JP7026989B2

JP7026989B2 - ハイブリッド電気駆動システム

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Publication number: JP7026989B2
Application number: JP2017229759A
Authority: JP
Inventors: ランディ・エム・ヴォンドレール; グレン・クラブツリー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: US10837304B2; BR102017025528A2; CN108216546A; EP3335995A1; EP3335995B1; CA2987227A1; CN108216546B; JP2018140767A; CA2987227C; US20180163558A1

Description

本主題は一般に、ガスタービンエンジンを使用するハイブリッド電気推進システムに関する。

例示的なガスタービンエンジンのタービンエンジンは全体として、直列流れ順に、圧縮機セクション、燃焼セクション、およびタービンセクションを含む。作動時、周囲の空気は圧縮機セクションの入口に供給され、そこで１つまたは複数の軸方向圧縮機がその空気を漸進的に圧縮してから、空気は燃焼器に達する。燃料は、圧縮空気と混合されて燃焼セクション内で燃焼して、燃焼ガスを供給する。燃焼ガスは、燃焼セクションからタービンセクションに送られる。タービンセクションを通る燃焼ガスの流れはタービンセクションを駆動する。

特定の推進システムでは、ガスタービンエンジンのタービンエンジンを使って、例えば、プロペラを駆動することができる。さらに、特定の推進システムでは、二次動力源を使って、ガスタービンエンジンによってプロペラに供給される動力量を補うことができる、または、その代わりに、ガスタービンエンジンによってプロペラに供給される動力の代わりとすることができる。後者の場合、ガスタービンエンジンが作動せずに、二次動力源がさらに、ガスタービンエンジンの特定の構成部品を回転させる場合には、複雑な問題が生じることがある。

したがって、ガスタービンエンジンによって供給される動力を補助する、またはその代替となることができる二次動力源を含み、上記の障害を克服できる推進システムは、当該技術分野では特に有用となる。

米国特許第９３９５２７０号公報

本発明の態様および利点は、以下の説明の一部分に記載され、またはその説明から明らかになり得、または本発明の実施を通じて学ぶことができる。

本開示の１つの例示的な実施形態では、推進システムが提供される。推進システムは、駆動軸と、駆動軸に結合された電気機械と、出力軸を有する燃焼エンジンとを含む。推進システムはさらに、駆動軸および燃焼エンジンの出力軸のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチを含む。一方向クラッチによって、第１の周方向には出力軸に対して駆動軸の角速度の差分が可能になり、第２の周方向には出力軸に対して駆動軸の角速度の差分が妨げられる。

本開示の例示的な態様では、推進システムを動作させる方法が提供される。推進システムは、駆動軸を含む推進器と、駆動軸に結合された電気機械と、出力軸を備える燃焼エンジンと、推進器の駆動軸および燃焼エンジンの出力軸のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチとを含む。本方法は、一方向クラッチが燃焼エンジンの出力軸を推進器の駆動軸に結合するように、燃焼エンジンで少なくとも部分的に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させるステップを含む。本方法はまた、一方向クラッチが燃焼エンジンの出力軸を推進器の駆動軸との結合から外すように、電気機械で少なくとも部分的に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させるステップを含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照すればよりよく理解されるであろう。添付の図面は、この明細書に組み込まれ、その一部を構成するものであり、本発明の実施形態を例示して、本記述と併せて本発明の原理を説明する働きをしている。

当業者を対象として、最良の態様を含む本発明の完全かつ有効な開示を、添付の図を参照して本明細書で記載する。

本開示の例示的な実施形態による推進システムの概略図である。図１の例示的な推進システムに組み込むことができる、本開示の例示的な実施形態による一方向クラッチの拡大断面図である。本開示の別の例示的な実施形態による推進システムの概略図である。本開示のさらに別の例示的な実施形態による推進システムの概略図である。本開示のさらに別の例示的な実施形態による推進システムの概略図である。本開示のさらに別の例示的な実施形態による推進システムの概略図である。本開示のさらに別の例示的な実施形態による推進システムの概略図である。本開示の例示的な態様による推進システムを動作させるための方法のフロー図である。

次に、１つまたは複数の例が添付図面に示される本発明の実施形態を詳細に参照する。詳細な説明では、図面内の要素を指すために数字表示および文字表示を使用する。図面および記述における類似または同様の表示は、本発明の類似または同様の部品を指すために使用される。用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、本明細書で使用するとき、１つの構成部品を別の構成部品と区別するために交換可能に使用される場合があり、個々の構成部品の位置または重要性を意味することを意図していない。用語「前方」および「後方」は、ガスタービンエンジン内での相対的な位置を指し、前方は、エンジンの入口により近い位置を指し、後方は、エンジンのノズルまたは排気部により近い位置を指す。用語「上流」および「下流」は、流体経路での流体の流れに関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は流体が流れて来る元の方向を指し、「下流」は流体が流れて行く先の方向を指す。

次に、図全体を通して同一の数字が同じ要素を示している図面を参照すると、図１は、本開示の例示的な実施形態による推進システム１０の概略図である。図示の実施形態では、推進システム１０は全体として、ガスタービンエンジン（図１に概略断面図が示されている）、推進器１２、電気機械１４、および一方向クラッチ１６を含む。これらの構成部品のそれぞれ、および図示の例示的な推進システム１０内でのそれぞれの動作可能性を下記でより詳細に説明する。

