JP2019023068A - 航空機用推進システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ハイブリッド電気航空機推進システム内でターボ機械を始動させる方法を提供する。【解決手段】航空機(10)用のハイブリッド電気推進システム(50)は、推進器およびターボ機械を含む。ターボ機械は、高圧スプールを介して高圧圧縮機に駆動連結された高圧タービンを含む。ハイブリッド電気推進システムは第1の電気機械と、第2の電気機械と、第1および第2の電気機械に電気的に接続可能な電気エネルギー蓄積ユニット(55)と、を含む電気システムをさらに含む。第1の電気機械は、ターボ機械の高圧スプールに連結され、第2の電気機械は、航空機に推進力の利益を提供するために推進器を駆動するために推進器に連結されている。ハイブリッド電気推進システムはまた、第1の電気機械を駆動してターボ機械を始動させる、または始動するのを補助するために、電源からの電力を第1の電気機械に供給するように構成されたコントローラを含む。【選択図】図1

Description

本主題は、一般的に、ハイブリッド電気航空機推進システム、およびハイブリッド電気航空機推進システム内でターボ機械を始動させるための方法に関する。
従来の商用航空機は、一般に、胴体と、一対の翼部と、推力を提供する推進システムと、を含む。推進システムは、通常、ターボファンジェットエンジンなどの少なくとも2つの航空機エンジンを含む。各ターボファンジェットエンジンは、通常、翼部と胴体から分離された、翼部の下の吊下位置などの、航空機の翼部のそれぞれ1つに取り付けられている。
最初に、ターボファンジェットエンジンを始動させなければならない。さらに、ターボファンジェットエンジンの予定外の停止の場合、飛行中にターボファンジェットエンジンの1つまたは複数を始動させること、または特に再始動することが必要な場合がある。例えば、ターボファンジェットエンジンは、氷の摂取、鳥の打撃、乗務員の命令による不注意のエンジン停止などにより停止することがある。
最初の始動の間に、空気式スタータなどのスタータシステムは、ターボファンジェットエンジンの燃焼部の点火を開始するのに十分な速度にエンジンを回転させる。飛行中の始動に関しては、現在少なくとも2つのタイプが存在する。第1のタイプの飛行中エンジン始動は、エンジンを通る空気流と始動システムによって加えられるトルクの両方によってエンジンが回転される「補助された」始動である。第2のタイプの飛行中エンジン始動は、通常のエンジンスタータはエンジンを加速するために利用されないので、通常、「補助されない」始動と呼ばれる。代わりに、エンジンを通る周囲空気流のみがトルクを発生させ、エンジンを点火する前に最小速度に回転させる。エンジンを通る空気流に関連するこのトルクは、通常、「風車」トルクと呼ばれる。補助されない場合のトルクおよびその結果として生じる最小点火前速度は、通常、補助された始動動作で得られるものに比べて低い。
付加的な始動トルクにより、エンジンは、高い排気ガス温度などのためにエンジンがより速く、より確実に、より全体的なストレスが少ない状態でアイドリングを達成することができるので、補助された始動は通常、補助されない始動より好ましい。それにもかかわらず、エンジンは、スタータシステムに動力が供給されないために、特定の条件の下では補助なしで始動する必要がある。ほとんどの場合、スタータシステムは、他の航空機エンジンまたは補助動力ユニット(APU)によって提供される空気エネルギーによって駆動される。いずれも稼動していないか、効率的に稼動していない場合は、空気圧力がスタータシステムで利用できない可能性があり、したがって、再始動は補助されないタイプでなければならない。
補助されない始動を行う場合、エンジンの点火は、風車トルクによって決まる最小速度で行わなければならない。この最小速度は、補助される場合に比べて低いので、(コアの回転によって駆動される)主燃料ポンプは、この最小速度でエンジンを始動させるのに十分な燃料を供給することができるように、通常大きめのサイズである。さらに、補助されない場合のスタータシステムトルクの欠如は、より高い内部温度、より遅い加速率、および補助された始動と比較したときの任意の所与の加速率における圧縮機ストールマージンの減少をもたらす。これらの要因は、始動が成功する可能性を低減し、再始動を実施するのに必要な時間を増加させ、内部温度の上昇によりエンジン内の特定の部品の寿命を潜在的に低下させる可能性がある。
同様に、補助された始動中には、スタータシステムの制限されたトルク/動力能力と、エンジンアイドリング速度に近づくまたはそれを上回る速度でスタータを動作させる能力の欠如と、により、従来のスタータシステムは、しばしば最適下限トルクの寄与を与える。この最適下限トルクの寄与は、周囲圧力が低下したとき(すなわち、より高い高度で動作しているとき)、通常、スタータシステムに空気圧を供給するシステムが能力の減少を経験するので、高高度および飛行開始時に悪化する。
したがって、ガスタービンエンジンのより高い確率の始動、より効率的なガスタービンエンジンの始動、および/またはガスタービンエンジンのより迅速な始動を提供する特徴を有する推進システムが有用であろう。
米国特許出願公開第2017/0057650号明細書
本発明の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施により学ぶことができる。
本開示の1つの例示的な実施形態では、航空機のためのハイブリッド電気推進システムが提供される。ハイブリッド電気推進システムは、推進器およびターボ機械を含む。ターボ機械は、高圧スプールを介して高圧圧縮機に駆動連結された高圧タービンを含む。ハイブリッド電気推進システムは第1の電気機械と、第2の電気機械と、第1および第2の電気機械に電気的に接続可能な電気エネルギー蓄積ユニットと、を含む電気システムをさらに含む。第1の電気機械は、ターボ機械の高圧スプールに連結され、第2の電気機械は、航空機に推進力の利益を提供するために推進器を駆動するために推進器に連結されている。ハイブリッド電気推進システムはまた、第1の電気機械を駆動してターボ機械を始動させる、または始動するのを補助するために、電源からの電力を第1の電気機械に供給するように構成されたコントローラを含む。
特定の例示的な実施形態では、ターボ機械は、第1のターボファンエンジンの一部として構成され、推進器は、第2のターボファンエンジンの一部として構成される。
特定の例示的な実施形態では、ターボ機械はターボファンエンジンの一部として構成され、推進器は電気推進器アセンブリの一部として構成される。
特定の例示的な実施形態では、高圧タービンおよび高圧圧縮機は、コア空気流路を少なくとも部分的に画定し、第1の電気機械は、コア空気流路の内側に配置される。
特定の例示的な実施形態では、電源は、電気エネルギー蓄積ユニットであり、電気エネルギー蓄積ユニットは、第1の電気機械と第2の電気機械の両方と選択的に電気的に連通する。
特定の例示的な実施形態では、コントローラは、ターボ機械の動作中に第1の電気機械から電力を抽出するようにさらに構成され、エネルギー蓄積ユニットは少なくとも約50キロワット時の電力を蓄積するように構成され、第1の電気機械は、ターボ機械の動作中に少なくとも約50キロワットを生成するように構成される。
特定の例示的な実施形態では、エネルギー蓄積ユニットは、少なくとも約65キロワット時の電力を蓄積するように構成される。
本開示の1つの例示的な態様では、航空機のハイブリッド電気推進システムのターボ機械を始動させるための方法が提供される。ハイブリッド電気推進システムは、推進器、ターボ機械、および電気システムを含み、電気システムは、ターボ機械の高圧システムに連結された第1の電気機械と、推進器に連結された第2の電気機械と、電気エネルギー蓄積ユニットと、を含む。本方法は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動コマンドを受信するステップと、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、第1の電気機械を駆動し、ターボ機械の高圧システムを少なくとも最小しきい値速度まで回転させるために、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップと、ターボ機械の高圧システムが少なくとも最小しきい値速度で回転すると、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップと、推進器を駆動して航空機に推進力の利益を提供するために、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第2の電気機械に電力を供給するステップと、を含む。
特定の例示的な態様では、最小しきい値速度は、ターボ機械のアイドル速度の約55%以内である。
特定の例示的な態様では、エンジン始動コマンドはエンジン再始動コマンドである。例えば、特定の例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップは、第1の電気機械が、ターボ機械を通る周囲空気流との組み合わせだけでターボ機械の高圧システムを回転させるように、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップを含む。
特定の例示的な態様では、エネルギー蓄積ユニットは、少なくとも約50キロワット時の電力を蓄積するように構成される。
本開示の別の例示的な態様では、航空機のハイブリッド電気推進システムのターボ機械を始動させるための方法が提供される。ハイブリッド電気推進システムは、推進器、ターボ機械、および電気システムを含み、電気システムは、ターボ機械の高圧システムに連結された第1の電気機械と、推進器に連結された第2の電気機械と、電気エネルギー蓄積ユニットと、を含む。本方法は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動コマンドを受信するステップと、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップと、エンジン始動パラメータ値を示す受信データに応答して、第1の電気機械を駆動してターボ機械の高圧システムを回転させるために、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップと、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップと、を含む。
特定の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値は、コア速度加速値、コア速度値、排気ガス温度値、またはストールマージン値のうちの少なくとも1つである。
特定の例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップは、エンジン始動パラメータ値を示す受信データに応答して、第1の電気機械を駆動してターボ機械の高圧システムを回転させるために、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に供給される電力量を変更するステップを含む。
特定の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値は、コア速度加速値であり、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップは、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、コア速度加速値が始動のための所望のコア速度加速しきい値よりも低いと判定するステップを含み、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップは、コア速度加速値が始動のための所望のコア速度加速しきい値よりも低いと判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップを含む。
特定の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値は、排気ガス温度値であり、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップは、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、排気ガス温度値が始動のための所望の排気ガス温度しきい値よりも高いと判定するステップを含み、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップは、排気ガス温度値が始動のための所望の排気ガス温度しきい値よりも高いと判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップを含む。
