JP2019537407A - 多層圧電アクチュエータによってインレットガイドベーンを制御するためのデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスタービンエンジンのインレットガイドベーンのための電動アクチュエータに関し、電動アクチュエータ（１００）は、エンジンの静止部分に取り付けられた固定部（１０４）と、インレットガイドベーンに機械的に接続された可動部（１０２）と、可動部の周囲に規則的間隔で分布され、固定部に留められた静止電磁石（１０８ａから１０８ｈ）と、静止電磁石の間に配置された可動電磁石（１１０ａから１１０ｈ）とを備え、各可動電磁石（１１０ａから１１０ｈ）は、第１および第２の圧電素子（１１４ａから１１４ｈ、および１１６ａ、１１６ｈ）のいずれかの側に取り付けられ、可動電磁石ならびに第１および第２の圧電素子は、可動部に対して運動の自由度を有し、可動部に対して接線方向の、共通の接触線を形成する内面を有する。

Description

本発明は、（特に、航空機またはヘリコプター用の）航空エンジンの圧縮機およびタービンの一般的分野に関する。より正確には、本発明は、ガスタービンエンジンのインレットガイドベーン（ＩＧＶ）を制御することに関する。

ＩＧＶのアクチュエータは、ヘリコプタータービンエンジンの圧縮機ステージから上流に位置するプレローテーションベーンの位置を制御するために使用される（例えば、米国特許出願公開第２０１４／０２８６７４５号明細書を参照）。そのようなアクチュエータの機能は、圧縮機から上流にあるエンジンに入る空気の流れを方向付けることにある。プレローテーションベーンの角度位置を変えることにより、エンジンの全体的な性能（過渡状態および比消費量）を最適化することが可能になる。

インレットガイドベーンを制御する機能は通常、ガス発生器の速度に直接指標付けられる流量および圧力を有する燃料回路によって動力を供給される油圧アクチュエータによって提供される。しかしながら、そのようなアーキテクチャは、多くの欠点を提示する。

第１に、それらの可逆性のために、現在の油圧アクチュエータは、「ポジションメモリ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｍｏｒｙ）」または「フェイルフリーズ（ｆａｉｌ ｆｒｅｅｚｅ）」を有さず、すなわち障害の場合には、現在の油圧アクチュエータは、最後の制御位置を維持できない。第２に、これらのアクチュエータは、広範囲の圧力および流量に合わせて寸法決めされているが、このことが、燃料回路とのインタラクションに起因して、燃料がアクチュエータを駆動するたびに燃料計量システムに実際の混乱を引き起こす。作動圧力差は、エンジンの動作点によって大きく異なる（アイドリング時には低デルタＰ、高速時には高デルタＰ）。それに加えて、その過大寸法は、エンジンの重量に無視できない影響を及ぼし、燃料の不必要な加熱を引き起こし、アクセサリギアボックスから、不要な動力を間接的に引き出す。最後に、これらのアクチュエータは、外部油圧ユニットの使用を必要とするので、エンジンが作動しているときにのみ制御可能であり、これは 、エンジンを始動させずにベーンを動かす必要があるエンジン内視鏡検査のような、特定の毎日の保守作業に関して特に支障をもたらす。

米国特許第７０９６６５７号明細書は、冗長に設けられた電動アクチュエータによって、インレットガイドベーンを制御するための制御システムを開示しており、これはブラシレスＤＣモータまたは誘導または可変リラクタンスＡＣモータのいずれかとすることができる。しかしながら、ブラシレスモータの使用は、電磁的な適合性の観点から特に複雑で制限的な制御電子機器を必要とし、関連するパワーは、すべての飛行条件下で十分とは限らない。同様に、可変リラクタンスモータまたはその制御電子回路において短絡が発生した場合、短絡によって生じる制動トルクは、非常に小さいかゼロでさえあるので、必然的に、最後の制御位置をフリーズするために、外部の電気ブレーキ（通電解除式（ｅｎｅｒｇｉｚｅ−ｔｏ−ｒｅｌｅａｓｅ ｔｙｐｅ）ブレーキ）を使用する必要がある。モータ制御の低下したモードに安全に切り替えるために、この情報は不可欠である。これらの２つのタイプのモータの両方に、同じことが、パワーの喪失の場合にも当てはまる。

