JP6802262B2

JP6802262B2 - 電磁流体発電機

Info

Publication number: JP6802262B2
Application number: JP2018511667A
Authority: JP
Inventors: セルギーヌカメル; クロノフスキトマ; ベドクステファーヌ; リシャールステファーヌ
Original assignee: サフランヘリコプターエンジンズ
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2020-12-16
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: RU2018111981A; FR3040838B1; CN108028595A; PL3345290T3; JP2018533337A; EP3345290A1; US10686358B2; KR20180050361A; EP3345290B1; CA2997164A1; CN108028595B; CA2997164C; WO2017037388A1; RU2018111981A3; RU2708386C2; FR3040838A1; US20180254693A1

Description

本発明は、電磁流体力学の分野に関し、特に、タービンの作用流体内の残留エネルギーの少なくとも一部分を回収するためのその使用に関する。

用語「タービン」は、回転シャフトが回転することを生じさせるために作用流体のエネルギーを使用するように設計されている回転装置を表すために使用されている。したがって、作用流体の速度及びエンタルピーによって特徴付けられる作用流体のエネルギーが、回転シャフトによって取り出されることが可能である機械的エネルギーの形に部分的に変換される。しかし、タービンの下流において、この作用流体は、通常は、多量の残留エネルギーを保持する。以下の説明では、用語「上流」及び「下流」は、作用流体の通常の流れ方向に関して定義される。

ある特許文献によって、タービンの作用流体内に含まれているエネルギーを回収するために、タービンに加えて電磁流体発電機を使用することをすでに提案している（例えば、特許文献１参照。）。このような電磁流体発電機では、イオン化された流体の流れが、そのイオン化された流体の流れに対して垂直である方向に磁場を受ける時に、イオン化流体の流れと磁場との両方に対して垂直である別の方向において、互いに間隔を開けられている２つの電極の間に電流を発生させる。

しかし、実際には、タービン内にこうした電磁流体発電機を一体化することは、特に電極の配置に関して、及び、タービンの作用流体のための流路の中に磁場を発生させるための手段に関して、欠点がないというわけではない。

仏国特許出願公開第２０８５１９０号明細書

本開示は、同一の作用流体によって駆動されるタービンを含むアセンブリの中により簡単に一体化されることが可能である電磁流体発電機を提案することによって、こうした欠点を改善することを目的とする。

少なくとも１つの実施態様では、この目的が、電磁流体発電機が、第１の壁と第２の壁とによって画定されている作用流体通路と、この作用流体をイオン化するためのイオン化装置との両方を有することによって実現され、この電磁流体発電機は、さらに、少なくとも１対のアームであって、作用流体通路内にそのアームと上記壁と間の通路を画定するように上記イオン化装置から下流において第１の壁と第２の壁とを各々のアームが連結し、且つ、作用流体がイオン化され終わった後に作用流体の一部分によって横断されるように上記通路が配置されている、少なくとも１対のアームと、１対のアームと上記壁とによって画定されている通路を通過する作用流体の流れに対して垂直である方向に方向付けられている磁場を発生させるための磁石と、少なくとも１対の電極であって、この各対の電極の各々は、１対のアームと上記壁とによって画定されている通路のそれぞれの側部上に配置されており、及び、各対の電極が、上記磁場に対して垂直な方向において、且つ、１対のアームと上記壁とによって画定されている通路の中を通る作用流体の流れ方向に対して垂直である方向において、互いから間隔を開けられている、少なくとも１対の電極とを備えることによって実現される。この磁石は、導体のコアの中にカーボンナノチューブを一体化することによって又は実際には超伝導性であることによって増強されている導電率を有利に有するソレノイドを採用随意に有する、電磁石であってもよいが、永久磁石であることも可能である。この磁石は、どちらの状況においても、積層された磁心を有することが可能である。

これらの条件によって、概ね互いに垂直であり且つ作用流体の流れに対して垂直である２つの軸線に沿って電極と磁石の磁極とを配置することが、より容易にされる。これに加えて、例えばタービンが相対的に大量の機械的動力を供給しなければならない場合に望ましいように、タービンの作用流体の一部分だけから電気を発生させることが可能であり、これと同時に、この電磁流体発電機は、補助的な目的のために、著しくより少量の電力を供給するためのものである。

