JP5442707B2 - 可逆性電気機械を含むタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの分野に関し、特にヘリコプタ、飛行機などの航空機用、およびこれらのタイプのエンジンに可能なその他の用途などの、ターボエンジンおよびターボプロップの分野に関する。

より具体的には、本発明は、特にヘリコプタ用の、タービンエンジンに関し、エンジンは、ガス発生器と、ガス発生器によって発生するガスストリームによって回転的に駆動される自由タービンと、を含み、タービンエンジンはさらに、ガス発生器と結合するための可逆性電気機械を含み、前記可逆性電気機械は、タービンエンジンの始動段階においてガス発生器を回転させるのに適している。

従来、ガス発生器は少なくとも、回転中に結合し合う圧縮機およびタービンを含む。動作の原理は、以下の通りである：タービンエンジンに進入してくる新鮮な空気が、燃料と混合される燃焼室に供給される前に、圧縮機の回転によって圧縮される。燃焼によって燃えたガスはその後、高速で排出される。

このガスはその後、タービンが圧縮機を駆動するために必要なエネルギーをそこから抽出するように、ガス発生器のタービン内で最初に膨張する。

ガス発生器のタービンは、既燃ガスの運動エネルギーの全てを吸収するわけではなく、残った運動エネルギーは、ガス発生器によって発生するガスストリームに相当する。

そのためこのストリームは自由タービン内でガスが再び膨張するように、自由タービンに運動エネルギーを供給し、これは、ヘリコプタロータなどの従動部材を駆動するために、その運動エネルギーを機械的エネルギーに変換するのに役立つ。

タービンエンジンを始動する際、ガス発生器を回転駆動させること、すなわちタービンと結合した圧縮機の回転を駆動することが、必要である。上述のように、これは具体的には可逆性電気機械の役割の１つであって、それ自体が他でも知られており、通常はやはり発電機として可逆的に動作するのに適している電気モータである。

圧縮機の回転を駆動するモータとして動作する可逆性電気機械を使用することによって、圧縮機を通じて空気を流させ、燃焼を開始するためにこうして圧縮空気を燃焼室に送り込むことが可能である。

次いで燃焼は、タービンを回転駆動させることができるガスストリームを生成し、その時点で圧縮機の回転がタービンによって直接的に駆動されるが、これはガス発生器が自給式に動作していること、すなわちタービンエンジンが実際に始動したことを意味する。

装着されるそのようなタービンが電力を供給する必要のある電気機器を含む航空機が知られている。

たとえば、ヘリコプタにおいて、たとえば電気制御、加熱、空調、メカニカルウィンチなど、装着される電気機器に電力を供給する必要がある。

現在まで、飛行中に、電気機器用の電力を供給するために、可逆性電気機械が使用されてきた。この目的のため、および欧州特許第１７１２７６１号明細書に記載されているように、電気機械は発電機として動作し、ガス発生器によって回転駆動され、ガス発生器から得られた回転運動エネルギーは前記装置によって電気エネルギーに変換される。

欧州特許第１７１２７６１号明細書

ヘリコプタにおいて、ガス発生器から運動エネルギーを得ることは、欠点を伴う。

飛行中、電気機械によってガス発生器から得られる機械的な力の量の変化は、圧縮機領域のエンジンの動作線のシフトを生じさせる。

このシフトは、確保される必要のあるポンピングマージンに相当し、ひいては次のような結果を有する：
圧縮機が最適な圧縮率で使用されるのを妨げることにより、エンジン動作線の最適化を不利にする、
ひいては安定した性能を悪化させ、特定の燃料消費に影響を与える。

本発明の目的は、上記の欠点を改善する、特にヘリコプタ用の、タービンエンジンを提案することにある。

本発明は、電力を発生させるために、可逆性電気機械が、タービンエンジンが始動した後に自由タービンと結合するようにも設計されるということによって、この目的を達成する。

言い換えると、飛行中に、発電機として動作している可逆性電気機械の回転は、電気エネルギーへの変換用の運動エネルギーが自由タービンから有利に得られるように、自由タービンによって有利に駆動される。

