WO2021014667A1 - ターボファンエンジンの発電機冷却システム - Google Patents

ターボファンエンジンの発電機冷却システム Download PDF

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WO2021014667A1
WO2021014667A1 PCT/JP2020/006463 JP2020006463W WO2021014667A1 WO 2021014667 A1 WO2021014667 A1 WO 2021014667A1 JP 2020006463 W JP2020006463 W JP 2020006463W WO 2021014667 A1 WO2021014667 A1 WO 2021014667A1
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generator
air pipe
junction box
core
air
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直喜 関
敏和 小林
將太郎 石井
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株式会社Ihi
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/234—Heat transfer, e.g. cooling of the generator by compressor inlet air

Definitions

  • the present disclosure relates to a generator located in a hot section of a turbofan engine and a system for cooling a transmission line connected to the generator.
  • the turbofan engine consists of a fan placed at the front and a core engine placed behind the fan coaxially with the fan.
  • the core engine is provided with a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, a combustor, a high-pressure turbine, and a low-pressure turbine in order from the front (upstream side) to the rear (downstream side), and has a high pressure.
  • the rotor of the turbine rotationally drives the rotor of the high-pressure compressor via the high-pressure shaft, and the rotor of the low-pressure turbine rotates the rotor of the low-pressure compressor and the fan via the low-pressure shaft.
  • the high-pressure and low-pressure shafts (main shafts) are both hollow shafts, and the low-pressure shafts are arranged inside the high-pressure shafts.
  • the turbofan engine During the operation of the turbofan engine, a part of the air sucked and compressed by the fan flows into the core engine and contributes to the generation of high temperature and high pressure gas for driving the low pressure turbine which is the rotational drive source of the fan and the low pressure compressor. However, the rest bypasses the core engine and is discharged from the rear, contributing to the generation of most of the thrust.
  • the turbofan engine mounted on an aircraft is a generator driven by the power extracted from the main shaft in order to supply electric power to the electric and electronic devices mounted on the aircraft in addition to the engine control device. I have.
  • a conventional turbofan engine power is extracted from a high-pressure shaft via a PTO (Power Take-Off) shaft provided inside a front frame arranged at the front of the engine, and this is applied to the front.
  • PTO Power Take-Off
  • AGB Accessory Gear Box
  • the drive source of the actuator that operates the control surface and landing gear is the engine (or APU (Auxiliary Power Unit) mounted on the aircraft). This is because the oil produced by the power of the engine is changed to electricity, and the source of air conditioning in the cabin is changed from the air extracted from the engine to the air generated by the electric compressor.
  • turbofan engine turbo-fan gas turbine engine (10)
  • power generation driven by a low pressure shaft (24) via a joint mechanism (coupling mechanism (44)).
  • the machine electric machine (32)
  • the support structure support structure (42)
  • turbine exhaust case turbine exhaust case
  • the tail cone is located in the hot section of the turbofan engine (combustor and downstream parts), and the inside of the tail cone is affected by the turbine exhaust (usually up to about 600 ° C) flowing around it. It becomes hot. Therefore, in order to protect the generator placed there from damage due to overheating, it is necessary to cool the inside of the tail cone.
  • a cooling fluid inlet (cooling fluid inlet (46)) and a cooling fluid outlet (cooling fluid outlet (48)) are provided in the tail cone, and a cooling fluid such as air is provided.
  • the inside of the tail cone is cooled by circulating the fluid.
  • Patent Document 1 does not mention the above-mentioned air supply source as a cooling fluid, but the supply source is the rating of the engine among the mainstream flow paths (air flow paths that are the working fluid) of the turbofan engine. Regardless of the temperature, air with a temperature not exceeding the upper limit temperature of the generator (for example, about 200 ° C.) should be extracted. Such a part includes the fan outlet of a turbofan engine (more precisely, the trailing edge of the fan outlet guide blade).
  • the temperature of the air extracted from the fan outlet of the turbofan engine is sufficiently low as described above, when the engine rating is low (for example, idle), the pressure is also low, and the tail cone Due to the pressure loss in the supply path to the inside of, a sufficient flow rate cannot be supplied.
  • the turbine exhaust has a temperature that exceeds the upper limit temperature of the generator even when the engine rating is low, so that the flow rate of the cooling air supplied to the inside of the tail cone is insufficient. This may cause the generator to overheat and be damaged.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and appropriately cools the generator arranged in the hot section of the turbofan engine and the transmission line connected to the generator regardless of the rating of the engine.
  • the purpose is to provide a system that can be used.
  • the system of the present disclosure provides a junction box and a bypass for supplying air extracted from a portion of the bypass flow path of the turbofan engine downstream of the fan outlet to the junction box.
  • the air pipe, the core air pipe for supplying the air extracted from the portion of the core flow path of the turbofan engine upstream from the compressor outlet to the junction box, and the generator from the junction box are accommodated.
  • the generator arranged in the hot section of the turbofan engine and the transmission line connected to the generator can be appropriately cooled regardless of the rating of the engine, which is an excellent effect. Can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a turbofan engine 1 that employs the system of the embodiment of the present disclosure.
  • the turbofan engine 1 is composed of a fan 2 arranged at the front portion and a core engine 3 arranged coaxially with the fan 2 behind the fan 2.
  • the fan 2 includes a substantially cylindrical fan case 21, a fan rotor (fan disk) 2R rotatably supported inside the fan case 21, and a plurality of fans mounted on the outer periphery of the fan rotor 2R at equal intervals in the circumferential direction. 22 fan blades (moving blades) 22 and a plurality of fan outlet guide blades (static blades) 23 attached to the bypass flow path 20 described later at equal intervals in the circumferential direction.
  • the fan case 21 is surrounded by a substantially cylindrical nacelle 24, and the nacelle 24 is connected to the main wing (not shown) of an aircraft equipped with a turbofan engine 1 via a pylon P.
  • the core engine 3 is surrounded by a substantially cylindrical core cowl 38, which is connected to the nacelle 24 via an upper bifacation BU and a lower bifacation BL, which are hollow columns having a streamlined cross section. Has been done.
  • the core engine 3 has a low-pressure compressor 31, a high-pressure compressor 32, a combustor 33, a high-pressure turbine 34, and so on, in this order from the front (upstream side) to the rear (downstream side).
