(57)【要約】  航空機の発電機は、ファン部、圧縮機部、燃焼器部、タービン部、および排気部を含むガスタービンエンジンを備える。圧縮機部は、ファン部からの吸入空気を圧縮し、この空気は燃料と混合され、燃焼器部で燃焼されて高温ガスになる。高温ガスは、タービン部のタービンを駆動し、排気部でガスタービンエンジンから放出される。発電機は、ガスタービンエンジンのエネルギーの少なくとも一部を電気に変換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気空洞（４１）を画定する排気部（２５）を含むガスタービンエンジン（１０）であって、燃焼排気ガスが前記排気空洞（４１）を通って、排気ベクトル（５２）を規定する方向に排出される、ガスタービンエンジン（１０）と、
少なくとも一部の磁力線が前記排気ベクトル（５２）に対して垂直な磁場（５８）を形成する磁場発生装置と、前記排気空洞（４１）に対して配置されており、少なくとも１つの正極（４４）および少なくとも１つの負極（４６）を含む、少なくとも１つの電極対とを含む電磁流体発電機（３８）であって、前記排気ガスに含まれる荷電粒子の、前記排気ベクトル（５２）に沿った動きが、少なくとも１つの電極対において直流電力出力（６０）を発生させる電磁流体発電機（３８、１３８、２３８、３３８）と
を備える、航空機の発電機。
【請求項２】
前記磁場発生装置が、前記磁場（５８）を発生させるように構成されている少なくとも１つのソレノイド（４２）をさらに備える、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記直流電力出力（６０）を変換するように構成されているインバータ／コンバータをさらに備える、請求項１に記載の発電機。
【請求項４】
前記インバータ／コンバータが前記直流電力出力（６０）を反転させる、請求項３に記載の発電機。
【請求項５】
前記少なくとも１つの電極対が、前記排気ベクトル（５２）に対して斜めにずれている、請求項１に記載の発電機。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電極対が、前記排気ベクトル（５２）に対して軸方向に離れている、請求項１に記載の発電機。
【請求項７】
前記少なくとも１つの正極（４４）および前記少なくとも１つの負極（４６）が、前記排気空洞（４１）に対して互いに対向して配置されている、請求項６に記載の発電機。
【請求項８】
複数の電極対を含む請求項６に記載の発電機。
【請求項９】
前記複数の電極対が、複数の直流電力出力を発生させる、請求項８に記載の発電機。
【請求項１０】
少なくとも第２の電極対と軸方向に交互に並べられた、少なくともいくつかの直列接続されている電極をさらに含む請求項９に記載の発電機。
【請求項１１】
少なくとも、直列接続されている第２の電極対の組によって、軸方向に隔てられている、少なくとも、直列接続されている第１の電極対の組をさらに含む請求項９に記載の発電機。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの正極（４４）が、前記排気部に沿った第１ラジアル線分（５４）に沿って延びる少なくとも１つの正極リングの部分を備え、前記少なくとも１つの負極（４６）が前記排気部に沿った第２ラジアル線分（５６）に沿って延びる少なくとも１つの負極リングの部分を備えており、前記少なくとも１つの正極リングおよび前記少なくとも１つの負極リングが電極リング対を定義する、請求項６に記載の発電機。
【請求項１３】
前記排気部の軸方向長さに沿って構成されている複数の電極リング対をさらに備え、前記電極リング対の少なくとも一部が、少なくとも１つの直流電力出力（６０）を発生させるように直列に構成されている、請求項１２に記載の発電機。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの電極リング対が、前記排気ベクトル（５２）に対して斜めにずれている、請求項６に記載の発電機。
【請求項１５】
前記排気部（２５）が、内部表面および外部表面をさらに含み、前記少なくとも１つの電極対が前記内部表面または前記外部表面の少なくとも一方で支持されている、請求項１に記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機の発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジン、特に、燃焼タービンエンジンとしても知られているガスタービンエンジンは、エンジンを通って複数のタービンブレードに向かう燃焼ガス流からエネルギーを抽出するロータリーエンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上および海上の交通機関ならびに発電に用いられてきたが、最も一般的なのは、ヘリコプターを含む飛行機などの航空用途である。航空機では、航空機の推進にガスタービンエンジンが用いられている。