特に、各対の電極の各々の電極は、上記１対のアームのそれぞれのアーム上に配置されてもよい。この状態では、電極が互いに間隔を開けられている方向において作用流体の流れに対して垂直である磁場を発生させるために、磁石は、１つの上記アームの内側に収容されている磁心を含んでもよい。しかし、流路を画定する壁のそれぞれ１つの上に各対の各電極が配置され、且つ、この場合に、アームが互いに間隔を開けられている方向に方向付けられている磁場を発生させるように磁石が配置されている、代替案の構成を想定することも可能である。

壁とアームによって画定されている通路内の流体の流れを加速し、これによって電磁流体発電機の効率を増大させるために、第１及び第２の壁は、上記１対のアームから上流に位置している流路の少なくとも第１の部分上において、燃焼ガスの流れ方向において互いに向かって収斂してもよい。こうした状況において、及び、特に、ターボシャフトエンジン、特に回転翼航空機のターボシャフトエンジンの出口ノズル内に電磁流体発電機が設置されている時に、多量の反作用スラストを回避するために、第１及び第２の壁は、流速を再度減少させるために、上記１対のアームから下流に位置している流路の少なくとも１つの第２の部分上で、作用流体の流れ方向において互いから分岐してもよい。

作用流体、特に気体である作用流体の効果的なイオン化を確実なものにするために、上記イオン化装置は、プラズマトーチの形態であってもよい。こうしたプラズマトーチは、特に、１対の電極の間の直流（ＤＣ）又は交流（ＡＣ）電位を発生させるための装置に接続されている１対の電極を備えてもよく、及び、この電位は作用流体のイオン化電位よりも高いか又はこのイオン化電位に等しい。しかし、例えばマイクロ波を注入することによる、ヘリコン放電による、又は、電磁結合による、他のタイプのイオン化装置も想定可能である。さらに、作用流体のイオン化を容易にするために、電磁流体発電機は、採用随意に、低いイオン化電位の元素を回収するためのフィルターと共に、上記イオン化装置から上流に、低いイオン化電位の元素を注入するための装置を含んでもよい。

一対のアームと壁とによって画定される通路の中において互いに反対側に位置する磁極及び電極の相互間の相対的に短い距離が、電磁流体発電機の収率（ｙｉｅｌｄ）と効率とに関して有利だろう。寸法を制限しながら、電磁流体発電のために使用される作用流体の量を増大させるために、発電機は、上記イオン化装置から下流において第１及び第２の壁を互いに各々が連結する複数対のアームを含んでもよく、及び、アームの各対毎に、それぞれの磁石と１対の電極とを含んでもよい。複数の通路の間で電磁流体発電を分割することによって、電力を増大させると同時に、各通路のための小さい流れ断面（ｆｌｏｗｓｅｃｔｉｏｎ）を維持することが可能である。各通路内の複数の対の電極が、直列に又は並列に電気的に互いに接続されてもよい。

電磁流体発電機をより容易にタービンに適合させるために、流路は環状であってもよく、及び、上記第１及び第２の壁は、流路の中央軸線に対して同軸であってもよく、及び、上記アームは半径方向である。

本開示は、さらに、こうした電磁流体発電機を含むタービンエンジンと、電磁流体発電機と同じ作用流体によって駆動されるように構成されている少なくとも１つのタービンとに関連する。例えば、この電磁流体発電機は、タービンによって使用されることが不可能である作用流体の残留エネルギーの少なくとも一部分を回収するために使用されてもよい。タービンの作用流体とタービンの下流の電磁流体発電機の作用流体とを形成し、且つ、イオン化を容易化する高温度を有する、高エンタルピーの燃焼ガスを生じさせるために、このタービンエンジンは、タービンから且つ電磁流体発電機から上流において燃焼室を特に含む。さらに、燃焼ガスのエンタルピーを増大させ、且つ、燃焼ガスの流れを駆動するために、タービンエンジンは、燃焼室から上流に位置する少なくとも１つの圧縮機と、この圧縮機を駆動するために第１の回転シャフトを経由して上記圧縮機に連結されている第１のタービンとを含んでもよい。このタービンエンジンは第２のタービンも含んでよい。こうした状況においては、特に、第１のタービンから下流に位置していてもよく、且つ、さらには電磁流体発電機から上流にも位置していてもよい、第２のタービンが、例えば回転翼航空機のためのターボシャフトエンジンのようなターボシャフトエンジンを形成するように、出口シャフトに連結されてもよい。

