JP5512111B2 - ファン内に発電機を配置したターボジェット - Google Patents

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Description

本発明は、高圧スプールと低圧スプールとを備える二重スプール式ターボジェットに関する。より具体的には、本発明は、航空機の残りの部分に電気を供給するように機械的動力が取り出されることを可能にするための改良に関する。
従来、二重スプール式ターボジェットは、高圧コンプレッサおよび高圧タービンを備えた高圧スプールと、低圧コンプレッサおよび低圧タービンを備え、ファンを駆動する低圧スプールとを収容するエンジンナセルを備える。
一般的に、このようなターボジェットの機能は、航空機に推力を提供することだけでなく、コンピュータへの動力供給、機内照明など様々な目的で航空機に電気を提供することである。
現在では、電気的手段によって果たされる役割が増大していることを鑑みて、取り出されて電力に変換される機械的動力の量を増大する傾向にある。電気的手段は、航空機に搭載しての使用に際して融通性が高いという評判を有する。
ターボジェットによって供給される機械的動力の一部を電気に変換するために、発電機が使用されている。
発電機は通常ターボジェット内に位置付けられていない。ターボジェットのシャフトの1つに二次シャフトがギアリングを介して接続されることによって、二次シャフトをエンジンの動作時に回転するように設定し、そのようにして発電機を動作させるのに必要な機械的動力をそれに伝達する。発電機は、ターボジェットの外側でシャフトの端部付近に配置されてもよい。
WO2007/036202で述べられている他の知られている構成では、発電機はターボジェットの内部に、より正確には高圧スプールの内部に配置されてもよい。有利には、発電機は可逆的に動作して始動機としての機能も果たす。
ターボジェットの始動時には、電気モータとして作動される発電機を使用して、最初に高圧スプールが回転される。次いで高圧コンプレッサが加圧下の空気を燃焼室に供給することによって燃焼が確立されることを可能にし、ターボジェットの高圧段が始動することを可能にする。次いで低圧タービンが一次空気の排気流によって回転駆動されることによって、低圧スプールおよびファンを駆動する。ターボジェットが始動された後は、電気始動機への動力供給は断たれて、電気始動機は高圧コンプレッサを駆動するモータとして機能することを停止する。
高圧スプール内に発電機を配置することは、その主な利点として、発電機を上述のようにターボジェットを始動するための電気モータとして、また航空機の残りの部分に電気を供給するための発電機としても使用できるという事実を有する。
それにも関わらず、この構成は様々な欠点を提示する。最も顕著な点は、発電機がそのように配設されているとき、機械的動力が電力に変換される全体的効率が低いということである。所与の電力を供給するために必要な燃料の追加消費は、発電機が低圧スプールから動力を取り出す場合よりも高圧スプールから動力を取り出す場合の方が大きい。
さらに、高圧スプール内に発電機を配置することは困難である。高圧スプールは、多数の管を含む小径の領域を構成する。したがって発電機を定位置内に配置し維持管理することは困難である。
さらに、高圧コンプレッサの翼は一般的に可変ピッチの翼であることから、ロータとステータとの間隔または空隙を縮小することは困難である。その結果、このようにして製造された発電機は通常比較的低い効率しか提示しない。
最後に、高圧スプールから動力を引き出す発電機を設置すると、ターボジェットの操作性に対して問題を引き起こす可能性がある。極めて大きな機械的動力が取り出されると、高圧スプールの操作性にマイナスの効果が生じ、これが、特にエンジンの低速での動作時に、高圧コンプレッサのポンピングを引き起こす可能性がある。
ターボジェットから機械的動力を取り出して電気を作り出すための他の知られている方法が、WO2005/073519で述べられている。
電気を生成するために、この文献は、電気を作り出すことのみを目的とした、ターボジェットの二次流でファンの下流に位置付けられた追加のタービンを加えることを提案している。上記タービンは、ターボジェットのスプールとは無関係に回転する。
国際公開第2007/036202号パンフレット 国際公開第2005/073519号パンフレット
それにも関わらず、このタービンを追加すると、ターボジェットの構造が極めて複雑になり、その重量および体積も増大させる。さらに、機械的動力が電力に変換される効率が比較的低くなる。
本発明の目的は、高圧スプールと、固定ケーシング内に配設されたファンを駆動する低圧スプールと、ファン内に配置され、そこから動力を取り出し、ファン内に組み込まれたロータを含む発電機とを備え、上述の欠点を提示しないターボジェットを規定することである。