  • a low-pressure turbine 35 is provided, the rotor 34R of the high-pressure turbine 34 passes through the high-pressure shaft 36 to the rotor 32R of the high-pressure compressor 32, and the rotor 35R of the low-pressure turbine 35 passes through the low-pressure shaft 37 to the rotor 2R of the fan 2 and the low-pressure compressor.
  • the rotor 31R of 31 is driven to rotate.
  • the high-pressure shaft 36 and the low-pressure shaft 37 are both hollow shafts, and the low-pressure shaft 37 is arranged inside the high-pressure shaft 36.
  • a turbine exhaust frame 4 that rotatably supports the rear end portion of the low-pressure shaft 37 via a bearing 37B is arranged.
  • the turbine exhaust frame 4 includes an annular outer ring 41 on the outer side in the radial direction and an inner ring 42 on the inner side in the radial direction, and both rings are a plurality of hollow struts (posts) arranged at equal intervals in the circumferential direction. They are connected by 43.
  • the outer ring 41 is connected to the casing 35C of the low pressure turbine 35 at its front end, and the inner ring 42 supports a substantially conical tail cone 44 at its rear end. At least a part of the tail cone 44 defines a radial inner boundary of the flow path of the core nozzle 39 described later.
  • the air flowing into the core flow path 30 is sequentially compressed by the low-pressure compressor 31 and the high-pressure compressor 32, and then flows into the combustor 33.
  • the combustion gas generated by the combustion of fuel in the combustor 33 is sequentially expanded in the high-pressure turbine 34 and the low-pressure turbine 35, and is discharged through the core nozzle 39.
  • the air flowing into the bypass flow path 20 is discharged through the bypass nozzle 25 after the static pressure is restored and the swirling speed component is removed when passing through the fan outlet guide blade 23, and most of the thrust is generated. Contribute.
  • the generator G is arranged inside the tail cone 44. More precisely, the generator G is arranged inside the heat shield 45 for shielding the radiant heat input from the tail cone 44 heated by the turbine exhaust.
  • the tail cone exhaust hole 44A and the heat shield exhaust hole 45A are provided at the rear ends of the tail cone 44 and the heat shield 45, respectively, in order to discharge the cooling air supplied through the cooling air pipe 61 described later. It is provided.
  • the input shaft of the generator G is connected to the rear end of the low pressure shaft 37, and is rotationally driven by the low pressure shaft 37.
  • the input shaft of the generator G and the low-voltage shaft 37 may be directly connected or may be connected via a joint mechanism.
  • the converter C is arranged on the outer periphery of the fan case 21 in the nacelle 24, and the generator G and the converter C are connected via the transmission line 50.
  • the generator G is configured to generate three-phase alternating current, and the generator G and the converter C are connected via three transmission lines 50 corresponding to each phase (1 in the figure). Only the power line 50 of the book is shown).
  • the transmission line 50 which is schematically shown in FIG. 1, is from the inside of the tail cone 44 where the generator G is arranged, through the inside of the hollow strut 43 of the turbine exhaust frame 4, and the inside of the core cowl 38.
  • the transmission line 51 and the junction box 60 reach the junction box 60, which will be described later, sequentially passing through the outer circumference of the casing 35C of the low-pressure turbine 35, the outer circumference of the casing 34C of the high-pressure turbine 34, and the outer circumference of the casing 33C of the combustor 33.
  • It is composed of a transmission line 52 that enters the space inside the nacelle 24 through the inside of the hollow upper bifacation BU and reaches the converter C.
  • the transmission line 51 is laid in the hot section of the turbofan engine 1 (combustor 33 and a relatively high temperature portion located downstream of the combustor 33), it will be referred to as a high temperature part transmission line 51 below. To do. Further, since the transmission line 52 is laid in the cold section (a relatively low temperature portion excluding the hot section) of the turbofan engine 1, it will be referred to as a low temperature part transmission line 52 in the following.
  • the high temperature transmission line 51 is laid in the hot section of the turbofan engine 1, heat is input from the casing 35C of the low pressure turbine 35, the casing 34C of the high pressure turbine 34, and the casing 33C of the combustor 33.
  • the generator G arranged inside the tail cone 44 also becomes hot due to the influence of the turbine exhaust gas passing through the core nozzle 39, and therefore needs to be appropriately cooled.
  • a cooling air pipe 61 for supplying cooling air is provided inside the tail cone 44, and the high temperature part transmission line 51 is housed inside the cooling air pipe 61. ing.
  • the cooling air pipe 61 is formed from a junction box 60 arranged on the outer periphery (cold section) of the casing 32C of the high-pressure compressor 32, the outer periphery of the casing 33C of the combustor 33, the outer periphery of the casing 34C of the high-pressure turbine 34, and the low-pressure turbine 35. It sequentially passes through the outer periphery of the casing 35C to reach the outer periphery of the turbine exhaust frame 4, passes through the inside of the hollow strut 43 of the turbine exhaust frame 4, and reaches the inside of the heat shield 45 in the tail cone 44.
  • junction box 60 air (fan outlet air or bypass air) is extracted from a portion of the bypass flow path 20 downstream of the fan outlet (more strictly, the trailing edge of the fan outlet guide blade 23).
  • a bypass air pipe 62 for supplying to the junction box 60 and a core air pipe for extracting air (core air) from the upstream side of the core flow path 30 from the outlet of the high-pressure compressor 32 and supplying it to the junction box 60. 63 is connected.
  • a bypass air on / off valve 62V and a core air on / off that can be opened and closed independently of each other can be controlled.
  • An off valve 63V is arranged. As will be described later, these on / off valves 62V and 63V (valves) are controlled so that one opens (on state) and the other closes (off state) according to the operating conditions of the turbofan engine 1. ..
  • the core air pipe 63 is connected to an air extraction port (not shown) provided in a portion of the casing of the compressor (low pressure compressor 31 and high pressure compressor 32) located upstream from the outlet of the high pressure compressor 32.
  • the core air is extracted through the air extraction port.
  • the core air supplied from the air extraction port to the cooling air pipe 61 via the junction box 60 is generated by the generator G.
  • the high temperature part The part satisfies the requirements (pressure and temperature) for keeping the transmission line 51 below the allowable upper limit temperature.