タービンによって使用されることが不可能である作用流体の残留エネルギーのより適切な使用が可能であるように、電磁流体発電機は、タービンから下流において出口ノズル内に配置されてもよい。

本開示は、さらに、電磁流体力学的な発電方法を提供し、この方法では、作用流体が、第１の壁と第２の壁とによって画定されている流路の中でイオン化装置によって少なくとも部分的にイオン化され、及び、作用流体のイオン化部分が、上記壁によって及び１対のアームによって流路内に画定されている通路の中を通って進み、この１対のアームの各々は、上記イオン化装置から下流において第１及び第２の壁を互いに連結し、及び、作用流体のイオン化部分は、磁石によって発生させられる磁場を受け、及び、この磁場は、少なくとも１対の電極の電極相互間に電流を発生させるために、作用流体の流れに対して垂直な方向に通路内を延び、各対の電極の各々は、１対のアームと上記壁とによって画定されている通路のそれぞれの側部上に配置されており、及び、各対の電極は、上記磁場と通路内の燃焼ガスの流れの両方に対して垂直である方向において、互いから間隔を開けられている。この電磁流体力学的な発電方法は、特に、少なくとも１つのタービンを駆動するために従来において使用されてきた作用流体の残留エネルギーを回収するために、使用されてもよい。特に、タービンエンジンによって推進される乗物上では、この電磁流体力学的方法は、タービンエンジン以外のその乗物の補助装置に給電するために使用される電気を発生させる役割を果たすだろう。

非限定的な具体例として示されている以下の実施形態の詳細な説明を読解することによって、本発明が適切に理解され、且つ、その利点がより明瞭になる。この詳細な説明は添付図面に関連している。

電磁流体発電機の一実施形態を有するターボシャフトエンジンを備える回転翼航空機の概略的な斜視図である。図１のエンジンの概略的な縦断面図である。図２のエンジンの電磁流体発電機の一部分の概略的な斜視図である。図３Ａの詳細を示す。第２の実施形態における電磁流体発電機の概略的な斜視図である。第３の実施形態における電磁流体発電機の概略的な斜視図である。第４の実施形態におけるターボシャフトエンジンの概略的な縦断面図である。第５の実施形態におけるターボシャフトエンジンの略図である。

図１が、メインローター１０２とテイルローター１０３とを伝動装置を経由して駆動するためのターボシャフトエンジン１０１を有する、航空機、さらに具体的にはヘリコプター１００を示す。エンジン１０１は、ヘリコプター１上の様々な電気消費装置の部品に電気を供給するための電磁流体発電機１０の一実施形態を含む。

図２にさらに詳細に示されているように、エンジン１０１は、空気流方向に、圧縮機２０１と、点火装置と燃料供給システム（図示されていない）とに連結されている噴射装置とを有する燃焼室２０２と、第１の回転シャフト２０４を介して圧縮機２０１に連結されている第１のタービン２０３とを有する、ガス発生器を備える。この第１のタービン２０３の下流では、エンジン１０１が、第２の回転シャフト２０６に連結されている第２のタービン２０５を有し、この第２の回転シャフト２０６は、ヘリコプター１内において、ローター１０２、１０３を駆動するための伝動装置１０４に連結されることに適している。最後に、第２のタービン２０５の下流において、エンジンが燃焼ガス出口ノズル２０７を含む。