【０００３】
一般にガスタービンエンジンは、例えば、航空機において推進以外に必要とされる機能のための装備のような、発電機、始動発電機、永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）、燃料ポンプ、および油圧ポンプなどの、多くの様々な補機にも動力を提供する。航空機では、ガスタービンエンジンは、機械動力を通常提供する。この機械動力は、発電機によって、補機に動力を与えるのに必要な電力に変換されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５２５４９３４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
航空機の発電機は、排気空洞を画定する排気部を含むガスタービンエンジンであって、燃焼排気ガスが排気空洞を通って、排気ベクトルを定義する方向に排出される、ガスタービンエンジと、少なくとも一部の磁力線が排気ベクトルに対して垂直な磁場を形成する磁場発生装置と、排気空洞に対して配置されており、少なくとも１つの正極および少なくとも１つの負極を含む、少なくとも１つの電極対とを含む電磁流体発電機であって、排気ガスに含まれる荷電粒子の、排気ベクトルに沿った動きが、少なくとも１つの電極対において直流電力出力を発生させる電磁流体発電機とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１実施形態による、電磁流体発電機を備える航空機のガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による、電磁流体発電機の軸アセンブリを示す図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った部分断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による、電磁流体発電機の電極位置に対する磁力線および粒子流動を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による、電磁流体発電機の電極位置に対する磁力線および粒子流動を示す概略図である。
【図５】本発明の第３実施形態による、電磁流体発電機の電極位置に対する磁力線および粒子流動を示す概略図である。
【図６】本発明の第４実施形態による、電磁流体発電機の電極位置に対する磁力線および粒子流動を示す概略図である。
【図７】本発明の第５実施形態による、電磁流体発電機の電極位置に対する磁力線および粒子流動を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
説明する本発明の実施形態は、航空機エンジンからの動力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作ることを可能にする電気系統の構成を対象とする。しかしながら、本発明は、このように限定されるものではなく、他の移動体用途と、産業用、商業用、および住居用の非移動体用途などの、非航空機用途の電気系統の構成に対する一般的な用途を有する。
【０００８】
図１は、電磁流体（ＭＨＤ）発電機３８を備える、航空機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、下流に向かう直列流れ関係で、ファン部１２、圧縮機部１５、燃焼器部２０、タービン部２１、および排気部２５を含む。ファン部１２は、ファン１４を備え、圧縮機部１５は、増圧機または低圧圧縮機１６および高圧圧縮機１８を備える。タービン部２１は、高圧タービン２２および低圧タービン２４を備える。エンジン１０は、高圧タービン２２を高圧圧縮機１８に駆動連結する高圧シャフトまたは高圧スプール２６と、低圧タービン２４を低圧圧縮機１６およびファン１４に駆動連結する低圧シャフトまたは低圧スプール２８とをさらに備えてもよい。高圧タービン２２は、高圧タービンロータ３０を備える。高圧タービンロータ３０は、ロータ３０の周囲に取り付けられたタービンブレード３２を備える。タービンブレード３２は、径方向外側に向かって、ブレードプラットフォーム３４から、径方向外側のブレード先端３６に広がっている。
【０００９】