したがって、現在、上述した欠点を有さない新たなアクチュエータによって、インレットガイドベーンを制御する必要性がある。

米国特許出願公開第２０１４／０２８６７４５号明細書 米国特許第７０９６６５７号明細書

したがって、本発明は、ＩＧＶを制御する機能専用の効率的かつ最適化されたアクチュエータを提供し、また特に安全な挙動を提示することによって、上述した欠点を軽減することを目的とする。

この目的は、ガスタービンエンジンのインレットガイドベーン用の電動アクチュエータによって達成され、この電動アクチュエータは、前記エンジンの静止部分に取り付けられた固定部と、前記インレットガイドベーンに機械的に接続された可動部とを備え、前記電動アクチュエータは、前記可動部の周囲に規則的間隔で分布され、前記固定部に留められた静止電磁石と、前記静止電磁石の間に配置された可動電磁石とを備えることを特徴とし、各可動電磁石は、第１および第２の圧電素子のいずれかの側に取り付けられ、前記可動電磁石ならびに前記第１および第２の圧電素子は、前記可動部に対して運動の自由度を有する。

この新たな電気的アーキテクチャでは、従来技術のシステムの構造的な過大寸法が取り除かれ、したがって、燃料回路は、ＩＧＶを制御する機能とは独立して最適化され得る。

有利には、固定部は、回転式アクチュエータの固定子であり、可動部は回転式アクチュエータの回転子であり、前記運動の自由度は、前記回転子の回転軸を中心に回転する自由度である。

好ましくは、各圧電素子は、１つまたは複数の層に配置された一連のＮ個のセラミックで構成される。

有利には、前記圧電素子は、平行に配置された１０個のセラミックの２重層を備える。

好ましくは、前記静止電磁石は、前記固定子の一体部分を構成し、よって、内部セレーションを形成する。

静止電磁石は、第１のＤＣ電圧源ＤＣ１に電気的に並列に接続され、前記可動電磁石は、第２のＤＣ電圧源ＤＣ２に電気的に並列に接続される。

好ましくは、前記ＤＣ電圧源は、２つの逆の信号を供給する。

有利には、前記第１の圧電素子は、第１のＡＣ電圧源ＡＣ１に電気的に並列に接続され、前記第２の圧電素子は、第２のＡＣ電圧源ＡＣ２に電気的に並列に接続される。

好ましくは、前記ＡＣ電圧源は、以下の関係：
ＡＣ１＝Ａ ｓｉｎ ω（ｔ）およびＡＣ２＝Ａ ｓｉｎ（ω（ｔ）＋π）
によって特徴付けられる、逆位相の２つの正弦波電圧を供給する。

本発明はまた、少なくとも１つの上述した電動アクチュエータを含むガスタービンエンジンを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な特徴の実施形態を図示する添付の図面を参照して行われる以下の説明から明らかになる。

本発明が適用されるガスタービンエンジンの概略図である。 図１のエンジンのインレットガイドベーンを制御するための本発明による電気回転式アクチュエータの第１の例を図示する。 図２のアクチュエータを動作させるために必要とされる様々な電源を図示する。 図２のアクチュエータの回転子の様々な運動のステップを図示する。 図２のアクチュエータの回転子の様々な運動のステップを図示する。 図２のアクチュエータの回転子の様々な運動のステップを図示する。 図２のアクチュエータの回転子の様々な運動のステップを図示する。 図１のエンジンのインレットガイドベーンを制御するための本発明による電動アクチュエータの第２の例を図示し、それはリニアアクチュエータである。

