JP6343243B2 - 航空機用発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、航空機用発電装置に関する。
航空機に搭載される発電装置として、変速機を備え、航空機用エンジンの回転数に関わらずに発電機を一定の回転数で回転させて一定の周波数の電力を発生させる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。前記発電装置は、エンジンの回転駆動力を変速する変速機と、変速機で変速された回転駆動力により発電する発電機と、変速機で変速された回転駆動力を発電機に伝達する動力伝動機構とを備える。前記発電装置は、例えば特許文献1に開示されるように、航空機用エンジンのファンケースに取り付けられる。
WO2012/137843A1号公報
前記発電装置は、前記エンジン周辺の限られた空間に取り付けられるので、できるだけコンパクトであることが求められる。また、前記発電装置を取り付けた状態において発生するオーバーハングモーメントを小さくすることが望ましい。
本発明は、コンパクト且つオーバーハングモーメントの小さい航空機用発電装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、航空機用エンジンの出力により駆動される航空機用発電装置であって、前記エンジンの駆動力が伝達される入力軸と、前記入力軸と並設された変速機と、前記入力軸及び前記変速機と並設されて前記変速機の出力により駆動される発電機と、前記入力軸の軸方向一端側に配置され、前記変速機からの出力を前記発電機に伝達する動力伝動機構と、前記入力軸の軸方向一端側に取付部を有するケーシングと、を備え、前記変速機は、前記入力軸の軸方向他端側に設けられて前記入力軸からの回転駆動力が入力される入力部と、前記入力軸の軸方向一端側に設けられて変速された回転駆動力を前記動力伝動機構に出力する出力部とを有し、前記動力伝動機構は、内部空間を有し、前記内部空間に前記入力軸が挿通されている。
前記構成によれば、動力伝動機構が内部空間を有し、この内部空間に入力軸が挿通されているので、ケーシング内における動力伝動機構の占有空間と、入力軸の占有空間との一部共有を図ることにより、ケーシングの内部容積を縮小できる。また、動力伝動機構がケーシングの取付部と共に入力軸の軸方向一端側に設けられているので、航空機用発電装置の重心を前記取付部に近接させることができる。従って、航空機用発電装置の取付部周辺におけるオーバーハングモーメントを小さくすることが可能である。
本発明によれば、コンパクト且つオーバーハングモーメントの小さい航空機用発電装置を提供できる。
実施形態に係る航空機用エンジンと、当該航空機用エンジンにギヤボックスを介して取り付けられる航空機用発電装置とを示す模式図である。 航空機用エンジン側に取り付けられた航空機用発電装置を示す図である。 航空機用発電装置の動力伝達経路を模式的に示す概要断面図である。 航空機用発電装置の装置入力軸、変速機入力ギヤ及び動力伝動機構の斜視図である。 装置入力軸の軸方向から見た航空機用発電装置の正面図である。
以下、本発明の実施形態について、各図を参照して説明する。
(実施形態)
[航空機用エンジン]
図1は、実施形態に係る航空機用エンジン10(以下、「エンジン10」ともいう。)と、当該エンジン10にギヤボックス13を介して取り付けられる航空機用発電装置11(以下、「発電装置11」ともいう。)とを示す模式図である。図2は、エンジン10側に取り付けられた発電装置11を示す図である。図1に示すように、エンジン10は、2軸ガスタービンエンジンであって、ファン1、圧縮機2、燃焼器3、タービン4、低圧軸5及び高圧軸6を備える。ファン1は、エンジン10の前部に配され、その周囲をファンケース7で覆われている。タービン4は、前段側の高圧タービン8及び後段側の低圧タービン9を有する。低圧タービン9は、低圧軸5を介してファン1と連結されている。高圧タービン8は、高圧軸6を介して圧縮機2と連結されている。高圧軸6は、内部に中空部を有する軸体である。低圧軸5は、高圧軸6の中空部に挿通されている。本実施形態では、低圧軸5の軸心をエンジン軸心という。
