(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機のための、推進ユニット（１０）であって、
ターボ機械（１２）と、
前記ターボ機械（１２）に選択的に結合されうるプロペラ（１４）と、
少なくとも前記ターボ機械（１２）を駆動しうる回転電気機械（１６）と、
前記回転電気機械（１６）を前記プロペラ（１４）および／または前記ターボ機械（１２）に選択的に結合する選択的結合手段（２０）であって、前記推進ユニット（１０）の定義された運転段階の間、前記プロペラ（１４）を前記回転電気機械（１６）だけに結合しうる選択的結合手段（２０）とを備え、
前記ターボ機械（１２）がフリータービン・ターボプロップからなり、前記フリータービン・ターボプロップがガス発生器およびフリータービンを備え、前記フリータービンが前記ガス発生器によって生成されたガス流によって回転駆動される、推進ユニット（１０）であって、
前記選択的結合手段（２０）が、
前記推進ユニットのある特定の操作フェーズの間に、前記プロペラを前記回転電気機械にのみ結合させる第一クラッチシステム（３０）と、
前記推進ユニットの別の特定の操作フェーズの間に、前記ターボ機械を前記回転電気機械にのみ結合させる第二クラッチシステム（４０）を有する、推進ユニット。
【請求項２】
前記選択的結合手段（２０）が、前記回転電気機械（１６）に恒久的に結合された結合デバイス（２２）と、前記推進ユニット（１０）の運転段階に応じて前記結合デバイス（２２）を前記プロペラ（１４）に選択的に結合するための前記第一クラッチシステム（３０）とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の推進ユニット（１０）。
【請求項３】
前記選択的結合手段（２０）が、前記結合デバイス（２２）を前記ガス発生器に選択的に結合するための前記第二クラッチシステム（４０）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の推進ユニット（１０）。
【請求項４】
前記結合デバイス（２２）が、ドグクラッチ（２８）を介して前記フリータービンに結合されうるシャフト（２６）を支持することを特徴とする、請求項２または３に記載の推進ユニット（１０）。
【請求項５】
前記回転電気機械（１６）がオルタネータ−スタータを備え、前記オルタネータ−スタータが前記プロペラ（１４）および／または前記ターボ機械（１２）を駆動するための駆動エネルギーを生成でき、および、前記ターボ機械（１２）が発生させた駆動エネルギーから電気を生成できることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の推進ユニット（１０）。
【請求項６】
前記回転電気機械（１６）が電気エネルギー蓄積装置に接続され、前記回転電気機械（１６）が、前記電気エネルギー蓄積装置から電気を取り出す、あるいは前記電気エネルギー蓄積装置へ電気を供給することが可能であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の推進ユニット（１０）。
【請求項７】
航空機に取り付けられる、請求項３から６のいずれか一項に記載のうち請求項２を必ず引用する推進ユニット（１０）の前記選択的結合手段（２０）を制御する方法であって、
滑走路上における前記航空機の地上滑走段階中に前記結合デバイス（２２）が前記プロペラ（１４）のみに結合されるように、および、前記ターボ機械（１２）の少なくとも定常状態における運転段階中に前記結合デバイス（２２）が前記プロペラ（１４）および前記ターボ機械（１２）に結合されるように、前記結合手段を制御することからなることを特徴とする方法。
【請求項８】
前記地上滑走段階に続く前記ターボ機械（１２）の起動段階の間、
前記結合デバイス（２２）が前記プロペラ（１４）および前記ガス発生器に同時に結合され、前記結合デバイス（２２）が前記フリータービンから分離される、第１フェーズと、
前記結合デバイス（２２）が前記ガス発生器だけに結合され、前記結合デバイス（２２）が前記プロペラ（１４）および前記フリータービンから分離される、第２フェーズと、
前記結合デバイス（２２）が前記プロペラ（１４）および前記フリータービンと同時に結合される、第３フェーズとを含むことを特徴とする、請求項７に記載の制御方法。
【請求項９】
航空機に取り付けられる、請求項３〜６のいずれか一項に記載のうち請求項２を必ず引用する推進ユニット（１０）の前記選択的結合手段（２０）を制御する方法であって、前記ターボ機械（１２）の起動段階中に、
前記結合デバイス（２２）が前記ガス発生器のみに結合され、前記結合デバイス（２２）が前記プロペラ（１４）および前記フリータービンから分離されるフェーズと、
