JP2012524514A - 一体式ブラシレススタータ／発電機システム - Google Patents

Abstract

ブラシレススタータ／発電機は、ハウジング内に装着された固定子内に回転式に装着された回転子と、エンジン補機ギヤボックスからの冷却油を使用して回転子および固定子を冷却する油冷却システムとを含む。回転子は、回転子熱交換機が中に配設される回転子シャフト上に固定式に装着される。固定子を冷却するための固定子熱交換機は、ハウジング周りに油ジャケットを含む。固定子熱交換機は、ハウジング周りの溝付きチューブと、溝付きチューブ内で環状の入口マニホールドおよび出口マニホールドに連結された軸方向に延びる軸方向通路とを含む。回転子シャフトは、ギヤボックス内で動力取り出しシャフトに動作可能に連結され、補機ギヤボックスのギヤボックスケーシング内でシャフト軸受によって回転式に支持される。油冷却システムは、回転子と固定子の間の空隙に冷却油が入ることを防止する、乾燥空洞油冷却システムである。
【選択図】図３

Description

本発明は、航空機ガスタービンエンジンのスタータおよび発電機に関する。

航空機ガスタービンエンジンは、通常、ファンセクション、その後に続く、エンジンに入る空気の流れを圧縮する圧縮機と、燃料および空気の混合物を燃焼させる燃焼器と、高圧タービンセクションとを直流配置で有するコアエンジン、その後に続く、コアエンジンから排出された空気流からエネルギーを引き出して、推進力を発生させるファンセクションに動力供給する低圧タービンセクションを含む。

航空機および航空機のエンジン補機は、エンジン補機ギヤボックスに連結された動力取り出しシャフトを通じてエンジンによって機械的に駆動される。とりわけギヤボックスに装着される補機は、ガスタービンエンジンを始動させるためのスタータモータ、および、航空機用の電力を発生させるための発電機である。始動および電力発生の両方を実現するために単一のスタータ／発電機を提供することが知られている。ブラシ付きおよびブラシレスと称されるブラシ有りおよびブラシ無しのスタータ／発電機は、航空機ガスタービンエンジン内で電力を発生させ、始動させることで良く知られている。スタータ／発電機を冷却するために、空気および／または油冷却器を使用することが知られている。そのようなユニット内で電気を発生させると、アンペア数が限定され、しばしば、ブラシを使用する空気冷却式スタータ／発電機に必要とされる動力および燃料を奪う寄生流をまねく、冷却ファンおよびダクトを含む複雑な冷却機器が必要となる。

航空機ガスタービンエンジンスタータ／発電機の重量を低減しながら、アンペア出力量を増大させることが極めて望ましい。スタータ／発電機用の冷却機器の数量および複雑性を低減することが極めて望ましい。ブラシを使用する空気冷却式スタータ／発電機に必要とされる、動力および燃料を奪う寄生流を低減することが極めて望ましい。

航空機ガスタービンエンジンのブラシレススタータ／発電機は、ハウジング内に装着された固定子内に回転式に装着された回転子と、エンジン補機ギヤボックスからの冷却油を使用して回転子および固定子を冷却するための油冷却システムとを含む。回転子は、回転子シャフト上に固定式に装着され、油冷却システムは、回転子内に配設された回転子熱交換機を含む。

スタータ／発電機の例示的な実施形態は、さらに、固定子を冷却するための油ジャケットをハウジング周りに有する固定子熱交換機を含む。油冷却システムの例示的な実施形態は、回転子と固定子の間の空隙に冷却油が入ることを防止する乾燥空洞油冷却システムである。固定子熱交換機の例示的な実施形態は、ハウジング周りの溝付きチューブと、溝付きチューブ内の環状の入口マニホールドおよび出口マニホールドに連結された軸方向に延びる軸方向通路とを含む。軸方向に延びる軸方向通路は、溝付きチューブの内面から溝付きチューブ内に延びる軸方向に延びる溝でよい。