特定の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値は、ストールマージン値であり、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップは、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ストールマージン値が始動のための所望のストールマージン範囲外であると判定するステップを含み、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップは、ストールマージンが始動のための所望のストールマージン範囲外であると判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップを含む。
特定の例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップは、ターボ機械の高圧システムが第1の電気機械によって実質的に完全に回転されるように、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップを含む。
特定の例示的な態様では、本方法は、推進器を駆動して航空機に推進力の利益を提供するために、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第2の電気機械に電力を供給するステップをさらに含む。
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
本発明の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられて、本明細書に記載されており、それは以下の添付の図面を参照する。
本開示の様々な例示的な実施形態による航空機の上面図である。 図1の例示的な航空機に取り付けられたガスタービンエンジンの概略断面図である。 本開示の別の例示的な実施形態による電動ファンアセンブリの概略断面図である。 本開示の別の例示的な実施形態による推進システムを含む航空機の上面図である。 図4の例示的な航空機の左側面図である。 本開示の別の例示的な実施形態による推進システムの概略図である。 本開示の例示的な態様による、航空機のハイブリッド電気推進システムのガスタービンエンジンを始動させるための方法の流れ図である。 本開示の別の例示的な態様による、航空機のハイブリッド電気推進システムのガスタービンエンジンを始動させるための方法の流れ図である。 本開示の例示的な態様によるコンピューティングシステムを示す図である。
本発明の実施形態を示すために、ここで詳細に参照を行うが、それの1つまたは複数の実施例を添付の図面に示す。詳細な説明では、図面中の特徴を参照するために数字および文字による符号を用いる。図面および説明における類似または同様の符号は、本発明の類似または同様の部分を指して用いられている。
本明細書において、「第1の」、「第2の」、および「第3の」という用語は、1つの構成要素と別の構成要素とを区別するために交換可能に用いることができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図しない。
「前方」および「後方」という用語は、ガスタービンエンジンまたは車両内の相対位置を指し、ガスタービンエンジンまたは車両の通常の動作姿勢を指す。例えば、ガスタービンエンジンに関しては、前方はエンジン入口に近い位置を指し、後方はエンジンノズルまたは排気部に近い位置を指す。
「上流」および「下流」という用語は、経路における流れに対する相対的な方向を指す。例えば、流体の流れに対して、「上流」は流体が流れてくる方向を指し、「下流」は流体が流れていく方向を指す。しかしながら、本明細書で使用される「上流」および「下流」という用語はまた、電気の流れを指す場合もある。
単数形「1つの(a、an)」、および「この(the)」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。
近似を表す文言は、本明細書および特許請求の範囲の全体にわたってここで用いられるように、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく許容範囲で変化することができる定量的表現を修飾するために適用される。したがって、「およそ(about)」、「約(approximately)」、および「実質的に(substantially)」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの場合には、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度、あるいは、構成要素および/またはシステムを構築もしくは製造するための方法または機械の精度に対応することができる。例えば、近似を表す文言は、10%のマージン内にあることを指すことができる。
ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限定は組み合わせられ、および置き換えられ、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。例えば、本明細書に開示するすべての範囲は端点を含み、端点は互いに独立して組み合わせ可能である。
本開示は、一般的に、推進器、ターボ機械、および電気システムを有するハイブリッド電気推進システムに関する。電気システムは、第1の電気機械と、第2の電気機械と、第1および第2の電気機械に電気的に接続可能な電気エネルギー蓄積ユニットと、を含む。第1の電気機械は、ターボ機械の高圧システムに連結され、第2の電気機械は、航空機に推進力の利益を提供するために推進器を駆動するために推進器に連結されている。例えば、特定の例示的な実施形態では、ターボ機械はターボファンエンジンの一部として構成することができ、推進器は電気推進器アセンブリ(例えば、電動ファン)の一部として構成することができる。あるいは、他の例示的な実施形態では、ターボ機械は第1のターボファンエンジンの一部として構成されてもよく、推進器は第2のターボファンエンジンの一部として構成されてもよい。あるいは、他の例示的な実施形態では、ターボ機械および推進器は、ターボファンエンジンの一部として共に構成されてもよい。さらに、他の例示的な実施形態では、これらの構成要素は、例えば、ターボプロップエンジン、または任意の他の適切なガスタービンエンジンの一部として構成されてもよい。
ハイブリッド電気推進システムの特定の動作では、ターボ機械は第1の電気機械を駆動して電力を生成し、次に電力は電気エネルギー蓄積ユニットまたは第2の電気機械の一方または両方に供給される。第2の電気機械は、電力を受け取り、推進器の少なくとも一部を駆動する。例えば、第2の電気機械は、電気エネルギー蓄積ユニットまたは第1の電気機械の一方または両方から電力を受けて、ファンなどの専用の推進器を駆動し、推力などの航空機のための推進力の利益を生成するように構成することができる。ハイブリッド電気推進システムの他の動作では、電気エネルギー蓄積ユニット内に蓄積された電力は、ターボ機械の始動を開始または補助するために第1の電気機械に転送されてもよい。
例えば、特定の例示的な態様では、電気エネルギー蓄積ユニットからの電力は、第1の電気機械に転送されて、ターボ機械の予定外の停止に応答して空中/飛行中の再始動を補助する。このような例示的な態様では、本方法は、燃焼部の燃焼器の再点火を開始する前に、電気エネルギー蓄積ユニットからの電力を使用して第1の電気機械でターボ機械の高圧システムを回転させることができる。例えば、特定の例示的な態様では、本方法は、再始動が成功する可能性を高め、および/または例えばターボ機械がターボ機械の排気ガス温度限界内で動作するのを防止するために、このような方法で高圧システムを特定の最小しきい値速度まで回転させることができる。この最小しきい値速度は、第1の電気エネルギー蓄積ユニットと電気機械の能力を考慮すると、比較的高くてもよい。再始動を開始する前に高圧システムを最小しきい値速度まで回転させることにより、一旦再点火が開始されたときにターボ機械を冷却する、例えば、そのような再始動の間に排気ガス温度を低下させるのに十分な量の空気流が供給されることを確実にすることができる。また、燃料ポンプは高圧システムと共に回転可能であるか、または高圧システムによって回転可能であり得るので、燃料ポンプのサイズを低減させることができる。
特に、同様の方法で、電気エネルギー蓄積ユニットからの電力を、ターボ機械の初期始動を補助するために、第1の電気機械に導くことができる。これは、初期始動と同様に、ターボ機械の始動時間を短縮させ、ターボ機械の始動が成功する可能性を増加させることなどができる。さらに、上記の状況のうちの1つまたは複数において、第1の電気機械は、ターボ機械用の従来のスタータシステムに加えてトルクを提供してもよく、あるいはターボ機械用の従来のスタータシステムの補助を借りずにトルクを提供してもよい。
さらに、特定の例示的な態様では、ハイブリッド電気推進システムは、ターボ機械の1つまたは複数の動作パラメータに応答して、第1の電気機械を介してターボ機械の高圧システムに電力を加えることができる。例えば、この方法は、コア速度加速値、コア速度値、排気ガス温度値、または圧縮機ストールマージン値が所望の始動範囲外であることに応答して、ターボ機械の高圧システムに電力を加える(またはそれに供給される電力量を変調する)ことができる。
ここで図面を参照すると、図面全体を通して同一符号は同一要素を示しており、図1は、本開示の様々な実施形態を組み込むことができる例示的な航空機10の上面図である。図1に示すように、航空機10は、それを通って延在する長手方向中心線14、横方向L、前端部16、および後端部18を画定する。さらに、航空機10は、航空機10の前端部16から航空機10の後端部18まで長手方向に延在する胴体12と、航空機10の後端部にある尾翼19と、を含む。さらに、航空機10は、第1の、左側翼部20と第2の、右側翼部22とを含む翼部アセンブリを含む。第1の翼部20および第2の翼部22はそれぞれ、長手方向中心線14に対して横方向外向きに延在する。第1の翼部20および胴体12の一部は共に航空機10の第1の側24を画定し、第2の翼部22および胴体12の別の部分は共に航空機10の第2の側26を画定する。図示する実施形態では、航空機10の第1の側24は航空機10の左側として構成され、航空機10の第2の側26は航空機10の右側として構成される。
図示する例示的な実施形態の翼部20、22の各々は、1つもしくは複数の前縁フラップ28および1つもしくは複数の後縁フラップ30を含む。航空機10は、またはむしろ、航空機10の尾翼19は、ヨー制御用のラダーフラップ(図示せず)を有する垂直スタビライザ32と、ピッチ制御用のエレベータフラップ36をそれぞれ有する一対の水平スタビライザ34と、をさらに含む。胴体12は、外面または外板38をさらに含む。しかしながら、本開示の他の例示的な実施形態では、航空機10は、それに加えてまたはその代わりに、任意の他の適切な構成を含むことができることを理解されたい。例えば、他の実施形態では、航空機10は、任意の他の構成のスタビライザを含むことができる。
ここでまた図2および図3を参照すると、図1の例示的な航空機10は、第1の推進器アセンブリ52および第2の推進器アセンブリ54を有するハイブリッド電気推進システム50をさらに含む。図2は、第1の推進器アセンブリ52の概略断面図を示し、図3は、第2の推進器アセンブリ54の概略断面図を示す。図示した実施形態では、第1の推進器アセンブリ52および第2の推進器アセンブリ54は、それぞれアンダーウィング取り付け構成で構成される。しかし、以下に説明するように、第1および第2の推進器アセンブリ52、54の一方または両方は、他の例示的な実施形態では、任意の他の適切な位置に取り付けられてもよい。
