(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジン（１０）用の始動機／発電機システム（１００）を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンは、コアガスタービンエンジン（１３）と該コアガスタービンエンジンに結合された低圧タービン（２０）とを含む。本始動機／発電機システムは、コアガスタービンエンジンに結合された始動機（１０２）と低圧タービンに結合された発電機（１０４）とを含む。始動機／発電機システム（１００）は、始動機（１０２）と前記コアガスタービンエンジン(１３)との間に結合された第１の駆動シャフト（１５０）と、発電機（１０４）と前記低圧タービン(２０)との間に結合された第２の駆動シャフト（１５２）とをさらに含み、前記第１の駆動シャフトが、前記第２の駆動シャフトを実質的に囲んでいてもよい。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアガスタービンエンジン(１３)及び前記コアガスタービンエンジンに結合された低圧タービン（２０）を備えたガスタービンエンジン(１０)用の始動機／発電機システム（１００）であって、
前記コアガスタービンエンジンに結合された始動機（１０２）と、
前記低圧タービンに結合された発電機（１０４）と、
を含む始動機／発電機システム（１００）。
【請求項２】
前記始動機（１０２）と前記コアガスタービンエンジン(１３)との間に結合された第１の駆動シャフト（１５０）と、
前記発電機（１０４）と前記低圧タービン(２０)との間に結合された第２の駆動シャフト（１５２）と、をさらに含み、
前記第１の駆動シャフトが、前記第２の駆動シャフトを実質的に囲む、
請求項１記載の始動機／発電機システム（１００）。
【請求項３】
前記第１及び第２の駆動シャフト（１５０，１５２）間に結合された差動軸受（１９０）をさらに含む、請求項２記載の始動機／発電機システム（１００）。
【請求項４】
前記コアガスタービンエンジン(１３)に結合されたリング歯車（１７４）と、
前記第１の駆動シャフト（１５０）に結合された駆動ピニオン（１７２）と、をさらに含み、
前記駆動ピニオンが、前記リング歯車と互いに噛み合って、前記始動機（１０２）を作動させることにより前記コアガスタービンエンジンを回転させるようにする、
請求項２記載の始動機／発電機システム（１００）。
【請求項５】
前記低圧タービン（２０）に結合されたリング歯車（１８４）と、
前記第２のシャフト（１５２）に結合された駆動ピニオン（１８２）と、をさらに含み、
前記駆動ピニオンが、前記リング歯車と互いに噛み合って、前記低圧タービンを回転させることにより前記発電機（１０４）を回転させるようにする、
請求項２記載の始動機／発電機システム（１００）。
【請求項６】
前記始動機（１０２）が、前記第１の駆動シャフト（１５０）に結合された電動機／発電機（１１０）を含み、
前記電動機／発電機が、第１のモードで作動している時には前記コアガスタービンエンジン（１３）を回転させまた第２のモードで作動している時には電気エネルギーを発生するように構成される、
請求項２記載の始動機／発電機システム（１００）。
【請求項７】
前記発電機（１０４）が、前記第２の駆動シャフト（１５２）に結合された電動機／発電機（１１０）を含み、
前記電動機／発電機が、第１のモードで作動している時には電気エネルギーを発生しまた第２のモードで作動している時には前記低圧タービン（２０）を回転させるように構成される、
請求項２記載の始動機／発電機システム（１００）。
【請求項８】
コアガスタービンエンジン（１３）と、
低圧タービン（２０）と、
始動機／発電機システム（１００）と、
を含み、前記始動機／発電機システム（１００）が、
前記コアガスタービンエンジンに結合された始動機（１０２）と、
前記低圧タービンに結合された発電機（１０４）と、を含む、
ガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項９】
前記低圧タービン（２０）に結合されたファン組立体（１２）をさらに含む、請求項８記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項１０】
前記始動機（１０２）と前記コアガスタービンエンジン(１３)との間に結合された第１の駆動シャフト（１５０）と、
前記発電機（１０４）と前記低圧タービン（２０）との間に結合された第２の駆動シャフト（１５２）と、を含み、
前記第１の駆動シャフトが、前記第２の駆動シャフトを実質的に囲む、