発明者らは、自由タービンから所定量の運動エネルギーを引き出すことは、ガス発生器から同じ量の運動エネルギーを引き出すよりも、著しく少ない影響をタービンエンジンの効率に与えることに気付いた。これは、そのようなタービンエンジンの熱力学サイクルの独特の形態によるものである。

その結果、本発明のタービンエンジンは、エンジンの効率を過剰に不利にすることなく、電力が供給されるようにする利点がある。

さらに、飛行中に、加速のためにガス発生器の能力が維持される限り、本発明のタービンエンジンを装着したヘリコプタの操縦性が、はるかに影響されなくなる。

さらに、本発明において、ガス発生器の始動と電力供給に寄与するのは、同じ可逆性電気機械である。

有利には、可逆性電気機械は、第一停止可能（ｄｅａｃｔｉｖａｔａｂｌｅ）結合手段を通じてガス発生器の軸に結合され、前記可逆性電気機械は第二停止可能結合手段を通じて自由タービンの軸に結合され、第一および第二停止可能結合手段は、同時に起動されないように構成されている。

「停止可能結合手段」という用語は、前記結合手段に接続された部材が１つに結合されている起動位置、または前記部材が分離されている停止位置に前記結合手段があり得ることを示すために使用され、「部材」という用語は電気機械、ガス発生器、および自由タービンを含むと理解される。

本発明において、第一結合手段が起動しているとき、第二結合手段は停止され、すなわち可逆性電気機械は、自由タービンから分離されている間、ガス発生器に結合され、その一方で反対に、第二結合手段が起動しているとき、第一結合手段は停止され、すなわち電気機械は、ガス発生器から分離されている間、自由タービンに結合されている。

本発明の範囲から逸脱することなく、第一および第二結合手段の両方が同時に停止される中間位置を提供することも、可能である。

本発明によれば、可逆性電気機械は、タービンエンジンを始動しながらガス発生器の回転を駆動するように、第一結合手段が起動するときには、電気モータとして動作する。

相応に、可逆性電気機械は、自由タービンから運動エネルギーを得ることによって電力を生じるように、第二結合手段が起動するときには、発電機として動作し、これはタービンエンジンが始動した後、すなわち基本的には飛行中に、起こることである。

第一および第二結合手段は同時に起動することができないので、自由タービンがガス発生器を回転駆動する有害な状態が発生する危険がない。

有利には、第一および／または第二結合手段は、フリーホィールを含む。

フリーホィールを使用する利点は、外部操作者によって電気的または機械的に制御される必要がないことである。

このようなフリーホィールは一般的に、ハブ、およびハブ上で回転するように実装された周囲リングによって構成される。ハブは周囲リングを回転駆動してもよいが、その逆はできない。したがって、ハブは、「係合方向」と称される、所定の方向にハブが回転しているときにのみ、リングを駆動することができる。そうでなければ、ハブおよび周囲リングは、相互に対して自由に回転する。

具体的には、停止可能結合手段は、フリーホィールのハブが周囲リングを回転駆動するときに起動され、反対に、停止可能結合手段は、フリーホィールのハブが周囲リングを回転駆動しないときには停止される。

好ましくは、第一および第二結合手段は第一フリーホィールを含み、第二結合手段は第二フリーホィールを含み、第一および第二フリーホィールは対向して実装される。

「対向して実装される」という用語は、第一フリーホィールが電気機械から来る回転トルクを伝達することができるのに対して、第二フリーホィールは電気機械に向かう回転トルクを伝達することができることを意味するために使用される。

有利には、第一および／または第二結合手段はさらに、減速ギアを含む。

「減速ギア」という用語は、たとえば歯車列を含む、１つ以上の減速段階を意味するために使用される。このような減速ギアは、他でも知られているものである。

ガス発生器および自由タービンは一般的に、可逆性電気機械よりも実質的に高速で回転するので、減速ギアは、可逆性電気機械の回転速度をガス発生器および自由タービンの回転速度に一致させるのに役立つ。

