JP2008032016A - ガスタービンエンジンアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ファンと高圧タービンの効率を共に向上可能なファンエンジンの提供。
【解決手段】タービンエンジンアセンブリは、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含むコアガスタービンエンジン１３と、コアガスタービンエンジンから軸方向後方に結合された低圧タービン２０と、コアガスタービンエンジンから軸方向前方に結合されたファンアセンブリ１２と、低圧タービンと共に第１の回転速度で回転するように、低圧タービンに結合されたブースタ圧縮機２２とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンアセンブリ及びそれを組立てる方法に関する。

少なくともいくつかの周知のガスタービンエンジンは、ファンアセンブリ、コアエンジン及び低圧タービン又は出力タービンを含む。コアエンジンは、少なくとも１つの圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンとを含み、それらの構成要素は、互いに直列流れ関係で結合される。コアエンジンに入った空気は、燃料と混合され且つ点火されて、高エネルギーガス流れを形成する。高エネルギーガス流れは高圧タービンを通って流れ、高圧タービンを回転自在に駆動し、更に第１の駆動軸を介して圧縮機を回転自在に駆動する。ガス流れは、高圧タービンを通って流れる間に膨張し、低圧タービンの駆動を補助する。低圧タービンは、第２の駆動軸を介してファンアセンブリを回転自在に駆動する。

エンジン効率を向上するためには、ファン効率を改善するようにファンアセンブリを相対的に低速で動作させると共に、タービン効率を改善するように高圧タービンを相対的に高速で動作させることが望ましい。従って、総エンジン効率を向上するために、ファン速度及び高圧タービン速度はいずれも完全には最適化されない。

そこで、ファンアセンブリの動作速度を低下するのを助けるために、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、低圧タービンとファンアセンブリとの間に結合された歯車箱を含む。しかし、ファンアセンブリの速度を低下し、それによりファンアセンブリの効率を向上するために歯車箱を利用すると、ブースタ圧縮機へ搬送される気流の量が減少してしまう。その結果、適正な圧力を実現するために、ブースタ圧縮機に更に段が追加される。それにより、エンジンの総重量が増し、エンジン構造が複雑になり且つ／又はエンジンの製造コストが増加する。
米国特許第７，０９６，６７４号公報 米国特許第６，６２５，９８９号公報 米国特許第６，６１９，０３０号公報 米国特許第４，９６９，３２５号公報 米国特許第４，９１４，９０４号公報 米国特許第４，４７４，００１号公報 米国特許出願公開第２００６／００９０４５１号 米国特許出願公開第２００６／００９０４４９号 米国特許出願公開第２００５／０２１０８６３号 米国特許出願公開第２００４／０１６８４２７号

１つの面においては、タービンエンジンアセンブリが提供される。タービンエンジンアセンブリは、高圧圧縮機、燃焼器及びタービンを含むコアガスタービンエンジンを含む。タービンエンジンアセンブリは、コアガスタービンエンジンから軸方向後方に結合された低圧タービンと、コアガスタービンエンジンから軸方向前方に結合されたファンアセンブリと、低圧タービンと共に第１の回転速度で回転するように、低圧タービンに結合されたブースタ圧縮機とを更に含む。

またここでは、ガスタービンエンジンを組立てる方法が開示される。方法は、コアガスタービンエンジンから軸方向後方に低圧タービンを結合することと、コアガスタービンエンジンから軸方向前方にファンアセンブリを結合することと、ブースタ圧縮機及び低圧タービンが第１の回転速度で回転するように、低圧タービンにブースタ圧縮機を結合することとを含む。

図１は、長手方向軸１１を有するガスタービンエンジンアセンブリ１０の一実施形態を示した概略図である。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１２及びコアガスタービンエンジン１３を含む。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含む。本実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、低圧タービン２０及びブースタ圧縮機２２を更に含む。

