作効率が向上する。ＨＰスプール２６とＬＰスプール２８との間での負荷供給の割合は、発電機４２、４４の励起を制御することによって決定され得る。

本明細書で開示されるシステムアーキテクチャは、航空機にハイブリッド電力システムを提供する。説明されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実施することにより得られる１つの利点は、ＡＣ電力およびＤＣ電力の両方がガスタービンエンジン１０から抽出され得ることである。また、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８から引き出される動力をシームレスに制御することにより、ガスタービンエンジン１０の動作効率が向上する。さらに、負荷に誘導モータが含まれるような事例では、第１の巻線５２により一定周波数ＡＣ電力出力５６が生成されることから、モータ制御装置またはモータ制御電子機器の必要性が排除され得る。

説明されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実施することにより得られる別の利点は、ガスタービンエンジン１０のＬＰスプール２８さらにはＨＰスプール２６からＤＣ電力を抽出することができることから、システムアーキテクチャ４０が、ＤＣ電力を発生させることに一定レベルの冗長性を与えることができることである。両方のスプール２６、２８から動力を引き出すことにより、ＤＣ電力の冗長度が向上し、その結果、スプール２６、２８のうちの一方または発電機４２、４４のうちの一方が故障した場合でも残りの動作可能なスプール２６、２８および発電機４２、４４から依然としてＤＣ電力を抽出することができる。

説明されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実施することにより得られる別の利点は、ＨＰスプール２６とＬＰスプール２８との間でＤＣ負荷を共有することにより、航空機の降下モード中に通常起こるようなエンジンストールの問題を回避することができることである。ＬＰスプールさらにはＨＰスプールから動力を抽出することが可能であることにより、降下中にストールのリスクなく航空機が低いｒｐｍで進行することが可能となり、それにより航空機の燃料効率が維持される。

ここに記載される説明は、最良の形態を含めた本発明を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用することならびに採用される任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施するのを可能にするために、複数の例を使用する。特許を受けることができる本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者には思い付く別の例を含むことができる。このような別の例は、特許請求の範囲の文字通りの意味と違わない構造的要素を有する場合には、または、特許請求の範囲の文字通りの意味とほぼ違わない等価の構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図される。

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン区間
１４ ファン
１６ ＬＰＣ
１８ ＨＰＣ
２０ 燃焼区間
２２ ＨＰＴ
２４ ＬＰＴ
２６ ＨＰスプール
２８ ＬＰスプール
３０ ＨＰＴロータ
３２ ブレード
３４ ブレードプラットフォーム
３６ ブレード先端部
４０ 電力システムアーキテクチャ
４２ ＤＣスタータ−発電機（または、ＤＣ発電機）
４４ ＡＣ発電機
４６ 補機歯車装置
４８ ＤＣ電力出力（ＨＰ）
５０ 定速駆動装置
５２ 第１の巻線（ＡＣ）
５４ 第２の巻線（ＤＣ）
５６ ＡＣ電力出力（ＬＰ）
５８ 発電機制御ユニット
６０ ＤＣ電力出力（ＬＰ）
６２ 整流器ブリッジ
６４ ＡＣバス
６６ ＡＣ負荷
７０ ＤＣバス
７２ ＤＣ負荷

Claims (7)

1. ガスタービンエンジン（１０）であって、
   高圧（ＨＰ）スプール（２６）と、
   低圧（ＬＰ）スプール（２８）と、
   ＡＣ発電機（４４）と、
   前記ＬＰスプール（２８）に機械的に結合される入力および前記ＡＣ発電機（４４）に機械的に結合される出力を有するＬＰ駆動アセンブリ（５０）と、
   ＤＣ発電機（４２）と、
   前記ＨＰスプール（２６）に機械的に結合される入力および前記ＤＣ発電機（４２）に機械的に結合される出力を有するＨＰ駆動アセンブリ（４６）と
   を有するガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記ＡＣ発電機（４４）がＡＣ出力（５６）のための第１の巻線（５２）およびＤＣ出力（６０）のための第２の巻線（５４）を含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
3. 前記ＡＣ発電機（４４）の前記ＤＣ出力（６０）が前記ＤＣ発電機（４２）の出力（４８）と並列である、請求項２記載のガスタービンエンジン（１０）。
4. 前記第２の巻線（５４）が位相制御整流器ブリッジ（６２）を有する、請求項２乃至３記載のガスタービンエンジン（１０）。
5. 前記ＬＰ駆動アセンブリが一定速度機械駆動装置（５０）を有する、請求項１乃至４記載のガスタービンエンジン（１０）。
6. 前記ＨＰ駆動アセンブリが補機歯車装置（４６）を有する、請求項１乃至５記載のガスタービンエンジン（１０）。
7. 前記ＤＣ発電機（４２）が、エンジン始動プロセス中に前記ＨＰスプール（２６）を回転させるように構成されるスタータ−発電機を有する、請求項１乃至６記載のガスタービンエンジン（１０）。

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