エンジン10には、ファン1の後方において、一端に傘歯車12A、他端に傘歯車12Bが設けられた連結軸12が、エンジン10の径方向に延び且つ回転可能に軸支されている。高圧軸6の一端には、傘歯車6Aが設けられる。高圧軸6及び連結軸12は、傘歯車6A、12Aを介して連結されている。また、連結軸12は、傘歯車13Aを有するギヤボックス13に対し、傘歯車12B、13Aを介して連結されている。ギヤボックス13は、発電装置11と連結されている。図2に示すように、発電装置11は、ファンケース7の外周側においてエンジン10側に取り付けられる。発電装置11の取付口は、ギヤボックス13に取り付けられる。これにより、エンジン10の駆動時には、高圧軸6の回転駆動力が連結軸12及びギヤボックス13を介して発電装置11に入力される。
[発電装置]
図3は、発電装置11の動力伝達経路を模式的に示す概要断面図である。図4は、発電装置11の装置入力軸14、変速機入力ギヤ25及び動力伝動機構17の斜視図である。図5は、装置入力軸14の軸方向から見た発電装置11の正面図である。図5では、動力伝動機構17と、オイルポンプユニット19における供給用オイルポンプ35及び吸引用オイルポンプ36とを破線で示している。
発電装置11は、駆動機構一体型発電装置である。発電装置11は、エンジン10の回転駆動力が伝達される入力軸である装置入力軸14と、装置入力軸14と並設された変速機15と、装置入力軸14及び変速機15と並設されて変速機15の出力により駆動される発電機16と、装置入力軸14の軸方向一端14a側に設けられて変速機15に変速された回転駆動力を発電機16に伝達する動力伝動機構17と、装置入力軸14の軸方向一端14a側に取付部18aを有するケーシング18と、変速機15の出力により駆動されるオイルポンプユニット19等の1以上の補機とを備える。
図3に示すように、ケーシング18は、発電機16及び変速機15を装置入力軸14を挟んで並設した状態で収容する。ケーシング18の内部において、装置入力軸14と、変速機15の変速機入力軸20及び変速機出力軸21と、発電機16の発電機入力軸22とは、互いに平行に配される。発電装置11をエンジン10側に取り付ける際には、装置入力軸14と変速機15と発電機16とが、エンジン10の周方向に並ぶように配置される。ケーシング18は、装置入力軸14の軸方向から見て幅(W)が比較的狭い薄型であり、高さ(H)方向が比較的高い縦長の扁平な箱体である(図5参照)。取付部18aは、ケーシング18の一の側部に設けられた環状のフランジ部である。取付部18aにおいて、発電装置11は、クランプバンド等の取付部材を用いてエンジン10側に取り付けられる。ケーシング18の取付部18aに囲まれた領域には、ケーシング18の内部と連通する開口18bが形成されている。開口18bからは、ギヤボックス13と連結される装置入力軸14の軸方向一端14aが外部に露出している。発電装置11は、装置入力軸14と、変速機入力軸20及び変速機出力軸21と、発電機入力軸22とが、低圧軸5及び高圧軸6とそれぞれ平行になるように、エンジン10側に取り付けられる。なお、ここで「平行」とは、各々の軸が実質的に平行であることをいう(例えば、各々の軸の角度差が5度以下)。
ケーシング18の内部において、装置入力軸14は、変速機15と発電機16との間に配置される。装置入力軸14は、回転可能に軸支された軸体23を有する。装置入力軸14には、軸方向他端14b側に位置する軸体23の端部付近に出力ギヤ24が設けられている。他端14bは、装置入力軸14の軸方向位置において、変速機15及び発電機16の各中央部分に対応する位置に配置されている。出力ギヤ24は、例えば平歯車からなり、変速機15の変速機入力ギヤ25と噛み合うように配置されている。装置入力軸14は、ケーシング18における開口18bの周縁部と、ケーシング18に設けられた軸受部B1、B2とに軸支されている。
[変速機]