排気部２５は、排気ノズル４０およびＭＨＤ発電機３８を備えてもよい。排気ノズル４０は、内部表面４８および外部表面５０をさらに含んでもよい。排気ノズル４０の内部表面４８は、排気空洞４１を画定する。ＭＨＤ発電機３８は、例えば少なくとも１つの通電できるソレノイド４２、電磁石、または永久磁石などの磁場発生装置と、電極対を定義する、少なくとも１つの正極４４および少なくとも１つの負極４６とを含む。図示するように、ソレノイド４２は、排気ノズル４０の外部表面５０に動作可能に支持、および／または接続されていてもよく、電極４４、４６は、ノズル４０の内部表面４８に動作可能に支持、および／または接続されていてもよい。電極４４、４６は、排気ノズル４０の軸方向長さに沿って構成されており、ノズル４０の下流後部近くの配置で図示されている。代替的な構成が想定されるが、この構成では、ソレノイド４２および／または電極４４、４６の任意の組み合わせは、排気ノズル４０の内部表面４８または外部表面５０に動作可能に支持、および／または接続されている。別の代替的な構成が想定されるが、この構成では、ソレノイド４２および／または電極４４、４６は、代替的な構成要素に動作可能に支持され、かつ／または接続されている。
【００１０】
ガスタービンエンジン１０は、ファン１４の回転によって高圧圧縮機１８に空気が引き込まれるように動作する。高圧圧縮機１８は、空気を圧縮し、燃焼器部２０に圧縮空気を送り出す。燃焼器部２０において、圧縮空気は、例えば荷電粒子を含み得る燃料と混合され、空気／燃料混合物が点火されて、高温排気ガスを膨張させ、発生させる。ここでも荷電粒子を含み得るエンジン排気ガスは、下流方向に移動し、高圧タービン２２および低圧タービン２４を通って、高圧スプール２６および低圧スプール２８をそれぞれ駆動する機械的力を発生させる。高圧スプール２６および低圧スプール２８において、排気ガスは、エンジン１０の後部から排気空洞４１の中に、排気ベクトル５２によって示される方向に、最終的に放出される。図示するように、排気ノズル４０、排気空洞４１、および排気ベクトル５２は、実質的に同様の軸方向に沿って延びている。さらに、荷電粒子は、代替的または付加的に、例えば噴射ノズルまたは排気リングなどの代替的な部品によって、排気空洞４１に取り入れられてもよい。
【００１１】
図２は、排気ノズル４０に沿う軸方向の視点からＭＨＤ発電機３８を示す。図示するように、正極４４は、排気ノズル４０の第１ラジアル線分５４の少なくとも一部に沿って広がっており、負極４６は、ノズル４０の第２ラジアル線分５６の少なくとも一部に沿って広がっている。さらに、電極４４、４６は、排気空洞４１に対して、それぞれ他方の電極４４、４６の反対側に、鉛直方向に整列した配置で図示されているが、代替的な構成が想定され、この構成では対向する電極４４、４６は整列しているか、または鉛直軸もしくは水平軸からずれている。本発明の実施形態が想定され、この構成ではソレノイド４２が整列しているか、または鉛直軸もしくは水平軸からずれている。
【００１２】
図３は、ＭＨＤ発電機３８の動作を示す斜視図である。動作中、ソレノイド４２は通電され、排気空洞４１にわたる磁場５８を発生させる。磁場５８は、排気ベクトル５２に対して実質的に垂直になる。高温排気ガスに含まれる荷電粒子が、排気ベクトル５２に沿って磁場５８に対して移動するとき、および／または磁場５８を通って移動するとき、磁場５８は、電極４４、４６に向けて粒子をそれぞれ引きつけ、または反発させて、電極対４４、４６の両端に、直流の電圧出力６０が発生する。最も基本的な説明をすると、ＭＨＤ発電機３８は、磁場５８を通して導体（排気の荷電粒子）を動かすことによって動作し、排気ガスの温度エネルギーおよび運動エネルギー（総称すると、排気ガスのエンタルピー）から電流を発生させる。発生した電流の量は、排気ガス中の荷電粒子の量と数学的に関連するので、炭素粒子や炭酸カリウムなどの添加剤またはイオン性物質は、例えば燃料または燃焼に含まれ得るものであり、動力用途のための特定の電圧出力６０を増加、減少、および／または目標設定する。付加的な添加剤およびイオン性物質が想定される。排気空洞４１を出た排気ガスの温度は、より低くなるので、電圧出力６０の生成後、ガス密度がより高くなる。ガス密度がより高くなる結果、排気ガスの質料流量がより高くなり、排気ガス速度５２と相まって、エンジンの推進効率を増加させる。
【００１３】
電圧出力６０は、例えば、電気的に結合された直流負荷や、航空機の動力系統に電力を供給してもよく、また電圧出力６０を変換し得るインバータ／コンバータとさらに接続されていてもよい。電圧出力６０の変換の例は、電圧出力６０を例えば２７０ＶＤＣに変換すること、または、電圧出力６０を反転させて、交流負荷にさらに供給され得るような交流電力出力に変換することを含んでもよい。
【００１４】
電極４４、４６の代替的な構成が想定され、この構成では、例えば、電極４４、４６が、排気部２５のより上流または下流に配置されている。電極４４、４６およびソレノイド４２の付加的な構成では、正極４４および負極４６の位置の逆転、および／またはソレノイド４２が図示されて磁場５８とは反対の方向に磁場５８を発生させることが想定される。
