(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンエンジンから電力を生成するための装置を提供する。【解決手段】圧力スプール２６、２８を有するガスタービンエンジン１０のための電力生成システムは、一体式単巻変圧器ユニットからの少なくとも２つの３相出力を有する一体式単巻変圧器ユニットを備えたＡＣ発電機と、この少なくとも２つの３段階出力に接続された整流器マトリクスと、当該整流器マトリクスに接続され、ＤＣ出力をバスに供給するように構成されたフィルタとを含むことでＤＣ電力に変換することができる。【選択図】図１
2013085457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力スプールを有するタービンエンジンのための電力生成システムであって、
一体式単巻変圧器ユニットからの少なくとも２つの３相出力を有する前記一体式単巻変圧器ユニットを備えるＡＣ発電機と、
前記少なくとも２つの３相出力に接続された整流器マトリクスと、
前記整流器マトリクスに接続され、ＤＣバスにＤＣ出力を供給するように構成されたフィルタと
を備える電力生成システム。
【請求項２】
前記ＡＣ発電機が、一定の周波数の発電機を備える、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項３】
前記ＡＣ発電機が、可変周波数の発電機を備える、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項４】
前記ＡＣ発電機が、モータと始動機制御装置に結合される３つのメイン巻線を備える、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項５】
前記圧力スプールが、高圧スプールであり、前記ＡＣ発電機が、前記高圧スプールに結合される、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項６】
前記高圧スプールに機械的に結合された入力と、前記ＡＣ発電機に機械的に結合された出力とを有する付属ギアボックスをさらに備える、請求項５記載の電力生成システム。
【請求項７】
前記圧力スプールが、低圧スプールであり、前記ＡＣ発電機が前記低圧スプールに結合される、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項８】
前記低圧スプールに機械的に結合された入力と、前記ＡＣ発電機に機械的に結合された出力とを有する一定速度の機械的駆動装置をさらに備える、請求項７記載の電力生成システム。
【請求項９】
前記整流器マトリクスが、複数のダイオードを備えており、この複数のダイオードの数が、前記一体式単巻変圧器ユニットの所望されるパルス数に匹敵する、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項１０】
前記整流器マトリクスが、３つの整流器ブリッジを備えており、それぞれの整流器ブリッジが、前記ＡＣ発電機からの各相出力の１つに結合される、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項１１】
前記ＡＣ発電機が、前記一体式単巻変圧器ユニットからの３つの３相出力を備える、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項１２】
前記ＡＣ発電機に結合され、ＡＣバスにＡＣ出力を供給するように構成された追加の巻線をさらに備える、請求項１記載の電力生成システム。
【請求項１３】
高圧（ＨＰ）スプールと、低圧（ＬＰ）スプールとを有するタービンエンジンのための電気構造であり、
前記ＨＰスプールに結合され、第１の一体式単巻変圧器ユニットからの少なくとも２つの３相出力を有する前記第１の一体式単巻変圧器ユニットを備える第１のＡＣ発電機と、
前記ＬＰスプールに結合され、第２の一体式単巻変圧器からの少なくとも２つの３相出力を有する前記第２の一体式単巻変圧器ユニットを備える第２のＡＣ発電機と、
前記第１のＡＣ発電機の前記少なくとも２つの３相出力、および第１のＤＣバスに接続された第１のＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記第１のＡＣ発電機の前記少なくとも２つの３相出力、および第２のＤＣバスに接続された第２のＡＣ／ＤＣ変換器と
を備え、
前記第１および第２のＤＣバスが、選択的に接続される電気構造。
【請求項１４】
前記第２のＡＣ発電機が、一定の周波数の発電機を備える、請求項１３記載の電気構造。
【請求項１５】
前記第１のＡＣ発電機が、可変周波数の発電機を備える、請求項１３記載の電気構造。
【請求項１６】
モータ始動機制御装置をさらに備えており、前記第１のＡＣ発電機が、前記モータ始動機制御装置に結合された３つのメイン巻線を備える、請求項１３記載の電気構造。
【請求項１７】
前記ＬＰスプールに機械的に結合された入力と、前記第２のＡＣ発電機に機械的に結合された出力とを有する一定速度の機械的駆動装置をさらに備える、請求項１３記載の電気構造。
【請求項１８】
前記ＨＰスプールに機械的に結合された入力と、前記第１のＡＣ発電機に機械的に結合された出力とを有する付属ギアボックスをさらに備える、請求項１３記載の電気構造。
【請求項１９】
前記第１のＡＣ／ＤＣ変換器が、第１の整流機マトリクスを備え、前記第２のＡＣ／ＤＣ変換器が、第２の整流器マトリクスを備える、請求項１３記載の電気構造。
【請求項２０】
前記第１のＡＣ／ＤＣ変換器が、前記第１の整流器マトリクスに接続され、第１のバスにＤＣ出力を供給するように構成された第１のフィルタをさらに備え、前記第２のＡＣ／ＤＣ変換器が、前記第２の整流器マトリクスに接続され、第２のバスにＤＣ出力を供給するように構成された第２のフィルタをさらに備える、請求項１７記載の電気構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
