JP2013531579A - 航空機エンジンのロータによって支持される装置への電力供給 - Google Patents

Abstract

本発明は、ステータ（２）と、主軸（３）と、第１のロータ（４）と、第２のロータ（５）と、伝達機構（６）と、第１のロータによって支持される第１の電気装置と、第２のロータによって支持される第２の電気装置とを備える航空機エンジン（１）であって、ステータによって支持される少なくとも１つの第１の界磁巻線（８）と、直流電流を前記第１の界磁巻線に流すことができる制御ユニット（１２）と、第１のロータによって支持され前記第１の電気装置に接続される少なくとも１つの第１の電機子巻線（１０）および第２のロータによって支持され前記第２の電気装置に接続される少なくとも１つの第２の電機子巻線（１１）と、を含むことを特徴とする航空機エンジン（１）に関する。

Description

本発明は、航空機エンジンのロータによって担持される電気装置への電力供給に関する。

より詳細には、本発明の適用分野は、航空機エンジン、特に、ガスタービンエンジンの分野である。特に、本発明は、各々が調整可能なブレードを担持する２つの二重反転ロータを備えたアンダクテッドファンエンジンに関する。

ロータが調整可能なブレードを支承するエンジンがある。ブレードの向きは、飛行時に、エンジンの最適な動作を可能にするために変更可能である。これは、特に、各々が調整可能なブレードを担持する２つの二重反転ロータを備えるアンダクテッドファンエンジンタイプのエンジン（オープンロータ）の場合である。例えば、ブレードの向きは、ロータによって支持される電気機械アクチュエータによって変更可能である。

電力は、該アクチュエータに給電するためにロータに送電されなければならない。このためには、一般的には、ブラシ装置が使用される。しかし、ブラシ装置は、通常、信頼性が低く、急速に摩耗しやすい。したがって、ブラシ装置は定期的なメンテナンスが必要である。また、ブラシ装置は、一般に、重くてかさ張り、周囲油との適合性の問題を引き起こす可能性がある。

上述の問題を解決するために、仏国特許出願公開第２７１２２５０号明細書では、ステータが固定され、ロータがステータに電気結合されずに、配向されるブレードに機械的に接続された歯付きホイールに取り付けられた電気エンジンを使用することが提案されている。したがって、この解決策は、電気エンジンとブレードとを機械的連結するものである。したがって、電気エンジンの固定部は、自由に位置決めすることができない。このことにより、設計上の制約が生じる。また、電気装置に給電するのにロータのレベルで利用可能な電力はない。したがって、上記特許文献ではさらに、ロックするための回転変圧器を使用することが提案されている。

送られる電力が高い場合は、回転変圧器は、通常、重くてかさ張る装置である。また、ロータのレベルで必要な電力に相当する電力を有する電源から電力を供給する必要がある。高電力用の規模の電力変換装置および電源が必要である。

仏国特許出願公開第２７１２２５０号明細書

本発明の目的は、上述した先行技術の欠点の少なくともいくつかを解消する調整可能なブレードの航空機エンジンを提供することである。特に、本発明の目的は、確実に、また、重くてかさ張る装置を必要とせずに、二重反転ロータを有するエンジンのロータに電力を送ることである。

上述の目的を達成するために、本発明は、ステータと、主軸、第１のロータおよび第２のロータと、主軸の回転を第１の方向の第１のロータの回転および前記第１の方向と反対方向の第２の方向の第２のロータの回転に変換することができる伝達機構と、第１のロータによって担持される少なくとも１つの第１の電気装置および第２のロータによって担持される少なくとも１つの第２の電気装置とを備える航空機エンジンであって、ステータによって担持される少なくとも１つの第１の界磁巻線と、直流電流を前記第１の界磁巻線に流すことができる制御ユニットと、第１のロータによって担持され前記第１の電気装置に接続される少なくとも１つの第１の電機子巻線、および第２のロータによって担持され前記第２の電気装置に接続される少なくとも１つの第２の電機子巻線とを備えることを特徴とする、航空機エンジンを提案する。

これらの特徴を有するために、ロータに電力を送るのにブラシ装置を使用する必要がない。実際に、第１の界磁巻線は、第１の電機子巻線および／または第２の電機子巻線と一緒になって、ロータのレベルで利用可能な電力を発生させる同期発電機を形成する。