図1〜図3を全体的に参照すると、例示的なハイブリッド電気推進システム50は、一般に、燃焼エンジンおよび主推進器(図2の実施形態では、ターボファンエンジン100として共に構成されている)を有する第1の推進器アセンブリ52と、燃焼エンジンに駆動連結された第1の電気機械(図2の実施例ではモータ/発電機56である)と、推進器と第2の電気機械(すなわち電気機械206、図3の実施形態では第2の推進器アセンブリ54は電気推進器アセンブリとして200として構成される)を有する第2の推進器アセンブリ54と、電気エネルギー蓄積ユニット55と、コントローラ72と、電力バス58と、を含む。第1の電気機械(すなわち、図示した実施形態ではモータ/発電機56)、第2の電気機械(すなわち、第2の推進器アセンブリ54に組み込まれた電気機械206)、および電気エネルギー蓄積ユニット55は、本明細書では、共にハイブリッド電気推進システム50の電気システムと呼ぶことができる。さらに、第1の電気機械、第2の電気機械、および電気エネルギー蓄積ユニット55はそれぞれ、電力バス58の1つまたは複数の電線60を介して互いに電気的に接続可能である。例えば、電力バス58は、ハイブリッド電気推進システム50の様々な構成要素を選択的に電気的に接続するように移動可能な様々なスイッチまたは他の電力エレクトロニクスを含むことができ、任意選択的に、それを介して伝達されるそのような電力を変換または調整することができる。
以下でより詳細に説明するように、コントローラ72は、一般に、ハイブリッド電気推進システム50の様々な構成要素間に電力を分配するように構成される。例えば、コントローラ72は、電力バス58(1つまたは複数のスイッチまたは他の電力エレクトロニクスを含む)により、ハイブリッド電気推進システム50を、例えば始動動作モードを含む様々な動作モードで動作させるために、様々な構成要素に電力を供給するか、または構成要素から電力を引き出すように動作可能であり得る。そのようなものは、コントローラ72を通って延在する電力バス58の電線60として概略的に示されている。したがって、電気機械56、電気エネルギー蓄積ユニット55、および電気推進器アセンブリ200の電動モータ206は、それぞれ互いに電気的に接続可能であり、より具体的には、コントローラ72の動作によって互いに選択的に電気的に連通することが理解されよう。
コントローラ72は、ハイブリッド電気推進システム50に専用のスタンドアローンコントローラであってもよく、あるいは、航空機10の1つまたは複数のメインシステムコントローラ、例示的なターボファンエンジン100のための別個のコントローラ(例えば、FADECとも呼ばれる、ターボファンエンジン100用の全機能デジタルエンジン制御システム)などに組み込まれてもよい。
さらに、電気エネルギー蓄積ユニット55は、1つまたは複数のリチウムイオン電池などの、1つまたは複数の電池として構成されてもよく、あるいは他の適切な電気エネルギー蓄積装置として構成されてもよい。本明細書に記載のハイブリッド電気推進システム50の場合、電気エネルギー蓄積ユニット55は、比較的大きな電力量を蓄積するように構成されていることが理解されよう。例えば、特定の例示的な実施形態では、電気エネルギー蓄積ユニットは、少なくとも約50キロワット時の電力、例えば、少なくとも約65キロワット時の電力、例えば、少なくとも約75キロワット時の電力、および最大約500キロワット時の電力を蓄積するように構成される。
ここで特に図1および図2を参照すると、第1の推進器アセンブリ52は、航空機10の第1の翼部20に搭載される、または搭載されるように構成された燃焼エンジンを含む。より具体的には、図2の実施形態では、燃焼エンジンはターボ機械102であり、第1の推進器アセンブリ52は、主推進器、またはむしろ一次ファン(図2を参照して、単に「ファン104」と呼ぶ)をさらに含む。したがって、図示した実施形態では、ターボ機械102およびファン104は、ターボファンエンジン100の一部として共に構成されている。
図2に示すように、ターボファン100は、軸方向A1(参照のために設けた長手方向中心線101に対して平行に延在する)および半径方向R1を規定する。上述したように、ターボファン100は、ファン104と、ファン104の下流に配置されたターボ機械102と、を含む。
図示する例示的なターボ機械102は、一般に、環状入口108を画定する実質的に管状の外側ケーシング106を含む。外側ケーシング106は、直列の流れの関係で、ブースタもしくは低圧(LP)圧縮機110および高圧(HP)圧縮機112を含む圧縮機部と、燃焼部114と、第1の高圧(HP)タービン116および第2の低圧(LP)タービン118、ならびにジェット排気ノズル部120を収容する。圧縮機部、燃焼部114、およびタービン部は、共にコア空気流路121を少なくとも部分的に画定する。
ターボファン100の例示的なターボ機械102は、タービン部の少なくとも一部、さらに図示する実施形態では、圧縮機部の少なくとも一部と共に回転可能な1つまたは複数のシャフトをさらに含む。より詳細には、図示する実施形態では、ターボファン100は、HPタービン116をHP圧縮機112に駆動的に接続する高圧(HP)シャフトまたはスプール122を含む。さらに、例示的なターボファン100は、LPタービン118をLP圧縮機110に駆動的に接続する低圧(LP)シャフトまたはスプール124を含む。
さらに、図示する例示的なファン104は、ディスク130に離間して連結された複数のファンブレード128を有する可変ピッチファンとして構成されている。図示するように、ファンブレード128は、ほぼ半径方向R1に沿ってディスク130から外向きに延在する。各ファンブレード128は、ファンブレード128のピッチを同時にまとめて変化させるように構成された適切な作動部材132に動作可能に連結されたファンブレード128により、それぞれのピッチ軸P1を中心としてディスク130に対して回転することができる。ファン104は、第2のLPタービン118によって機械的に駆動されるように、LPシャフト124に機械的に連結される。より詳細には、ファン104は、ファンブレード128、ディスク130、および作動部材132を含み、動力ギヤボックス134を介してLPシャフト124に機械的に連結され、動力ギヤボックス134を横切るLPシャフト124によって長手方向軸101を中心に回転することができる。動力ギヤボックス134は、LPシャフト124の回転速度をより効率的な回転ファン速度に低下させる複数のギヤを含む。したがって、ファン104は、ターボ機械102のLPシステム(LPタービン118を含む)によって駆動される。
さらに図2の例示的な実施形態を参照すると、ディスク130は、複数のファンブレード128を通る空気流を促進するために空気力学的に輪郭づけされた回転可能なフロントハブ136で覆われている。さらに、ターボファン100は、ファン104および/またはターボ機械102の少なくとも一部を円周方向に取り囲む環状のファンケーシングまたは外側ナセル138を含む。したがって、図示する例示的なターボファン100は、「ダクト付き」ターボファンエンジンと呼ばれることがある。さらに、ナセル138は、円周方向に離間した複数の出口ガイドベーン140によってターボ機械102に対して支持されている。ナセル138の下流側部分142は、ターボ機械102の外側部分の上に延在し、ターボ機械102の外側部分との間にバイパス空気流路144を画定する。
引き続き図2を参照すると、ハイブリッド電気推進システム50は、図示する実施形態では電動モータ/発電機56として構成される電気機械をさらに含む。電動モータ/発電機56は、図示する実施形態では、ターボファンエンジン100のターボ機械102内に配置され、ターボファンエンジン100のシャフトの1つと機械的に連通している。より具体的には、図示した実施形態では、電動モータ/発電機56は、コア空気流路121の内側に配置され、HPシャフト122を介して第1の、HPタービン116によって駆動される。電動モータ/発電機56は、特定の動作中にHPシャフト122の機械的動力を電力に変換するように構成され、さらに、他の動作では電力を機械的動力に変換するように構成される。したがって、電動モータ/発電機56は、特定の動作中にターボ機械102のHPシステム(HPタービン116を含む)によって動力供給されてもよく、他の動作中にHPシステムに電力を供給してもよい。
特に、電動モータ/発電機56は、比較的強力なモータ/発電機であってもよい。例えば、特定の動作中に、モータ/発電機56は、少なくとも約50キロワットの電力または少なくとも約65馬力の機械的動力を生成するように構成されてもよい。
しかし、他の例示的な実施形態では、電動モータ/発電機56は、代わりに、ターボ機械102または他の場所の他の任意の適切な位置に配置されてもよく、例えば、他の任意の適切な方法で動力供給されてもよい。例えば、電動モータ/発電機56は、他の実施形態では、タービン部内のHPシャフト122と同軸に取り付けられてもよく、あるいは、HPシャフト122からオフセットされ、適切な歯車列を介して駆動されてもよい。それに加えて、またはその代わりに、他の例示的な実施形態では、電動モータ/発電機56は、代わりに、デュアルドライブシステムを介してLPシステム(例えば、LPシャフト124)およびHPシステム(例えば、HPシャフト122)の両方によって駆動されてもよい。それに加えて、またはその代わりに、他の実施形態では、電動モータ/発電機56は、例えば、1つがLPシステム(例えば、LPシャフト124)に駆動接続され、1つがHPシステム(例えば、HPシャフト122)に駆動接続された、複数の電動モータ/発電機を含んでもよい。
図2に示す例示的なターボファンエンジン100は、他の例示的な実施形態では、他の適切な構成を有してもよいことをさらに理解されたい。例えば、他の例示的な実施形態では、ファン104は可変ピッチのファンでなくてもよく、さらに他の実施形態では、LPシャフト124はファン104に直接機械的に連結されてもよい(すなわち、ターボファンエンジン100は、ギヤボックス134を含まなくてもよい)。さらに、他の例示的な実施形態では、第1の推進器アセンブリ52は、他の任意の適切なタイプのエンジンを含むことができることを理解されたい。例えば、他の実施形態では、代わりに、ターボファンエンジン100を、ターボプロップエンジンまたはダクトのないターボファンエンジンとして構成することができる。さらに、他の実施形態では、代わりに、ターボファンエンジン100は、電動モータ/発電機56を駆動するための任意の他の適切な燃焼エンジンとして構成されてもよい。例えば、他の実施形態では、ターボファンエンジンは、ターボシャフトエンジンまたは任意の他の適切な燃焼エンジンとして構成することができる。
さらに図1および図2を参照すると、ターボファンエンジン100は、コントローラ150と、図示されていないが、1つまたは複数のセンサと、をさらに含む。コントローラ150は、FADECとも呼ばれる全機能デジタルエンジン制御システムであってもよい。ターボファンエンジン100のコントローラ150は、例えば、作動部材132、燃焼部114(図示せず)への燃料供給システムなどの動作を制御するように構成することができる。さらに、コントローラ150は、センサからデータを受信し、ターボファンエンジン100の様々な動作パラメータを決定するために、1つまたは複数のセンサに動作可能に接続されてもよい。例えば、コントローラ150は、排気ガス温度、コアの回転速度(すなわち、HPシステムの回転速度)、圧縮機吐出温度などのうちの1つまたは複数を決定することができる。さらに、戻って図1も参照すると、ターボファンエンジン100のコントローラ150は、ハイブリッド電気推進システム50のコントローラ72に動作可能に接続されている。さらに、コントローラ72は、第1の推進器アセンブリ52、電動モータ/発電機56、第2の推進器アセンブリ54、およびエネルギー蓄積ユニット55のうちの1つまたは複数に、適切な有線または無線通信システム(破線で描かれている)を介してさらに動作可能に接続されてもよい。
ここで特に図1および図3を参照すると、先に述べたように、例示的なハイブリッド電気推進システム50は、図示した実施形態では、航空機10の第2の翼部22に取り付けられた第2の推進器アセンブリ54をさらに含む。特に図3を参照すると、第2の推進器アセンブリ54は、一般に、電動モータ206および推進器/ファン204を含む電気推進器アセンブリ200として構成される。電気推進器アセンブリ200は、半径方向R2と同様に、参照のために電気推進器アセンブリ200を通って延在する長手方向中心線軸202に沿って延在する軸方向A2を画定する。図示する実施形態では、ファン204は、電動モータ206によって中心線軸202を中心に回転可能である。
ファン204は、複数のファンブレード208およびファンシャフト210を含む。複数のファンブレード208は、ファンシャフト210に取り付けられ、それと共に回転可能であり、電気推進器アセンブリ200(図示せず)のほぼ円周方向に沿って離間している。特定の例示的な実施形態では、複数のファンブレード208は、固定された態様でファンシャフト210に取り付けられてもよく、あるいは、複数のファンブレード208は、図示する実施形態のように、ファンシャフト210に対して回転可能であってもよい。例えば、複数のファンブレード208はそれぞれのピッチ軸P2を各々画定し、図示する実施形態では、複数のファンブレード208の各々のピッチが例えばピッチ変更機構211によって一斉に変更されるようにファンシャフト210に取り付けられている。複数のファンブレード208のピッチを変更することにより、第2の推進器アセンブリ54の効率を向上させることができ、および/または第2の推進器アセンブリ54が所望の推力プロファイルを達成することを可能にすることができる。そのような例示的な実施形態では、ファン204を可変ピッチファンと呼ぶことができる。
