JP5086050B2 - Ｌｐｔの後方で出力タービンを使用する発電 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械に関し、より具体的には、ガスタービンエンジンによる電力の生成に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、１つ又はそれ以上の圧縮機を含み、これら圧縮機には次に、燃焼器並びに高圧及び低圧タービンが続く。これらのエンジン構成要素は、直列流れ連通状態で配置され、かつエンジンの長手方向中心軸線の周りで環状の外部ケーシング内に配置される。作動中に、圧縮機は、それぞれのタービン及び圧縮機空気によって駆動される。圧縮機空気は、燃焼器内で燃料と混合されかつ点火されて、高温の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、高圧及び低圧タービンを通って流れ、これらタービンは、高温の燃焼ガスが発生したエネルギーを取出して、圧縮機を駆動しまた補助出力を生成するようにする。

エンジン出力は、シャフト出力としてか又は飛行中の航空機に動力を供給するための推力としてかのいずれかとして伝達される。例えば、バイパス式ターボファンエンジンにおけるファンロータ又はガスタービンプロペラエンジンにおけるプロペラのようなその他の回転負荷では、高圧及び低圧タービンから出力を取出して、それぞれのファンロータ及びプロペラを駆動するようにする。

ターボファンエンジンの個々の構成要素には、作動中に異なる出力パラメータが必要であることは良く理解されている。例えば、ファン回転速度は、先端速度によってある程度に制限され、またこの回転速度は、ファン直径が非常に大きいので、非常に低速にしなければならない。一方、コア圧縮機は、その先端直径が極めて小さいことから、より高速の回転速度で駆動させることができる。従って、航空機用ガスタービンエンジンにおけるファン及びコア圧縮機には、独立した出力伝達装置を備えた別個の高圧及び低圧タービンが必要となる。さらに、タービンは、より高速の回転速度において最も効率的となるので、ファンを駆動するより低速のタービンには、必要な出力を取出すために付加的な段が必要になる。

多くの新型の航空機システムは、現在の航空機システムにおける電気負荷よりも大きい電気負荷に適応するように設計されている。現在開発されている商用旅客機設計の電気システム仕様は、現在の商用旅客機の電力の２倍をも要求する可能性がある。この増大した電力需要は、航空機に動力を供給するエンジンから取出された機械的出力から引出さなければならない。例えば高い高度からアイドル状態で降下している間のような比較的低い出力レベルで航空機エンジンを作動させている時に、エンジンの機械的出力からこの付加的電力を取出すことは、エンジンを適切に作動させる能力を低下させるおそれがある。

従来から、電力は、ガスタービンエンジンにおける高圧（ＨＰ）エンジンスプールから取出される。ＨＰエンジンスプールの比較的高速な作動速度により、該スプールは、エンジンに結合された発電機を駆動するための理想的な機械的動力源となる。しかしながら、単にＨＰエンジンスプールのみに頼るのではなくて、エンジン内の付加的な動力源から出力を引出して発電機を駆動することが望ましい。比較的低い出力レベルで作動している時（例えば、高い高度からのアイドル降下時又はそれに近い状態時、地上緩速走行での低出力時など）にエンジンからこの付加的な機械的出力を取出すことは、エンジン作動性を低下させるおそれがある。低圧（ＬＰ）エンジンスプールは、代りの動力伝達源を提供するが、ＬＰエンジンスプールの比較的低速により一般的に、低速の発電機は多くの場合により高速で作動する同様な定格の発電機よりも大型になるので、ギアボックスの使用が必要となる。ガスタービンエンジンのブーストキャビティは、インサイドアウト発電機を収納することができる利用可能な空間を有しているが、このブーストセクションは、ＬＰエンジンスプールの速度で回転する。

この変換に対しては、様々な形式の従来型の変速機、機械式歯車装置及び電気機械式構成を含む多くの解決方法が、可能である。１つの解決法は、第３の中圧（ＩＰ）スプールを有するタービンエンジンである。ＩＰスプールは、適切な作動のためにＨＰスプールに連結される必要があることもまた理解されている。この連結機構は、多くの場合に機械式クラッチ又はビスカス型カップリング機構と呼ばれる。この方法は、航空機システムを作動させるのに十分な出力を供給することができるが、エンジンが低速又はアイドル状態で作動している間に補助電気出力を生成することに関連した問題を直接解決するものではない。