この目的は、発電機がファンケーシングに組み込まれたステータも含むという事実によって達成される。
発電機をファン内に、即ちより正確にはファンの可動部分と、ファンケーシングなどの静止部分とに配置することはいくつかの利点を提示する。
第1の利点は、大きな空間が発電機に利用できるという事実にある。エンジンナセルの一部分であるファンケーシングには、電気が作り出されるのを可能にする巻線と共に、ターボジェットを支持しているパイロンに上記電気がもたらされるのを可能にする電気ハーネスをも収容するのに充分な広さがある。したがって発電機の設置および維持管理が、利用可能空間の問題によって阻害されることはほとんどまたは全くない。
さらに、ファンは冷たいゾーンであり、これによって高温によって引き起こされる可能性のある問題を回避する。したがって、本発明の発電機では、ファン内の温度が超過すると磁石が磁気特性を失うことになるキュリー温度に決して達しないことから、磁石は冷却されない。
同じ理由によって、発電機の巻線がターボジェットの冷たいゾーンにあることから、巻線には比較的小さな冷却しか必要ない。したがって、巻線を冷却する手段のサイズおよび重量を小さくすることができる。
さらに、この発電機はターボジェットの要素(ファンブレード、そのケーシング)によって部分的に構成されていることが観察されるべきである。それらの要素は、発電機の存在に関係なくターボジェット内で必要である。その結果、発電機にのみ起因するターボジェットの重量増加は小さなままとなる。
さらに、ファンのサイズが大きいことから、比較的大きな動力の発電機、即ち、ターボジェットが装備された航空機の電気機器の様々な部分に同時に電気を供給するのに適した発電機を製作することが可能である。航空機搭載で見られる電気機器部分の数が増加していることから、このことは特に重要である。
最後に、上述のように、動力を高圧スプールよりもむしろ低圧スプールから取り出す方が得策である。発電機をファン内に配置することによってこの条件が満たされ、したがってより高い効率が得られ、機械的動力がより良好に電力に変換され、なによりも、極めて大きな動力が高圧スプールから取り出された場合に生じる、低速でのターボジェットの操作性および不安定性の問題が回避される。
さらに、高圧スプールに接続され、そこから動力を取り出す別の発電機をターボジェット内に設けることも可能である。
ファン内に位置付けられた発電機に加えてこのような第2の発電機が存在することによって、動力が2つの発電機によって共用される形で取り出されることが可能になり、これによって特に低速でのエンジンの操作性がさらに高められる。
ファン内に配置された発電機は、ターボジェットを始動させるための電気モータとして使用するには適していない。
第2の発電機が高圧スプールから動力を取り出すことの追加の利点は、第2の発電機が二重目的の発電機になり得ること、即ちこれが電気モータとしても動作することができるということであり、したがってタービンエンジンを始動させるために使用することができる。したがってタービンエンジンは、ファン内に位置付けられた発電機だけでなく、それぞれ高圧スプールから動力を取り出しかつ/または高圧スプールに動力を供給する別の発電機および/または始動機をも含む。
非限定的な実施例としてここに掲げる実施形態についての以下の詳細な説明を読めば、本発明をより充分に理解することができ、その利点がより明らかとなろう。添付の図面を参照して説明する。
図で示したターボジェット10は従来型二重スプール式であり、高圧コンプレッサ34および高圧タービン32を備えた高圧スプール30と、低圧コンプレッサ24および低圧タービン22を備えた低圧スプール20とを有する。低圧スプール20は、ファンケーシング14内に配設されたファン40を駆動する。ファンケーシング14はそれ自体がターボジェット10のエンジンナセル12の一部を形成している。
本発明の好ましい実施形態を、図2を参照して以下に説明する。この図は、本発明の発電機60が配置されているターボジェットの区域、即ちファンの区域を示している。
発電機60はファンの周囲に位置付けられ、ロータ62をファンブレードの半径方向外側端部に組み込んで、またステータ64をファンケーシング内に組み込んで備える。
ロータ62は、回転磁場を作り出すように永久磁石68をファンブレード42の端部に固定して含む。このようにロータ62はファンケーシングの内部に位置付けられ、ファンケーシングの直径を大きくしない。このようにしてファンケーシングまたはエンジンナセルの直径を大きくせずに発電機がファン(かつそのケーシング)内に加えられることが可能になる。
したがって有利には、ロータ62は単純かつ堅固な部品のみを備え、巻線または複雑な部品を有していない。巻線または複雑な部品は、ファンブレードの端部に作用する大きな遠心力によって損傷される可能性が高い。