ファンアセンブリ１２は、回転翼円板２６から半径方向外側へ延出するファンブレード２４のアレイを含む。エンジンアセンブリ１０は、吸気側２８及び排気側３０を含む。ブースタ圧縮機２２及び低圧タービン２０は、第１の駆動軸３１により互いに結合され、高圧圧縮機１４及び高圧タービン１８は、第２の駆動軸３２により互いに結合される。ファンアセンブリ１２は、新規のフレーム１２６で支持され、減速歯車箱１００を介して駆動軸３１により駆動される。

図２は、図１に示されるガスタービンエンジンアセンブリ１０の一部を示した概略図である。図２に示されるように、ガスタービンエンジンアセンブリ１０に入った気流をブースタ圧縮機２２を経て下流側へ搬送するのを助けるために、ブースタ圧縮機２２は、複数の周囲方向に互いに離間して配置された入口案内羽根（ＩＧＶ）３４を含む。本実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ブースタ圧縮機２２から下流側に結合された複数の出口案内羽根（ＯＧＶ）アセンブリ３６を更に含む。一実施形態においては、ブースタ圧縮機２２は、対応する回転翼円板４４にそれぞれ結合された回転翼羽根４２の段４０を１つ〜３つ含む。本実施形態においては、ブースタ圧縮機２２は、回転翼羽根４２の２つの段４０を含む。

本実施形態においては、ブースタ圧縮機２２は、駆動軸３１を介して低圧タービン２０に結合される。例えば本実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、図２に示されるように、駆動軸３１により駆動される第１の端部又は前端部５２において複数のスプライン７６を利用して結合され且つ第２の端部又は後端部５４においては回転翼円板４４に結合されるコーン又は円板５０を含む。すなわち、ブースタ圧縮機２２及び低圧タービンが同一の回転速度で第１の回転方向６０に回転するように、ブースタ圧縮機２２は低圧タービン２０に結合される。特に、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は軸延長部７０を含む。軸延長部７０は、円板５０に結合された第１の端部又は前端部７２と、スプライン７６を介して駆動軸３１に結合され、従って低圧タービン２０にも結合された第２の端部又は後端部７４とを含む。

本実施形態においては、ファンアセンブリ１２を回転させるのを助けるために、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１２と駆動軸３１との間に結合された歯車箱１００を更に含む。一実施形態においては、歯車箱１００は、低圧タービン２０及びブースタ圧縮機２２がそれぞれ回転する回転方向６０に関して逆の回転方向６２にファンアセンブリ１２を回転させるように構成された遊星歯車箱である。歯車箱１００は、ほぼ環状体形を有し、駆動軸３１の周囲に配置されて、ほぼ駆動軸３１の周囲を取り囲んで延出するように構成される。図２に示されるように、歯車箱１００は、支持構造１０２を含む。支持構造１０２は、歯車箱１００がガスタービンエンジンアセンブリ１０の内部のほぼ固定された位置に維持されるように、歯車箱１００を支持する構造を形成する。歯車箱１００は、軸延長部７０を介して駆動軸３１に結合された入力端１０４と、ファンアセンブリ１２の駆動を補助するようにファンアセンブリ１２に結合された出力端１０６とを含む。

本実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は撓み結合部１０８を更に含む。歯車箱１００と駆動軸３１との間に軸方向支持構造及び半径方向支持構造の双方を形成するように、撓み結合部１０８は、入力端１０４と軸延長部７０との間に結合される。例えば、動作中、撓み結合部１０８は、歯車箱１００と駆動軸３１との間で伝達される回転トルクを吸収し、それにより歯車箱１００及び駆動軸３１の双方の動作寿命を延ばすことができる。更に、撓み結合部１０８は、エンジン動作中に歯車箱１００と駆動軸３１との整列を助けるために利用されてもよい。

一実施形態においては、ファンアセンブリ１２が低圧タービン２０の回転速度の約２分の１の回転速度で回転するように、歯車箱１００は約２．０対１の歯車比を有する。そのため、本実施形態においては、ファンアセンブリ１２は、低圧タービン２０の回転速度より常に遅い回転速度で回転する。

