JP4917302B2 - 統合された発電機を含むターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械に関し、より詳細には、ターボ機械のシャフトと同軸の統合された発電機を含むターボジェットに関する。

従来のエンジンでは、燃料ポンプと、軸受け潤滑ポンプと、種々の部材を制御するための油圧ポンプと、発電機と、スタータとを備えたアクセサリボックスは、エンジンの外側に配置され、また径方向シャフトおよびアングルテークオフ（ａｎｇｌｅ ｔａｋｅｏｆｆ）によって、エンジンから取り出された動力を受ける。

ここ数年に亘って、圧縮比とタービンへの入口温度との上昇と、材料および効率の向上とは、かつてないほど増加する重量／推力比を得るためにエンジンのサイズを絶えず低減しており、このことは民生用と軍事用の両方に当てはまる。

動力取り出しシステムとアクセサリボックスは、この進歩に対応して追従することに困難性を持っており、こうしてこれらは、エンジンの容積と重量、特にエンジンケーシングに一般に配置されるアクセサリボックスが、別々である空気スタータと発電機とを支持するときに、サイズの小さい低推力エンジンの容積と重量との大きな部分を表す。

練習機、観測または攻撃無人機、および巡航ミサイルを推進する目的のために、かつてないほど簡単でより低価格である小型エンジンの使用は、エンジン製造業者にこのようなエンジンをより小さくすることを要求している。これは、抵抗の大幅な削減を達成するエンジンの正面表面積の大幅な削減によって試みることができ、このようなエンジンを装備した航空機または遠隔制御される輸送手段の、飛行時間または距離を増加させることを可能にしている。したがってエンジンの重量と正面表面積とを削減するために、エンジンとアクセサリとの間のインタフェースが、電気的伝送に応じるように、エンジン内に発電機−スタータを統合することを考えて、機械的接続の使用をなくすことが望ましいと思われる。

かつてないほど多くの電気式または電気油圧式飛行制御を有する、ワイドボディの航空機では、またレーダー、最新式警報装置、および電子式偵察機では、電力要件が大きい。このような航空機のエンジンは、ブースターまたは補助発電機を装備しており、こうして発電機を保持するために、補助ボックスのサイズとこれらの重量とを増加させている。したがって大きなバイパス比を有するエンジンでは、電気的に駆動されるアクセサリの一部をパイロン内に収容することによって、アングルテークオフのサイズと重量とを減らすために、あるいは実際にこれらをなくし、それによってより薄いカウルを得るために、エンジン内に、発電機−スタータに加えて補助発電機を統合することが有利である。

従来技術では、発電機をエンジン内に統合することは、そのコイル、あるいは実際にその磁石を冷却するために、発電機に固有の冷却油回路を使用することに繋がる。

このことは、エンジン内の装置（オイルパイプとポンプ）の数を増加させ、また保守目的のための発電機へのアクセスを複雑にする。
仏国特許出願公開第１３６７８９３号明細書 国際公開第０２／３７０４６号パンフレット 米国特許第５２３７８１７号明細書 英国特許出願公開第１１４１００１号明細書 欧州特許出願公開第１３８２８０２号明細書

本発明の目的は、従来技術の欠点が克服されることを可能にするターボ機械装置、特に軸受けを潤滑することと発電機を冷却することとの間で、油が流れる経路を最適化することを可能にするターボ機械装置を、提供することである。

このために、本エンジンは、高圧スプールと、ロータに取り付けられていてケーシングを含む軸Ｘの軸方向圧縮機と、前記圧縮機のケーシングとロータとの間に配置された少なくとも一つの後部軸受けとを含むターボ機械であって、前記ターボ機械は、前記スプールと同軸の発電機を含み、この発電機は、圧縮機の前記ロータと共に回転するように拘束された１次磁気回路（またはロータ）と、前記ケーシングに固定された２次磁気回路（またはステータ）とを含む、ターボ機械を提供する。

本発明によれば、このターボ機械は、前記発電機が、前記後部軸受けから上流側に配置されることと、前記発電機が、少なくとも第１の冷却回路を含み、第１の冷却回路が、前記２次磁気回路を取り囲み、かつ前記後部軸受けを潤滑するためのノズルによって延長されることとを特徴とする。

このようにして、ターボ機械の潤滑回路に発電機の第１の冷却回路を配置することによって、発電機が、油装置をあまり複雑にすることなく統合されることが、理解されるであろう。