  • FIG. 2 is a partially broken perspective view showing the structure of the junction box 60 in the system of the embodiment of the present disclosure.
  • the junction box 60 includes a hollow housing 64 having a shape in which an isosceles trapezoid (front part) and a rectangle (rear part) are combined in a plan view, a rectifying plate 65 arranged inside the housing 64, and a housing. It is provided with a low temperature transmission line lead-out port 66 arranged on the upper surface wall 64U of 64.
  • the front wall 64F and the lower surface wall 64L of the housing 64 are provided with through holes, respectively, and the above-mentioned bypass air on / off valve 62V and core air on / off valve 63V are provided in the through holes, respectively. It is connected.
  • the rear wall 64R of the housing 64 is provided with three through holes, and three cooling air pipes 61 are connected to these through holes.
  • one high-temperature section transmission line 51 is housed inside each cooling air pipe 61.
  • a total of three high-temperature unit transmission lines 51 are provided corresponding to each phase of the three-phase alternating current generated by the generator G. Further, since it is necessary to supply a large current from the generator G to the converter C, the three high temperature unit transmission lines 51 are configured as a bus bar in which a copper rod is coated with an insulating coating.
  • three low-temperature section transmission lines 52 are led out from the low-temperature section transmission line lead-out port 66 arranged on the upper wall 64U of the housing 64.
  • the high temperature part transmission line 51 and the low temperature part transmission line 52 of each phase of the three-phase AC are connected inside the housing 64 of the junction box 60. Both transmission lines may be directly connected or may be connected via a terminal board arranged inside the housing 64.
  • bypass air fan outlet air
  • core air flows into the junction box 60 through either the bypass air on / off valve 62V or the core air on / off valve 63V.
  • Two straightening vanes 65 are arranged inside the housing 64 in order to evenly distribute the air to the three cooling air pipes 61. These straightening vanes 65 extend from the rear wall 64R to the front wall 64F inside the housing 64 to the vicinity of the through hole to which the core air on / off valve 63V is connected.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the flow of cooling air around the generator in the system of the embodiment of the present disclosure.
  • the generator G includes a generator rotor (rotor) GR connected to the low-voltage shaft 37 and a bottomed cylindrical generator stator (stator) GS arranged so as to surround the outer periphery of the generator rotor GR.
  • the heat shield 45 described above surrounds the outer circumference thereof.
  • a through hole is provided in the front portion of the heat shield 45, and the end (downstream end) of the cooling air pipe 61 arranged inside the hollow strut 43 of the turbine exhaust frame 4 is inserted into the through hole. ing. Further, the end of the high temperature part transmission line 51 housed inside the cooling air pipe 61 is connected to the front surface of the generator stator GS inside the heat shield 45. Further, a through hole is provided in the rear wall GSR corresponding to the bottom of the bottomed cylindrical generator stator GS, and a check valve CV is attached to the through hole.
  • the cooling air supplied through the cooling air pipe 61 flows into the space inside the heat shield 45, and then, as shown by an arrow F, an annular gap formed between the generator rotor GR and the generator stator GS. At that time, the generator rotor GR and the generator stator GS are cooled. After that, the cooling air is sequentially discharged to the outside through the check valve CV attached to the rear wall GSR of the generator stator GS, the heat shield exhaust hole 45A, and the tail cone exhaust hole 44A.
  • the check valve CV is provided to prevent backflow of cooling air (furthermore, turbine exhaust gas invades through the tail cone exhaust hole 44A and the heat shield exhaust hole 45A).
  • each cooling air pipe 61 (and the high temperature part transmission line 51) is shown in FIG. 3, as described above, it corresponds to each phase of the three-phase alternating current generated in the generator G.
  • Three cooling air pipes 61 (and high temperature transmission lines 51) are provided.
  • each cooling air pipe 61 (and high temperature part transmission line 51) is arranged inside, for example, three struts 43 that are continuously adjacent to each other.
  • the three cooling air pipes 61 (and the high temperature transmission line 51) that have entered the space inside the core cowl 38 from the space inside the heat shield 45 through the inside of the strut 43 are the casing 35C of the low pressure turbine 35.
  • the outer circumference of the casing 34C of the high-pressure turbine 34, and the outer circumference of the casing 33C of the combustor 33 in sequence they are laid so as to approach each other in the circumferential direction and gather to reach the junction box 60.
  • the rating of the turbofan engine 1 that becomes the value will be referred to as an bleed air switching rating (predetermined lower limit rating).
  • the bypass air on / off valve 62V is opened and the core air on / off valve 63V is opened. Is closed.
  • the bypass air flows into the junction box 60 through the bypass air pipe 62, and the bypass air is supplied to the inside of the tail cone 44 via the cooling air pipe 61, and the high temperature part transmission line 51 and the generator. Cool G.
  • the bypass air provided for cooling is then discharged to the outside through the check valve CV attached to the rear wall GSR of the generator stator GS, the heat shield exhaust hole 45A, and the tail cone exhaust hole 44A in that order. Will be done.
  • the core air on / off valve 63V is opened and the bypass air on / off valve 62V is closed.
  • the core air flows into the junction box 60 through the core air pipe 63, and the core air is supplied to the inside of the tail cone 44 through the cooling air pipe 61, and the high temperature part transmission line 51 and the generator. Cool G.
  • the bypass air provided for cooling is then discharged to the outside through the check valve CV attached to the rear wall GSR of the generator stator GS, the heat shield exhaust hole 45A, and the tail cone exhaust hole 44A in that order. Will be done.
  • bypass air of the bypass air pipe 62 is used.
  • a check valve may be provided at a portion upstream of the on / off valve 62V.
  • the fan when the turbofan engine 1 is operated at a relatively high rating, the fan is used as air for cooling the high temperature part transmission line 51 and the generator G. Since only the outlet air (bypass air) is extracted and the core air is not extracted, deterioration of engine performance can be suppressed.
  • the turbofan engine 1 when the turbofan engine 1 is operated at a relatively low rating, the high temperature part transmission line 51 and the generator G cannot be sufficiently cooled by the fan outlet air (bypass air), so that these are cooled. Core air is used as the air for cooling. As a result, the high temperature part transmission line 51 and the generator G can be appropriately cooled regardless of the rating at which the turbofan engine 1 is operated.
