特許 7416081 発電機及び当該発電機を備える航空機用多軸式ガスタービンエンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-09

(45)【発行日】2024-01-17

(54)【発明の名称】発電機及び当該発電機を備える航空機用多軸式ガスタービンエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02C 6/00 20060101AFI20240110BHJP

   F01D 15/10 20060101ALI20240110BHJP

   H02K 7/18 20060101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

F02C6/00 B

F01D15/10 A

H02K7/18 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021550327

(86)(22)【出願日】2020-06-18

(86)【国際出願番号】 JP2020023990

(87)【国際公開番号】W WO2021065100

(87)【国際公開日】2021-04-08

【審査請求日】2022-02-03

(31)【優先権主張番号】P 2019179771

(32)【優先日】2019-09-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】関 直喜

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０６３７８２９３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２５２７６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１４４７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０３２７５８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－１５１１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５３７６８２７（ＵＳ，Ａ）

【文献】英国特許出願公告第１１４１００１（ＧＢ，Ａ）

【文献】米国特許第５８６７９７９（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３１６４８６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ １５／１０

Ｆ０２Ｃ ６／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｈ０２Ｋ ７／１８

Ｈ０２Ｋ ２１／１４

Ｈ０２Ｐ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

航空機用多軸式ガスタービンエンジンに搭載される発電機であって、
前記ガスタービンエンジン内の低圧軸用軸受によって回転可能に支持される低圧軸の後端部に取り付けられる回転子と、
前記回転子の周りに設けられる固定子と、
を備え、
前記低圧軸及び前記回転子を支持する構造を持たない、
発電機。

【請求項2】

前記固定子は、前記低圧軸の撓みによる前記回転子の位置ずれを許容する距離だけ前記回転子から離れている、
請求項１に記載の発電機。

【請求項3】

前記回転子は、その回転中心に前記低圧軸が挿通された状態で、前記低圧軸に取り付けられる、
請求項１に記載の発電機。

【請求項4】

前記回転子は周方向に配列する複数の磁石を含み、
前記固定子は帯状電線からなる多層巻線を含む、
請求項１～３のうちの何れか一項に記載の発電機。

【請求項5】

前記回転子は、前記低圧軸の前記後端部に直結している、
請求項１～４のうちの何れか一項に記載の発電機。

【請求項6】

前記回転子を挟持する一対の締結部材を更に備え、
前記一対の締結部材のうちの第１の締結部材は、前記軸受と前記回転子の間で前記低圧軸に摺動可能に装着された環状部材であり、
前記一対の締結部材のうちの第２の締結部材は、前記第１の締結部材に向けて前記回転子を押すように前記低圧軸に螺合する、
請求項１～５のうちの何れか一項に記載の発電機。

【請求項7】

前記回転子は、前記低圧軸の前記後端部が挿通される挿通孔を有し、
前記挿通孔の内面の少なくとも一部には、前記低圧軸と前記回転子の間のぐらつきを規制する嵌合面を有する、
請求項１～６のうちの何れか一項に記載の発電機。

【請求項8】

請求項１～７のうちの何れか一項に記載の発電機を備える航空機用多軸式ガスタービンエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、発電機及び当該発電機を備える航空機用多軸式ガスタービンエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

航空機用ガスタービンエンジンは、コンプレッサ及びタービン等の推進機構に加え、機体の電気系統に電力を供給するための発電機を搭載している。発電機は、ファンケースまたはコンプレッサケースの近傍に設けられたアクセサリ・ギアボックス(AGB: Accessory-drive Gearbox)に収容されている。発電機には数十～数百ｋＷ程度の出力が要求される。また、界磁巻線（電磁石）を回転子として備える同期発電機が多用されている。

【0003】

多軸式ガスタービンエンジンは、コンプレッサおよびタービンを複数段備えている。このエンジンにおいて、発電機は、高圧コンプレッサと高圧タービンを連結する高圧軸（高圧スプール）に、ギアボックス及びドライブシャフト等を介して接続されている。高圧軸の回転エネルギーの一部は、このギアボックス等を介して発電機に伝達され、これにより発電機は駆動される。

