(57)【要約】【課題】多スプールタービンエンジンの種々の回転スプールにわたって必要に応じて、この動力が分割されることができるように、動力をタップオフすること。【解決手段】本発明は、少なくとも１つの第１の回転スプール（６９）、たとえば、低圧スプールと、第２の回転スプール（２４）、たとえば高圧スプールと、を備え、電気機械（１０）を駆動する多スプールガスタービンエンジンにおいて電力を生成するための装置に関する。装置は、電気機械（１０）が第１のロータ（１３）および第２のロータ（１４）を有するツインロータ型からなり、第１のロータ（１３）は、第１の回転スプール（６９）に機械的に接続され、第２のロータは、第２の回転スプール（２４）に機械的に接続される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第１の回転スプール、たとえば、低圧スプールと、第２の回転スプール、たとえば高圧スプールと、を備え、電気機械を駆動し、電気機械は第１のロータおよび第２のロータを有するツインロータ型からなり、第１のロータは、第１の回転スプールに機械的に接続され、第２のロータは、第２の回転スプールに機械的に接続され、ロータのうちの少なくとも１つが、それが接続されるか、またはその回転スプールの少なくとも１つを駆動するようにモータとして動作される回転スプールによって駆動される場合には、電気機械は、可逆であり、発電機として動作することができる多スプールガスタービンエンジンにおいて電力を生成するための装置。
【請求項２】
ロータが、減速ギアボックスによって回転スプールに機械的に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ロータが、直接ドライブによって回転スプールに機械的に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
第１のロータと第１の回転スプールとの間の機械的伝動装置が、第１の回転スプールが静止した状態で維持されることができるブレーキを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
第１のロータが、第２のロータと同心であり、第２のロータの内部にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
ブレーキが、ラチェットホイールからなる、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
第１のロータが、永久磁石ロータである、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の少なくとも１つの補助電気機械を備える、２スプールガスタービンエンジン。
【請求項９】
２スプール型からなり、低圧スプールである第１のスプールおよび高圧スプールである第２のスプールからなる、請求項８に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
回転スプールが、反転している、請求項７または８に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
請求項７、８または９のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンを始動する方法であって、回転スプールのうちの１つを駆動するために、電力を機械に供給することにあるガスタービンエンジンを始動する方法。
【請求項１２】
請求項７、８または９のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンを始動し、請求項４に記載のブレーキを組み込む方法であって、電力を機械に供給し、ブレーキが解除される決定された回転速度に到達するまで、第２の回転スプールのみを駆動させる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空学において用いられる多スプールガスタービンエンジンの分野に関する。本発明は、補助電気機械がエンジンのシャフトによって駆動される方法を目的とする。
【０００２】
航空機の推進のために用いられるタービンエンジンにおいて、生成される動力の一部は、エンジン自体および航空機の両方に対して補助的なサービスを提供する補助装置を駆動するためにタップオフされる。このような装置としては、潤滑システムおよび燃料システム、油圧システムおよび電動システムのための電源が挙げられる。
【０００３】
多スプールガスタービンエンジンは、少なくとも２つの回転スプールを備え、大部分は２つまたは３つのスプールを有するが、より多数のスプールが排除されているわけではない。スプールは、軸を中心として回転する一体の組立体からなり、１つの部分は圧縮機を形成し、１つの部分はタービンを形成し、タービンは圧縮機を駆動する。さらに詳細に言えば、多スプールエンジンはまた、マルチフローエンジン、一般にデュアルフローまたはバイパスエンジンであってもよく、燃焼室を含み、高温の一次フローが中を通過する中心コアを迂回する低温の二次フローまたはバイパスフローを生成するファンを備える。エンジンはまた、プロペラを駆動するターボプロップ型からなってもよい。
