(57)【要約】【課題】機械的なクラッチング問題を排除するガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン１０、特にターボシャフトエンジンは、タービン１８およびガスジェネレータ圧縮機２０が取付けられたスプール１４と、タービン１８と圧縮機２０との間に位置する加熱手段２２と、第１のシャフト１２と、第１のシャフト１２に取付けられたフリータービン２４と、スプール１４とシャフト１２との間に動力を伝える制御システム３０と、を備える。ガスジェネレータ圧縮機２０の効率およびサージマージン、およびガスタービンエンジン１０の過渡性能を向上させるように、ガスジェネレータ圧縮機２０の運転速度が再適合される。【選択図】図１
2006291948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機および第１のタービンが取付けられたガスジェネレータスプールと、
出力シャフトと、
前記出力シャフトに取付けられた第２のタービンと、
を備え、前記スプールおよび前記出力シャフトが、独立して回転可能であるとともに異なった速度で回転するガスタービンエンジンにおいて、
前記圧縮機で吸収される動力と前記第１のタービンから利用可能な動力との間の平衡を実現するように前記スプールの速度を修正する電気的手段を備えたことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記電気的手段が、前記スプールに取付けられた第１の電気機械と、前記出力シャフトに取付けられた第２の電気機械と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記第１の電気機械がジェネレータとして作動し、前記第２の電気機械がモータとして作動することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記第１の電気機械がモータとして作動し、前記第２の電気機械がジェネレータとして作動することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記圧縮機のサージマージンを増加させるために、前記圧縮機をより速い速度およびより多い流量に再適合させるように前記第１の電気機械と前記第２の電気機械との間に電力を伝達するパワーエレクトロニクス手段と、
前記第１の電気機械および前記第２の電気機械の作動を制御する制御システムと、
前記制御システムに接続された全デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ）と、
をさらに備える請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記出力シャフトに取付けられた負荷をさらに備える請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記負荷が、ヘリコプタ用ロータであることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記出力シャフトが、一定の速度で動作されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記スプール上の前記圧縮機を過給するフリー圧縮機と、前記フリー圧縮機を駆動するモータと、をさらに備え、前記モータが、第３のシャフトに連結していることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記出力シャフトに取付けられた前記タービンが、フリータービンからなることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
タービンおよび圧縮機が取付けられたスプールと、
第１のシャフトと、
前記第１のシャフトに取付けられたフリータービンと、
前記スプールと前記第１のシャフトとの間で動力を伝達する手段と、
を備えるガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記タービンと前記圧縮機との間に配置された熱源をさらに備える請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記熱源が、燃焼器からなることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
第２のシャフトに連結されたフリー圧縮機をさらに備える請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記フリー圧縮機が可変幾何学形状の圧縮機であり、前記第２のシャフトが前記スプールの外側に位置することを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記動力伝達手段が、前記スプールに取付けられた第１の電気機械と、前記第１のシャフトに取付けられた第２の電気機械と、前記第１の電気機械と前記第２の電気機械との間で電力を伝達する手段と、を備えることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記第１の電気機械と前記第２の電気機械との間における前記電力の伝達を制御する手段と、前記制御手段に接続された全デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ）と、をさらに備える請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