好適には、このターボ機械は、燃焼チャンバをさらに含んでおり、前記燃焼チャンバから上流側で、前記スプールは、前記チャンバに空気を送るための軸Ｘの前記軸方向圧縮機を呈し、前記チャンバから下流側で、前記スプールは、回転時に前記圧縮機のロータを駆動するための前記燃焼チャンバから高温ガスを受けるためのタービンを呈し、前記圧縮機は、複数の圧縮段を有しており、各段は、前記ケーシングに固定された静止ブレードのリングと、前記ロータの円板の周縁部から径方向に延びる可動ブレードのリングとを呈する。

本発明のもう一つの有利な構成では、第２のタイプのターボ機械に発電機を統合することも、本発明によって可能であり、第２のタイプのターボ機械は、前記高圧スプールから上流側に配置される低圧圧縮機を有する低圧スプールと、前記高圧スプールから下流側に配置されて、回転時に前記高圧圧縮機のロータを駆動するために役立つ低圧タービンとをさらに含み、前記圧縮機は、複数の圧縮段を含み、各圧縮段が、静止ブレードのリングと、前記ロータのそれぞれの円板の周縁部から径方向に延びる可動ブレードのリングとを呈する。この場合、第２のタイプの前記ターボ機械は、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間に配置された中間ケーシングをさらに含んでおり、前記発電機の２次磁気回路は、前記中間ケーシングに固定されており、前記後部軸受けは、前記中間ケーシングに取り付けられている。

本発明に関連して、前記発電機は、スタータとして動作するように構成されるか、あるいは前記発電機は、補助発電機として動作するように構成されるかのいずれかであり、あるいは実際にターボ機械は、一方がスタータを構成し、他方が補助発電機を構成する二つの発電機を有する。

第２のタイプのターボ機械に関して、もう一つの好適な構成では、このターボ機械は、前記発電機から上流側で、前記中間ケーシングと前記低圧圧縮機のロータとの間に配置された、少なくとも一つの前部軸受けをさらに含んでおり、前記第１の冷却回路は、前記前部軸受けの潤滑油回路と連通している。

前述のパラグラフに関連して、この第２のタイプのターボ機械は、好適には、第２の冷却回路をさらに含み、この第２の冷却回路は、前記１次磁気回路を取り囲み、前記第１の冷却回路に接続された供給手段によって供給され、前記第２の冷却回路は、前記前部軸受けの近傍で開いている。この場合、有利には、前記第２の冷却回路の前記供給手段は、後部軸受けを潤滑するための前記ノズルと共に２ヘッドノズルを構成する、潤滑ノズルを含む。

もう一つの有利な構成では、前記２次磁気回路は、円筒形支持体に取り付けられ、前記１次磁気回路は、円筒形支持体に取り付けられ、環状の密封手段が、前記円筒形支持体の端部間に配置され、それによって前記発電機に、発電機を取り巻く潤滑油雰囲気に対する耐性を与えている。

有利には、前記第１の冷却回路は、第１の一連のらせん状チャネルを含む。

また好適には、前記第２の冷却回路は、第２の一連のらせん状チャネルを含む。

本発明の構成は、エンジン内に統合された発電機によって電力供給される電気モータによってアクセサリが駆動される、航空機エンジンを想定することを可能にし、こうして、機械的接続部とアングルテークオフとをなくすことと、エンジンの重量を減らすことと、大きなバイパス比を有するターボジェットのカウルを薄くすることとを可能にする。

ファンブレードを失った際の高レベルの不均衡の場合に、径方向の負荷の軽減を可能にし、重量が軽減された中間ケースの取得を可能にするので、大型エンジンのアクセサリボックスの重量を最小にすることは、また最も有利である。

本発明の他の利点と特徴は、例示として、また添付図面を参照しながら行われる、下記の説明を読めば明らかになる。

図１は、本発明にしたがって発電機が前部に配置された、２スプール型バイパスターボジェット１０を示す。

より正確には、軸Ｘのターボジェット１０は、従来、図１の左から右に（すなわち空気流の前から後ろへの方向の上流側から下流側に）順次に含まれる、周辺カウル１２（部分的に図示されている）と、ファン１４と、低圧圧縮機１６と、高圧圧縮機１８と、燃焼チャンバ２０と、高圧タービン２２と、低圧タービン２４とを含む。

