JP6088184B2 - 一体化された熱交換器を備えたラムエアタービン - Google Patents

Description

本発明は、航空機で使用されるラムエアタービンシステムに関する。

ラムエアタービン（ＲＡＴ）システムは、緊急時の又は補助的な出力システムとして現代の航空機で使用されている。これらは通常、回転ハブ及び複数のブレードを備えたタービンを有し、発電機に作動可能に結合されて発電機に対する駆動源を提供する。飛行中当初は、これらは航空機胴体のある区画内に収容され、格納ドアで覆われている。緊急又は補助出力の供給源として必要とされると、ＲＡＴシステムは、胴体から周囲のエアストリーム中に展開され、該エアストリームがブレードを駆動して発電機を回転させ、エアストリームからエネルギーを抽出する。

航空機システムにおける所要電力が増えているので、ＲＡＴシステムの発電能力は増え続けている。より高出力の発電機は、タービンと発電機との間にギアボックスを利用することによりタービンの回転速度を上回る速度で回転するよう構成される傾向になる。ギアボックスを含めたより高出力の発電機は、エアストリーム単独では冷却することができず、エアストリーム中に突出する熱交換器を含めた液体冷却システムを用いるほどの熱を発生する傾向がある。

米国特許第７，７０８，５２７号明細書

１つの実施形態において、航空機の外部のエアストリームに曝されたときに航空機内で電力を生成するラムエアタービンシステムは、複数のブレードと、該ブレードに動作可能に結合されたタービン出力シャフトとを有し、ブレードの回転によってタービン出力シャフトが回転するようになったタービンと、内部を定めるハウジングと、内部に配置され、ギアボックス出力要素を備えた増速ギアトレーンを有し且つタービン出力シャフトに動作可能に結合されて該ギアボックス出力要素がブレードよりも高速度で回転するようになるギアボックスと、内部に配置され、ステータ及びロータを有して該ロータがギアボックス出力要素に動作可能に結合される発電機と、ギアボックス及び発電機を冷却するための一体化された熱交換器と、を含む。

本発明の１つの実施形態による、一体化された熱交換器を備えるラムエアタービンを有する航空機の一部を示す側面図。 図１のラムエアタービン及び一体化された熱交換器の概略断面図。 図１のラムエアタービン及び一体化された熱交換器の概略断面図。 本発明の第２の実施形態による、一体化された熱交換器を備えるラムエアタービンの一部の概略断面図。 本発明の第３の実施形態による、一体化された熱交換器を備えるラムエアタービンの一部の概略断面図。

図１に示すように、航空機１０は、ＲＡＴシステム１２を含むことができ、該ＲＡＴシステム１２が航空機１０の外部のエアストリームに曝されたときに航空機１０用の電力を生成するようにする。ＲＡＴシステム１２は、ＲＡＴ１４を含むことができ、ストラット１６及び取付組立体１８により航空機１０から懸下することができる。ＲＡＴ１４は、航空機１０の胴体又はウィングの好適な区画内に格納することができ、取付組立体１８に対してストラット１６を移動させ、これにより航空機１０を流れ過ぎるストリーム内の露出位置までＲＡＴシステム１２を移動させることにより、迅速且つ容易に展開することができる。図２に示すように、ＲＡＴ１４は、発電機２２が配置されるハウジング２０と、ギアボックス出力要素２４を有するギアボックス２３と、一体化された熱交換器２５とを含む。ハウジング２０の一方端には、回転ハブ２８から突出する複数のブレード２６の形態のタービンが設けられる。図示の実施形態では２つのブレード２６だけが示されているが、あらゆる数のブレード２６を用いてもよい点は企図される。タービンは更に、第１の端部３２にてブレード２６に動作可能に結合することができるタービン出力シャフト３０を含み、ブレード２６の回転によってタービン出力シャフト３０が回転するようになる。タービン出力シャフト３０は、あらゆる好適な方法でブレード２６に動作可能に結合することができ、ブレード２６から後方に突出して、発電機２２のような補助動力装置を駆動するための回転出力を提供することができる。非限定的な例証として、回転シャフト３４は、ブレード２６から延びることができ、タービン出力シャフト３０とスプライン結合され、又は他の好適な方法で機械的に結合されて、ブレード２６の回転がロータシャフト３４を介してタービン出力シャフト３０に伝達されるようにすることができる。或いは、ブレード２６又は回転ハブ２８の一部は、タービン出力シャフト３０に直接結合してもよい。タービン出力シャフト３０の第２の端部３６は、ギアボックス２３の一部に動作可能に結合することができる。タービン出力シャフト３０は、回転ハブ２８に装着された軸受３８内で回転可能に支持することができる。