【００１５】
図４は、本発明の第２実施形態による、代替的なＭＨＤ発電機１３８を示す。第２実施形態は、第１実施形態と同様である。そのため、類似の部品は、１００を加えた類似の番号で示され、第１実施形態の類似の部品に関する説明は、別段の指定がない限り、第２実施形態に適用できるものと理解される。第１実施形態と第２実施形態との間の１つの相違点は、ＭＨＤ発電機１３８が、排気ノズル４０に軸方向に沿って配置された、正極１７０および負極１７２の第２の対を含むことである。正極１７０および負極１７２は、ＭＨＤ発電機１３８の動作中に第２電圧出力１７４を発生させる。代替的に、電極対４４、４６、１７０、１７２の各々は、互いから軸方向にずれていること、および／またはより大きな、単一の電圧出力を発生させるように、電気的に直列接続されていることが可能である。さらに、電極対４４、４６、１７０、１７２の各々は、その他の電極４４、４６、１７０、１７２の１以上とは異なる物理構成（例えば、より長い、より短い、および／またはラジアル線分）を含んでいてもよい。さらなる電極対が、必要に応じて、任意の数の異なる電圧出力を発生させるために含まれていてもよい。
【００１６】
図５は、本発明の第３実施形態による、代替的なＭＨＤ発電機２３８を示す。第３実施形態は、第１および第２実施形態と同様である。そのため、類似の部品は、２００を加えた類似の番号で示され、第１および第２実施形態の類似の部品に関する説明は、別段の指定がない限り、第３実施形態に適用できるものと理解される。第３実施形態の１つの相違点は、ＭＨＤ発電機２３８の正極２４４、２７０の各々が、排気ノズル４０の第１ラジアル線分２５４において、第１実施形態よりも大きなリング状部分に沿って延びており、負極２４６、２７２の各々が、排気ノズル４０の第２ラジアル線分２５６において、第１実施形態よりも大きなリング状部分に沿って延びていることである。さらに、電極２７２、２７０、２４６、２４４の各々は、導体２８０によって電気的に直列接続されていてもよい。導体２８０は、内部表面４８または外部表面５０に沿って延びていてもよく、ＭＨＤ発電機２３８が単一の電圧出力２６０を発生させるように、排気ノズル４０と一体化していてもよい。電極２４４、２４６、２７０、２７２の各々は、その他の１以上の電極２４４、２４６、２７０、２７２とは異なる物理構成（例えば、より長い長さ、より短い長さ、および／またはラジアル線分２５４、２５６）を有していてもよい。
【００１７】
図６は、本発明の第４実施形態による代替的なＭＨＤ発電機３３８を示す。第４実施形態は、第１、第２、および第３実施形態と同様である。そのため、類似の部品は、３００を加えた類似の番号で示され、第１、第２、および第３実施形態の類似の部品に関する説明は、別段の指定がない限り、第４実施形態に適用できるものと理解される。第４実施形態の１つの相違点は、直列接続されている電極の第１組２７２、２７０、２４６、２４４が、同様に直列接続されている電極の第２組３８６、３８４、３９０、３８８と絡み合っており、直列接続されている第１組の電極２７２、２７０、２４６、２４４、および直列接続されている第２組の電極３８６、３８４、３９０、３８８が、それぞれ第１電圧出力２６０および第２電圧出力３７４を発生させるように、第２導体３８２によって接続されていることである。
【００１８】
図７は、本発明の第５実施形態による代替的なＭＨＤ発電機４３８を示す。第５実施形態は、第１、第２、第３、および第４実施形態と同様である。そのため、類似の部品は、４００を加えた類似の番号で示され、第１、第２、第３、および第４実施形態の類似の部品に関する説明は、別段の指定がない限り、第５実施形態に適用できるものと理解される。第５実施形態の相違点は、第１導体４８０によって接続され、第１電圧出力４６０を発生させる、第１組の電極４７２、４７０、４９０、４８８の代替的な直列接続、および、第２導体４８２によって接続され、第２電圧出力４７４を発生させる、第２組の電極４８６、４８４、４４６、４４４の直列接続である。第５実施形態の別の相違点は、第２組の電極４８６、４８４、４４６、４４４が、第１組の電極４７２、４７０、４９０、４８８の電極対によって、いずれかの軸端に配置されていることである。
【００１９】
本開示では、上記の図に示されたものに加えて、他の多くの可能な実施形態および構成が考えられる。例えば、電極構成の付加的な並べ替えが想定される。別の例では、電極、電極対、または電極リングの１以上が、排気ベクトルに対して斜めにずれていてもよく、排気ベクトルに対して垂直であってもよい。さらに、様々な部品の設計および配置は、多くの異なる直列型の構成が実現され得るように配列し直されてもよい。
【００２０】
