JP6902854B2

JP6902854B2 - 電力を生成するためガスタービンエンジンの高温部の外面に取り付けられた熱電アセンブリ

Info

Publication number: JP6902854B2
Application number: JP2016223950A
Authority: JP
Inventors: ジェームズエル．，ジュニアペック，; ジミーエム．キャンバオ，
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: CA2941821A1; CN106988885B; US10208641B2; CN106988885A; BR102016024177A2; EP3173608A1; US20170145892A1; US10533481B2; EP3173608B1; JP2017129119A; US20190162100A1; BR102016024177B1; CA2941821C

Description

本開示は発電に関し、より具体的には、電力を生成するためガスタービンエンジンの高温部の外面に取り付けられた熱電アセンブリに関する。

航空機は一般的に、電力を必要とする航空機システムに電力を供給するため、２８ボルト直流（ＶＤＣ）を必要とする。航空機ジェットエンジン又は航空機ガスタービンエンジンは、航空電子工学システム、電気機械システム、及び電力を必要とする他の搭載システムなど、航空機の電気負荷に対して電力を供給することが要求されている。機内電力は一般的に、ドライブシャフト及びギアによって、動作可能なようにジェットエンジン又はガスタービンエンジンに連結されるギア駆動発電機によって供給される。ギア及び発電機は、エンジンから推進エネルギーを取り出して電力を生成する。加えて、航空機の油圧システム及び抽気システムもまた、推力を生み出しうるエンジンからエネルギーを取り出す。したがって、発電機、ドライブシャフト及びギアを取り除くことができれば、エンジンの効率を改善し、故障しやすく保守を必要とするコンポーネントを取り除き、航空機の重量を低減することが可能になりうる。

一実施形態によれば、ガスタービンエンジンアセンブリは、コアストリームフローを生成する燃料と空気の混合物に点火するための燃焼室を含みうる。ガスタービンエンジンはまた、コアストリームフローがガスタービンエンジンアセンブリの中を通るように配向するための高温部カウリングを含みうる。高温部カウリングは、コアストリームフローを包含する内面、及び内面に対向する外面を含みうる。ガスタービンエンジンアセンブリは更に、高温部カウリングの外面に熱的に取り付けられた複数の熱電発電機アセンブリを含みうる。各熱電発電機アセンブリは、多数の熱電発電機デバイスの各々の端から端までの温度差に基づいて電流を生成する、多数の熱電発電機デバイスを含みうる。熱電発電機デバイスは、燃焼室と高温部カウリングの排気端部又はガスタービンエンジンの排気端部との間の高温部カウリングに沿った異なる加熱帯で使用される異なる材料を含みうる。

別の実施形態によれば、熱電発電システムはガスタービンエンジンアセンブリを含みうる。ガスタービンエンジンアセンブリは、コアストリームフローを生成する燃料と空気の混合物に点火するための燃焼室を含みうる。ガスタービンエンジンアセンブリはまた、コアストリームフローがガスタービンエンジンアセンブリの中を通るように配向するための高温部カウリングを含みうる。高温部カウリングは、コアストリームフローを包含する内面、及び内面に対向する外面を含みうる。熱電発電システムはまた、高温部カウリングの外面に熱的に取り付けられた複数の熱電発電機アセンブリを含みうる。各熱電発電機アセンブリは、複数の熱電発電機デバイスの各々の端から端までの温度差に基づいて電流を生成する、多数の熱電発電機デバイスを含みうる。熱電発電機デバイスは、燃焼室と高温部カウリングの排気端部との間の高温部カウリングに沿って異なる加熱帯で使用される異なる材料を含みうる。

更なる実施形態によれば、電力を生成する方法は、ガスタービンエンジンの高温部カウリングの外面に沿って複数の熱電発電機アセンブリを並べることを含みうる。熱電発電機アセンブリはそれぞれ、多数の熱電発電機デバイスを含みうる。熱電発電機デバイスは、高温部カウリングに沿った異なる加熱帯に使用される異なる材料を含みうる。本方法は、複数の熱電発電機アセンブリによって、ガスタービンエンジンの高温部カウリングから排熱を獲得すること、及び獲得した排熱を複数の熱電アセンブリによって電力に変換することを含みうる。

別の実施形態又は前述の実施形態のいずれかによれば、複数の熱電発電機アセンブリは、燃焼室と高温部カウリングの排気端部との間の所定の場所で、電力生成を最大化するように、高温部カウリングの外面に沿って並べられうる。

別の実施形態又は前述の実施形態のいずれかによれば、複数の熱電発電機アセンブリは、異なるタイプの熱電発電機デバイスを含みうる。異なるタイプの熱電発電機デバイスの各々は、ガスタービンエンジンの稼働中に、複数の熱電発電機アセンブリの各々が燃焼室と高温部カウリングの排気端部との間に配置される、高温部カウリングの外面の温度に基づいて、熱エネルギーから電気エネルギーへの最も高い変換効率をもたらすように構成された特定の材料群を含みうる。

別の実施形態又は前述の実施形態のいずれかによれば、熱電発電機アセンブリは異なるタイプの熱電発電機デバイスを含み、燃焼室と高温部カウリングの排気端部との間で、高温部カウリングの外面に沿って並べられうる。熱電発電機デバイスは、各熱電発電機アセンブリの所定の場所で、高温部カウリングの外面の温度に従って熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際に、異なるタイプの熱電発電機デバイスの各々の効率に基づいて並べられうる。

別の実施形態又は前述の実施形態のいずれかによれば、ガスタービンエンジンアセンブリは、ガスタービンエンジンアセンブリへの吸気口の位置に、ガスタービンエンジンアセンブリの中へのファンストリームフローを生成するファンを含みうる。ガスタービンエンジンアセンブリは、高温部カウリングの少なくとも一部を取り囲むファンノズルを付加的に含みうる。ファンノズルはファンストリームフローの方向を決定する高温部カウリングは、燃焼室から高温部カウリングの排気端部まで連続していてもよい。ファンストリームフローは、ファンから熱電発電機アセンブリまで、向きを変えられることなく直接通過する。