スラスト軸受アセンブリ１１０などの第１の軸受アセンブリは、駆動軸３１及び／又は長手方向軸１１の周囲に配置される。スラスト軸受アセンブリ１１０は、駆動軸３１とコアガスタービンエンジン１３のフレーム１１１とを結合し且つ／又は駆動軸３１とフレーム１１１との間に装着される。スラスト軸受アセンブリ１１０は、駆動軸３１に関して装着された半径方向に位置決めされた内レース１１２を含む。図２に示されるように、内レース１１２は、長手方向軸１１に関して駆動軸３１と共に回転自在であるように、駆動軸３１に動作自在に結合された駆動軸延長部７０に装着される。スラスト軸受アセンブリ１１０は、フレーム１１１に結合された半径方向外側のレース１１４を更に含む。外レース１１４は、歯車箱１００により発生されるスラスト荷重及び／又は力を伝達するための土台として作用する。スラスト軸受アセンブリ１１０は、内レース１１２と外レース１１４との間に移動自在に配置された複数の軸受１１６などの少なくとも１つのローラ要素を更に含む。

ファンアセンブリ１２と歯車箱出力端１０６との間に、スラスト軸受アセンブリ１２０などの第２の軸受アセンブリが配置される。すなわち、スラスト軸受アセンブリ１２０は、ファンアセンブリ１２を歯車箱１００に動作自在に結合し、ファンアセンブリ１２により発生されるスラスト荷重及び／又は力が歯車箱１００へ伝達されるのを防止するように作用する。スラスト軸受アセンブリ１２０は、歯車箱出力端１０６に関して装着された半径方向に位置決めされた内レース１２２と、フレーム１２６に結合された半径方向外側のレース１２４とを含む。外レース１２４は、ファンアセンブリ１２により発生されるスラスト荷重及び／又は力を伝達するための土台として作用する。スラスト軸受アセンブリ１２０は、内レース１２２と外レース１２４との間に移動自在に配置された複数の軸受１２８などの少なくとも１つのローラ要素を更に含む。フレーム１２６は、軸受１２８及び１３６から発生されるファンの半径方向モーメント、スラストモーメント及び転倒モーメントを搬送する。更に、フレーム１２６は、それらの荷重を外側エンジン構造及びエンジンマウントへ伝達する。フレーム１２６を使用することにより、フレーム１１１全体の軸方向寸法に関してフレーム１１１を最小にすることができ、その結果、エンジン系統の重量を最小限に抑えることができる。

スラスト荷重及び／又は力をスラスト軸受アセンブリ１２０へ伝達した結果、ファンアセンブリ１２に動作自在に結合された歯車箱１００を介するスラスト荷重及び／又は力の伝達は阻止されるか又は制限される。別の実施形態においては、当業者に周知であり且つ本明細書の教示により指示される任意の適切な軸受アセンブリを軸受アセンブリ１１０及び／又は軸受アセンブリ１２０の代わりに、あるいはそれらに加えて使用できる。

歯車箱出力端１０６をほぼ固定された半径方向位置に維持するのを助けるために、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ころ軸受アセンブリ１３０を更に含む。ころ軸受アセンブリ１３０は、歯車箱出力端１０６と支持構造１０２との間に結合される。特に、ころ軸受アセンブリ１３０は、歯車箱出力端１０６に結合された回転内レース１３２と支持構造１０２に結合された静止外レース１３４及び内レース１３２と外レース１３４との間にそれぞれ配置された複数のローラ要素１３６を含む。

本実施形態においては、スラスト軸受アセンブリ１２０及びころ軸受アセンブリ１３０は、ファンアセンブリ１２及び歯車箱出力端１０６が支持構造１０２及び１０４に関して自在に回転できるように、ファンアセンブリ１２に対して回転支持を行うのに好都合である。従って、軸受アセンブリ１２０及び１３０は、ガスタービンエンジンアセンブリ１０の内部の相対的に固定された半径方向位置にファンアセンブリ１２を維持するのを助ける。