タービンエンジン、とりわけガスタービンエンジンは、燃焼タービンエンジンとしても知られており、エンジンを介して複数のタービンブレードへとから流れる燃焼ガスの流れからエネルギーを抽出する回転エンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上および海での移動および電力生成に利用されてきたが、もっとも一般的にはヘリコプターを含めた飛行機などの航空用途で利用されている。飛行機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進力に利用される。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、２つ以上のスプールを有しており、すなわち全体の推進系推力の有意な部分を提供する低圧（ＬＰ）スプールと、１つまたは複数の圧縮機を駆動し、排出される生成物を船尾方向に誘導することによって、追加の推力を生成する高圧（ＨＰ）スプールが含まれる。３段スプールガスタービンエンジンは、第３の中間圧力（ＩＰ）スプールを含んでいる。
【０００３】
またガスタービンエンジンは通常、発電機、始動機／発電機、永久磁石交流発電機（ＰＭ）、燃料ポンプおよび液圧式ポンプ、例えば推進力以外の航空機に必要な機能のための装備などいくつかの多様な付属機器に動力を供給する。例えば最近の航空機は、アビオニクス機器、モータおよび他の電気設備用に電力を必要とする。ガスタービンエンジンに結合した発電機は、エンジンの機械的動力を必要とされる電気エネルギーに変換して、付属機器に電力を供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７８１３１４７号明細書
【発明の概要】
【０００５】
異なる電圧階級で作動するシステムを相互に接続し、発電機の高調波成分および整流器の出力におけるリップルを減少させる目的で、単巻変圧器（ＡＴＵ）が電力用途で使用されることが多い。航空機では、単巻変圧器は典型的には、発電機と整流器の間の電圧を上昇させたり下降させたりするのに使用される。ＡＴＵは、発電機から離れており、エンジンの重量および体積に加えられる。さらにＡＴＵは、強制的な液体冷却システムを必要とすることが多く、このようなシステムはエンジンに対してさらに重量および体積を追加する。
【０００６】
一実施形態において、圧力スプールを有するガスタービンエンジンのための電力生成システムは、一体式単巻変圧器ユニットからの少なくとも２つの３相出力を有する一体式単巻変圧器ユニットを備えたＡＣ発電機と、この少なくとも２つの３段階出力に接続された整流器マトリクスと、当該整流器マトリクスに接続され、ＤＣ出力をバスに供給するように構成されたフィルタとを含む。
【０００７】
別の実施形態において、高圧（ＨＰ）スプールと低圧（ＬＰ）スプールを有するガスタービンエンジンの電気構造は、ＬＰスプールに結合され、第１の一体式単巻変圧器ユニットから少なくとも２つの３相出力を有する第１の一体式単巻変圧器ユニットを備える第１のＡＣ発電機と、ＨＰスプールに結合され、第２の一体式単巻変圧器ユニットから少なくとも２つの３相出力を有する第２の一体式単巻変圧器ユニットを備える第２のＡＣ発電機と、第１のＡＣ発電機の少なくとも２つの３相出力、および第１のＤＣバスに接続された第１のＡＣ／ＤＣ変換器と、
第２のＡＣ発電機の少なくとも２つの３相出力、および第２のＤＣバスに接続された第２のＡＣ／ＤＣ変換器を含んでおり、この場合、第１および第２のＤＣバスは、選択的に接続される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】航空機のためのガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】図１のガスタービンエンジンの電力システム構造の概略的なブロック図であり、このシステム構造は、本発明の第１の実施形態による一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機を有する図である。
【図３】図２の電力システム構造の一体式単巻変圧器ユニット備えた発電機と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。
【図４】図３からの一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機のステータ巻線の電気回路図である。
【図５】図４からのステータ巻線の巻線ベクトルの図である。
【図６】図１のガスタービンエンジンのための電力システム構造の概略ブロック図であり、このシステム構造が、本発明の第２の実施形態による一体式単巻変圧器ユニットを有する図である。
【図７】図６の電力システム構造の一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。
【図８】図３からの一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機のステータ巻線の電気回路図である。
【図９】図８からのステータ巻線の巻線ベクトルの図である。
【図１０】図１のガスタービンエンジンのための電力システム構造の概略ブロック図であり、このシステム構造が、本発明の第３の実施形態による一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機を有する図である。
【図１１】図１０の電力システム構造の一体式単巻変圧器ユニットを備えた発電機と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の記載される実施形態は、航空機エンジンからの電力の抽出を対象としており、より詳細にはタービンエンジン、好ましくはガスタービンエンジンから電力を生成することができる電力システム構造を対象としている。しかしながら本発明は、そのように限定されるのではなく、航空機用途以外の、例えば他の移動用途、ならびに移動しない産業向け、商業向けおよび住宅向け用途における電力システム構造に対する一般的な用途を有することを理解されたい。
【００１０】
図１は、航空機のためのガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、下流に連続して流れる関係において、ファン１４を含むファン部分１２と、ブースタまたは低圧（ＬＰ）圧縮機１６と、高圧（ＨＰ）圧縮機１８と、内燃部分２０と、ＨＰタービン２２と、ＬＰタービン２４とを含んでいる。ＨＰシャフトまたはスプール２６が、ＨＰタービン２２をＨＰ圧縮機１８に駆動式に接続し、ＬＰシャフトまたはスプール２８が、ＬＰタービン２４をＬＰ圧縮機１６およびファン１４に駆動式に接続する。ＨＰタービン２２は、ロータ３０の周辺部に設置されたタービンブレード３２を有するＨＰタービンロータ３０を含む。ブレード３２は、ブレードプラットフォーム３４から半径方向外側のブレード先端３６まで半径方向外向きに延在している。