別の実施形態又は前述の実施形態のいずれかによれば、ガスタービンエンジンアセンブリは、電力バス、電力管理システム及び電力分配システムを含みうる。電力バスは、熱電発電機アセンブリによって生成された電力を電力管理システム及び／又は電力分配システムに供給する。電力管理システムは、ビークルの電動コンポーネント及びシステムに調整された電力を供給するように構成されうる。

以下の実施形態の詳細な説明は添付の図面を参照しており、これら図面は本開示の具体的な実施形態を示している。異なる構造及び操作を含む他の実施形態も、本開示の範囲から逸脱するものではない。

本開示の実施形態による、エンジンの高温部に実装された熱電発電機アセンブリシステムを含むガスタービンエンジンの実施例の断面図である。本開示の別の実施形態による、エンジンの高温部に実装された熱電発電機アセンブリを含むガスタービンエンジンの実施例の断面図である。本開示の実施形態による、ガスタービンエンジンの高温部の外面に実装された熱電発電機アセンブリの詳細なブロック概略図である。本開示の実施形態による、異なるｎ型の熱電発電機材料の異なる温度での効率を示すグラフである。本開示の実施形態による、異なるｐ型の熱電発電機材料の異なる温度での効率を示すグラフである。図１の熱電発電機アセンブリの詳細な上面図である。本開示の実施形態による、電力を生成する少なくとも１つのエンジンに関連する複数のガスタービンエンジン及び熱電発電機アセンブリシステムを含む航空機の実施例の概略図である。本開示の実施形態による、電力生成方法の実施例のフロー図である。

以下の実施形態の詳細な説明は添付の図面を参照しており、これら図面は本開示の具体的な実施形態を示している。異なる構造及び操作を含む他の実施形態も、本開示の範囲から逸脱するものではない。同様の参照番号は、異なる図面における同一の要素又はコンポーネントを表す。

本明細書では、ある種の用語は便宜上の目的でのみ使用されており、説明されている実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。例えば、「近位」、「遠位」、「上部」、「底部」、「上方」、「下方」、「左」、「右」、「水平の」、「垂直の」、「上向き」、「下向き」などの用語は、単に図に示した構成あるいは説明されている図の方位を参照して使用される相対位置を説明しているに過ぎない。実施例のコンポーネントは多数の異なる方位に配置されうるため、方向の用語は説明の目的として使用されるもので、決して限定的なものではない。他の実施例も利用可能であり、本発明の範囲を逸脱することなく、構造的及び論理的な変更を加えうることを理解されたい。したがって、後述の詳細な説明は限定的な意味で捉えるべきではなく、本発明の範囲は添付の請求項の範囲によって定義される。

図１は、本開示の実施形態による、ガスタービンエンジンアセンブリ１００の高温部１０４の上に実装された熱電発電機アセンブリシステム１０２を含む、ガスタービンエンジンアセンブリ１００の実施例の断面図である。ガスタービンエンジンアセンブリ１００は、少なくとも２つの部分、すなわち、低温部１０６及び高温部１０４を有するとみなされうる。低温部１０６は、燃焼室１０８前方のガスタービンエンジンアセンブリ１００部分を含みうる。高温部１０４は、燃焼室１０８及び燃焼室１０８後方のガスタービンエンジンアセンブリ１００部分を含みうる。ガスタービンエンジン又はガスタービンエンジンアセンブリ１００は異なる構成を含みうる。例示的なガスタービンエンジンアセンブリ１００の構成は、２スプール低バイパスターボファンエンジンの一例である。ガスタービンエンジンの他の構成の実施例には、図２に示した例のように、高バイパスターボファンエンジン及びターボジェットエンジンを含みうる。本明細書に記載の熱電発電機アセンブリシステム１０２は、任意の構成又はタイプのガスタービンエンジンアセンブリ及び任意の用途に適用可能でありうる。ガスタービンエンジンの用途の例には、必ずしも限定するものではないが、航空機並びに水上艦や船舶、揚陸船などの他のビークルの推進、発電が含まれうる。例示的なガスタービンエンジンアセンブリ１００のコンポーネント及び操作は、本開示の理解のために本明細書に簡潔に記載されているが、本開示は、記載されている例示的な構成に限定されることを意図するものではなく、他の構成も等しく適用可能でありうる。

ガスタービンエンジンアセンブリ１００は、ガスタービンエンジンアセンブリ１００のナセル１１４によって形成される吸気口１１２又は吸入口に隣接するファン１１０を含みうる。図１の例示的なガスタービンエンジンアセンブリ１００に示したように、ナセル１１４は、ガスタービンエンジンアセンブリ１００のコア１１５又は低温部１０６及び高温部１０４の両方を完全に取り囲みうる。他の実施形態では、ナセル１１４はガスタービンエンジンアセンブリ１００のコア１１５の部分のみを取り囲んでもよく、或いはガスタービンエンジンアセンブリ１００の高温部１０４を超えて部分的に延在してもよい。

矢印１１６によって示される周囲の気流は、吸気口１１２を通ってガスタービンエンジンアセンブリ１００に入り、ファン１１０によって急加速される。ファン１１０によって加速された周囲の気流１１６の一部は、ガスタービンエンジン１００の後端部又は排気端部１２３で、バイパス空気チャネル１２０又はファンノズル１２２へのダクトを通るように強いられるファンストリームフロー（矢印１１８で示した）を形成する。バイパス空気チャネル１２０は、ガスタービンエンジンアセンブリ１００のナセル１１４又は外側カウリングとガスタービンエンジンアセンブリ１００の内壁又は内側カウリング１２４との間に形成される。

