JP4700113B2 - 航空機用発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、航空機用エンジンに連結されて一定回転数で発電機を駆動する航空機用発電装置に関するものである。
従来、大型航空機用の発電装置には、無段変速機を用いることにより、エンジン回転数にかかわらず発電機を一定回転数で回転させて一定周波数の電力を発生する、IDG( Integrated Drive Generator:駆動機構一体型発電装置)方式を採用したものが知られている。さらに、IDG方式の発電装置には、トラクション無段変速機に、これの低い機械効率を補うための遊星歯車変速機を組み合せ、これら変速機の間で動力分流軸により伝達動力を分配して負担させるパワースプリット方式の定速駆動装置を備えたものが知られている(特許文献1参照)。
一方、航空機用エンジンには、圧縮機および高圧タービンを連結する中空の高圧軸と、この高圧軸の内部に挿通されてファンと低圧タービンとを連結する低圧軸とを備えた2軸式が多く採用されている。ここで、前記パワースプリット方式の定速駆動装置を備えた航空機用発電装置では、遊星歯車変速機が固定変速比で動作することから、定速駆動装置全体の変速比は2:1程度以内に制限されるので、前記2軸式の場合には、定速駆動装置の入力軸が回転数の変動が少ない高圧軸に連結されている。また、航空機用発電装置は、通常、ギヤボックスととともに航空機用エンジンの下方に取り付けられている(非特許文献1参照)。
特許第3440287号公報
Richard C. McClungによる"Constant Speed 4ooHz Aircraft Electric Generation System",Aerospace Meeting,Hyatt House (Airport), Los Angeles, December 3-6, 1979
従来のIDG方式の発電装置の出力は90kVA程度であったが、近年の航空機では、電気化の進展に伴って200kVA以上の大発電容量が要求されるようになっている。このような200kVA以上の大きな大容量発電を行おうとすれば、トラクション無段変速機のディスクなどが大型化して発電装置全体の外形が大きくなる。特にパワースプリット方式の発電装置では、トラクション無段変速機の入力軸、発電機の回転軸および動力分流軸が互いに平行で、かつ軸方向から見て三角形を形作る配置とされるので、大きな厚みとなって航空機用エンジンの下方に大きく出っ張ってしまい、エンジンと発電装置を覆うナセルの前面の面積が増大して、その分だけ機体の空気抵抗も増大するので、燃費やエミッションの点で不利となる。
また、発電装置が航空機用エンジンの高圧軸に連結されていると、航空機の電気負荷が200kVA以上に大きくなった場合には、高圧軸系の作動に問題が生じるので、好ましくない。これに対し、発電装置を負荷の制限がない低圧軸に連結すると、低圧軸の回転数変動が大きいことから、2:1以内の変速比で発電機を定速回転するのが難しくなる。
そこで、本発明は、大容量発電を行う構成とする場合においても、航空機用エンジンに対しこれの前面の面積が増大するのを抑制し、かつ大きな変速比の変化にも対応できる航空機用発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る航空機用発電装置は、航空機用エンジンにより駆動される発電装置であって、前記エンジンの回転軸に連結されるトラクション変速機と、前記トラクション変速機の出力により駆動される発電機と、前記トラクション変速機の出力により駆動される潤滑油用のオイルポンプユニットとを備え、前記トラクション変速機、発電機およびオイルポンプユニットが、それぞれ、エンジンの軸心と平行な軸心を有し、軸心方向位置が互いに重なった状態で、軸心方向と直交する上下方向に並んで配置されている。
本発明の航空機用発電装置によれば、遊星歯車変速機を廃止したので、大容量発電を達成するためにトラクション変速機のディスクなどを大型化した場合であっても、トラクション変速機、発電機およびオイルポンプユニットを上下に並べて配置した構造により、全体として縦長で厚みの薄いスリムな形状、つまり航空機用エンジンの側面に対し出っ張りの少ない状態で好適に取り付けられる形状となり、航空機の空気抵抗の増大を抑制して燃費の悪化を防止できる。また、トラクション変速機を使用しているから、変速比の大きな変化にも対応できるので、例えば回転数変動の大きいエンジン低速軸に連結して大容量発電を容易に実現できる。