有利には、第一結合手段は、第一減速係数を有する第一減速ギアを含み、その一方で第二結合手段は、第二減速係数を有する第二減速ギアを含み、その点において、第一および第二減速係数の比は、第一限界値よりも小さい。

好ましくは、この第一限界値は、第一および第二フリーホィールが同時に係合しないように選択される。

好ましくは、この第一限界値は、ガス発生器の公称速度を自由タービンの公称速度で除した比に比例する。好ましくは、比例係数は、厳格に１未満である。

本発明の別の実施形態において、可逆性電気機械は、電力を発生させるために、ガス発生器に結合されるのにも適している。

好ましくは、発電機として動作している可逆性電気機械がその後、ガス発生器から運動エネルギーを得ることによって有利に電力を供給するように、可逆性電気機械は、タービンエンジンが始動した後、および自由タービンが低速で回転しているかまたは実際に遮断されている間に、ガス発生器に結合されるのに適している。

有利には、可逆性電気機械は、第三停止可能結合手段によってガス発生器の軸に結合されるのに適しており、第一、第二、および第三結合手段は、前記結合手段のうちの１つのみが一度に起動されるように構成されている。

言い換えると、第三結合手段が起動されているとき、第一および第二結合手段は停止され、すなわち可逆性電気機械は、自由タービンから分離されている間、第三結合手段のみを経由してガス発生器に結合している。

好ましくは、第三結合手段は、第一結合手段とは異なる。

好ましくは、第三結合手段は、第三フリーホィールを含む。

有利には、第一および第三フリーホィールは、対向して実装される。

その結果、第一および第三フリーホィールは、同時に係合することができない。

好ましくは、しかし必須ではないが、第三結合手段は、噛み合いクラッチ形成手段をさらに含む。

このような状況下で、噛み合いクラッチは、第三結合手段を起動または停止させるのに役立ち、その一方で第三フリーホィールは、これらの動作がゼロトルクで実行される限り、クラッチの噛み合いおよび分離を容易にする。

別の変形実施形態において、第三結合手段は、噛み合いクラッチおよび第三フリーホィールの代わりとなる油圧結合器を含む。

本発明のタービンエンジンが３つのフリーホィールを有する場合、第三結合手段もまた有利に第三減速係数を有する第三減速ギアを含み、第二および第三減速係数の比は第二限界値よりも大きい。

この第二限界値は、飛行中に、ガス発生器が、発電機として動作している可逆性電気機械の回転を駆動しないような方法で、選択される。

好ましくは、この第二限界値は、ガス発生器の公称速度を自由タービンの公称速度で除した比に比例する。

好ましくは、比例係数は、厳格に１より大きい。

非限定的な例として提示される以下の実施形態の説明を読むことで、本発明をより良く理解することができ、その利点がより明確になる。説明は、以下の添付図面を参照する。

本発明のタービンエンジンの断面図である。 タービンエンジンが第一および第二結合手段を含む、本発明の第一の実施形態の図である。 タービンエンジンが第一、第二、および第三結合手段を含む、本発明の第二の実施形態の図である。 結合手段が噛み合いクラッチも含む、図３に示される本発明の第二の実施形態の変形例の図である。

図１は、特にヘリコプタロータ（図示せず）を回転させる際に使用する、本発明の第一の実施形態を構成するタービンエンジン１０の図であって、タービンエンジン１０は、ガス発生器１２と、ガス発生器１２によって発生したガスのストリームによって回転的に駆動されるのに適した自由タービン１４と、を含む。

自由タービン１４は、ヘリコプタ主ロータなどの従動部材に回転運動を伝達する軸１６に実装されている。

図１に示されるタービンエンジン１０は、同心軸を経由する供給による前方からの動力取出装置を備えるタイプである。本発明の範囲を逸脱することなく、自由タービン型タービンエンジンを、外部軸によって供給される前方の動力取出装置を備えるタイプ、または実際に後方に動力取出装置を備えるタイプの自由タービンタービン型エンジンとすることが、完全に可能である。