前記結合デバイス（２２）が前記プロペラ（１４）および前記フリータービンに同時に結合され、前記結合デバイスが前記ガス発生器から分離されるフェーズとを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボプロップなどの推進ユニットに関し、特に、その推進ユニットが取り付けられた航空機の地上滑走段階中に、燃料消費を制限するように作られた推進ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機が離陸前後に空港で移動または待機している段階が、地上滑走段階と呼ばれる。
【０００３】
この段階は通常、空港の大きさに応じて１０〜２０分かかる。
【０００４】
従来のターボプロップは主として、駆動出力を生成するターボ機械と、そのターボ機械によって駆動される、航空機を移動させるための駆動力をもたらす外部のプロペラとを備える。
【０００５】
地上滑走段階の間、上記ターボ機械は、例えば離陸のために待機している間などにおける航空機の移動時でも待機段階時でも、常時運転している。
【０００６】
したがって、この地上滑走段階中に大量の燃料が消費されるが、ターボ機械でのエネルギーの需要は限られている。
【０００７】
例えば、約７０席を有する航空機の場合、１０分以上継続する地上滑走段階に対する燃料消費量は５０キログラムを超えうる。ターボ機械は、この地上での運転中に燃料を消費し、排気ガスを発生させる。このときの航空機は非常に低速のため、排気ガスの噴煙は周囲の空気によってほとんど希釈されない。このときに生じた排気ガスは、空港のプラットフォーム全体に分散して、空港職員や乗客に害を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ターボ機械の機構は、地上滑走／停止段階中に必要な出力ではなく、その運転パラメータによって規定される。その結果、スロットルおよびブレーキが集中的に使用される。このタイプの制御は、パイロットにとって不愉快であり、乗客にとって不快である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、特に航空機のための推進ユニットを開示し、この推進ユニットは、ターボ機械と、上記ターボ機械に選択的に結合されうるプロペラと、少なくとも上記ターボ機械を駆動しうる回転電気機械と、上記回転電気機械を上記プロペラおよび／または上記ターボ機械に選択的に結合する手段において、上記推進ユニットの定義された運転段階の間、上記プロペラを上記回転電気機械だけに結合しうる手段とを備え、上記ターボ機械がフリータービン・ターボプロップからなり、上記フリータービン・ターボプロップがガス発生器およびフリータービンを備え、上記フリータービンが上記ガス発生器によって生成されたガス流によって回転的に駆動される、推進ユニットであって、上記選択的結合手段が、上記回転電気機械と上記ガス発生器および／または上記フリータービンとを結合または分離できることを特徴とする。
【００１０】
回転電気機械をプロペラに直接結合することによって初めて、電気エネルギーだけを使用した、必要がある場合のみの航空機の移動が可能になる。したがって、航空機の停止時に消費が無く、また、ターボ機械を停止できるので排気ガスが発生しない。
【００１１】
好ましくは、上記選択的結合手段が、上記回転電気機械に恒久的に結合された結合デバイスと、上記推進ユニットの運転段階に応じて上記結合デバイスを上記プロペラに選択的に結合するためのクラッチシステムとを備える。
【００１２】
好ましくは、上記結合手段が、上記結合デバイスを上記ガス発生器に選択的に結合するための第２のクラッチシステムを備える。
【００１３】
好ましくは、上記結合デバイスが、ドグクラッチを介して上記フリータービンに結合されうるシャフトを支持する。
【００１４】
好ましくは、上記回転電気機械がオルタネータ−スタータであり、上記オルタネータ−スタータは、上記プロペラおよび／または上記ターボ機械を駆動するための駆動エネルギーを生成でき、および、上記ターボ機械が発生させた駆動エネルギーから電気を生成できる。
【００１５】
好ましくは、上記回転電気機械が電気エネルギー蓄積装置に接続され、上記回転電気機械は、上記電気エネルギー蓄積装置から電気を取り出す、あるいは上記電気エネルギー蓄積装置へ電気を供給することが可能である。
【００１６】
本発明はまた、航空機に取り付けられる本発明による推進ユニットの結合手段を制御する方法を開示し、この方法は、滑走路上における上記航空機の地上滑走段階中に上記結合デバイスが上記プロペラのみに結合されるように、および、少なくとも上記ターボ機械が定常状態で運転中に、上記結合デバイスが上記プロペラおよび上記ターボ機械に結合されるように、上記結合手段を制御することからなることを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、上記地上滑走段階に続く上記ターボ機械の起動段階の間、上記方法が、