一実施形態によれば、主軸の１つの位置で、前記第１の界磁巻線は、第１の電機子巻線と第２の電機子巻線との間に配置される。

この場合、第１の界磁巻線は、電機子巻線と共通であり、容積が抑えられる。

第１の界磁巻線は、主軸の回転軸に対して平行に配向された軸を有することができる。

別の実施形態によれば、エンジンはステータによって担持される少なくとも１つの第２の界磁巻線を備え、このエンジンでは、主軸の１つの位置に対して、第１の界磁巻線は第１の電機子巻線に面しており、第２の界磁巻線は第２の電機子巻線に面している。

この場合、第１の界磁巻線と第１の電機子巻線とは、第１のロータのレベルで利用可能な電力を発生させる同期発電機を形成する。それに対して、第２の界磁巻線と第２の電機子巻線とは、第２のロータのレベルで利用可能な電力を発生させる同期発電機を形成する。制御ユニットは、それぞれのロータ用に発生される電力に応じて、それぞれの発電機の直流電流を別々に調整することができる。

第１の界磁巻線と第２の界磁巻線とは、軸方向に並んで配置可能である。また、第１の界磁巻線と第２の界磁巻線とは、主軸から半径方向に等間隔に配置可能である。

このことにより、半径方向の巻線が占めるスペースを抑えられる。

変形形態によれば、第１の界磁巻線と第２の界磁巻線とは、軸方向の同じ位置で、かつ主軸から半径方向に異なる間隔で配置される。

この配置により、軸方向に占めるスペースを抑えられる。

制御ユニットは、永久磁石発電機によって、および／または機内の回路網によって給電される。

永久磁石発電機は、確実に自律的に機能する。

一実施形態によれば、制御ユニットは、交流電流を前記第１の界磁巻線に流すことができる。

したがって、主軸がアイドリング状態または低速で回転している時でさえも、巻線が変圧器モードで駆動しているために電力がロータに送られることが可能である。

同期発電機の動作モードでは、一方または両方の界磁巻線のみが発電機の磁束を発生させる。したがって、電機子巻線のレベルで利用可能な電力は、主軸とロータとから機械的に取り出される。界磁巻線に供給するのに必要な電力は、ロータのレベルで利用可能な電力のほんのわずかに相当する。このことは、制御ユニットの規模を決めるのに有利である。

変圧器の動作モードでは、ロータの電機子巻線のレベルで利用可能な電力は、ほぼ例外なく一方または両方のステータの界磁巻線に注入された電力からのものである。低速での動作に必要な電力が、この変圧器動作モードと同じレベルで維持されなければならない場合、このことが、制御ユニットの電力の規模を決めることに関係する。しかし、大抵の場合、ロータ装置（除霜およびブレード調整アクチュエータ）に必要とされる電力は、低回転速度では、公称動作条件からかけ離れているので、かなり小さくなる。したがって、機械のこの変圧器動作モードにより、制御ユニットの規模が大きくなりすぎることにはならない。制御ユニットの給電が代替の回路網、例えば、電力網（３×１１５Ｖａｃ ４００Ｈｚ〜８００Ｈｚ）で行われることが可能である場合、電力網は直接ステータの界磁巻線に交流電流を供給することができるので、インバータ段を含まなくてもよい制御ユニットに簡素化することができる。

一実施形態によれば、前記少なくとも１つの第１の電気装置は、第１のロータによって担持されるブレードの向きを変更することができる第１の電気機械アクチュエータを備え、前記少なくとも１つの第２の電気装置は、第２のロータによって担持されるブレードの向きを変更することができる第２の電気機械アクチュエータを備える。

前記少なくとも１つの第１の電気装置は、第１の防氷装置を備えることができ、前記少なくとも１つの第２の電気装置は、第２の防氷装置を備えることができる。

一実施形態によれば、エンジンは、第１のロータによって担持され前記第１の電機子巻線に接続される少なくとも１つの第２の界磁巻線を備える。主軸の１つの位置に対して、第２の界磁巻線は第２の電機子巻線に面している。

この実施形態では、第２の界磁巻線と第２の電機子巻線とが、ステータに追加の界磁巻線を必要とせずに第２のロータのレベルの電力を発生させる電気機械を形成する。

本発明は、添付図面を参照して、非限定的ではあるが、例として示された以下の説明からより明確に理解されるであろう。

本発明の一実施形態の航空機エンジンの斜視図である。 図１のエンジンの部分断面図である。 他の実施形態を示した図２と同様の図である。 他の実施形態を示した図２と同様の図である。 他の実施形態を示した図２と同様の図である。 他の実施形態を示した図２と同様の図である。 他の実施形態を示した図２と同様の図である。