ガス発生器は、圧縮機２０およびタービン２２の両方が実装された回転軸１８と共に、ガス発生器１２が回転軸１８の軸方向にあると考えられるときに圧縮機２０とタービンとの間で軸方向に位置する燃焼室２４も含む。

タービンエンジン１０は、ガス発生器１２に進入する新鮮な空気を通す空気注入口２８が設けられたケーシング２６を示す。

ガス発生器１２のエンクロージャに入った後、新鮮な空気は圧縮機２０によって圧縮され、圧縮機２０は燃料と混合される燃焼室２４の注入口に空気を供給する。

燃焼室２４の中で起こる燃焼は、既燃ガスをタービン２２に向けて高速で排出し、それによってガス発生器１２の軸１８を回転的に駆動し、ひいては圧縮機２０を駆動する効果を有する。

ガス発生器１２の軸１８の回転速度は、燃焼室２４に進入する燃料の流量によって決定される。

タービン２２によって抽出される運動エネルギーがあるにもかかわらず、ガス発生器を離れたガスストリームはかなりの運動エネルギーを示す。

図１から分かるように、ガスストリームＦは自由タービン１４の方向に向けられ、それによって自由タービン１４の中でガスを膨張させ、ひいてはタービンホイールおよび軸１６が回転するように導く効果を有する。

タービンエンジン１０は、特に発電機として可逆的に動作するのに適している電気モータによって構成される、可逆性電気機械３０も含む。

可逆性電気機械３０は、第一停止可能結合手段３２を通じて、ガス発生器１２の軸１８に、機械的に結合される。

より正確には、図２から分かるように、第一停止可能結合手段３２は、第一フリーホィール３４と、好ましくは第一減速係数Ｋ１を有して軸１８と第一フリーホィール３４との間に位置する第一減速ギア３６と、を含む。

第一フリーホィールは、可逆性電気機械３０が電気モータとして動作しているときには、可逆性電気機械３０の軸３８の回転がガス発生器１２の軸１８の回転を駆動することができ（第一結合手段起動）、その一方では反対に、ガス発生器１２の軸１８の回転が可逆性電気機械３０の軸３８の回転を駆動することができない（第一結合手段が停止）ような方法で、実装されている。

言い換えると、第一フリーホィール３４は、回転トルクを可逆性電気機械３０からガス発生器１２にしか伝達することができず、逆方向には伝達できない。

このように、可逆性電気機械３０の軸３８の回転は、ガス発生器１２を起動するために、ガス発生器１２の軸１８の回転を駆動するのに適している。ガス発生器１２が始動すると、可逆性電気機械はもはやガス発生器１２の回転を駆動しない。

有利には、第一減速係数Ｋ１は、可逆性電気機械の速度がエンジンを始動するのに必要な速度範囲と一致するように、選択される。

本発明によれば、可逆性電気機械３０は、発電機として動作しているときに、前記可逆性電気機械が電力を供給するために自由タービン１４によって回転的に駆動されるのに適するように、第二結合手段４０を通じて有利に自由タービン１４に結合するのにも、適している。

図２から分かるように、第二結合手段４０は、第一フリーホィール３４と類似していて、可逆性電気機械の軸３８に接続している、第二フリーホィール４２を含む。

第二結合手段４０はまた、第二フリーホィール４２と自由タービンの軸１６との間に位置する、第二減速ギア４４も含む。

第二減速ギア４４は、可逆性電気機械の速度が電力を供給できるようにするのに必要な速度範囲に適合するように選択される、第二減速係数Ｋ２を有する。

第二フリーホィール４２は、自由タービン１４の軸１６から電気機械３０の軸３８に向けてのみ回転トルクを伝達することができるように、実装される。

言い換えると、第二フリーホィールのため、可逆性電気機械３０は、自由タービン１４によって駆動されてもよい（第二結合手段起動）が、前記自由タービンを駆動することはできない（第二結合手段停止）。