【００１１】
図２は、本発明の第１の実施形態による電力システム構造４０の概略ブロック図である。システム構造４０は、複数のエンジンシステムを含んでおり、少なくとも左側のエンジンシステム４２と右側のエンジンシステム４４とを含むように本明細書では示されている。左側と右側のエンジンシステム４２、４４は、ほぼ同一であるため、簡潔にするために、左側のエンジンシステム４２のみを詳細に記載する。左側のエンジンシステム４２は、図１に示されるガスタービンエンジン１０のＨＰスプール２６とＬＰスプール２８を含むことができるが、システム構造４０には、他のエンジンに対する用途もある。本明細書に示される左側のエンジンシステム４２は、２つのスプール、すなわちＨＰスプール２６とＬＰスプール２８によって供給される機械的動力を利用する。しかしながらシステム構造４０は、３つ以上のスプール、例えばＨＰスプールおよびＬＰスプールに加えて中間圧力スプールを有する３つのスプールのエンジンに実装することもできる。システム構造４０はさらに、航空機の補助動力装置（ＡＰＵ）４６と、外部電源（ＥＰＳ）４８を含むことができる。本明細書に示されるように、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８はそれぞれ、ＤＣ出力５０、５２をそれぞれ有する。
【００１２】
例示の実施形態において、左側のエンジンシステム４２は、第１の単巻変圧器ユニット（ＡＴＵ）と一体式発電機５６と、第２のＡＴＵと一体式発電機５８を含んでおり、第１の単巻変圧器ユニット（ＡＴＵ）一体式発電機５６は、本明細書ではＡＴＵと一体式始動機−発電機５６として示され、ＨＰスプール２６によって供給される機械的動力から可変周波数（ＶＦ）ＡＣ電力を生成するように構成されており、第２のＡＴＵ一体式発電機５８は、ＬＰスプール２８によって供給される機械的動力から一定周波数（ＣＦ）ＡＣ電力を生成するように構成されている。
【００１３】
ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、電力生成部分６０とＡＴＵ部分６２を含む。以下により詳細に説明するようにＡＴＵ部分６２は、電力生成部分６０の電気巻線の動力変換に必要な電気巻線の一部を組み込むことによって、電力生成部分６０と一体式になっている。これにより本質的に、電力生成部分６０とＡＴＵ部分６２において巻線が重複することがなくなり、これは恐らく航空機の重量およびコスト削減につながる。
【００１４】
ＨＰスプール２６は、ＨＰ駆動組立体によってＡＴＵ一体式始動機−発電機５６に作動式に結合させることができ、この組立体は、ＨＰスプール２６に機械的に結合された入力と、電力生成部分６０に機械的に結合された出力を有する、ＨＰ駆動組立体の一実施形態は、付属のギアボックス６４であり、この場合ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、付属のギアボックス６４に設置され、そこに結合させることができる。付属のギアボックス６４の中で、動力を他のエンジン付属品に伝えることもできる。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６の電力生成部分６０は、ＨＰスプール２６によって供給された機械的動力を電力に変換し、３相出力を有する電源６６を形成する。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２は、電源６６の３相出力を９相の電力出力６８に変換する機能と、電源の電圧を上昇させる両方の機能がある。
【００１５】
ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６はまた、航空機に起動する機能を与える。あるいは左側のエンジンシステム４２のＨＰ側のＡＴＵ一体式発電機５６が、航空機に起動する機能を与えない発電機を備える場合もある。この場合、付属ギアボックス６４に接続された別個の始動モータを設けることで、航空機に起動する機能を与えることができる。さらに左側のエンジンシステム４２は、冗長度の方策を提供するために、ＨＰスプール２６から機械的動力を引き出す複数の発電機を含むことができる。
【００１６】
ＡＴＵ一体式発電機５８は、電力生成部分７０と、ＡＴＵ部分７２を含む。ＬＰスプール２８は、ＬＰ駆動組立体によって、ＡＴＵ一体式発電機５８に作動式に結合させることができ、この組立体は、ＬＰスプール２８に機械的に結合された入力と、電力生成部分７０に機械的に結合された出力を有する。ＬＰ駆動組立体の一実施形態は、一定の速度の駆動装置（ＣＳＤ）７４であり、この装置によって、ＬＰスプール２８からの可変速度の入力を一定の速度に変換する。本明細書に示されるように、ＣＳＤ７４は、ＡＴＵ一体式発電機５８に機械的に結合することができ、一定の速度で電力生成部分７０を駆動する。ＡＴＵ一体式発電機５８の電力生成部分７０は、ＬＰスプール２８によって供給された機械的動力を電力に変換し、３相出力を有する電源７６を形成する。ＡＴＵ一体式発電機５８のＡＴＵ部分７２は、電源７６の３相出力を９相の電力出力７８に変換する機能と、電源の電圧を上昇させる両方の機能がある。ＣＳＤがあることにより、電源６６、７６は、一定の周波数を有する。あるいはＣＳＤ７４をなくすことで、ＶＦ電力出力を生成することもできる。
【００１７】
本明細書に示される実施形態は、左側のエンジンシステム４２のＬＰ側にある１つのＡＴＵ一体式発電機５８を使用するものとして記載されているが、本発明の別の実施形態は、複数のＡＴＵ一体式発電機５８を利用して、ＬＰスプール２８から機械的動力を引き出しＡＣ電力を生成することで、冗長度の方策を提供する場合もある。さらに別個のＡＴＵ一体式発電機５８とＣＳＤ７４が本明細書で考察されているが、ＣＳＤ７４とＡＴＵ一体式発電機５８を共通のユニットに組み合わせた一体式駆動発電機を代替として利用することもできる。