回転子熱交換機の例示的な実施形態は、回転子シャフト内に配設された円筒状の内側チューブと、内側チューブを取り囲みそれに連結された環状の外側チューブとを含む。

ブラシレススタータ／発電機は、ブラシレススタータ／発電機が中でエンジン補機ギヤボックスに装着される、航空機ガスタービンエンジンの一体式ブラシレススタータ／発電機システム内に組み込まれてよい。回転子は、ギヤボックス内に延び、ギヤボックス内の動力取り出しシャフトに、またはギヤボックス内の動力取り出しシャフトに動作可能に連結されたギヤトレインに動作可能に連結される。回転子シャフトは、補機ギヤボックス内でシャフト軸受によって回転式に支持されてよい。回転子シャフトは、補機ギヤボックスのギヤボックスケーシング内でシャフト軸受によって回転式に支持されてよい。

本発明の前述の態様および他の特徴が、添付の図を併用して、以下の記載において説明される。

航空機ガスタービンエンジン上に装着された航空機ガスタービンエンジンのブラシレススタータ／発電機の例示的な実施形態の断面図である。 図１に示すブラシレススタータ／発電機の概略図である。 図２に示すブラシレススタータ／発電機用の油冷却システムの概略図である。 図３に示す油冷却システムの軸方向および円周方向の溝の拡大図である。 図３に示す油冷却システムの円周方向の溝の断面図である。 図３に示す油冷却システムの環状の入口マニホールドの断面図である。 図３に示す油冷却システムの環状の出口マニホールドの断面図である。 図２に示すブラシレススタータ／発電機用の代替の油冷却システムの概略図である。

図１に示すのは、長手方向軸１１を有するガスタービンエンジン１０の例示的な実施形態である。エンジン１０は、ファンセクション１２、その後に続く高圧圧縮機１４として表されるコアエンジンを含む。高圧圧縮機１４は、第１のシャフト３２を介して高圧タービン（図示せず）によって駆動される。ファンセクション１２は、第２のシャフト３１を介して、コアエンジンの下流側の低圧タービン（図示せず）によって駆動される。

ブラシレススタータ／発電機１１０（ＢＳＧ）は、エンジン補機ギヤボックス９０に装着され、例示的な動力取り出しシャフト１００にまたは代替的にエンジン補機ギヤボックス９０内で動力取り出しシャフト１００に動作可能に連結されたギヤトレイン１０１（図２に概略的に示す）に動作可能に連結された回転子シャフト８０を含む。回転子シャフト８０上に固定式に装着された駆動シャフトベベルギヤ７０は、動力取り出しシャフト１００に装着された動力取り出しシャフトベベルギヤ７２と係合する。ブラシレススタータ／発電機１１０は、スタータモードで作動されるとき、始動する目的で動力取り出しシャフト１００を通じてエンジンを回転させ駆動させる。ブラシレススタータ／発電機１１０は、発電機モードで作動されるとき、航空機用の電力を発生させる目的でエンジンによって動力取り出しシャフト１００を通じて回転され、駆動され、動力供給される。

図２に概略的に示すように、ブラシレススタータ／発電機１１０は、低重量および高信頼性のシステムを提供するために補機ギヤボックス９０と高度に一体化される。ブラシレススタータ／発電機１１０は、ハウジング１１６内に収容された環状の高速回転子１１２と、環状の静止固定子１１４とを含む。本明細書で示すブラシレススタータ／発電機１１０の例示的な実施形態は、吊り下げ設計で回転子シャフト８０上に装着された回転子１１２を含み、この場合、回転子シャフト８０は、補機ギヤボックス９０のギヤボックスケーシング１２２内に配設されたシャフト軸受１２０によって回転式に支持されている。したがって、軸受は、ブラシレススタータ／発電機１１０内に必要とされないが、組み込まれてもよい。本明細書で示すＢＳＧの例示的な実施形態は、回転子シャフト８０上に装着された、かご形タイプの回転子１１２を組み込む。