２００５年５月２４日登録の「Ｇｅａｒｅｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅ ｗｉｔｈ Ｔｏｒｑｕｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃａｐａｃｉｔｙ」という名称の米国特許第６，８９５，７４１号は、３つのシャフトを有する機械式歯車減速エンジンを開示している。ファン、圧縮機及びタービンシャフトは、付加的遊星歯車装置を使用することによって機械的に結合される。効果的なギア比は、電磁機械及び出力変換装置の使用により可変である。しかしながら、このシステムは、実際的用途においては幅広く使用されることはなかった。

航空機に対して電力を供給するための別の方法及びシステムは、発電機がＬＰタービンの後方に配置されたエンジンを使用する。この方法及びシステムは、エンジンが低速又はアイドル速度で運転している間であってもエンジンによる発電を可能とする。しかしながら、ＬＰタービンから排出される高温ガスは、腐食性であり、一般的な発電機に対して損傷状態を生じさせる。
米国特許第６，８９５，７４１号公報 米国特許第６，９４９，８５５ Ｂ２号公報 米国特許第６，９１０，３３５ Ｂ２号公報 米国特許第６，７９１，２２２ Ｂ２号公報 米国特許第６，２７０，３０９ Ｂ１号公報 米国特許第５，７９３，１３６号公報 米国特許第５，３７６，８２７号公報 米国特許第３，６３５，０１９号公報 米国特許第３，５９６，１２２号公報

従って、必要とされるものは、低エンジン作動出力レベルの間にエンジン作動性を低下させずに電気出力を発生することを可能にしかつ増大する航空機の電気需要を満たすことになるようなエンジンから電気出力を取出す方法及びシステムである。

以下のパラグラフでは、本明細書と共に提出した独立請求項によって定まる本発明の実施形態を要約する。本発明の１つの実施形態は、電気エネルギーを発生するためのシステムであり、本システムは、高圧タービン、低圧タービン、後部タービン及び排出流を有するエンジンを含む。本システムはまた、複数のステータコイル、ステータコア及びロータコアを有し、かつ低圧タービンの後方に配置された発電機を含む。さらに、本システムは、複数のダクトと、可変ノズルとを含む。可変ノズルは、複数のダクト内の空気流を制御して該複数のダクトの少なくとも１つのダクト内の空気流がロータに対して励起を行うようにし、また空気流をシステムの上方で複数のダクトの少なくとも１つのダクト内に流して発電機をバイパスさせるようにする。

本発明の別の実施形態は、電気エネルギーを発生するための航空機エンジン用システムであり、本システムは、航空機エンジンの低圧タービンの後方に配置されたインサイドアウト発電機、複数のステータコイル、ステータコア及びロータコア並びに複数のダクトを含む。複数のダクトは、航空機エンジンの排出流を分配して、電力を生成するためにロータコアに対して励起を行う。

本発明の１つの利点は、ターボファンエンジンによるよりも大きな出力取出しである。

本発明の別の利点は、ターボファンエンジンからの制御可能な出力取出しである。

本発明のさらに別の利点は、低圧タービンの排気によるアイドル時でのエネルギーの生成である。

本発明のさらに別の利点は、余分な発電を望まない時にエンジンの推力パスが妨げられないことである。

本発明のさらに別の利点は、後部取付けタービンが、他のエンジンスプールとは独立しており、エンジン性能又は作動性に機械的な影響を与えず、タービンが、高速で駆動され、従って発電機の必要サイズを縮小することができることである。

本発明のさらに別の利点は、エンジンの後部セクションの苛酷な環境に適した電磁機械型の使用を可能にするインサイドアウト発電機の使用である。

本発明のさらに別の利点は、タービンエンジンの後方での発電機の設置により、付属ギアボックス内への出力の投入が可能になることである。

本発明のその他の特徴及び利点は、実施例によって本発明の原理を示す添付図面と関連させて行った、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

可能な場合には常に、図面全体を通して同一の参照番号を使用して、同じ又は類似した部品を示すことにする。

一般的なガスタービンエンジン１０は、図1に示す４つの基本要素、すなわち吸入口３０に流入する空気の圧力及び温度を高める圧縮機３４と、空気の温度及び圧力をさらに上昇させる燃焼室３６と、温度上昇を回転エネルギーに変換する高圧及び低圧タービン３８、４６と、燃焼器３６内で付加されたエネルギーの残余部分を使用して空気を加速し、それによって大気中で航空機を高速で推進させる高速度ジェット排気を生成する排気ノズル３３とからなる。

