JP2021127731A - ガスタービンエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】航空機に搭載されるガスタービンエンジンの小型化を図るとともに、低温環境下でのエネルギー効率の低下を防止する。【解決手段】ガスタービンエンジンは、ケーシングの外部に配置された少なくとも1つの燃料ポンプ31と、前記ケーシングの外部に配置され、前記少なくとも1つの燃料ポンプ31を駆動する少なくとも1つの電動モータ32と、前記燃料ポンプ31に吸引される燃料Fが流れる燃料流入路Pが設けられた燃料流入部材24と、前記燃料ポンプ31から吐出された燃料Fが燃焼器に向けて流れる燃料流出路Qが設けられた燃料流出部材25と、を備える。前記燃料流入部材24は、前記電動モータ32に熱的に接続された熱交換部を有する。前記熱交換部は、前記電動モータ32と隣接し、前記電動モータ32と前記熱交換部を流れる前記燃料Fとの間の熱交換によって前記電動モータ32を冷却する。【選択図】図3

Description

本発明は、圧縮機、燃焼器及びタービンが回転軸に沿って並んで配置され、航空機に搭載されるガスタービンエンジンに関する。
航空機用ガスタービンエンジンでは、そのケーシングの外周面に、発電機、燃料ポンプ、潤滑オイルポンプ等の補機及びアクセサリギヤボックス等が取り付けられている(例えば、特許文献1参照)。補機は、ガスタービンエンジンの回転軸の回転動力を利用して機械的に駆動される。具体的には、ケーシング内の回転軸から動力伝達機構を介してケーシングの外部に回転動力が取り出され、その回転動力がアクセサリギヤボックスで減速されて補機に伝達される。
特開2004−132359号公報
航空機用ガスタービンエンジンには、機体搭載時の空気抵抗を抑えるために、前面投影面積を極力小さくして小型化を図ることが求められる。しかし、現状の航空機用ガスタービンエンジンでは、ケーシングの外周面に設けられる補機が大きいために、ガスタービンエンジンの前面投影面積が大きくなる。また、低温環境下では燃料の温度が下がるため、エネルギー効率や燃焼性能が低下し得る。
そこで本発明は、航空機に搭載されるガスタービンエンジンの小型化を図るとともに、低温環境下でのエネルギー効率や燃焼性能の低下を防止することを目的とする。
本発明の一態様に係るガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器及びタービンが回転軸に沿って並んで配置され、航空機に搭載されるガスタービンエンジンであって、前記圧縮機、前記燃焼器及び前記タービンが収容されるケーシングと、前記ケーシングの外部に配置された少なくとも1つの燃料ポンプと、前記ケーシングの外部に配置され、前記少なくとも1つの燃料ポンプを駆動する少なくとも1つの電動モータと、前記燃料ポンプに吸引される燃料が流れる燃料流入路が設けられた燃料流入部材と、前記燃料ポンプから吐出された燃料が前記燃焼器に向けて流れる燃料流出路が設けられた燃料流出部材と、を備え、前記燃料流入部材は、前記電動モータに熱的に接続された熱交換部を有し、前記熱交換部は、前記電動モータと隣接し、前記電動モータと前記熱交換部を流れる前記燃料との間の熱交換によって前記電動モータを冷却する。
前記構成によれば、燃料ポンプを電動式にしてエンジンの小型化を図るとともに電動モータを燃料によって冷却することで、発熱によって電動モータの出力が制限されて電動モータを増加させる必要が生じる事態を回避できる。即ち、電動モータが駆動されて燃料ポンプに吸引されるように燃料流入路を流れる燃料が電動モータを冷却するので、電動モータの冷却専用に冷媒及びポンプを設けることなく、動作中の電動モータを冷却できる。よって、部品削減及び電動モータの増加防止が図られ、ガスタービンエンジンを小型化できる。更に、動作中の電動モータとの熱交換によって燃料が昇温するため、低温環境下においてエネルギー効率や燃焼性能の低下も防止できる。