最後に、本発明によれば、ターボジェット１０は、低温であるゾーン内のターボジェット１０の前方（図１において左）に配置された、発電機６０を装備している。

より正確には、また図２を参照すれば、この発電機６０は、低圧圧縮機１６と高圧圧縮機１８との間の中間ケーシング１７と同じ高さで、低圧圧縮機１６と高圧圧縮機１８との間に配置されていることが分かる。

この中間ケーシング１７は、低圧圧縮機１６の外側ケーシングによって前方に延長され、高圧圧縮機１８の外側ケーシングによって後方に延長されている（図１を参照のこと）。

低圧圧縮機１６のロータ１５は、軸Ｘの低圧シャフト２６によって、高圧タービン２２から下流側に位置する低圧タービン２４に接続されている。ロータ１５とこの低圧シャフト２６は、それぞれ、前部軸受け２８と中間軸受け３０とを介して中間ケーシング１７に接続される。

より正確には、前部軸受け２８は、ロータ１５と、前部シュラウド３４によって本質的に構成されて、それ自体が中間ケーシング１７に固定された構造的支持要素とに取り付けられる。チューブ３２は、軸受け２８から上流側に位置するガスケットのために密封を与える。

中間軸受け３０は、前部シュラウド３４と中間ケーシング１７とに固く取り付けられた、中間シュラウド３６と低圧シャフト２６との間に配置される。

後部軸受け４２は、高圧シャフト３８と、中間ケーシング１７の後部に固定された支持構造体４４との間に取り付けられる。

中間ケーシング１７から下流側（図２において右）に延びる、高圧圧縮機１８の高圧シャフト３８は、中間ケーシング１７の軸平面にある円筒形シュラウド４０によって、ターボジェットの前方に延長される。この円筒形シュラウド４０は、前部軸受け２８と後部軸受け４２との間に発電機６０を取り付けるために使用される。

上記に規定された構成が、中間ケーシング１７とその支持構造体４４と、中間シュラウド３６と高圧シャフト３８との間に位置する環状空間によって形成される、エンクロージャ４６を画定することは、理解されるであろう。

従来の方法では、これら種々の軸受け２８、３０、４２は、パイプのネットワークによって共通の油回路に接続され得る一つ以上のノズル（それぞれノズル４８、５０、５２）によって潤滑される。

本発明では、中間軸受け３０と後部軸受け４２との間に位置するエンクロージャ４６は、ロータ６２（１次磁気回路）とステータ６４（２次磁気回路）とによって構成される発電機６０を備える。

ロータ６２は、本質的に磁石によって構成されており、高圧シャフト３８に固定されて軸Ｘの周りに回転できる。この目的のために、ロータ６２は、円筒形シュラウド４０に固定された円筒形支持体４１に取り付けられる。

ステータ６４は、本質的に、支持構造体４４への取外し可能な接続部６６を介してロータ６２の周りに同軸的に取り付けられた、一連のコイルよって構成される。より正確には、ステータ６４は、それ自体が支持構造体４４に固定された円筒形支持体４５に、直接取り付けられる。円筒形支持体４５は、ロータ６２の円筒形支持体４１の周りに同軸になっていて、前端部４５ａと後端部４５ｂとを有する。

発電機６０が、エンクロージャ４６内に配置され、エンクロージャ４６は、後部軸受け４２に向かって油の噴流を送出するノズル５２によって供給される油の少なくとも一部を回収することは理解されるであろう。

こうしてエンクロージャ４６内では、雰囲気が潤滑油の霧を含むので、発電機６０は、この油の霧に対して密封されなくてはならないことが理解されるであろう。

この目的のために下記のことが実行される。
・ 発電機６０を収容するボックスは、それ自体が密封されており、このボックスは、円筒形支持体４１、４５によって形成される。より正確には、ステータ６４とロータ６２との間のこの密封は、好適にはカーボンで作られた２個のブラシガスケット６８によって達成される。これらのガスケット６８は、ステータ６４の前端部と後端部とに（より正確には、円筒形支持体４５の前端部４５ａと後端部４５ｂの自由縁部に）取り付けられ、これらのガスケットは、ロータ６２のための円筒形支持体４１の前端部と後端部とに押し付けられる（この構成は、逆も可能である）。
・ 発電機６０を収容するボックス内の（円筒形支持体４１と円筒形支持体４５とによって画定される）空間は、円筒形支持体４５の壁内に開いている補助空気供給ダクト７０によって加圧される。