図２は、インサイドアウト発電機２０が低圧タービン４６の後方に設置されたガスタービンエンジン１０の構成要素モデルを示す。エンジン10は、高圧圧縮機３４、燃焼器又はバーナ３６及び高圧タービン３８を含む構成要素間において直列軸流関係を有する。これらの構成要素は、コアエンジン４０を構成し、吸入ファン３０及びブースタ３２の下流に位置する。ファン３０及びブースタ３２は、コアエンジン４０と直列軸流関係になっている。ファン３０、ブースタ３２及び低圧タービン４６は、第１のシャフト４２によって連結されるが、圧縮機３４及び高圧タービン３８は、第２のシャフト４４で連結される。空気流は、コアエンジン４０を通って流れ、コアエンジンノズル（図示せず）を通して排気される。インサイドアウト発電機２０は、低圧タービンスプール４６と直列軸流関係になっている。後部出力タービン４５は、低圧タービン４６の後方に設置され、ガバナ４３及びインサイドアウト発電機２０に機械的に連結される。低圧タービン４６からの排出流は、後部出力タービン４５の出力を駆動する。図２はまた、高圧スプール４４を介してコアエンジン４０に直列に結合された付属ギアボックス４８並びに高圧スタータ・発電機４７を示している。

図３に示す電力取出しのための本発明の１つの実施形態は、低圧タービンスプール４２の後方に配置されたインサイドアウト発電機２０である。エンジン１０の後方部分内にインサイドアウト発電機２０を配置することにより、圧縮機３４の過酷な条件内に発電機２０を配置することが可能になる。エンジン１０を通る通常の空気流は、吸入口５０を介してコアエンジン（図示せず）を通り、高圧及び低圧タービン３８、４６の両方を通って流れ、空気は、排出口５２を通して排気される。図３に示す実施形態では、ダクト５４は、エンジン１０のアイドル又は低作動レベルの間に、低圧タービン４６の後方の排気流から空気流の一部分をインサイドアウト発電機２０のタービンブレードを通るように方向転換させる。エンジン１０の流路は、航空機に対する電気エネルギーを生成するために付加的な出力取出しを必要とする場合に、低圧タービン４６からの排気空気が後部タービンブレード４５を通してのみ引出されるように選択的に方向転換される。一般的に、付加的な発電は、エンジン１０がアイドルなどの全作動以下のあらゆるレベルで運転している時に、必要とされる。ダクト５４は、電気エネルギーが必要とされる時、例えば航空機が離陸時などの全出力で作動している時に、作動しているノズル５３の方向によって空気流を後部タービン内に導くので、エンジン１０の空気流路の妨害は、最小限に保たれ、それによってあらゆる損失を低減し、航空機エンジン１０の効率を増大させる。空気流は、第１及び第２の位置間で移行してインサイドアウト発電機２０のタービンブレードを通る空気流を可能にするか又は阻止するかのいずれかを行うダクト５４内の可変ノズル５３によって方向転換される。図１２及び図１３は、後部タービンをバイパスするような位置（図１２）及び後部タービンに供給するような位置（図１３）にある時の本発明の後部タービンを示している。戻って図３を参照すると、ノズル５３は、ダクト５４内への空気流の全てが後部タービンブレード４５内に導かれることを示している、開位置にあるものとして図示している。ブローカ５３Ａは、ノズル５３の閉又はバイパス位置である。それに代えて、ノズルはまた、そこではインサイドアウト発電機２０のタービンブレードへの空気流を可能にするが制限するような第１及び第２の位置間における任意の位置を取ることができる。

後部取付けタービン４５の速度は、低圧スプール４６がファン３０及びブースタ３２に直列に結合されると共に、高圧スプール４６がコアエンジン４０に直列に結合されているので、他のエンジンスプールとは独立している。高圧３８及び低圧４６スプールは、直列に結合されかつ後部タービン４５とは独立して作動するので、後部タービン４５によるインサイドアウト発電機の作動は、エンジン性能又は作動性に機械的な影響を与えない。アイドル及び低速度での作動に加えて、低圧タービン４６は、高速でも同様に駆動することができ、それにより、発電のためのより多くの出力を生成し、従って必要な発電機の要求寸法を削減することができる。発電機に使用する材料は、エンジンの空気流内で生成されかつ運ばれる過酷な腐食性ガスに耐えることができ、またタービンからの排気空気流の高温に耐えることもできる。従って、インサイドアウト発電機２０の使用は、エンジンの後部セクションの過酷な環境に適した電磁機械型の使用を可能にする。