本発明によれば、ガスタービンエンジンを小型化できるとともに、低温環境下でのエネルギー効率や燃焼性能の低下を防止できる。
図1は、第1実施形態に係る航空機用ガスタービンエンジンの断面図である。 図2は、図1に示すガスタービンエンジンの前方から見た正面図である。 図3は、図1に示すガスタービンエンジンの燃料供給系のブロック図である。 図4は、第2実施形態の燃料供給系のブロック図である。 図5は、第3実施形態の燃料供給系のブロック図である。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。なお、以下の説明では、「前方」はエンジン内で空気が流れる方向における上流側を意味し、「後方」は、エンジン内で空気が流れる方向における下流側を意味する。即ち、「前方」は、エンジンの回転軸の軸線方向において、ファンが設けられている側を意味し、「後方」は、エンジンの回転軸の軸線方向において、ファンが設けられている側と反対側を意味する。「径方向」は、エンジンの回転軸の回転軸線に直交する方向を意味する。「周方向」は、エンジンの回転軸の回転軸線周りの方向を意味する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る航空機用ガスタービンエンジン1の断面図である。図2は、図1に示すガスタービンエンジン1の前方から見た正面図である。図1に示すように、航空機用ガスタービンエンジン1は、回転軸2、ファン3、圧縮機4、燃焼器5、タービン6及びケーシング7を備える。回転軸2は、ガスタービンエンジン1の前後方向に延びる。ファン3は、回転軸2の前部に接続され、回転軸2と共に回転する。圧縮機4、燃焼器5及びタービン6は、この順に前方から後方に向けて回転軸2に沿って並んでいる。ケーシング7は、回転軸2の回転軸線Xと一致する軸線を有する筒状物であり、回転軸2、ファン3、圧縮機4、燃焼器5及びタービン6を収容している。なお、ガスタービンエンジン1は航空機の推進用に限られず、航空機における推進以外の用途の動力源として用いられてもよい。
具体的には、ガスタービンエンジン1は、二軸ガスタービンエンジンである。圧縮機4は、低圧圧縮機13と、低圧圧縮機13の後方に配置された高圧圧縮機14とを有する。例えば、低圧圧縮機13が軸流圧縮機であり、高圧圧縮機14は遠心圧縮機である。但し、低圧圧縮機13及び高圧圧縮機14の種類はこれに限られない。タービン6は、低圧タービン15と、低圧タービン15の前方に配置された高圧タービン16とを有する。回転軸2は、低圧圧縮機13を低圧タービン15に連結する低圧軸11と、高圧圧縮機14を高圧タービン16に連結する高圧軸12とを有する。高圧軸12は、内部に中空空間を有する筒状軸である。低圧軸11は、高圧軸12の中空空間に挿通されている。低圧タービン16は、圧縮機4の前方に配置されたファン3に低圧軸11を介して連結されている。
ケーシング7は、内殻17及び外殻18を有する。内殻17及び外殻18は、それぞれ略円筒形状を有する。内殻17は、圧縮機4、燃焼器5及びタービン6を収容する。外殻18は、内殻17から径方向外側に離間した状態で内殻17と同心円状に配置されている。内殻17と外殻18との間には、円筒状のバイパス路Bが形成されている。ファン3により吸い込まれた空気は、バイパス路Bを流れて後方に排出される。
図1及び2に示すように、ケーシング7の外周面は、複数の電動補機8が設置される第1筒領域18aと、第1筒領域18aの後側に設けられた第2筒領域18bと、第1筒領域18a及び第2筒領域18bを互いに接続する第3筒領域18cを有する。第1筒領域18aは、第2筒領域18bよりも小径である。第3筒領域18cは、後方に向けて徐々に拡径する傾斜筒領域である。第1筒領域18aは、前後方向(回転軸線方向)において、少なくとも低圧圧縮機13に対応する位置に設けられている。第2筒領域18bは、前後方向(回転軸線方向)において、少なくとも燃焼器5に対応する位置に設けられている。