この第１の実施形態では、電磁流体発電機１０は、タービン２０３、２０５から下流においてノズル２０６内に一体化されている。この電磁流体発電機１０内では、この実施形態ではタービン２０３、２０５と電磁流体発電機１０との作用流体を含む、燃焼ガスのための環状流路１１が、エンジン１０１の中心軸線Ｘを中心として第１の壁１２の周りで同軸である内側の第１の壁１２と外側の第２の壁１３とによって画定されている。電磁流体発電機１０は、さらに、燃焼ガスをイオン化するための装置１４を有する。例えば、このイオン化装置１４は、その２つの電極の間に電場を生じさせるように構成されている２つの電極を有するプラズマトーチであってもよく、この電場は、導電性低温プラズマを生じさせるために環状流路１１の中を通って高温度且つ高速度で流れる燃焼ガスをイオン化することが可能であるのに十分なだけ強力である。この強力な電場はＤＣ電場又はＡＣ電場であってよく、及び、ＡＣ電場は、低温プラズマ内の熱の不均衡を防止する働きをする。燃焼ガスをイオン化することを容易にするために、エンジン１０１は、さらに、カリウムのような低いイオン化電位を有する元素を注入するための装置を、そのイオン化装置の上流において含んでもよい。低いイオン化電位を有する元素を注入するためのこの装置は、特に、低いイオン化電位を有する元素が燃料と共に燃焼室２０２内に注入されるように、燃料供給回路内に一体化されてもよい。

電磁流体発電機１０の中を通る環状の燃焼ガス流路１１の第１の部分１１ａ上において、壁１２と壁１３とが、燃焼ガス流を加速するように、燃焼ガス流方向に収斂し、一方、第２の部分１１ｂ上において、これらの壁１２、１３は、燃焼ガス流がノズル２０７を出て行く前にその流速を減少させるように、燃焼ガス流方向において再び分岐する。収斂区域１１ａと分岐区域１１ｂとの間において、複数対の半径方向アーム１５が、流路１１内に通路１６を形成するように、壁１２と壁１３とを連結し、及び、各々の通路１６は、壁１２，１３と１対のアーム１５とによって画定されている。上流において注入され終わった低いイオン化電位を有する元素がその後で外側に排出されないことを確実なものにするために、発電機１０は、さらに、通路１６から下流において、低いイオン化電位の元素を回収するためのフィルター（図示されていない）を含んでもよい。

図３Ａと図３Ｂとにより詳細に示されている実施形態では、電磁流体発電機１０は、各々の通路１６毎に、通路１６を通過するイオン化燃焼ガスに対して露出されるように、通路１６を画定するアーム１６の各々の内側表面上に取り付けられている少なくとも１つの電極１７と、さらには、通路１６の互いに反対側の側部上に内側壁１２と外側壁１３によってそれぞれに覆われており、且つ、アーム１５の一方の内に収容されている磁心１８ｃによって互いに連結されている、半径方向に互いに反対側に位置する磁極１８ａ、１８ｂを有する電磁石１８とを備え、この磁心は、積層されており、及び、半径方向に方向配置されており且つしたがって通路１６内のイオン化燃焼ガスの流れに対して概ね垂直に方向付けられている、通路１６内の磁場Ｂを生じさせるように、ソレノイド１８ｄによって取り囲まれている。特に強力な磁場を発生させるために、ソレノイド１８ｄは、特に超伝導性であってもよい。

したがって、この実施形態では、電磁石１８によって生じさせられる磁場Ｂを受ける各々の通路１６の中を通るイオン化燃焼ガスの流れが、通路１６のどちらか一方の側部上に位置しており且つ流れ方向と磁場Ｂの方向との両方に対して垂直である方向において互いに対向している電極の相互間において起電力としたがって電流とを生じさせることが可能である。

代替案の実施形態では、図４に示されているように、壁１２、１３と、アーム１５と、さらには通路１６との配置が同一である。しかし、各通路１６に対応する電極１７は、アーム１５上には取り付けられず、通路１６に対して露出されるように壁１２、１３の内側表面上に取り付けられており、互いに半径方向に反対側に位置しており、これと同時に、電磁石１８は、半径方向とイオン化燃焼ガスの流れ方向とに対して概ね垂直である方向に方向付けられている磁場Ｂを発生させるように配置されている。電磁流体発電機１０のその他の要素は第１の実施形態の要素に類似しており、及び、図面で同一の照合番号を与えられている。