変速機15は、装置入力軸14の軸方向他端14b側に設けられて装置入力軸14からの回転駆動力が入力される入力部と、装置入力軸14の軸方向一端14a側に設けられて変速された回転駆動力を動力伝動機構17に出力する出力部とを有する。具体的に、変速機15は、トラクションドライブ式の無段変速機であり、本実施形態では、ダブルキャビティ式ハーフトロイダル無段変速機である。変速機15は、ケーシング18の軸受部B3に回転可能に軸支された中空の変速機入力軸20と、軸方向の中央部分が変速機入力軸20で覆われるように変速機入力軸20の中空部に挿通され且つ変速機入力軸20とは独立して回転可能に配された変速機出力軸21と、変速機入力軸20に設けられ且つ前記入力部として機能する変速機入力ギヤ25と、変速機入力ギヤ25の両面側にそれぞれ設けられた一対の入力ディスク26と、各入力ディスク26と対向するように変速機出力軸21に設けられた一対の出力ディスク27とを有する。変速機入力ギヤ25及び一対の入力ディスク26は、変速機入力軸20と一体に所定の変速機軸心の周りに回転可能に設けられている。一対の出力ディスク27は、変速機出力軸21と一体に変速機軸心の周りに回転可能に設けられている。変速機入力軸20及び変速機出力軸21の各軸心は、変速機軸心と一致している。対向する入力ディスク26及び出力ディスク27の各間には、複数のキャビティ28が形成されている。複数のキャビティ28は、変速機出力軸21の軸方向で一対をなすように、変速機出力軸21の軸周りに設けられている。変速機15では、取付部18aに近接する一方の出力ディスク27が、前記出力部として機能する。
変速機15は、各キャビティ28の内部に設けられた回転体であるパワーローラ29を有する。パワーローラ29は、ローラ軸32の軸周りに回転可能で且つ変速機軸心を通る軸線に対して捻れの位置にある傾転軸線の軸周りに傾転可能に、軸受30及びトラニオン31によって軸支されている。一対の出力ディスク27のうち、一方の出力ディスク27の近傍には、各パワーローラ29を入力ディスク26及び出力ディスク27で所定の押圧力において押圧する押圧機構33が設けられている。押圧機構33は、例えばカム式や油圧式の押圧機構である。入力ディスク26及び出力ディスク27に対するパワーローラ29の接触領域には、高粘度の潤滑油膜が形成されている。変速機15の駆動時には、この高粘度の潤滑油膜の流体摩擦によって、入力ディスク26の回転駆動力がパワーローラ29を介して出力ディスク27に伝達される。変速比の調整は、パワーローラ29傾転角を不図示の制御機構で調節することでなされる。この変速比の調整は、具体的には、入力ディスク26及び出力ディスク27の各々に対するパワーローラ29の接触位置を制御することでなされる。
[発電機]
ケーシング18の内部において、発電機16は、装置入力軸14及び変速機15と並設される。発電機16は、一例として、装置入力軸14の軸方向一端14a側に設けられた発電機入力軸22と、発電機入力軸22に連結された不図示の補助発電部と、主発電部と、回転整流器とを有する。本実施形態では、ケーシング18の内部において、装置入力軸14の軸方向位置で、装置入力軸14を挟んで変速機15の複数のキャビティ28と対応する位置に発電機16が配置されている。ケーシング18の内部において、発電機16は、変速機15とともにケーシング18の開口18bに対して遠位に配置されている。発電機入力軸22は、発電機16へ動力を入力するためのものである。以下では、発電機入力軸22の軸心を発電機軸心という。なお、発電機16の構造は、発電機軸心に対して軸対称となるものに限定されない。
発電機入力軸22に回転駆動力が入力されると、前記補助発電部において一次発電がなされ、一次発電の電力が前記回転整流器で整流され、前記主発電部に供給されて二次発電がなされる。この二次発電の電力が発電機16の発電電力として出力される。発電機16の発電電力は、装置入力軸14の軸方向他端14b側からケーシング18の外部に露出するように設けられたターミナル34を通じて取り出される。
[補機]