請求項８記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンを始動するように構成されまた電力を発生するように構成されたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機で使用する少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、直列流れ配置の形態で、エンジンに流入する空気流を加圧する圧縮機と、燃料及び空気の混合気を燃焼させる燃焼器と、燃焼器から吐出されたガス流からエネルギーを取出して推力を発生する低圧及び高圧タービンとを有するコアエンジンを含む。
【０００３】
航空機補機の電力需要が高まってきたので、高い電力需要を受けない他のエンジンよりも高くなる可能性があるアイドル回転速度でガスタービンエンジンを運転する必要性もまた増加してきた。より具体的には、ガスタービンエンジンのアイドル回転速度を高くすることにより、圧縮機失速マージンを犠牲にすることなしに増大した電力需要を満たすことが可能になる。しかしながら、高いアイドル回転速度はまた、飛行アイドル降下運転及び／又は地上アイドル運転時の両方において望ましいものよりも高いエンジンの推力レベルを発生する可能性がある。長期間にわたって、このようなアイドル運転時における高い推力レベルで運転し続けることは、保守費用を増大させるおそれがあり、また高い燃料流量必要量もまた、航空機の運転費用を増大させるおそれがある。
【特許文献１】米国特許第７，１１７，６８３号公報
【特許文献２】米国特許第５，８９９，４１１号公報
【特許文献３】米国特許第７，１３１，２７５号公報
【特許文献４】米国特許第４，４７５，０７５号公報
【特許文献５】米国特許第６，３５１，０９０号公報
【特許文献６】米国特許第４，７４３，７７６号公報
【特許文献７】米国特許第３，６１７，７６２号公報
【特許文献８】米国特許第４，３３０，７４３号公報
【特許文献９】米国特許出願公開第２００４／０１５０２３２号公報
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００６／０１６８９６８号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、ガスタービンエンジン用の始動機／発電機システムを提供する。本システムは、コアガスタービンエンジンに結合された始動機と、低圧タービンに結合された発電機とを含む。
【０００５】
別の態様では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンと、低圧タービンと、始動機／発電機システムとを含み、始動機／発電機システムは、コアガスタービンエンジンに結合された始動機と低圧タービンに結合された発電機とを含む。
【０００６】
またここでは、コアガスタービンエンジン、低圧タービン、始動機及び発電機を備えたガスタービンエンジンを組立てる方法を開示する。この方法は、始動機をコアガスタービンエンジンに結合する段階と、発電機を低圧タービンに結合する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、長手方向軸線１１を有するガスタービンエンジン組立体１０の断面図である。図２は、図１に示すガスタービンエンジン組立体１０の簡略概略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２及びコアガスタービンエンジン１３を含む。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含む。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービン２０及び多段ブースタ圧縮機２２を含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２８及び排気側３０を含む。ファン組立体１２、ブースタ２２及び低圧タービン２０は、第１のロータシャフト３１によって互いに結合され、また圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第２のロータシャフト３２によって互いに結合される。
【０００８】
作動中、空気はファン組立体１２を通って流れ、この空気流の第１の部分は、ブースタ２２を通って流れる。ブースタ２２から吐出された加圧空気は、圧縮機１４内に導かれ、圧縮機１４において、空気流はさらに加圧されて燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの高温燃焼生成物(図示せず)は、タービン１８及び２０を駆動するために利用され、タービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２及びブースタ２２を駆動するために利用される。ガスタービンエンジンエンジン組立体１０は、設計作動条件と設計外作動条件との間の作動条件の範囲で作動可能である。
【０００９】