自由タービン１４が可逆性電気機械３０の回転を駆動するとき、機械は発電機として動作し、電力を発生させる。

図２から分かるように、第一および第二フリーホィールは、対向して実装される。

具体的には、これらは逆の係合方向を呈する。

このように、モータとして動作している可逆性電気機械がガス発生器の軸１８の回転を駆動するとき（第一フリーホィール係合、すなわち第一結合手段起動）、第二フリーホィールは、可逆性電気機械から自由タービン１４の軸１６へ回転トルクを伝達しない（第二結合手段停止）。

反対に、自由タービン１４の軸１６が発電機として動作している可逆性電気機械３０の軸３８の回転を駆動するとき（第二フリーホィール係合、すなわち第二結合手段起動）、第一フリーホィールは、可逆性電気機械の軸３８からガス発生器の軸１８に回転トルクを伝達しない配置になっている（第一結合手段停止）。

図２から分かるように、第一および第二フリーホィールは、両方とも可逆性電気機械３０の軸３８に接続されている。

自由タービン１４がガス発生器１２の軸１８の回転を駆動するのを防止するために、第一フリーホィールが係合しないことが必要である。

これを達成するために、第一および第二減速ギアの減速係数Ｋ１およびＫ２は、以下のように随意に選択されてもよい。たとえば：

ここで、
１００％ＮＧは、ガス発生器１２の軸１８の公称回転速度であり、
１００％ＮＴＬは、自由タービン１４の軸１６の公称回転速度であり、
λ_ｍｉｎ、すなわち比例係数は、好ましくは以下の比の最小値に等しい。

言い換えると、第一および第二減速係数Ｋ１およびＫ２の比は、第一限界値Ｌ１よりも小さい：

この第一限界値Ｌ１で、発明者らは、タービンエンジンの動作中には、第一および第二結合手段は決して同時に起動しないことを見いだした。

図３を参照して、本発明の第二の実施形態の説明を続ける。

本発明の第二の実施形態におけるタービンエンジンは、具体的には可逆性電気機械３０が電力を発生させることができるほど十分に早く自由タービンが回転していないときに有利に、電力を生じさせるように、ガス発生器１２の軸１８と、発電機として動作している可逆性電気機械３０の軸３８との間の回転トルクを伝達するのに適した第三停止可能結合手段５０を通じて、可逆性電気機械３０がガス発生器の軸１８と結合するのにも適しているという点において、図２の第一の実施形態とは異なる。

たとえば、自由タービン１４が遮断されるかまたは低速で回っているとき、具体的にはヘリコプタが地上にあるときに、第三結合手段５０が起動されるように、準備される。

このような状況下で、電力を発生させるために電気機械３０の回転を駆動するのはこのようにガス発生器１２であって、ヘリコプタは地上にあるので、このような状況において、ヘリコプタの操作性に関する上述の問題は発生しないことが、強調されている。

有利には、第一、第二、および第三結合手段は、前記結合手段のうちの１つのみが一度に起動されるように構成されている。

具体的には、第三結合手段５０が起動されているとき、すなわちガス発生器が可逆性電気機械を発電機として作用するように回転的に駆動するとき、第一結合手段３２および第二結合手段４０は停止される。

図３から分かるように、第三結合手段５０は、好ましくは第一フリーホィール３４と類似の第三フリーホィール５２と、第三減速係数Ｋ３を有する第三減速ギア５４と、を含み、このギアは、第三フリーホィール５２と、ガス発生器１２の軸１８との間に設けられる。

具体的には、第三結合手段５０の動作原理は、第一および第二結合手段のそれと類似している。

飛行中に、ガス発生器１２が発電機として動作している可逆性電気機械３０の回転を駆動しないことを確実にするために、減速係数Ｋ１およびＫ２に関する上述の条件に加えて、以下のように減速係数Ｋ２およびＫ３を選択することが適切である：