図１は、極めて概略的に示された航空機エンジン１の斜視図である。エンジン１は、２つの二重反転ロータを有するアンダクテッドファンエンジンタイプのエンジンである。それぞれのロータは、調整可能なブレードを担持している。図２は、主軸の回転を２つの反対方向のロータの回転に変換するための伝達機構（パワーギアボックス）のレベルのエンジン１の一部を概略的に示した図である。

エンジン１は、ステータが取り付けられるハウジング２と、例えば、ガスタービン（図示せず）によって回転駆動される主軸３とを備える。エンジン１はさらに、ロータ４とロータ５とを備える。軸受７により、ロータ４およびロータ５の主軸３がハウジング２に対して回転することができる。

伝達機構６は、主軸３をロータ４およびロータ５に接続する。より正確には、主軸３が第１の方向に回転すると、伝達機構６はロータ５を同じ第１の方向に駆動し、ロータ４を第２の反対方向に駆動する。伝達機構６はさらに、回転速度を減速させる。したがって、例えば、主軸３の典型的な回転速度＋６０００ｒｐｍでは、ロータ５は＋９００ｒｐｍの速度で回転し、ロータ４は−９００ｒｐｍの速度で回転する。

ロータ４は、調整可能なブレード（図示せず）を担持する。ロータ４によって担持された電気機械アクチュエータ（図示せず）は、これらのブレードの向きを変更することができる。ロータ４はさらに、ブレードと一体の電気抵抗器を備える防氷装置（図示せず）を担持する。それに対応して、ロータ５は、調整可能なブレード、電気機械アクチュエータ、および防氷装置を担持する。変形形態として、ロータ４およびロータ５は、調整不可能なブレードを担持する。

ロータ４およびロータ５によって担持される電気装置、特に、電気機械アクチュエータや上述の除氷装置に電力を供給することができる要素について、以下に説明する。

図２は、ハウジング２のステータによって担持される界磁巻線８とロータ５によって担持される電機子巻線１０とを示している。図示されている主軸３の位置では、界磁巻線８と電機子巻線１０とは、互いに面している。電機子巻線８は、ロータ５によって担持される電気装置に接続される。それに対応して、ハウジング２のステータは、ロータ４によって担持される電機子巻線１１に面する界磁巻線９を担持する。電機子巻線１１は、ロータ４によって支持される電気装置に接続される。

実際には、界磁巻線８、９および電機子巻線１０、１１の各々が周囲に配置される各巻線の組の一部を形成する。以下で巻線について言及する時、巻線が一部を成す巻線の組を指すことは理解されたい。

制御ユニット１２は、界磁巻線８、９に接続される。制御ユニット１２は、主軸３およびハウジング２に取り付けられた永久磁石発電機１３によって給電される。制御ユニット１２は、発電機１３による給電の他に、または発電機１３による給電の代わりに、航空機の機内電力網から給電されてもよい。

エンジン１の動作について説明する。

エンジン１の主軸３が回転すると、主軸３は、ロータ４、５を回転駆動する。したがって、電機子巻線１０、１１は回転し、界磁巻線８、９の前面を動く。制御ユニット１２は、発電機１３および／または機内回路網から給電されて、界磁巻線８、９に直流電流を供給する。

界磁巻線８、９により発生した磁場およびロータ４、５の回転により、電機子巻線１０、１１内に電圧が発生する。すなわち、界磁巻線８と電機子巻線１０とは、ロータ５のレベルで利用可能な交流電圧を発生させる同期発電機を形成する。それに対応して、界磁巻線９と電機子巻線１１とは、ロータ４のレベルで利用可能な交流電圧を発生させる同期発電機を形成する。制御ユニット１２は、ロータ４、５で利用可能な電力が必要な電力レベルに相当するように、界磁巻線８、９の電圧と直流電流の大きさを調整することができる。

得られた交流電圧により、ロータ４、５によって担持される電気装置へ給電される。より正確には、それぞれのロータに対して、防氷装置は、線、接続要素、および抵抗加熱要素を備えた単純な構造にすることができる。防氷装置は、ロータによって担持される電力電子機器を必要とせずに、電機子巻線から直接給電されることが可能である。電気機械ブレード調整アクチュエータは、ロータによって担持される電力変換装置を介して電機子巻線から給電されることが可能である。