図１は、圧縮機１２、燃焼室１４、およびエンジンのベーン（図示せず）を駆動するように設計されたタービン１６を従来的に備えるガスタービンエンジン１０の図である。インレットガイドベーン（ＩＧＶ）１８は、圧縮機１２の入口に配置され、エンジン、特に、燃焼室へのガスの注入の管理もする中央コンピュータ（ＦＡＤＥＣ）２２により制御される１つまたは複数のアクチュエータ（ＡＣＴ）２０によって回転移動される。

本発明では、インレットガイドベーンのアクチュエータは、図２に図示されている特定の回転圧電モータの形態である電動アクチュエータである。

圧電モータ１００は、環状固定子１０４を囲む中央回転子１０２を備える。重量を抑えるために有利には穿孔されている中央回転子は、インレットガイドベーンを作動させるレバーに固定的に接続されており、このレバーは、エンジンのケーシングとのピボット接続を有する 一方、固定子は、エンジンの静止部分への固定接続を有する。回転子材料の性質に応じて、回転子の周囲に規則的間隔で分布され、かつ固定子に機械的に留められたまたは結合された磁性体は、関連付けられた巻線１０６ａから１０６ｈと協働して、規則的間隔で配置された静止電磁石１０８ａから１０８ｈを形成する。磁性体はまた、固定子の一体部分を構成し、したがって、内部セレーションを形成できる。

可動電磁石１１０ａから１１０ｈ（各々、磁性体および関連付けられた巻線１１２ａから１１２ｈによって形成される）が、これらの静止電磁石の間に配置され、各可動電磁石は、圧電素子１１４ａから１１４ｈ、１１６ａから１１６ｈのいずれかの側に取り付けられる。各圧電素子は、１つまたは複数の層に配置された一連のセラミックで構成される。限定としてみなされるべきではない図示された実施形態では、圧電素子は、平行に配置された１０個のセラミックの２重層を備える。セラミック層の高さは、これらの様々な構成要素の内面が、中央回転子１０２に対して接線方向の共通の接触線を形成するように、セラミック層を取り囲む静止または可動の磁性体の高さに対応する。この構成では、可動電磁石１１０ａから１１０ｈならびに第１および第２の圧電素子１１４ａから１１４ｈ、１１６ａから１１６ｈは、既知のタイプの圧電モータ構成とは異なり、（空隙（図示せず）が存在するために）固定子と回転子との間に摩擦がない状態で、中央回転子１０２の軸を中心とする回転における運動の自由度を有する。この空隙は、圧電素子が使用される方式と関連して、この圧電技術に関連付けられた主な問題のうちの１つ、すなわち、圧電構成要素が接着されているポリマーの磨耗に対処することを可能にする。摩擦を制限または除去することによって、機器の寿命および利用可能性が増大し、それを航空機内での使用に適合させることができる。

ここで、エンジンの動作サイクル中の制御信号および対応する中央回転子の運動を示す図３および図４Ａから図４Ｄを参照して、モータの動作を説明する。

図４Ｂに示すように、静止電磁石１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは、第１のＤＣ電圧源ＤＣ１（図３における曲線１２０）に電気的に並列に接続され、可動電磁石１１０ａ、１１０ｂは、第２のＤＣ電圧源ＤＣ２（図３における曲線１２２）に並列に電気的に接続され、ＤＣ源ＤＣ１およびＤＣ２は、逆の信号を供給する。第１の圧電素子１１４ａ、１１４ｂは、第１のＡＣ電圧源ＡＣ１（図３における曲線１２４）に電気的に並列に接続され、第２の圧電素子１１６ａ、１１６ｂは、第２のＡＣ電圧源ＡＣ２（図３における曲線１２６）に電気的に並列に接続される。ＡＣ電圧源は、逆位相の２つの正弦波電圧を供給し、したがって、これら正弦波電圧は、以下の関係：
ＡＣ１＝Ａ ｓｉｎ ω（ｔ）およびＡＣ２＝Ａ ｓｉｎ（ω（ｔ）＋π）
によって特徴付けられる。