  • the bypass air on / off valve 62V and the core air on / off valve 63V are switched (opened / closed) based on the rating of the turbofan engine 1 , but the switching is performed at the fan outlet. It may be performed based on the output signal of the sensor that detects the pressure of air. In this case, when the pressure of the fan outlet air detected by the sensor is equal to or higher than a predetermined lower limit value, the bypass air on / off valve 62V is opened and the core air on / off valve 63V is closed. On the other hand, when the pressure of the fan outlet air detected by the sensor is less than a predetermined lower limit value, the core air on / off valve 63V is opened and the bypass air on / off valve 62V is closed.
  • the system of the first aspect of the present disclosure includes a junction box and a bypass air pipe for supplying air extracted from a portion of the bypass flow path of the turbofan engine downstream from the fan outlet to the junction box.
  • a cooling air pipe in which the transmission line is housed is provided, and valves that can be opened and closed independently of each other are provided at the downstream ends of the bypass air pipe and the core air pipe. ing.
  • the generator is located inside a tail cone supported by a turbine exhaust frame, and the junction box is located on the outer periphery of the casing of the high pressure compressor.
  • the cooling air piping passes through the hollow struts of the turbine exhaust frame on a path from the junction box to the space in which the generator is housed.
  • the valve provided at the downstream end of the bypass air pipe is opened, while the core air pipe is opened.
  • the valve provided at the downstream end of the core air pipe is closed, and when the rating of the turbo fan engine is less than a predetermined lower limit rating, the valve provided at the downstream end of the core air pipe is opened while the bypass is opened.
  • the valve provided at the downstream end of the air pipe is closed.

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Abstract

ターボファンエンジンのホットセクションに配置された発電機及び当該発電機と接続された送電線を、エンジンのレーティングにかかわらず適切に冷却することができるシステムを提供する。　システムは、ジャンクションボックスと、ターボファンエンジンのバイパス流路のうちファン出口より下流側の部位から抽出された空気をジャンクションボックスへ供給するためのバイパス空気配管と、ターボファンエンジンのコア流路のうち圧縮機出口より上流側の部位から抽出された空気をジャンクションボックスへ供給するためのコア空気配管と、ジャンクションボックスから発電機が収容された空間まで延びると共に、内部に送電線が収容された冷却空気配管と、を備え、バイパス空気配管及びコア空気配管のそれぞれの下流端には、互いに独立して開閉制御可能なバルブが設けられている。

Description

ターボファンエンジンの発電機冷却システム
　本開示は、ターボファンエンジンのホットセクションに配置された発電機及び当該発電機と接続された送電線を冷却するためのシステムに関する。
　ターボファンエンジンは、最前部に配置されたファンと、ファンの後方にファンと同軸に配置されたコアエンジンとから構成されている。
　２軸のターボファンエンジンの場合、コアエンジンは、前部（上流側）から後部（下流側）へ向かって順に、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを備え、高圧タービンのロータは高圧シャフトを介して高圧圧縮機のロータを、低圧タービンのロータは低圧シャフトを介して低圧圧縮機及びファンのロータを、それぞれ回転駆動する。なお、高圧及び低圧シャフト（メインシャフト）は、いずれも中空のシャフトであり、低圧シャフトは高圧シャフトの内部に配置されている。
　ターボファンエンジンの運転中、ファンにより吸引され圧縮された空気の一部はコアエンジンに流入し、ファン及び低圧圧縮機の回転駆動源である低圧タービンを駆動するための高温高圧ガスの発生に寄与し、残部はコアエンジンをバイパスして後方から排出され、推力の大部分の発生に寄与する。