前記第１の電気機械がモータジェネレータからなり、前記第２の電気機械がモータジェネレータからなることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１９】
前記動力伝達手段が、前記スプールに取付けられた第１の電気機械と、前記第１のシャフトに取付けられた第２の電気機械と、前記第２のシャフトに取付けられた第３の電気機械と、前記第１の電気機械と前記第２の電気機械と前記第３の電気機械との間に電力を伝達する手段と、を備えることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２０】
前記第１の電気機械と前記第２の電気機械と前記第３の電気機械との間における前記電力の伝達を制御する手段と、前記制御手段に接続された全デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ）と、をさらに備える請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２１】
前記第１の電気機械がモータジェネレータからなり、前記第２の電気機械がモータジェネレータからなり、前記第３の電気機械がモータからなることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２２】
前記スプールに取付けられた前記圧縮機が、可変幾何学形状の圧縮機からなることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２３】
付加的な圧縮機および付加的なタービンを有する付加的なスプールをさらに備える請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２４】
前記第１のシャフトが負荷を駆動させる出力シャフトからなり、前記負荷がヘリコプタ用ロータからなることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２５】
前記圧縮機の各々が、可変幾何学形状の圧縮機であるとともに、前記圧縮機の各々の幾何学形状を制御する手段および前記電力伝達手段を制御する手段を備えることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２６】
出力シャフトと、
前記出力シャフトに取付けられた出力タービンと、
前記出力シャフトの一部を囲むスプールと、
前記スプールに取付けられたガスジェネレータ圧縮機およびタービンと、
駆動シャフトに取付けられたフリー圧縮機と、
を備える航空機用のターボシャフトエンジン。
【請求項２７】
前記圧縮機の各々が、可変幾何学形状を有することを特徴とする請求項２６に記載のターボシャフトエンジン。
【請求項２８】
前記フリー圧縮機に取付けられた電気モータと、
前記スプールに取付けられたモータ／ジェネレータと、
前記出力シャフトに取付けられたモータ／ジェネレータと、
前記圧縮機の前記可変形状を制御する手段、ならびに前記モータおよび前記モータ／ジェネレータを制御する手段と、
をさらに備える請求項２７に記載のターボシャフトエンジン。
【請求項２９】
前記制御手段が、前記モータと前記モータ／ジェネレータとの間に電力を伝達する手段を備え、前記制御手段が、前記電力伝達手段に取付けられた全デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ）をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載のターボシャフトエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、航空機エンジンの用途における特有の実用性を有するターボシャフトエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボシャフトエンジンなどのガスタービンエンジンは、当技術分野において周知である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来は、そのようなエンジンは、エンジンの性能を損なう機械的なクラッチングの問題を抱えていた。
【０００４】
そのような機械的なクラッチングの問題を排除するガスタービンエンジンが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、機械的なクラッチングの問題を排除するガスタービンエンジンを提供することである。
【０００６】
本発明のさらなる目的は、圧縮機の効率およびサージマージンを向上させ、かつガスタービンエンジンの過渡性能を向上させるために、ガスタービンエンジンのガスジェネレータ圧縮機の運転速度を再適合させることである。
【０００７】
前述の目的は、本発明のガスタービンエンジンによって実現される。
【０００８】