ここでβ_ＭＡＸ、すなわち比例係数は、好ましくは以下の比の最大値に等しい。

言い換えると、第三および第二減速係数Ｋ３およびＫ２の比は、以下の第二限界値Ｌ２よりも大きい：

この第二限界値Ｌ２で、発明者らは、ヘリコプタの飛行中に、ガス発生器は決して可逆性電気機械を駆動しないことを見いだした。

本発明の第二の実施形態の変形例において、図４に示されるように、第三結合手段５０は噛み合いクラッチ６０も含み、これは好ましくは、第三フリーホィール５２と第二減速ギア５４との間に位置する。

より正確には、噛み合いクラッチ６０は、第三フリーホィール５２の周囲リングに固定された第一部分６２と、第三減速ギア５４に固定された第二部分６４とを有する。

噛み合いクラッチ６０は、その他の結合手段の起動状態とは無関係に、ガス発生器１２、自由タービン１４、および可逆性電気機械３０のそれぞれの回転速度とも無関係に、第三結合手段を停止させることができる。

噛み合いクラッチ６０の利点の１つは、飛行中に第三結合手段が実際に停止していることを確実にすることである。このような状況下では、第二限界値Ｌ２を指定する必要はない。

さらに、第三フリーホィール５２のため、フリーホィール５２に固定された、噛み合いクラッチ６０の第一部分６２が、噛み合いクラッチ６０の第二部分６４に対向するトルクに逆らわないので、噛み合いおよび分離を容易に実行することができる。したがって、噛み合いおよび分離は、ゼロトルクで実行される。

それほど有利ではないその他の変形例において、その他のシステム、好ましくは油圧結合器またはクラッチまたはこの目的に適したその他のいずれかのシステムを使用することによって、第三フリーホィール５４を省略することが可能である。

Claims (8)

1. ヘリコプタ用のタービンエンジンにおいて、エンジンが、ガス発生器と、ガス発生器によって発生するガスストリームによって回転的に駆動される自由タービンと、を含み、タービンエンジンがさらに、ガス発生器と結合するための可逆性電気機械を含み、可逆性電気機械が第一停止可能結合手段を通じてガス発生器の軸に結合され、可逆性機械が第二停止可能結合手段を通じて自由タービンの軸に結合され、第一結合手段が、第一フリーホィールと、第一減速係数を有する第一減速ギアとを含み、第二結合手段が、第一フリーホィールと対向して実装される第二フリーホィールと、第二減速係数を有する第二減速ギアとを含み、前記可逆性電気機械が、タービンエンジンの始動段階においてガス発生器を回転させるのに適しており、可逆性電気機械はまた、電力を発生させるために、タービンエンジンが始動した後に自由タービンと結合するように設計されており、第一および第二結合手段が同時に起動しないように構成されていることを特徴とする、タービンエンジン。
2. 第一および第二減速係数の比が第一限界値よりも小さい、請求項１に記載のタービンエンジン。
3. 可逆性電気機械が、電力を発生させるためにガス発生器と結合されるのにも適している、請求項１に記載のタービンエンジン。
4. 可逆性電気機械が、第三停止可能結合手段によってガス発生器の軸と結合されるのに適しており、第一、第二、および第三結合手段が、前記結合手段のうち１つのみが一度に起動されるように構成されている、請求項１に記載のタービンエンジン。
5. 第三結合手段が第三フリーホィールを含む、請求項４に記載のタービンエンジン。
6. 第一および第三フリーホィールが対向して実装される、請求項５に記載のタービンエンジン。
7. 第三結合手段が噛み合いクラッチ形成手段をさらに含む、請求項４に記載のタービンエンジン。
8. 可逆性電気機械が、第三停止可能結合手段によってガス発生器の軸と結合されるのに適しており、第一、第二、および第三結合手段が、前記結合手段のうち１つのみが一度に起動されるように構成され、
   第三結合手段もまた第三減速係数を有する第三減速ギアを含み、第二および第三減速係数の比が第二限界値よりも大きい、請求項２および４から７のいずれか一項に記載のタービンエンジン。

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