まず、例示的なガスタービンエンジンを参照すると、図示のガスタービンエンジンは、本明細書では「ターボシャフトエンジン１８」と称されるターボシャフトエンジンとして構成されていることが認識されるであろう。しかしながら、他の例示的な実施形態では、下記でより詳細に論ずるように、ターボシャフトエンジン１８は、代わりに、任意の他の適切な方式で構成することができる。例えば、他の例示的な実施形態では、ターボシャフトエンジン１８は、代わりに、ターボプロップエンジン、ターボファンエンジン、または（任意の他の適切なガスタービンエンジン、または、例えば、内燃エンジンなどの）任意の他の適切な燃焼エンジンとして構成することができる。

図１に示すように、ターボシャフトエンジン１８は、軸方向Ａ（参考に示した長手方向中心線２０に平行に延びる）、半径方向Ｒ、および周方向Ｃ（すなわち、軸方向Ａの周りに延びる方向、図２参照）を画定する。全体として、ターボシャフトエンジン１８は、タービンエンジン２２および出力軸２４を含む。

図示の例示的なタービンエンジン２２は、環状の半径方向入口ダクト２８を部分的に取り囲む実質的に管状の外側ケーシング２６を全体的に含む。半径方向入口ダクト２８は、概ね半径方向Ｒに沿って延在する少なくとも一部分を含み、それを通る空気流の方向を転向させ、その結果、空気流が概ね軸方向Ａに沿うようにさらに構成される。さらに、外側ケーシング２６には、直列流れ関係で、単一の圧縮機３０を含む圧縮機セクション、逆流型燃焼器３２を含む燃焼セクション、高圧（ＨＰ：ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ）タービン３４および低圧（ＬＰ：ｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅ）タービン３６を含むタービンセクション、ならびに排気セクション３８が入っている。さらに、図示のターボシャフトエンジン１８は、ＨＰタービン３４を圧縮機３０に結合する第１の高圧（ＨＰ）軸またはスプール４０、およびＬＰタービン３６に結合されて、ＬＰタービン３６を出力軸２４に駆動可能に接続する低圧（ＬＰ）軸またはスプール４２を含むデュアルスプールエンジンである。

圧縮機セクション、燃焼セクション、タービンセクション、および排気セクション３８は一緒になって、タービンエンジン２２を通るタービンエンジン空気流路４４を画定する。特に、図示の実施形態では、タービンエンジン２２はさらに、タービンエンジン空気流路４４の前方端に入口案内ベーン４６の段を含む。詳細には、入口案内ベーン４６は、圧縮機３０を含む圧縮機セクションの上流に配置された半径方向入口ダクト２８内に少なくとも部分的に配置される。図示の実施形態では、例示的な入口案内ベーン４６の段は可変入口案内ベーンとして構成される。しかしながら、他の例示的な実施形態では、入口案内ベーン４６は、代わりに、固定入口案内ベーンとして構成することができ、さらに、半径方向入口ダクト２８内の任意の他の適切な場所に配置することができることを認識すべきである。

さらに、圧縮機セクションの圧縮機３０は、圧縮機ロータブレードの複数の段を含む。より詳細には、図示の実施形態では、圧縮機セクションの圧縮機３０は、半径方向を向く圧縮機ロータブレード４８の４段、および遠心圧縮機ロータブレード５０の追加の段を含む。さらに、圧縮機セクションは、圧縮機ロータブレード４８、５０の各段の間に圧縮機ステータベーンの段を含む。特に、圧縮機ステータベーンの第１段は、可変圧縮機ステータベーン５２の段として構成される。対照的に、圧縮機ステータベーンの残りの段は、固定圧縮機ステータベーン５６として構成される。しかしながら、他の例示的な実施形態では、圧縮機３０は、圧縮機ロータブレード４８、５０の任意の他の適切な数の段、ならびに可変および／または固定圧縮機ステータベーン５２、５６の任意の適切な数の段を含む任意の他の適切な構成を有することができることを認識すべきである。

図示のように、タービンエンジン２２はさらに、圧縮空気流を圧縮機３０から逆流型燃焼器３２に供給するために圧縮機３０の直ぐ下流に概ね半径方向Ｒに沿って延在する少なくとも一部分を有する移行ダクト５８を含む。遠心圧縮機ロータブレード５０の段は、圧縮機セクション内の圧縮空気を移行ダクト５８に入れるように半径方向外向きに転向させることを助けるように構成される。しかしながら、特に、他の例示的な実施形態では、燃焼セクションは逆流型燃焼器３２を含まず、代わりに、缶型燃焼、キャニュラ型燃焼器、またはアニュラ型燃焼器などの任意の適切な順流型燃焼器を含むことができる。このような例示的な実施形態では、圧縮機３０は、遠心圧縮機ロータブレード５０の段を含まない場合がある。

ターボシャフトエンジン１８の作動中、ある量の空気６０が、半径方向入口ダクト２８を通ってターボシャフトエンジン１８に入って、入口案内ベーン４６を通り、圧縮機セクションの圧縮機３０に流入することが認識されるであろう。空気６０が圧縮機３０を通るように送られると、空気６０の圧力は上昇し、次いで、燃焼セクションの逆流型燃焼器３２に供給され、そこで、空気は燃料と混合されて燃焼し燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスはＨＰタービン３４を通るように送られ、そこで、燃焼ガスからの熱エネルギーおよび／または運動エネルギーの一部分が、外側ケーシング２６に結合されたＨＰタービンステータベーン６２とＨＰ軸４０に結合されたＨＰタービンロータブレード６４との連続する段によって取り出され、したがって、ＨＰ軸４０を回転させ、それによって、圧縮機３０の作動を支える。次いで、燃焼ガスはＬＰタービン３６を通るように送られ、そこで、燃焼ガスから、熱エネルギーおよび運動エネルギーの第２の部分が、外側ケーシング２６に結合されたＬＰタービンステータベーン６６とＬＰ軸４２に結合されたＬＰタービンロータブレード６８との連続する段によって取り出され、したがって、ＬＰ軸４２を回転させ、それによって、出力軸２４の作動を支える。燃焼ガスはその後、タービンエンジン２２の排気セクション３８を通るように送られる。