ファン１１０によって加速される周囲の気流１１６の別の部分は、低温部１０６の低圧コンプレッサ１２６と高圧コンプレッサ１２８とを含むガスタービンエンジンアセンブリ１００のコア１１５を通って流れる。低圧コンプレッサ１２６及び高圧コンプレッサ１２８は更に、周囲の気流１１６を加速し、燃焼室１０８に入る高圧気流を生成する。低圧コンプレッサ１２６及び高圧コンプレッサ１２８はそれぞれ、一連の円形ディスク又はローターを含みうる。各ディスク又はローターは、各ディスク又はローターの円周を囲むように取り付けられた多数のコンプレッサブレードを含みうる。一連の連続回転ディスク又はローターは、低圧コンプレッサ１２６及び高圧コンプレッサ１２８を通って燃焼室１０８に至る気流を漸次加速する。

高圧下の燃料と空気の混合物は燃焼室１０８内で点火され、矢印１３０によって示されるコアストリームフローを生成する。高加速されたコアストリームフロー１３０は、高圧タービン１３２とこれに続く低圧タービン１３４を通って流れ、高圧タービン１３２と低圧タービン１３４が回転するように力を加える。高圧タービン１３２及び低圧タービン１３４はそれぞれ、一連の円形ディスク又はローターを含んでもよく、各ディスク又はローターは、各ディスク又はローターの円周を囲むように取り付けられた多数のタービンブレードを含んでもよく、これらは高速コアストリームフロー１３０によって衝撃が加えられると、タービン１３２及び１３４を回転させるように働く。

高圧タービン１３２は、高圧シャフト１３６によって、高圧コンプレッサ１２８に動作可能に連結されている。したがって、高圧タービン１３２は高圧シャフト１３６によって高圧コンプレッサ１２８を駆動する。低圧タービン１３４は、低圧シャフト１３８によって、低圧コンプレッサ１２６に動作可能に連結されている。したがって、低圧タービン１３４は低圧シャフト１３８によって低圧コンプレッサ１２６を駆動する。

高温部１０４の内壁１２４すなわちカウリングは、高温部カウリング１４０と称されることがある。高温部カウリング１４０は、燃焼室１０８又は高圧タービン１３２の後方又は排気端部の少なくとも近傍から、構成によってはガスタービンエンジンアセンブリ１００の排気端部になりうる高温部カウリング１４０の排気端部１４２まで、延在しうる。高温部カウリング１４０の排気端部１４２はまた、コアノズルと称されることがある。高温部カウリング１４０は、コアストリームフロー１３０がガスタービンエンジンアセンブリ１３０を通るように配向する。高温部カウリング１４０は壁１４４を含みうる。高温部カウリング１４０の壁１４４は、燃焼室１０８から高温部カウリング１４０の排気端部１４２、すなわちコアノズルまで連続的であってもよい。高温部カウリング１４０の壁１４４は、コアストリームフロー１３０を包含する内面１４６、及び内面１４６に対向する外面１４８、すなわち壁１４４の外部表面を含みうる。

熱電発電機アセンブリシステム１０２は、複数の熱電発電機アセンブリ１５０を含みうる。複数の熱電発電機アセンブリ１５０は、高温部カウリング１４０の外面１４８、すなわち壁１４４の外部表面に熱的に取り付けられうる。熱電発電機アセンブリ１５０は、生成を所望する電力量、並びに所望の電力量を生成するために必要とされる熱電発電機アセンブリ１５０の量に応じて、高温部カウリング１４０の周囲のほぼ全体、又は高温部カウリング１４０の周囲の一部の所定の場所で、高温部カウリング１４０の外面１４８に熱的に取り付けられうる。熱電発電機アセンブリ１５０間の任意の裂け目や間隙は、熱電発電機アセンブリ１５０の間及び上部に滑らかな面を提供するため、断熱材料１５１で充填されてもよく、ファンストリームフロー１１８はこれにより、ファンストリームフロー１１８を分断し、ガスタービンエンジン１００の効率低下を引き起こしうる表面の凹凸がない状態で流れることができる。別の実施形態では、熱電発電機アセンブリ１５０は、図１の破線で示されているように、表面材料１５３によって覆われてもよい。ファンストリームフロー１１８が分断やエンジン効率の低下なしで熱電発電機アセンブリ１５０に受け渡されるように、この材料は断熱性を有し、滑らかな連続面を提供する。熱電発電機アセンブリ１５０によって電力が効率よく生成されるように、表面材料１５３は充分な熱伝導と熱流量をもたらす。

また、図３を参照すると、本開示の実施形態に従って、ガスタービンエンジン１００の高温部１０４の外面１４８に実装された熱電発電機アセンブリ１５０の実施例の詳細なブロック概略図が示されている。ナセル１１４は、図１に最もわかりやすく示されているように、高温部カウリング１４０の少なくとも一部を取り囲み、ファンストリームフローが熱電発電機アセンブ１５０を通るように配向する。高温部カウリング１４０は、プレナム又は他の気流迂回装置なしで、燃焼室１０８から排気端部１１２、すなわちコアノズルまで連続的であってもよい。したがって、ファンストリームフロー１１８は、任意のプレナムやダクトへ向きを変えられたり迂回されることなく、ファン１１０から熱電発電機アセンブリ１５０へ直接通過しうる。

熱電発電機アセンブリ１５０は、高温部カウリング１４０の外面の高温に耐えることができる、好適な熱伝導性結合材１５２又は接着剤によって、外面１４８に結合されうる。外面１４８の温度が熱電発電機アセンブリ１５０の限界を超え、熱電発電機アセンブリ１５０に損傷を引き起こしうる高温部カウリング１４０に沿った幾つかの場所では、結合材１５２にバッファリング材料１５４を加えた層１５４、又は結合材１５２に代わるバッファリング材料１５４、又は結合材１５２に添加されたバッファリング材料１５４が、高温又は熱による損傷から熱電発電機アセンブリ１５０を保護するために使用されうる。例えば、熱電発電機アセンブリ１５０は、外面１４８の温度が最高になりうる燃焼室１０８（図１）に近接して配置されるため、外面１４８から熱電発電機アセンブリ１５０の高温側１５６へ伝導される熱を低減するため、バッファリング材料１５４又は他の材料又は配置が要求されうる。

