JP2006125385A - ガスタービンエンジン及びそれを組立てる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジン（１０）を組立てる方法を提供する。
【手段】 本方法は、第１の低圧タービンロータ（１０６）を高圧タービン（１００）に回転可能に結合する段階と、第２の低圧タービンロータ（１０８）を第１の低圧タービンロータに回転可能に結合する段階と、第２の低圧タービンロータをタービン後部フレーム（１４２）に回転可能に結合して高圧タービンの重量がタービン後部フレームに伝達されるようにする段階とを含む。第１の低圧タービンロータ（１０６）が第１の回転方向に回転可能であり、また前記第２の低圧タービンロータ（１０８）が、前記第１の回転方向とは逆方向である第２の回転方向に回転可能である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンを組立てるための方法及び装置に関する。

少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、直列流れ配置で、前方ファン組立体と、後方ファン組立体と、エンジン内を流れる空気を加圧するための高圧圧縮機と、燃料を圧縮空気と混合して混合気を燃焼させることができるようにするための燃焼器と、高圧タービンとを含む。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、まとめてコアエンジンと呼ばれることもある。作動中、コアエンジンは燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、下流方向に吐出されて低圧タービンに流れ、低圧タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して前方及び後方ファン組立体に動力を供給する。少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンでは、少なくとも１つのタービンが、そのエンジン内のその他の回転構成部品とは逆方向に回転する。

少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、高圧タービンを支持するタービン中央フレームと、少なくとも１つの中圧タービンと、第２の低圧タービンを支持するタービン後部フレームとを含む。エンジン組立時には、このような公知のガスタービンは、高圧タービンがタービン中央フレームの前方に結合されかつ少なくとも１つの中圧タービンがタービン中央フレームの後方に結合されるように組立てられる。

従って、エンジンに必要な構造的強度を与えるために、このようなエンジンでは、タービン中央フレームは、高圧タービン及び中圧タービンを構造的に支持する。作動中、ガスタービンエンジン内部のサイクル温度は、タービン中央フレームにおいて高い温度になる。従って、タービン中央フレームに対して付加的な冷却を行って、タービン中央フレームの作動温度を低下させるのを可能にしている。
特開２００３−２８６８５７号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、第１の低圧タービンロータを高圧タービンに回転可能に結合する段階と、第２の低圧タービンロータを第１の低圧タービンロータに回転可能に結合する段階と、第２の低圧タービンロータをタービン後部フレームに回転可能に結合して高圧タービンの重量がタービン後部フレームに伝達されるようにする段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、高圧タービンと、高圧タービンに回転可能に結合された第１の低圧タービンロータと、第１の低圧タービンロータに回転可能に結合された第２の低圧タービンロータと、第２の低圧タービンロータに回転可能に結合されて、高圧タービンの重量がそれに伝達されるようになったタービン後部フレームとを含む。

図１は、長手方向中心軸線１６の周りに配置された前方ファン組立体１２と後方ファン組立体１４とを含む例示的なガスタービンエンジン１０の一部分の断面図である。本明細書においては、「前方ファン」及び「後方ファン」という用語は、ファン組立体１２が、ファン組立体１４の軸方向上流に結合されていることを示すのに使用する。１つの実施形態では、ファン組立体１２及び１４は、図示するように、ガスタービンエンジン１０の前方端部に配置される。別の形実施形態では、ファン組立体１２及び１４は、ガスタービンエンジン１０の後方端部に配置される。ファン組立体１２及び１４は各々、ナセル１８内に配置された複数の列のファンブレード１９を含む。ブレード１９は、それぞれのロータディスク２１に接合され、これらのロータディスク２１は、それぞれファンシャフト２０を介して前方ファン組立体１２に、またファンシャフト２２を介して後方ファン組立体１４に回転可能に結合される。

ガスタービンエンジン１０はまた、ファン組立体１２及び１４の下流にあるコアエンジン２４を含む。コアエンジン２４は、高圧圧縮機（ＨＰＣ）２６と、燃焼器２８と、コアロータ又はシャフト３２を介してＨＰＣ２６に結合された高圧タービン（ＨＰＴ）３０とを含む。作動中、コアエンジン２４は、燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、下流方向に導かれて例示的な二重反転低圧タービン３４に流れ、二重反転低圧タービン３４は、ガスからエネルギーを取り出して、それぞれのファンシャフト２０及び２２を介してこれらのファン組立体１２及び１４に動力を供給する。