簡単に述べたように、ＬＰ軸４２はＬＰタービン３６に結合され、さらに出力軸２４に機械的に結合される。ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４は、推進システム１０の様々な他の構成部品と動作可能である。

さらに図１を参照すると、図示の実施形態では、推進器１２は全体として、プロペラ７０、およびプロペラ７０を回転させるように構成された駆動軸７２を含む。より詳細には、推進器１２は、プロペラ７０、プロペラ軸７４、歯車装置７６、および駆動軸７２を含む。駆動軸７２は、歯車装置７６を通してプロペラ７０を回転させるように構成され、さらにより詳細には、駆動軸７２は、歯車装置７６を通してプロペラ軸７４を回転させるように構成され、そのプロペラ軸７４がプロペラ７０を回転させる。しかしながら、他の例示的な実施形態では、推進器１２は、任意の他の適切な方式で構成することができる。

推進システム１０はさらに、推進器１２の駆動軸７２に結合された電気機械１４を含む。電気機械１４は全体として、駆動軸７２に固定結合されたロータ７８、および静止して留まるように構成されたステータ８０を含む。さらに、電気機械１４は、電気機械１４のステータ８０および／またはロータ７８を電源および／または電力シンクに電気的に接続する電路８１を含む。電気機械１４は、インランナ型電気機械１４（すなわち、ロータ７８がステータ８０の半径方向内側に配置された電気機械１４）として描かれている。しかしながら、他の実施形態では、電気機械１４は任意の他の適切な構成を有することができることを認識すべきである。例えば、他の実施形態では、代わりに、ステータ８０を半径方向Ｒに沿ってロータ７８の内側に（すなわち、アウトランナ型機械として）配置することができる、または、これに代えて、軸方向磁束の構成で構成することができる。推進システム１０の運転条件、および推進システム１０の特定の構成に応じて、電気機械１４は、推進システム１０から動力を取り出す（すなわち、推進器１２の駆動軸７２の回転を利用して電力を発生させる）ように構成された発電機として、または、それに代えて、推進システム１０に動力をつけ加える（すなわち、推進器１２の駆動軸７２を駆動する、または駆動を助ける）ように構成された電気モータとして、どちらにも構成することができる。

電気機械１４が様々な条件で効果的に動作しやすくするために、図１の例示的な推進システム１０は、推進器１２の駆動軸７２およびガスタービンエンジンの出力軸２４のうちの少なくとも１つと（すなわち、駆動軸７２と、出力軸２４と、または駆動軸７２および出力軸２４の両方と）動作可能な一方向クラッチ１６を含む。より詳細には、図示の実施形態では、一方向クラッチ１６は、電気機械１４とタービンエンジン２２との間の位置で、推進器１２の駆動軸７２、およびターボシャフトエンジン１８の出力軸２４のうちの少なくとも１つと動作可能である。一方向クラッチ１６によって、第１の周方向Ｃ１には出力軸２４に対して駆動軸７２の角速度の差分が可能になり、第２の周方向Ｃ２（すなわち、第１の周方向Ｃ１と反対の周方向Ｃ、図２参照）には出力軸２４に対して駆動軸７２の角速度の差分が妨げられる。

より詳細には、図示の実施形態では、一方向クラッチ１６は、電気機械１４によって生じた駆動軸７２の角速度（すなわち、周方向Ｃに沿う回転速度）に対するタービンエンジン２２によって生じた出力軸２４の角速度（すなわち、周方向Ｃに沿う回転速度）に基づいて、推進器１２の駆動軸７２をターボシャフトエンジン１８の出力軸２４との結合から受動的に外すように構成される。さらにより詳細には、図示の実施形態では、一方向クラッチ１６は、電気機械１４によって駆動軸７２に加えられた動力量に対するターボシャフトエンジン１８のタービンエンジン２２によって出力軸２４に加えられた動力量に基づいて、推進器１２の駆動軸７２をガスタービンエンジンの出力軸２４との結合から外すように構成される。例えば、図１の実施形態の一方向クラッチ１６は、電気機械１４によって駆動軸７２に加えられた動力が、タービンエンジン２２によって出力軸２４に加えられた動力より所定の閾値だけ超えると、推進器１２の駆動軸７２をガスタービンエンジンの出力軸２４との結合から外すように構成される。所定の閾値は、推進システム１０の特定の構成に基づくことができる。例えば、所定の閾値は、固定量とすることができる、または、その代わりに、タービンエンジン２２によって出力軸２４に加えられた動力に対する電気機械１４によって駆動軸７２に加えられた動力の比とすることができる。逆に、一方向クラッチ１６は、電気機械１４によって駆動軸７２に加えられた動力が、ターボシャフトエンジン１８のタービンエンジン２２によって出力軸２４に加えられた動力より小さい、または等しいと、推進器１２の駆動軸７２をガスタービンエンジンの出力軸２４に結合するように構成される。