　ところで、航空機に搭載されたターボファンエンジンは、エンジン制御装置に加えて、機体に搭載された電気・電子機器に電力を供給するために、メインシャフトから抽出された動力により駆動される発電機を備えている。
　従来のターボファンエンジンにおいては、その前部に配置されたフロントフレームの内部に設けられたＰＴＯ（Power Take-Off；動力抽出）シャフトを介して、高圧シャフトから動力を抽出し、これを、フロントフレームの近傍（例えば、ファンのケーシングの外側、コアエンジンを包囲するコアカウルの内側（高圧圧縮機のケーシングの外側）など）に配置されたＡＧＢ（Accessory Gear Box；補機歯車装置）を介して、当該ＡＧＢに取り付けられた発電機に伝達していた。
　しかしながら、近年の航空機においては、機体に搭載された電気・電子機器の電力需要が増大する傾向にある。これは、環境負荷の低減、信頼性の向上等を目的として、舵面や降着装置を操作するアクチュエータの駆動源を、エンジン（又は航空機に搭載されたＡＰＵ（Auxiliary Power Unit；補助動力装置））の動力により生成された油圧から電気に変更したり、キャビンの空気調和のソースをエンジンから抽出された空気から電動コンプレッサにより生成された空気に変更したりしているためである。
　そのため、近年のターボファンエンジンにおいては、増大する電力需要に応えるべく、高圧シャフトの動力により回転駆動される発電機（上述）に加えて、低圧シャフトの動力により回転駆動される発電機の採用が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１が開示するターボファンエンジン（turbo-fan gas turbine engine (10)）においては、継手機構（coupling mechanism (44)）を介して低圧シャフト（low pressure shaft (24)）により駆動される発電機（electric machine (32)）が、タービン排気ケース（turbine exhaust case）等の支持構造（support structure (42)）に取り付けられたテールコーン（tail cone (30)）の内部に配置されている（FIG.2参照）。
　ここで、テールコーンは、ターボファンエンジンのホットセクション（燃焼器及びこれよりも下流の部位）に位置しており、その内部は、周囲を流れるタービン排気（通常、最高約６００℃）の影響により高温となる。そのため、そこに配置された発電機を過熱による損傷から保護するためには、テールコーンの内部を冷却する必要がある。
　特許文献１が開示するターボファンエンジンにおいては、テールコーンに冷却流体入口（cooling fluid inlet (46)）及び冷却流体出口（cooling fluid outlet (48)）が設けられており、空気のような冷却流体を循環させることにより、テールコーンの内部が冷却されるようになっている。
　特許文献１は、上述した冷却流体としての空気の供給源について言及していないが、当該供給源は、ターボファンエンジンの主流流路（作動流体である空気の流路）のうち、エンジンのレーティングにかかわらず、発電機の使用上限温度（例えば、約２００℃）を超えない温度の空気を抽出可能な部位とすべきである。そのような部位として、ターボファンエンジンのファン出口（より厳密には、ファン出口案内翼の後縁）が挙げられる。
米国特許第９，００３，８１１号明細書
　しかしながら、ターボファンエンジンのファン出口から抽出される空気は、上述したようにその温度は十分に低いものの、エンジンのレーティングが低い場合（例えば、アイドルなど）には、その圧力も低くなり、テールコーンの内部までの供給経路における圧力損失により、十分な流量が供給され得なくなる。その一方で、タービン排気は、エンジンのレーティングが低い場合であっても、発電機の使用上限温度を超える温度となっているため、テールコーンの内部に供給される冷却空気の流量が不足することにより、発電機が過熱して損傷する虞がある。
　一方、テールコーンの内部に発電機を配置した場合、エンジン制御装置や機体に搭載された電気・電子機器に電力を供給するための送電線は、ターボファンエンジンのホットセクションを経て敷設されることになるため、外部から加熱されるうえ、上述した電力需要の増大に対応した大電流を送給することにより、大量の熱を発する。したがって、当該送電線も適切に冷却する必要があるが、この点について、特許文献１は言及していない。
　本開示は、以上に鑑みてなされたものであって、ターボファンエンジンのホットセクションに配置された発電機及び当該発電機と接続された送電線を、エンジンのレーティングにかかわらず適切に冷却することができるシステムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示のシステムは、ジャンクションボックスと、前記ターボファンエンジンのバイパス流路のうちファン出口より下流側の部位から抽出された空気を前記ジャンクションボックスへ供給するためのバイパス空気配管と、前記ターボファンエンジンのコア流路のうち圧縮機出口より上流側の部位から抽出された空気を前記ジャンクションボックスへ供給するためのコア空気配管と、前記ジャンクションボックスから前記発電機が収容された空間まで延びると共に、内部に前記送電線が収容された冷却空気配管と、を備え、前記バイパス空気配管及び前記コア空気配管のそれぞれの下流端には、互いに独立して開閉制御可能なバルブが設けられている。
　本開示のシステムによれば、ターボファンエンジンのホットセクションに配置された発電機及び当該発電機と接続された送電線を、エンジンのレーティングにかかわらず適切に冷却することができるという、優れた効果を得ることができる。
本開示の実施形態のシステムを採用したターボファンエンジンの概略断面図である。 本開示の実施形態のシステムにおけるジャンクションボックスの構造を示す一部破断斜視図である。 本開示の実施形態のシステムにおける発電機周りの冷却空気の流れを示す概略図である。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本開示の実施形態のシステムを採用したターボファンエンジン１の概略断面図である。
　ターボファンエンジン１は、最前部に配置されたファン２と、ファン２の後方にこれと同軸に配置されたコアエンジン３と、から構成されている。
　ファン２は、略円筒状のファンケース２１と、ファンケース２１の内部において回転可能に支持されたファンロータ（ファンディスク）２Ｒと、ファンロータ２Ｒの外周に周方向に等間隔に取り付けられた複数のファンブレード（動翼）２２と、後述するバイパス流路２０に周方向に等間隔に取り付けられた複数のファン出口案内翼（静翼）２３と、を備えている。
　ファンケース２１は、略円筒状のナセル２４によって取り囲まれており、当該ナセル２４は、パイロンＰを介して、ターボファンエンジン１を搭載する航空機の主翼（図示省略）と連結されている。