本明細書で開示される実施形態は、ガスタービンエンジンと一体化したＭＨＤ発電機を提供する。上記の実施形態で実現され得る１つの利点は、上述の実施形態が、排気ガスエンタルピーを発生させることおよび／または排気ガスエンタルピーをパワーエレクトロニクス用の電気に変換させることが可能なことである。これにより、タービンエンジンの全体的な発電能力の効率が向上する。さらに、発電能力の向上は、従来型の航空機用発電機を超える軽量化および小型化を可能にする。代替的に、ＭＨＤ発電機の発電は、航空機に余剰電力を提供し、航空機の動力系統の信頼性を向上させ得る。
【００２１】
上記の実施形態で実現され得る別の利点は、排気ガスエンタルピーを電気に変換することで、排気ガス温度を下げ、それによって排気ガス密度を増加させることである。ガス密度が増加した結果、勢いが増大し、ひいては、ガスタービンエンジンの推進効率を向上させる。推進効率が向上した結果、航空機の運転または燃料効率が向上し得る。
【００２２】
航空機の部品を設計する際に、検討すべき重要な要因は、サイズ、重量、および信頼性である。上述のＭＨＤ発電機は、最小限の電力変換装置で調整された交流出力または直流出力を提供することができ、それによってシステム全体を本質的により信頼できるものとすることができる。これによりシステムは、軽量化され、小型化され、性能が向上し、信頼性が向上する。軽量化および小型化は、飛行中の競争優位性に相関する。
【００２３】
まだ説明していない範囲では、様々な実施形態の異なる特徴および構造が、必要に応じて互いと組み合わせされて用いられてもよい。１つの特徴が全ての実施形態で示されていないかもしれないが、これは、その特徴がないと解釈されるべきであることを意味するのではなく、説明の簡略化のためになされることである。したがって、新たな実施形態を形成するために、異なる実施形態の様々な特徴を、任意に組み合わせ適合させてもよい。これらの新たな実施形態が明確に説明されているか否かは問わない。本明細書で説明される特徴の全ての組み合わせまたは並べ替えは、本開示に含まれる。例示的な実施形態の間の主要な相違点は、電極対の構成に関連している。これらの特徴を任意の適切な方法で組み合わせて、上述の実施形態を変更し、別の実施形態を形成してもよい。
【００２４】
本明細書は、本発明を開示するため、かつ、装置やシステムの製造および使用、または組み込まれる方法の実施を含む、当事者による発明の実施を可能にするために、最良の形態を含む例を用いている。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、かつ当業者が想到する他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を含む場合、または、それらが請求項の文言と実質的な差異のない、均等な構成要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンエンジン
１２  ファン部
１４  ファン
１５  圧縮機部
１６  低圧圧縮機
１８  高圧圧縮機
２０  燃焼器部
２１  タービン部
２２  高圧タービン
２４  低圧タービン
２５  排気部
２６  高圧スプール
２８  低圧スプール
３０  高圧タービンロータ
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
３８  ＭＨＤ発電機
４０  排気ノズル
４１  排気空洞
４２  ソレノイド
４４  正極
４６  負極
４８  内部表面
５０  外部表面
５２  排気ベクトル、排気ガス速度
５８  磁場
６０  電圧出力
１３８  ＭＨＤ発電機
１７０  正極
１７２  負極
１７４  第２電圧出力
２３８  ＭＨＤ発電機
２４４  正極
２４６  負極
２６０  第１電圧出力
２７０  正極
２７２  負極
２８０  導体
３３８  ＭＨＤ発電機
３７４  第２電圧出力
３８２  第２導体
３８４、３８６、３８８、３９０  電極
４３８  ＭＨＤ発電機
４４４  電極
４４６  電極
４６０  第１電圧出力
４７０  電極
４７２  電極
４７４  第２電圧出力
４８０  第１導体
４８２  第２導体
４８４、４８６、４８８、４９０  電極
【図１】
2016539615.tif 000003
【図２】
2016539615.tif 000004
【図３】
2016539615.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016539615.tif 000007
【図６】
2016539615.tif 000008
【図７】
2016539615.tif 000009
【国際調査報告】
2016539615.tif 000010
2016539615.tif 000011
2016539615.tif 000012