より詳細には、図示の実施形態では、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４および推進器１２の駆動軸７２によって受動的に制御される一方向クラッチ１６は、機械式一方向クラッチとして構成される。例えば、特定の例示的な実施形態では、一方向クラッチ１６は、スプラグクラッチまたはカムクラッチのうちの少なくとも１つとして構成することができる。例えば、図２を簡単に参照すると、一方向クラッチ１６はスプラグクラッチとして構成することができる。図２は、図１の例示的な推進システム１０に組み込むことができるような構成（すなわち、スプラグクラッチとしての構成）を有する一方向クラッチ１６を概略的に示している。図示の例示的なスプラグクラッチは、内側レース８４と外側レース８６との間に配置された複数のスプラグ８２を含む。外側レース８６は、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４に固定することができ、内側レース８４は推進器１２の駆動軸７２に固定することができる（図１参照）。内側レース８４が外側レース８６に対して反時計回りに回転すると（その結果、出力軸２４に対して第１の周方向Ｃ１に駆動軸７２の正の角速度の差分がある）、複数のスプラグ８２はこのような動きに対して実質的に何ら抵抗しない。したがって、スプラグクラッチによって、内側レース８４／駆動軸７２と外側レース８６／出力軸２４との間で第１の周方向Ｃ１に正の角速度の差分が可能になる。対照的に、内側レース８４が外側レース８６に対して時計回りに回転しようとすると、複数のスプラグ８２がそれらの各回転軸８８のそれぞれの周りで回転し、内側レース８４を外側レース８６に固着させ、その結果、内側レース８４が外側レース８６に対して時計方向に相対的に回転することができない。したがって、スプラグクラッチによって、内側レース８４／駆動軸７２と外側レース８６／出力軸２４との間で第２の周方向Ｃ２の正の角速度の差分が妨げられる。

さらに図１を参照すると、例示的な推進システム１０はさらに、ＬＰ軸４２と動作可能なブレーキ８９を含む。ブレーキ８９は、ＬＰ軸４２を減速させて一方向クラッチ１６との係合を外すようにＬＰ軸４２に係合することができる。ブレーキ８９は、例えば、ＬＰ軸４２と動作可能な摩擦ブレーキを含む任意の適切なブレーキ８９とすることができる。

しかしながら、他の実施形態では、任意の他の適切な一方向クラッチ１６を使用することができ、さらに、一方向クラッチ１６を任意の他の適切な場所に配置することができることを認識すべきである。

さらに、他の例示的な実施形態では、推進システム１０を任意の他の適切な方式で構成することができることを認識すべきである。例えば、他の例示的な実施形態では、ターボシャフトエンジンは、代わりに、逆流型エンジンとして構成することができ、その結果、ＬＰ軸４２は、ターボシャフトエンジン１８の下流の場所で出力軸２４に結合される。加えて、さらなる他の例示的な実施形態では、推進システム１０は航空機用推進システムでない場合がある。例えば、他の例示的な実施形態では、駆動軸７２は、推進器１２の一部分として構成されるのではなく、代わりに、任意の他の適切な乗り物を駆動するために利用することができる。例えば、他の例示的な実施形態では、推進システムは、機関車の推進システムとすることができ、駆動軸７２は、鉄道車両の車輪を回転させるための駆動軸として構成することができる。他の実施形態もまたこの開示の範囲内である。例えば、さらに他の例示的な実施形態では、推進システム１０は、任意の他の適切なガスタービンエンジン、または任意の適切な内燃エンジンなどの任意の他の適切な燃焼エンジン（すなわち、ターボシャフトエンジン１８の代わりのエンジン）を含むことができる。

次に、図３から５を全体的に参照して、本開示の例示的な実施形態による推進システム１０の動作を説明する。図３から５のそれぞれは、図１を参照して上記で説明した例示的な推進システム１０と実質的に同じ方式で構成することができる推進システム１０を概略的に示している。したがって、同じまたは同様な数字は同じまたは同様な部品を指す。

例えば、図３から５に示した例示的な推進システム１０は、全体として、プロペラ７０、歯車装置７６、および駆動軸７２を有する推進器１２と、推進器１２の駆動軸７２に結合され、電路８１を含む電気機械１４と、タービンエンジン２２、およびタービンエンジン２２とともに回転可能でタービンエンジン２２によって回転可能な出力軸２４を含むターボシャフトエンジン１８と、推進器１２の駆動軸７２およびターボシャフトエンジン１８の出力軸２４のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチ１６とを含む。

図３を特に参照すると、図示の推進システム１０は、電気機械１４を電気モータとして使用し、さらにターボシャフトエンジン１８を動力源として使用する。例えば、図３では、ターボシャフトエンジン１８のタービンエンジン２２は、第１のＧＴＥ出力を出力軸２４に加えることができる。同様に、電気機械１４（電気モータとして作動している）は、電路８１から電力を受け取り、その電力を推進器１２の駆動軸７２に加えられる機械動力、すなわち、第１のＥＭ出力に変換することができる。第１のＥＭ出力は、図３の実施形態では、第１のＧＴＥ出力の所定の閾値内とすることができる。例えば、第１のＥＭ出力は、図３の実施形態では、第１のＧＴＥ出力より小さい、または同じとすることができる。駆動軸７２へのこの相対的な動力付加に基づいて、一方向クラッチ１６は、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４を推進器１２の駆動軸７２に結合するように動作可能であり、その結果、電気機械１４（電気モータとして作動している）およびターボシャフトエンジン１８のそれぞれが推進器１２を駆動するように動作する。

このような構成によって、推進システム１０は、特定の高出力運転モード中に、ターボシャフトエンジン１８だけで得ることができるであろう動力よりも大きな動力量を利用することができる。例えば、このような構成によって、離陸運転モードまたは他の高出力運転モード中に、推進システム１０は、ターボシャフトエンジン１８と電気機械１４（例えば、補助動力源として）とで推進器１２を駆動することができる。このような構成では、ターボシャフトエンジン１８は、巡航運転中などの比較的低い出力モード中に、最も効率的に動作するように設計することができ、それによって、全体的により効率的な推進システム１０となる可能性がある。