図４は、インサイドアウト発電機２０の構成要素及び配置を示す。発電機２０は、ロータコア６０、ステータコア６２及び複数のステータコイル６４を含む。ステータコア６２及びステータコイル６４は、ロータコア６０の内側に配置され、固定しており、ブラケット又はその他の適切な固定手段（図示せず）によって固定される。ステータ及びロータコア６２、６０は、エンジン後部の過酷な条件に耐えるために容易に磁化及び消磁される鉄、磁性鋼、ケイ素鉄、鉄−コバルト合金或いはその他の適切な材料のような軟磁性複合材料を使用することによって形成されるのが好ましい。加えて、ステータ６２は、機械の回転磁界の内部に同心に設置される。この配置により、スイッチドリラクタンス型発電機、同期リラクタンス型機械又はあらゆる他の適切な型の電気機械のような、ロータ上に巻線を必要としない発電機械型の使用が可能になる。さらに、ステータ６２は、機械的に固定しており、すなわち回転しないので、エンジンの液体冷却管路に容易に結合することができる。ロータ６０は、そうでなければ主要な熱源となるコイルが存在しないことにより、なんらの冷却も不要とすることができる。発電機２０は、エンジン１０の高温セクション内に設置されるので、内側ステータ６２の無冷却又は簡易冷却属性は、発電機２０の重要な特性である。ステータ６２の冷却方法には、それに限定されないが、空冷、オイル伝導冷却及びオイル噴射冷却を含まれる。

本発明に対する別の実施形態（図示せず）は、ギアボックス（図示せず）を介して外部取付け発電機に連結された動力取出しシャフト（図示せず）に噛み合わせた低圧タービン４６シャフトを含む。この実施形態では、発電機５１は、低圧タービン４６の後方よりも過酷さが少ない環境内に設置される。発電機は、主エンジン４０の内側又は外側のいずれかに設置することができる。

本発明のさらに別の実施形態（図示せず）では、後部タービン４５は、主エンジンの付属ギアボックス（図２参照）に連結された動力取出しシャフトに噛み合わされる。動力経路内にオーバラン機構（図示せず）を設けて、付属ギアボックスに影響を与えずに後部タービンをアイドル作動させることができ、また推力が後部タービンにダクトを通して伝わった時に、後部タービンは付属ギアボックスに動力を供給することができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明で使用する例示的なインサイドアウト・スイッチドリラクタンス機械（ＳＲＭ）を示している。ロータ６０は、エンジンの後部タービン（図示せず）に連結される。ロータ６０は、その中に多相巻線（図示せず）が配置されたステータ６２の周りで回転する。具体的には、図５Ａ及び図５Ｂは、ステータが６極を有しかつロータが４極を有する本発明の実施形態を示している。図５Ａは、ロータ磁極６１がステータ磁極６３と直接整列していない時における磁束通路を示している。磁束は、磁極６１、６３の直接整列がない状態では弱い。図５Ｂは、ロータ磁極６１が複数のステータ磁極６３と直接整列している時における磁束を示している。磁束は、より強力かつ密度が高く、ロータ６０を通してステータ６２まで形成された流れ通路を有している。磁束通路の導磁度（permance）は、ロータ６０がステータ６２の周りで円周方向に回転するにつれて、またロータ磁極６１がステータ磁極６３と整列するにつれて変化する。電力は、変化する導磁度と、スイチッドリラクタンス機械の原理に基づいて多層、この実施例では３相のステータ巻線内への注入交流電流によって駆動される磁束との相互作用により、ステータ巻線内に発生することになり、このことは、当技術分野では一般にしられている。

次に図６及び図７を参照すると、インサイドアウト横方向磁束ＳＲＭ２０の１つの相を示している。機械は、発電機２０の中心に設置され、ロータコア６２によって外周を囲まれたステータコア６２から構成される。ステータコイルは、これもまたロータ６０の内側においてステータコア６２上に配置される。図７は、横方向磁束ＳＲＭの多相の１つの別の図を示している。ＳＲＭスタックの他の図に示されているように、ステータの周りで回転するロータ６０は、ステータコア６２及びコイル６４の外周を囲む。ステータコイル６４は、ステータコア６２内に配置され、相対回転して発電のために励起を行う。簡潔にするために、図６及び図７には、多相のうちの１つのみを示しているが、横方向磁束ＳＲＭ機械全体は、多くの相から構成して、リップルトルクを減少させかつ／又はより多くの出力を得ることができる。多相は、それらの間に一定程度の位相シフトをもたせた状態で互いに軸方向に積相することによって形成される。