各熱電発電機アセンブリ１５０は、多数のＴＥＧデバイス１５６の各々の端から端までの温度差に基づいて電流を生成する、多数の熱電発電機（ＴＥＧ）又はＴＥＧデバイス１５６を含みうる。ＴＥＧ又はＴＥＧデバイス１５６は、デバイスの端から端までに温度差が加えられる、又は温度差が存在するときに電力を生成することができる。ＴＥＧデバイス１５６は一般的に、上端及び下端のキャップが同じ大きさの正方形又は長方形となりうる。一般的にＴＥＧによって生成される電力は、図６を参照して本明細書で説明されているものと同様な、電力線又は端子１６４又は電力バスの組を介して伝送される。ＴＥＧデバイスは一般的に、薄く（例えば、数ミリメートル程度の厚さ）、小さく（例えば、数平方センチメートル）、平らで、壊れやすい。したがって、ＴＥＧデバイスは、本明細書に記載されているガスタービンエンジン、並びに、ＴＥＧデバイス１５６が振動や、絶え間ない温度変化などの過酷な環境条件やその他の過酷な条件に曝されうる自動車、航空機などのビークルでの用途では、個別に扱うことが困難になりうる。デバイスの大きさ及び各ＴＥＧデバイス１５６がわずかな電力量しか生成しないことから、有用な電力量を生成するため、多数のＴＥＧデバイス１５６は１つにまとめられる。更に、ＴＥＧデバイス１５６は一般的に、高温でより大きなエネルギー変換効率をもたらす。これは材料に比較的大きな熱膨張を引き起こすことがある。熱勾配並びに材料の違いに関連する異なる熱膨張係数によって、熱誘発応力が生ずることがある。ＴＥＧデバイス１５６の効率は概して、温度差の増大につれて上昇する。温度差とは、一般的にヒートソース（高温側）１５６とヒートシンク（低温側）１６０と呼ばれるＴＥＧデバイス１５６の対向する２つの面の間の温度差分である。また、周囲の構造材料又は間隙を介した熱エネルギー漏洩がない場合にのみ、ＴＥＧデバイス１５６にヒートフローを導く任意の実装に対して、エネルギー変換効率は最大となる。したがって、取り扱いを単純化し、熱から電力への高い変換効率を実現するため、最終実装に先立って、多数のＴＥＧデバイス１５６がモジュール又はアセンブリ１５０に包み込まれる。

図３に示されるように、熱電発電機アセンブリ１５０の各ＴＥＧデバイス１５６の高温側１５８は、少なくとも熱伝導性結合材１５２によって、高温部カウリング１４０の外面１４８に熱的に連結されてもよく、熱電発電機アセンブリ１５０に損傷を及ぼしうる極限温度を経験する高温部カウリング１４０の領域内では、バッファ材料１５４の層は、ＴＥＧデバイス１５６の高温側１５８と外面１４８との間に配設されうる。各ＴＥＧデバイス１５６の低温側１６０は、熱電発電機アセンブリ１５０の各ＴＥＧデバイス１５６の端から端までに温度差を作り出すため、ファンストリームフロー１１８に曝される。矢印１６２で示すように、高温側１５８と低温側１６０との間の温度差ΔＴによる、熱電発電機デバイス１５６を通る熱の流れは、各熱電発電機デバイス１５６の電気端子１６４の間に生成される電圧ΔＶを引き起こす。各ＴＥＧデバイス１５６によって生成される電圧は、熱電発電機アセンブリ１５０のＴＥＧデバイス１５６の端から端までの温度差又は熱の流れ１６２、或いは各ＴＥＧデバイス１５６の高温側１５８と低温側１６０との間の温度差に比例しうる。

ガスタービンエンジン１００の高温部１０４の温度は、約１２００℃から約６００℃の間で変動しうる。約１０００℃を超える温度で動作しうるＴＥＧデバイスが入手可能である。図示し、本明細書で説明するように、エンジン１００の高温部１０４は周囲温度又はファンストリームフロー１１８によって冷却される。ＴＥＧデバイス１５６の端から端までの、すなわち、高温側１５８と低温側１６０との間で伝導する約１００℃から約３００℃の温度差は、熱エネルギーから電気エネルギーへの変換で最も良い結果、すなわち、性能を生み出しうる。現在のＴＥＧデバイス１５６は、熱エネルギーの約５％から約８％を電気エネルギーに変換しうる。

前述のように、外面１４８の温度は高温部カウリング１４０に沿って変化しうる。熱電発電機デバイス１５６は、燃焼室１０８と高温部カウリング１４０の排気端部１４２すなわちコアノズルとの間で、高温部カウリング１４０に沿って異なる加熱帯１６６ａ〜１６６ｂ（図１）で使用されうる異なる材料を含みうる。例えば、高温部カウリング１４０の外面１４８の温度は燃焼室１０８の排気で最高温度になることがあり、外面１４８の温度は、高温部カウリング１４０に沿って排気端部１４２又はコアノズルに向かって徐々に低下しうる。

また、図４及び図５を参照すると、図４は、本開示の実施形態による、異なるｎ型の熱電発電機材料の異なる温度での効率を示すグラフ４００となっている。図５は、本開示の実施形態による、異なるｐ型の熱電発電機材料の異なる温度での効率を示すグラフ５００となっている。グラフ４００及び５００は、異なる材料からなるＴＥＧデバイスの０℃から１０００℃までの温度でのＺＴを示している。ＺＴは、効率的に電力を生成する所定の材料又は材料の組み合わせに対応する、次元のない評価の数値である。ＺＴは次の方程式によって定義されうる。