図３を参照すれば、ＢＳＧは、補機ギヤボックス９０からの油３０を使用して回転子１１２および固定子１１４を冷却する油冷却システム３４を有しており、それによって一部の保守をさらに簡易化および解消することができる。補機ギヤボックス９０からの油を使用してＢＳＧを冷却することはまた、空気冷却式ブラシ付きスタータ／発電機に必要とされる、スタータ／発電機の冷却ファンおよび関連する導管／寄生流を解消することも可能にする。ＢＳＧ油冷却システム３４は、乾燥空洞冷却を組み込み、これを用いて、ＢＳＧ内で発生した熱が、エンジン潤滑油システムによる対流によって、またエンジンギヤボックスへの伝導によって除去される。乾燥空洞油冷却システム３４の設計は、冷却油をＢＳＧに使用される絶縁体４０と接触させないようにする回転子熱交換機３６と、固定子熱交換機３８とを含む。

冷却油は、回転子１１２と固定子１１４の間の空隙４２内には認められない。この乾燥空洞設計は、油が、絶縁体などの非金属材料と接触することが可能になる一般的な湿潤空洞設計に比べて信頼性を向上させる。絶縁体は、巻線上に高温油が直接衝突しないため劣化することがない。浸食した絶縁体材料が油内に懸濁することはなく、したがって、（特に共有油システムに重要である）油汚染を防止する。油は、噴射されることも空気と混合されることもないため、起泡は存在せず、空気／油分離器は必要とされない。回転子と接触する遊離油が存在しないことにより、回転子の風損も低減される。

回転子１１２は、ＢＳＧ回転子シャフト８０の中央領域を通って流れる油を用いて対流によって冷却される。本明細書において示す回転子熱交換機３６の例示的な実施形態は、回転子シャフト８０内に配設された円筒状の内側チューブ１４２と、内側チューブ１４２を取り囲む環状の外側チューブ１４４とを含む。内側チューブ１４２および外側チューブ１４４は、外側チューブ１４４上のキャップになり得る円筒状のクロスオーバ１４５によって互いに連結される。内側チューブ１４２および外側チューブ１４４は、回転子熱交換機３６の軸方向の流入および流出通路として働く。補機ギヤボックス９０から供給される冷却油は、回転子シャフト８０内に配設された内側チューブ１４２内側のシャフト内に流入し、内側チューブ１４２周りに配設された環状の外側チューブ１４４を通って補機ギヤボックス９０のギヤボックスに戻る。

図３〜６に示す固定子熱交換機３８の例示的な実施形態は、油ジャケット１５０を含む。油ジャケット１５０は、ハウジング１１６の周りに溝付きチューブ１５１を用いて形成され、軸方向に延びる軸方向通路１５２、または単一パスの平行な油の流れをもたらす溝を含む。溝付きチューブ１５１は、押し出しアルミニウムから作製され得る。環状の入口マニホールド１５４および出口マニホールド１５６は、油の入口および出口の分配をもたらし、油ジャケット１５０の周囲全体にわたって均一の流れを供給するように設計される。軸方向に延びる軸方向通路１５２は、図５にさらに示すように、溝付きチューブ１５１の内面１５３から溝付きチューブ１５１内に延びる軸方向に延びる溝でよい。環状の入口マニホールド１５４および出口マニホールド１５６は、図６および７にさらにそれぞれ示すように、溝付きチューブ１５１の内面１５３それぞれから溝付きチューブ１５１内に延びる環状溝でよい。溝付きチューブ１５１とハウジング１１６の間のＯ−リングのシーリング１３６が、マニホールド環状入口１５４および出口マニホールド１５６の外側に設けられ、油の漏出を防止する。