補機であるオイルポンプユニット19は、変速機15及び動力伝動機構17等に対して潤滑油をそれぞれ供給する供給用オイルポンプ35と、ケーシング18に溜まったオイルを吸い上げる吸引用オイルポンプ36とを有する。供給用オイルポンプ35及び吸引用オイルポンプ36は、動力伝動機構17を介して変速機15の出力を受けることで駆動される。供給用オイルポンプ35及び吸引用オイルポンプ36は、略同一のサイズ及び形状を有して構成され、装置入力軸14の軸方向から見たケーシング18の幅方向において発電機16を挟むように配置されている。
[動力伝動機構]
動力伝動機構17は、変速機15からの出力を発電機16及びオイルポンプユニット19等に伝達する。具体的には、図3、4及び5に示すように、動力伝動機構17は、ギヤ機構である。動力伝動機構17は、変速機15の変速機出力軸21に設けられた第1ギヤ37と、第1ギヤ37に噛み合うように配置された第2ギヤ38と、第2ギヤ38と噛み合うように配置された第3ギヤ39と、第3ギヤ39と噛み合うように、発電機16の発電機入力軸22に設けられた第4ギヤ40と、第2ギヤ38にそれぞれ噛み合うように配置された第5ギヤ41及び第6ギヤ42とを有する。ケーシング18の内部で、動力伝動機構17は、装置入力軸14の軸方向一端14a側に配置される。また、動力伝動機構17は、取付部18aの近傍位置に配置される。ここでは、動力伝動機構17は、エンジン軸心の軸方向において、変速機15と取付部18aとの間、及び、発電機16と取付部18aとの間に配置される。つまり、エンジン軸心の軸方向において、動力伝動機構17は、変速機15及び発電機16よりも、取付部18aに近接している。
第1ギヤ37は、中空ギヤであり、変速機15の装置入力軸14の軸方向一端14a側において、変速機15の出力部に連結されている。これにより、変速機15で変速された回転駆動力が第1ギヤ37に伝達される。第1ギヤ37は、軸受部B4を介し、ケーシング18に設けられた軸支部18cに回転可能に軸支される。
第2ギヤ38は、貫通穴Sを有する環状の中空ギヤであって、動力伝動機構17における第一のアイドラギヤとして用いられる。第2ギヤ38は、エンジン軸心の周方向において、変速機15と発電機16との間に配置されている。詳細には、エンジン軸心の周方向において、第2ギヤ38の軸心が、変速機軸心と発電機軸心との間に配置されている。動力伝動機構17は、装置入力軸14を挿通させる内部空間を有している。この内部空間は、具体的には、第2ギヤ38の貫通穴Sである。発電装置11では、貫通穴Sに装置入力軸14を挿通させることにより、ケーシング18の内部における動力伝動機構17の占有空間と、装置入力軸14の占有空間との一部共有が図られている。これにより、ケーシング18の内部容積が縮小され、発電装置11がコンパクトに構成されている。第2ギヤ38は、その回転軸方向に並ぶメインギヤ部38a及びサブギヤ部38bとを有する。メインギヤ部38aは、装置入力軸14の軸方向一端14a側に位置し、第1ギヤ37及び第3ギヤ39と噛み合っている。サブギヤ部38bは、装置入力軸14の軸方向他端14b側に位置し、変速機15の出力を供給用オイルポンプ35に伝達するための第5ギヤ41と、変速機15の出力を吸引用オイルポンプ36に伝達するための第6ギヤ42とにそれぞれ噛み合っている。第2ギヤ38は、軸受部B5を介し、ケーシング18に設けられた静止体18dに回転可能に軸支される。
第3ギヤ39は、中空ギヤであり、動力伝動機構17における第二のアイドラギヤとして用いられ、第2ギヤ38と第4ギヤ40とにそれぞれ噛み合うように配される。第3ギヤ39を用いることにより、ケーシング18の内部での装置入力軸14と発電機16とのレイアウトを維持したまま、第2ギヤ38と第4ギヤ40とを直接噛み合わせた場合に比べて、第2ギヤ38と第4ギヤ40とが大型化されるのが防止され、発電装置11をコンパクトに構成できる。第3ギヤ39は、軸受部B6を介し、ケーシング18に設けられた軸支部18eに回転可能に軸支される。
第4ギヤ40は、中空ギヤであり、第3ギヤ39と噛み合うよう配される。また、第4ギヤ40は、発電機16の装置入力軸14の軸方向一端14a側において、発電機16の発電機入力軸22に固定される。第4ギヤ40は、軸受部B7を介し、ケーシング18に設けられた軸支部18fに回転可能に軸支される。