次に、図４を参照すると、図示の推進システム１０もまた、電気機械１４を電気モータとして使用する。しかしながら、図４の実施形態では、ターボシャフトエンジン１８は作動していないか、またはその代わりに、比較的低い出力レベルで作動している。例えば、図４では、ターボシャフトエンジン１８のタービンエンジン２２は、出力軸２４に第２のＧＴＥ出力を加えることができる。同様に、電気機械１４（電気モータとして作動している）は、電路８１から電力を受け取り、その電力を推進器１２の駆動軸７２に加えられる機械動力、すなわち、第２のＥＭ出力に変換することができる。図示の実施形態では、第２のＥＭ出力は、第２のＧＴＥ出力の所定の閾値内にはない。例えば、第２のＥＭ出力は、図４の実施形態では、第２のＧＴＥ出力より大きい、または実質的に大きい場合がある。例えば、第２のＥＭ出力は、第２のＧＴＥ出力より少なくとも７５％大きい場合がある。したがって、駆動軸７２への相対的な動力付加に基づいて、一方向クラッチ１６は、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４を推進器１２の駆動軸７２との結合から外すように動作可能であり、その結果、電気機械１４（電気モータとして作動している）による駆動軸７２の回転によって、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４に伝わる回転動力またはトルクはない。

このような構成によって、より持続可能で効率的なハイブリッド電気推進システム１０が可能になる。例えば、このような構成によって、ターボシャフトエンジン１８のタービンエンジン２２を回転させないで、推進器１２を実質的に完全に電気機械１４によって駆動することができる。したがって、このような作動モードでは、ターボシャフトエンジン１８は、一方向クラッチ１６を使用せずに出力軸２４を駆動軸７２に接続した場合に必要となるであろう、ターボシャフトエンジン１８の様々な付属システム（例えば、潤滑システム、熱交換システムなど）を動作させるために動力を使用する必要がない。このような構成では、ターボシャフトエンジン１８は、例えば、電気機械１４から動力を吸い上げる必要がある、または、このような付属システムを動かすために最低限の出力レベルで作動する必要がある。

次に、特に図５を参照すると、図示の例示的な推進システム１０は電気機械１４を発電機として使用する。図示の実施形態では、ターボシャフトエンジン１８は、推進システム１０に動力を供給するように、より詳細には、電気機械１４（発電機として作動している）および推進器１２に動力を供給するように作動している。例えば、ターボシャフトエンジン１８のタービンエンジン２２は、出力軸２４に第３のＧＴＥ出力を加えることができる。電気機械１４は駆動軸７２にいかなる動力も加えないので、駆動軸７２への相対的な動力付加に基づいて、一方向クラッチ１６は、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４を推進器１２の駆動軸７２に結合するように動作可能である。図示のように、電気機械１４は、出力軸２４によって（一方向クラッチ１６を通して）駆動軸７２に加えられた機械動力の一部分を電力、すなわち第３のＥＭ出力に変換するように作動している。第３のＥＭ出力は、電路８１を通じて電力シンクに供給することができ、一方、第３のＧＴＥ出力の残りの量は、推進器１２を駆動するために使用することができる。

このような構成によって、ターボシャフトエンジン１８は、推進システム１０の推進器１２を動作させる一方、推進システム１０内の他のシステムにもなお電力を供給することができる。例えば、特定の例示的な実施形態では、電気機械１４によって変換された電力は、図５の実施形態では、１つまたは複数のエネルギー貯蔵装置（電池など）内に蓄えるように利用することができる。このような構成では、エネルギー貯蔵装置は、その後、このような貯蔵された電力のある量を電気機械１４に伝送し、実質的に完全に推進器１２に動力を与える（例えば、図４参照）、または、その代わりに、推進器１２に供給する動力の全体の量を増加させる（例えば、図３参照）ことができる。

これに代えて、さらに他の実施形態では、図５の推進システム１０のタービンエンジン２２および電気機械１４はさらに、他の推進装置に動力を与えるように用いることができる。例えば、次に、図６を簡単に参照すると、本開示のさらに別の例示的な実施形態による推進システム１０が提供される。図６の例示的な推進システム１０は、図５の例示的な推進システム１０と実質的に同様な方式で作動しているように描かれている。しかしながら、図６の実施形態では、推進器１２は第１の推進器１２Ａであり、電気機械１４は第１の電気機械１４Ａである。図６の例示的な推進システム１０はさらに、第２の推進器１２Ｂおよび第２の電気機械１４Ｂを含む。第２の推進器１２Ｂは、第１の推進器１２Ａと同様に、プロペラ７０Ｂ、歯車装置７６Ｂ、および駆動軸７２Ｂを含む。さらに、第２の電気機械１４Ｂは、第１の電気機械１４Ａと同様に、第２の推進器１２Ｂの駆動軸７２Ｂに結合され、ロータ７８Ｂ、ステータ８０Ｂ、および電路８１Ｂを含む。さらに、第２の電気機械１４Ｂは、各電路８１Ａ、８１Ｂを介して第１の電気機械１４Ａに電気的に結合される。このような方式で、第２の電気機械１４Ｂは、第１の電気機械１４Ａによって電力を与えられて、第２の電気機械１４Ｂが第２の推進器１２Ｂを駆動することを可能にする。

したがって、このような構成では、推進システム１０のターボシャフトエンジン１８は、複数の推進器１２Ａ、１２Ｂを動作させるように利用することができる。例えば、図６の実施形態は２つの推進器１２を含むが、他の例示的な実施形態では、例示的な推進システム１０は任意の他の適切な数の推進器１２を含むことができる。