油は、ＢＳＧフランジ１６０内に装着された入口油継手１５８を通って油入口１５９から入口マニホールド１５４に供給される。油は次いで、平行な軸方向通路１５２を通って出口マニホールド１５６に軸方向に流れ、油入口１５９から１８０°離れて油出口１６１を通って出口マニホールド１５６から出る。油入口１５９および油出口１６１を１８０°離して設けることにより、すべての油路は、本質的に同じ長さとなり、油は、均一に分配される。油は、ＢＳＧフランジ１６０内に装着された出口油継手１６２によって補機ギヤボックス９０に戻される。固定子コアはまた、エンジンギヤボックスのハウジングへの伝導によっても冷却される。

図８に示す固定子熱交換機３８の代替の実施形態は、軸方向に延びる軸方向通路または単一パスの平行な油の流れをもたらす軸方向チューブ１７２を備えたかご形熱交換機１７０を含む。環状の入口マニホールド１７４および出口チューブマニホールド１７６は、油の入口および出口の分配をもたらし、かご形熱交換機１７０中、特に軸方向に延びる軸方向チューブ１７２内に均一な流れを供給するように設計される。

本発明が例示的に説明されてきた。使用されている用語は、限定ではなく、説明上の言葉の性質であることが意図されることを理解されたい。好ましいと考えられるものおよび本発明の例示的な実施形態を本明細書で説明してきたが、本発明の他の改変形態は、本明細書における教示から当業者に明らかなものとなり、したがって、すべてのそのような改変形態を、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれるものとして付属の特許請求の範囲内に確保することが望ましい。

したがって、米国の特許証によって確保されることが望ましいものは、特許請求の範囲で定義され差別化される本発明である。

１０ ガスタービンエンジン
１１ 長手方向軸
１２ ファンセクション
１４ 高圧圧縮機
３１ 第２のシャフト
３２ 第１のシャフト
３４ 乾燥駆動油冷却システム
３６ 回転子熱交換機
３８ 固定子熱交換機
４０ 絶縁体
４２ 空隙
７０ 駆動シャフトベベルギヤ
７２ 動力取り出しシャフトベベルギヤ
８０ 回転子シャフト
９０ エンジン補機ギヤボックス
１００ 動力取り出しシャフト
１０１ ギヤトレイン
１１０ ブラシレススタータ／発電機
１１２ 高速回転子
１１４ 静止固定子
１１６ ハウジング
１２０ シャフト軸受
１２２ ケーシング
１３６ シーリング
１４２ 内側チューブ
１４４ 外側チューブ
１４５ クロスオーバ
１５０ 油ジャケット
１５１ 溝付きチューブ
１５２ 軸方向通路
１５３ 内面
１５４ 入口マニホールド
１５６ 出口マニホールド
１５８ 入口油継手
１５９ 油入口
１６０ ＢＳＧフランジ
１６１ 油出口
１６２ 出口油継手
１７０ かご形熱交換機
１７２ 軸方向チューブ
１７４ 入口マニホールド
１７６ 出口マニホールド

Claims (20)