【０００４】
一般に、補助装置を駆動するために必要な機械的動力のすべては、インレットギアボックスを表すＩＧＢとして知られるギアボックスを介して、高圧ＨＰスプールからタップオフされ、次に、それらを支持するボックスを形成し、補助ギアボックスを表すＡＧＢとして知られるギアセットと噛合するエンジン駆動シャフトに対して半径方向に配置されるシャフトによって、ファンケーシング上に位置決めされる装置に伝達される。
【背景技術】
【０００５】
現在の傾向は、付属品への電力の供給を増大させることである。増大した機械的動力を提供し、同時に、その飛行エンベローブ全体にわたって、ターボ機械を作動し続けることは、別の解決策を求めることを伴う。１つの解決策は、すべての回転スプールにわたって、すなわち２スプールエンジンのＨＰスプールおよびＬＰスプールにわたって動力のタッピングを分割することである。
【０００６】
さらに、ガスタービンエンジンは従来、空気タービンを用いてＨＰロータに回転をつけることによって始動されていたのに対して、要望は、この空気タービンが電動モータに取って代わることである。実際には、要望は、発電機を電気モータとして可逆に用いることによって、発電機の動力要件における増大を十分に活用することである。この解決策は、据え付けられた電気機械の動力が、エンジンの回転スプールを回すのに十分であるという事実によって可能となる。
【０００７】
さらに詳細に言えば、要望は、電力を生成するために、動力のタッピングをＨＰスプールおよびＬＰスプールにわたった分割を可能にする手段を作製することである。次に、複数の電動装置が用いられる。１つの装置は、ＨＰスプールによって駆動され、別の装置は、ＬＰスプールによって駆動される。しかし、この技術は、それらの出力が結合されることができるように、電気信号の処理を伴う。装置は、エンジンの軸上に位置してもよく、あるいはリレーギアボックスに位置してもよい。このような解決策は、多少重く、確実に嵩張るという欠点を有する。
【０００８】
出願人の会社が仏国特許出願第２８６３３１２号で出願したような１つの解決策は、ＡＧＢの領域で、差動歯車によって駆動する１つまたは複数の電気機械をエンジンの外側にあるケーシングに組み込み、２つのスプール、一方にあるＨＰスプールと他方にあるＬＰスプールとの間で動力のタッピングを分割するようにすることを示唆している。このような解決策は、始動時に電気機械のうちの１つがロータを駆動することを可能にするわけではないことを留意されたい。
【特許文献１】仏国特許出願公開第２８６３３１２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、多スプールタービンエンジンの種々の回転スプールにわたって必要に応じて、この動力が分割されることができるように、動力をタップオフすることである。
【００１０】
本発明の別の目的は、同一の手段がタービンエンジンの始動中に、回転スプールの少なくとも１つを駆動するために用いられることを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、本発明は、少なくとも１つの第１の回転スプール、たとえば、低圧スプールと、第２の回転スプール、たとえば高圧スプールと、を備え、電気機械を駆動し、電気機械は第１のロータおよび第２のロータを有するツインロータ型からなり、第１のロータは、第１の回転スプールに機械的に接続され、第２のロータは、第２の回転スプールに機械的に接続される多スプールガスタービンエンジンにおいて電力を生成するための装置を作製する。
【００１２】
本発明による解決策は、機械的動力のタッピングが、タービンエンジンの質量に影響を及ぼし得るクラッチまたはギアボックスシステムの手段に頼る必要がなく、２つの回転スプールの間で分割されることを可能にするという利点を有する。
【００１３】
さらに、タービンエンジンの操作性は、動力がタップオフされるような分割が、２つの回転スプールの間で不変であるという事実によって確保される。この分割は、適切な減速比によって制御される。
【００１４】
２スプールエンジンの場合には、任意の他のスプールに関して優先してＬＰスプールからのタッピング動力が、タービンエンジンの特定の燃料消費における削減を可能にすることが実証されている。
【００１５】
したがって、別の特徴によれば、ロータのうちの少なくとも１つが、それが接続されるか、またはその回転スプールの少なくとも１つを駆動するようにモータとして動作される回転スプールによって駆動される場合には、電気機械は、可逆であり、発電機として動作することができる。
【００１６】
一実施形態によれば、ロータは、減速ギアボックスによって回転スプールにそれぞれ機械的に接続される。別の実施形態によれば、ロータは、エンジン上に直接的に取り付けられる。
【００１７】