電動補機8は、外殻18の第1筒領域18aの外周面に沿って配置されている。電動補機8は、前方から見て第2筒領域18bの外周面よりも径方向内側に配置されている。なお、電動補機8は、前方から見て第2筒領域18bの外周面よりも径方向外側に食み出してもよいし、第2筒領域18bに設けられ、第2筒領域18bから突出したフランジ(図示せず)などの前方から見て最大投影面積を有する部材よりも径方向内側に配置されてもよい。電動補機8は、燃料ポンプユニット21、モータコントローラ22等を含む。燃料ポンプユニット21は、燃料を燃焼器5に供給する。モータコントローラ22は、所定のセンサデータ及び外部運転指令に応じて燃料ポンプユニット21を制御する。
図3は、図1に示すガスタービンエンジン1の燃料供給系のブロック図である。図2及び3に示すように、燃料ポンプユニット21は、複数の燃料ポンプ31と、複数の電動モータ32と、ユニットハウジング33と、を備える。燃料ポンプ31は、例えば容積型である。なお、図3では、燃料ポンプ31及び電動モータ32を2つずつ設けたものが例示されているが、それぞれ3つ以上でもよい。或いは、燃料ポンプ31及び電動モータ32はそれぞれ1つずつであってもよい。
複数の燃料ポンプ31は、外殻18の第1筒領域18aの外周面に沿って周方向に並べられている。燃料ポンプ31は、その回転軸線Yが回転軸2の回転軸線Xに平行となるように並んでいる。複数の燃料ポンプ31は、1つのユニットハウジング33に収容されている。ユニットハウジング33は、例えば、外殻18の第1筒領域18aの外周面に沿ったアーチ形状を有する。燃料ポンプ31を収容したユニットハウジング33は、外殻18の第3筒領域18c(図1及び2参照)に前側から対向している。なお、ユニットハウジング33は、無くてもよい。
複数の電動モータ32は、複数の燃料ポンプ31とそれぞれ一対一に接続されている。電動モータ32は、燃料ポンプ31の回転軸線Yが延びる方向において、対応する燃料ポンプ31に隣接し、当該対応する燃料ポンプ31を駆動する。電動モータ32も、外殻18の第1筒領域18aの外周面に沿って周方向に並べられている。電動モータ32の回転軸線は、例えば、対応する燃料ポンプ31の回転軸線Yと一致している。
複数の電動モータ32は、ユニットハウジング33の外部に配置されている。電動モータ32は、例えば、前方から見て略円形の外形を有する。複数の電動モータ32は、外殻18の第1筒領域18aの外周面に沿って周方向に並べられて互いに並列接続される。電動モータ32は、燃料ポンプ31に対して前側に配置されている。
燃料ポンプ31の吸入口31aは、回転軸線Y方向において燃料ポンプ31のうち電動モータ32に近接する側(前側)に設けられている。燃料ポンプ31の吐出口31bは、燃料ポンプ31のうち吸入口31aとは反対側(後側)に設けられている。なお、燃料ポンプ31における吸入口31a及び吐出口31bの位置は、これに限定されない。
燃料ポンプ31は、燃料流入部材24を通じて、燃料タンク23に貯留された燃料を吸入する。燃料流入部材24は、燃料ポンプ31に吸入される燃料Fが流れる燃料流入路Pを有する。燃料ポンプ31が吐出する燃料Fは、燃料流出部材25を通じて燃焼器5に供給される。燃料流出部材25は、燃料ポンプ31から吐出された燃料が燃焼器5に向けて流れる燃料流出路Qを有する。
燃料流入部材24は、燃料ポンプ31で生じる負圧によって燃料タンク23に貯留された燃料を燃料ポンプ31の吸入口31aに導く。燃料流入部材24は、燃料タンク23に接続される流入管部24aと、流入管部24aに直列に接続された共通バッファタンク部24b(熱交換部)とを有する。共通バッファタンク部24bは、電動モータ32に隣接している。共通バッファタンク部24bは、電動モータ32に熱的に接続された熱交換部の機能を果たす。