エンジン１０１内の電磁流体発電機１０の一体化を容易にするために、流路１１がこれら２つの実施形態において環状であるが、例えば電磁流体発電機１０を平らなノズル内に一体化するために、他の形状を想定することが可能である。したがって、図５に示されている別の代替案の実施形態では、流路１１の断面が長方形であるが、この第３の実施形態における電磁流体発電機は、他のすべての点では第１の実施形態の電磁流体発電機に類似しおり、及び、この図では、同等の要素が同じ照合番号を与えられている。

第１の実施形態では、電磁流体発電機１０は、２つのタービン２０３、２０５から下流に位置しているが、図６に示されている第４の実施形態の場合のように、２つのタービン２０３、２０５の間に、又は、図７に示されている第５の実施形態の場合にように、実際には、燃焼室２０２から直ぐ下流に、２つのタービン２０３、２０５から上流に、それらを配置することを想定することが可能である。両方の構成において、電磁流体発電機１０の要素は、第１の実施形態のこうした要素に類似したままであり、及び、これらの要素は、これらの図面において同一の照合番号を与えられている。

これらの実施形態の各々における電磁流体発電機１０の動作が同様に類似している。各々の構成において、燃焼室２０２からの燃焼ガスが、イオン化装置１４によって少なくとも部分的にイオン化され、各対のアーム１５によって画定されている通路１６の中に侵入する前に流路１１内の収斂部分を通して加速され、及び、この場合に、この燃焼ガスは、電極１７の相互間に電流を発生させるために、各々の通路１６内において、イオン化燃焼ガスの流れ方向に対して概ね垂直である方向において、電磁石１８によって発生させられる磁場Ｂを受け、及び、この電流は、特にヘリコプター１上の様々な装置に給電するために使用されてもよい。通路１６から出て行く時に、燃焼の流れは分岐部分１１ｂ内で減速させられる。

本発明が特定の実施形態に関して説明されているが、特許請求項によって定義されている本発明の全般的な範囲から逸脱することなしに、こうした実施形態に対して様々な変更と変化とが加えられてもよいということが明らかである。例えば、示されている実施形態の各々において、各々の通路１６が１対だけの電極１７を有するが、各々の通路内に複数対の電極を配置することを想定することも可能であり、及び、こうした複数対の電極は、おそらくは、例えば作用流体の流れ方向に互いに連続する。さらに、電磁流体発電機は、示されているターボシャフトエンジン以外の他のタイプのタービンエンジンで使用されることも可能である。さらに、上述した様々な実施形態の個別的な特徴が、追加の実施形態において組み合わされてもよい。したがって、本説明と図面は、限定的なものではなく例示的なものとして理解されることが可能である。