本実施形態においては、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、ブースタ圧縮機２２の上流側を油だめ１７０から密封する第１の１対のラビリンスシール１９０と、ブースタ圧縮機２２の下流側を油だめ１７１から密封する第２の１対のラビリンスシール１９２とを更に含む。

ガスタービンエンジンアセンブリ１０を組立てるために、高圧圧縮機、燃焼器及びタービンを含むコアガスタービンエンジンが提供される。低圧タービンは、コアガスタービンエンジンから軸方向後方に結合され、ファンアセンブリは、コアガスタービンエンジンから軸方向前方に結合される。次に、ブースタ圧縮機及び低圧タービンが第１の回転速度で回転するように、ブースタ圧縮機は低圧タービンに結合される。

特に、駆動軸は低圧タービンに結合され、ファンアセンブリが第１の回転速度とは異なり且つ／又は第１の回転速度より遅い第２の回転速度で回転するように、歯車箱は駆動軸とファンアセンブリとの間に結合される。スラスト荷重を吸収するのを助けるために、歯車箱により発生されるスラスト荷重が土台へ伝達されるように、第１のスラスト軸受アセンブリは駆動軸と歯車箱との間に結合され、ファンアセンブリにより発生されるスラスト荷重が土台へ伝達されるように、第２のスラスト軸受アセンブリは歯車箱とファンアセンブリとの間に結合される。

動作中、駆動軸３１が回転すると、駆動軸延長部７０は、歯車箱入力端１０４を第１の回転方向６０に回転させる。その結果、歯車箱出力端１０６は、第１の回転方向とは逆の第２の回転方向６２に回転する。歯車箱出力端１０６はファンアセンブリ１２に結合されるため、駆動軸３１は、歯車箱１００を介してファンアセンブリ１２を逆の第２の回転方向６２に、すなわち低圧タービン２０及びブースタ圧縮機２２の双方の回転方向とは逆の方向に回転させる。一実施形態においては、油だめ１７０の中の潤滑流体が歯車箱１００の少なくともいくつかの部分を潤滑するために利用されるように、歯車箱１００は油だめ１７０の中に配置される。例えば、動作中、歯車箱１００は、油だめ１７０の内部で絶えず潤滑される。

本明細書において説明されるガスタービンエンジンアセンブリは、ファンアセンブリの回転速度より速い回転速度でブースタ圧縮機を動作させることを可能にするために、駆動軸を介して低圧タービンに直接結合されたブースタ圧縮機を含む。更に、本発明のガスタービンエンジンアセンブリは、低圧タービンとファンアセンブリとの間に結合された歯車箱を含む。その結果、ファンアセンブリ及びブースタ圧縮機の双方の回転速度を最適化できる。特に、ファンアセンブリにより発生される気流を最適化するために、ファンアセンブリの速度を減速でき、また、ブースタ圧縮機の段の数を最適化し且つタービン段の数を少なくするために、ブースタ圧縮機の速度を増加できる。その結果、ファンブースタは低圧タービンの速度で駆動されるので、ブースタ段の数が減少すると共に、タービン効率が向上する。この効率の向上を電気補助航空機において出力を抽出するために使用できる。

以上、ガスタービンエンジンアセンブリの実施形態及びガスタービンエンジンアセンブリを組立てる方法を詳細に説明した。アセンブリ及び方法は、本明細書中で説明された特定の実施形態に限定されず、アセンブリの構成要素及び／又は方法の工程は、本明細書中で説明されたアセンブリの構成要素及び／又は方法の工程とは無関係に別個に利用されてもよい。更に、説明されたアセンブリの構成要素及び／又は方法の工程は、他のアセンブリ及び／又は方法において定義されるか、又はそれらと組合わせて使用され、本明細書中で説明されたアセンブリ及び／又は方法のみと組合わせての実施に限定されない。

本発明を種々の特定の実施形態によって説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは当業者により認識されるであろう。