図８Ａ及び図８Ｂは、インサイドアウト横方向磁束ＳＲＭ２０の磁束分布を示している。図８Ａは、ステータコア６２がロータ６０と直接接触していない時におけるＳＲＭ２０を示している。ステータコア６２のコーナ部７０は、それらコーナ部７０がロータ６０に最も近接した該ステータコア６２の部分であるので、最大の磁束量を有する。ステータ磁極６３がロータ磁極６１に極めて近接した直接リンク状態にある時に、磁束は、最大強度を有する。それ故、図８Ｂに示すように、ステータ磁極６３がロータ磁極６１に対して直接リンク状態にある時に、磁束分布が、最も強力になる。磁束通路の誘磁率は、ロータ６０がステータ６２の周りで円周方向に回転するにつれて、またロータ磁極６１がステータ磁極６３と整列するにつれて変化する。電力は、変化する導磁度と、横方向磁束スイチッドリラクタンス機械の原理に基づいてステータ巻線内への注入交流電流によって駆動される磁束との相互作用により、ステータ巻線内に発生することになる。

図９は、図６〜図８に示す横方向磁束ＳＲＭの別の図を示している。図９Ａは、ステータコイル６２を取付けた状態での位相の半分を示している。さらに、図１０は、発電機７０を低圧タービンの後方に設置した状態の本発明のさらに別の実施形態を示している。また、図１１は、ステータ６４とロータ６０と間に発電機７０を配置した、本発明のさらに別の実施形態を示している。

好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には分かるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲を逸脱することなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように多くの変更を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明が、特許請求の範囲の技術的範囲の範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。

現在のタービンエンジンシステムを示す図。 本発明の構成要素レベルモデルを示す図。 本発明のスイッチドリラクタンス・インサイドアウト発電機の断面図。 本発明の発電機のインサイドアウト構成の断面図。 本発明の非結合状態磁束分布を示す図。 本発明の結合状態磁束分布を示す図。 本発明の発電機の単相の断面図。 本発明の発電機の斜視図。 ステータがロータと整列していない時における本発明の磁束配置を示す図。 ステータがロータと整列している時における本発明の磁束配置を示す図。 図示したステータを備えた、単相８極３相スイッチドリラクタンスモータを示す図。 単相８極３相スイッチドリラクタンスモータを示す図。 本発明の別の実施形態の断面図。 本発明のさらに別の実施形態の断面図。 それをバイパスされるような位置にある後部タービンを示す図。 それに供給されるような位置にある後部タービンを示す図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
２０ インサイドアウト発電機
３０ 吸入口、ファン
３２ ブースタ
３３ 排気ノズル
３４ 圧縮機
３６ 燃焼室
３８ 高圧タービン
４０ コアエンジン
４２ 第１のシャフト、低圧スプール
４３ ガバナ
４４ 第２のシャフト、高圧スプール
４５ 後部出力タービン
４６ 低圧タービン
４７ 高圧スタータ・発電機
４８ 付属ギアボックス
５０ 吸入口
５２ 排出口
５３ 可変ノズル
５４ ダクト
６０ ロータ
６１ ロータ磁極
６２ ステータ
６３ ステータ磁極
６４ ステータコイル

Claims (4)

1. 電気エネルギーを発生するシステムであって、
   高圧タービン(３８)、低圧タービン(４６)、後部タービン（４５）及び排出流を有するエンジン（１０）と、
   前記低圧タービンの後方に配置された発電機（２０）と、
   前記低圧タービンと直列流れ連通状態で配置された複数のダクト（５４）と、
   前記ダクト内に配置された可変ノズル（５３）と、
   を含み、
   前記発電機は、
   ステータコアの凹部内に取付けられた複数のステータコイル（６４）を含むステータコア（６２）と、
   巻線がなく透磁性材料で構成されたリラクタンス型のコアを含み、前記後部タービンに機械的に結合されたロータコア（６０）と、
   を含み、
   前記ステータコアと前記複数のステータコイルは固定されており、
   前記ロータコアは、前記ステータコアと前記複数のステータコイルの周囲に円周方向に配置され、
   前記可変ノズル（５３）が、前記複数のダクト（５４）内の空気流を制御して該ダクト（５４）内の空気流が前記ロータコアに対して励起を行うようにし、空気流を前記発電機をバイパスするようにし、
   前記複数のダクト（５４）の少なくとも１つのダクト（５４）が、前記エンジン（１０）のアイドル運転時に前記ロータ（６０）を通して該エンジン（１０）の排出流を導く、
   システム。
2. 前記ロータコア（６０）が、スイッチドリラクタンスロータ及び同期ロータからなる群のうちの１つである、請求項１記載のシステム。
3. 前記ステータコア（６２）及びロータコア（６０）が、軟磁性複合材料で形成される、請求項１記載のシステム。
4. 前記軟磁性材料が、鉄、磁性鋼、ケイ素鉄及び鉄−コバルト合金の１つである、請求項３記載のシステム。
   

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