さらに、図１、および３から６を参照して上記で説明した実施形態のそれぞれでは、推進器１２は、プロペラ７０を含むように描かれているが、他の例示的な実施形態では、推進器１２は、任意の他の推進装置を有することができることを認識すべきである。例えば、他の例示的な実施形態では、推進器１２は、ダクテッドファンまたはアンダクテッドファンを含むことができる。さらに、例示的な推進システム１０は、ターボシャフトエンジンを含む航空機用推進システム１０として全体的に説明されているが、他の例示的な実施形態では、推進システム１０は、任意の他の適切なガスタービンエンジン（例えば、ターボプロップ、ターボファンなど）、または他の燃焼エンジンを含むことができ、推進システム１０は、代わりに、例えば、陸上用または舶用の航転型推進システム１０として構成することができる。

加えて、さらに他の例示的な実施形態では、推進システム１０は、任意の他の適切な方式で構成することができることを認識すべきである。例えば、次に、図７を簡単に参照すると、図１を参照して上記で説明した例示的な推進システム１０と実質的に同じ方式で構成することができる推進システム１０の概略図が示されている。したがって、同じまたは同様な数字は同じまたは同様な部品を指す。より詳細には、図７に示した例示的な推進システム１０は、全体として、プロペラ７０、歯車装置７６、および駆動軸７２を有する推進器１２と、推進器１２の駆動軸７２に結合され、電路８１を含む電気機械１４と、タービンエンジン２２、およびタービンエンジン２２とともに回転可能でタービンエンジン２２によって回転可能な出力軸２４を含むターボシャフトエンジン１８と、推進器１２の駆動軸７２およびターボシャフトエンジン１８の出力軸２４のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチ１６とを含む。

しかしながら、図７の実施形態では、電気機械１４は、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４と並列に構成される。より詳細には、電気機械は、歯車装置７６を介してプロペラ７０とともに回転可能な推進器１２の駆動軸７２と作動可能である。さらに、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４は歯車装置７６を介してプロペラ７０とともに回転可能である。さらに、図示の実施形態では、一方向クラッチ１６は、ターボシャフトエンジン１８の出力軸２４と動作可能である。このような方式では、図７の一方向クラッチ１６は、図１から６を参照して上記で説明した例示的な一方向クラッチ１６と実質的に同じ方式で動作することができる。特に、特定の実施形態では、出力軸２４は、複数の個別の構成部品より形成することができる。

次に、図８を参照すると、本開示の例示的な態様による推進システムを動作させる方法（２００）が提供される。例示的な方法（２００）は、図１から７を参照して上記で説明した１つまたは複数の例示的な推進システムと実施可能である。したがって、推進システムは、駆動軸を有する推進器と、駆動軸に結合された電気機械と、出力軸を有する燃焼エンジン（または、特定の例示的な態様では、タービンエンジンおよび出力軸を有するガスタービンエンジン）と、推進器の駆動軸およびガスタービンエンジンの出力軸のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチとを含むことができる。

図示のように、例示的な方法（２００）は、一方向クラッチがガスタービンエンジンの出力軸を推進器の駆動軸に結合するように、ガスタービンエンジンで少なくとも部分的に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２０２）のステップを全体として含む。より詳細には、図８の例示的な態様では、ガスタービンエンジンで少なくとも部分的に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２０２）のステップは、電気機械を発電機として動作させる（２０４）のステップを含む。このような例示的な態様では、推進システムは、例えば、１つまたは複数の電力貯蔵装置または別個の電力シンクに電力を供給することができる。図示の例示的な態様では特に、電気機械を発電機として動作させる（２０４）のステップは、推進システムの第２の推進器に動力を与える（２０６）のステップを含む。このような例示的な態様は、例えば、図６を参照して上記で説明した例示的な推進システムとともに使用することができる。

（２０４）および（２０６）とは異なる時点で、ガスタービンエンジンで少なくとも部分的に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２０２）のステップはさらに、ガスタービンエンジンおよび電気機械の両方で推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２０８）のステップを含む。したがって、推進システムを動作させる（２０８）のステップは、電気機械を電気モータとして動作させるステップを含む。より詳細には、図８の例示的な態様では、ガスタービンエンジンおよび電気機械の両方で推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２０８）のステップは、高出力モードでガスタービンエンジンを動作させる（２１０）のステップを含む。例えば、高出力モードは、最大出力量が望まれるであろう離陸運転モードとすることができる。