ここで、ＳはＳｅｅｂｅｃｋ係数、λは材料の熱伝導率、σは導電率、Ｔは温度である。特定の温度又は温度範囲で、ある材料からなる特定のＴＥＧデバイスのＺＴが高くなると、特定の温度又は温度範囲での電力生成時に、これらの材料からなるＴＥＧデバイスはより効率的になる。したがって、より高いＺＴ、すなわち、より高い電力生成効率を有するＴＥＧデバイスを含む熱電発電機アセンブリ１５０は、ガスタービンエンジンの動作中に高温部カウリング１４０の外面１４８の温度に基づいて、高温部カウリング１４０に沿って特定の場所で使用されうる。

一実施形態によれば、複数の熱電発電機アセンブリ１５０は、燃焼室１０８と高温部カウリング１４０の排気端部１４２との間の所定の場所で、電力生成を最大化するように、高温部カウリング１４０の外面１４８に沿って並べられうる。複数の熱電発電機アセンブリ１５０は異なるタイプの熱電発電機デバイス１５６を含み、異なるタイプの熱電発電機デバイス１５６の各々は、ガスタービンエンジン１００の動作中に、高温部カウリング１４０の外面１４８の温度に基づいて、熱エネルギーから電気エネルギーへの最も高い変換効率をもたらすように構成された特定の材料又は材料群から形成されうる。複数の電熱発電機アセンブリ１５０の各々は、燃焼室１０８と高温部カウリング１４０の排気端部１４２すなわちコアノズルとの間の所定の場所に配置される。したがって、異なるタイプの熱電発電機デバイス１５６は、ガスタービンエンジン１００の動作中に、熱電発電機アセンブリ１５０の所定の場所で、高温部カウリング１４０の外面１４８の温度に基づいて、所定の電力レベルを生成するように構成されうる。

別の実施形態では、異なるタイプの熱電発電機デバイス１５０は、各熱電発電機アセンブ１５０の所定の場所での高温部カウリング１４０の外面１４８の温度に従って、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する異なるタイプの熱電発電機デバイス１５６の各々の効率に基づいて、燃焼室１０８と高温部カウリング１４０の排気端部１４２すなわちコアノズルとの間で、高温部カウリング１４０の外面１４８に沿って並べられうる。

図２は、本開示の別の実施形態による、エンジン２００の高温部２０４に実装される熱電発電機アセンブリ２０２を含むガスタービンエンジン２００の実施例の断面図である。例示的なガスタービンエンジン２００は、ターボジェットエンジンとして構成されている。ガスタービンエンジン２００の高温部２０４は、複数の燃焼室２０６、燃焼室２０６後方のタービン２０８、及びガスタービンエンジン２００の排気端部２１０すなわち排気ノズルを含みうる。例示的なガスタービンエンジン２００は、複数の燃焼室２０６前方の低温部２１２を含みうる。

矢印２１４によって示される周囲の気流は、ガスタービンエンジン２００の吸入口２１６又は吸気口に入りうる。周囲の気流２１４は、矢印２２０によって示される高速圧縮気流の流れを生成するため、コンプレッサ２１８によって加速又は圧縮されうる。コンプレッサ２１８は、圧縮気流フロー２２０が低温部２１２の中を通るように配向するための、ナセル２２２又は低温部カウリングによって囲まれうる。コンプレッサ２１８は、一連のブレード付きローター２２４を含みうる。各ブレード付きローター２２４は、ディスク又はローターの周囲に円周方向に沿って取り付けられた多数のブレードを含みうる。圧縮気流フロー２２０は、ナセル２２２によって燃焼室２０６へ配向されうる。圧縮気流フロー２２０は、燃料と混合され、燃焼室２０６内で点火され、コアストリームフロー２２６を生成する。コアストリームフロー２２６は、燃焼室２０６からタービン２０８の中を通るように配向される。高温部カウリング２２８はタービン２０８を取り囲み、少なくとも燃焼室２０６からガスタービンエンジン２００の排気端部２１０まで延在しうる。高温部カウリング２２８は、ガスタービンエンジン２００が取り付けられる航空機の高速な推進速度で、コアストリームフロー２２６がタービン２０８の中を通って、ガスタービンエンジン２００の排気端部２１０の外へ向かうよう配向する。タービン２０８は、複数のブレード付きローター２３０を含みうる。各ブレード付きローター２３０は、ディスク又はローターの周囲に円周方向に沿って取り付けられた多数のタービンブレードを含みうる。

複数の熱電発電機アセンブリ２０２は、高温部カウリング２２８の外面２３２に熱的に取り付けられうる。熱電発電機アセンブリ２０２は、図１の熱電発電機アセンブリ１５０と同様であってもよい。図３に示した熱電発電機アセンブリ１５０と同様に、熱電発電機アセンブリ２０２の高温側は、高温部カウリング２２８の外面２３２の高温に耐えることができる好適な熱伝導性結合材又は接着剤によって、高温部カウリング２２８の外面２３２に熱的に取り付けられうる。結合材は、図３の結合材１５２と同じでありうる。外面２３２の温度が熱電発電機アセンブリ２０２の限界を超え、熱電発電機アセンブリ２０２に損傷を引き起こしうる高温部カウリング２２８に沿った一部の場所では、結合材に加えてバッファリング材料の層が、又は結合材に代わるバッファリング材料が、又は結合材１５２に添加されたバッファリング材料が、高温又は熱による損傷から熱電発電機アセンブリ２０２を保護するために使用されうる。バッファリング材料は、図３のバッファリング材料１５４と同様であってもよい。

外面２３２の温度は、高温部カウリング２２８に沿って変動しうる。熱電発電機デバイス２０２は、燃焼室２０６とガスタービンエンジン１００の排気端部２１０との間の高温部カウリング１４０に沿って異なる加熱帯２３４ａ〜２３４ｃで使用されうる異なる材料を含みうる。例えば、高温部カウリング２２８の外面２３２の温度は、燃焼室２０６の排気で最高温度になることがあり、外面２３２の温度は、高温部カウリング２２８に沿って排気端部２１０に向かって徐々に低下しうる。前述のように、異なる材料を含む熱電発電機アセンブリ２０２は、高温部カウリング２２８に沿って熱エネルギーから電気エネルギーへの最も高い変換効率をもたらすため、異なる場所で、或いは異なる加熱帯２３４ａ〜２３４ｃで使用されうる。