ハウジング２０は、図示のように、対向する第１及び第２の端部キャップ４６、４８により閉鎖された本体４４を含み、ギアボックス２３と発電機２２の両方を受けるための内部４０を定める共通のハウジングを提供する。壁部４２は、内部４０のギアボックス部分を内部４０の発電機部分から分離し、内部４０のこの２つの部分を物理的及び流体的に隔てるために設けられる。ハウジング２０はまた、複数の放熱フィン又は冷却フィン５０を含むことができる。冷却フィン５０は、ハウジング２０の周辺部５２から外向きに突出するようにあらゆる好適な方法で形成することができる。冷却フィン５０は、本体４４の周辺部５２の周りに間隔を置いて配置することができる。冷却フィン５０のサイズ及び数は、ＲＡＴシステム１２の特定の放熱要件と相関することができる。

発電機２２は、内部４０の発電機部分内に配置されるステータ５４及びロータ５６を備える。ロータ５６は、ギアボックス出力要素２４に動作可能に結合され、ギアボックス出力要素２４がロータ５６に駆動力を提供し、電力を発生させることができるようにする。発電機２２は、導体ケーブル５８を介して航空機１０に好適に結合することができる。図示のように、ＲＡＴシステム１２は、中空とすることができるストラット１６の下側端部にて保持することができる。中空ストラット１６は、発電機２２からの導体ケーブル５８を航空機１０に通すことができる通路５９を定めることができる。このようにして、導体ケーブル５８並びにＲＡＴシステム１２と航空機１０との間の他の何らかのリンク機構をストラット１６内で保護するように隠し、損傷を少なくすることができる。

ギアボックス２３は、増速ギアトレーン６０を含むことができる。より具体的には、増速ギアトレーン６０には、入力ギア６２、第１のアイドルギア６４、第２のアイドルギア６６、及び出力駆動ギア６８を含めることができる。入力ギア６２は、別の名称で呼ばれる場合もあるが、ここでは、出力は増速ギアトレーン６０の入力ギア端部にてギアボックス２３の増速ギアトレーン６０に入力されるので入力ギアと呼ばれている。入力ギア６２は、第２の端部３６付近でタービン出力シャフト３０にスプライン結合で又は他の好適な方法で機械的に結合することができる。入力ギア６２は、第１のアイドルギア６４と噛合し、該第１のアイドルギア６４は、入力ギア６２及び第２のアイドルギア６６の両方にわたって延びる高さを有する。このようにして、第１のアイドルギア６４は、第２のアイドルギア６６と噛合することができる。次いで、第２のアイドルギア６６は、出力駆動ギア６８と噛合することができ、該出力駆動ギア６８は、ギアボックス出力要素２４にスプライン結合で又は他の好適な方法で機械的に結合することができ、該ギアボックス出力要素２４は、軸受７０によって回転可能に支持することができるシャフトとして図示されている。軸受７０は、タービン出力シャフト３０と同軸方向でギアボックス出力要素２４を回転可能に支持する構成で設けることができる。

ギアトレーン６０を含めて、ギアボックス２３の他の構成も実施可能である。例えば、ギアボックス２３は、発電機２２と共にハウジング２０内に配置されるように図示されているが、発電機２２に結合される別個のハウジング内にあってもよい。