【００１８】
ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６からの電力出力６８が、第１のＡＣ／ＤＣ変換器に供給されて、ＡＣ電力出力６８をＤＣ電力出力８０に変換する。例示のように、第１のＡＣ／ＤＣ変換器は、第１の整流器デバイス８２と、第１のフィルタ８４とを含むことにより、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、第１の電気バス８６に供給される前に電流を均等にすることができる。同様にＡＴＵ一体式発電機５８からの電力出力７８は、第２のＡＣ／ＤＣ変換器に供給されて、ＡＣ電力出力７８をＤＣ電力出力８８に変換する。例示のように、第２のＡＣ／ＤＣ変換器は、第２の整流器デバイス９０と、第２のフィルタ９２とを含むことにより、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、第２の電気バス９４に供給される前に電流を均等にすることができる。
【００１９】
モータ−始動機制御装置９６が、第１の電気バス８６からＡＴＵ一体式始動機−発電機５６に選択的に動力を供給することで、航空機の起動手順を開始する。モータ−始動機制御装置９６をＡＴＵ一体式始動機−生発電機５６と一体式にすることで、図２に示されるように、モータ−始動機制御装置９６をＡＴＵ一体式始動機−発電機５６の特定の場所に接続することによってエンジンを起動することができる。３相のモータ−始動機制御装置９６が、３相の電源６６に接続されることで、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６を３相の始動機として駆動させてエンジンを始動する。
【００２０】
第１および第２の電気バス８６、９４は、ＤＣ電源を必要とする１つまたは負荷（図示せず）にＤＣ電力を供給するように構成されている。第１および第２の電気バス８６、９４が選択的に接続されることで、ＨＰスプール２６とＬＰスプール２８によって負荷を共有することができる。
【００２１】
作動中、ガスタービンエンジン１０が始動すると、ＨＰＴ２２がＨＰスプール２６を回転させ、ＬＰＴ２４がＬＰスプールを回転させる。回転するＨＰスプール２６によって付属のギアボックス６４が駆動され、ＨＰスプール２６からＡＴＵ一体式始動機−発電機５６に機械的動力を伝える。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、ＨＰスプール２６によって供給された機械的動力を電力に変換し、ＤＣ電力出力８０を生成する。回転するＬＰスプール２８によってＣＳＤ７４が駆動され、ＬＰスプール２８からの機械的動力をＡＴＵ一体式発電機５８に伝える。ＡＴＵ一体式発電機５８は、ＬＰスプール２８によって供給された機械的動力を電力に変換し、ＤＣ電力出力８８を生成する。電力出力８０、８８はそれぞれ、ＤＣ電源を必要とする１つまたは複数の負荷（図示せず）にＤＣ電力を供給するように構成された電気バス８６、９４に供給される。電力を消費する負荷のタイプによって、システム構造４０によって抽出されるＤＣ電力は、負荷に使用される前に別の処理を受ける場合もある。ＡＰＵ４４およびＥＰＳ４８のＤＣ電力出力５０、５２もまた、電気バス８６、９４に供給することができる。
【００２２】
左側のエンジンシステム４２および右側エンジンシステム４４、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８は、必要に応じて航空機の様々な負荷にＤＣ電力を供給することができる。左側のエンジンシステム４２、右側エンジンシステム４４、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８の多様なＤＣ出力は、適切なスイッチによって統合され、無瞬断切換（ＮＢＰＴ）を航空機に提供する。
【００２３】
図３は、図２の電力システム構造４０で使用するＡＴＵ一体式始動機−発電機５６と、第１のＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。第１および第２のＡＴＵ一体式発電機５６、５８と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器は、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８の両方に関してほぼ同一であるため、簡潔にするために左側のエンジンシステム４２のＨＰ側のみを簡潔のため図３で詳細に記載する。
【００２４】
ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、３つのメインまたは一次巻線９８ａから９８ｃと、９つの二次巻線１００ａから１００ｉを備えたステータを有することができる。メイン巻線９８ａから９８ｃはそれぞれ、共通の中点１０２に接続された中立末端と、３相出力電源６６の１相出力１０６ａから１０６ｃに接続されたタップ１０４ａから１０４ｃを有する。各相出力１０６ａから１０６ｃは、導線またはリードワイヤを介して３相のモータ−始動機制御装置９６（図２）に供給される。二次巻線１００ａから１００ｉは、関連する３つの組で、メイン巻線９８ａから９８ｃにあるタップ１０４ａから１０４ｃの１つに接続され、９相電力出力６８を生成するように構成されている。例示の実施形態において、一次巻線９８ａから９８ｃは、Ｙ字状回路構成で配置されており、一体式ＡＴＵの全体の構成は星型結線構成である。あるいは一次巻線９８ａから９８ｃは、デルタ結線構成であり、一体式ＡＴＵの全体の構成はデルタまたは拡張デルタ結線構成の場合もある。
【００２５】
９相電力出力６８は、導線１０８ａから１０８ｉによって整流器デバイス８２に送られる。導線１０８ａから１０８ｉはリードワイヤであってよい。整流器デバイス８２は、発電機５６と一体式にされ、あるいはパッケージにされる、あるいは発電機５６から切り離して設けることもできる。整流器デバイス８２は、複数のダイオードを含む３つの整流器ブリッジを含むことができる。ダイオードの数は、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６の所望のパルス数に匹敵する。本明細書に示されるように、１８個のダイオードがあるため、パルス数は１８である。他の数のダイオード、例えば１２、１８、２４または他の６の倍数などを使用することもできる。１つの好適なタイプのダイオードは、その高温性能により、炭化珪素（ＳｉＣ）から作製される。ダイオード以外の整流器デバイスが使用される場合もある。