この環境では、ステータコイル６４を冷却することも必要である。この冷却は、第１の一連のらせん状チャネル７２によって与えられ、第１の一連のらせん状チャネル７２は、円筒形支持体４５内で前から後ろに延び、かつ油供給部７４によって供給される。この第１の一連のらせん状チャネル７２は、後部軸受け４２を潤滑するために使用されるノズル５２と流体連通の状態にされる。

より正確には、これらのらせん状チャネル７２は、後部（図２において右）で、二重ヘッドノズル内に向けて開いており、二重ヘッドノズルは、ノズル５２と、ロータ６２を冷却するためにノズル５２とは反対方向を向き、すなわち高圧シャフト３８の方を向いているノズル７６とを含む。

第１の一連のらせん状チャネル７２への油供給部７４が、前部軸受け２８と中間軸受け３０のノズル４８、５０に供給する油供給部４９と共通の油回路によって、油を供給されるための準備が行われる。

この点で、第１の一連のらせん状チャネル７２を通った油が、後部軸受け４２がノズル５２を介して冷却されるのを可能にするために、十分に低い温度に留まることに留意されたい。

二次的事項として、円筒形シュラウド４０と円筒形支持体４１との間に配置された、第２の一連のらせん状チャネル７８を通る冷却油の流れによって、ロータ６２の磁石を冷却することも望まれる。

この目的のために、ロータ６２を冷却するためのノズル７６は、後部（図２において右）から始めて、円筒形シュラウド４０から第２の一連のらせん状チャネル７８に通り抜ける、開口部８０に面して配置される。

このようにして、ノズル７６からの油の全部または一部は、開口部８０（矢印参照）を、第２の一連のらせん状チャネル７８の後端部内に通り抜ける（図２において右に）。

第２の一連のらせん状チャネル７８の前端部は、中間軸受け３０に近いエンクロージャ４６内に油を放出するために役立つ開口部８２の位置に開いている（矢印を参照のこと）。

上記のことから、発電機６０が存在する本発明の構成では、種々の軸受けを潤滑し続け、さらに発電機の種々の部分を冷却するために潤滑回路を使用しながら、雰囲気が油の霧を含むエンクロージャ４６内に発電機が配置されても、この発電機を密封することができることは理解されるであろう。

このようにして、発電機のコイルとおそらくは磁石も、軸受けを潤滑するために役立つ油回路と同じ油回路によって冷却され、それによって、エンクロージャ内の油パイプが流れる経路が、追加の供給手段、パイプ、および油回収点または排出路によって、より複雑にされないことを確実にできる。

同様に、この発電機６０は、発電機−スタータまたは補助発電機をうまく構成できる。

エンジン内に発電機６０を、発電機−スタータまたは補助発電機として追加することが、発電機の磁気回路を支持するために含まれるはずの追加の軸受けを必要としないことに留意されたい。

図１、図２を参照しながら上記に説明された実施形態は、本発明の適用を限定するものではない。

高圧スプールだけを有するターボ機械に関しては、発電機は、第１の一連のらせん状チャネル７２が、軸受けを潤滑するために使用されるノズル内に開いている潤滑油回路によって延長されるように、高圧圧縮機のケーシングとロータとの間に配置された軸受けから上流側の単一の軸方向圧縮機のケーシングに取り付けられる。

本発明の統合された発電機の配置を示す、２スプール型バイパスターボジェットの概略的な半断面図である。 図１の細部ＩＩと、高圧ロータのシャフトの本発明の発電機の配置とを示す部分拡大図である。

符号の説明

１０ ターボジェット
１２ 周辺カウル
１４ ファン
１５、６２ ロータ
１６ 低圧圧縮機
１７ 中間ケーシング
１８ 高圧圧縮機
２０ 燃焼チャンバ
２２ 高圧タービン
２４ 低圧タービン
２６ 低圧シャフト
２８ 前部軸受け
３０ 中間軸受け
３２ チューブ
３４ 前部シュラウド
３６ 中間シュラウド
３８ 高圧シャフト
４０ 円筒形シュラウド
４１、４５ 円筒形支持体
４２ 後部軸受け
４４ 支持構造体
４６ エンクロージャ
４８、５０、５２、７６ ノズル
６０ 発電機
６４ ステータ
６６ 接続部
６８ ブラシガスケット
７２、７８ らせん状チャネル
７４ 油供給部
８０、８２ 開口部

Claims (11)