本発明によると、効率およびサージマージンが向上したガスジェネレータ圧縮機を有するとともに、過渡性能が向上したガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、概して、タービンおよび圧縮機が取付けられたスプールと、第１のシャフトと、第１のシャフトに取付けられたフリータービンと、スプールとシャフトとの間に動力を伝える手段と、を備える。
【０００９】
ガスタービンエンジン用の電気的に接続した過給器の他の詳細、他の目的および利点は、以下の詳細な説明および同様の構成部品を同様の参照数字で示している添付の図面に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、ヘリコプタのメインロータを駆動させるなど航空機の用途に用いることができるガスタービンエンジン１０（特にターボシャフトエンジン）が図示されている。ガスタービンエンジン１０の形態は、一方から独立し、かつ異なった速度で回転するシャフト１２，１４を備えた２本シャフトエンジンである。通常、シャフト１２とシャフト１４の速度は、著しく異なる（例えば、２倍以上）。シャフト１２は、負荷１６に連結される出力シャフトである。シャフト１４は、実際は、当分野に周知のあらゆる適切な手段でガスジェネレータタービン１８およびガスジェネレータ圧縮機２０が取付けられているスプールである。必要に応じて、圧縮機２０は、可変幾何学形状（可変静翼）のガスジェネレータ圧縮機であってもよい。圧縮機２０とタービン１８との間には、ガスがタービン１８に流入する前にガスのエネルギーを増加させるように、圧縮機２０から流出するガスを加熱する手段２２が備わっている。加熱手段２２は、当分野で周知のあらゆる適切な燃焼器から構成されていてもよい。別の実施例においては、加熱手段２２は、原子力源、または圧縮機２０から流出するガスの温度を向上させる他の適切な装置から構成されてもよい。
【００１１】
第２のタービン２４は、シャフト１２に取付けられている。第２のタービン２４は圧縮機を駆動させないため、第２のタービン２４をフリータービンと呼ぶことができる。当分野に周知の方法でタービン２４をシャフト１２に取付けてもよい。
【００１２】
前述の説明から分かるように、シャフト１２，１４の各々に取付けられるとともに、中を通って流れるガスからエネルギーを抽出するタービン１８，２４が備えられている。ガスがタービン１８，２４をそれぞれ通る際に、エネルギーがタービン１８やタービン２４によって抽出されて、シャフト１２やシャフト１４にそれぞれ伝えられるため、ガスの圧力および温度は減少する。エネルギー抽出の割合が動力（ｐｏｗｅｒ）である。各タービン１８，２４により抽出された動力は、シャフトが回転する際にシャフトに作用するトルクとしてシャフト１２，１４にそれぞれ伝えられる。動力は、トルクと速度とを掛けたものである。
【００１３】
エンジン１０においては、より高速のシャフトは、圧縮機２０を駆動させるスプール１４である。圧縮機２０および駆動タービン１８は、共にガスジェネレータスプールを備える。圧縮機２０とタービン１８との間には、回転しない加熱手段２２が備えられている。空気は、圧縮機２０に取り込まれて高圧力となる。空気は圧縮機２０から流出して、加熱手段２２内で（通常、燃料を燃焼させることにより）加熱される。これにより、空気にエネルギーが付与される。燃焼生成物の混合物は、ガスと呼ばれる。高温のガスは、前述のように、タービン１８を通過する。タービン１８から流出するガスは、温度および圧力がまだ十分に高いため、タービン１８の下流側に位置するタービン２４により、付加的なエネルギーが抽出され得る。
【００１４】
高速のシャフト１４は、高速ジェネレータまたは高速モータとして選択的に作動可能な高速電気機械２６を駆動させるように用いられ得る。機械２６は、ジェネレータとして、高速シャフト１４から動力を抽出する。これは、タービン１８から抽出される動力の付加的な量（圧縮機２０を駆動させるのに必要な量を超える）である。また、電気機械２６は、モータとしては、シャフト１４に動力を伝える。これは、タービン１８によって抽出される動力の量（圧縮機２０を駆動させるのに必要な動力）を減少させるように作用する。モータ２６によって伝えられた動力により、圧縮機２０の駆動が補助される。圧縮機２０を駆動させるのに必要な全動力は、タービンの動力と、モータ２６により伝えられた動力との合計である。
【００１５】
低速のシャフトは、出力シャフト１２である。シャフト１２は、圧縮機、ファン、圧縮機およびファン、ヘリコプタ用ロータ、ならびに大きな発電機（これに限定されない）などの他の機械的な負荷などの負荷１６を駆動させるように用いられても良い。圧縮機（図示せず）がシャフト１２により駆動される場合、圧縮機およびタービン２４は、低圧／低速スプールを備え、タービン２４は、もはやフリータービンではなくなる。シャフト１２に取付けられた圧縮機を備える場合には、圧縮機は、過給器として、空気流をガスジェネレータ圧縮機２０に供給する。他の場合には、タービン２４は、前述のようにフリータービンである。
【００１６】