さらに、図示する実施形態では、図示する電気推進器アセンブリ200は、1つまたは複数のストラットまたは出口ガイドベーン216を介して電気推進器アセンブリ200のコア214に取り付けられたファンケーシングまたは外側ナセル212をさらに含む。図示する実施形態では、外側ナセル212は、ファン204、特に複数のファンブレード208を実質的に完全に取り囲んでいる。したがって、図示する実施形態では、電気推進器アセンブリ200をダクト付き電動ファンと呼ぶことができる。
さらに特に図3を参照すると、ファンシャフト210は、コア214内の電動モータ206に機械的に連結され、電動モータ206がファンシャフト210を介してファン204を駆動する。ファンシャフト210は、1つまたは複数のローラベアリング、ボールベアリング、または任意の他の適切なベアリングなどの1つまたは複数のベアリング218によって支持される。さらに、電動モータ206は、インランナー電動モータ(すなわち、ステータの半径方向内側に配置されたロータを含む)であってもよく、あるいは、アウトランナー電動モータ(すなわち、ロータの半径方向内側に配置されたステータを含む)であってもよいし、あるいは、軸方向磁束電動モータ(すなわち、ロータがステータの外側でもなくステータの内側でもなく、むしろ電動モータの軸に沿ってステータからオフセットされている)であってもよい。
上記で簡単に述べたように、電源(例えば、電動モータ/発電機56または電気エネルギー蓄積ユニット55)は、電気推進器アセンブリ200に電力を供給するために電気推進器アセンブリ200(すなわち、電動モータ206)に電気的に接続される。より詳細には、電動モータ206は、電力バス58を介して、より具体的には、それらの間に延在する1つまたは複数の電気ケーブルまたは電線60を介して電動モータ/発電機56と電気的に連通している。
しかし、他の例示的な実施形態では、例示的なハイブリッド電気推進システム50は、他の任意の適切な構成を有してもよく、さらに、他の任意の適切な方法で航空機10に組み込まれてもよいことを理解されたい。例えば、他の例示的な実施形態では、ハイブリッド電気推進システム50の電気推進器アセンブリ200を、代わりに複数の電気推進器アセンブリ200として構成することができ、および/またはハイブリッド電気推進システム50は、複数の燃焼エンジン(ターボ機械102など)および電動モータ/発電機56をさらに含んでもよい。さらに、他の例示的な実施形態では、電気推進器アセンブリ200および/または燃焼エンジンおよび電動モータ/発電機56は、任意の他の適切な方法(例えば、テールマウント構成を含む)で他の任意の適切な位置で航空機10に取り付けられてもよい。
例えば、ここで図4および図5を参照すると、本開示のさらに別の例示的な実施形態による航空機10およびハイブリッド電気推進システム50が示されている。図4および図5の例示的な航空機10およびハイブリッド電気推進システム50は、図1から図3の例示的な航空機10およびハイブリッド電気推進システム50と実質的に同じに構成されてもよく、したがって、同じまたは類似の符号は同じまたは類似の部分を指すことができる。
例えば、図4および図5の例示的な航空機10は、一般的に、胴体12、尾翼19、電気エネルギー蓄積ユニット55、第1の翼部20、および第2の翼部22を含む。さらに、ハイブリッド電気推進システム50は、第1の推進器アセンブリ52および第2の推進器アセンブリ54を含む。ハイブリッド電気推進システム50の電気システムは、第1の推進器アセンブリ52に機械的に連結された1つまたは複数の電気機械(例えば、後述する電気機械56A、56B)と、第2の推進器アセンブリ54に一体化された推進器(図示せず)に連結された1つまたは複数の電気機械(図示せず)と、を含む。図示した実施形態では、第2の推進器アセンブリ54は、電気推進器アセンブリ200として構成されていることが理解されよう。電気機械56A、56Bは、電力バス58を介して第2の推進器アセンブリ54および/または電気エネルギー蓄積ユニット55に電気的に接続され、それらに電力を供給するように構成されている。
しかし、図4および図5の実施形態では、第1の推進器アセンブリ52は、第1のターボファンエンジン100Aおよび第2のターボファンエンジン100Bとしてそれぞれ構成された複数の航空機エンジンをさらに含む。例えば、ターボファンエンジン100A、100Bは、図2の例示的なターボファンエンジン100と実質的に同様に構成されてもよく、あるいは、アンダーウィング構成で翼部20、22の下に取り付けられて翼部20、22の下に懸架された任意の他の適切なタイプのタービンエンジンとして構成されてもよい。さらに、図4および図5の実施形態では、ハイブリッド電気推進システム50は、ターボファンエンジン100A、100Bのそれぞれで動作可能な1つまたは複数の電気機械をさらに含む。より具体的には、図示した実施形態では、ハイブリッド電気推進システム50は、ターボファンエンジン100Aで動作可能な第1の電動モータ/発電機56Aと、第2のターボファンエンジン100Bで動作可能な第2の電動モータ/発電機56Bと、をさらに含む。特定の実施形態では、各ターボファンエンジン100A、100Bの外側に概略的に描かれているが、電動モータ/発電機56A、56Bは、ターボファンエンジン100A、100B(例えば、図2を参照)のそれぞれの1つの中に配置されてもよい。
さらに、図4および図5の実施形態では、ハイブリッド電気推進アセンブリ50は、航空機10の後端部18において、航空機10の尾翼19または航空機の胴体12の少なくとも一方に取り付けられた(または取り付けられるように構成された)電気推進器アセンブリ200として構成された第2の推進器アセンブリ54を含む。したがって、図示した電気推進器アセンブリ200は、「船尾エンジン」と呼ばれることがある。より具体的には、図示した例示的な電気推進器アセンブリ200は、航空機10の後端部18で航空機10の胴体12に取り付けられ、航空機10の胴体12上の境界層を形成する空気を取り込み消費するように構成される。したがって、図4および図5に示す例示的な電気推進器アセンブリ200は、境界層取り込み(BLI)ファンとも呼ばれ得る。電気推進器アセンブリ200は、翼部20、22および/またはターボファンエンジン100A、100Bの後方の位置で航空機10に取り付けられる。具体的には、図示した実施形態では、電気推進器アセンブリ200は、後端部18で胴体12に固定して接続されて、電気推進器アセンブリ200は、後端部18の尾部に組み込まれるか、または後端部と混合される。
さらに、図4および図5の実施形態では、ハイブリッド電気推進アセンブリ50は、コントローラ72をさらに含む。加えて、簡単に上述したように、電気推進器アセンブリ200は、内部に一体化された推進器および電気機械(すなわち、ハイブリッド電気推進システム50の電気システムの)を含む。電気機械は、第1および第2の電動モータ/発電機56A、56Bのうちの1つもしくは複数、および電気エネルギー蓄積装置55に電気的に接続可能である。理解されるように、エネルギー蓄積ユニット55は、特定の動作条件において、第1の電動モータ/発電機56Aおよび第2の電動モータ/発電機56Bの一方または両方から電力を受け取るように構成されてもよく、特定の動作条件において蓄積された電力を電気推進器アセンブリ200に供給するようにさらに構成されてもよい。それに加えて、またはその代わりに、エネルギー蓄積ユニット55は、特定の動作において、蓄積された電力をモータ/発電機56A、56Bの一方または両方に供給するように構成されてもよい。さらに、コントローラ72は、ターボファンエンジン100A、100B、電動モータ/発電機56A、56B、電気推進器アセンブリ200、およびエネルギー蓄積ユニット55に動作可能に接続され、例えば、種々の動作条件の間にハイブリッド電気推進システム50の動作を制御し、ハイブリッド電気推進システム50の構成要素を選択的に電気的に接続する。
例えば、図4および図5の実施形態の飛行動作中に、電気推進器アセンブリ200に一体化された電気機械は、電動モータ/発電機56A、56Bおよび電気エネルギー蓄積装置55のうちの1つまたは複数から電力を受け取り、電気推進器アセンブリ200に組み込まれた推進器を駆動して、航空機10のための推進力の利益を提供することができる。例えば、このようにして、電気推進器アセンブリ200は、境界層空気流にエネルギーを与え、航空機10の抗力を低減し、潜在的に航空機10に追加の推力を提供することができる。
しかし、本開示のさらに他の例示的な実施形態では、任意の他の適切な方法で構成されたハイブリッド電気推進システム50を有する任意の他の適切な航空機10を提供することができることを理解されたい。例えば、他の実施形態では、ターボファンエンジン100A、100Bは、他の適切な燃焼エンジン(例えば、ターボプロップエンジン、非ターボファンエンジン、ターボシャフトエンジン、ターボジェットエンジンなど)としてそれぞれ構成することができる。さらに、他の実施形態では電気推進器アセンブリ200を航空機10の胴体に組み込み、したがって「ポッド付きエンジン」またはポッド設置エンジンとして構成することができる。さらに、さらに他の実施形態では、電気推進器アセンブリ200を航空機10の翼部に組み込むことができ、したがって、「混合翼エンジン」として構成することができる。
さらに、他の例示的な実施形態では、例示的なハイブリッド電気推進システム50は、さらに他の構成を有してもよい。例えば、ここで図6を簡単に参照すると、本開示のさらに別の例示的な実施形態によるハイブリッド電気推進システム50の概略図が示されている。図6に示す例示的なハイブリッド電気推進システム50は、図1〜図5を参照して上述した例示的なハイブリッド電気推進システム50の1つまたは複数と同様であってもよい。
例えば、図6の例示的なハイブリッド電気推進システム50は、一般に、第1の推進器アセンブリ52および第2の推進器アセンブリ54を含む。第1の推進器アセンブリは、一般に、第1のターボ機械102Aおよび第1の推進器104Aを含み、同様に、第2の推進器アセンブリ54は、一般に、第2のターボ機械102Bおよび第2の推進器104Bを含む。第1および第2のターボ機械102A、102Bの各々は、一般に、低圧シャフト124を介して低圧タービン118に駆動連結された低圧圧縮機110を有する低圧システム、ならびに高圧シャフト122を介して高圧タービン116に駆動連結された高圧圧縮機112を有する高圧システムを含む。さらに、第1の推進器104Aは、第1のターボ機械102Aの低圧システムに駆動可能に連結され、第2の推進器104Bは、第2のターボ機械102Bの低圧システムに駆動連結される。特定の例示的な実施形態では、第1の推進器104Aおよび第1のターボ機械102Aは第1のターボファンエンジンとして構成されてもよく、同様に、第2の推進器104Bおよび第2のターボ機械102Bは第2のターボファンエンジンとして構成されてもよい。しかし、あるいは、これらの構成要素は、代わりに、ターボプロップエンジンまたは任意の他の適切なターボ機械駆動の推進装置の一部として構成されてもよい。さらに、特定の例示的な実施形態では、第1の推進器アセンブリ52は航空機の第1の翼部に取り付けられてもよく、第2の推進器アセンブリ54は航空機の第2の翼部に取り付けられてもよい(例えば、図1の例示的な実施形態と同様)。もちろん、他の例示的な実施形態では、任意の他の適切な構成が提供されてもよい(例えば、両方が同じ翼部に取り付けられてもよく、一方または両方が航空機の尾部に取り付けられてもよい、など)。
さらに、図6のハイブリッド電気推進システム50は、電気システムをさらに含む。電気システムは、第1の電気機械56Aと、第2の電気機械56Bと、第1の電気機械56Aおよび第2の電気機械56Bに電気的に接続可能な電気エネルギー蓄積ユニット55と、を含む。第1の電気機械56Aは、第1のターボ機械102Aにさらに連結される。より具体的には、図示した実施形態では、第1の電気機械56Aは、第1のターボ機械102Aの高圧システムに連結され、より具体的には、第1のターボ機械102Aの高圧スプール122に連結される。このようにして、第1の電気機械56Aは、第1のターボ機械102Aの高圧システムから動力を取り出し、および/または第1のターボ機械102Aの高圧システムに動力を供給することができる。