したがって、ロータ４、５によって支持される電気装置に給電するのに、ブラシ装置を使用する必要はない。また、エンジン１の設計段階において、巻線は、給電される電気装置およびブレードとは別に位置決めされてもよい。それは、電力は巻線を介してロータ４、５に容易に送電できるためである。

また、エンジン１が作動していない時に、すなわち、主軸３およびロータ４、５がハウジング２に対して回転していない時に、ロータ４、５によって担持される電気装置に給電することも可能である。このためには、制御ユニット１２は、界磁巻線８、９に交流電圧を給電する。この時、界磁巻線８と電機子巻線１０とは、ロータ５のレベルで利用可能な交流電圧を送る変圧器を形成する。それに対応して、界磁巻線９と電機子巻線１１とは、ロータ４のレベルで利用可能な交流電圧を送る変圧器を形成する。また、この変圧器動作モードは、ロータ４、５の回転が同期発電機動作モードでの十分な電圧を発生しない場合に、低回転速度で使用されてもよい。

同期発電機動作モードの間に、ロータ４、５で必要とされる電力レベルは、基本的には、主軸３の回転時に取り出される。界磁巻線８、９に直流電圧を給電するために制御ユニット１２によって発生される電力は、あまり高くない。

また、変圧器動作モードは、基本的には、例えば、電気機械ブレード調整アクチュエータおよび関連電力電子装置の正確な動作を検査するのに飛行機が地上にある時のメンテナンス段階で使用されてもよい。この場合、ブレードに加わる空気力学的な力はそれほど高くはない。また、これらの状況では、除氷装置は使用されないか、または低電力で使用される。したがって、界磁巻線８、９に交流電圧を給電するのに制御ユニット１２によって発生される電力は、それほど高くはない。

両方の動作モードにおいて、制御ユニット１２は高い電気出力を供給する必要がないことがわかる。したがって、制御ユニット１２は低い電気出力の規模にすることができるので、質量および容積が低減される。したがって、制御ユニット１２は、発生する熱損失は高くなく、「制御ゾーン」として周知の航空機の良好な動作条件を設定するゾーンに配置されることが可能である。

図３〜図５は、他の実施形態を示した図２と同様の図である。これらの図では、図２と同じ要素または図２の要素と同様の要素は同じ参照番号で示されており、これ以上詳細に説明しない。

図３の実施形態は、図２の実施形態とほぼ同じである。図３では、界磁巻線８と界磁巻線９とは、軸方向、すなわち、主軸３およびロータ４、５の回転軸に対して平行な方向に並んで配置される。さらに、界磁巻線８と界磁巻線９とは、主軸３から半径方向に等間隔に配置される。同様にして、電機子巻線１０と電機子巻線１１とは、軸方向に並んで配置され、主軸３から半径方向に等間隔に配置される。比較すると、図２では、界磁巻線９および電機子巻線１１は、それぞれ界磁巻線８および電機子巻線１０よりも主軸３から若干離れている。図２および図３の配置により、巻線が占める半径方向のスペースを抑えられる。

図４の実施形態では、界磁巻線８、９および電機子巻線１０、１１が軸方向の同じ位置に配置される。半径方向では、界磁巻線９および電機子巻線１１は、界磁巻線８および電機子巻線１０よりも主軸から離れている。この配置により、巻線が占める軸方向のスペースを抑えられる。

図５の実施形態では、エンジン１は、図示されている主軸３の位置では、電機子巻線１０、１１に面している界磁巻線８を備える。すなわち、界磁巻線８は、電機子巻線１０と一緒になって第１の同期発電機を形成し、電機子巻線１１と一緒になって第２の同期発電機を形成する。界磁巻線８は、２つの発電機に共通である。使用される巻線の数を抑えることによって、図５の配置で巻線の重量および容積が低減される。

さらに、図５の巻線の向きは、図２〜図４の巻線の向きとは異なる。磁束は、軸方向および非半径方向に発生する。この異なる向きにより、占めるスペースが異なる。向きを選択することで、利用可能な場所をエンジン１の設計時に考慮することができる。

図５の実施形態の動作は、図２の実施形態の動作とほぼ同じである。
しかし、制御ユニット１２が異なる大きさの電流を界磁巻線８および界磁巻線９内に流すことができる上述の実施形態の場合のように、それぞれのロータに対して異なる電力を発生させることが可能ではない。