【００２６】
例示のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６はパルス数が１８であるように示されているが、上記に述べたように始動機−発電機５６は、他のパルス数になるように構成される場合もある。例えば３つの二次巻線の代わりに２つの二次巻線１００を設けることにより、パルス数が１２の発電機を設けることができる。別の例では、３つの二次巻線を設ける代わりに４つの二次巻線１００を設けることにより、パルス数が２４の発電機を設けることができる。
【００２７】
例示のように、導線１０８ａ、１０８ｅおよび１０８ｉは、６つのダイオード１１２を有する第１の整流器ブリッジ１１０に接続され、導線１０８ｃ、１０８ｄおよび１０８ｈは、６つのダイオード１１６を有する第２の整流器ブリッジ１１４に接続され、導線１０８ｂ、１０８ｆおよび１０８ｇは、６つのダイオード１２０を有する第３の整流器ブリッジ１１８に接続される。
【００２８】
導線１０８ａ、１０８ｅおよび１０８ｉにおいて利用できる３相は、ダイオード１１２を有する第１の整流器ブリッジ１１０によって整流され、２つの第１の出力１２２ａと１２２ｂ間に第１のＤＣ電圧を出力する。導線１０８ｃ、１０８ｄおよび１０８ｈにおいて利用できる３相は、ダイオード１１６を有する第２の整流器ブリッジ１１４によって並行して整流され、２つの第２の出力１２４ａと１２４ｂ間に第２のＤＣ電圧を出力する。導線１０８ｂ、１０８ｆおよび１０８ｇにおいて利用できる３相も、ダイオード１２０を有する第３の整流器ブリッジ１１８によって並行して整流され、２つの第３の出力１２６ａと１２６ｂ間に第３のＤＣ電圧を出力する
各々の整流器ブリッジ１１０、１１４、１１８からの一方の出力１２２ａ、１２４ａおよび１２６ａは、第１の相間変圧器１２８に結合され、この変圧器が、出力１２２ａ、１２４ａおよび１２６ａ間の瞬間的な電圧差を吸収する。各々の整流器ブリッジ１１０、１１４、１１８からの他方の出力１２２ｂ、１２４ｂおよび１２６ｂは、第２の相間変圧器１３０に結合され、この変圧器が、出力１２２ｂ、１２４ｂおよび１２６ｂ間の瞬間的な電圧差を吸収する。第１の相間変圧器１２８および第２の相間変圧器１３０のコイルの接合点が、第１の出力１３２と、第２の出力１３４をそれぞれ形成し、これらの出力は、フィルタ８４に接続される。
【００２９】
図４は、図３によるＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の電気回路図である。上記で考察したように各々のメイン巻線９８ａから９８ｃは、共通の中点１０２からタップ１０４ａから１０４ｃの１つに延びている。第１のメイン巻線９８ａにある二次巻線１００ａから１００ｃはそれぞれ、タップ１０４ａから端子Ａ１、Ａ２、Ａ３まで延びている。第２のメイン巻線９８ｂにある二次巻線１００ｄから１００ｆはそれぞれ、タップ１０４ｂから端子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３まで延びている。第３のメイン巻線９８ｃにある二次巻線１００ｇから１００ｉはそれぞれ、タップ１０４ｃから端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３まで延びている。
【００３０】
図５は、図４のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の巻線ベクトル図である。この巻線ベクトル図を利用して、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計することができる。ステータ巻線は、本明細書ではパルス数が１８であるように示されているが、例えば１２、１８、２４などの他の６の倍数のパルス数を有するように構成することもできる。
【００３１】
ここから分かるように、ベクトル図は、起点である共通点Ｏから発する９つのメインベクトルＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を含んでおり、この起点は、図４のステータ巻線の中点１０２に相当する。メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、導線１０８ａから１０８ｉによって図３の整流器デバイス８２に送られる各相出力を表している。メインベクトルＡ１〜Ｃ３の大きさまたは長さＶは、生成されるＡＣ電圧を表しており、各々のメインベクトルＡ１〜Ｃ３の方向または配向は、生成されたＡＣ電圧の０−３６０°の相を表している。本明細書に示されるように、メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、同一の長さＶであるが、角度αだけ相が異なる場合がある。メインベクトルＡ１〜Ｃ３がグループ分けされることで、メインベクトルＡ１、Ｂ１、Ｃ１は、１つの３相出力を表しており、メインベクトルＡ２、Ｂ２、Ｃ２は、別の３相出力を表し、メインベクトルＡ３、Ｂ３、Ｃ３は、他の３相出力を表している。
【００３２】
メインベクトルＡ１、Ｂ１およびＣ１がそれぞれ、地点Ｐ（これは図４のタップ１０４ａ〜１０４ｃに相当する）から発する２つのサブベクトルＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２を含むことで、他のメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３の１つと合流する。起点である共通点Ｏと地点Ｐ間の距離は、長さＬ１として表されている。地点ＰからメインベクトルＡ１までの距離は、長さＬ２として表されている。したがって、メインベクトルＡ１、よって他のメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３の長さＶは、以下の関係式によって得られる。
【００３３】
【数１】
2013085457.tif 000003