圧電モータを駆動するために、圧電素子および電磁石は、２つのステップで電力を供給されねばならず、以下のように４つの連続したステージを規定する。

図４Ａは、静止電磁石１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、通過電流を有し（電圧源ＤＣ１が正）、したがって、中央回転子１０２との接触を維持する初期ステージを図示する。可動電磁石１１０ａ、１１０ｂは、非アクティブ化され（ＤＣ電圧源ＤＣ２がゼロにある）、第１および第２の圧電素子１１４ａ、１１４ｂ、および１１６ａ、１１６ｂは、初期停止位置にある。

図４Ｂでは、通過電流を伴う静止電磁石１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、中央回転子１０２との接触を維持している間、第１の圧電素子１１４ａ、１１４ｂが伸長し、第２の圧電素子１１６ａ、１１６ｂが収縮することによって、圧電素子に取り付けられ、電力が供給されていない（ＤＣ電圧源ＤＣ２がゼロに維持されている）可動電磁石１１０ａ、１１０ｂを、圧電素子とともに、（矢印によって図示される方向に）圧電素子の同時的な伸長／収縮運動で移動させる。

図４Ｃでは、圧電素子の伸長／収縮運動が終了し、中央回転子１０２との接触を維持するために、可動電磁石１１０ａ、１１０ｂに電力が供給され（電圧源ＤＣ２が正にされ）る。同時に、静止電磁石１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃが、非アクティブ化される（ＤＣ電圧源ＤＣ１が、ゼロに設定される）。

図４Ｄは、最終ステージを図示し、最終ステージでは、初期形状に戻るように、第１の圧電素子１１４ａ、１１４ｂが収縮し、第２の圧電素子１１６ａ、１１６ｂが伸長し、可動電磁石１１０ａ、１１０ｂを、（矢印によって図示される方向に）圧電素子とともに移動させ、したがって、それらが接触している中央回転子１０２をも移動させる。指標１３０の回転を観察することにより、モータの実際の回転は、圧電素子の伸長／収縮のサイクルに対応することが理解され得る。

モータを逆方向に動作させるために、電磁石の制御の方向を逆にするか、または、第１および第２のＡＣ電圧源ＡＣ１およびＡＣ２の位相を、第２が第１よりも先に進むように交替させることが必要である。

上記の説明は回転モータの構成について与えられているが、説明は、例として与えられていること、および、リニアモータの構成は、図５に図示されるように、まさに適切であり得ることが明らかであることが注目されるべきである。

したがって、このようなリニア圧電モータ２００は、可動部２０２と固定部２０４とを備える。上述の実施形態におけるように、可動部は、インレットガイドベーンを作動させるレバーに固定的に接続されており、可動部はエンジンの静止部分に固定接続されている。この可動部の周囲に規則的間隔で分布され、固定部に留められた磁性体は、関連付けられた巻線２０６ａから２０６と協働して、規則的間隔で位置された静止電磁石２０８ａから２０８ｂを形成する。磁性体も、この固定部の一体部分を構成し得る。可動電磁石２１０ａから２１０ｂ（各々が、磁性体および関連する巻線２１２ａから２１２ｂで形成されている）が、これらの静止電磁石の間に配置され、各可動電磁石は、各々１つまたは複数の層に配置された一連のセラミックで構成された圧電素子２１４ａから１１４ｂ、２１６ａから２１６ｂのいずれかの側に取り付けられ、これらの様々な構成要素の内面は、可動部２０２に対して接線方向の、共通の接触線（説明目的のために誇張して拡大された空隙２１８を無視した「接触部」）を形成する。この構成により、可動電磁石２１０ａから２１０ｂと、第１および第２の圧電素子２１４ａから２１４ｂ、２１６ａから２１６ｂとは、固定子と回転子との間に摩擦を生じることなく、可動部２０２に沿った並進運動の自由度を有する。