【0004】

近年では、航空機の電動化(MEA: More Electric Aircraft)等からの要請に伴い、機内の電力需要が増大している。そのため、これまで一般的であった高圧軸からの抽出力を利用する発電方式だけでなく、低圧コンプレッサと低圧タービンとを連結する低圧軸（低圧スプール）からの抽出力を利用する発電方式も提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００６－１５３０１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の通り、電力需要は今後も益々増大することが予想され、発電機も数十～数百ｋＷ程度の出力をもつ必要がある。最大出力の増大に伴い、発電機は必然的に大型化する。回転子も大型になり、その重量も増加するため、回転子は軸受等によって支持する必要がある。従って、回転子は、軸受によって軸方向の移動が制限されることになる。

【0007】

低圧軸は、エンジン内で複数の軸受により支持されている。低圧軸の後端側は、ころ軸受等によって支持され、軸方向の伸縮が許容されている。従って、特許文献１のように、発電機を低圧軸に取り付ける場合には、この伸縮を許容するスプライン等の機構が必要になる。しかしながら、低圧軸は、その回転時のバランスを維持するように極めて精巧に設計されている。従って、発電機を低圧軸に接続する場合は、低圧軸の回転動作との干渉を極力回避する必要がある。

【0008】

本開示は、上述の事情を鑑みて成されたものであり、航空機用多軸式ガスタービンエンジンの低圧軸の動作に干渉することなく、当該低圧軸によって駆動される発電機及び当該発電機を備える航空機用多軸式ガスタービンエンジンの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の第１の態様は航空機用多軸式ガスタービンエンジンに搭載される発電機であって、前記ガスタービンエンジン内の低圧軸用軸受によって回転可能に支持される低圧軸の後端部に取り付けられる回転子と、前記回転子の周りに設けられる固定子と、を備え、前記低圧軸及び前記回転子を支持する構造を持たないことを要旨とする。

【0010】

前記固定子は、前記低圧軸の撓みによる前記回転子の位置ずれを許容する距離だけ前記回転子から離れていてもよい。前記回転子は、その回転中心に前記低圧軸が挿通された状態で、前記低圧軸に取り付けられていてもよい。前記回転子は周方向に配列する複数の磁石を含み、前記固定子は帯状電線からなる多層巻線を含んでもよい。前記回転子は、前記低圧軸の前記後端部が挿通される挿通孔を有してもよく、前記挿通孔の内面の少なくとも一部には、前記低圧軸と前記回転子の間のぐらつきを規制する嵌合面を有してもよい。

【0011】

本開示の第２の態様は、第１の態様に係る発電機を備える航空機用多軸式ガスタービンエンジンである。

【発明の効果】

【0012】

本開示によれば、航空機用多軸式ガスタービンエンジンの低圧軸の動作に干渉することなく、当該低圧軸によって駆動される発電機及び当該発電機を備える航空機用多軸式ガスタービンエンジンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本開示の実施形態に係る発電機を搭載する航空機用ガスタービンエンジンの構成図である。

【図2】図２は、本開示の実施形態に係る航空機用ガスタービンエンジンのブロック図である。

【図3】図３は、本開示の実施形態に係る発電機とその周囲を示す拡大図である。

【図4】図４は、図３のＡ－Ａ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示の実施形態に係る発電機について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

【0015】

本実施形態に係る航空機用ガスタービンエンジンは、例えば、ターボファンエンジン、ターボジェットエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジン、などが挙げられる。また、本実施形態に係るガスタービンエンジンは、コンプレッサおよびタービンを複数段備える多軸式のガスタービンエンジンである。以下の説明では航空機用多軸式ガスタービンエンジンとしてターボファンエンジンを例に挙げ、説明の便宜上、単にエンジンと称する。

【0016】

図１は本実施形態に係る発電機３０を搭載するエンジン１０の構成図である。図２はエンジン１０のブロック図である。図１に示すように、エンジン１０は二軸式のターボファンエンジンである。エンジン１０は、ファン１１と、低圧コンプレッサ１２と、高圧コンプレッサ１３と、燃焼室１４と、高圧タービン１５、低圧タービン１６とを備える。