電気機械の第１のロータとタービンエンジンの第１の回転スプールとの間の機械伝動装置は、ブレーキ、たとえば、それを介して上記の第１の回転スプールが静止した状態に維持されることができるようなノンリターンラチェットホイールを含んでもよい。好都合なことに、ブレーキは、エンジンが停止している場合には、第１の回転スプールを不動にするために用いられることができる。たとえば、プロペラを備えたターボプロップエンジンの場合には、エンジンが動いていない場合にはプロペラが風車状態にならないようにするために、プロペラが接続されるＬＰスプールは、回転防止にする必要がある。本発明に記載されたブレーキは、この追加機能を実行することができる。
【００１８】
しかし、大型エンジンの場合のように、ＨＰスプールの慣性運動とＬＰスプールの慣性運動との間の比が、きわめて大きい場合には、このようなブレーキは、必要とされない。
【００１９】
好都合なことに、電気機械の第１のロータは、電気機械の第２のロータと同心であり、第２のロータの内部にある。好みとしては、第１のロータは、永久磁石ロータである。これは次に、静止部品と回転部品との間の接触量を低減する。
【００２０】
本発明はまた、少なくとも１つのそのような補助電気機械を備える２スプールガスタービンエンジンに関する。好みとしては、ガスタービンエンジンは、２スプール型からなり、第１のスプールは低圧スプールであり、第２のスプールは高圧スプールである。
【００２１】
回転スプールは、場合によっては反転する。
【００２２】
この構成は、電力によって補助電気機械に動力を供給し、同時に、始動段階中に限り、第２の回転スプールを駆動するようにブレーキをかけ続けることにあるガスタービンエンジン始動方法を適用することを可能にする。
【００２３】
動作のこの方法を用いて、全体的な伝動システム（ＡＧＢ、頭文字ＴＧＢによって知られている伝達ギアボックス、ラジアルシャフトおよびＩＧＢ）および空気タービンを不要にし、機械的伝動構成部材の使用を限定することを可能にする。この段階で達成される質量の節約は、新たな構造の組み込みのためのオプションを提供する。
【００２４】
本発明は、添付図面を参照して以下にさらに詳細に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
第一に、ターボジェットエンジン１として配置されるターボモータを概略的に示す図１を参照する。ターボジェットエンジン１は、第１のシャフト３によってＨＰタービンロータ４に接続されるＨＰ圧縮機ロータ２を備える高圧ＨＰスプール２４を備えた２スプールエンジンである。燃焼室５は、２つのＨＰロータの間に形成される。低圧スプール６９は、ＨＰ圧縮機の上流に位置決めされるファン７および第１の圧縮段階７’を有するＬＰ圧縮機組立体６を備える。ＬＰ圧縮機組立体は、ＨＰタービンロータ４の下流に位置決めされるＬＰタービンロータ９に、第１のシャフトと同心であるシャフト８によって接続される。ファンは、２つの同心のフロー、すなわち、大気中に放出される前に種々のＬＰモジュールおよびＨＰモジュールを通過する一次フローと、燃焼室を迂回し、大気中に放出される低温の二次フローまたはバイパスフローと、に分割される空気フローを供給する。現在の市販のエンジンにおいて、バイパス比、すなわち一次フローと二次フローとの間の比は高く、少なくとも４であり、将来さらに高くなる可能性が高い。ファンを駆動する代わりに、エンジンは、ターボプロップとして動作し、１つまたは複数のプロペラを駆動してもよい。
【００２６】
電気機械は従来、誘導ロータと、アーマチュアを形成するステータと、から構成される。ロータは、複数対の極、たとえば、２対の極、３対の極、４対の極を備え、アーマチュアを形成するステータは、巻線を備える。本発明によれば、第２のロータを形成する回転ステータを備えた電気機械の当該用途に用いられ、電気機械のロータのそれぞれは、多スプールターボモータの回転スプールに機械的に接続される。
【００２７】
図２は、２ロータ型の電気機械を概略的に示す。機械１０は、軸受１２によってガスタービンエンジンの固定部品１１に取り付けられる。これらの軸受は、同一の軸ＸＸを中心として回転する２つの同心ロータ１３および１４を支持する。これらは、可動部品と静止部品との間の回転電気接続を可能な限り回避するために、好ましくは永久磁石型からなる第１の誘導ロータ１３である。ロータは、図示されていない軸受によって支持され、三相モータの場合には、ここではその外面にブラシＵ１、Ｕ２、Ｕ３用のスリップリングを有するように設けられた巻線状の第２のロータ１４内部に位置決めされる。第１のロータ１３は好ましくは、低圧ＬＰ回転スプール６９に機械的に接続される。その部品用の第２のロータは、高圧ＨＰ回転スプールに機械的に接続される。２つ以上の回転スプールを有するガスタービンエンジンにおいて、ロータのうちの１つのロータは、中間圧力レベルでスプールに機械的に接続されてもよいことを留意すべきである。
【００２８】
これらの背景を考慮すると、機械が、エンジンの回転スプールに対して配置される方式は、さまざまであり得る。
【００２９】