前述のように、より高速のタービン１８から流出するガスは、下流側に位置する低速タービン２４によって付加的なエネルギーが抽出されるほど温度および圧力がまだ十分に高い。低速シャフト１２は、ジェネレータまたはモータとして選択的に好ましく作動可能な電気機械２８を駆動させることができる。電気機械２８は、ジェネレータとして、シャフト１２から動力を抽出する。これは、低速タービン２４により抽出される動力の付加的な量である。ジェネレータとして機能する電気機械２８からの動力は、モータを介して他の部分を駆動するように利用可能である。したがって、電気機械２６がモータとして作動するように選択された場合に、ジェネレータとして機能する電気機械２８は、低速タービン２４によって抽出された動力をガスジェネレータスプール１４に加えるように用いられ得る。
【００１７】
電気機械２８は、低速モータとして、シャフト１２に動力を伝えるように用いられ得る。これは、低速タービン２４によって抽出される動力の量を減少させるように機能する。モータ２８によって伝えられた動力は、低速タービン２４により駆動している構成部品の駆動を補助するように用いられてもよい。
【００１８】
以上のことをまとめると、ガスタービンエンジン１０は、高速シャフト１４に連結された高速電気機械２６を備える。電気機械２６は、高速ジェネレータ（高速シャフト１４から動力を抽出する）として、あるいは高速モータ（高速シャフト１４に動力を伝える）として機能することが可能な２つの機能を有する。さらに、ガスタービンエンジン１０は、低速シャフト１２に連結された低速電気機械２８を備える。電気機械２８もまた、低速ジェネレータ（低速シャフト１２から動力を抽出する）として、あるいは低速モータ（低速シャフト１２に動力を伝える）として機能することが可能な２つの機能を有する。
【００１９】
以下に、電気機械の機能および動力交換の可能な組合せを説明する。
１、低速ジェネレータ２８により、低速シャフト１２から動力が抽出される。
２、低速モータ２８により、低速シャフト１２に動力が伝えられる。
３、高速ジェネレータ２８により、高速シャフト１４から動力が抽出される。
４、高速モータ２６により、高速シャフト１４に動力が伝えられる。
５、低速ジェネレータ２８により、低速シャフト１２から動力が抽出され、この動力が高速モータ２６に伝達され、伝達された動力（損出を引いたもの）が高速シャフト１４に伝えられる。
６、高速ジェネレータ２６により、高速シャフト１４から動力が抽出され、この動力が低速モータ２８に伝達され、伝達された動力（損出を引いたもの）が低速シャフト１２に伝えられる。
【００２０】
５番目の組合せの動力伝達連鎖は、低速タービン２４（動力部分）から、低速ジェネレータ２８、パワーエレクトロニクス（ｐｏｗｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）３１、高速モータ２６、高速シャフト１４へと続く。６番目の組合せの動力伝達連鎖は、高速タービン１８（動力部分）から、高速ジェネレータ２６、パワーエレクトロニクス３１、低速モータ２８、低速シャフト１２へと続く。これらの連鎖は、対応した効率を備える。
【００２１】
電気機械２６，２８の各々は、当分野に周知の手段を用いて、シャフト１４，１２にそれぞれ取付けられ得る。機械的に電気機械２６，２８がシャフト１４，１２に取付けられていることが望ましい。別の実施例においては、電気機械２６，２８は、ギアボックスのパッドから外れて駆動され得る。
【００２２】
電気機械２６，２８の作動は、制御システム３０により制御され、制御システム３０は、全デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ：ｆｕｌｌ  ａｕｔｈｏｒｉｔｙ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ）３２により制御される。制御システム３０は、圧縮機の幾何学形状および電気機械２６，２８を制御するように当分野に周知のあらゆる適切な方法でプログラムされるコンピュータつまりプロセッサを備えていてもよい。エンジンの要求に応じてモータまたはジェネレータとして作動するように、制御システム３０により電気機械２６，２８に指示が与えられる。機械２６から機械２８（またはその反対）に電力が伝達されるように、電気機械２６と２８との間にパワーエレクトロニクス３１が提供される。
【００２３】
電気機械２６，２８を用いることに伴う新規性は、以下のとおりである。シャフト１２，１４は、独自の速度で回転し、タービン２４，１８は、互いに機械的に独立している。ガスジェネレータタービン１８から流出するフローが低速タービン２４に送られるように、タービン１８，２４は空気熱力学的に接続している。タービン２４により、ガスジェネレータ圧縮機２０を過給する圧縮機が駆動される場合、これらの圧縮機とタービンは、空気熱力学的に接続されている。タービン１８，２４は、異なった速度で回転する。タービンからの利用可能な動力と、各シャフトに取付けられた圧縮機や他の回転する負荷に要求される動力との間の動力バランスを実現する変数は、シャフト１２，１４の速度である。また、タービン１８，２４の各々を通って流れるガスの入口温度により、タービンの出力が決定される。シャフト１４の速度は、圧縮機２０を駆動するのに必要な動力とタービン１８の出力とのバランスを実現するように変化する。タービン１８に対する入口温度が高いほど、シャフト１４の回転速度が速くなる。タービン１８に対する所定の入口温度に対して、高速電気機械２６は、圧縮機２０により取り込まれる動力とタービン１８からの利用可能な動力とのバランスを実現する速度を、異なった速度値に修正するように機能する。