1. 高圧スプールと、ロータ（３８）に取り付けられ、かつケーシングを含む軸方向の高圧圧縮機（１８）と、前記圧縮機（１８）の前部であって前記圧縮機（１８）のケーシングとロータ（３８）との間に配置された少なくとも一つの後部軸受け（４２）とを含む、ターボ機械であって、前記ターボ機械が、前記スプールと同軸の発電機（６０）をさらに含み、該発電機（６０）が、圧縮機（１８）の前記ロータ（３８）と共に回転するように拘束された１次磁気回路（６２）と、前記ケーシングに固定された２次磁気回路（６４）とを含み、
   前記発電機（６０）が、前記後部軸受け（４２）から上流側に配置されることと、前記発電機（６０）が、第１の冷却回路（７２）を少なくとも含み、該第１の冷却回路（７２）が、前記２次磁気回路（６４）を取り囲み、かつ前記後部軸受け（４２）を潤滑するためのノズル（５２）によって延長されることとを特徴とする、ターボ機械。
2. 前記ターボ機械が、燃焼チャンバ（２０）をさらに含むことと、前記燃焼チャンバ（２０）から上流側で、前記スプールが、前記燃焼チャンバに空気を送るための前記軸方向の高圧圧縮機（１８）を呈し、前記燃焼チャンバから下流側で、前記スプールが、回転時に、前記圧縮機（１８）のロータ（３８）を駆動するための前記燃焼チャンバ（２０）からの高温ガスを受けるためのタービン（２２）を呈し、前記圧縮機が、複数の圧縮段を含んでおり、各圧縮段が、前記ケーシングに固定された静止ブレードのリングと、前記ロータの円板の周縁部から径方向に延びる可動ブレードのリングとを呈することとを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記ターボ機械が、前記高圧スプールから上流側に配置される低圧圧縮機（１６）を有する低圧スプールと、前記高圧スプールから下流側に配置されて、回転時に前記低圧圧縮機のロータ（１５）を駆動するために役立つ低圧タービン（２４）とをさらに含み、前記圧縮機が、複数の圧縮段を含み、各圧縮段が、静止ブレードのリングと、前記ロータの各円板の周縁部から径方向に延びる可動ブレードのリングとを呈し、前記ターボ機械が、低圧圧縮機（１６）と高圧圧縮機（１８）との間に配置された中間ケーシング（１７）をさらに含むことと、前記発電機の２次磁気回路（６４）が、前記中間ケーシング（１７）に固定されることと、前記後部軸受け（４２）が、前記中間ケーシング（１７）に取り付けられることとを特徴とする、請求項１または２に記載のターボ機械。
4. 前記発電機（６０）が、スタータとして動作するように構成されることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載のターボ機械。
5. 前記発電機（６０）が、補助発電機として動作するように構成され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ターボ機械。
6. 前記ターボ機械が、前記発電機（６０）から上流側で、前記中間ケーシング（１７）と前記低圧圧縮機のロータ（１５）との間に配置された少なくとも一つの前部軸受け（２８、３０）をさらに含むことと、前記第１の冷却回路（７２）が、前記前部軸受け（２８、３０）の潤滑油回路と連通していることとを特徴とする、請求項３に記載のターボ機械。
7. 前記ターボ機械が、前記１次磁気回路（６２）に取り囲まれ、かつ第１の冷却回路（７２）に接続された供給手段（７６）によって供給される第２の冷却回路（７８）をさらに含み、前記第２の冷却回路（７８）が、前記前部軸受け（２８、３０）の近傍で開いていることを特徴とする、請求項６に記載のターボ機械。
8. 前記第２の冷却回路（７８）の前記供給手段（７６）が、後部軸受け（４２）を潤滑するための前記ノズル（５２）と共に２ヘッドノズルを構成する、潤滑ノズルを含むことを特徴とする、請求項７に記載のターボ機械。
9. 前記２次磁気回路（６４）が、円筒形支持体（４５）に取り付けられることと、前記１次磁気回路（６２）が、円筒形支持体（４１）に取り付けられることと、環状の密封手段（６８）が、前記円筒形支持体（４１、４５）の端部間に配置され、それによって、前記発電機（６０）に発電機（６０）を取り巻く潤滑油雰囲気に対する耐性を与えていることとを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のターボ機械。
10. 前記第１の冷却回路（７２）が、第１の一連のらせん状チャネルを含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボ機械。
11. 前記第２の冷却回路（７８）が、第２の一連のらせん状チャネルを含むことを特徴とする、請求項７に記載のターボ機械。

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