本発明において、前記発電機、トラクション変速機およびオイルポンプユニットの各軸心が互いに平行で、かつ前記トラクション変速機の軸方向から見て弓形の配置ライン上に配置されていることが好ましい。この構成によれば、発電装置を航空機用エンジンの側部に取り付けたときに、弓形の配置ラインは航空機用エンジンの湾曲した側面に沿うので、発電装置の外形の側方への出っ張り量を小さくして、航空機用エンジンを覆うナセルの形状を、航空機用エンジンの前面の面積の増大を抑制する好適な形状とすることができる。
前記弓形の配置ライン上に配置する構成において、前記トラクション変速機と前記発電機との間をギヤ連結するアイドラ軸を有し、このアイドラ軸に、前記トラクション変速機の出力ギヤに噛み合う第1中間ギヤと、前記発電機の入力ギヤに噛み合う第2中間ギヤとが設けられていることが好ましい。この構成によれば、トラクション変速機の出力ギヤと第1中間ギヤとのギヤ比および第2中間ギヤと発電機の入力ギヤとのギヤ比の設定により2段階に増速できるので、小形の第1および第2中間ギヤを用いながらも、トラクション変速機の出力回転数を所定回転数まで増速して発電機に伝達することができる。これにより、所要の大きな発電容量を得ることができるとともに、発電中の回転速度を高速化してトルクを減らすことで、発電装置全体の形状の大型化や重量の増大を防止することができる。
また、前記アイドラ軸を有する構成において、前記アイドラ軸の軸心が前記弓形の配置ラインよりも内側に偏位していることが好ましい。この構成によれば、弓形の配置ラインに沿って各々の軸心が配置された発電機、トラクション変速機およびオイルポンプユニットに対し、これらの内側、つまりエンジン軸心寄りにアイドラ軸が位置するので、装置全体の上下方向の寸法の増大を抑制することができる。
本発明において、さらに、前記トラクション変速機、発電機およびオイルポンプユニットを収納するケースを備え、前記ケースの底部に潤滑油を貯留するオイル溜まりが形成されており、前記発電機は前記トラクション変速機の上方に配置され、前記オイルポンプユニットは前記トラクション変速機の下方に配置されているのが好ましい。この構成よれば、オイルポンプユニットを下方に配置したことで、ケース底部のオイル溜まりから円滑に潤滑油を吸引して潤滑対象部分に供給することができる。さらに、発電機は、トラクション変速機の上方に配置されているから、下方の潤滑油に浸るのを避けることができるので、発電機の回転数を高くしても、発電機による潤滑油のかきまぜ損失を抑制できる。
本発明において、前記オイルポンプユニットは、前記トラクション変速機の軸心と平行な単一のボンプ軸心を持つ吸引側ポンプおよび供給側ポンプを有していることが好ましい。この構成によれば、吸引側と供給側の両ポンプが同心上に位置するから、両ポンプの軸心と直交する方向の寸法が小さくなるので、発電装置1の前面面積を小さくして空気抵抗を抑制できる。
本発明の航空機用発電装置によれば、全体として縦長で厚みの薄いスリムな形状、つまり航空機用エンジンの側面に対し出っ張りの少ない状態で好適に取り付けられる形状となり、航空機の空気抵抗の増大を抑制して燃費の悪化を防止できる。また、変速比の大きな変化にも対応できるので、大容量発電を容易に実現できる。
本発明は、図面を参考にした以下の実施形態の説明から一層明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって定まる。複数の図面における同一の符号は、同一または相当部分を示す。