上記結合デバイスが上記プロペラおよび上記ガス発生器に同時に結合され、上記結合デバイスが上記フリータービンから分離される、第１フェーズと、
上記結合デバイスが上記ガス発生器だけに結合され、上記結合デバイスが上記プロペラおよび上記フリータービンから分離される、第２フェーズと、
上記結合デバイスが上記プロペラおよび上記フリータービンと同時に結合され、上記結合デバイスが上記ガス発生器から分離される、第３フェーズとを含む。
【００１８】
好ましくは、上記ターボ機械の起動段階中に、上記方法が、
上記結合デバイスが上記ガス発生器に結合され、上記結合デバイスが上記プロペラおよび上記フリータービンから分離されるフェーズと、
上記結合デバイスが上記プロペラおよび上記フリータービンに同時に結合され、上記結合デバイスが上記ガス発生器から分離されるフェーズとを含む。
【００１９】
本発明の他の特徴および利点は、以下に示す詳細な説明を読めば明らかになるであろう。この詳細な説明は、添付の図を参照すると容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による推進ユニットの一運転段階を示す模式図である。
【図２】本発明による推進ユニットの一運転段階を示す模式図である。
【図３】本発明による推進ユニットの一運転段階を示す模式図である。
【図４】本発明による推進ユニットの一運転段階を示す模式図である。
【図５】本発明による推進ユニットの一運転段階を示す模式図である。
【図６】本発明による推進ユニットの一運転段階を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
各図に、例えば航空機などのための推進ユニット１０が示されている。この推進ユニット１０は、その駆動エネルギーを生成するターボ機械１２と、そのターボ機械によって駆動させられる、航空機推進用のプロペラ１４と、バッテリなどの電気エネルギー蓄積装置に接続された回転電気機械とを備える。
【００２２】
回転電気機械１６は、オルタネータ−スタータ型の可逆電気機械である。この回転電気機械１６は、スタータモードで運転している場合、バッテリに蓄積された電気から駆動出力を生成することが可能であり、その駆動出力がターボ機械１２に伝達されうる。
【００２３】
回転電気機械１６はまた、オルタネータモードの場合、航空機全体およびバッテリに再分配される電気を生成するために、ターボ機械１２によって生成された駆動エネルギーの少なくとも一部分を受けることが可能である。
【００２４】
ターボ機械１２は好ましくはフリータービン・ターボプロップであり、このフリータービン・ターボプロップは、１つまたは複数の段を有する、１つまたは複数の圧縮器および１つまたは複数のタービンからなるガス発生器と、プロペラ１４の駆動シャフト１８を駆動するフリータービンとを備える。
【００２５】
減速ギヤ（図示せず）が、プロペラ１４の回転速度を低減するために、タービンのシャフト１８とプロペラ１４の間に配置される。
【００２６】
推進ユニット１０はまた、ターボ機械１２、プロペラ１４および回転電気機械１６を互いに選択的に結合する結合手段２０を備える。
【００２７】
結合手段２０は、主軸Ａ回りに回転自在に取り付けられた結合デバイス２２を備え、結合デバイス２２は、ギアセット２４を介して回転電気機械１６に恒久的に結合されている。
【００２８】
結合デバイス２２はシャフト２６を含み、シャフト２６は、ドグクラッチ２８を介してフリータービンのシャフト１８と結合または分離される。
【００２９】
ドグクラッチ２８は、２つの異なる状態をとりうる。すなわち、結合デバイス２２のシャフト２６とフリータービンのシャフト１８を結合する係合状態と、２つのシャフト２６と１８を結合しない係合解除状態である。ドグクラッチの状態は、以下で説明するように、推進ユニットの運転段階に応じて変更されうる。
【００３０】
結合手段２０は、結合デバイス２２とプロペラ１４の支持シャフト３２を接続する、第１のクラッチシステム３０を備える。第１のクラッチシステム３０は、結合デバイス２２とプロペラ１４の支持シャフト３２とを回転的に結合または分離するための、係合状態、係合解除状態およびスリップ状態のうちの１つの状態をとることが可能である。
【００３１】
第１のクラッチシステム３０は、結合デバイス２２に対して回転不能に固定された第１の平面リング３４と、それに面した、プロペラ１４の支持シャフト３２に対して回転不能に固定された第２の平面リング３６とを備える。第１のクラッチシステム３０の２つの平面リング３４、３６は、第１のクラッチシステムが上記で定義したそのいずれかの状態にあるかに応じて、互いに接触したりしなかったりする。
【００３２】