【0017】

低圧コンプレッサ１２と低圧タービン１６は、低圧軸（低圧スプール）１７を介して連結され、高圧コンプレッサ１３と高圧タービン１５は、高圧軸（高圧スプール）１８を介して連結されている。なお、本実施形態に係るエンジンは、中圧コンプレッサ（図示せず）と、中圧タービン（図示せず）と、これらを連結する中圧軸（中圧スプール、図示せず）を更に備える三軸式のものでもよい。何れの場合も、本実施形態に係る発電機３０はテールコーン１９内に設置され、低圧軸１７によって駆動される。

【0018】

エンジン１０の基本的な構成及び動作（即ち、気体の圧縮、燃焼、圧力エネルギーから運動（回転）エネルギーへの変換など）は、従来のものと同一である。即ち、ファン１１は気体（作動流体）を吸入し、後方へ排出する。ファン１１を通過した気体の一部は、コア流路２０を介して低圧コンプレッサ１２に流入する。低圧コンプレッサ１２は、ファン１１から流入した気体を圧縮し、高圧コンプレッサ１３に排出する。高圧コンプレッサ１３は、低圧コンプレッサ１２によって圧縮された気体を更に圧縮し、燃焼室１４に供給する。

【0019】

燃焼室１４は、高圧コンプレッサ１３によって圧縮された気体と燃料との混合ガスを燃焼し、高圧タービン１５に排出する。燃焼ガスは、高圧タービン１５を通過する間に膨張しつつ、高圧タービン１５を回転させる。この回転エネルギーが高圧軸１８を介して、高圧コンプレッサ１３に伝達され、高圧コンプレッサ１３が回転する。

【0020】

高圧タービン１５を通過した燃焼ガスは、低圧タービン１６を通過する間に更に膨張しつつ、低圧タービン１６を回転させる。この回転エネルギーが低圧軸１７を介して低圧コンプレッサ１２及びファン１１に伝達され、低圧コンプレッサ１２及びファン１１が回転する。低圧タービン１６を通過した燃焼ガスは、ダクト２１を経てエンジン１０の外部に排出される。

【0021】

高圧軸１８は、エンジン１０内に設けられた軸受２２、２２によって回転可能に支持されている。図２に示すように、高圧軸１８の前端にはインターナル・ギアボックス２３が設置されている。インターナル・ギアボックス２３は複数のギア（図示せず）によって構成され、高圧軸１８の回転エネルギーの一部を抽出する。抽出された回転エネルギーは、ドライブシャフト２４等を介して、アクセサリ・ギアボックス(以下AGB: Accessory Gear Box)２５に伝達される。

【0022】

ＡＧＢ２５はファンケース２７またはコンプレッサケース４３の近傍に設置され、燃料ポンプ、スタータ等の補機（図示せず）を収容している。また、ＡＧＢ２５は発電機２６も収容している。発電機２６は、エンジン専用の発電機であるオルタネータと、その他全体の電力を賄うジェネレータとによって構成され、何れもドライブシャフト２４を介して伝達された高圧軸１８の回転エネルギーによって駆動される。

【0023】

低圧軸１７は、エンジン１０内に設けられた軸受２８、２９によって回転可能に支持されている。軸受２８はエンジン１０内の前方に設けられ、例えばファン１１と低圧コンプレッサ１２の間に位置する。軸受２８は玉軸受（ボールベアリング）であり、低圧軸１７の軸方向の移動を規制する。一方、軸受２９はエンジン１０内の後方に設けられ、低圧タービン１６の後方に位置する。軸受２９はころ軸受（ローラベアリング）であり、低圧軸１７の軸方向の移動を許容する。つまり、低圧軸１７は、熱膨張による伸長が許容された状態で、回転可能に支持されている。

【0024】

図１に示すように、テールコーン１９には発電機３０が収容されている。発電機３０は低圧軸１７に接続し、低圧軸１７の回転エネルギーによって駆動され、機体及びエンジン１０の少なくとも一方に電力を供給する。以下、この発電機３０について説明する。

【0025】

図３は、発電機３０とその周囲を示す拡大図である。図４は、図３のＡ－Ａ断面図である。これらの図に示すように、発電機３０は、回転子３１と、固定子３２とを備えている。本実施形態の発電機３０は同期発電機であり、磁界の発生源（界磁）は回転子３１である。