本発明の一実施形態に係る航空機用発電装置のエンジンへの連結状態を示す概略側面図である。 同上の航空機用発電装置のエンジンへの取付状態で示す正面図である。 同上の航空機用発電装置の正面図である。 同上の航空機用発電装置の側面図である。 同上の航空機用発電装置の縦断面図である。 同上の航空機用発電装置のケース内の構造を示す前方斜視図である。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る航空機用発電装置1のエンジンEへの連結状態を模式的に示した構成図である。エンジンEは、2軸型ファンエンジンであり、圧縮機2、燃焼器3、タービン4およびファン10を主要構成要素として備え、圧縮機2から供給される圧縮空気を燃焼器3で燃焼させ、その燃焼により発生する高温高圧の燃焼ガスがタービン4に供給される。タービン4は前段側の高圧タービン41と後段側の低圧タービン42とを有し、圧縮機1は、中空の高圧軸7を介して高圧タービン41に連結されており、この高圧タービン41より回転駆動される。ファン10は、高圧軸7の中空部に挿通された低圧軸9を介して低圧タービン42に連結されており、この低圧タービン42により回転駆動される。こうして、低圧タービン42から噴射される燃焼ガスのジェット流と、ファン10により生成される高速空気流とによりエンジン推力が得られる。
低圧軸9におけるファン10の後方に、傘歯車(図示せず)を介して連結軸11の一端部がギヤ連結されており、この連結軸11の他端部に補機12のギヤボックス13が連結されている。この実施形態に係る航空機用発電装置1は、後述する変速機入力軸がギヤボックス13に連結されて、低圧軸9の回転がギヤボックス13を介して伝達されるようになっている。すなわち、従来の航空機用発電装置では、発電装置1を駆動するエンジンEの回転軸として高圧軸9が用いられていたのと異なり、この実施形態では、低圧軸9が発電装置1を駆動する回転軸として用いられる。
図2は発電装置1のエンジンEへの取付状態を示す正面図である。航空機用発電装置1はエンジンEの側部に取り付けられている。図3および図4はそれぞれ、発電装置1の正面図および右側面図であり、図3から明らかなように、発電装置1は、エンジンEの軸心C方向から見た正面視において幅方向の寸法が小さい薄型で、かつ上下方向の寸法が大きい縦長の外形に形成されている。これにより、発電装置1は、側方への出っ張りが小さい状態で、図2に示すようにエンジンEの側部に取り付けることが可能になっている。エンジンEおよび発電装置1はエンジンナセルNにより覆われている。図4に示すように、この発電装置1の外形を形成するケース14は、二つ割りとなったケース半体17,18の各々のフランジ部17a,18aを突き合わせて、ボルト19およびナット20により締結されている。
発電装置1は、図1のエンジンEの2軸型の一方の回転軸である低圧軸9に連動するギヤボックス13の前側に配置されており、発電装置1の縦断面図である図5に示すように、ギヤボックス13の一つの出力軸に連結される変速機入力軸21と、この変速機入力軸21に連結される無段のトラクション変速機22と、このトラクション変速機22の上方に配置されてトラクション変速機22の出力により駆動される発電機23と、トラクション変速機22の下方に配置されてトラクション変速機22の出力により駆動される潤滑油用のオイルポンプユニット24とを備えている。これらトラクション変速機22、発電機23およびオイルポンプユニット24は、ケース14に収納されている。なお、発電装置1は図1のギヤボックス13の後側に配置してもよい。
図5に示すトラクション変速機22は、この実施形態において、変速機入力軸21に沿って第1および第2のキャビティ27,28を所定の間隔を設けて配設してなるダブルキャビティ型のハーフトロイダル・トラクションドライブとされたものであって、各キャビティ27,28の軸方向外側に第1および第2の入力ディスク27a,28aを配設し、各キャビティ27,28の内側に第1および第2の出力ディスク27b,28bを配設している。前記変速機入力軸21に外嵌してこれと同心の変速機出力軸29が配置されており、両入力ディスク27a,28aを変速機入力軸21で連結するとともに、両出力ディスク27b,28bを変速機出力軸29で連結している。この実施形態では、動力分流軸を有するパワースプリット方式を採用せずに、トラクション変速機22のみで定速駆動装置が構成されている。
前側の第1のキャビティ27には、第1の入力ディスク27aと第1の出力ディスク27bの間に介在する第1のパワーローラ27cが設けられ、後側の第2のキャビティ28には、第2の入力ディスク28aと第2の出力ディスク28bとの間に介在する第2のパワーローラ28cが設けられ、第1の入力ディスク27aの前側に、パワーローラ27c,28cを押圧する押付力を発生するための軸力発生機構30が配置されている。