サブベクトルＸ２は、メインベクトルＡ１からメインベクトルＡ３まで一定の角度θ１で延びており、長さＬ３である。図５には示されていないが、他のサブベクトルＸ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２もやはり長さＬ３であり、関連するメインベクトルからθ１に匹敵する一定の角度で伸びている。メインベクトルＡ１およびＡ３の末端は、距離ｄだけ隔てられており、長さＬ２およびＬ３と一緒に内角θ１、θ２およびθ３を画定する頂点を有する三角形を形成する。長さＬ１〜Ｌ３と、角度θ１およびαは、図３のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計するように選択することができる。
【００３４】
角度α、θ１、θ２およびθ３は、パルス数Ｎに左右され、その関係は以下の数式によって得られる。
【００３５】
【数２】
2013085457.tif 000004
【００３６】
【数３】
2013085457.tif 000005
【００３７】
【数４】
2013085457.tif 000006
この例では、Ｎ＝１８で、θ１＝６０°と仮定することができる。したがって角度α＝２０°で、角度θ３＝８０°で角度θ２＝４０°である。θ１の代わりに、θ２またはθ３が付与される場合もあることを理解されたい。
【００３８】
長さＬ２、Ｌ３、ｄと、角度θ１、θ２およびθ３の関係は、正弦法則より知られている。
【００３９】
【数５】
2013085457.tif 000007
メインベクトルＡ１の末端からメインベクトルＡ３の末端の距離ｄは、以下の関係式によって得られる。
【００４０】
【数６】
2013085457.tif 000008
正弦法則を使用して、長さＬ２およびＬ３が以下の関係式によって得られる。
【００４１】
【数７】
2013085457.tif 000009
【００４２】
【数８】
2013085457.tif 000010
電圧Ｖと長さＬ１、Ｌ２の関係を使用して、長さＬ１を以下の関係式を使用して求めることができる。
【００４３】
【数９】
2013085457.tif 000011
したがって所望のパルス数Ｎ、所望の電圧Ｖおよび少なくとも１つの他の変数を知ることによって、図３のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のメインステータ巻線を設計することができる。この場合、他の所与の変数はθ１である。しかしながら別の変数、例えば異なる角度、または長さが代わりに付与される場合もあることを理解されよう。
【００４４】
図６は、本発明の第２の実施形態による電力システム構造１４０の概略ブロック図である。システム構造１４０は、図２に示されるシステム構造４０とほぼ同様であり得るため、同様の要素は、同一参照番号を使用して示されている。図６に示されるシステム構造１４０と、図２に示されるシステム構造４０の１つの相違点は、両方のＡＴＵ一体式発電機５６、５８に関して、ＡＴＵ部分６２、７２が、３つの巻線を加える代わりに２つの二次巻線を加えることによって、電源６６、７６の３相出力を９相の電力出力１４２、１４４に変換するように機能することである。
【００４５】
図７は、図６の電力システム構造１４０で使用するＡＴＵ一体式始動機−発電機５６と、第１のＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。第１および第２のＡＴＵ一体式発電機５６、５８と、ＡＣ−ＤＣ電力変換器は、ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８の両方に関してほぼ同一であり得るため、簡潔にするために左側のエンジンシステム４２のＨＰ側のみを簡潔のため図７で詳細に記載する。
【００４６】
ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、関連する２つの組において、メイン巻線９８ａから９８ｃにあるタップ１０４ａから１０４ｃの１つに接続された６つの二次巻線１４６ａから１４６ｆを有することができる。例示の実施形態において、一次巻線９８ａから９８ｃは、Ｙ字状回路構成で配置されており、一体式ＡＴＵの全体の構成はフォーク型結線構成である。あるいは一次巻線９８ａから９８ｃは、デルタ結線構成で配置される場合もある。
【００４７】
９相電力出力１４２は、導線１４８ａから１４８ｆおよび１５０ａから１５０ｃによって整流器デバイス８２に送られる。導線１４８ａ、１４８ｃおよび１４８ｅは、第２の整流器ブリッジ１１４に接続され、導管１４８ｂ、１４９ｄ、１４８ｆは、第３の整流器ブリッジ１１８に接続されている。導管１５０ａから１５０ｃは、一次巻線９８ａから９８ｃから延びており、第１の整流器ブリッジ１１０に接続されている。導管１４８ａから１４８ｆおよび１５０ａから１５０ｃはリードワイヤであってよい。残りの電力の整流およびフィルタリングは、図３に関して上記に記載したものと同様である。
【００４８】
例示のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、パルス数が１８であるように示されているが、始動機−発電機５６は、他のパルス数になるように構成される場合もある。例えば２つの二次巻線の代わりに１つの二次巻線１４６を設けることにより、パルス数が１２の発電機を設けることができる。別の例では、２つの二次巻線を設ける代わりに３つの二次巻線１４６を設けることにより、パルス数が２４の発電機を設けることができる。
【００４９】
図８は、図７によるＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の電気回路図である。上記に考察したように、各々のメイン巻線９８ａから９８ｃは、共通の中点１０２からタップ１０４ａから１０４ｃまでの１つに延びている。第１のメイン巻線９８ａにある二次巻線１４６ａおよび１４６ｂは、端子Ａ１としても示されるタップ１０４ａから端子Ａ２およびＡ３までそれぞれ延びている。第２のメイン巻線９８ｂにある二次巻線１４６ｃおよび１４６ｄは、端子Ｂ１として示されるタップ１０４ｂから端子Ｂ２およびＢ３までそれぞれ延びている。第３のメイン巻線９８ｃにある二次巻線１４６ｅおよび１４６ｆは、端子Ｃ１としても示されるタップ１０４ｃから端子Ｃ２およびＣ３までそれぞれ延びている。