しかしながら、上述の例示的な実施形態とは対照的に、第2の推進器アセンブリ54は、純粋な電気推進器アセンブリとして構成されていない。代わりに、第2の推進器アセンブリ54は、ハイブリッド電気推進器の一部として構成されている。より詳細には、第2の電気機械56Bは、第2の推進器104Bに連結され、さらに、第2のターボ機械102Bの低圧システムに連結される。このようにして、第2の電気機械56Bは、第2のターボ機械102Bの低圧システムから動力を取り出し、および/または第1のターボ機械102Aの低圧システムに動力を供給することができる。より詳細には、特定の例示的な態様では、第2の電気機械56は、第2の推進器104Bを駆動するか、またはそれの駆動を補助する。
図6にも示しているように、例示的なハイブリッド電気推進システム50は、コントローラ72および電力バス58をさらに含む。第1の電気機械56A、第2の電気機械56B、および電気エネルギー蓄積ユニット55は、それぞれ、電力バス58の1つまたは複数の電線60を介して互いに電気的に接続可能である。例えば、電力バス58は、ハイブリッド電気推進システム50の様々な構成要素を選択的に電気的に接続するように移動可能な様々なスイッチまたは他の電力エレクトロニクスを含むことができ、任意選択的に、それを介して伝達されるそのような電力を変換または調整することができる。
さらに、他の例示的な実施形態では、例示的なハイブリッド電気推進システム50が他の適切な構成を有してもよいことを理解されたい。例えば、図6の例示的な実施形態は、第1のターボ機械102Aの高圧システムに連結された第1の電気機械56Aと、第2のターボ機械102Bの低圧システムに連結された第2の電気機械56Bと、を含むが、他の例示的な実施形態では、電気機械56A、56Bの各々は、低圧システムに連結されてもよく、あるいは、高圧システムに連結されてもよい。あるいは、他の例示的な実施形態では、電気システムは、第1のターボ機械102Aの低圧システムに連結された追加の電気機械と、第2のターボ機械102Bの高圧システムに連結された追加の電気機械をさらに含むことができる。
ここで図7を参照すると、本開示の例示的な態様による航空機のハイブリッド電気推進システムのガスタービンエンジンを始動させるための方法300が示されている。図7の例示的な方法300は、図1から図6を参照して上述した1つまたは複数の例示的なハイブリッド電気推進システムで利用することができる。例えば、ハイブリッド電気推進システムは、推進器、ターボ機械、および電気システムを含み、電気システムは、ターボ機械の高圧システムに連結された第1の電気機械と、推進器に連結された第2の電気機械と、電気エネルギー蓄積ユニットと、を含むことができる。例えば、ターボ機械は、第1のターボファンエンジンの一部として構成されてもよく、推進器は、第2のターボファンエンジンの一部として構成されてもよい(例えば、図6を参照)。それに加えてまたはその代わりに、ターボ機械は、ターボファンエンジンの一部として構成されてもよく、推進器は、電気推進器アセンブリの一部として構成されてもよい(例えば、図1〜図5を参照)。
方法300は、一般に、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動コマンドを受信するステップ(302)を含む。ステップ(302)で受信されたエンジン始動コマンドは、初期エンジン始動コマンドであってもよいし、あるいは航空機の飛行中に受信されたエンジン再始動コマンドであってもよい。例えば、コマンドは、例えば、(鳥の打撃や氷結などの)取り込み、乗務員による不注意の停止などによる、コマンドによらないエンジン停止の後であってもよい。特定の実施形態では、ステップ(302)で航空機の飛行中に1つまたは複数のコンピューティングデバイスによってエンジン始動コマンドを受信するステップは、パイロットによって作動されるスイッチなどのユーザ入力デバイスからエンジン始動コマンドを受信するステップを含むことができ、あるいは、飛行中のターボ機械の停止条件を判定することに応答して、または始動シーケンスの一部として、自動的にエンジン始動を受信するステップを含むことができる。
方法300は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、第1の電気機械を駆動し、ターボ機械の高圧システムを回転させるために、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(304)をさらに含む。より具体的には、図示した例示的な態様では、ステップ(304)において、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップは、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、第1の電気機械を駆動し、ターボ機械の高圧システムを少なくとも最小しきい値速度まで回転させるために、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(306)を含む。特定の例示的な態様では、最小しきい値速度は、ターボ機械のアイドル速度の約55%以内であってもよい。例えば、特定の例示的な態様では、最小しきい値速度は、ターボ機械のアイドル速度の約50パーセント以内、例えばターボ機械のアイドル速度の約40パーセント以内、例えばターボ機械のアイドル速度の約30パーセント以内、例えばターボ機械のアイドル速度の約25%以内であってもよい。特に、本明細書で使用されるように、「XはZの約Y%以内にある」という語句は、「Z」値に等しい「X」値または「Z」値の「Y/100 x Z」以内を指す。
特に、特定の例示的な態様では、ステップ(304)において、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから電気機械に電力を供給するステップは、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ステップ(302)でエンジン始動コマンドを受信したことに応答して、電気エネルギー蓄積ユニットから電気機械に電力を供給するステップを含むことができる。
さらに、方法300は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップ(308)を含む。より具体的には、図示した例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップ(308)は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の高圧システムが少なくとも最小しきい値速度で回転すると、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップ(310)を含む。例えば、図示していないが、特定の例示的な態様では、方法300は、ターボ機械の高圧システムの回転速度を検出して、ターボ機械の高圧システムが少なくとも最小しきい値速度に達したときを決定するステップをさらに含むことができる。
上述したように、図7に示す方法300の特定の例示的な態様では、ステップ(302)で受信したエンジン始動コマンドは、航空機の飛行中に受信したエンジン再始動コマンドであってもよい。このような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップ(308)は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の再点火を開始するステップ(312)を含む。また、そのような例示的な態様では、例示的な方法300は、ガスタービンエンジンのスタータシステムの補助なしに、ターボ機械および第1の電気機械を通る周囲空気流を使用してターボ機械の高圧システムを回転させることができる。より具体的には、そのような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(304)は、第1の電気機械が、ターボ機械を通る周囲空気流との組み合わせだけでターボ機械の高圧システムを回転させるように、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(314)をさらに含む。したがって、そのような例示的な態様では、ターボ機械の高圧システムは、補助動力ユニットまたは他のターボ機械によって動力を供給される空気圧スタータなどの他の任意のスタータシステムによって回転されず、代わりに、ターボ機械(「風車」とも呼ばれる)および第1の電気機械を通る周囲空気流によって完全に動力が供給される。
さらに、ターボ機械の燃焼器が点火され、ターボ機械が動作していると、方法300は、推進器を駆動して航空機に推進力の利益を提供するために、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、第1の電気機械または電気エネルギー蓄積ユニットまたは両方から第2の電気機械に電力を供給するステップ(316)をさらに含む。例えば、特定の例示的な態様では、第2の電気機械は、推進器を駆動して航空機に推力を提供することができる。
燃焼器の始動/点火(または再始動/再点火)を開始する前に、第1の電気機械でターボ機械の高圧システムを少なくとも最小しきい値速度まで駆動することによって、ターボ機械内の特定の望ましくない状態を回避することができる。例えば、始動を開始する前にターボ機械の高圧システムを少なくとも最小しきい値速度まで駆動することによって、方法300は、比較的低速で回転している(例えば、ターボ機械の様々な構成要素を冷却するのには空気流が不十分である)間に、ガスタービンエンジンを始動することまたは始動を試みることによって生じるターボ機械内の比較的高い排気ガス温度を回避することができる。さらに、エンジンを始動/再始動する前に高圧システムを少なくとも最小しきい値速度に駆動するために比較的高出力の電気エネルギー蓄積ユニットおよび第1の電気機械を使用することは、始動/再始動が成功する可能性を増加させ、さらに、(高圧システムで回転可能であり得る)燃料ポンプのサイズを縮小させることを可能にすることができる。
さらに、このような構成は、電気エネルギー蓄積ユニットが、エンジンを全部またはほとんどの動作時間で始動させるのに十分な充電量を維持するように構成することができるので、ターボ機械のための補助のない始動を行わなくてもよいことが理解されよう。これにより、より効率的に設計されたターボ機械が可能になる。
ここで図8を参照すると、本開示の別の例示的な態様による、航空機のハイブリッド電気推進システムのガスタービンエンジンを始動させるための方法300が示されている。図8の例示的な方法300は、図7の例示的な方法300に類似していてもよく、さらに、図1から図6を参照して上述した1つまたは複数の例示的なハイブリッド電気推進システムで利用することができる。
例えば、例示的な方法300は、一般に、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動コマンドを受信するステップ(302)と、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給して第1の電気機械を駆動し、ターボ機械の高圧システムを回転させるステップ(304)と、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップ(308)と、を含む。
しかしながら、特に、図8に示す方法300の例示的な態様では、方法300は一般に、ターボ機械のリアルタイム動作状態に基づいて電力量を提供するように構成されていることが理解されよう。例えば、図8の例示的な方法300は、エンジン始動パラメータ値を示すデータを、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって受信するステップ(318)をさらに含む。特定の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値を示すデータを1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって受信するステップ(318)は、ターボ機械内の、またはターボ機械と共に動作可能な1つまたは複数のセンサからデータを受信するステップを含むことができる。特定の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値は、コア速度加速値、コア速度値、排気ガス温度値、またはストールマージン値のうちの少なくとも1つであってもよい。コア速度加速値は、ターボ機械の高圧システムの速度加速値を指してもよく、同様に、コア速度値は、ターボ機械の高圧システムの速度値を指してもよい。