以上の構成を有する発電装置11によれば、エンジン10の回転駆動力が装置入力軸14に伝達されると、装置入力軸14の回転駆動力は、出力ギヤ24を介して変速機15の変速機入力ギヤ25に伝達され、入力ディスク26からパワーローラ29を介して出力ディスク27に伝達される際に変速される。このように、変速された回転駆動力は、出力ディスク27を介して動力伝動機構17における第1ギヤ37に出力される。変速機15の出力は、第1ギヤ37、第2ギヤ38、第3ギヤ39及び第4ギヤ40を順に経て発電機入力軸22に伝えられ、発電機16の発電に供される。発電機16から出力される電力は、ターミナル34を介して外部機器に供給される。また、第2ギヤ38に伝動された回転駆動力は、第5ギヤ41を介して供給用オイルポンプ35の駆動力に供されるとともに、第6ギヤ42を介して吸引用オイルポンプ36の駆動力に供される。装置入力軸14の回転数に合わせて変速機15における変速比を調整し、変速機15の出力を動力伝動機構17を介して発電機入力軸22に一定の回転数の回転駆動力として入力することにより、発電機16で一定周波数による交流電力が発電される。当該交流電力は、ターミナル34を介して外部機器に供給される。
図5に示すように、発電装置11では、動力伝動機構17の複数のギヤ(第1ギヤ37、第2ギヤ38、第3ギヤ39及び第4ギヤ40)が、弓なり状の仮想線Lの線上またはその近傍の位置に並んで配置される。これによって、前記複数のギヤは、エンジン10の円弧状の外周部の周方向に沿って弓なりに並んでいる。このため、ケーシング18をエンジン10の外周部に沿って薄型化できる。
また、図3に示すように、発電装置11において、動力伝動機構17と、動力伝動機構17及び発電機16の連結部分と、動力伝動機構17及び変速機15の連結部分とを、ケーシング18の取付部18aの近傍に配置している。このため、発電装置11の重心Gを取付部18aの近傍に位置させることができる。従って、発電装置11をエンジン10側に取り付けた状態において、取付部18a周辺を中心とする発電装置11の揺動(オーバーハングモーメント)を小さくできる。よって、エンジン10に対して発電装置11を安定した姿勢で取り付けることができる。このように、本実施形態によれば、コンパクトで且つオーバーハングモーメントの小さい発電装置11を提供できる。
なお、オーバーハングモーメントへの対策としては、例えば、取付部とその周辺部分を肉厚にすることで強度アップを図る方法があるが、重量が増加しうる。これに対し、本実施形態の発電装置11では、上記のようにオーバーハングモーメントを小さくしているので、例えば、ケーシング18の取付部18aとその周辺部分を薄肉にして軽量化を図ることが可能である。
さらに、発電装置11では、発電機16の発電機入力軸22を、動力伝動機構17とともにケーシング18の取付部18a側に配置させたことにより、発電機16のターミナル34が、ケーシング18の取付部18aが配された側面とは逆方向に位置する側面に配置されている。従って、取付部18aにおいて発電装置11をエンジン10側に取り付けた状態のままで、ターミナル34に対する各配線の脱着作業を容易に行うことができる。このため、利便性が高められている。
(その他)
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。上記実施形態では、変速機として、ダブルキャビティ式のハーフトロイダル無段変速機を例示したが、変速機は、この形式に限定されない。変速機は、ダブルキャビティ型に限定されず、シングルキャビティ型でもよい。変速機は、トラクションドライブ式の無段変速機に限定されない。変速機は、例えば、ベルトドライブ方式や、その他の駆動方式を採用した構成でもよい。
動力伝動機構17における第3ギヤ39は必須ではなく、例えば、第3ギヤ39を省略して、第2ギヤ38を介して第1ギヤ37の回転駆動力を第4ギヤ40に伝達するようにしてもよい。
動力伝動機構17は、第1ギヤ37及び第2ギヤ38、又は、第3ギヤ39及び第4ギヤ40の少なくともいずれかが、別のギヤを介して互いに噛み合う構成を有してもよい。