低圧タービン３４は、高圧タービン３０の下流でコアエンジン２４に結合された固定外側ケーシング３６を含む（図１に示す）。低圧タービン３４は、外側ケーシング３６の半径方向内側に配置された半径方向外側ロータ３８を含む。外側ロータ３８は、ほぼ切頭円錐形状を有し、半径方向内向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード４０を含む。ブレード４０は、軸方向に間隔を置いて配置されたブレード列又は段４１の形態で配置される。この例示的な実施形態には３つの段４１のみを示しているが、外側ロータ３８は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに、任意の数の段４１を有することができることを理解されたい。

低圧タービン３４はまた、外側ロータ３８に対してほぼ同軸に整列しかつ該外側ロータ３８の半径方向内側に配置された半径方向内側ロータ４２を含む。内側ロータ４２は、半径方向外向きに延びかつ軸方向に間隔を置いた列又は段４３の形態で配置された複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード４４を含む。この例示的な実施形態には３つの段のみを示しているが、内側ロータ４２は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに、任意の数の列４３のブレード４４を有することができることを理解されたい。

この例示的な実施形態では、段４３から延びる内側ロータブレード４４は、内側ロータ段４３がそれぞれのロータ段４１の間で延びるように、段４１から延びる外側ロータブレード４０と軸方向に交差指状（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）に組合さる。従って、ブレード４０及び４４は、ロータ３８及び４２が二重反転する（互いに逆回転する）ように構成される。

図２は、例示的な高圧タービン１００及び例示的な低圧タービン１０２を含むガスタービンエンジン１０の一部分の拡大断面図である。

この例示的な実施形態では、低圧タービン１０２は、第１のタービンロータ１０６と第２のタービンロータ１０８とを含む。この例示的な実施形態では、第１のタービンロータ１０６は、第２のタービンロータ１０８の軸方向前方にかつ高圧タービン１００の軸方向後方に配置される。第１のタービンロータ１０６は、半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンブレード１１０を含む。ブレード１１０は、該タービンブレード１１０の軸方向に間隔を置いて配置された列１１２の形態で設置される。この例示的な実施形態は、タービンブレード１１０の単一の列１１２のみを示しているが、第１のタービンロータ１０６は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに、任意の数の列１１２のタービンブレード１１０を有することができることを理解されたい。

この例示的な実施形態では、第２のタービンロータ１０８は、第１のタービンロータ１０６の軸方向後方に配置されかつ第１のタービンロータ１０６の第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に回転するように構成される。第２のタービンロータ１０８は、半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたタービンブレード１５０を含む。ブレード１５０は、該タービンブレード１５０の軸方向に間隔を置いて配置された列１５２の形態で設置される。この例示的な実施形態は、１つの列１５２のタービンブレード１５０のみを示しているが、第２のタービンロータ１０８は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに、任意の数の列１５２のタービンブレード１５０を有することができることを理解されたい。

この例示的な実施形態では、ガスタービン１０は、高圧タービン１００を第１のタービンロータ１０６に回転可能に結合した第１の差動軸受１２０を含む。より具体的には、差動軸受１２０は、高圧タービン１００と第１のタービンロータ１０６との間に回転可能に結合されて、第１のタービンロータ１０６が高圧タービン１００に直接回転可能に結合されるようになる。第１のタービンロータ１０６は、例えば複数のスプライン１２２を使用してシャフト２２に結合されて、シャフト２２を介して第１のタービンロータ１０６が前方ファン組立体１２に結合されるようになる。従って、またこの例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、タービン中央フレームを含むのではなくて、第１の低圧タービンロータ１０６を高圧タービン１００に直接結合することにより、タービン中央フレームの必要性を排除するのを可能にする。

ガスタービン１０はまた、第１のタービンロータ１０６を第２のタービンロータ１０８に回転可能に結合した第２の差動軸受１３０を含む。より具体的には、差動軸受１３０は、第１のタービンロータ１０６と第２のタービンロータ１０８との間に回転可能に結合されて、第１のタービンロータ１０６が第２のタービンロータ１０８に直接回転可能に結合されるようになる。第２のタービンロータ１０８は、例えば複数のスプライン１３４を使用してシャフト２０に結合されて、シャフト２０を介して第２のタービンロータ１０８が後方ファン組立体１４に結合されるようになる。