さらに、図8に示す方法300の例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(304)は、エンジン始動パラメータ値を示す受信データに応答して、第1の電気機械を駆動してターボ機械の高圧システムを回転させるために、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(320)を含む。より具体的には、図示した例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値を示す受信データに応答して、第1の電気機械を駆動してターボ機械の高圧システムを回転させるために、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(320)は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示す受信データに応答して電気エネルギー蓄積ユニットから供給される電力量を変更するステップ(322)を含む。例えば、方法300は、ステップ(322)で第1の電気機械に供給される電力量を増減することができる。
一例として(点線で示すように)、特定の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値はコア速度加速値であってもよい。このような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップ(318)は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、コア速度加速値が始動のための所望のコア速度の加速しきい値よりも低い(例えば、エンジンが低速で始動しているか、思わぬ障害にあっているか)と判定するステップ(324)を含むことができる。このような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(320)は、コア速度加速値が始動のための所望のコア速度加速しきい値よりも低いと判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(326)を含む。
例えば、図示していないが、特定の例示的な態様では、エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(326)は、コア速度加速値が始動のための所望のコア速度加速しきい値よりも低いと判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、第1の電気機械に供給される電力量を増加させるステップを含むことができる。より具体的には、1つの例示的な態様では、コア速度加速しきい値はゼロであってもよく、そのようにして、例えばターボ機械のコアの加速がゼロ未満に低下した場合には、方法300は、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給する(または、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に供給される電力量を増加させる)。例えば、特定の例示的な態様では、航空機は、スタータモータを駆動する補助動力ユニットを含み、スタータモータが停止すると、ターボ機械の高圧システムの加速度が低下することがある。このような例示的な実施形態では、方法300は、ターボ機械の始動時間を短縮するために、電気エネルギー蓄積ユニットで電気機械を作動させることができる。
しかしながら、例示的な方法300は、特定の例示的な態様において、例えば、コア速度加速度が最小しきい値を上回っていると判定したことに応答して、第1の電気機械に供給される電力量をさらに減少させることができることを理解されたい。これにより、必要に応じてシステム300が電力を節約することが可能になる。
さらに、他の例示的な態様(点線で示す)において、エンジン始動パラメータ値は、排気ガス温度値であってもよい。このような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップ(318)は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、排気ガス温度値が始動のための所望の排気ガス温度しきい値よりも高いと判定するステップ(328)を含むことができる。このような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(320)は、排気ガス温度値が始動のための所望の排気ガス温度しきい値よりも高いと判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(330)を含む。
例えば、図示していないが、特定の例示的な態様では、エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(330)は、排気ガス温度値が始動のための所望の排気ガス温度しきい値を上回っていると判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、第1の電気機械に供給される電力量を増加させるステップを含むことができる。1つの例示的な態様では、例えば、ターボ機械の始動が特に遅い場合には、ターボ機械の高圧システムは、排気ガス温度を排気ガス温度しきい値未満に維持するのに十分な空気流を含まないことがある。排気ガス温度しきい値は、特定の材料の温度限界であってもよく、あるいは、特定の材料の寿命を維持するように設計されたより低いしきい値であってもよい。したがって、方法300は、ステップ(328)において排気ガス温度が排気ガス温度しきい値を上回っていると判定した場合には、方法300は、第1の電気機械を作動させて、高圧システムに電力を加え(または、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に供給される電力量を増加させ)、高圧システムの速度を増加させて、始動時間を短縮し、追加の空気流を流入させて排気ガス温度を低下させることができる。
しかしながら、例示的な方法300は、特定の例示的な態様において、例えば、排気ガス温度が特定のしきい値を下回ると判定したことに応答して、第1の電気機械に供給される電力量をさらに減少させることができることを理解されたい。これにより、必要に応じてシステム300が電力を節約することが可能になる。
さらに、他の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値はストールマージン値であってもよい。このような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップ(318)は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ストールマージン値が始動のための所望のストールマージン範囲外であると判定するステップ(332)を含むことができる。このような例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(320)は、ストールマージン値が始動のための所望のストールマージン範囲外であると判定したことに応答して、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(334)を含む。例えば、図示していないが、特定の例示的な態様では、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を提供するステップ(332)は、ストールマージン値が始動のための所望のストールマージン範囲外であると判定したことに応答して、第1の電気機械に供給される電力量を増加させるステップを含むことができる。
例えば、ターボ機械の始動中に、ターボ機械の様々な動作パラメータが、ターボ機械のストールマージンが所望のしきい値未満であることを示す場合には、方法300は、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給して、第1の電気機械を作動させ、ターボ機械の高圧システムに動力を加えて、ターボ機械のストールマージンを増加させることができる(あるいは、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機器に供給される電力量を増加させることができる)。第1の電気機械に電力を供給することは、ターボ機械のストールマージンを直接的に増加させることができず、むしろストールマージンを増加させる動作を可能にすることができることが理解されよう。例えば、少なくとも特定の実施形態では、第1の電気機械に電力を供給することによって、加速を維持しつつ、ターボ機械の燃焼部への燃料流量を減少させることが可能になり、それによって、通常、ストールマージンが増加する。それに加えて、またはその代わりに、第1の電気機械に電力を供給することにより、ターボ機械をより高速に駆動することができ、それによって、通常、ターボ機械がストールマージンを本来的に得ることができる。
しかしながら、特に、他の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値は、他の適切なエンジンパラメータの値であってもよい。例えば、他の例示的な態様では、エンジン始動パラメータ値は、ターボ機械内の内圧、電気エネルギー蓄積ユニットの充電状態などの値であってもよい。
本開示から、特定の例示的な態様では、方法300は、エンジン始動パラメータ値の関数として第1の電気機械に電力量を供給するか、またはむしろそれに供給される電力量を変調することができ、特定のしきい値を上回るまたは下回るエンジン始動パラメータに単に基づいているわけではない。さらに、提供される電力のこの供給または変調は、必ずしも、(図8に示すように)1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップ(308)の前に行う必要はなく、代わりに、これらの態様(ステップ(322)、ステップ(326)、ステップ(330)およびステップ(334))のうちの1つまたは複数が、それに加えて、またはその代わりに、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、ターボ機械の燃焼部の燃焼器の点火を開始するステップ(308)の後に、またはそれと同時に行われてもよい。
特に、図8の例示的な方法300を参照すると、これらの例示的な態様のうちのいくつかでは、方法300は、ターボ機械用の既存のスタータを補うために第1の電気機械および電気エネルギー蓄積ユニットを利用するステップを含む。しかし、これらの例示的な態様のうちの他のものでは、ハイブリッド電気推進システムの電気機械および電気エネルギー蓄積ユニットは、ターボ機械用の主(および唯一の)スタータとして構成することができる。例えば、図8をさらに参照すると、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(304)は、ターボ機械の高圧システムが第1の電気機械によって、および(飛行中の始動/再始動の場合には)エンジンコアを通る周囲空気流によって、実質的に完全に回転されるように、1つまたは複数のコンピューティングデバイスによって、電気エネルギー蓄積ユニットから第1の電気機械に電力を供給するステップ(336)を含む。したがって、このような例示的な態様では、ハイブリッド電気推進システムは、ターボ機械を始動させるために、補助動力ユニットによって動力を与えられる、スタータモータまたは空気圧スタータなどの補助スタータを必要としなくてもよい。
これらの例示的な実施形態の1つまたは複数に基づいてハイブリッド電気推進システムを動作させることにより、必要に応じて、特定の始動動作中にハイブリッド電気推進システムが電力を節約することが可能になることが理解されよう。
ここで図9を参照すると、本開示の例示的な実施形態によるコンピューティングシステム500の一例が示されている。コンピューティングシステム500は、例えば、ハイブリッド電気推進システム50内のコントローラ72として使用することができる。コンピューティングシステム500は、1つまたは複数のコンピューティングデバイス510を含むことができる。コンピューティングデバイス510は、1つまたは複数のプロセッサ510A、ならびに1つまたは複数のメモリデバイス510Bを含むことができる。1つまたは複数のプロセッサ510Aは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、集積回路、論理デバイス、および/または他の適切な処理デバイスなどの任意の適切な処理デバイスを含むことができる。1つまたは複数のメモリデバイス510Bは、非一時的コンピュータ可読媒体、RAM、ROM、ハードドライブ、フラッシュドライブ、および/または他のメモリデバイスを含むが、これらに限定されない、1つまたは複数のコンピュータ可読媒体を含むことができる。