【００５０】
図９は、図８のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線の巻線ベクトル図である。この巻線ベクトル図を利用して、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計することができる。ステータ巻線は、本明細書ではパルス数が１８であるように示されているが、例えば１２、１８、２４などの他の６の倍数のパルス数を有するように構成することもできる。
【００５１】
ここから分かるように、ベルトル図は、起点である共通点Ｏから発する９つのメインベクトルＡ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を含んでおり、この起点は、図８のステータ巻線の中点１０２に相当する。メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、導線１４８ａ〜ｆおよび１５０ａ〜ｃによって図７の整流器デバイス８２に送られる各相出力を表している。メインベクトルＡ１〜Ｃ３の大きさまたは長さＶは、生成されるＡＣ電圧を表しており、各々のメインベクトルＡ１〜Ｃ３の方向または配向は、生成されたＡＣ電圧の０−３６０°の相を表している。本明細書に示されるように、メインベクトルＡ１〜Ｃ３は、同一の長さＶであるが、角度αだけ相が異なる場合がある。
【００５２】
メインベクトルＡ１、Ｂ１およびＣ１がそれぞれ、地点Ｅ（これは図８のタップ１０４ａ〜１０４ｃに相当する）から発する２つのサブベクトルＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２を含むことで、他のメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３の１つと合流する。起点である共通点Ｏと地点Ｅ間の距離は、長さＬ１として表されている。したがって、メインベクトルＡ１、よって他の全てのメインベクトルＡ２、Ａ３、Ｂ２、Ｂ３、Ｃ２、Ｃ３は、以下の関係式によって得られる。
【００５３】
【数１０】
2013085457.tif 000012
サブベクトルＸ２は、メインベクトルＡ１からメインベクトルＡ３まで一定の角度θで延びており、長さはＬ２である。図９には示されていないが、他のサブベクトルＸ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２もやはり長さＬ２であり、関連するメインベクトルからθに匹敵する一定の角度で延びている。長さＬ１およびＬ２と、角度θおよびαは、図７のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のステータ巻線を設計するように選択することができる。
【００５４】
角度θ１およびαは、パルス数Ｎに左右され、その関係は以下の数式によって得られる。
【００５５】
【数１１】
2013085457.tif 000013
【００５６】
【数１２】
2013085457.tif 000014
この例では、Ｎ＝１８であると仮定することができる。したがって角度α＝２０°で、角度θ＝８０°である。
【００５７】
末端地点ＥからメインベクトルＡ３の末端までの長さＬ２は、以下の関係式から得られる。
【００５８】
【数１３】
2013085457.tif 000015
したがって所望のパルス数Ｎ、所望の電圧Ｖを知ることによって、図３のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２のメインステータ巻線を設計することができる。
【００５９】
図１０は、本発明の第３の実施形態による電力システム構造１６０の概略ブロック図である。システム構造１６０は、図２に示されるシステム構造４０とほぼ同様であり得るため、同様の要素は、同一参照番号を使用して示されている。図１０に示されるシステム構造１６０と、図２に示されるシステム構造４０の１つの相違点は、ＡＴＵ部分６２が、９相電力出力６８の他にＡＣバス１６４に供給されるＡＣ電力出力１６２を含むことである。
【００６０】
図１１は、図１０の電力システム構造１６０で使用するＡＴＵ一体式始動機−発電機５６と第１のＡＣ−ＤＣ電力変換器の電気回路図である。ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６は、図３に示される第１の実施形態のＡＴＵ一体式始動機−発電機５６とほぼ同様であり得るが、例外は、メイン巻線９８ａから９８ｃに追加の二次巻線１６６ａから１６６ｃが設けられていることである。追加の二次巻線１６６ａから１６６ｃは、３相出力電源６６の１相出力１０６ａから１０６ｃに接続されたタップ１０４ａから１０４ｃの１つによって接続することができる。各相出力１０６ａから１０６ｃは、３相モータ−始動機制御装置９６（図１０）に供給される。ＡＣ電力出力１６２は、整流器デバイス８２によってＤＣに変換されずに、導線１６８ａから１６８ｃによって巻線１６６ａから１６６ｃからＡＣバス１６４（図１０）に送られる。導線１６８ａから１６８ｃはリードワイヤであってよい。ＤＣ電力の残りの整流およびフィルタリングは、図３に関して上記に記載したものと同様である。
【００６１】
本明細書に開示されるシステム構造は、航空機用の一体式ＡＴＵ発電機を提供する。記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる１つの利点は、従来のパルス数の大きなＡＴＵをなくすことができ、それと等価なものが少なくとも１つの発電機に組み込まれ、この発電機が、整流器デバイスに接続されることで、高調波成分少ないのＤＣ出力を生成する点である。このような構成は、エンジンの重量を有意に削減し、エンジン構成要素の冷却を簡素化することができる。一体式ＡＴＵ発電機を設けることで、航空機における別個のＡＴＵに必要な空間をなくすこともできる。
【００６２】
記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる別の利点は、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６が３相モータ−始動機制御装置９６の利用を脅かすことがない点であり、これはモータ−始動機制御装置９６が、ＡＴＵ一体式始動機−発電機５６のＡＴＵ部分６２において３相電源６６が９相電力出力に変換されないうちに、３相電源６６に接続されるためである。