各パワーローラ27c,28cは、スラスト軸受27e,28eと、公知の支持部材であるトラニオン27f,28fとによって、ローラ軸27d,28d回りの回転を許容し、かつローラ軸27d,28dおよび変速機入力軸21を含む平面内で傾転自在に支持されている。一方、キャビティ27,28においては、入力ディスク27a,28a、出力ディスク27b,28bおよびパワーローラ27c,28cという3つの転動体が、軸力発生機構30の軸力により互いに押し付けられて、その接触部に生じる高粘度潤滑油膜の剪断抵抗によって動力が伝達される。すなわち、第1の入力ディスク27aと第1の出力ディスク27bとの間の駆動力伝達は、その間に配置された第1のパワー・ローラ27cとの流体摩擦によってなされ、第2の入力ディスク28aと第2の出力ディスク28bとの間の駆動力伝達は、その間に配置された第2のパワー・ローラ28cとの流体摩擦によってなされる。
加速比および減速比、すなわち変速比の変更は、パワー・ローラ27c,28dの傾きである傾転角θを制御機構(制御機構)によって制御することにより行われる。変速比は所定範囲内、例えば0.5〜2.0の範囲内で任意に変化される。この場合は減速比で表現すると、4:1以内となっているが、5:1以内としてもよく、また、それ以外の範囲でもよい。
トラクション変速機22と発電機23との間には、これらをギヤ連結するアイドラ軸31が配置されている。このアイドラ軸31には、トラクション変速機22の第1出力ギヤ32に噛み合う第1中間ギヤ33が一端部近傍に設けられるとともに、発電機23の入力ギヤ34に噛み合う第2中間ギヤ37が他端部近傍に設けられている。アイドラ軸31の両端部は軸受35,36によりケース14に支持されている。このように、トラクション変速機22の第1出力ギヤ32と第1中間ギヤ33とのギヤ比および第2中間ギヤ37と発電機23の入力ギヤ34とのギヤ比の各々の設定により、トラクション変速機22の回転数を2段階に増速している。
発電機23は、主発電部38と励磁用の補助発電部39とを備え、補助発電機39のステータ39aに励磁電流を供給することにより、補助発電部39のロータ39bに交流電力が発生し、この交流電力が整流されて主発電機38のロータ38bに直流電力が供給されることで、ロータ38bの回転によって主発電部38のステータ38aから発電電力が取り出される。発電電力量は、補助発電機39のステータ39aに供給する励磁電流を可変調整することにより任意に設定することができる。発電機23は、トラクション変速機22を介してエンジンEにより回転駆動されることにより、発電機として機能して、航空機の照明、空調および防水装置などの各種の電気負荷に対し電力を供給する。
また、トラクション変速機22の変速機出力軸29の回転速度を、変速機入力軸21の回転速度の変化に応じてトラクション変速機22のパワーローラ27c,28cの傾転角θを所定の関係を維持しながら変化させることによって、一定に保つことが可能となる。すなわち、変速機入力軸21の回転数の変動をトラクション変速機22により相殺するように変速比を制御することにより、変速機出力軸29の回転速度が一定に保たれる。この変速機出力軸29の一定の回転速度は、アイドラ軸31でさらに増速されたのちに、発電機23に伝達されるので、発電機23は常に一定の回転数で高速回転して一定周波数の交流電力を出力する。
トラクション変速機22の変速機出力軸29に設けられた第2出力ギヤ40は、オイルポンプユニット24における単一のポンプ回転軸43に設けられたポンプ入力ギヤ44に噛み合っている。単一のポンプ回転軸43の両端部には、潤滑油の吸引側ポンプ47および供給側ポンプ48が同軸状に連結されている。また、吸引側ポンプ47の下方位置には、潤滑油から空気を分離する遠心式空気分離器49が配置されている。ケース14の底部は潤滑油OLが貯留されるオイル溜まり15となっており、その上面である液面レベルLLは、通常、オイルポンプユニット24よりも上方にあり、オイル溜まり15内にオイルポンプユニット24が浸漬された状態となっている。このオイルポンプユニット24では、ケース14の底部に溜まっている潤滑油OLを吸引側ポンプ47の駆動により吸い上げ、空気分離器49によって潤滑油OL中の空気を分離除去したのち供給側ポンプ48に送り、供給側ポンプ48から、発電機23やトラクション変速機22等の潤滑対象部分に送給し、これらを潤滑したのちに重力でケース14の底部のオイル溜まり15に戻るように循環させている。