ガスタービンエンジン組立体１０はまた、始動機（スタータ）１０２及び発電機（ジェネレータ）１０４を備えた始動機／発電機システム１００を含む。本明細書では、始動機１０２は、コアガスタービンエンジン１３を始動させるために利用される装置として説明しているが、始動機１０２はまた、コアガスタービンエンジン１３によって駆動させ、発電機として機能させることができることを理解されたい。さらに、本明細書では、発電機１０４は、低圧タービン２０によって駆動されて電気エネルギーを発生する装置として説明しているが、発電機１０４はまた、低圧タービン２０を駆動して、以下述べる様々な作動条件時においてガスタービンエンジン組立体１０を再始動させるのを可能にすることができることを理解されたい。ガスタービンエンジン組立体１０はまた、以下に説明する電動機（モータ）／発電機１１０、発電機／電動機（モータ）１２０及び補機歯車ボックス１３０を含む。
【００１０】
図３は、図１及び図２に示す始動機／発電機システム１００の半径方向外側部分の断面図である。この例示的な実施形態では、始動機１０２は、電動機／発電機１１０と、該電動機／発電機１１０に結合されかつ該電動機／発電機１１０によって駆動される電動機シャフト１１２と、該電動機シャフト１１２を駆動するように結合された駆動ピニオン１１４とを含む。発電機１０４は、発電機／電動機１２０と、該発電機／電動機１２０に結合されかつ該発電機／電動機１２０によって駆動される発電機シャフト１２２と、該発電機シャフト１２２を駆動するように結合された駆動ピニオン１２４とを含む。この例示的な実施形態では、電動機／発電機１１０及び発電機／電動機１２０は各々、コアガスタービンエンジン１３に結合された補機歯車ボックス１３０に結合される。
【００１１】
始動機／発電機システム１００はまた、電動機／発電機１１０に結合された第１の駆動シャフト１５０と、発電機／電動機１２０に結合された第２の駆動シャフト１５２とを含む。第１の駆動シャフト１５０は、内径１５４を有し、第２の駆動シャフト１５２は、外径１５６を有する。この例示的な実施形態では、外径１５６は、内径１５４よりも小さくて、第１の駆動シャフト１５０が第２の駆動シャフト１５２を実質的に囲むようになる。具体的には、第２の駆動シャフト１５２は、第１の駆動シャフト１５０の内径１５４よりも小さい外径１５６を有しており、第２の駆動シャフト１５２は第１の駆動シャフト１５０の内部に配置することができるようになる。
【００１２】
第１の駆動シャフト１５０は、第１の端部１６０と該第１の端部１６０に結合されたピニオン１６２とを含む。この例示的な実施形態では、駆動ピニオン１１４及びピニオン１６２は各々、該駆動ピニオン１１４がピニオン１６２と互いに噛み合いかつ該駆動ピニオン１１４を回転させることによりピニオン１６２を回転させるように構成された傘歯車である。第２の駆動シャフト１５２は、第１の端部１６４と該第１の端部１６４に結合されたピニオン１６６とを含む。この例示的な実施形態では、駆動ピニオン１２４及びピニオン１６６は各々、該駆動ピニオン１２４がピニオン１６６と互いに噛み合いかつ該駆動ピニオン１２４を回転させることによりピニオン１６６を回転させるように構成された傘歯車である。
【００１３】
図４は、図１、図２及び図３に示す始動機／発電機システム１００の半径方向内側部分の断面図である。図５は、図４に示す始動機／発電機システム１００の半径方向内側部分の端面図である。
【００１４】
この例示的な実施形態では、第１の駆動シャフト１５０はまた、第２の端部１７０と該第２の端部１７０に結合又はスプライン結合されたピニオン１７２とを含む。その上、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、第２のロータシャフト３２に結合又はスプライン結合されたリング歯車１７４を含む。この例示的な実施形態では、ピニオン１７２及びリング歯車１７４は各々、該ピニオン１７２がリング歯車１７４と互いに噛み合いかつシャフト３２を回転させることによりリング歯車１７４を回転させ、従ってピニオン１７２を回転させるように構成された傘歯車である。第２の駆動シャフト１５２もまた、第２の端部１８０と該第２の端部１８０に結合又はスプライン結合されたピニオン１８２とを含む。その上、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、第１のロータシャフト３１に結合又はスプライン結合されたリング歯車１８４を含む。この例示的な実施形態では、ピニオン１８２及びリング歯車１８４は各々、該ピニオン１８２がリング歯車１８４と互いに噛み合いかつシャフト３１を回転させることによりリング歯車１８４を回転させ、従ってピニオン１８２を回転させるように構成された傘歯車である。図３及び図４に示すように、シャフト１５０及び１５２は、互いに結合されて単一のそれぞれのシャフトを形成する１つ又はそれ以上のシャフト部分を含むように製作され、従って組立を簡単にすることができる。任意選択的に、シャフト１５０及び１５２はまた、本明細書に記載した本発明の技術的範囲に影響を与えずに、単体構造の構成部品として製作することもできる。