したがって、本発明では、直接的な電気機械変換によって、および、単純化された設計の制御によって、相当の軽量化が図られ、アクチュエータの重量（約５００グラム（ｇ））は、一般に約２５００ｇの重量である油圧式ＩＧＶアクチュエータと比較して、５分の１まで減少され得る。

さらに、圧電アクチュエータの動的性能も、全負荷（１００デカニュートン（ｄａＮ））において、最大で毎秒２００ミリメートル（ｍｍ／秒）となり、油圧式ＲＴＭ３２２タイプのアクチュエータの８．５ｍｍ／秒と比較して大幅に改善され、精度も、（ＲＴＭ３２２における±０．２ミリメートル（ｍｍ）と比較して）数マイクロメータ以内に改善される。

Claims (10)

1. ガスタービンエンジンのインレットガイドベーンのための電動アクチュエータであって、電動アクチュエータは、前記エンジンの静止部分に取り付けられた固定部（１０４、２０４）と、前記インレットガイドベーンに機械的に接続された可動部（１０２、２０２）とを備え、前記電動アクチュエータ（１００、２００）は、前記可動部の周囲に規則的間隔で分布され、前記固定部に留められた静止電磁石（１０８ａから１０８ｈ；２０８ａから２０８ｃ）と、前記静止電磁石の間に配置された可動電磁石（１１０ａから１１０ｈ；２１０ａから２１０ｃ）とを備えることを特徴とし、各可動電磁石（１１０ａから１１０ｈ；２１０ａから２１０ｃ）は、第１および第２の圧電素子（１１４ａから１１４ｈ；２１４ａから２１４ｃおよび１１６ａ、１１６ｈ；２１６ａ、２１６ｃ）のいずれかの側に取り付けられ、前記可動電磁石ならびに前記第１および第２の圧電素子は、前記可動部に対して運動の自由度を有する、電動アクチュエータ。
2. 静止部分は、回転式アクチュエータの固定子（１０４）であり、可動部は、回転式アクチュエータの回転子（１０２）であり、前記運動の自由度は、前記回転子の回転軸を中心に回転する自由度である、請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 各圧電素子は、１つまたは複数の層に配置された一連のＮ個のセラミックで構成される、請求項１または２に記載の電動アクチュエータ。
4. 前記圧電素子は、平行に配置された１０個のセラミックの２重層を備える、請求項３に記載の電動アクチュエータ。
5. 前記静止電磁石は、前記固定子の一体部分を構成し、よって、内部セレーションを形成する、請求項３または４に記載の電動アクチュエータ。
6. 前記静止電磁石は、第１のＤＣ電圧源ＤＣ１に電気的に並列に接続され、前記可動電磁石は、第２のＤＣ電圧源ＤＣ２に電気的に並列に接続される、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の電動アクチュエータ。
7. 前記ＤＣ電圧源は、２つの逆の信号を供給する、請求項６に記載の電動アクチュエータ。
8. 前記第１の圧電素子は、第１のＡＣ電圧源ＡＣ１に電気的に並列に接続され、前記第２の圧電素子は、第２のＡＣ電圧源ＡＣ２に電気的に並列に接続される、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の電動アクチュエータ。
9. 前記ＡＣ電圧源は、以下の関係、
   ＡＣ１＝Ａ ｓｉｎ ω（ｔ）およびＡＣ２＝Ａ ｓｉｎ（ω（ｔ）＋π）によって特徴付けられる、逆位相の２つの正弦波電圧を供給する、請求項８に記載の電動アクチュエータ。
10. 請求項１から９のうちいずれか一項に記載の少なくとも１つの電動アクチュエータを含むガスタービンエンジン。

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