結合手段２０は、結合デバイス２２をガス発生器シャフト４２に接続する第２のクラッチシステム４０を備える。第２のクラッチシステム４０は、結合デバイス２２とガス発生器シャフト４２とを回転不能に結合または分離するための、係合状態、係合解除状態およびスリップ状態のうちの１つの状態をとることが可能である。
【００３３】
第２のクラッチシステム４０は、結合デバイス２２に対して回転不能に固定された第１の平面リング４４と、ガス発生器シャフト４２に回転不能に固定された第２の平面リング４６を備える。
【００３４】
第２のクラッチシステム４０の２つの平面リング４４、４６は、第２のクラッチシステムが上記で定義したそのいずれかの状態にあるかに応じて、互いに接触したりしなかったりする。
【００３５】
結合手段２０はまた、ターボ機械１２、プロペラ１４および回転電気機械１６を互いに結合または分離させるための、ドグクラッチ２８およびクラッチシステム３０、４０の制御／駆動手段を備える。
【００３６】
上記推進ユニットの設計は、結合手段２０の一構成においては、回転電気機械１６がプロペラ１４だけに結合されるようになっている。この結合手段２０の構成では、回転電気機械１６およびプロペラ１４は、ターボ機械１２のガス発生器にもフリータービンにも結合されない。
【００３７】
この結合手段２０の構成は好ましくは、航空機が地上滑走段階で運転しているときに使用され、その結果ターボ機械１２の出力を使用する必要がなくなり、ターボ機械１２は停止状態に保たれうる。
【００３８】
以上より、燃料を消費することも排気ガスを発生させることもなく、プロペラ１４を駆動することが可能になる。プロペラ１４の回転に使用される電気エネルギーは、それが必要である場合にのみ使用され、したがって電気が過剰に消費されることはない。
【００３９】
以下に、説明した結合手段２０を備える推進ユニット１０の、いくつかの運転段階について説明する。
【００４０】
地上滑走段階
図２に、航空機が地上滑走段階で運転しているときの、推進ユニット１０の構成が示されている。
【００４１】
上記で述べたように、この地上滑走段階の間、結合手段２０は、回転電気機械１６とプロペラ１４のみを結合する。
【００４２】
この結合手段２０の構成では、ドグクラッチ２８は、結合デバイス２２のシャフト２６とフリータービンシャフト１８を結合しない係合解除状態にある。したがって、回転電気機械１６は、ターボ機械１２のフリータービンと結合されない。
【００４３】
第１のクラッチシステム３０は係合位置にあり、つまり２つの平面リング３４、３６が互いに接触している。第２のクラッチシステム４０は係合解除位置にあり、つまり２つの平面リング４４、４６は互いに接触していない。
【００４４】
また、この結合手段２０の構成では、回転電気機械１６はスタータモードで運転する、つまり、回転電気機械１６が駆動エネルギーを発生させ、その駆動エネルギーが、結合デバイス２２および第１のクラッチシステム３０を介してプロペラのみに伝達される。
【００４５】
図３〜図５に、推進ユニット１０およびその結合手段２０の他の状態が示されている。これらの状態は、地上滑走段階後に実施されるターボ機械の起動段階時における結合手段２０の各種運転フェーズを表す。
【００４６】
ターボ機械１２の起動は主として、ガス発生器をターボ機械の運転速度に達するまで回転させることからなる。この運転速度になってから、フリータービンが、プロペラに伝達されうる駆動エネルギーを生成する。
【００４７】
ガス発生器へのプロペラおよび電気機械の結合
地上滑走段階直後に行われる起動段階の第１フェーズで、ガス発生器は、回転電気機械１６およびプロペラ１４に結合される。
【００４８】
前段の地上滑走段階で、プロペラ１４は高速で回転している。ガス発生器とプロペラ１４を結合することによって、このプロペラ１４によって蓄積された運動エネルギーを、ガス発生器の駆動に関与するように使用することが可能になる。
【００４９】
これを実現するために、図３に示されているように、第２のクラッチシステム４０はその係合状態に状態を変更、つまり、２つの平面リング４４、４６が互いに接触する。このとき、ガス発生器は結合デバイス２２に結合される。
【００５０】
ドグクラッチ２８および第１のクラッチシステム３０は、前と同じ状態に保持される。つまり、ドグクラッチ２８は係合解除状態にあり、第１のクラッチシステム３０は係合位置にある。
【００５１】
回転電気機械１６は、駆動エネルギー発生モードで運転し、このエネルギーとプロペラ１４の運動エネルギーが、ターボ機械１２を起動するために、ガス発生器に伝達される。
【００５２】
ガス発生器への電気機械の結合
一定時間後、プロペラ１４の運動エネルギーは、ターボ機械１２を起動するためにガス発生器の駆動に関与するには、十分でなくなる。プロペラ１４はまた、抵抗トルクを発生させうる。この抵抗トルクは、回転電気機械１６によって生成された一定量のエネルギーを無駄に消費することになる。