動力伝動機構17の各ギヤは、全て中空ギヤで構成する必要はない。少なくとも1つのギヤが中空ギヤであればよい。装置入力軸14が挿通されるギヤを除く他のギヤは、中実ギヤでもよい。
動力伝動機構は、ギヤ機構に限定されない。動力伝動機構は、例えば、装置入力軸14の軸方向一端14a側において、変速機15の出力部側と、発電機16の発電機入力軸22側とに亘って架け渡した無端ベルトを含むベルト機構を有していてもよい。この場合、前記無端ベルトの内部空間に装置入力軸14を非接触で挿通できる。
上記実施形態では、出力ディスク27が変速機15の動力の出力部(出口)として機能する構成を例示したが、これに限定されない。変速機15は、変速機出力軸21が出力部(出口)として機能する構成であってもよい。
また、上記実施形態では、連結軸12及びギヤボックス13を介して発電装置11を高圧軸6に連結した構成を例示したが、これに限定されない。連結軸12及びギヤボックス13を介し、発電装置11を低圧軸5に連結してもよい。
S 貫通穴
10 航空機用エンジン
11 航空機用発電装置
14 装置入力軸
14a 装置入力軸の軸方向一端
14b 装置入力軸の軸方向他端
15 変速機(トラクション無段変速機)
16 発電機
17 動力伝動機構
18 ケーシング
18a 取付部
19 補機
35 供給用オイルポンプ
36 吸引用オイルポンプ
37 第1ギヤ
38 第2ギヤ
39 第3ギヤ
40 第4ギヤ

Claims (7)

  1. 航空機用エンジンの出力により駆動される航空機用発電装置であって、
    前記エンジンの駆動力が伝達される入力軸と、
    前記入力軸と並設された変速機と、
    前記入力軸及び前記変速機と並設されて前記変速機の出力により駆動される発電機と、
    前記入力軸の軸方向一端側に配置され、前記変速機からの出力を前記発電機に伝達する動力伝動機構と、
    前記入力軸の軸方向一端側に取付部を有するケーシングと、を備え、
    前記変速機は、前記入力軸の軸方向他端側に設けられて前記入力軸からの回転駆動力が入力される入力部と、前記入力軸の軸方向一端側に設けられて変速された回転駆動力を前記動力伝動機構に出力する出力部とを有し、
    前記動力伝動機構は、内部空間を有し、前記内部空間に前記入力軸が挿通されている、航空機用発電装置。
  2. 前記入力軸は、前記変速機と前記発電機との間に配置されている、請求項1に記載の航空機用発電装置。
  3. 前記動力伝動機構は、ギヤ機構であり、前記入力軸の回転駆動力を前記発電機側に伝達し且つ貫通穴が形成された中空ギヤを有し、
    前記内部空間は、前記中空ギヤの前記貫通穴である、請求項1または2に記載の航空機用発電装置。
  4. 前記エンジンは、円弧状の外周部を備え、
    前記動力伝動機構は、複数のギヤを有し、
    前記中空ギヤは、前記複数のギヤに含まれる1つのギヤであり、
    前記複数のギヤが、前記エンジンの外周部の周方向に沿って弓なりに並んでいる、請求項3に記載の航空機用発電装置。
  5. 前記変速機の出力により駆動される1以上の補機をさらに備え、
    前記変速機からの出力が、前記動力伝動機構を介して前記補機に伝動されることにより、前記補機が駆動される、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の航空機用発電装置。
  6. 前記変速機は、トラクション無段変速機である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の航空機用発電装置。
  7. 前記動力伝動機構と、前記動力伝動機構及び前記発電機の連結部分と、前記動力伝動機構及び前記変速機の連結部分とが、前記取付部の近傍に配置されている、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の航空機用発電装置。
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