ファンのブレードの数がNであるとすると、発電機はN/2対の極によって構成される。また、ブレードの全てに磁石を装着しないこと、例えばブレード1つおきにのみ装着することも構想することが可能である。
磁石68は、このタイプの発電機に一般的に使用されている材料であるサマリウムコバルトで製作されてもよい。
これらの磁石は、ファンブレード42の端部に、例えば接着剤などによって固定される。ファンブレード42は、磁石68と巻線66との空隙Aを最小限にするような形で配設される。有利には、空隙Aが縮小すると、発電機60の効率とファン40の効率との両方が上昇する。
ステータ部分は、ファンケーシング内に組み込まれた巻線66によって構成されている。これらのステータコイルまたは巻線66は銅から製作されてもよい。これらは、ファン40のブレード42の回転中に磁石68が通過する場所と一致するように配設される。有利には、かつ図3で示した通りの3相交流(AC)を得るために、ステータ64は3つの巻線を有する。他の実施形態では、ステータ64は、タービンエンジンの軸のまわりでそれぞれ120°離隔された巻線の同一の3つのグループを有することもできる。
したがって、ステータ部分は適切な電源である。有利には、ステータ部分は静止状態にあり、これによって簡単に電気を航空機内の他の機器に伝達して電気を消費できるようにする。
発電機のステータ64(特に巻線66)を冷却するために、巻線66にはそれぞれ、エンジンナセルの中に進入してくる空気流の一部分を取り出すようにファンケーシングの内部に配設されたスクープまたはデフレクタ80が設けられている。このスクープまたはデフレクタは、エンジンナセルケーシングの中に進入した冷気を取り込み、冷気を巻線66付近で通過する冷却管82の中へと導いて、巻線66を冷却する。
必然的に、エンジンの回転速度の変化は、発電機によって供給される電力に、特に電圧および周波数に関して変化を引き起こす。電気を調整し、直流(DC)電圧を得るために、発電機はまたAC/DCコンバータ72を、巻線66の出力部に、即ち巻線と航空機の電動部分との間の電気回路内に接続させて含む。
電気ハーネス70は、発電機60のステータ64によって生成された電気を航空機に伝達する働きをする。これらのハーネス70はエンジンナセルケーシングを通過し、エンジンを支持するパイロンを介して航空機の電気ネットワークに接続されている。
最後に、有利には、ブレードの端部で生じる速度が比較的高いことから(亜音速に留まるが)、発電機によって供給される電力は極めて大きなものとなる可能性があるが、その目的のために大きな寸法の磁石および/または巻線を使用する必要がないことが観察されるべきである。
本発明が適用される二重スプール式ターボジェットの略図である。 より具体的に本発明の手段を示す略図である。 発電機の巻線の位置を示すターボジェットの正面図である。
符号の説明
10 ターボジェット
12 エンジンナセル
14 ファンケーシング
20 低圧スプール
22 低圧タービン
24 低圧コンプレッサ
30 高圧スプール
32 高圧タービン
34 高圧コンプレッサ
40 ファン
42 ファンブレード
60 発電機
62 ロータ
64 ステータ
66 巻線
68 永久磁石
70 電気ハーネス
72 AC/DCコンバータ
80 スクープ
82 冷却管

Claims (5)

  1. ナセル(12)と、高圧スプール(30)と、ナセルの一部を形成する固定ケーシング内に配設されたファン(40)を駆動する低圧スプール(20)と、ファン(40)内に配置され、そこから動力を取り出す、ファン内に組み込まれたロータを含む発電機(60)とを備えるターボジェットであって、発電機が、ファンケーシング(14)内に組み込まれたステータ(64)も含み、ロータが、ファンブレード(42)に固定された永久磁石(68)を備え、ターボジェットが、ステータ(64)を冷却するために、ファンケーシング(14)内に配置されたスクープ(80)をさらに含むことを特徴とする、ターボジェット。
  2. 前記磁石(68)が接着剤によって固定されていることを特徴とする、請求項に記載のターボジェット。
  3. それぞれ高圧スプール(30)から動力を取り出し、または高圧スプール(30)に動力を供給する別の発電機および/または始動機をさらに含むこと特徴とする、請求項1または2に記載のターボジェット。
  4. ステータ(64)が、正に3つの巻線(66)を有することを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載のターボジェット。
  5. 前記発電機(60)が、AC/DCコンバータ(72)をさらに含むことを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載のターボジェット。
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