ガスタービン１０はまた、第２のタービンロータ１０８をタービン後部フレーム１４２に回転可能に結合した第３の軸受１４０を含む。より具体的には、軸受１４０は、第２のタービンロータ１０８とタービン後部フレーム１４２との間に回転可能に結合されて、第２のタービンロータ１０８がタービン後部フレーム１４２に直接回転可能に結合されるようになる。この例示的な実施形態では、第３の軸受１４０は、ローラ軸受である。従って、またこの例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、タービン中央フレームを含むのではなく、タービンの第１及び第２のタービンロータ１０６及び１０８を介して高圧タービン１００をタービン後部フレーム１４２に回転可能に結合することにより、タービン中央フレームの必要性を排除するのを可能にする。

この例示的な実施形態では、軸受１２０及び１３０は、例えば第１及び第２のタービンロータ１０６及び１０８のような２つの構成部品を２つの回転速度で回転させるのを可能にする差動軸受である。具体的には、差動軸受１２０は、高圧タービン１００を第１の回転速度で作動させ、また第１のタービンロータ１０６を第２の異なる回転速度で作動させることができるようにするのを可能にする。差動軸受１３０は、第１のタービンロータ１０６を第１の回転速度で作動させ、また第２のタービンロータ１０８を第２の異なる回転速度で作動させることができるようにするのを可能にする。従って、差動軸受１３０は、前方ファン組立体１２を第１の回転速度で作動させ、また後方ファン組立体１４を第２の異なる回転速度で作動させることができるようにするのを可能にする。この例示的な実施形態では、シャフト２２は、第１の回転速度で作動し、またシャフト２０は、シャフト２２の第１の回転速度よりも低い第２の回転速度で作動する。従って、またこの例示的な実施形態では、より高い回転速度で作動するシャフト２０は、より低い回転速度で作動するシャフト２２の半径方向内側に配置されて、ガスタービン１０の組立を改善するのを可能にする。

１つの実施形態では、軸受１２０、１３０及び／又は１４０の少なくとも１つは、ローラ軸受である。別の実施形態では、軸受１２０、１３０及び／又は１４０の少なくとも１つは、ボール軸受である。さらに別の実施形態では、軸受１２０、１３０及び／又は１４０の少なくとも１つは、フォイル軸受である。

作動中、高圧タービン１００は、第１の低圧タービンロータ１０６に回転可能に結合され、第１の低圧タービンロータ１０６は、第２の低圧タービンロータ１０８に回転可能に結合され、第２の低圧タービンロータ１０８は、タービン後部フレーム１４２に回転可能に結合される。従って、作動中、ガスタービンエンジン１０は、高圧タービン１００をこのように回転させるように初期設定される。少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、高圧タービン負荷（荷重）をタービン中央フレームに伝えるのに対して、高圧タービン１００が、第２のタービンロータ１０８及びタービン後部フレーム１４２に回転可能に結合された第１のタービンロータ１０６に回転可能に結合されるので、回転力及び／又はロータ荷重は、高圧タービン１００からそれぞれ第１及び第２の低圧タービンロータ１０６及び１０８を介してタービン後部フレーム１４２に伝達される。

この例示的な実施形態では、タービン中央フレームを除去して高圧タービン１００を第１の低圧タービンロータ１０６に直接回転可能に結合することにより、スプライン１２２及び１３４を介してシャフト２０及び２２に供給した潤滑油をタービン後部フレーム１４２に掃気して戻すようにガスタービンエンジン１０を組立てることが可能になる。さらに、また例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、回転するサンプ１６２をシールし、それにより軸受１２０、１３０及び１４０をそれらが支持する回転質量に近接して配置することを可能にするように構成された複数の内部シャフトカーボンシールリング１６０を含む。

上記の例示的な実施形態は、高圧タービン１００がそれぞれ第１及び第２の低圧タービンロータ１０６及び１０８に直接回転可能に結合されて、高圧タービン１００で発生した回転力及び／又はロータ荷重が高圧タービン１００から第１及び第２の低圧タービンロータ１０６及び１０８を介してタービン後部フレーム１４２に伝達されるようになった二重反転低圧タービンを示す。さらに、ガスタービンエンジン１０はタービン中央フレームを含まないので、軸受１２０、１３０及び１４０用の潤滑油加圧管路は、タービン後部フレーム１４２に直接配管され、それによりエンジンの複雑さ及び製作コストを低減することができる。