【００１５】
図４に示すように、始動機／発電機システム１００はまた、ガスタービンエンジン組立体１０内でシャフト１５０及び１５２を正確な位置に保持するのを可能にする複数の軸受組立体を含む。具体的には、始動機／発電機システム１００は、その各々がシャフト１５０及び１５２間に結合された第１の差動軸受１９０及び第２の差動軸受１９２を含む。本明細書に記載した本発明は、一対の差動軸受１９０及び１９２に関して説明しているが、シャフト１５０及び１５２を単体構造の構成部品として製作した場合には単一の差動軸受１９０を使用することができることを理解されたい。差動軸受１９０及び１９２は各々、シャフト１５０に固定された回転外側レース２００とシャフト１５２に固定された回転内側レース２０２とを含む。各差動軸受１９０及び１９２はまた、それぞれ外側及び内側レース２００及び２０２間に配置された複数の転動体２０４を含む。差動軸受１９０及び１９２は各々、シャフト１５２がシャフト１５０から独立して回転するのを可能にしながら、シャフト１５０に対して実質的に固定した配向でシャフト１５２を保持するのを可能にする。
【００１６】
始動機／発電機システム１００は、シャフト１５０とガスタービンエンジン組立体１０の構造構成部品との間に結合されて依然としてシャフト１５０が構造構成部品に対して回転するのを可能にしながら該シャフト１５０を支持する第３の軸受２１０を含む。第３の軸受２１０は、シャフト１５０に結合された回転内側レース２１２と、構造構成部品に固定された固定外側レース２１４とを含む。第３の軸受２１０はまた、それぞれ内側及び外側レース２１２及び２１４間に配置された複数の転動体２１６を含む。
【００１７】
始動機／発電機システム１００は第４の軸受２２０を含み、この例示的な実施形態では、この第４の軸受２２０は、ガスタービンエンジン組立体１０内部でシャフト１５０を実質的に固定した配向に支持するように構成されたローラ軸受である。第４の軸受２２０は、シャフト１５０に結合された回転内側レース２２２と、構造構成部品に固定された固定外側レース２２４と、それぞれ内側及び外側レース２２２及び２２４間に配置された複数の転動体２２６とを含む。
【００１８】
組立時に、始動機１０２は、コアガスタービンエンジン１３に結合され、また発電機１０４は、低圧タービン２０に結合される。具体的には、始動機１０２及び発電機１０４が各々、補機歯車ボックス１３０に結合される。第２の駆動シャフト１５２が、第１の駆動シャフト１５０内に挿入される。次に、第１の駆動シャフト１５０が、始動機１０２とコアガスタービンエンジン１３との間に結合され、また第２の駆動シャフト１５２が、発電機１０４と低圧タービン２０との間に結合される。
【００１９】
作動時に、始動機１０２は、コアガスタービンエンジン１３を始動するために起動される。具体的には、始動機１０２を起動させることにより、当技術分野では公知のようにシャフト１５０を回転させ、従ってコアガスタービンエンジン１３を回転させかつ始動させる。この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１３を始動させることにより、低圧タービン２０を回転させ、従って発電機１０４が電気エネルギーを発生するようにする。さらに、飛行又は他の運転時に、発電機１０４は、ガスタービンエンジンを再始動するために利用することができる。具体的には、発電機１０４は、発電機／電動機１２０を含むので、発電機１０４に電力を供給することにより、発電機１０４を始動機として機能させる。具体的には、発電機１０４は、シャフト１５２を介して低圧タービン２０に結合されているので、発電機１０４を電動機として作動させることにより、シャフト１５２が低圧タービン２０を回転させるようになり、従ってガスタービンエンジン組立体１０を再始動する。その上、選択運転条件時には、コアガスタービンエンジン１３を利用して始動機１０２を駆動し、従って始動機１０２を発電機として機能させて、航空機がピーク電力負荷状態に利用することができる付加的電気エネルギーを発生するのを可能にすることができる。具体的には、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、始動機１０２とシャフト３２との間に結合されたクラッチ２３０を含み、選択運転条件時に、クラッチ２３０を解放してシャフト３２が始動機１０２を駆動して電気エネルギーを生成するようにすることができるようにする。例えば、この例示的な実施形態では、クラッチ２３０は、該クラッチ２３０がエンジン始動時に係合するようなオーバランニングクラッチである。任意選択的に、クラッチ２３０がオーバランニングしないようにまた始動機１０２が電気エネルギーを生成する発電機として機能するように望む場合には、クラッチ２３０に対して制御信号が送信される。