共通バッファタンク部24bは、共通バッファ空間P1と、流入管部24aから供給される燃料Fを共通バッファ空間P1に流入させる燃料入口Iとを有する。燃料入口Iは、共通バッファタンク部24bの前側に配置されている。電動モータ32は、その回転軸線方向において燃料入口Iと燃料ポンプ31との間に配置されている。即ち、燃料入口Iから燃料ポンプ31の吸入口31aに向けて流れる燃料Fは、電動モータ32に沿って流れることになる。なお、燃料Fは、電動モータ32に沿って流れることが望ましいが、燃料入口Iは共通バッファタンク部24bのエンジン周方向の端面側に配置されてもよい。
具体的には、共通バッファタンク部24bは、1つの共通バッファ空間P1に複数の電動モータ32を収容するように複数の電動モータ32の全体を覆っている。即ち、複数の電動モータ32は、共通バッファタンク部24bの内部の共通バッファ空間P1に存在する燃料Fに浸漬される。電動モータ32の外面の全体は、共通バッファタンク部24bの内壁面から離間している。なお、電動モータ32の外面の一部が、共通バッファタンク部24bの内壁面に接触していてもよい。また、電動モータ32の一部のみがバッファタンク部124bの内部の燃料Fに浸漬される構成としてもよい。
共通バッファタンク部24bは、外殻18の第1筒領域18aの外周面に沿ったアーチ形状を有する。例えば、共通バッファタンク部24bは、前方から見てユニットハウジング33と相似形状を有する。共通バッファタンク部24bは、ユニットハウジング33(又は燃料ポンプ31)に直接的に接続されている。なお、共通バッファタンク部24bは、ユニットハウジング33(又は燃料ポンプ31)に配管を介して接続されていてもよい。
燃料流出部材25は、複数の燃料ポンプ31の吐出口31bから吐出された燃料を集合させて燃焼器5に導く。燃料流出部材25は、燃料ポンプ31に対して電動モータ32とは反対側に配置されている。燃料流出部材25は、例えば、配管である。燃料流出部材25は、外殻18の第3領域18cを貫通し、燃焼器5に向けて延びている。
ガスタービンエンジン1が始動すると、燃料タンク23に貯留された燃料は、流入管部24aを流れた後に共通バッファタンク部24bを流れて燃料ポンプ31の吸入口31aに吸い込まれる。その際、共通バッファタンク部24bは、共通バッファタンク部24bを流れる燃料Fと電動モータ32との間の熱交換によって電動モータ32を冷却する。電動モータ32が発熱するときには、燃料ポンプ31が駆動されて共通バッファ空間P1に燃料Fの流れが生じ且つ共通バッファ空間P1の燃料Fが入れ替わるため、電動モータ32の冷却性能が安定する。
複数の電動モータ32には、モータコントローラ22の出力側が電気的に接続されている。モータコントローラ22の入力側には、回転軸2の回転数を検出する回転数センサ26と、パイロットの運転操作が入力される飛行コントローラ27とに接続されている。モータコントローラ22は、回転数センサ26で検出される回転数と、飛行コントローラ27からの運転指令値とを含む入力に応じて、燃料ポンプユニット21の電動モータ32の各々を制御する。なお、回転数センサ26は、回転軸2の回転を直接検出するものに限られず、回転軸2と連動する発電機(図示せず)などの電圧から回転軸2の回転数を検出するものでもよい。
モータコントローラ22は、例えば、前記入力に所定条件が成立すると、複数の電動モータ32のうち停止させる電動モータ32を決定する。動作中の電動モータ32の数が減って発熱の総量が減ると、共通バッファ空間P1における燃料Fの流量も減るため、冷却のための無駄なエネルギー消費も防止される。
以上に説明した構成によれば、燃料ポンプ31を電動式にしてガスタービンエンジン1の小型化を図るとともに電動モータ32を燃料Fによって冷却することで、発熱によって電動モータ32の出力が制限されて電動モータ32を増加させる必要が生じる事態を回避できる。即ち、電動モータ32が駆動されて燃料ポンプ31に吸引されるように燃料流入路Pを流れる燃料Fが電動モータ32を冷却するので、電動モータ32の冷却専用に冷媒及びポンプを設けることなく、動作中の電動モータ32を冷却できる。よって、部品削減及び電動モータ32の増加防止が図られ、ガスタービンエンジン1を小型化できる。