電気機械２６がモータモードで、動力がモータに入力される場合、モータとして機能している電気機械２６に動力が入力されなかった場合と比べて、シャフト１４はより高速で回転し、その結果、圧縮機２０の空気流がより多くなり、圧縮機圧力比がより高くなる。別の実施例においては、高速電気機械２６がジェネレータモードで、動力が高速シャフト１４から抽出される場合、ジェネレータにより動力が抽出されなかった場合と比べて、シャフト１４はより低速で回転し、その結果、圧縮機２０の空気流がより少なくなり、圧縮機圧力比がより低くなる。低速シャフトのシステムは、高速のシステムと同様に機能するが、いくつか点で異なっている。例えば、ヘリコプタ用ロータを駆動する低速シャフトシステムにおいては、タービン２４の速度は一定に調節される。
【００２４】
図１に示されたようなターボシャフトエンジンにおいては、特定の燃料消費（ＳＦＣ）は、エンジンの（フリータービン／低速タービン２４からの）出力で除算された燃焼器の燃料の流量である。特定燃料消費（ＳＦＣ）は、エンジンの熱力学効率に反比例し、その関係は、燃焼される燃料（その低発熱量（ＬＨＶ））の種類によって異なる。低発熱量（ＬＨＶ）は、１８４，００Ｂｔｕ／１ｂｍの場合、特定の燃料消費（ＳＦＣ）およびエンジンの熱力学効率の方程式は、ＳＦＣ＝１３．８３／効率、ここで、効率は百分率で表される。
【００２５】
可変容量エンジンは、ガスジェネレータタービンに対する入口温度に関係なく、一定の圧縮機圧力比を理想的に維持する。理想的なガスタービンエンジンの熱力学サイクルにおいては、圧縮機の圧力比が増すにつれて、エンジンの熱力学効率が増す。逆の場合も同様である。実際のガスタービンエンジンにおいては、ガスジェネレータの速度および圧縮機圧力比は、タービン１８に対する入口温度に応じて異なる。しかし、エンジンの出力も、また、タービン１８に対する入口温度に応じて異なる。エンジン１０により高出力が要求された場合、タービンの入口温度は高く、圧縮機の圧力比は高く、シャフト１４の速度は速くなり、エンジンは最高の効率で作動する。しかし、より低い出力がエンジン１０により要求された場合、タービンの入口温度は低く、圧縮機の圧力比は低く、シャフト１４の速度は遅くなり、エンジンはより低い効率で作動する。
【００２６】
ヘリコプタのロータに対するエンジン１０および純出力においては、例えば、電気機械２８をジェネレータモード、電気機械２６をモータモードとして選択して、低速シャフト１２から動力を抽出し、パワーエレクトロニクス３１を介して動力を電気機械２６に伝達する。結果は、（ａ）より高いレベルの低速タービン動力、（ｂ）ガスジェネレータは、より速い速度、より多い流量およびより高い圧縮機圧力比に最適合するが、タービン１８に対する入口温度はより低い。したがって、本発明のエンジンは、エンジン形態に対する可変容量の効果を実現する。これは、エンジンの熱効率の向上に対応する。さらに、タービン２４も、また高エンジン出力レベルでより良好に作動するため、本発明の動力伝達がなく、より低い動力では、タービン２４は低効率で作動する。前述の場合では、タービン２４により、より多くの動力をより効率的に生じさせ、これにより、エンジンの熱量効率を向上させる。高速圧縮機２０をより速い速度およびより多い流量に再適合することにより、圧縮機の操作線が圧縮機のサージラインから離れ、これにより、圧縮機のサージマージンが増すことに留意されたい。
【００２７】
図２を参照すると、ガスタービンエンジン１０’の別の実施例が図示されている。本実施例においては、当分野におけるあらゆる適切な手段で第３のシャフト４２に取付けられたフリー圧縮機４０が備えられている。必要に応じて、フリー圧縮機４０は、可変幾何学形状（可変静翼）の圧縮機であってもよい。また、シャフト４２に、第３の電気機械４４が取付けられている。機械４４は、モータまたはジェネレータとして選択的に作動可能である。機械４４は、制御システム３０により制御されるとともに、パワーエレクトロニクス３１によって電気機械２６，２８に電気的に接続されていてもよく、それにより、機械４４から機械２６，２８の一方または両方に、かつ機械２６，２８の一方または両方から機械４４に電力が送られる。フリー圧縮機４０には、タービンが取付けられておらず、圧縮機４０は、高速圧縮機２０を過給するように用いられ得る。
【００２８】
図２から分かるように、フリー圧縮機４０は、圧縮機２０の上流側に好ましく配置されるとともに、圧縮機２０を過給する。電気機械４４がモータとして作動する場合、電気機械４４により圧縮機４０が駆動される。フリー圧縮機４０は、ガスジェネレータ圧縮機２０およびフリータービン２４の速度と異なった速度で回転するとともに、圧縮機２０およびタービン２４から独立している。ディーゼルエンジンの出力を増加させ、熱力学的性能を向上させるような過給器の利用と同様に、フリー圧縮機４０は、エンジン１０’に対して同様の効果を有する。より低いエンジン出力レベルにおいては、フリー圧縮機４０により、ガスタービンエンジン１０’の全体の圧力比が増加するとともに、エンジン効率が向上する。フリー圧縮機４０を駆動させるのに必要な動力は、以下の３つの方法により得られる。（１）ガスジェネレータスプール１４から動力を抽出するように高速電気機械２６をジェネレータとして用いる。