【0026】

回転子３１は、その回転中心（即ち中心軸Ｚ）に低圧軸１７が挿通された状態で、低圧軸１７の後端部１７ａに取り付けられている。換言すれば、回転子３１は、上述の状態で、低圧軸１７の後端部１７ａに取り付け可能に設けられている。低圧軸１７の後端部１７ａの最後部は回転子３１よりも後方に位置し、この最後部には例えば後述の締結部材３８が取り付けられる。回転子３１は、低圧軸１７の後端部１７ａに直結しており、低圧軸１７と共に同一の速度で一体的に回転する。

【0027】

発電機３０は、軸受等のように、低圧軸１７及び回転子３１を支持する構造を持たない。換言すれば、発電機３０は、回転子３１と、固定子３２との間隔を規定する機構を持たない。つまり、低圧軸１７に取り付けられた回転子３１の位置は、エンジン１０内にある低圧軸１７の軸受２９によって維持されている。

【0028】

回転子３１は、回転子コア（芯材）３３と、複数の磁石３４と、リテーニングスリーブ３５とを備えている。回転子コア３３は、強磁性の金属部材であり、中心軸Ｚに沿って延伸する筒状に形成されている。また、回転子コア３３は、中心軸Ｚを中心とし、中心軸Ｚに沿って延伸する挿通孔３６を有する。挿通孔３６には、低圧軸１７の後端部１７ａが挿通される。

【0029】

挿通孔３６の内面３６ａは、少なくとも一部に、低圧軸１７の後端部１７ａとの嵌合面３６ｂを有する。嵌合面３６ｂは、中心軸Ｚの全周に亘る環状に形成され、低圧軸１７が挿通孔３６に挿通されたときの低圧軸１７と回転子３１の間のぐらつき（即ち両者間の軸ずれ及び傾斜）を規制する。従って、嵌合面３６ｂの直径（内径）は、当該嵌合面３６ｂに対向する低圧軸１７の後端部１７ａの直径（外径）に略等しく、その値は回転子３１の装着時に摩擦が生じる程度の値に設定される。

【0030】

回転子３１は、例えば、一対の締結部材３７、３８の挟持によって、低圧軸１７に取り付けられる。締結部材３７は摺動可能に低圧軸１７に装着される環状部材である。締結部材３７は、軸受２９と回転子３１の間に位置する。締結部材３８は、低圧軸１７の後方から低圧軸１７に螺合される環状部材である。締結部材３８は、螺合が進むに従って軸受２９に接近する。この接近に伴い、締結部材３７と回転子３１は軸受２９に向けて押される。締結部材３８の更なる螺合により、締結部材３７は、軸受２９の内輪に当接する。この当接により、締結部材３７と回転子３１の移動が規制され、その結果、回転子３１は締結部材３７と締結部材３８の間で挟持され、その位置が保持される。

【0031】

複数の磁石３４は、回転子コア３３の外周に設置される。複数の磁石３４は、極性を交互に変えながら、周方向ＣＤに配列している。各磁石３４は、十分な磁力と高い機械的強度を有するものが好ましい。このような特性を有する磁石３４は、例えば、ネオジム磁石またはサマリウムコバルト磁石のような永久磁石である。但し、磁石３４はネオジム磁石またはサマリウムコバルト磁石に限られず、所望の磁力及び機械的強度等を満たすものであればよい。

【0032】

リテーニングスリーブ３５は、非磁性金属の環状部材である。リテーニングスリーブ３５は、その剛性によって、磁石３４を外側から保持する。従って、リテーニングスリーブ３５は、回転子コア３３に対する磁石３４の相対的な位置を維持する寸法（内径）を有する。

【0033】

固定子３２は回転子３１の周りに設けられる。固定子３２は、低圧軸１７の撓みによる回転子３１の位置ずれを許容する距離Ｄだけ回転子３１から離れている。換言すれば、固定子３２と回転子３１の互いの対向面は、径方向ＲＤにおいて距離Ｄだけ離れている。この距離Ｄの値は主に低圧軸１７の寸法及び材質を考慮して設定され、本実施形態では例えば４ｍｍ程度である。

【0034】

固定子３２は、当該固定子３２を収容するケーシング（ハウジング）３９内に保持されている。ケーシング３９は、固定子３２に対して相対的に移動することの無いエンジン１０の所定の部材に取り付けられている。