【００２０】
本明細書に記載しているのは、エンジンを低い推力状態で作動させながら該エンジンから比較的大量の動力を取出すように構成されたガスタービンエンジンである。本明細書に記載した始動機及び発電機システムは、コアガスタービンエンジン及び低圧タービンの両方から同時に動力を取出して負荷要求量を分担するように構成される。例えば、地上始動時には、始動機が、高圧圧縮機と係合し、従って高圧圧縮機を回転させて、燃焼器に点火する前にコアガスタービンエンジン内に空気流が形成されるようにする。任意選択的に、風力タービン始動時には、低圧タービンに結合された発電機は、その発電機／始動機−電動機を使用して回転速度を高めるように高圧圧縮機を電動機駆動するのに使用する電力を生成して燃焼器の着火を達成することができる。
【００２１】
その結果、低圧タービン及びファン組立体から付加的エネルギーが取出されて絶えず増大する電気需要を支援する。具体的には、より新型の航空機は、エンジン補機歯車ボックス上の発電機によって送られる異常に大量の電力を必要とするように設計される。従って、アイドル状態時における電力要件により、適切な圧縮機失速マージンを維持するために望ましいのものよりも高いアイドル回転速度でエンジンを運転することが必要となる。これにより、飛行アイドル降下ポイント及び地上アイドル状態の両方にとって望ましいものよりも高いエンジンの推力レベルが生じ、このことは、航空機ブレーキに対する保守費用発生及び一般的な短距離ミッションにおける過剰な燃料燃焼の損失の両方をもたらす。
【００２２】
一方、本明細書に記載した本システムは、負荷要件を分担するように両シャフトから同時に動力を取出す。その結果、本明細書に記載した本システムは、設置するのが比較的簡単であり、かつこの問題に対する軽い重量の解決策をもたらす。さらに、本明細書に記載した本システムは、高出力取出し状態時において依然として適切な圧縮機失速マージンを維持しながら、地上アイドル状態時における推力を低下させて航空機ブレーキ保守を少なくしかつ塵埃の吸込みを減少させるのを可能にし、また飛行アイドル推力を低下させて飛行プロフィールを改善しかつ短距離燃料燃焼量を改善するのを可能にする。
【００２３】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】例示的な始動機／発電機システムを備えたガスタービンエンジン組立体の簡略概略図。
【図２】図１に示すガスタービンエンジン組立体及び始動機／発電機システムの簡略概略図。
【図３】図１及び図２に示す始動機／発電機システムの半径方向外側部分の断面図。
【図４】図１及び図２に示す始動機／発電機システムの半径方向内側部分の断面図。
【図５】図３及び図４に示す始動機／発電機システムの一部分の端面図。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンエンジン組立体
１１  長手方向軸線
１２  ファン組立体
１３  コアガスタービンエンジン
１４  高圧圧縮機
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２２  ブースタ
２８  吸気側
３０  排気側
３１  第１のロータシャフト
３２  第２のロータシャフト
１００  始動機／発電機システム
１０２  始動機
１０４  発電機
１１０  電動機／発電機
１１２  電動機シャフト又は駆動シャフト
１１４  駆動ピニオン
１２０  発電機／電動機
１２２  発電機シャフト又は駆動シャフト
１２４  駆動ピニオン
１３０  補機歯車ボックス
１５０  始動機との間に結合された第１の駆動シャフト
１５２  発電機と低圧タービンとの間の第２の駆動シャフト
１５４  内径
１５６  外径
１６０  第１の端部
１６２  ピニオン
１６４  第１の端部
１６６  ピニオン
１７０  第２の端部
１７２  ピニオン
１７４  リング歯車
１８０  第２の端部
１８２  ピニオン
１８４  リング歯車
１９０  第１の差動軸受
１９２  第２の差動軸受
２００  回転外側レース
２０２  回転内側レース
２０４  転動体
２１０  第３の軸受
２１２  回転内側レース
２１４  固定外側レース
２１６  転動体
２２０  第４の軸受
２２２  回転内側レース
２２４  固定外側レース
２２６  転動体
２３０  クラッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008082335.tif 000005
【図４】
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【図５】
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