ギアボックス２３及び発電機２２を冷却するために、冷却材回路７２が一体化された熱交換器２５内に含まれる。冷却材回路７２は、ギアボックス２３から発電機２２に延びるように図示されており、ハウジング２０内の通路７４によって少なくとも部分的に形成されて、ギアボックス２３及び発電機２２からの熱が冷却材回路７２内を循環する冷却材７６によってハウジング２０に伝達されるようになる。より具体的には、通路７４は、本体４４の長さを延びるように本体４４内に形成することができる。通路７４は、本体４４内で通路７４を互いに流体結合するように第１及び第２の端部キャップ４６、４８内に形成することができる。

冷却材サンプ７８は、冷却材回路７２に流体結合され、冷却材７６を冷却材回路７２に供給することができる。限定ではなく例証としてオイルを含む、あらゆる好適な冷却材７６を用いることができる。ポンプ８０が冷却材サンプ７８及び冷却材回路７２の少なくとも１つに流体結合され、冷却材７６を冷却材サンプ７８から冷却材回路７２に再循環させることができる。ポンプ８０は、あらゆる好適なタイプのポンプとすることができ、非限定的な例証として、簡単なギアポンプ又はジェロータポンプを含むことができる。使用されるポンプのタイプに関係なく、ポンプ８０は、増速ギアトレーン６０から駆動することができることが企図される。フィルタ組立体８２はまた、冷却材回路７２に沿ってギアボックス２３内に、好ましくはポンプ８０に隣接して配置され、冷却材７６を濾過して冷却材回路７２の閉塞を防ぐことができる。冷却材サンプ７８及びポンプ８０は、ギアボックス２３内に配置されて図示されている。この構成において、図３により良好に示されており、入力ギア６２は、冷却材サンプ７８内で冷却材７６と接触し、冷却材７６が増速ギアトレーン６０用の潤滑材として用いることができるようにすることができる。

ＲＡＴシステム１２の作動中、ＲＡＴ１４は、航空機を囲むエアストリーム内まで延ばされて、ブレード２６にわたって流れるエアストリームによりブレード２６が回転され、その結果、ブレード２６とほぼ同じ毎分回転数でタービン出力シャフト３０を回転させるようになる。タービン出力シャフト３０は、増速ギアトレーン６０の入力ギア６２を駆動し、これにより第１及び第２のアイドルギア６４、６６が駆動され、その結果、出力駆動ギア６８及びギアボックス出力要素２４が駆動される。増速ギアトレーン６０により、ギアボックス出力要素２４は、ブレード２６よりも高速度で回転し、低速度の入力回転を発電に好適な高速度の回転に変換する役割を果たす。

非限定的な例証として、発電機２２は、２０，０００ｒｐｍで少なくとも３０ｋＷを生成するよう構成することができる。より具体的には、出力駆動ギア６８に対する入力ギア６２の比は、出力駆動ギア６８が入力ギア６２よりも実質的に速い速度で回転するよう選択することができる。増速ギアトレーン６０のギア構成及びギア比は、ギアボックス出力要素２４が、タービン出力シャフトの６，０００ｒｐｍの所定回転速度に応答して２０，０００ｒｐｍで回転するように選択することができる。ロータ５６はギアボックス出力要素２４によって駆動され、発電機２２が、導体ケーブル５８を通じて航空機１０に伝達することができる電気を生成するようにする。

電気の生成と共に、ＲＡＴシステム１２は熱も生成する。作動中、ポンプ８０もまた増速ギアトレーン６０によって駆動することができ、冷却材回路７２内で冷却材７６を循環させるよう作動することができる。冷却材７６は、本体４４内の複数の通路７４及び第１及び第２の端部キャップ４６、４８を含む冷却材回路７２を通ってポンプ８０によりポンプ送給された後、該冷却材は冷却材サンプ７８内に流れ、フィルタ組立体８２を通った後に、再度冷却材回路７２を通ってポンプ８０によりポンプ送給することができる。冷却材が冷却材回路７２を通って流れると、冷却材よりも高温のギアボックス２３及び発電機２２の内部４０から熱を吸収することができる。冷却材７６は、冷却材回路７２を通じてポンプ送給されると、冷却材は奪った熱を保持するようにする。次いで、冷却材７６内の奪った熱は、ハウジング２０及びその冷却フィン５０を通じて放熱することができる。冷却された冷却材はこのサイクルを繰り返し、ギアボックス２３及び発電機２２から連続して熱を除去する。ＲＡＴ１４、ギアボックス２３、及び発電機２２は直線的に配列され、ブレード２６を通過するエアストリームが、ギアボックス２３、発電機２２及び冷却フィン５０を含むハウジング２０にわたって流れ、循環する冷却材７６からエアストリームへの熱伝達を可能にする。冷却フィン５０は、発電機２２の表面区域に付加されて周囲のエアストリームへの熱伝達を助け、ＲＡＴシステム１２からの放熱を増大させることができる。