上記の方法及び装置は、高圧タービンと低圧タービンとの間に差動軸受を設けてタービン中央フレームを必要ないようにした、コスト効果がありかつ高い信頼性がある方法である。タービン中央フレームの代わりに差動軸受を利用することにより、冷却を必要とする高温ガス流路内の金属部品を除去し、かつエンジン重量及びコストを低減することが可能になる。さらに、低圧タービンシャフトに供給された潤滑油は、より低温かつより大型のタービン後部フレームに掃気して戻されるので、エンジンの信頼性が向上する。その上、差動軸受に供給された潤滑油は、大きい直径におけるシャフトスプラインを通して送られるのでシャフトを貫通する潤滑油孔は全く必要なく、また回転サンプをシールするのに内部シャフトカーボンシールリングが使用される。上記の方法及び装置はさらに、差動軸受をそれらが支持する回転質量に非常に近接して配置することができるようにするのを可能にする。

以上、タービン差動軸受及びガスタービンエンジンを組立てる方法の例示的な実施形態を詳細に説明している。構成要素は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各システムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なガスタービンエンジンの一部分の断面図。 例示的な高圧タービン及び例示的な低圧タービンを含む、図１に示すガスタービンエンジンの一部分の拡大断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 前方ファン組立体
１４ 後方ファン組立体
２０、２２ ファンシャフト
３６ 外側ケーシング
１００ 高圧タービン
１０２ 低圧タービン
１０６ 第１の低圧タービンロータ
１０８ 第２の低圧タービンロータ
１２０ 第１の差動軸受
１２２、１３４ スプライン
１３０ 第２の差動軸受
１４０ 第３の差動軸受
１４２ タービン後部フレーム
１６０ 内側シャフトカーボンシールリング
１６２ 回転サンプ

Claims (10)

1. 高圧タービン（１００）と、
   前記高圧タービンに回転可能に結合された第１の低圧タービンロータ（１０６）と、
   前記第１の低圧タービンロータに回転可能に結合された第２の低圧タービンロータ（１０８）と、
   前記第２の低圧タービンロータに回転可能に結合されて、前記高圧タービンの重量がそれに伝達されるようになったタービン後部フレーム（１４２）と、
   を含むガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記第１の低圧タービンロータ（１０６）が第１の回転方向に回転可能であり、また前記第２の低圧タービンロータ（１０８）が、前記第１の回転方向とは逆方向である第２の回転方向に回転可能である、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
3. 前記第１の低圧タービンロータ（１０６）と前記高圧タービン（１００）との間に結合されて、該高圧タービンを該第１の低圧タービンロータに回転可能に結合するようになった第１の差動軸受（１２０）をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
4. 前記タービン後部フレーム（１４２）から前記第１の差動軸受（１２０）に潤滑油を流して該第１の差動軸受を潤滑するように構成された潤滑油供給システムをさらに含む、請求項３記載のガスタービンエンジン（１０）。
5. 前記第１の低圧タービンロータ（１０６）と前記高圧タービン（１００）との間に結合されて、該高圧タービンを該第１の低圧タービンロータに回転可能に結合するようになった第１の差動フォイル軸受（１２０）をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
6. 前記第１の低圧タービンロータ（１０６）と前記第２の低圧タービンロータ（１０８）との間に結合されて、前記高圧タービン（１００）を該第１及び第２の低圧タービンロータに回転可能に結合するようになった第２の差動軸受（１３０）をさらに含む、請求項２記載のガスタービンエンジン（１０）。
7. 前記第２の低圧タービンロータ（１０８）と前記タービン後部フレーム（１４２）との間に結合された第３の差動軸受（１４０）をさらに含む、請求項２記載のガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記第１の低圧タービンロータ（１０６）に回転可能に結合された後方ファン組立体（１４）をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記第２の低圧タービンロータ（１０８）に回転可能に結合された前方ファン組立体（１２）をさらに含み、前記前方ファン組立体が、前記後方ファン組立体（１４）とは異なる回転方向に回転するように構成されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記タービン後部フレーム（１４２）から前記高圧タービン（１００）、第１の低圧タービンロータ（１０６）及び第２の低圧タービンロータ（１０８）の少なくとも１つに潤滑油を流すように構成された潤滑油供給管路をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。

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