（２）フリータービン２４から動力を抽出するように低速電気機械２８をジェネレータとして用いる。（３）上記（１）および（２）を一緒に用いる。フリー圧縮機４０は、最初に過給する量を全くなくしたり、あるいは過給する量を過給器の圧力比能力内で無限に可変にできる点において有利である。フリー圧縮機４０に対する入力量を変えることにより、要求されるエンジン出力の異なったレベルでエンジン１０’を最適に作動させるために、過給器の圧力比を変えることができる。ガスジェネレータを過給する能力により、エンジン１０’がより高い高度（空気密度が海面での密度よりも低い）で生じさせる出力が増加する。エンジンがより高い高度を飛行すると、環境空気温度が低下する。これにより、圧縮機２０がより高い基準速度で適合し、最終的に圧縮機２０は、フロー摂取量の限界に達する。過給することにより（特に、フリー過給器を介して）、圧縮機のフロー摂取量が増加する。
【００２９】
本発明のガスタービンエンジン運転中に、高速シャフト１４および低速シャフト１２の各々の速度を修正する能力により、新しいエンジン構造の方針が可能となる。本発明のエンジンにより、シャフト１２，１４のレッドライン（最大回転）速度を減少させることができる。本発明のエンジンは、高速タービン１８にかかる動力負荷を変えることができる（高速ジェネレータによって動力を抽出することにより）ため、低速タービン２４に対する入口温度を減少させることができる。これは、例えば、低速タービン２４においてさらなる高温材料を用いる必要性または低速タービン２４を冷却する必要性を排除することができる点において有利となる。
【００３０】
本発明のエンジン構造に特有である利点の１つは、機械的なクラッチが排除されることである。
【００３１】
以下に、圧縮機２０のサージマージンの増加についてさらに説明するとともに、エンジンの過渡運転時（すなわち、スロットル操作）における利点について説明する。電気機械２６により高速シャフト１４に伝えられる動力は、低速機械２８がジェネレータとして機能して、シャフト１２上の低速電気機械２８から得られることに留意されたい。
【００３２】
（タービン２４による）エンジン１０，１０’の出力は、高速タービン１８に対する入口温度によって異なる。タービン１８への入口温度が高いほど、エンジンの出力が高くなる。また、タービン１８への入口温度が高いほど、より多くの動力がタービン１８により抽出される。それに対応して、タービン１８への入口温度が高いほど、タービン２４に対する入口温度が高くなる。そのため、タービン１８，２４に対する入口温度がより高い場合には、より多くの動力が各々タービンにより抽出される。高速タービン１８に対する入口温度を変えること（タービン１８の上流側の加熱手段２２においてより多くの燃料またはより少ない燃料を燃焼することによる）によりエンジンの出力を変えることができるため、各々タービンにより抽出される動力の量は各タービンに対する入口温度に応じて異なる。圧縮機２０を駆動するためにタービン１８からの利用可能な動力は、エンジン出力に比例する。低エンジン出力レベルでは、タービン１８の動力もより低くなる。しかし、電気機械２６がモータモードの場合は、電気機械２６によりシャフト１４に伝えられる動力の量は、ほぼ一定となる。シャフト１４に動力を伝える電気機械２６の能力は、シャフト１４の速度にある程度は依存しているが、これは、モータの電磁場の周波（回転）数を変えることにより補正され得る。これにより、電気機械２６によるシャフト１４への一定の入力を維持するために、制御システム３０に電気機械２８およびその電磁場の変動を制御することが要求される。電気機械２６によるシャフト１４への入力が、エンジン出力やシャフト１４の速度に関係なく一定である場合、エンジン出力が低くなるにつれて、電気機械２６による入力は高くなる。シャフト１４への全入力は、タービン１８および電気機械２６による入力の合計である。エンジン出力が低くなるにつれて、電気機械２６により高速シャフト１４に加えられる動力の割合が多くなる。したがって、モータとして機能する電気機械２６は、シャフト１４に一定の動力を伝えることにより、低エンジン出力（圧縮機２０の低速度、より低い圧力比およびより低い流量も意味する）での圧縮機２０の作動により大きな影響を及ぼす。低エンジン出力では、モータとして機能する電気機械２６により、高エンジン出力の場合と比べ、圧縮機２０のフローが増加する。圧縮機２０の操作線は、低い圧縮機の速度／フロー／圧力比において、サージラインからさらに離れる。同じレベルのエンジン出力で作動するが、高速モータとして機能する電気機械２６によりブースト動力が加えられないエンジンと比べて、本発明のエンジン構造により、より高い流量、速度および圧力比で、圧縮機２０は作動するが、高速タービンの入口温度はより低くなる。これは、より多くの空気流によってより大きなエンジン出力が生じるため、エンジンの要求出力に適合するように温度が低下する。このことは、エンジンの過渡運転において大きな利点となる。エンジン１０や１０’が低出力レベルである状態から、最大エンジン出力が要求される場合を想定すると、加熱手段２２への燃料の流量は急激に増加する。しかし、燃料フローが急激に増加した場合、タービン１８に対する入口温度が急上昇し、その結果、タービン１８の温度が過度に上昇してしまう（ｏｖｅｒｔｅｍｐｉｎｇ）。