　コアエンジン３は、略円筒状のコアカウル３８によって取り囲まれており、当該コアカウル３８は、流線形の断面を有する中空の支柱である上部バイファケーションＢＵ及び下部バイファケーションＢＬを介して、ナセル２４と連結されている。
　２軸のターボファンエンジン１の場合、コアエンジン３は、前部（上流側）から後部（下流側）へ向かって順に、低圧圧縮機３１、高圧圧縮機３２、燃焼器３３、高圧タービン３４及び低圧タービン３５を備え、高圧タービン３４のロータ３４Ｒは高圧シャフト３６を介して高圧圧縮機３２のロータ３２Ｒを、低圧タービン３５のロータ３５Ｒは低圧シャフト３７を介してファン２のロータ２Ｒ及び低圧圧縮機３１のロータ３１Ｒを、それぞれ回転駆動する。
　なお、高圧シャフト３６及び低圧シャフト３７は、いずれも中空のシャフトであり、低圧シャフト３７は高圧シャフト３６の内部に配置されている。
　また、低圧タービン３５の後方には、ベアリング３７Ｂを介して低圧シャフト３７の後端部を回転可能に支持するタービン排気フレーム４が配置されている。タービン排気フレーム４は、径方向外側の環状のアウタリング４１と径方向内側の環状のインナリング４２とを備え、両リングは、周方向に等間隔に配置された複数の中空のストラット（支柱）４３によって連結されている。アウタリング４１は、その前端において低圧タービン３５のケーシング３５Ｃに連結されており、インナリング４２は、その後端において略円錐状のテールコーン４４を支持している。テールコーン４４は、少なくともその一部が、後述するコアノズル３９の流路の径方向内側境界を画定している。
　ターボファンエンジン１の運転中、ファン２のファンブレード２２により吸入され圧縮された空気の一部はコアエンジン３の環状のコア流路３０に流入し、残部はナセル２４とコアカウル３８の間に形成された環状のバイパス流路２０に流入する。
　コア流路３０に流入した空気は、低圧圧縮機３１及び高圧圧縮機３２において順次圧縮された後、燃焼器３３に流入する。燃焼器３３において燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、高圧タービン３４及び低圧タービン３５において順次膨張し、コアノズル３９を経て排出される。
　バイパス流路２０に流入した空気は、ファン出口案内翼２３を通過する際に静圧が回復すると共に旋回速度成分が除去された後、バイパスノズル２５を経て排出され、推力の大部分の発生に寄与する。
　本開示の実施形態のシステムを採用したターボファンエンジン１においては、テールコーン４４の内部に、発電機Ｇが配置されている。より厳密には、発電機Ｇは、タービン排気によって加熱されたテールコーン４４からの放射入熱を遮蔽するためのヒートシールド４５の内部に配置されている。なお、テールコーン４４及びヒートシールド４５のそれぞれの後端部には、後述する冷却空気配管６１を経て供給される冷却空気を排出するために、それぞれテールコーン排気孔４４Ａ及びヒートシールド排気孔４５Ａが設けられている。
　発電機Ｇの入力軸は低圧シャフト３７の後端と連結されており、当該低圧シャフト３７によって回転駆動される。なお、発電機Ｇの入力軸と低圧シャフト３７は、直接的に連結されてもよいし、継手機構を介して連結されてもよい。
　また、図示された実施例においては、ナセル２４内のファンケース２１の外周にコンバータＣが配置されており、発電機ＧとコンバータＣは送電線５０を介して接続されている。なお、発電機Ｇは３相交流を発生させるように構成されており、発電機ＧとコンバータＣは、各相に対応する３本の送電線５０を介して接続されている（図では、１本の送電線５０のみを示している）。
　送電線５０は、図１においては概略的に示されているが、発電機Ｇが配置されているテールコーン４４の内部から、タービン排気フレーム４の中空のストラット４３の内部を経てコアカウル３８の内部の空間に入り、低圧タービン３５のケーシング３５Ｃの外周、高圧タービン３４のケーシング３４Ｃの外周及び燃焼器３３のケーシング３３Ｃの外周を順次経て、後述するジャンクションボックス６０に至る送電線５１と、ジャンクションボックス６０から中空の上部バイファケーションＢＵの内部を経てナセル２４の内部の空間に入り、コンバータＣに至る送電線５２とから成っている。
　送電線５１は、ターボファンエンジン１のホットセクション（燃焼器３３及びこれよりも下流に位置する相対的に高温の部位）に敷設されているため、以下においては高温部送電線５１と称することにする。また、送電線５２は、ターボファンエンジン１のコールドセクション（ホットセクションを除く相対的に低温の部位）に敷設されているため、以下においては低温部送電線５２と称することにする。
　高温部送電線５１は、上述したように、ターボファンエンジン１のホットセクションに敷設されているため、低圧タービン３５のケーシング３５Ｃ、高圧タービン３４のケーシング３４Ｃ及び燃焼器３３のケーシング３３Ｃからの入熱により加熱されるうえ、大電流の送給に伴って大量の熱を発するため、適切に冷却する必要がある。また、テールコーン４４の内部に配置された発電機Ｇも、コアノズル３９を通過するタービン排気の影響により高温となるため、適切に冷却する必要がある。
　そこで、本開示の実施形態のシステムにおいては、テールコーン４４の内部に冷却空気を供給するための冷却空気配管６１が設けられると共に、高温部送電線５１が当該冷却空気配管６１の内部に収容されている。
　冷却空気配管６１は、高圧圧縮機３２のケーシング３２Ｃの外周（コールドセクション）に配置されたジャンクションボックス６０から、燃焼器３３のケーシング３３Ｃの外周、高圧タービン３４のケーシング３４Ｃの外周及び低圧タービン３５のケーシング３５Ｃの外周を順次経てタービン排気フレーム４の外周に至り、そこからタービン排気フレーム４の中空のストラット４３の内部を経て、テールコーン４４内のヒートシールド４５の内部にまで達している。
　一方、ジャンクションボックス６０には、バイパス流路２０のうちファン出口（より厳密には、ファン出口案内翼２３の後縁）より下流側の部位から空気（ファン出口空気又はバイパス空気）を抽出してジャンクションボックス６０に供給するためのバイパス空気配管６２と、コア流路３０のうち高圧圧縮機３２の出口より上流側から空気（コア空気）を抽出してジャンクションボックス６０に供給するためのコア空気配管６３とが接続されている。
　そして、バイパス空気配管６２及びコア空気配管６３の下流端（ジャンクションボックス６０との接続部位の直上流）には、それぞれ互いに独立して開閉制御可能なバイパス空気オン／オフ弁６２Ｖ及びコア空気オン／オフ弁６３Ｖが配置されている。これらのオン／オフ弁６２Ｖ及び６３Ｖ（バルブ）は、後述するように、ターボファンエンジン１の運転条件に応じて、一方が開き（オン状態）、他方が閉じる（オフ状態）ように制御される。