【００６３】
記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる別の利点は、ガスタービンエンジン１０の両方のスプール２６、２８からＤＣ電力を抽出することができる点である。またＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８から引き出した電力を絶え間なく制御することによって、ガスタービンエンジン１０の作業効率も上がる。ＨＰスプール２６およびＬＰスプール２８から引き出されたＤＣ電力に加えて、ＡＰＵ４６およびＥＰＳ４８からのＤＣ出力５０、５２を統合して無瞬断切換（ＮＢＰＴ）を実現することもできる。
【００６４】
記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができる別の利点は、このシステム構造が、一定レベルの余剰のＤＣ電力生成を提供する点であり、これはＤＣ電力を、ガスタービンエンジン１０のＬＰスプール２８ならびにＨＰスプール２６から引き出すことができるためである。２つのスプール２６、２８から電力を引き出すことにより、ＤＣ電力の余剰量を上げることになり、そのためスプール２６、２８の片方あるいは発電機４２、４４の片方が故障した場合でも、ＤＣ電力は、残りの作動するスプール２６、２８および発電機４２、４４から変わらず抽出される。
【００６５】
記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができるさらに別の利点は、エンスト問題を避けることであり、この問題は典型的には、ＨＰスプール２６とＬＰスプール２８の間でＤＣ負荷を共有することにより航空機の下降モードにおいて遭遇する。ＬＰスプールならびにＨＰスプールから電力を引き出すことができることにより、航空機が下降する際に、エンストのリスクが生じることなく、より低い毎分回転数で飛行することが可能になり、これにより航空機の燃料効率を維持することができる。
【００６６】
記載されるシステムおよび方法の一部の実施形態を実践する際に達成することができるさらに別の利点は、ＡＣおよびＤＣ電力の両方をガスタービンエンジン１０から抽出することができる点である。本明細書に記載される本発明の第３の実施形態はとりわけ、両方のタイプの電力に対してエアフレーマーアクセス権を与えるシステム構造を提供しており、これによりエアフレーマーは、航空機における特定の用途のためにいずれかのタイプの電力を選択することができる
この書面による記述は、最適な態様を含めたいくつかの例を利用して本発明を開示し、また当業者が本発明を実施することができるようにしており、これには、いずれかのデバイスまたはシステムを作成する、および使用する、ならびに任意の採用された方法を実施することが含まれる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが、特許請求の範囲の文字通りの言い回しと差異のない構造上の要素を有する場合、あるいは他の例が、特許請求の範囲の文字通りの言い回しとわずかに差異のある等価な構造上の要素を含んでいる場合、特許請求の範囲の範囲内にあることを意味する。
【符号の説明】
【００６７】
１０  ガスタービンエンジン
１２  ファン部分
１４  ファン
１６  ＬＰ圧縮機
１８  ＨＰ圧縮機
２０  内燃部分
２２  ＨＰタービン
２４  ＬＰタービン
２６  ＨＰスプール
２８  ＬＰスプール
３０  ロータ
３２  タービンブレード
３４  ブレードプラットフォーム
３６  ブレード先端
４０、１４０、１６０  電力システム構造
４２  左側のエンジンシステム
４４  右側のエンジンシステム
４６  ＡＰＵ
４８  外部電源
５０、５２  ＤＣ出力
５６、５８  ＡＴＵ一体式発電機
６０、７０  電力生成部分
６２、７２  ＡＴＵ部分
６４  付属のギアボックス
６６、７６  電源
６８、７８、１４２、１４４  ９相電力出力
７４  ＣＳＤ
８０、８８  ＤＣ  電力出力
８２、９０  整流器デバイス
８４、９２  フィルタ
８６、９４  電気バス
９６  モータ−始動機制御装置
９８ａから９８ｃ  一次巻線
１００ａ〜１００ｉ  二次巻線
１０２  中点
１０４ａ〜１０４ｃ  タップ
１０６ａから１０６ｃ  各相出力
１０８ａ〜１０８ｉ  導線
１１０、１１４、１１８  整流器ブリッジ
１１２  、１１６、１２０  ダイオード
１２２ａ、１２２ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２６ａ、１２６ｂ  出力
１２８、１３０  相間変圧器
１３２、１３４  出力
１４６ａ〜１４６ｆ  二次巻線
１４８ａ〜１４８ｆ、１５０ａから１５０ｃ  導線
１６２  ＡＣ電力出力
１６４  ＡＣバス
１６６ａ〜１６６ｃ  追加の二次巻線
１６８ａ〜１６８ｃ  導線
Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３、Ｃ１〜Ｃ３  端子
Ｅ  末端地点
Ｌ１  起点ＯからＰまでの距離
Ｌ２  地点Ｐから末端までの距離
Ｌ３  サブベクトルＸ２の長さ
Ｖ  ベクトルの長さ
Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２  サブベクトル
α  メインベクトル間の角度
θ１、θ２、θ３  三角形の内角
【図１】
2013085457.tif 000016
【図２】
2013085457.tif 000017
【図３】
2013085457.tif 000018
【図４】
2013085457.tif 000019
【図５】
2013085457.tif 000020
【図６】
2013085457.tif 000021
【図７】
2013085457.tif 000022
【図８】
2013085457.tif 000023
【図９】
2013085457.tif 000024
【図１０】
2013085457.tif 000025
【図１１】
2013085457.tif 000026
【外国語明細書】
2013085457000001.pdf