1つまたは複数のメモリデバイス510Bは、1つまたは複数のプロセッサ510Aによって実行することができるコンピュータ可読命令510Cを含む、1つまたは複数のプロセッサ510Aによってアクセス可能な情報を格納することができる。命令510Cは、1つまたは複数のプロセッサ510Aによって実行された場合に、1つまたは複数のプロセッサ510Aに動作を実行させる任意の命令セットであってもよい。いくつかの実施形態では、命令510Cは、1つまたは複数のプロセッサ510Aによって実行されて、コンピューティングシステム500および/またはコンピューティングデバイス510が構成される動作および機能、本明細書で説明したターボ機械を始動させるための動作(例えば、方法300)、ならびに/あるいは1つまたは複数のコンピューティングデバイス510の任意の他の動作または機能のいずれかなどの動作を、1つまたは複数のプロセッサ510Aに実行させることができる。したがって、方法300は、コンピュータにより実施される方法であってもよい。命令510Cは、任意の適切なプログラミング言語で書かれたソフトウェアであってもよく、あるいはハードウェアで実現されてもよい。それに加えて、および/またはそれに代えて、命令510Cは、プロセッサ510A上の論理的および/または仮想的に別個のスレッドで実行することができる。メモリデバイス510Bは、プロセッサ510Aによってアクセス可能なデータ510Dをさらに格納することができる。例えば、データ510Dは、電力の流れを示すデータ、ハイブリッド電気推進システムにおける様々な負荷の電力需要を示すデータ、ハイブリッド電気推進システム(ハイブリッド電気推進システムのターボ機械を含む)の動作パラメータを示すデータを含むことができる。
コンピューティングデバイス510はまた、例えば、システム500の他の構成要素と(例えば、ネットワークを介して)通信するために使用されるネットワークインターフェース510Eを含むことができる。ネットワークインターフェース510Eは、例えば、送信器、受信器、ポート、コントローラ、アンテナ、および/または他の適切な構成要素を含む1つまたは複数のネットワークとインターフェースするための任意の適切な構成要素を含むことができる。1つまたは複数の外部表示装置(図示せず)は、1つまたは複数のコンピューティングデバイス510から1つまたは複数のコマンドを受信するように構成することができる。
本明細書で説明した技術は、コンピュータベースのシステム、ならびにコンピュータベースのシステムにより行われる動作、およびそれとの間でやりとりされる情報を参照する。当業者であれば、コンピュータベースのシステムの固有の柔軟性によって、構成要素間の多種多様な可能な構成、組み合わせ、ならびにタスクおよび機能の分割が可能になることを認識するであろう。例えば、本明細書で説明した処理は、単一のコンピューティングデバイスまたは組み合わせて働く複数のコンピューティングデバイスを使用して実施することができる。データベース、メモリ、命令、およびアプリケーションは、単一のシステムに実装してもよいし、複数のシステムに分散してもよい。分散した構成要素は、順次または並列に動作することができる。
様々な実施形態の具体的な特徴がいくつかの図面には示されており、他の図面には示されていないが、これは単に便宜上のものである。本開示の原理によれば、図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および/または請求することができる。
本明細書は、本発明を最良の態様を含めて開示すると共に、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有さない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
[実施態様1]
航空機(10)のためのハイブリッド電気推進システム(50)であって、
推進器(104)と、
高圧スプール(122)を介して高圧圧縮機(112)に駆動連結された高圧タービン(116)を含むターボ機械(102)と、
第1の電気機械(56A)と、第2の電気機械(56B)と、前記第1および第2の電気機械(56A,56B)に電気的に接続可能な電気エネルギー蓄積ユニット(55)と、を含む電気システムであって、前記第1の電気機械(56A)は、前記ターボ機械(102)の前記高圧スプール(122)に連結され、前記第2の電気機械(56B)は、前記航空機(10)に推進力の利益を提供するために前記推進器(104)を駆動するために前記推進器(104)に連結されている、電気システムと、
前記第1の電気機械(56A)を駆動して前記ターボ機械(102)を始動させる、または始動するのを補助するために、電源からの電力を前記第1の電気機械(56A)に供給するように構成されたコントローラ(72、150)と
を含むハイブリッド電気推進システム(50)。
[実施態様2]
前記ターボ機械(102)は、第1のターボファンエンジン(100A)の一部として構成され、前記推進器(104)は、第2のターボファンエンジン(100B)の一部として構成される、実施態様1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
[実施態様3]
前記ターボ機械(102)は、ターボファンエンジン(100)の一部として構成され、前記推進器(104)は、電気推進器アセンブリ(200)の一部として構成される、実施態様1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
[実施態様4]
前記高圧タービン(116)および前記高圧圧縮機(112)は、コア空気流路(121)を少なくとも部分的に画定し、前記第1の電気機械(56A)は、前記コア空気流路(121)の内側に配置される、実施態様1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
[実施態様5]
前記電源は、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)であり、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)は、前記第1の電気機械(56A)と前記第2の電気機械(56B)の両方と選択的に電気的に連通する、実施態様1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
[実施態様6]
前記コントローラ(72、150)は、前記ターボ機械(102)の動作中に前記第1の電気機械(56A)から電力を抽出するようにさらに構成され、前記エネルギー蓄積ユニット(55)は、少なくとも約50キロワット時の電力を蓄積するように構成され、前記第1の電気機械(56A)は、前記ターボ機械(102)の動作中に少なくとも約50キロワットを生成するように構成される、実施態様1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
[実施態様7]
前記エネルギー蓄積ユニット(55)は、少なくとも約65キロワット時の電力を蓄積するように構成される、実施態様1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
[実施態様8]
航空機(10)のハイブリッド電気推進システム(50)のターボ機械(102)を始動させるための方法(300)であって、前記ハイブリッド電気推進システム(50)は、推進器(104)、ターボ機械(102)、および電気システムを含み、前記電気システムは、前記ターボ機械(102)の高圧システムに連結された第1の電気機械(56A)と、前記推進器(104)に連結された第2の電気機械(56B)と、電気エネルギー蓄積ユニット(55)と、を含み、前記方法(300)は、
1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、エンジン始動コマンドを受信するステップ(302)と、
前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記第1の電気機械(56A)を駆動し、前記ターボ機械(102)の高圧システムを少なくとも最小しきい値速度まで回転させるために、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(306)と、
前記ターボ機械(102)の前記高圧システムが少なくとも前記最小しきい値速度で回転すると、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記ターボ機械(102)の燃焼部(114)の燃焼器の点火を開始するステップ(310)と、
前記推進器(104)を駆動して前記航空機(10)に推進力の利益を提供するために、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第2の電気機械(56B)に電力を供給するステップ(316)と
を含む方法(300)。
[実施態様9]
前記最小しきい値速度は、前記ターボ機械(102)のアイドル速度の約55%以内である、実施態様8に記載の方法(300)。
[実施態様10]
前記エンジン始動コマンドは、エンジン再始動コマンドである、実施態様8に記載の方法(300)。
[実施態様11]
前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップは、前記第1の電気機械(56A)が、前記ターボ機械(102)を通る周囲空気流との組み合わせだけで前記ターボ機械(102)の前記高圧システムを回転させるように、1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(314)を含む、実施態様10に記載の方法(300)。
[実施態様12]
前記エネルギー蓄積ユニット(55)は、少なくとも約50キロワット時の電力を蓄積するように構成される、実施態様8に記載の方法(300)。
[実施態様13]
航空機(10)のハイブリッド電気推進システム(50)のターボ機械(102)を始動させるための方法(300)であって、前記ハイブリッド電気推進システム(50)は、推進器(104)、ターボ機械(102)、および電気システムを含み、前記電気システムは、前記ターボ機械(102)の高圧システムに連結された第1の電気機械(56A)と、前記推進器(104)に連結された第2の電気機械(56B)と、電気エネルギー蓄積ユニット(55)と、を含み、前記方法(300)は、
1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、エンジン始動コマンドを受信するステップ(302)と、
前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップ(318)と、
前記エンジン始動パラメータ値を示す前記受信データに応答して、前記第1の電気機械(56A)を駆動して前記ターボ機械(102)の前記高圧システムを回転させるために、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(320)と、
前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記ターボ機械(102)の燃焼部(114)の燃焼器の点火を開始するステップ(308)と
を含む方法(300)。
[実施態様14]
前記エンジン始動パラメータ値は、コア速度加速値、コア速度値、排気ガス温度値、またはストールマージン値のうちの少なくとも1つである、実施態様13に記載の方法(300)。
[実施態様15]
前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップは、前記エンジン始動パラメータ値を示す前記受信データに応答して、前記第1の電気機械(56A)を駆動して前記ターボ機械(102)の前記高圧システムを回転させるために、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に供給される電力量を変更するステップ(322)を含む、実施態様13に記載の方法(300)。
[実施態様16]