更に、動作中の電動モータ32との熱交換によって燃料Fが昇温するため、低温環境下おいて、燃料噴霧状態の悪化等による燃焼性能の低下、粘度増加に起因した圧損等によるエネルギー効率の低下等を防止できる。
また、燃料流入部材24の共通バッファタンク部24bは、電動モータ32に隣接し、電動モータ32を覆っているので、簡素な構成にて燃料流入部材24を流れる燃料Fと電動モータ32との間で効率良く熱交換できる。具体的には、電動モータ32は、共通バッファタンク部24bの内部の燃料Fに浸漬されるので、燃料流入部材24を流れる燃料Fと電動モータ32との間の熱交換を促進できる。
また、共通バッファタンク部24bは、複数の電動モータ32を収容するので、共通バッファタンク部24bの内部の燃料Fが複数の電動モータ32の各々と熱交換できるため、構造を簡素化することができる。また、複数の電動モータ32の駆動状態(出力)が互いに異なって各電動モータ32の間に温度の違いがある場合にも、共通バッファタンク部24bの燃料Fが複数の電動モータ32のうち高温の電動モータ32と効率良く熱交換でき、運転状態にかかわらず効率の良い熱交換を実現できる。
また、複数の電動モータ32は、ケーシング7の外周面に沿って周方向に並べられ、共通バッファタンク部24bは、ケーシング7の外周面に沿ったアーチ形状を有するので、共通バッファ空間P1を十分な容量としながらも、ケーシング7から径方向外方への共通バッファタンク部24bの突出量を小さく又はゼロにでき、ガスタービンエンジン1の前面投影面積を低減できる。
また、共通バッファタンク部24bの燃料入口Iは、電動モータ32を基準として燃料ポンプ31の位置とは反対側に配置されているので、共通バッファ空間P1において燃料入口Iから燃料ポンプ31に向かう燃料Fの流れによって、燃料Fと電動モータ32との間の熱交換を効率良く行うことができる。
(第2実施形態)
図4は、第2実施形態の燃料供給系のブロック図である。なお、第1実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図4に示すように、第2実施形態では、燃料流入部材124は、燃料タンク23に接続される流入管部124aと、流入管部124aに直列に接続された複数のバッファタンク部124b(熱交換部)とを有する。複数のバッファタンク部124bは、互いに並列に配置されている。複数のバッファタンク部124bは、複数の燃料ポンプ31にそれぞれ連通している。なお、バッファタンク部124bは、燃料ポンプ31に配管を介して接続されていてもよい。
複数のバッファタンク部124bは、複数の電動モータ32をそれぞれ収容し、複数の電動モータ32を1つずつ覆っている。即ち、複数の電動モータ32は、対応するバッファタンク部124bの内部の燃料Fにそれぞれ浸漬される。なお、電動モータ32の一部のみがバッファタンク部124bの内部の燃料Fに浸漬される構成としてもよい。
このような構成によっても、電動モータ32が燃料Fによって冷却され、部品削減及び電動モータ32の増加防止が図られ、ガスタービンエンジンを小型化できる。更に、動作中の電動モータ32との熱交換によって燃料Fが昇温するため、低温環境下において燃料ポンプ31の吐出に要するエネルギーの増加も防止できる。なお、他の構成は前述した第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
(第3実施形態)
図5は、第3実施形態の燃料供給系のブロック図である。なお、第1実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図5に示すように、第3実施形態では、燃料流入部材224は、燃料タンク23に接続される第1流入管部224aと、第1流入管部224aに直列に接続された複数の第2流入管部224b(熱交換部)とを有する。複数の第2流入管部224bは、互いに並列に配置されている。複数の第2流入管部224bは、複数の燃料ポンプ31にそれぞれ連通している。