本発明の開示により、上述の図に示すものに加えて他の多くの実施可能な実施形態及び構成が企図される。例えば、増速ギアトレーン６０はまた、液圧ポンプ（図示）に駆動力を提供してもよい。このような液圧ポンプは、発電機２２と同じ高速で回転できるように配置することができ、或いは、発電機が高速で回転できるようにしながら、より低速のタービン速度で回転できるように配置してもよい。更に、種々の構成要素の設計及び配置は、幾つかの異なるインライン構成を実現できるように再構成することができる。

更に、図４は、本発明の第２の実施形態による、一体化された熱交換器１２５を備えた代替のＲＡＴシステム１１２を示す。この第２の実施形態は、第１の実施形態と同様であり、従って、同じ要素は、同じ数字に１００を加えて識別され、別途記載のない限り、第１の実施形態の同じ要素の説明が第２の実施形態に適用されると理解されたい。第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、熱交換器１２５の冷却フィン１５０もまた通路１９０を有している点であり、通路１７４及び冷却材回路１７２の残りの部分に流体的に結合することができる。各冷却フィン１５０は、通路１９０を有して図示されているが、これは必須ではない。冷却フィン１５０の全てではなく一部が通路１９０を有することも可能である。更に、通路１９０の一部は冷却フィン１５０内に配置されており、ハウジング１２０内の通路の数を低減することができる。通路１７４及び通路１９０両方の冷却材は更に、ギアボックス２３及び発電機２２からの熱を周囲のエアストリームに放散するのを助けることができる。

図５は、ＲＡＴシステム１２がフィン２５０内に配置された通路２９０だけを含む、第３の実施形態を示している。この第３の実施形態は、第１の実施形態と同様であり、従って、同じ要素は、同じ数字に２００を加えて識別され、別途記載のない限り、第１の実施形態の同じ要素の説明が第３の実施形態に適用されると理解されたい。第３の実施形態の場合、通路２９０は、本体２４４内の通路に取って代わる。従って、第１及び第２の端部キャップ（図示せず）は、通路２９０を通ってポンプ送給される冷却材が冷却材サンプ及びポンプ（図示せず）を含む冷却材回路７２の残りの部分と流体連通することができる対応する流体通路を含むことになる。

本明細書で開示される実施形態は、一体化された熱交換器を備えたＲＡＴシステムを提供する。上記の実施形態で実現できる１つの利点は、上述の実施形態が高出力ＲＡＴシステムから熱を効率的に除去できることである。ハウジングに沿った冷却フィンは、冷却表面積を増大させ、冷却材回路は、ギアボックス及び発電機から熱を放散させる効果的な手段を提供する。別の利点は、上述の実施形態が閉ループとして構成され、冷却材サンプ内のオイルが再循環されて発電機から熱を除去すると共に、ギアボックス内のギアに潤滑をもたらすことである。