一実施形態によれば、電気機械は、ガスタービンエンジンの軸に沿ってまたはガスタービンエンジンの軸近傍に位置決めされる。好都合なことに、第１のロータ１３が次に、ＬＰスプール６９に接続され、第２のロータ１４は、ＨＰスプール２４に接続される。電気機械１０に関して適切な速度で駆動可能にするために、その２つのロータは、適切な減速ギアボックスによって２つの回転スプールに接続される。図３は、この構成の動作図を示している。電気機械１０は、ロータ１３および１４の２つのシャフトを有するように示されている。これらの２つのシャフト１３および１４は、それぞれのＨＰ減速ギアボックス２１およびＬＰ減速ギアボックス２２によって、それぞれＨＰスプール２４のシャフト３１およびＬＰスプール６９のシャフト３２に接続される。この実施例において、ガスタービンエンジンの２つのスプールは、適切な減速ギアボックスを用いて反転する。この解決策はまた、たとえば、回転スプールが適切な減速ギアボックスと同時回転している場合にも適している。適合される減速ギアボックスは、一方では、操作性状態を満たす方式で動力のタッピングを分割し、他方では、電気機械が以下のタイプの速度を有することを確保する役目を果たしている。
Ω＝ｒＬＰΩＬＰ＋ｒＨＰΩＨＰ
【００３０】
電気機械は、回転スプールがターボモータ始動時に駆動されることができるという利点を有する。
【００３１】
この目的のために、特に大型サイズでないエンジンの場合において、駆動力が２つの回転スプールの間で適切に分割されることができるように、ブレーキ４０が設けられる。このブレーキは、ＬＰスプールを不動にするような方式で配置される。実際には、低圧スプールが、たとえば、１０倍程度の慣性を有する高圧スプールに比べれば、大きな慣性を有する大型エンジンの場合には、ブレーキの使用は、ＨＰスプールがＬＰスプールの前に開始されることから、ブレーキの使用を回避することができることを留意すべきである。より小型サイズのエンジンにおいて、慣性の差はまた、より小さく、ブレーキはそのときに有用である。
【００３２】
図４は、本発明が始動モードにおいて作動するように設計される方式を示す。電力は、電気モータとして動作させるように構成される機械１０に供給される。ブレーキ４０は、ＬＰ回転スプール６９を不動にするように適用される。この場合において、ＨＰ回転スプール２４に接続されるロータ１４は、回転され、ターボモータ１のＬＰスプール２４を駆動する。このように、電気機械によって作り出された動力のすべては、ＨＰスプール２４によって吸収される。
【００３３】
ＨＰスプール２４が、決定された速度に達した場合には、ＬＰスプール６９におけるブレーキ４０が解除される。機械１０に供給される電力は次に、２つの回転スプールの間に分割され、ＬＰスプールが今度は駆動される。点火の熱動力を利用する状態が達成されると、点火が行われる。
【００３４】
ターボモータの回転が自己維持されている場合には、電気機械１０への電力の供給は中断される。ロータは、機械的に駆動され、機械１０は、発電機として作用する。
【００３５】
図示されていない別の形態によれば、電気機械は、ファンケーシングの上に位置決めされる。補助機械の支持および駆動のための従来の解決策の場合と同様に、ＡＧＢ上に取り付けられる。機械的動力は、エンジンの中間ケーシングのアームに位置決めされる２つのラジアルシャフトによって伝達される。これらの２つのラジアルシャフトは、回転スプールのそれぞれに１つずつ機械的に接続される。
【００３６】
図示されていない別の形態によれば、電気機械は、エンジンの主軸、たとえば、ＬＰ圧縮機とＨＰ圧縮機との間の中間ケーシングに位置決めされる。ロータは、上記のＨＰ部品およびＬＰ部品が同時回転している場合には、エンジンのＨＰ部品およびＬＰ部品によって直接的に駆動され、上記のＨＰ部品およびＬＰ部品が反転している場合には、回転の方向を逆転するシステムによって駆動される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】軸断面における２スプールターボジェットエンジンを概略的に示す。
【図２】ツインロータタイプの電気機械を概略的に示す。
【図３】機械の例示の配置を示す。
【図４】ステータとしてどのように作動するかを示す。
【符号の説明】
【００３８】
１  ターボジェットエンジン
２  ＨＰ圧縮機ロータ
３、８、３１、３２  シャフト
４  ＨＰタービンロータ
５  燃焼室
６  ＬＰ圧縮機組立体
７  ファン
７’  圧縮段階
９  ＬＰタービンロータ
１０  電気機械
１１  固定部品
１２  軸受
１３、１４  同心ロータ
２１  ＨＰ減速ギアボックス
２２  ＬＰ減速ギアボックス
２４  ＨＰ回転スプール
４０  ブレーキ
６９  低圧ＬＰ回転スプール
ＸＸ  軸
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３  ブラシ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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