【0035】

固定子３２は、固定子コア４０と、多層巻線４１とを備えている。固定子コア４０は、複数の磁極４０ａと、複数の磁極４０ａを磁気的に結合するヨーク４０ｂとを有する。複数の磁極４０ａは、中心軸Ｚを起点として放射状に（径方向ＲＤに）延伸し、且つ、中心軸Ｚに沿って延伸する。また、各磁極４０ａは、周方向ＣＤに一定の角度間隔をおいて配列している。ヨーク４０ｂは、複数の磁極４０ａを囲む中空の筒状に形成され、各磁極４０ａを支持すると共にこれらを磁気的に結合する。

【0036】

多層巻線４１は、互いに隣接する２つの磁極４０ａ、４０ａの間の空間４２に設置される。本実施形態の多層巻線４１は径方向ＲＤに積層した帯状電線からなる。帯状電線は例えば断面矩形の平角線である。帯状電線の積層は占積率を向上させる。なお、多層巻線４１は固定子３２内を流通する冷却油によって冷却されている。

【0037】

上述の通り、発電機３０は回転子３１を支持する構造を持たない。また、回転子３１と低圧軸１７の直結によって、低圧軸１７と発電機３０との間に、クラッチや定速駆動制御装置などの装置が介在しない。従って、発電機３０は、低圧軸１７の動作（即ち伸縮及び回転）に干渉することなく、低圧軸１７によって駆動される。また、スプライン又はジョイントなどによる接続構造が不要なため、このような接続構造の寿命が十分確保できない問題を根本的に回避することができる。

【0038】

また、回転子３１の支持は、通常設置されている、エンジン１０内の低圧軸１７の軸受２９が担っている。換言すれば、軸受などの回転子３１の支持構造が、新たに付加されることはない。また、上述の通り、定速駆動制御装置などの装置も介在しない。つまり、本実施形態は、低圧軸１７に対して相対的に異なる速度で低圧軸１７に接触する構造（装置）を付加しない。つまり、低圧軸１７の回転に干渉する機械的な構造（装置）が存在しないため、エンジン１０の信頼性（安全性）を確保しつつ、増大する電力需要に応えることができる。

【0039】

回転子３１は、その回転中心に低圧軸１７が挿通された状態で、低圧軸１７に取り付けられている。従って、発電機３０の設置によるエンジン１０の全長の過大な増加を回避できる。例えば、テールコーン１９の寸法（長さ）の過大な増加を抑制でき、テールコーン１９の大幅な設計変更を回避できる。

【0040】

回転子３１を支持する低圧軸１７は、エンジン１０の動作時（即ち低圧軸１７の回転時）に撓み、この撓みに伴って回転子３１の位置がずれる。つまり、この撓みによって、回転子３１が固定子３２に接触するおそれがある。しかしながら、回転子３１と固定子３２の間の距離Ｄは、この撓みに伴う回転子３１の位置ずれを許容する値に設定されている。従って、エンジン１０の動作時における回転子３１と固定子３２の互いの衝突と、この衝突による発電機３０の破損を防止できる。

【0041】

距離Ｄは、低圧軸１７の撓みを無視した場合に想定される回転子３１と固定子３２の間の距離よりも大きい。一方、本実施形態では、固定子３２の多層巻線４１に帯状電線を採用し、これを積層させることで占積率を高めている。つまり、占積率を向上させることにより、この距離の増加による磁気抵抗の増加と発電効率の低下を補償している。換言すれば、限られた空間の中で高い起磁力を確保し、大きなすき間があっても十分なトルクを発生させ、高い発電効率を得ることができる。

【0042】

なお、発電機３０は、上述のようにＡＧＢ２５内の発電機２６と併用してもよく、発電機２６を省略して単独で用いてもよい。発電機３０と発電機２６を併用する場合は、両者の大型化が抑制されるため、ＡＧＢ２５内の動力損失の拡大を抑制しつつ、増大する電力需要に応えることができる。発電機３０を単独で用いる場合は、発電機２６の省略によるエンジン１０の総重量の軽減を図ることができる。

【0043】

なお、本開示は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】