図６は、図１の熱電発電機アセンブリ１５０の詳細な上面図である。前述のように、図２の熱電発電機アセンブリ２０２は、図１の熱電発電機アセンブリ１５０と同一又は同様であってもよい。各熱電発電機アセンブリ１５０は、図３を参照して説明されているものと同様の複数の熱電発電機デバイス１５６を含みうる。熱電発電機デバイス１５６は、フレーム６００に取り付けられてもよく、また、電気配線６０２によって相互接続されてもよい。電気配線６０２は、熱電発電機アセンブリ１５０の各熱電発電機デバイス１５６を電力バス６０４に接続しうる。熱電発電機デバイス１５６の各々によって生成される電力は、電気配線６０２によって電力バス６０４に供給されうる。図１の熱電発電機アセンブリ１５０、又は図２の熱電発電機アセンブリ２０２の各々は、電力バス６０４によって電力管理システム６０８に接続されうる。したがって、熱電発電機アセンブリ１５０又は２０２の各々によって生成される電力は、電力バス６０４によって電力管理システム６０８に供給される。電力管理システム６０８は、航空機又は他のビークルなど、ビークルの電力管理システムであってもよい。電力管理システム６０８は、熱電発電機アセンブリ１５０又は２０２の電力を、ビークルや航空機のコンポーネント又はシステムによって利用されうる電力に変換及び／又は調整するように構成されうる。熱電発電機アセンブリ１５０又は２０２に対して使用されうる熱電発電機アセンブリ及びシステムの他の実施例は、「熱電発電機アセンブリ及びシステム（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒＡｓｓｅｍｂｌｙａｎｄＳｙｓｔｅｍ）」と題されて、２０１５年８月１８日に発行された米国特許第９，１１２，１０９号に記載されており、本願と同一の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる。

電力管理システム６０８は、電力分配システム６１０に電気的に接続されてもよい。電力分配システム６１０は、ビークルや航空機の電気システム及びコンポーネントに調整された電力を供給するように構成されうる。幾つかの実施形態によれば、図１の熱電発電機アセンブリ１５０、又は図２の熱電発電機アセンブリ２０２は、ビークルに対する唯一の電力源として構成されうる。他の実施形態では、熱電発電機アセンブリ１５０又は２０２は、ビークルに対する１次電力源として構成されてもよく、更なる実施形態では、熱電発電機アセンブリ１５０及び２０２は、ビークルに対する２次電力源として構成されてもよい。

図７は、本開示の実施形態による、電力生成のための少なくとも１つのガスタービンエンジンアセンブリ７０２に関連する複数のガスタービンエンジンアセンブリ７０２、及び熱電発電機アセンブリシステム７０４を含む、航空機７００の実施例の概略図である。熱電発電機アセンブリシステム７０４は、本明細書に記載の熱電発電機アセンブリ１５０と同様の複数の熱電発電機アセンブリを含みうる。航空機７００はまた、胴体７０６、及び胴体７０６の各側面から延在する翼７０８を含みうる。図７に示した例示的な航空機７００では、ガスタービンエンジンアセンブリ７０２は翼７０８の下に取り付けられる。他の実施形態では、ガスタービンエンジンアセンブリ７０２は、航空機７００の他のコンポーネントに関連付けられてもよく、例えば、ガスタービンエンジンアセンブリは、航空機７００の尾部７１０の近傍で胴体に取り付けられてもよい。航空機７００の尾部７１０は、垂直安定板７１２すなわち方向舵、及び水平安定板７１４すなわち昇降舵を含みうる。

図８は本開示の一実施形態による電力生成のための方法８００の実施例のフロー図である。ブロック８０２では、複数の熱電発電機アセンブリは、ガスタービンエンジンの高温部カウリングの外面に沿って並べられうる。熱電発電機アセンブリはそれぞれ、多数の熱電発電機デバイスを含みうる。各熱電発電機アセンブリの高温側は、エンジンの高温部から排熱を獲得するため、熱電発電機アセンブリをエンジンの高温部カウリングに熱的に取り付けるための熱伝導性結合材、接着剤又は同様の材料を使用して、高温部カウリングの外面に熱的に連結されうる。熱電発電機アセンブリの低温側は、外気又はガスタービンエンジンのファンからのファンストリーム空気フローに曝されうる。異なるタイプの熱電発電機デバイスを含む異なるタイプの熱電発電機アセンブリは、ガスタービンエンジンの動作中に、熱エネルギーから電気エネルギーへの最も高い変換効率をもたらすように、異なる場所で使用されてもよく、或いは高温部カウリングに沿った表面温度に基づいて、高温部カウリングに沿った異なる加熱帯に並べられてもよい。

ブロック８０４では、熱電発電機アセンブリの各々は、電力バスによって、電力管理システム及び／又は電力分配システムに電気的に接続されうる。電力管理システムは、熱電発電機アセンブリによって生成された電力を、ガスタービンエンジンに関連するビークルのシステム及びコンポーネントによって使用可能な電力に変換して調整するように、提供されてもよい。電力は、電力分配システムによって、ビークルのシステム及びコンポーネントに分配されうる。

ブロック８０６では、熱は、ガスタービンエンジンの動作中に、ガスタービンエンジンの高温部の外面から熱電発電機アセンブリの熱電発電機デバイスの高温側へ伝導されうる。熱は、エンジンコアを通る高温ガスの流れを迂回させることなく、高温部の外面から熱電発電機デバイスの高温側へ伝導されうる。