さらに図８を参照すると、（２０２）とは異なる時点で、例示的な方法（２００）はさらに、一方向クラッチがガスタービンエンジンの出力軸を推進器の駆動軸との結合から外すように、電気機械で少なくとも部分的に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２１２）のステップを含む。図８に示した例示的な態様では特に、電気機械で少なくとも部分的に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２１２）のステップは、電気機械で実質的に完全に推進器に動力を与えるように推進システムを動作させる（２１４）のステップを含む。したがって、推進システムを動作させる（２１２）のステップは、電気機械を電気モータとして動作させるステップを含む。認識されるように、一方向クラッチは、電気機械によって駆動軸に加えられたトルクに対するガスタービンエンジンによって出力軸に加えられたトルクに基づいて、出力軸を駆動軸に結合することから、出力軸を駆動軸との結合から外すことまで自動的に移行する。このような方式では、一方向クラッチは、受動的に制御された一方向クラッチとして構成することができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
駆動軸（７２）と、
前記駆動軸（７２）に結合された電気機械（１４）と、
出力軸を備える燃焼エンジンと、
前記駆動軸（７２）および前記燃焼エンジンの前記出力軸のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチ（１６）であって、第１の周方向には前記出力軸に対して前記駆動軸（７２）の角速度の差分を可能にし、第２の周方向には前記出力軸に対して前記駆動軸（７２）の角速度の差分を妨げる一方向クラッチ（１６）と
を備える推進システム（１０）。
［実施態様２］
前記燃焼エンジンがさらにタービンエンジンを含み、前記出力軸が前記タービンエンジンとともに回転可能である、実施態様１に記載の推進システム（１０）。
［実施態様３］
前記一方向クラッチ（１６）が、前記電気機械（１４）によって生じた前記駆動軸（７２）の角速度に対する前記タービンエンジンによって生じた前記出力軸の角速度に基づいて、前記駆動軸（７２）を前記出力軸との結合から受動的に外すように構成される、実施態様２に記載の推進システム（１０）。
［実施態様４］
前記電気機械（１４）によって前記駆動軸（７２）に加えられた動力が、前記タービンエンジンによって前記出力軸に加えられた動力より所定の閾値だけ超えると、前記一方向クラッチ（１６）が前記駆動軸（７２）を前記出力軸との結合から外すように構成される、実施態様３に記載の推進システム（１０）。
［実施態様５］
前記電気機械（１４）によって前記駆動軸（７２）に加えられた動力が、前記タービンエンジンによって前記出力軸に加えられた動力より小さい、または等しいと、前記一方向クラッチ（１６）が前記駆動軸（７２）を前記出力軸（２４）に結合するように構成される、実施態様３に記載の推進システム（１０）。
［実施態様６］
前記駆動軸（７２）が推進器（１２）の駆動軸（７２）として構成され、前記推進器（１２）がさらにプロペラ（７０）を含み、前記駆動軸（７２）が前記プロペラを回転させるように構成される、実施態様１に記載の推進システム（１０）。
［実施態様７］
前記推進器（１２）がさらに歯車装置（７６）を含み、前記駆動軸（７２）が、前記歯車装置（７６）を通して前記プロペラ（７０）を回転させるように構成される、実施態様５に記載の推進システム（１０）。
［実施態様８］
前記一方向クラッチ（１６）が、前記出力軸および前記駆動軸（７２）によって受動的に制御される機械式一方向クラッチとして構成される、実施態様１に記載の推進システム（１０）。
［実施態様９］
前記一方向クラッチ（１６）が、スプラグクラッチまたはカムクラッチのうちの少なくとも１つとして構成される、実施態様１に記載の推進システム（１０）。
［実施態様１０］
前記駆動軸（７２）が推進器（１２）の駆動軸（７２）として構成され、前記推進器（１２）が第１の推進器（１２Ａ）であり、前記電気機械（１４）が第１の電気機械（１４Ａ）である、実施態様１に記載の推進システム（１０）であって、
駆動軸（７２）を含む第２の推進器（１２Ｂ）と、
前記第２の推進器（１２Ｂ）の前記駆動軸（７２）に結合されて、第２の推進器（１２Ｂ）を駆動する第２の電気機械（１４Ｂ）であって、前記第１の電気機械（１４Ａ）に電気的に結合され、前記第１の電気機械（１４Ａ）によって電力を与えられる第２の電気機械（１４Ｂ）と
をさらに備える推進システム（１０）。
［実施態様１１］
駆動軸を含む推進器と、前記駆動軸に結合された電気機械と、出力軸を備える燃焼エンジンと、前記駆動軸および前記出力軸のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチとを備える推進システムを動作させる方法（２００）であって、
前記一方向クラッチが前記燃焼エンジンの前記出力軸を前記推進器の前記駆動軸に結合するように、前記燃焼エンジンで少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０２）と、
前記一方向クラッチが前記燃焼エンジンの前記出力軸を前記推進器の前記駆動軸との結合から外すように、前記電気機械で少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２１２）と
を含む方法（２００）。
［実施態様１２］
前記燃焼エンジンが、タービンエンジンをさらに含むガスタービンエンジンであり、前記出力軸が前記タービンエンジンとともに回転可能である、実施態様１１に記載の方法（２００）。
［実施態様１３］
前記ガスタービンエンジンで少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０２）が、前記電気機械を発電機として動作させるステップ（２０４）をさらに含む、実施態様１２に記載の方法（２００）。
［実施態様１４］
前記電気機械を発電機として動作させるステップ（２０４）が、前記推進システムの第２の推進器に動力を与えるステップ（２０６）を含む、実施態様１３に記載の方法（２００）。
［実施態様１５］
前記ガスタービンエンジンで少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０２）がさらに、前記ガスタービンエンジンおよび前記電気機械の両方で前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０８）を含む、実施態様１２に記載の方法（２００）。
［実施態様１６］
前記ガスタービンエンジンおよび前記電気機械の両方で前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０８）が、前記ガスタービンエンジンを高出力モードで運転するステップ（２１０）を含む、実施態様１５に記載の方法（２００）。
［実施態様１７］
前記高出力モードが離陸運転モードである、実施態様１６に記載の方法（２００）。
［実施態様１８］
前記電気機械で少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２１２）が、前記電気機械で実質的に完全に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２１４）を含む、実施態様１１に記載の方法（２００）。
［実施態様１９］
前記一方向クラッチが、前記電気機械によって前記駆動軸に加えられたトルクに対する前記ガスタービンエンジンによって前記出力軸に加えられたトルクに基づいて、前記出力軸を前記駆動軸に結合することから、前記出力軸を前記駆動軸との結合から外すことまで自動的に移行する、実施態様１１に記載の方法（２００）。
［実施態様２０］
前記一方向クラッチが、前記出力軸（２４）および前記駆動軸（７２）によって受動的に制御される機械式一方向クラッチとして構成される、実施態様１１に記載の方法（２００）。