本発明のエンジン構造は、より低いタービン入口温度で過渡状態が始まるため有利となる。従来エンジンと同様の燃料流量の増加では、本発明のエンジン構造においては、タービン１８に対する入口温度が上昇し過ぎる可能性は少ない。低出力から高出力への出力の変更を実現するような過渡温度変動は、従来エンジンと本発明とでは概ね同じである。本発明のエンジン構造では、より低い温度で過渡が始まるため、過渡時のピーク温度は、より低温である。したがって、エンジン１０や１０’では、より低い温度で過渡が始まるため、エンジン１０や１０’の過渡ピーク温度が減少する。また、本発明のエンジン構造では、高速シャフトおよび圧縮機２０がより高速で過渡が始まる。低出力から最高出力へエンジンを加速することにより、高速シャフト１４が低速度から最高速度に加速することが要求される。過渡の物理的特性により、低速から高速（すなわち、最大出力）への回転運動エネルギー変化が要求される。運動エネルギー変化は、過渡の終わりにおける速度の２乗と過渡の始まりの速度の２乗との間の差として計算される。したがって、（同じ最大運転出力で）高速シャフト１４の同じ加速を実現するために、本発明のエンジンにより、回転運動エネルギーのより小さい変化が要求される。燃料対時間における同じ増加の割合では、本発明のエンジンは、最大出力までより急速に加速される。高スプール速度にはオーバーシュート（行過ぎ量）がないことを留意されたい。本発明のエンジンは、より多くのサージマージンを有し、かつエンジンをより速く加速させるため、過渡の第１の段階時にいくらかのサージマージンを利用することが可能である。より急激な燃料フロー増加を利用するが、従来のエンジンにおける高タービンに対するピーク入口温度と同様となる。より急激な燃料フロー増加を用いることにより、従来エンジンと同じサージマージンの制約内で最大出力レベルまでのエンジン加速がさらに速くなる。より急速にガスジェネレータ圧縮機２０を最大出力レベルまで加速する能力は非常に望ましい。
【００３３】
加速過渡時に積極的干渉があると仮定する。エンジンが低出力レベルで作動しており、最大出力までエンジンを加速する要求が突然なされた場合におけるヘリコプタの問題を特に考察してみたい。最大出力までの加速要求は、ヘリコプタにさらなる揚力が生じるように、パイロットによりヘリコプタのメインロータの動力要求が変更される結果としてなされる。パイロットおよびロータにより要求されているより高いレベルの揚力を維持するために、揚力を生じさせ、かつ維持するように要求された動力に適合する出力を生じさせるようにエンジンは加速しなければならない。ロータ速度が１００％の速度において小帯域の変動内に維持されるように、ヘリコプタのロータは作動される。ヘリコプタが安全に作動するように、メインロータ速度の低下（ｄｒｏｏｐ）は、約１％に限定されなければならない。本発明のエンジンでは、高速モータとして機能する電気機械２６によってもたらされるブーストにより可能となる付加的なサージマージンを一時的に利用することができる。これは、一時的に高速モータとして機能する電気機械２６をオフにして、高速電気機械２６を高速ジェネレータとして用いて抽出された動力（ジェネレータ負荷）を高速シャフト１４に加えることによりなされる。また、本発明のエンジンは、ヘリコプタのメインロータを駆動させる低速シャフト１２に取付けられた低速電気機械２８を有する。低速タービン２４により、低速シャフト１２が駆動する。（より多くのエンジン出力を供給するための突然の負荷要求および突然のガスジェネレータの加速からなる）過渡時の最適点では、ヘリコプタのメインロータに出力の増加（パワーブースト）をもたらすように高速電気機械２６および低速電気機械２８の負荷のミラーイメージ交換を組み合わせることが可能であり、それにより、ロータ速度の低下（ｄｒｏｏｐ）が、軽減かつ制御されるとともに、過渡の継続時間がより短くなる。この状況について、以下に時間の経過順に記す。低エンジン出力と達成されるほぼ最高の出力との間の時間の経過は２秒である。低エンジン出力（定常状態）。高速モータがオンとなり、低速ジェネレータがオンとなる（定常状態）。パイロットによりロータからのさらなる揚力が要求され、ロータによりさらなる動力が要求される（過渡の開始）。ロータが連結されているエンジン低速シャフトが速度低下を開始し、ロータ速度が低下し始める。エンジン出力が上昇する（これはエンジン制御により多少見込まれている）。ガスジェネレータが加速する。最適時に（複数の）電気機械のモードを変更する。高速モータ／ジェネレータがオフとなり、低速モータ／ジェネレータがオフとなる。次に、高速ジェネレータがオンとなり、低速モータがオンとなる（メインロータは、ガスジェネレータ自体の加速率を効果的に減少させることにより、ガスジェネレータからの抽出動力によってブーストされているが、これは、過渡におけるこの時点においては許容される）。約４００ミリ秒間、状態を維持する。定常状態に切換復帰（スイッチバック）する。高速モータ／ジェネレータがオフとなり、低速モータ／ジェネレータがオフとなる。高速モータがオンとなり、低速ジェネレータがオンとなる（定常状態）。次の過渡に備える。
【００３４】