　コア空気配管６３は、圧縮機（低圧圧縮機３１及び高圧圧縮機３２）のケーシングのうち、高圧圧縮機３２の出口より上流側に位置する部位に設けられた抽気口（図示省略）に接続されており、コア空気は当該抽気口を経て抽出される。抽気口が設けられる部位は、コア空気オン／オフ弁６３Ｖが開くターボファンエンジン１の運転条件において、当該抽気口からジャンクションボックス６０を経て冷却空気配管６１に供給されるコア空気が、発電機Ｇ及び高温部送電線５１を許容上限温度以下に保つための要件（圧力及び温度）を満たすような部位とされる。具体的には、より低温の空気を抽出するためにはより上流側に抽気口を設けることが望ましいが、（コア空気配管６３及び冷却空気配管６１における管路抵抗に抗して）より大きな流量の空気を抽出するためにはより下流側に抽気口を設けることが望ましいため、抽気口が設けられる部位は、これらのトレードオフを通じて決定される。
　図２は、本開示の実施形態のシステムにおけるジャンクションボックス６０の構造を示す一部破断斜視図である。
　ジャンクションボックス６０は、平面視において等脚台形（前部）と長方形（後部）が組み合わされた形状を有する中空の筐体６４と、筐体６４の内部に配置された整流板６５と、筐体６４の上面壁６４Ｕに配置された低温部送電線導出ポート６６とを備えている。
　また、筐体６４の前面壁６４Ｆ及び下面壁６４Ｌには、それぞれ貫通孔が設けられており、当該貫通孔には、それぞれ上述したバイパス空気オン／オフ弁６２Ｖ及びコア空気オン／オフ弁６３Ｖが接続されている。
　図示した実施例においては、筐体６４の後面壁６４Ｒに３つの貫通孔が設けられており、これらの貫通孔に３本の冷却空気配管６１が接続されている。
　また、各冷却空気配管６１の内部には、それぞれ１本の高温部送電線５１が収容されている。これら合計３本の高温部送電線５１は、発電機Ｇで発生した３相交流の各相に対応して設けられたものである。また、３本の高温部送電線５１は、発電機ＧからコンバータＣへ大電流を送給する必要があることから、銅製の棒に絶縁コーティングを施したバスバーとして構成されている。
　上述した３本の高温部送電線５１に対応して、筐体６４の上面壁６４Ｕに配置された低温部送電線導出ポート６６からは、３本の低温部送電線５２が導出されている。３相交流の各相の高温部送電線５１と低温部送電線５２は、図示は省略しているが、ジャンクションボックス６０の筐体６４の内部で接続されている。なお、両送電線は、直接的に接続されてもよいし、筐体６４の内部に配置された端子盤を介して接続されてもよい。
　ジャンクションボックス６０には、後述するように、バイパス空気オン／オフ弁６２Ｖ及びコア空気オン／オフ弁６３Ｖのいずれか一方を経て、バイパス空気（ファン出口空気）又はコア空気が流入するが、流入した空気を３本の冷却空気配管６１に均等に分配するために、筐体６４の内部には２枚の整流板６５が配置されている。これらの整流板６５は、筐体６４の内部において後面壁６４Ｒから前面壁６４Ｆに向かって、コア空気オン／オフ弁６３Ｖが接続された貫通孔の近傍まで延びている。
　図３は、本開示の実施形態のシステムにおける発電機周りの冷却空気の流れを示す概略図である。
　発電機Ｇは、低圧シャフト３７と連結された発電機ロータ（回転子）ＧＲと、当該発電機ロータＧＲの外周を取り囲むように配置された有底円筒状の発電機ステータ（固定子）ＧＳとから成っており、その外周を上述したヒートシールド４５が取り囲んでいる。
　ヒートシールド４５の前部には貫通孔が設けられており、当該貫通孔には、タービン排気フレーム４の中空のストラット４３の内部に配置された冷却空気配管６１の末端（下流端）が差し込まれている。また、当該冷却空気配管６１の内部に収容された高温部送電線５１の末端が、ヒートシールド４５の内部において、発電機ステータＧＳの前面と接続されている。更に、有底円筒状の発電機ステータＧＳの底部に相当する後壁ＧＳＲには貫通孔が設けられ、当該貫通孔にはチェックバルブＣＶが取り付けられている。
　冷却空気配管６１を経て供給された冷却空気は、ヒートシールド４５の内部の空間に流入した後、矢印Ｆで示すように、発電機ロータＧＲと発電機ステータＧＳの間に形成された環状の間隙を通過し、その際に発電機ロータＧＲ及び発電機ステータＧＳを冷却する。その後、冷却空気は、発電機ステータＧＳの後壁ＧＳＲに取り付けられたチェックバルブＣＶ、ヒートシールド排気孔４５Ａ、テールコーン排気孔４４Ａを順次経て、外部に排出される。チェックバルブＣＶは、冷却空気の逆流（更には、テールコーン排気孔４４Ａ及びヒートシールド排気孔４５Ａを経てタービン排気が侵入すること）を防止するために設けられている。
　なお、図３においては１本の冷却空気配管６１（及び高温部送電線５１）のみを示しているが、上述したように、発電機Ｇで発生した３相交流の各相に対応して、冷却空気配管６１（及び高温部送電線５１）は３本設けられている。ここで、冷却空気配管６１が通過するタービン排気フレーム４のストラット４３の中空部の寸法は、特にターボファンエンジン１の周方向において比較的小さいため、２本以上の冷却空気配管６１を通過させることは通常は不可能である。そのため、それぞれの冷却空気配管６１（及び高温部送電線５１）は、例えば連続して隣り合う３つのストラット４３の内部に配置される。この場合、ヒートシールド４５の内部の空間からストラット４３の内部を経てコアカウル３８の内部の空間に入った３本の冷却空気配管６１（及び高温部送電線５１）は、低圧タービン３５のケーシング３５Ｃの外周、高圧タービン３４のケーシング３４Ｃの外周及び燃焼器３３のケーシング３３Ｃの外周を順次経る際に、周方向において互いに接近し集合するように敷設され、ジャンクションボックス６０に至る。
　以上のように構成された本開示の実施形態のシステムの作動態様について、以下で説明する。
　ここで、ファン出口空気（バイパス空気）の圧力が、バイパス空気配管６２及び冷却空気配管６１における管路抵抗に抗して十分な流量の空気をテールコーン４４の内部に供給するために必要な下限値となるターボファンエンジン１のレーティングを、抽気切り換えレーティング（所定の下限レーティング）と称することにする。
　本開示の実施形態のシステムは、ターボファンエンジン１が、抽気切り換えレーティング及びこれよりも高いレーティングで運転されている場合は、バイパス空気オン／オフ弁６２Ｖが開かれ、コア空気オン／オフ弁６３Ｖは閉じられる。このとき、ジャンクションボックス６０には、バイパス空気配管６２を経てバイパス空気のみが流入し、当該バイパス空気は、冷却空気配管６１を経てテールコーン４４の内部に供給され、高温部送電線５１及び発電機Ｇを冷却する。冷却に供されたバイパス空気は、その後、上述したように、発電機ステータＧＳの後壁ＧＳＲに取り付けられたチェックバルブＣＶ、ヒートシールド排気孔４５Ａ、テールコーン排気孔４４Ａを順次経て、外部に排出される。