複数の第2流入管部224bは、複数の電動モータ32の外面にそれぞれ隣接し、複数の電動モータ32をそれぞれ覆っている。具体的には、複数の第2流入管部224bは、複数の電動モータ32の外面にそれぞれ巻き付けられて接触している。即ち、第2流入管部224bが電動モータ32に対する熱交換器の役目を果たす。
このような構成によっても、第2流入管部224bを流れる燃料Fによって電動モータ32が冷却され、部品削減及び電動モータ32の増加防止が図られ、ガスタービンエンジンを小型化できる。更に、動作中の電動モータ32との熱交換によって燃料Fが昇温するため、低温環境下において燃料ポンプ31の吐出に要するエネルギーの増加も防止できる。なお、他の構成は前述した第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、1つの実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能であり、1つの実施形態中の一部の構成を他の実施形態に適用してもよい。
1 ガスタービンエンジン
2 回転軸
4 圧縮機
5 燃焼器
6 タービン
7 ケーシング
8 電動補機
21 燃料ポンプユニット
22 モータコントローラ
23 燃料タンク
24,124,224 燃料流入部材
24a 流入管部
24b 共通バッファタンク部(熱交換部)
25 燃料流出部材
31 燃料ポンプ
32 電動モータ
124b バッファタンク部(熱交換部)
224b 第2流入管部(熱交換部)
F 燃料
I 燃料入口
P 燃料流入路
P1 共通バッファ空間
Q 燃料流出路

Claims (6)

  1. 圧縮機、燃焼器及びタービンが回転軸に沿って並んで配置され、航空機に搭載されるガスタービンエンジンであって、
    前記圧縮機、前記燃焼器及び前記タービンが収容されるケーシングと、
    前記ケーシングの外部に配置された少なくとも1つの燃料ポンプと、
    前記ケーシングの外部に配置され、前記少なくとも1つの燃料ポンプを駆動する少なくとも1つの電動モータと、
    前記燃料ポンプに吸引される燃料が流れる燃料流入路が設けられた燃料流入部材と、
    前記燃料ポンプから吐出された燃料が前記燃焼器に向けて流れる燃料流出路が設けられた燃料流出部材と、を備え、
    前記燃料流入部材は、前記電動モータに熱的に接続された熱交換部を有し、
    前記熱交換部は、前記電動モータと隣接し、前記電動モータと前記熱交換部を流れる前記燃料との間の熱交換によって前記電動モータを冷却する、ガスタービンエンジン。
  2. 前記燃料流入部材の前記熱交換部は、前記電動モータを覆っている、請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  3. 前記電動モータは、前記熱交換部の内部の前記燃料に浸漬されている、請求項2に記載のガスタービンエンジン。
  4. 前記少なくとも1つの電動モータは、複数の電動モータを含み、
    前記熱交換部は、前記複数の電動モータが収容された共通バッファタンク部である、請求項3に記載のガスタービンエンジン。
  5. 前記複数の電動モータは、前記ケーシングの外周面に沿って周方向に並べられ、
    前記共通バッファタンク部は、前記ケーシングの前記外周面に沿ったアーチ形状を有する、請求項3又は4に記載のガスタービンエンジン。
  6. 前記共通バッファタンク部は、バッファ空間と、燃料タンクを前記バッファ空間に連通させる燃料入口と、を有し、
    前記燃料入口は、前記電動モータを基準として前記燃料ポンプの位置とは反対側に配置されている、請求項3乃至5のいずれか1項に記載のガスタービンエンジン。
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