タービンエンジンアセンブリの一実施形態の一部を示した横断面図である。 図１に示されるタービンエンジンアセンブリの一部を示した拡大横断面図である。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジンアセンブリ、１２…ファンアセンブリ、１３…コアガスタービンエンジン、１４…高圧圧縮機、１６…燃焼器、１８…高圧タービン、２０…低圧タービン、２２…ブースタ圧縮機、３１…駆動軸、４０…圧縮機段、７０…駆動軸延長部、１００…歯車箱、１０８…撓み結合部、１１０…スラスト軸受アセンブリ、１１１…フレーム、１２０…スラスト軸受アセンブリ、１３０…ころ軸受アセンブリ

Claims (10)

1. 高圧圧縮機（１４）、燃焼器（１６）及び高圧タービン（１８）を含むコアガスタービンエンジン（１３）と；
   前記コアガスタービンエンジンから軸方向後方に結合された低圧タービン（２０）と；
   前記コアガスタービンエンジンから軸方向前方に結合されたファンアセンブリ（１２）と；
   前記低圧タービンと共に第１の回転速度で回転するように、前記低圧タービンに結合されたブースタ圧縮機（２２）とを具備するタービンエンジンアセンブリ。
2. 前記低圧タービン（２０）に結合された駆動軸（３１）と；
   前記ファンアセンブリ（１２）が前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転するように、前記駆動軸と前記ファンアセンブリとの間に結合された歯車箱（１００）とを更に具備する請求項１記載のタービンエンジンアセンブリ。
3. 前記低圧タービン（２０）に結合された駆動軸（３１）と；
   前記ファンアセンブリ（１２）が前記ブースタ圧縮機（２２）の回転速度より遅い第２の回転速度で回転するように、前記駆動軸と前記ファンアセンブリとの間に結合された歯車箱（１００）とを更に具備する請求項１記載のタービンエンジンアセンブリ。
4. 前記駆動軸（３１）と前記歯車箱（１００）との間に結合され、前記低圧タービン（２０）及び前記ブースタ圧縮機（２２）により発生されたスラスト荷重を土台へ伝達するように構成された第１のスラスト軸受アセンブリ（１１０）を更に具備する請求項２記載のタービンエンジンアセンブリ。
5. 前記歯車箱（１００）と前記ファンアセンブリ（１２）との間に結合され、前記ファンアセンブリにより発生されたスラスト荷重を土台へ伝達するように構成された第２のスラスト軸受アセンブリ（１２０）を更に具備する請求項２記載のタービンエンジンアセンブリ。
6. 前記歯車箱は、ほぼ環状体形の横断面プロファイルを有し、前記駆動軸（３１）をほぼ取り囲む請求項２記載のタービンエンジンアセンブリ。
7. 前記低圧タービン（２０）に結合された駆動軸（３１）と；
   前記ファンアセンブリ（１２）が前記ブースタ圧縮機（２２）とは逆の方向に回転するように、前記駆動軸と前記ファンアセンブリとの間に結合された歯車箱（１００）とを更に具備する請求項１記載のタービンエンジンアセンブリ。
8. 前記低圧タービン（２０）に結合された駆動軸（３１）と；
   前記ファンアセンブリ（１２）に結合された歯車箱（１００）と；
   前記駆動軸と前記歯車箱との間に結合された撓み結合部（１０８）とを更に具備する請求項１記載のタービンエンジンアセンブリ。
9. 前記ブースタ圧縮機（２２）は、前記ファンアセンブリ（１２）の圧縮比及び前記ガスタービンエンジンアセンブリの総圧縮比に基づく所定の量の圧縮機段（４０）を具備する請求項１記載のタービンエンジンアセンブリ。
10. 前記ファンアセンブリ（１２）及び前記歯車箱（１００）を支持するように構成されたフレーム（１１１）を更に具備し、前記フレームは、前記ファンアセンブリの半径方向モーメント、スラストモーメント及び転倒モーメントを外側エンジン構造及びエンジンマウントへ搬送するように構成される請求項１記載のタービンエンジンアセンブリ。

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