　一方、ターボファンエンジン１が、抽気切り換えレーティングよりも低いレーティングで運転されている場合は、コア空気オン／オフ弁６３Ｖが開かれ、バイパス空気オン／オフ弁６２Ｖは閉じられる。このとき、ジャンクションボックス６０には、コア空気配管６３を経てコア空気のみが流入し、当該コア空気は、冷却空気配管６１を経てテールコーン４４の内部に供給され、高温部送電線５１及び発電機Ｇを冷却する。冷却に供されたバイパス空気は、その後、上述したように、発電機ステータＧＳの後壁ＧＳＲに取り付けられたチェックバルブＣＶ、ヒートシールド排気孔４５Ａ、テールコーン排気孔４４Ａを順次経て、外部に排出される。なお、コア空気配管６３を経てジャンクションボックス６０に流入したコア空気が、バイパス空気配管６２を逆流してバイパス流路２０に流出することを確実に防止するために、バイパス空気配管６２のうちバイパス空気オン／オフ弁６２Ｖより上流側の部位に、チェックバルブを設けてもよい。
　このように、本開示の実施形態のシステムによれば、ターボファンエンジン１が相対的に高いレーティングで運転されている場合は、高温部送電線５１及び発電機Ｇを冷却するための空気としてファン出口空気（バイパス空気）のみが抽出され、コア空気は抽出されないので、エンジン性能の低下を抑制することができる。一方、ターボファンエンジン１が相対的に低いレーティングで運転されている場合は、ファン出口空気（バイパス空気）によって高温部送電線５１及び発電機Ｇを十分に冷却することができないため、これらを冷却するための空気としてコア空気が用いられる。これにより、ターボファンエンジン１が如何なるレーティングで運転されている場合であっても、高温部送電線５１及び発電機Ｇを適切に冷却することが可能となる。
　なお、以上においては、バイパス空気オン／オフ弁６２Ｖ及びコア空気オン／オフ弁６３Ｖの切り換え（開閉）を、ターボファンエンジン１のレーティングに基づいて行う場合について説明したが、当該切り換えは、ファン出口空気の圧力を検出するセンサの出力信号に基づいて行われてもよい。この場合、センサにより検出されたファン出口空気の圧力が所定の下限値以上である場合は、バイパス空気オン／オフ弁６２Ｖが開かれ、コア空気オン／オフ弁６３Ｖは閉じられる。一方、センサにより検出されたファン出口空気の圧力が所定の下限値未満である場合は、コア空気オン／オフ弁６３Ｖが開かれ、バイパス空気オン／オフ弁６２Ｖは閉じられる。
　また、以上においては、冷却空気配管６１（及び高温部送電線５１）が３本設けられる場合について説明したが、これらの配管及び送電線の数は、任意である。更に、以上においては、発電機Ｇに接続された送電線５０が、ナセル２４内のファンケース２１の外周に配置されたコンバータＣと接続される場合について説明したが、送電線５０を介して発電機Ｇと接続される電気機器及びその配置は、任意である。ただし、当該電気機器は、ターボファンエンジン１のコールドセクション又はパイロンＰ及びこれよりも機体側に配置される。
（本開示の態様）
　本開示の第１の態様のシステムは、ジャンクションボックスと、前記ターボファンエンジンのバイパス流路のうちファン出口より下流側の部位から抽出された空気を前記ジャンクションボックスへ供給するためのバイパス空気配管と、前記ターボファンエンジンのコア流路のうち圧縮機出口より上流側の部位から抽出された空気を前記ジャンクションボックスへ供給するためのコア空気配管と、前記ジャンクションボックスから前記発電機が収容された空間まで延びると共に、内部に前記送電線が収容された冷却空気配管と、を備え、前記バイパス空気配管及び前記コア空気配管のそれぞれの下流端には、互いに独立して開閉制御可能なバルブが設けられている。
　本開示の第２の態様のシステムにおいて、前記発電機は、タービン排気フレームによって支持されたテールコーンの内部に配置され、前記ジャンクションボックスは、高圧圧縮機のケーシングの外周に配置されており、前記冷却空気配管は、前記ジャンクションボックスから前記発電機が収容された空間まで至る経路上で、前記タービン排気フレームの中空のストラットの内部を通過する。
　本開示の第３の態様のシステムにおいて、前記ターボファンエンジンのレーティングが所定の下限レーティング以上である場合は、前記バイパス空気配管の下流端に設けられた前記バルブが開かれる一方、前記コア空気配管の下流端に設けられた前記バルブは閉じられ、前記ターボファンエンジンのレーティングが所定の下限レーティング未満である場合は、前記コア空気配管の下流端に設けられた前記バルブが開かれる一方、前記バイパス空気配管の下流端に設けられた前記バルブは閉じられる。
１　　　ターボファンエンジン
４　　　タービン排気フレーム
２０　　バイパス流路
３２Ｃ　高圧圧縮機のケーシング
４３　　ストラット
４４　　テールコーン
５０　　送電線
５１　　高温部送電線
５２　　低温部送電線
６０　　ジャンクションボックス
６１　　冷却空気配管
６２　　バイパス空気配管
６２Ｖ　バイパス空気オン／オフ弁（バルブ）
６３　　コア空気配管
６３Ｖ　コア空気オン／オフ弁（バルブ）
Ｇ　　　発電機

Claims (3)

  1. 　ターボファンエンジンのホットセクションに配置された発電機及び当該発電機と接続された送電線を冷却するためのシステムであって、
    　ジャンクションボックスと、
    　前記ターボファンエンジンのバイパス流路のうちファン出口より下流側の部位から抽出された空気を前記ジャンクションボックスへ供給するためのバイパス空気配管と、
    　前記ターボファンエンジンのコア流路のうち圧縮機出口より上流側の部位から抽出された空気を前記ジャンクションボックスへ供給するためのコア空気配管と、
    　前記ジャンクションボックスから前記発電機が収容された空間まで延びると共に、内部に前記送電線が収容された冷却空気配管と、を備え、
    　前記バイパス空気配管及び前記コア空気配管のそれぞれの下流端には、互いに独立して開閉制御可能なバルブが設けられている、システム。
  2. 　前記発電機は、タービン排気フレームによって支持されたテールコーンの内部に配置され、
    　前記ジャンクションボックスは、高圧圧縮機のケーシングの外周に配置されており、
    　前記冷却空気配管は、前記ジャンクションボックスから前記発電機が収容された空間まで至る経路上で、前記タービン排気フレームの中空のストラットの内部を通過する、請求項１に記載のシステム。
  3. 　前記ターボファンエンジンのレーティングが所定の下限レーティング以上である場合は、前記バイパス空気配管の下流端に設けられた前記バルブが開かれる一方、前記コア空気配管の下流端に設けられた前記バルブは閉じられ、
    　前記ターボファンエンジンのレーティングが所定の下限レーティング未満である場合は、前記コア空気配管の下流端に設けられた前記バルブが開かれる一方、前記バイパス空気配管の下流端に設けられた前記バルブは閉じられる、請求項１又は２に記載のシステム。
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