図６の実施形態では、巻線８〜巻線１１は、主軸３に対して半径方向にも軸方向にも配向されない。この配置により、容積を抑え、設計の制約を考慮に入れた特有の組み込みが可能になる。

図７の実施形態では、ロータ５は、接続部２１によって電機子巻線１０に接続された界磁巻線２０を支持する。図示されている位置では、界磁巻線２０は、ロータ４の電機子巻線１１に面している。

第１の変形形態によれば、接続部２１は、ダイオードで形成されたブリッジ整流器を備えることができる。この場合、界磁巻線２０には直流電流が給電される。ロータ４およびロータ５の相対的回転により、電機子巻線１１に電力を発生させることができる。

別の変形形態によれば、接続部２１は、電機子巻線１０を界磁巻線２０に直接接続することができる。この場合、界磁巻線２０は、交流電流が給電され、回転磁場を発生させる。回転磁場およびロータ４とロータ５との相対的回転により、上述した第１の変形形態に対して２倍のエアギャップ速度で電機子巻線１１に電力が発生することを可能にする。

Claims (13)

1. ステータと、
   主軸（３）、第１のロータ（５）および第２のロータ（４）と、
   主軸の回転を第１の方向の第１のロータの回転および前記第１の方向と反対方向の第２の方向の第２のロータの回転に変換することができる伝達機構（６）と、
   第１のロータによって担持される少なくとも１つの第１の電気装置および第２のロータによって担持される少なくとも１つの第２の電気装置と、
   を備える航空機エンジン（１）であって、
   ステータによって担持される少なくとも１つの第１の界磁巻線（８）と、
   直流電流を前記第１の界磁巻線に流すことができる制御ユニット（１２）と、
   第１のロータ（５）によって担持され前記第１の電気装置に接続される少なくとも１つの第１の電機子巻線（１０）および第２のロータ（４）によって担持され前記第２の電気装置に接続される少なくとも１つの第２の電機子巻線（１１）と、
   を備えることを特徴とする、航空機エンジン（１）。
2. 主軸の１つの位置では、前記第１の界磁巻線（８）が、第１の電機子巻線（１０）と第２の電機子巻線（１１）との間に配置される、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記第１の界磁巻線（８）が、主軸の回転軸に対して平行に配向された軸を有する、請求項２に記載のエンジン。
4. ステータによって担持される少なくとも１つの第２の界磁巻線（９）を備え、主軸（３）の１つの位置に対して、第１の界磁巻線（８）は第１の電機子巻線（１０）に面しており、第２の界磁巻線（９）は第２の電機子巻線（１１）に面している、請求項１に記載のエンジン。
5. 第１の界磁巻線（８）と第２の界磁巻線（９）とが、軸方向に並んで配置される、請求項４に記載のエンジン。
6. 第１の界磁巻線（８）と第２の界磁巻線（９）とが、主軸から半径方向に等間隔に配置される、請求項５に記載のエンジン。
7. 第１の界磁巻線（８）と第２の界磁巻線（９）とが、軸方向の同じ位置で、かつ主軸から半径方向に異なる間隔で配置される、請求項４に記載のエンジン。
8. 前記制御ユニットが、永久磁石発電機（１３）によって給電される、請求項１から７のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
9. 前記制御ユニットが、機内の回路網によって給電される、請求項１から８のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
10. 前記制御ユニットが、交流電流を前記第１の界磁巻線に流すことができる、請求項１から８のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
11. 前記少なくとも第１の電気装置が、第１のロータによって担持されるブレードの向きを変更することができる第１の電気機械アクチュエータを備え、前記少なくとも１つの第２の電気装置は、第２のロータによって担持されるブレードの向きを変更することができる第２の電気機械アクチュエータを備える、請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
12. 前記少なくとも１つの第１の電気装置が、第１の防氷装置を備え、前記少なくとも１つの第２の電気装置は、第２の防氷装置を備える、請求項１から１１のうちのいずれか１項に記載のエンジン。
13. 第１のロータ（５）によって担持され前記第１の電機子巻線に接続される少なくとも１つの第２の界磁巻線（２０）を備え、主軸（３）の１つの位置に対して、前記第２の界磁巻線（２０）は第２の電機子巻線（１１）に面している、請求項１に記載のエンジン。

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