ブロック８０８では、ガスタービンエンジンの動作中に、ガスタービンエンジンのファンからの冷却空気又はファン気流又はストリームフローは、熱電発電機アセンブリの熱電発電機デバイスの露出された低温側の上を流れうる。冷却空気は、ファンストリームフローを迂回させることなく、ガスタービンエンジンのファンから熱電デバイスの低温側まで直接流れうる。

ブロック８１０では、熱電発電機アセンブリによってガスタービンエンジンの高温部から獲得した排熱は、熱電発電機アセンブリによって電力に変換されうる。電力は、本明細書に記載されているように、各熱電発電機アセンブリの熱電発電機デバイスの高温側と低温側の間の温度差によって生成されうる。

ブロック８１２では、熱電発電機アセンブリによって生成される電力は、電力バスによって、電力管理システム及び／又電力分配システムに伝送されうる。ブロック８１４では、電力は、電力分配システムによって、ビークルのコンポーネント及びシステムに分配されうる。

図面のフロー図及びブロック図は、本発明の様々な実施例によるシステム、方法及びコンピュータプログラム製品の可能な実装のアーキテクチャ、機能性、及び操作を示すものである。その際、フロー図及びブロック図の各ブロックは、特定の一又は複数の論理機能を実装するための一又は複数の実行可能な命令を含むコードのモジュール、セグメント、又は部分を表わしうる。幾つかの代替的な実装では、ブロックに記載された機能は図面に記載された順序を逸脱して現われることがある。例えば、場合によっては、連続して示されている２つのブロックがほぼ同時に実行されてもよく、或いは含まれる機能によってはブロックは逆の順に実行されてもよい。ブロック図及び／又はフロー図の各ブロック、並びにブロック図及び／又はフロー図のブロックの組み合わせは、特定機能又は作業を行う、又は特殊用途のハードウェア及びコンピュータ命令の組み合わせを実行する特殊用途のハードウェアベースのシステムによって実装可能であることも留意されたい。

本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本発明の実施形態を限定することを意図していない。本明細書で使用されているように、単数形「一つの（ａ、ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限りは、複数形も含むものとする。更に、本明細書中で使用される場合の「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、説明されている特徴、実体、ステップ、工程、要素、及び／又はコンポーネントの存在を特定するが、一又は複数の他の特徴、実体、ステップ、工程、要素、及び／又はそのグループの存在又は追加を排除するものではないことを理解されたい。

すべての手段又はステップの対応する構造、材料、作業、及び均等物と、下記の請求項の機能要素には、具体的に主張されるその他の請求項の要素と結合した機能を行うための任意の構造、材料、又は作業を含むことが意図されている。本発明の説明は、例示及び説明を目的として提示されているものであり、網羅的な説明であること、又は開示された形態に本発明を限定することを意図していない。当業者であれば、本発明の実施形態の範囲及び精神から逸脱することなく多数の修正及び変更を加えることが可能であることが理解されよう。実施形態は、本発明の実施形態の原理、実際の用途を最もよく説明するため、且つ、他の当業者に対し様々な実施形態の開示と、考慮される特定の用途に適した様々な修正との理解を促すために選択及び記述されている。

本明細書では特定の実施形態を例示し説明しているが、例示されている特定の実施形態は、同じ目的を達成するように企図された任意の設定に置き換えられうること、また本発明の実施形態は他の環境で他の用途を有することを当業者は認識するであろう。本出願は、本発明のいかなる改変例又は変形例にも及ぶものとする。下記の請求項は、本発明の実施形態の範囲を本明細書に記載の特定の実施形態に限定することを意図していない。