単一のスプールを備えたエンジン１０が図示されているが、複数のスプールを備えるエンジン１０”を設けることができる。図３に示されたエンジン１０”は、付加的な圧縮機５２および付加的なタービン５４が取付けられた付加的なスプール５０を備える。
【００３５】
必要に応じて、航空機システムに電力を供給するように電気機械２６，２８，４４を用いてもよい。
【００３６】
次に図４を参照すると、本発明によるガスタービンエンジン１０ivの別の実施例が示されている。本実施例は図３に示された実施例と類似しているが、圧縮機５２を備えていない。シャフト５０は、タービン５４および電気機械２６だけに連結している。シャフト５０と圧縮機４０は連結していない。代わりに、圧縮機４０は、第４のシャフト４３に連結している。本実施例におけるシャフトの連結を、最も内側の部分から外側かつ左から右に向かって以下に記す。シャフト１２は、負荷１６、電気機械２８およびタービン２４に連結おり、シャフト５０は、電気機械２６およびタービン５４に連結している。シャフト４３は、電気機械４４および圧縮機４０に連結しており、シャフト１４は、圧縮機２０およびタービン１８に連結している。
【００３７】
次に図５を参照すると、本発明によるガスタービンエンジン１０vのさらに別の実施例が示されている。本実施例においては、圧縮機２０およびタービン１８が取付けられている第１のスプールを備える。この第１のスプールには、これまで通りにモータまたはジェネレータとなる電気機械２６が取付けられている。また、エンジンvは、タービン５４および圧縮機５２を備える第２のスプールを有する。この第２のスプールには、モータまたはジェネレータとして選択的に作動する電気機械９０が連結されている。タービン２４は、シャフト１２を介して負荷１６を駆動するように用いられる。電気機械２８は、シャフト１２に連結している。種々の電気機械の作動は、制御システム３０により制御され、制御システム３０は、全デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ）３２により制御される。これまで通りに、制御システム３０は、圧縮機の幾何学形状（可変静翼）および種々の電気機械を制御するように当分野に周知のあらゆる適切な方法でプログラムされるコンピュータつまりプロセッサを備えていてもよい。電気機械がエンジンの要求に応じてモータまたはジェネレータとして作動するように、制御システム３０により指示が与えられる。一方の電気機械から他方の電気機械（またはその反対）に電力が伝達されるように、電気機械間にパワーエレクトロニクス３１が提供される。
【００３８】
次に図６を参照すると、本発明によるガスタービンエンジン１０viのさらに別の実施例が示されている。このエンジンは、図２および図５に示されたエンジンを機能的に複合したものである。エンジン１０viは、モータ４４により駆動されるフリー圧縮機４０を備える。また、エンジン１０viは、タービン１８、圧縮機２０および電気機械９２に連結した第１のスプールを備える。さらに、エンジンは、タービン５４、圧縮機５２および電気機械２６に連結した第２のスプールを備える。エンジンは、シャフト１２を介して負荷１６を駆動させるタービン２４をさらに備える。電気機械２８は、シャフト１２に連結している。電気機械２６，２８，９２は、エンジンの要求に応じて、モータまたはジェネレータとして選択的に作動される。前述のように、制御システム３０は、電気機械２６，２８，９２を制御かつ操作するように設けられる。一方の電気機械から他方の電気機械（またはその反対に）に電力が伝達されるように、電気機械間にパワーエレクトロニクス３１が提供される。制御システム３０は、ＦＡＤＥＣ３２に連通している。
本明細書において説明された目的、手段および利点を十分に満たすガスタービンエンジン用の電気的に接続された過給器が本発明により提供される。特定の実施例について本発明を説明してきたが、前述の説明を読まれた当業者であれば、別の実施例、変更形態および修正形態が明らかになるであろう。したがって、これらの別の実施例、変更形態および修正形態が、添付の特許請求の範囲の範囲内にあることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明によるガスタービンエンジンの第１の実施例の配置図。
【図２】本発明によるガスタービンエンジンの第２の実施例の配置図。
【図３】本発明によるガスタービンエンジンの第３の実施例の配置図。
【図４】本発明によるガスタービンエンジンの第４の実施例の配置図。
【図５】本発明によるガスタービンエンジンの第５の実施例の配置図。
【図６】本発明によるガスタービンエンジンの第６の実施例の配置図。
【符号の説明】
【００４０】
１０…ガスタービンエンジン
１２，１４…シャフト
１６…負荷
１８…ガスジェネレータタービン
２０…ガスジェネレータ圧縮機
２２…加熱手段
２４…第２のタービン
２６，２８，４４，９０，９２…電気機械
３０…制御システム
３１…パワーエレクトロニクス
３２…全デジタル電子式制御装置（ＦＡＤＥＣ）
４０…フリー圧縮機
４２…第３のシャフト
５０…付加的なスプール
５２…付加的な圧縮機
５４…付加的なタービン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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