Claims

電磁流体発電機（１０）において、
前記電磁流体発電機（１０）は、
第１の壁（１２）と第２の壁（１３）とによって画定されている作用流体流路（１１）と、
作用流体をイオン化するためのイオン化装置（１４）と、
１対のアーム（１５）であって、前記流路（１１）内にこれらのアーム（１５）と前記壁（１２、１３）と間の通路（１６）を画定するために、前記イオン化装置（１４）から下流において前記第１の壁（１２）と前記第２の壁（１３）とを各々が連結し、且つ、前記通路（１６）は、前記作用流体がイオン化され終わった後に前記作用流体の一部分によって横断されるように配置されている、少なくとも１対のアーム（１５）と、
前記１対のアーム（１５）と前記壁（１２、１３）とによって画定されている前記通路（１６）の中を通過する前記作用流体の流れに対して垂直である方向に方向付けられている磁場（Ｂ）を発生させるための磁石と、
少なくとも１対の電極（１７）であって、これらの電極（１７）の各々は、前記１対のアーム（１５）と前記壁（１２、１３）とによって画定されている前記通路（１６）のそれぞれの側部上に配置されており、前記各対の電極（１７）は、前記磁場（Ｂ）に対して垂直であり、且つ、前記１対のアーム（１５）によって及び前記壁（１２、１３）によって画定されている前記通路（１６）の中を通る前記作用流体の流れ方向に対して垂直である方向において、互いから間隔を開けられている、少なくとも１対の電極（１７）とを少なくとも備える、電磁流体発電機（１０）。
各対の電極（１７）の各電極（１７）は、前記１対のアーム（１５）のそれぞれのアーム（１５）上に配置されている、請求項１に記載の電磁流体発電機（１０）。
前記磁石は、一方の前記アーム（１５）の内側に収容されている磁心（１８ｃ）を含む、請求項２に記載の電磁流体発電機（１０）。
前記第１の壁（１２）及び前記第２の壁（１３）は、前記１対のアーム（１５）から上流に位置している前記流路（１１）の少なくとも第１の部分（１１ａ）上で前記作用流体の流れ方向において互いに向かって収斂する請求項１〜３のいずれか一項に記載の電磁流体発電機（１０）。
前記第１の壁（１２）及び前記第２の壁（１３）は、前記１対のアームから下流に位置している前記流路の少なくとも第２の部分上で前記作用流体の流れ方向において互いから分岐する請求項４に記載の電磁流体発電機（１０）。
前記イオン化装置（１４）はプラズマトーチの形態である請求項１〜５のいずれか一項に記載の電磁流体発電機（１０）。
前記イオン化装置（１４）から上流において、低イオン化電位の元素を注入するための装置を含む請求項１〜６のいずれか一項に記載の電磁流体発電機（１０）。
前記イオン化装置（１４）から下流において前記第１の壁（１２）及び前記第２の壁（１３）を互いに各々が連結する、複数対のアーム（１５）を含み、前記各対のアーム（１５）毎に、それぞれの磁石と少なくとも１対の電極（１７）とを含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の電磁流体発電機（１０）。
前記流路（１１）は環状であり、前記第１の壁（１２）及び前記第２の壁（１３）は、前記流路（１１）の中心軸線（Ｘ）を中心として同軸であり、前記アーム（１５）は半径方向にある請求項１〜８のいずれか一項に記載の電磁流体発電機（１０）。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの電磁流体発電機（１０）と、前記電磁流体発電機（１０）と同一の作用流体によって駆動されるように構成されている少なくとも１つのタービン（２０３、２０５）とを含む、タービンエンジン。
前記タービン（２０３、２０５）から上流において、且つ、前記電磁流体発電機（１０）から上流において、燃焼室（２０２）を含む、請求項１０に記載のタービンエンジン。
前記燃焼室（２０２）から上流の少なくとも１つの圧縮機（２０１）と、前記圧縮機（２０１）を駆動するために第１の回転シャフト（２０４）を経由して前記圧縮機（２０１）に連結されている第１のタービン（２０３）とを含む、請求項１１に記載のタービンエンジン。
第２のタービン（２０５）を含む、請求項１２に記載のタービンエンジン。
前記電磁流体発電機（１０）は、前記タービン（２０３）から下流において出口ノズル（２０７）内に配置されている、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
電磁流体力学的な発電方法であって、
作用流体が、第１の壁（１２）及び第２の壁（１３）によって画定されている流路（１１）の中のイオン化装置（１４）によって少なくとも部分的にイオン化され、
前記作用流体のイオン化部分が、前記壁（１２、１３）によって及び１対のアーム（１５）によって前記流路（１１）内に画定されている通路（１６）の中を通って進み、この１対のアーム（１５）の各々は、前記イオン化装置（１４）から下流において前記第１の壁（１２）及び前記第２の壁（１３）を互いに連結し、前記作用流体のイオン化部分は、磁石によって発生させられる磁場（Ｂ）を受け、前記磁場は、少なくとも１対の電極（１７）の中の電極（１７）の相互間に電流を発生させるように、前記作用流体の流れに対して垂直な方向において前記通路（１６）の中を延び、各対の前記電極（１７）の各々は、前記１対のアームと前記壁（１２、１３）とによって画定されている前記通路（１６）のそれぞれの側部上に配置されており、各対の前記電極（１７）は、前記磁場（Ｂ）と前記通路（１６）内の燃焼ガスの流れとの両方に対して垂直である方向において、互いから間隔を開けられている、電磁流体力学的な発電方法。