１０推進システム
１２推進器
１４電気機械
１６クラッチ
１８ターボシャフトエンジン
２０長手方向または軸方向中心線
２２コアタービンエンジン
２４出力軸
２６外側ケーシング
２８入口
３０圧縮機
３２燃焼器
３４高圧タービン
３６低圧タービン
３８排気セクション
４０高圧軸／スプール
４２低圧軸／スプール
４４コア空気流路
４６入口案内ベーン
４８半径方向圧縮機ロータブレード
５０遠心圧縮機ロータブレード
５２可変圧縮機ステータベーン
５６固定圧縮機ステータベーン
５８移行ダクト
６０空気流
６２ＨＰタービンステータベーン
６４ＨＰタービンロータブレード
６６ＬＰタービンステータベーン
６８ＬＰタービンロータブレード
７０プロペラ
７２駆動軸
７４プロペラ軸
７６歯車装置
７８ロータ
８０ステータ
８１電路
８２スプラグ
８４内側レース
８６外側レース
８８回転軸
８９ブレーキ

Claims

駆動軸（７２）と、
前記駆動軸（７２）に結合された電気機械（１４）と、
出力軸を備える燃焼エンジンと、
前記駆動軸（７２）および前記燃焼エンジンの前記出力軸のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチ（１６）であって、第１の周方向には前記出力軸に対して前記駆動軸（７２）の角速度の差分を可能にし、第２の周方向には前記出力軸に対して前記駆動軸（７２）の角速度の差分を妨げる一方向クラッチ（１６）と、
前記出力軸と動作可能に設けられ、前記出力軸を減速させるブレーキ（８９）と、
を備える推進システム（１０）。
前記燃焼エンジンがさらにタービンエンジンを含み、前記出力軸が前記タービンエンジンとともに回転可能である、請求項１記載の推進システム（１０）。
前記一方向クラッチ（１６）が、前記電気機械（１４）によって生じた前記駆動軸（７２）の角速度に対する前記タービンエンジンによって生じた前記出力軸の角速度に基づいて、前記駆動軸（７２）を前記出力軸との結合から受動的に外すように構成される、請求項２記載の推進システム（１０）。
前記電気機械（１４）によって前記駆動軸（７２）に加えられた回転速度が、前記タービンエンジンによって前記出力軸に加えられた回転速度より所定の閾値だけ超えると、前記一方向クラッチ（１６）が前記駆動軸（７２）を前記出力軸との結合から外すように構成される、請求項３記載の推進システム（１０）。
前記電気機械（１４）によって前記駆動軸（７２）に加えられた回転速度が、前記タービンエンジンによって前記出力軸に加えられた回転速度より小さい、または等しいと、前記一方向クラッチ（１６）が前記駆動軸（７２）を前記出力軸（２４）に結合するように構成される、請求項３記載の推進システム（１０）。
前記駆動軸（７２）が推進器（１２）の駆動軸（７２）として構成され、前記推進器（１２）がさらにプロペラ（７０）を含み、前記駆動軸（７２）が前記プロペラを回転させるように構成される、請求項１記載の推進システム（１０）。
前記推進器（１２）がさらに歯車装置（７６）を含み、前記駆動軸（７２）が、前記歯車装置（７６）を通して前記プロペラ（７０）を回転させるように構成される、請求項６記載の推進システム（１０）。
前記一方向クラッチ（１６）が、前記出力軸および前記駆動軸（７２）によって受動的に制御される機械式一方向クラッチとして構成される、請求項１記載の推進システム（１０）。
前記一方向クラッチ（１６）が、スプラグクラッチまたはカムクラッチのうちの少なくとも１つとして構成される、請求項１記載の推進システム（１０）。
前記駆動軸（７２）が推進器（１２）の駆動軸（７２）として構成され、前記推進器（１２）が第１の推進器（１２Ａ）であり、前記電気機械（１４）が第１の電気機械（１４Ａ）である、請求項１記載の推進システム（１０）であって、
駆動軸（７２）を含む第２の推進器（１２Ｂ）と、
前記第２の推進器（１２Ｂ）の前記駆動軸（７２）に結合されて、第２の推進器（１２Ｂ）を駆動する第２の電気機械（１４Ｂ）であって、前記第１の電気機械（１４Ａ）に電気的に結合され、前記第１の電気機械（１４Ａ）によって電力を与えられる第２の電気機械（１４Ｂ）と
をさらに備える推進システム（１０）。
駆動軸を含む推進器と、前記駆動軸に結合された電気機械と、出力軸を備える燃焼エンジンと、前記駆動軸および前記出力軸のうちの少なくとも１つと動作可能な一方向クラッチと、前記出力軸と動作可能に設けられ、前記出力軸を減速させるブレーキ（８９）と、を備える推進システムを動作させる方法（２００）であって、
前記一方向クラッチが前記燃焼エンジンの前記出力軸を前記推進器の前記駆動軸に結合するように、前記燃焼エンジンで少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０２）と、
前記一方向クラッチが前記燃焼エンジンの前記出力軸を前記推進器の前記駆動軸との結合から外すように、前記電気機械で少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２１２）と
を含む方法（２００）。
前記燃焼エンジンが、タービンエンジンをさらに含むガスタービンエンジンであり、前記出力軸が前記タービンエンジンとともに回転可能である、請求項１１記載の方法（２００）。
前記ガスタービンエンジンで少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０２）が、前記電気機械を発電機として動作させるステップ（２０４）をさらに含む、請求項１２記載の方法（２００）。
前記電気機械を発電機として動作させるステップ（２０４）が、前記推進システムの第２の推進器に動力を与えるステップ（２０６）を含む、請求項１３記載の方法（２００）。
前記ガスタービンエンジンで少なくとも部分的に前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０２）がさらに、前記ガスタービンエンジンおよび前記電気機械の両方で前記推進器に動力を与えるように前記推進システムを動作させるステップ（２０８）を含む、請求項１２記載の方法（２００）。