つぎに、実施形態の航空機用発電装置1の作用について説明する。図1に示したエンジンEの低圧軸9の回転が連結軸11およびギヤボックス13を介して発電装置1に伝達される。発電装置1では、変速機入力軸21からトラクション変速機22およびアイドラ軸31を介して発電機23に動力が伝達され、発電機23の回転により発電がなされる。
図6に示すように、本実施形態の航空機用発電装置1は、トラクション変速機22、発電機23およびオイルポンプユニット24などの全ての構成が、二つ割りとなったケース14内に収納されて、薄型で縦長の外形にコンパクトにまとめられている。このようにコンパクト化できたのは、図5に示すように、トラクション変速機22、発電機23およびオイルポンプユニット24の3つの軸心を互いに平行に配して、トラクション変速機22の上方および下方にそれぞれ発電機23およびオイルポンプユニット24を配置するとともに、互いに平行な発電機23、トラクション変速機22およびオイルポンプユニット24の各々の軸心C23,C22,C24を、図3に示すように、トラクション変速機22の軸方向から見て、エンジンEの軸心C(図2)と平行で、かつ、この軸心Cとほぼ同心円状の弓形の配置ラインL上に配置したことによる。
これにより、発電装置1は、図2のエンジンEの側面51に対し出っ張りの少ない状態で好適に取り付けられる外形となるだけでなく、エンジンEの側面部に取り付けたときに、弓形の配置ラインLがエンジンEの湾曲した側面51に沿うので、エンジンEを覆うナセルNの形状を、前面面積の増大を抑制できる好適な形状とすることができる。
また、この発電装置1では、図5のトラクション変速機22の第1出力ギヤ32とアイドラ軸31の第1中間ギヤ33とのギヤ比およびアイドラ軸31の第2中間ギヤ37と発電機23の入力ギヤ34とのギヤ比の設定により、トラクション変速機22の回転数を2段階で増速している。そのため、外径の小さい小形の第1および第2中間ギヤ33,37を用いながらも、例えば、トラクション変速機22の10,000r.p.m.程度の回数数を24000r.p.m.の回転数に増速して発電機23を回転駆動することができるので、200kVA以上を出力できる大容量発電にも容易に対応することができるとともに、回転速度を高速化してトルクを減らすことで、発電装置1の形状の大型化や重量の増大を抑制することができる。しかも、図3に示すように、アイドラ軸31は、これの軸心C31が前記配置ラインLよりも内側、つまりエンジンEの軸心C寄りに偏位して設けられているから、発電機23とトラクション変速機22との間における配置ラインLよりも内側の空いたスペースを有効利用することで、発電装置1の上下方向の寸法の増大を抑制することができる。
図5に示すオイルポンプユニット24は、ケース14内の下部に配置され、特にこの実施形態ではオイル溜まり15に浸漬されているので、ケース底部のオイル溜まり15から円滑に潤滑油OLを吸引して潤滑対象部分に供給することができる。例えば機体の姿勢の変化に対しても、潤滑油OLを円滑に供給することができる。また、発電機23は、トラクション変速機22の上方に配置されているから、下方のオイル溜まり15内の潤滑油OLに浸るのを避けることができるので、発電機23の回転数を高くしても、発電機23による潤滑油OLのかきまぜ損失を抑制できる。
オイルポンプユニット24を構成する吸引側ポンプ47および供給側ポンプ48は、トラクション変速機22の軸心C22と平行な単一のボンプ軸心C24を有しているから、両ポンプ47,48の軸心C24と直交する方向の寸法が小さくなるので、発電装置1の前面面積を小さくして空気抵抗の増大を抑制できる。