航空機構成要素を設計する場合、対処すべき重要な要因は、サイズ、重量、及び信頼性である。上述のＲＡＴシステムは、別個の熱交換器又は別個の配管接続がないので、部品点数が削減される。これにより、重量が軽量化され、サイズが縮小され、信頼性が向上したシステムが得られる結果となる。部品点数の削減及び保守整備の軽減は、製造コスト及び運用コストの低減につながる。重量及びサイズの低減は、飛行中の競争上の優位性と関連している。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ 航空機
１２ ＲＡＴシステム
１４ ＲＡＴ
１６ ストラット
１８ 取付組立体
２０ ハウジング
２２ 発電機
２３ ギアボックス
２４ ギアボックス出力要素
２５ 熱交換器
２６ ブレード
２８ 回転ハブ
３０ タービン出力シャフト
３２ 第１の端部
３４ ロータシャフト
３６ 第２の端部
３８ 軸受
４０ 内部
４２ 壁部
４４ 本体
４６ 第１の端部キャップ
４８ 第２の端部キャップ
５０ 冷却フィン
５２ 周辺部
５４ ステータ
５６ ロータ
５８ 導体ケーブル
５９ 通路
６０ ギアトレーン
６２ 入力ギア
６４ 第１のアイドルギア
６６ 第２のアイドルギア
６８ 出力駆動ギア
７０ 軸受
７２ 冷却材回路
７４ 通路
７６ 冷却材
７８ 冷却サンプ
８０ ポンプ
８２ フィルタ組立体
１１２ 代替のＲＡＴシステム
１２０ ハウジング
１２２ 発電機
１２５ 熱交換器
１５０ 冷却フィン
１７４ 通路
１９０ 通路
２１２ ＲＡＴシステム
２４４ 本体
２５０ フィン
２７２ 冷却回路
２９０ 通路

Claims (11)

1. 航空機の外部のエアストリームに曝されたときに航空機内で電力を生成するラムエアタービンシステムであって、
   複数のブレードと、該ブレードに動作可能に結合されたタービン出力シャフトとを有し、前記ブレードの回転によって前記タービン出力シャフトが回転するようになったタービンと、
   内部を定める本体を備えるハウジングと、
   前記内部に配置され、ギアボックス出力要素を備えた増速ギアトレーンを有し且つ前記タービン出力シャフトに動作可能に結合されて該ギアボックス出力要素が前記ブレードよりも高速度で回転するようになるギアボックスと、
   前記内部に配置され、ステータ及びロータを有して該ロータが前記ギアボックス出力要素に動作可能に結合される発電機と、
   前記ギアボックスから前記発電機まで延びて前記本体内に形成された通路によって少なくとも部分的に形成された冷却材回路を有し、該冷却材回路内を循環する冷却材によって前記ギアボックス及び前記発電機から前記ハウジングに熱が伝達されるようになった、前記ギアボックス及び前記発電機を冷却するための、前記本体と一体化された熱交換器と、
   を備え、
   前記タービン、ギアボックス、及び発電機が直線的に配列されて、前記ブレードを通過するエアストリームが前記ギアボックス、及び前記発電機にわたって流れ、再循環する前記冷却材から前記ハウジングを介して前記エアストリームへの熱伝達を可能にする、ラムエアタービンシステム。
2. 前記ハウジングが更に、外向きに突出する冷却フィンを含む、請求項１に記載のラムエアタービンシステム。
3. 前記通路の少なくとも一部が前記冷却フィン内に配置される、請求項２に記載のラムエ
   アタービンシステム。
4. 前記冷却フィンが、前記ハウジングの周辺の周りに間隔を置いて配置される、請求項３に記載のラムエアタービンシステム。
5. 前記冷却材回路に流体結合されて前記冷却材回路に冷却材を供給する冷却材サンプを更に備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のラムエアタービンシステム。
6. 前記冷却材サンプ及び前記冷却材回路の少なくとも一方に流体結合されて前記冷却材サンプから前記冷却材回路を通って冷却材を再循環させるポンプを更に備える、請求項５に記載のラムエアタービンシステム。
7. 前記サンプ及びポンプが前記ギアボックス内に配置される、請求項６に記載のラムエアタービンシステム。
8. 前記増速ギアトレーンが前記ポンプを駆動する、請求項７に記載のラムエアタービンシステム。
9. 前記発電機が、２０，０００ｒｐｍで少なくとも３０ｋＷを生成するよう構成される、請求項１乃至８のいずれかに記載のラムエアタービンシステム。
10. 前記増速ギアトレーンは、前記出力要素が前記タービン出力シャフトの所定回転速度に応答して２０，０００ｒｐｍで回転するように選択される、請求項９に記載のラムエアタービンシステム。
11. 前記タービン出力シャフトの所定回転速度が６，０００ｒｐｍである、請求項１０に記載のラムエアタービンシステム。