【００５３】
この構成はまた、ターボ機械１２の起動の初期に使用されうる。上記で説明した地上滑走段階が行われない場合、プロペラ１４は動いていないため、ガス発生器の駆動に関与できない。
【００５４】
このため、図４から分かるように、起動段階のこのフェーズで、プロペラ１４は、回転電気機械およびガス発生器から分離される。
【００５５】
これを実現するために、第１のクラッチシステム３０はその係合解除状態に状態を変更、つまり、２つの平面リング３４、３６が互いに接触しなくなる。
【００５６】
このため、このフェーズでは、回転電気機械はガス発生器のみに結合され、回転電気機械１６が発生させる全てのエネルギーが、ターボ機械の起動に使用される。したがって、プロペラ１４の抵抗トルクよるエネルギーの損失は生じない。
【００５７】
フリータービンと結合デバイスを結合する
最後に、図５に示されている起動段階の第３フェーズで、ターボ機械１２が起動され、フリータービンは駆動エネルギーを発生させることが可能になる。
【００５８】
このフェーズで、回転電気機械１６は、プロペラ１４およびフリータービンに結合され、ガス発生器から分離される。
【００５９】
これを実現するために、第１のクラッチシステム３０はその係合状態に状態を変更、つまり、２つの平面リング３４、３６は互いに接触し、このときプロペラ１４は、結合デバイス２２を介して回転電気機械１６に結合される。
【００６０】
ドグクラッチ２８もまた、回転電気機械１６をフリータービンに結合するために、フリータービンシャフト１８と結合デバイス２２のシャフト２６を結合する係合状態に変化する。
【００６１】
第２のクラッチシステム４０は、係合位置に保たれる。
【００６２】
フリータービンが発生させたエネルギーは、プロペラ１４および回転電気機械１６を駆動し、回転電気機械１６はこのとき電気生成モードで機能する。こうして推進ユニット１０は、航空機の移動を開始し、バッテリを含む航空機全体に再分配される電気も生成しうる。
【００６３】
定常状態下の運転
図６に、ターボ機械１２が運転中の推進ユニット１０の状態が示されている。
【００６４】
この推進ユニット１０の状態は、航空機の離陸フェーズ、飛行フェーズ、および着陸フェーズに対応する。
【００６５】
この推進ユニット１０の状態では、結合手段２０は、回転電気機械１６をフリータービンのフリータービンシャフト１８およびプロペラに結合する。一方、この状態では、結合手段２０は、回転電気機械１６とガス発生器を結合していない。
【００６６】
この事例でも、フリータービンが発生させたエネルギーが、プロペラ１４および回転電気機械１６を駆動し、回転電気機械１６は電気生成モードで機能している。
【００６７】
これを実現するために、図５に示されている状態と同様に、第１のクラッチシステム３０は係合状態、つまり２つの平面リング３４、３６が互いに接触しており、プロペラ１４が回転電気機械１６に結合されている。
【００６８】
ドグクラッチ２８は、回転電気機械１６をフリータービンに結合するために、フリータービンシャフト１８と結合デバイス２２のシャフト２６を結合する係合状態にある。
【００６９】
一方、第２のクラッチシステム４０は係合位置、つまり２つの平面リング４４、４６は互いに接触していない。したがって、回転電気機械１６はガス発生器に結合されない。
【００７０】
推進ユニット１０の上記の説明では、プロペラ１４およびそれに関連するシャフト３２、フリータービンのシャフト１８、結合デバイス２２、ドグクラッチ２８およびガス発生器シャフト４２は全て、主軸Ａと同軸である。本発明はこの実施形態に限定されず、これらの構成部品のうちの１つまたは複数の主軸が、主軸Ａからオフセットしていても、主軸Ａに対して傾斜していてもよいことが理解されよう。その場合推進ユニットは、適切な方向転換手段を備える。
【符号の説明】
【００７１】
１０  推進ユニット
１２  ターボ機械
１４  プロペラ
１６  回転電気機械
１８  フリータービンのシャフト
２０  結合手段
２２  結合デバイス
２４  ギアのセット
２６  結合デバイス２２のシャフト
２８  ドグクラッチ
３０  第１のクラッチシステム
３２  プロペラ１４の支持シャフト
３４  第１のクラッチシステム３０の第１の平面リング
３６  第１のクラッチシステム３０の第２の平面リング
４０  第２のクラッチシステム
４２  ガス発生器シャフト
４４  第２のクラッチシステム４０の第１の平面リング
４６  第２のクラッチシステム４０の第２の平面リング
【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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