また、この実施形態の発電装置1は、パワースプリット方式を採用せずにエンジンEの回転をトラクション変速機22のみを介して発電機23に伝達する定速駆動機構としたので、トラクション変速機22の最大変速比を5:1程度に設定することが可能となり、これにより、エンジンEの回転数の変動が大きい図1の低圧軸9にギヤボックス13を介して連結しても、発電機23を定速回転させることが可能となる。また、低圧軸9は、高圧軸11と異なり補機12の負荷に対する制限がないので、図5のトラクション変速機22に大型のディスク27a,27b,28a,28bを用いて発電容量の増大を図ることができる。その場合、トラクション変速機22の回転をアイドラ軸31により増速して発電機23を高速回転していることにより、トルクを減少させることで過大な大型化や重量の増大を抑制することができる。
なお、発電機23、トラクション変速機22およびオイルポンプユニット24は、上下方向に並んで配置されていればよく、必ずしも、この順序で上方から下方へ並ぶ必要はない。例えば、上から下へオイルポンプユニット24、発電機23およびトラクション変速機22の順序で並べてもよい。その場合、オイル溜まり15とオイルポンプユニット24間を配管で接続する。発電機23はトラクション変速機22の上方に位置するので、オイル溜まり15からは上方に離間するから、オイル溜まり15内の潤滑油OLのかきまぜ損失が抑制される。
また、前記実施形態では、トラクション変速機22として、ダブルキャビティ型・ハーフトロイダル・トラクションドライブを用いる場合を例示して説明したが、単一のキャビティを有するシングルキャビティ型・トロイダル・トラクションドライブやフルトロイダル・トラクションドライブなどを用いることもできる。また、発電装置1のエンジンEへの取付位置は、実施形態において、図2のエンジンEの側部を例示したが、エンジンEの軸心から斜め45°位までの取付範囲Sであれば、機体の姿勢変化に対して潤滑油OLを円滑に循環させることができる。
さらに、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
1 航空機用発電装置
9 低圧軸(エンジンの回転軸)
14 ケース
15 オイル溜まり
22 トラクション変速機
23 発電機
24 オイルポンプユニット
31 アイドラ軸
32 出力ギヤ
33 第1中間ギヤ
34 入力ギヤ
37 第2中間ギヤ
40 ポンプ回転軸
47 吸引側ポンプ
48 供給側ポンプ
E エンジン
L 配置ライン
C エンジン軸心
C22 トラクション変速機の軸心
C23 発電機の軸心
C24 オイルポンプユニットの軸心
C31 アイドラ軸の軸心
OL 潤滑油

Claims (6)

  1. 航空機用エンジンにより駆動される発電装置であって、
    前記エンジンの回転軸に連結されるトラクション変速機と、
    前記トラクション変速機の出力により駆動される発電機と、
    前記トラクション変速機の出力により駆動される潤滑油用のオイルポンプユニットとを備え、
    前記トラクション変速機、発電機およびオイルポンプユニットが、それぞれ、エンジンの軸心と平行な軸心を有し、軸心方向位置が互いに重なった状態で、軸心方向と直交する上下方向に並んで配置されている航空機用発電装置。
  2. 請求項1において、前記発電機、トラクション変速機およびオイルポンプユニットの各軸心が互いに平行で、かつ前記トラクション変速機の軸方向から見て弓形の配置ライン上に配置されている航空機用発電装置。
  3. 請求項2において、前記トラクション変速機と前記発電機との間をギヤ連結するアイドラ軸を有し、このアイドラ軸に、前記トラクション変速機の出力ギヤに噛み合う第1中間ギヤと、前記発電機の入力ギヤに噛み合う第2中間ギヤとが設けられている航空機用発電装置。
  4. 請求項2または3において、前記アイドラ軸の軸心が前記弓形の配置ラインよりも内側に偏位している航空機用発電装置。
  5. 請求項1ないし3のいずれか一項において、さらに、前記トラクション変速機、発電機およびオイルポンプユニットを収納するケースを備え、前記ケースの底部に潤滑油を貯留するオイル溜まりが形成されており、前記発電機は前記トラクション変速機の上方に配置され、前記オイルポンプユニットは前記トラクション変速機の下方に配置されている航空機用発電装置。
  6. 請求項1から5のいずれか一項において、前記オイルポンプユニットは、前記トラクション変速機の軸心と平行な単一のボンプ軸心を持つ吸引側ポンプおよび供給側ポンプを有する航空機用発電装置。
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