前記エンジン始動パラメータ値は、コア速度加速値であり、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップは、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記コア速度加速値が始動のための所望のコア速度加速しきい値よりも低いと判定するステップ(324)を含み、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップは、前記コア速度加速値が始動のための前記所望のコア速度加速しきい値よりも低いと判定したことに応答して、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(326)を含む、実施態様13に記載の方法(300)。
[実施態様17]
前記エンジン始動パラメータ値は、排気ガス温度値であり、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップは、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記排気ガス温度値が始動のための所望の排気ガス温度しきい値よりも高いと判定するステップ(328)を含み、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップは、前記排気ガス温度値が始動のための前記所望の排気ガス温度しきい値よりも高いと判定したことに応答して、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(330)を含む、実施態様13に記載の方法(300)。
[実施態様18]
前記エンジン始動パラメータ値は、ストールマージン値であり、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記エンジン始動パラメータ値を示すデータを受信するステップは、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記ストールマージン値が始動のための所望のストールマージン範囲外であると判定するステップ(332)を含み、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップは、前記ストールマージンが始動のための前記所望のストールマージン範囲外であると判定したことに応答して、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(334)を含む、実施態様13に記載の方法(300)。
[実施態様19]
前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップは、前記ターボ機械(102)の前記高圧システムが前記第1の電気機械(56A)によって実質的に完全に回転されるように、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(336)を含む、実施態様13に記載の方法(300)。
[実施態様20]
前記推進器(104)を駆動して前記航空機(10)に推進力の利益を提供するために、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第2の電気機械(56B)に電力を供給するステップ
をさらに含む、実施態様13に記載の方法(300)。
10 航空機
12 胴体
14 長手方向中心線
16 前端部
18 後端部
19 尾翼
20 第1の/左側翼部、翼部
22 第2の/右側翼部、翼部
24 第1の側
26 第2の側
28 前縁フラップ
30 後縁フラップ
32 垂直スタビライザ
34 水平スタビライザ
36 エレベータフラップ
38 外面/外板
50 ハイブリッド電気推進システム、ハイブリッド電機推進アセンブリ
52 第1の推進器アセンブリ
54 第2の推進器アセンブリ
55 電気エネルギー蓄積ユニット、エネルギー蓄積ユニット、電気エネルギー蓄積装置
56 電気機械、発電機
56A 電気機械、発電機
56B 電気機械、発電機
58 電力バス
60 電線
72 コントローラ
100 ターボファンエンジン、ターボファン
100A 第1のターボファンエンジン
100B 第2のターボファンエンジン
101 長手方向中心線、長手方向中心軸
102 ターボ機械
102A 第1のターボ機械
102B 第2のターボ機械
104 推進器/ファン
104A 第1の推進器
104B 第2の推進器
106 外側ケーシング
108 環状入口
110 低圧(LP)圧縮機/ブースタ、低圧圧縮機、LP圧縮機
112 高圧(HP)圧縮機/ブースタ、高圧圧縮機、HP圧縮機
114 燃焼部
116 第1の/高圧(HP)タービン、高圧タービン、HPタービン
118 第2の/低圧(LP)タービン、低圧タービン、LPタービン
120 ジェット排気ノズル部
121 コア空気流路
122 高圧(HP)シャフト/スプール、高圧シャフト、HPシャフト
124 低圧(LP)シャフト/スプール、低圧シャフト、LPシャフト
128 ファンブレード
130 ディスク
132 作動部材
134 動力ギヤボックス、ギヤボックス
136 回転可能なフロントハブ
138 ファンケーシング/外側ナセル、ナセル
140 出口ガイドベーン
142 下流側部分
144 バイパス空気流路
150 コントローラ
200 電気推進器アセンブリ
202 長手方向中心線、長手方向中心線軸、中心線軸
204 推進器/ファン
206 電動モータ、電気機械
208 ファンブレード
210 ファンシャフト
211 ピッチ変更機構
212 ファンケーシング/外側ナセル
214 コア
216 ストラット/出口ガイドベーン
218 ベアリング
300 方法、システム
302 方法ステップ
304 方法ステップ
306 方法ステップ
308 方法ステップ
310 方法ステップ
312 方法ステップ
314 方法ステップ
316 方法ステップ
318 方法ステップ
320 方法ステップ
322 方法ステップ
324 方法ステップ
326 方法ステップ
328 方法ステップ
330 方法ステップ
332 方法ステップ
334 方法ステップ
336 方法ステップ
500 コンピューティングシステム、システム
510 コンピューティングデバイス
510A プロセッサ
510B メモリデバイス
510C コンピュータ可読命令、命令
510D データ
510E ネットワークインターフェース

Claims (12)

  1. 航空機(10)のためのハイブリッド電気推進システム(50)であって、
    推進器(104)と、
    高圧スプール(122)を介して高圧圧縮機(112)に駆動連結された高圧タービン(116)を含むターボ機械(102)と、
    第1の電気機械(56A)と、第2の電気機械(56B)と、前記第1および第2の電気機械(56A,56B)に電気的に接続可能な電気エネルギー蓄積ユニット(55)と、を含む電気システムであって、前記第1の電気機械(56A)は、前記ターボ機械(102)の前記高圧スプール(122)に連結され、前記第2の電気機械(56B)は、前記航空機(10)に推進力の利益を提供するために前記推進器(104)を駆動するために前記推進器(104)に連結されている、電気システムと、
    前記第1の電気機械(56A)を駆動して前記ターボ機械(102)を始動させる、または始動するのを補助するために、電源からの電力を前記第1の電気機械(56A)に供給するように構成されたコントローラ(72、150)と
    を含むハイブリッド電気推進システム(50)。
  2. 前記ターボ機械(102)は、第1のターボファンエンジン(100A)の一部として構成され、前記推進器(104)は、第2のターボファンエンジン(100B)の一部として構成される、請求項1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
  3. 前記ターボ機械(102)は、ターボファンエンジン(100)の一部として構成され、前記推進器(104)は、電気推進器アセンブリ(200)の一部として構成される、請求項1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
  4. 前記高圧タービン(116)および前記高圧圧縮機(112)は、コア空気流路(121)を少なくとも部分的に画定し、前記第1の電気機械(56A)は、前記コア空気流路(121)の内側に配置される、請求項1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
  5. 前記電源は、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)であり、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)は、前記第1の電気機械(56A)と前記第2の電気機械(56B)の両方と選択的に電気的に連通する、請求項1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
  6. 前記コントローラ(72、150)は、前記ターボ機械(102)の動作中に前記第1の電気機械(56A)から電力を抽出するようにさらに構成され、前記エネルギー蓄積ユニット(55)は、少なくとも約50キロワット時の電力を蓄積するように構成され、前記第1の電気機械(56A)は、前記ターボ機械(102)の動作中に少なくとも約50キロワットを生成するように構成される、請求項1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
  7. 前記エネルギー蓄積ユニット(55)は、少なくとも約65キロワット時の電力を蓄積するように構成される、請求項1に記載のハイブリッド電気推進システム(50)。
  8. 航空機(10)のハイブリッド電気推進システム(50)のターボ機械(102)を始動させるための方法(300)であって、前記ハイブリッド電気推進システム(50)は、推進器(104)、ターボ機械(102)、および電気システムを含み、前記電気システムは、前記ターボ機械(102)の高圧システムに連結された第1の電気機械(56A)と、前記推進器(104)に連結された第2の電気機械(56B)と、電気エネルギー蓄積ユニット(55)と、を含み、前記方法(300)は、
    1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、エンジン始動コマンドを受信するステップ(302)と、
    前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記第1の電気機械(56A)を駆動し、前記ターボ機械(102)の高圧システムを少なくとも最小しきい値速度まで回転させるために、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(306)と、
    前記ターボ機械(102)の前記高圧システムが少なくとも前記最小しきい値速度で回転すると、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記ターボ機械(102)の燃焼部(114)の燃焼器の点火を開始するステップ(310)と、
    前記推進器(104)を駆動して前記航空機(10)に推進力の利益を提供するために、前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第2の電気機械(56B)に電力を供給するステップ(316)と
    を含む方法(300)。
  9. 前記最小しきい値速度は、前記ターボ機械(102)のアイドル速度の約55%以内である、請求項8に記載の方法(300)。
  10. 前記エンジン始動コマンドは、エンジン再始動コマンドである、請求項8に記載の方法(300)。
  11. 前記1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップは、前記第1の電気機械(56A)が、前記ターボ機械(102)を通る周囲空気流との組み合わせだけで前記ターボ機械(102)の前記高圧システムを回転させるように、1つまたは複数のコンピューティングデバイス(510)によって、前記電気エネルギー蓄積ユニット(55)から前記第1の電気機械(56A)に電力を供給するステップ(314)を含む、請求項10に記載の方法(300)。
  12. 前記エネルギー蓄積ユニット(55)は、少なくとも約50キロワット時の電力を蓄積するように構成される、請求項8に記載の方法(300)。
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