1. 航空機ガスタービンエンジンのブラシレススタータ／発電機であって、
   ハウジング内で装着された固定子内で回転式に装着された回転子と、
   エンジン補機ギヤボックスからの冷却油を使用して前記回転子および前記固定子を冷却するための油冷却システムとを備え、
   前記回転子が、回転子シャフト上に固定式に装着され、
   前記油冷却システムが、前記回転子内に配設された回転子熱交換機を含む、スタータ／発電機。
2. 前記油冷却システムが、前記固定子を冷却するための固定子熱交換機であって、前記ハウジング周りに油ジャケットを含む固定子熱交換機を含む、請求項１記載のスタータ／発電機。
3. 前記固定子熱交換機が、前記ハウジング周りの溝付きチューブと、前記溝付きチューブ内で環状の入口マニホールドおよび出口マニホールドに連結された軸方向に延びる軸方向通路とを含む、請求項２記載のスタータ／発電機。
4. 前記軸方向に延びる軸方向通路が、前記溝付きチューブの内面から前記溝付きチューブ内へと延びる軸方向に延びる溝である、請求項３に記載のスタータ／発電機。
5. 前記固定子熱交換機が、前記回転子シャフト内に配設された円筒状の内側チューブと、前記内側チューブを取り囲み前記内側チューブに連結された環状の外側チューブとを含む、請求項１記載のスタータ／発電機。
6. 前記油冷却システムが、前記固定子を冷却するための固定子熱交換機であって、前記ハウジング周りに油ジャケットを含む固定子熱交換機を含む、請求項５記載のスタータ／発電機。
7. 前記固定子熱交換機が、前記ハウジング周りの溝付きチューブと、前記溝付きチューブ内で環状の入口マニホールドおよび出口マニホールドに連結された軸方向に延びる軸方向通路とを含む、請求項６記載のスタータ／発電機。
8. 前記軸方向に延びる軸方向通路が、前記溝付きチューブの内面から前記溝付きチューブ内へと延びる軸方向に延びる溝である、請求項７記載のスタータ／発電機。
9. 前記油冷却システムが、前記回転子と前記固定子の間の空隙に冷却油が入ることを防止するための手段を含む乾燥空洞油冷却システムである、請求項１記載のスタータ／発電機。
10. 航空機ガスタービンエンジンの一体式ブラシレススタータ／発電機システムであって、
    ハウジング内に装着された固定子内で回転式に装着された回転子を含み、エンジン補機ギヤボックスに装着されたブラシレススタータ／発電機であって、前記回転子が、前記ギヤボックス内に延び、前記ギヤボックス内で動力取り出しシャフトにまたは前記ギヤボックス内で前記動力取り出しシャフトに動作可能に連結されたギヤトレインに動作可能に連結された回転子シャフト上に固定式に装着される、ブラシレススタータ／発電機と、
    エンジン補機ギヤボックスからの冷却油を使用して前記回転子および前記固定子を冷却するための油冷却システムであって、前記回転子内に配設された回転子熱交換機を含む、油冷却システムと
    を備える、システム。
11. 前記回転子シャフトが、前記補機ギヤボックス内でシャフト軸受によって回転式に支持された、請求項１０記載のシステム。
12. 前記回転子シャフトが、前記補機ギヤボックスのギヤボックスケーシング内でシャフト軸受によって回転式に支持された、請求項１０記載のシステム。
13. 前記油冷却システムが、前記固定子を冷却するための固定子熱交換機であって、前記ハウジング周りに油ジャケットを含む固定子熱交換機を含む、請求項１１記載のシステム。
14. 前記固定子熱交換機が、前記ハウジング周りの溝付きチューブと、前記溝付きチューブ内で環状の入口マニホールドおよび出口マニホールドに連結された軸方向に延びる軸方向通路とを含む、請求項１３記載のシステム。
15. 前記軸方向に延びる軸方向通路が、前記溝付きチューブの内面から前記溝付きチューブ内へと延びる軸方向に延びる溝である、請求項１４記載のシステム。
16. 前記回転子熱交換機が、前記回転子シャフト内に配設された円筒状の内側チューブと、前記内側チューブを取り囲み前記内側チューブに連結された環状の外側チューブとを含む、請求項１２記載のシステム。
17. 前記油冷却システムが、前記固定子を冷却するための固定子熱交換機であって、前記ハウジング周りに油ジャケットを含む固定子熱交換機を含む、請求項１６記載のシステム。
18. 前記固定子熱交換機が、前記ハウジング周りの溝付きチューブと、前記溝付きチューブ内で環状の入口マニホールドおよび出口マニホールドに連結された軸方向に延びる軸方向通路とを含む、請求項７記載のシステム。
19. 前記軸方向に延びる軸方向通路が、前記溝付きチューブの内面から前記溝付きチューブ内へと延びる軸方向に延びる溝である、請求項１８記載のシステム。
20. 前記油冷却システムが、前記回転子と前記固定子の間の空隙に冷却油が入ることを防止するための手段を含む乾燥空隙油冷却システムである、請求項１２記載のシステム。

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