Claims

ガスタービンエンジンアセンブリであって、該ガスタービンエンジンアセンブリは、
コアストリームフローを生成する燃料と空気の混合物に点火するための燃焼室と、
前記コアストリームフローがガスタービンエンジンアセンブリの中を通るように方向づけるための高温部カウリングであって、前記コアストリームフローを包含する内面及び前記内面に対向する外面を含む高温部カウリングと、
前記高温部カウリングの外面に熱的に取り付けられた複数の熱電発電機アセンブリであって、各熱電発電機アセンブリは、多数の熱電発電機デバイスの各々の端から端までの温度差に基づいて電流を生成する前記多数の熱電発電機デバイスを含む、複数の熱電発電機アセンブリと、
を含み、
複数の熱電発電機デバイスは、前記燃焼室と前記高温部カウリングの排気端部との間で、前記高温部カウリングに沿って異なる加熱帯で使用される異なる材料を含み、
バッファリング材料層が、前記高温部カウリングの外面と、前記複数の熱電発電機アセンブリのうちの１つとの間に配置され、当該熱電発電機アセンブリのうちの１つは、間にバッファリング材料層無しで前記高温部カウリングの外面に結合された前記複数の熱電発電機アセンブリのうちの１つよりも、前記燃焼室に近い、ガスタービンエンジンアセンブリ。
前記高温部カウリングは、前記燃焼室から前記高温部カウリングの前記排気端部まで連続する前記高温部カウリングの壁を含み、前記熱電発電機アセンブリは前記壁の外部表面に熱的に取り付けられる、請求項１に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
ファンストリームフローを方向付けるため、前記高温部カウリングの少なくとも一部を取り囲むファンノズルを更に含み、前記熱電発電機アセンブリは前記ファンストリームフローに曝される、請求項１に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
前記ガスタービンエンジンアセンブリの中を通るファンストリームフローを生成する前記ガスタービンエンジンアセンブリへの吸気口の位置のファンと、
前記高温部カウリングの少なくとも一部を取り囲むファンノズルと
を更に含み、前記ファンノズルは前記ファンストリームフローを方向付け、前記高温部カウリングは前記燃焼室から前記高温部カウリングの前記排気端部まで連続し、前記ファンストリームフローは向きを変えられることなく、前記ファンから前記熱電発電機アセンブリまで直接通過する、請求項１に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
前記複数の熱電発電機アセンブリは、前記燃焼室と前記高温部カウリングの前記排気端部との間の所定の場所で、電力生成を最大化するように、前記高温部カウリングの前記外面に沿って並べられる、請求項１に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
前記複数の熱電発電機アセンブリは異なるタイプの熱電発電機デバイスを含み、異なるタイプの熱電発電機デバイスの各々は、前記ガスタービンエンジンアセンブリの動作中に、前記高温部カウリングの前記外面の温度に基づいて、熱エネルギーから電気エネルギーへの最も高い変換効率をもたらすように構成された特定の材料群を含み、前記複数の熱電発電機アセンブリの各々は前記燃焼室と前記高温部カウリングの前記排気端部との間に配置される、請求項５に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
前記複数の熱電発電機アセンブリは異なるタイプの熱電発電機デバイスを含み、前記異なるタイプの熱電発電機デバイスは、前記ガスタービンエンジンの動作中に、前記熱電発電機アセンブリの所定の場所で前記高温部カウリングの前記外面の温度に基づいて、所定のレベルの電力を生成するように構成される、請求項５に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
前記熱電発電機アセンブリは、異なるタイプの熱電発電機デバイスを含み、前記ガスタービンエンジンの動作中に、各熱電発電機アセンブリの所定の場所で前記高温部カウリングの前記外面の温度に従って、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際の前記異なるタイプの熱電発電機デバイスの各々の効率に基づいて、前記燃焼室と前記高温部カウリングの前記排気端部との間で前記高温部カウリングの前記外面に沿って並べられる、請求項５に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
電力バスと、
電力管理システムと
を更に含み、前記電力バスは前記熱電発電機アセンブリによって生成される電力を前記電力管理システムに供給し、前記電力管理システムはビークルの電動コンポーネント及びシステムに調整された電力を供給するように構成される、請求項１に記載のガスタービンエンジンアセンブリ。
熱電発電システムであって、該熱電発電システムは、
ガスタービンエンジンアセンブリを備え、該ガスタービンエンジンアセンブリは、
コアストリームフローを生成する燃料と空気の混合物に点火するための燃焼室と、
前記コアストリームフローが前記ガスタービンエンジンアセンブリの中を通るように方向付けるための高温部カウリングであって、前記コアストリームフローを包含する内面及び前記内面に対向する外面を含む高温部カウリングと、
前記高温部カウリングの前記外面に熱的に取り付けられた複数の熱電発電機アセンブリであって、各熱電発電機アセンブリは複数の熱電発電機デバイスの各々の端から端までの温度差に基づいて電流を生成する多数の熱電発電機デバイスを含む、複数の熱電発電機アセンブリと、
を含み、
複数の熱電発電機デバイスは、前記燃焼室と前記高温部カウリングの排気端部との間で、前記高温部カウリングに沿って異なる加熱帯で使用される異なる材料を含み、
バッファリング材料層が、前記高温部カウリングの外面と、前記複数の熱電発電機アセンブリのうちの１つとの間に配置され、当該熱電発電機アセンブリのうちの１つは、間にバッファリング材料層無しで前記高温部カウリングの外面に結合された前記複数の熱電発電機アセンブリのうちの１つよりも、前記燃焼室に近い、熱電発電システム。
前記ガスタービンエンジンアセンブリを通るファンストリームフローを生成する前記ガスタービンエンジンアセンブリへの吸気口の位置のファンと、
前記高温部カウリングの少なくとも一部を取り囲むファンノズルと
を更に含み、前記ファンノズルは前記ファンストリームフローを方向付け、前記高温部カウリングは前記燃焼室から前記高温部カウリングの前記排気端部まで連続し、前記ファンストリームフローは向きを変えられることなく、前記ファンから前記熱電発電機アセンブリまで直接通過する、請求項１０に記載の熱電発電システム。
前記複数の熱電発電機アセンブリは、前記燃焼室と前記高温部カウリングの前記排気端部との間の所定の場所で、電力生成を最大化するように、前記高温部カウリングの前記外面に沿って並べられる、請求項１０に記載の熱電発電システム。
電力生成のための方法であって、該方法は、
ガスタービンエンジンの高温部カウリングの外面に沿って複数の熱電発電機アセンブリを並べることであって、前記熱電発電機アセンブリの各々は多数の熱電発電機デバイスを含み、複数の熱電発電機デバイスは、前記高温部カウリングに沿った異なる加熱帯で使用される異なる材料を含む、複数の熱電発電機アセンブリを並べること、
前記複数の熱電発電機アセンブリによって、前記ガスタービンエンジンの前記高温部カウリングから排熱を獲得すること、及び
獲得した前記排熱を前記複数の熱電発電機アセンブリによって電力に変換すること、
を含み、バッファリング材料層が、前記高温部カウリングの外面と、前記複数の熱電発電機アセンブリのうちの１つとの間に配置され、当該熱電発電機アセンブリのうちの１つは、間にバッファリング材料層無しで前記高温部カウリングの外面に結合された前記複数の熱電発電機アセンブリのうちの１つよりも、前記燃焼室に近い、方法。
前記ガスタービンエンジンの動作中に、前記ガスタービンエンジンの前記高温部カウリングからの熱を前記熱電発電機デバイスの各々の高温側に伝達することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
前記ガスタービンエンジンの動作中に、各熱電発電機デバイスの前記高温側と低温側との間に温度差を引き起こすため、前記熱電発電機デバイスの各々の前記低温側の上に冷気を流すことを更に含み、前記温度差は各熱電発電機デバイスによって生成されうる電流を引き起こす、請求項１４に記載の方法。
冷気を前記熱電発電機デバイスの各々の前記低温側の上に流すことは、前記ガスタービンエンジンのファンからの冷気を前記熱電発電機デバイスの各々の前記低温側の上に流すことを含む、請求項１５に記載の方法。
前記電力を電力分配システムに伝送することと、
前記電力を前記電力分配システムによって、ビークルのコンポーネント及びシステムに分配することと
を更に含む、請求項１５に記載の方法。