JP2007113582A - 二重反転ファン組立体及び二重反転ファン組立体を備えるガスタービンエンジン組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（１０）を組み立てる方法を提供する。
【解決手段】本方法は、コアガスタービンエンジン（１２）に対して低圧タービン（１４）を結合する段階と、第１のファン組立体が第１の方向（８０）に回転しまた第２のファン組立体が逆の第２の方向（８２）に回転するように、第１のファン組立体（５０）と第２のファン組立体（５２）とを含む二重反転ファン組立体（１６）を低圧タービン（１４）に対して結合する段階とを含む。
【選択図】 図１

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、二重反転ファン組立体及び二重反転ファン組立体を備えるガスタービンエンジン組立体に関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、前方ファン、コアエンジン及び出力タービンを含む。コアエンジンは、直列流れ関係の状態で互いに結合された少なくとも１つの圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。より具体的には、圧縮機と高圧タービンとは、シャフトを介して結合されて高圧ロータ組立体を形成する。コアエンジンに流入した空気は次に、燃料と混合されかつ点火されて高エネルギーガス流を形成する。ガス流は、高圧タービンを通って流れて高圧タービンを回転駆動し、次にシャフトが圧縮機を回転駆動するようになる。

ガス流は、該ガス流が低圧タービンを通って流れるにつれて膨張する。低圧タービンは、低圧シャフトを介してファンを回転駆動して、ファン、低圧シャフト及び低圧タービンによって低圧ロータ組立体が形成されるようになる。エンジン効率を増大させるのを可能にするために、少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、二重反転ファン及び／又は二重反転ブースタ圧縮機に結合された二重反転低圧タービンを含む。

二重反転低圧タービンを含むガスタービンエンジンを組み立てるために、外側回転スプール、回転フレーム、中間タービンフレーム及び２つの同軸シャフトをガスタービンエンジン内に設置して、二重反転タービンを支持するのを可能にする。上記の構成部品の設置はまた、第１の及び第２のファン組立体が各々、第１及び第２のタービンと同一の回転方向に回転するように、第１のファン組立体を第１のタービンに結合しまた第２のファン組立体を第２のタービンに結合することを可能にする。従って、そのようなエンジンの全重量、設計の複雑さ及び／又は製造コストが、増大する。
米国特許第６，７６３，６５４−Ｂ２号公報 米国特許第６，７６３，６５３−Ｂ２号公報 米国特許第６，７６３，６５２−Ｂ２号公報 米国特許第６，７３９，１２０−Ｂ２号公報 米国特許第６，７３２，５０２−Ｂ２号公報 米国特許第６，７１１，８８７−Ｂ２号公報 米国特許第６，６８４，６２６−Ｂ１号公報 米国特許第６，６１９，０３０−Ｂ１号公報 米国特許第５，８６７，９８０号公報 米国特許第５，８１３，２１４号公報 米国特許第５，８０９，７７２号公報 米国特許第５，８０６，３０３号公報 米国特許第５，０１０，７２９号公報

１つの態様では、二重反転ファン組立体を提供する。本二重反転ファン組立体は、低圧タービンに結合され、ディスク及び該ディスクに結合された複数のロータブレードを含み、第１の回転方向に回転するように構成された第１のファン組立体と、低圧タービンに結合され、ディスク及び該ディスクに結合された複数のロータブレードを含み、第２の回転方向に回転するように構成された第２のファン組立体とを含む。

別の態様では、タービンエンジン組立体を提供する。本タービンエンジン組立体は、コアタービンエンジンと、コアタービンエンジンに結合された低圧タービンと、低圧タービンに結合された二重反転ファン組立体とを含み、二重反転ファン組立体は、低圧タービンに結合されかつ第１の方向に回転するように構成された第１のファン組立体と、低圧タービンに結合されかつ逆の第２の方向に回転するように構成された第２のファン組立体とを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを組み立てる方法を提供する。本方法は、コアガスタービンエンジンに対して低圧タービンを結合する段階と、第１のファン組立体が第１の方向に回転しまた第２のファン組立体が逆の第２の方向に回転するように、第１のファン組立体と第２のファン組立体とを含む二重反転ファン組立体を低圧タービンに対して結合する段階とを含む。

図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なタービンエンジン組立体１０の一部分の断面図である。この例示的な実施形態では、タービンエンジン組立体１０は、コアガスタービンエンジン１２と、コアガスタービンエンジン１２の軸方向後方に結合された低圧タービン１４と、コアガスタービンエンジン１２の軸方向前方に結合された二重反転ファン組立体１６とを含む。

コアガスタービンエンジン１２は、環状のコアエンジン入口２２を形成した外側ケーシング２０を含む。ケーシング２０は、低圧ブースタ圧縮機２４を囲んで流入空気の圧力を第１の圧力レベルまで増大させるのを可能にする。１つの実施形態では、コアガスタービンエンジン１２は、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓから入手可能なコアＣＦＭ５６型ガスタービンエンジンである。

高圧多段軸流圧縮機２６は、ブースタ圧縮機２４から加圧空気を受け、この空気の圧力を第２のより高い圧力レベルにさらに増大させる。高圧空気は、燃焼器２８に送られ、燃料と混合される。燃料−空気混合気は点火されて、加圧空気の温度及びエネルギーレベルを上昇させる。高エネルギー燃焼生成物は、第１の又は高圧タービン３０に流れて第１の駆動シャフト３２を介して圧縮機２６を駆動するようにし、次に第２の又は低圧タービン１４に流れて第１の駆動シャフト３２と同軸に結合された第２の駆動シャフト３４を介して二重反転ファン組立体１６及びブースタ圧縮機２４を駆動するのを可能にする。低圧タービン１４を駆動した後に、燃焼生成物は、排出ノズル３６を介してタービンエンジン組立体１０から流出して推進ジェット推力を提供する。

二重反転ファン組立体１６は、長手方向中心軸線１１の周りに配置された前方ファン組立体５０と後方ファン組立体５２とを含む。本明細書では「前方ファン」及び「後方ファン」という用語を使用して、ファン組立体５０がファン組立体５２の軸方向上流に結合されることを表している。この例示的な実施形態では、ファン組立体５０及び５２は、図示するように、コアガスタービンエンジン１２の前方端部に配置される。別の実施形態では、ファン組立体５０及び５２は各々、コアガスタービンエンジン１２の後方端部に配置される。ファン組立体５０及び５２は各々、それぞれ少なくとも１列のロータブレード６０及び６２を含み、その各々は、ナセル６４内に配置される。ブレード６０及び６２は、それぞれのロータディスク６６及び６８に結合される。

この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機２４は、それぞれのロータディスク７２に結合された複数列のロータブレード７０を含む。この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機２４は、入口ガイドベーン組立体７４の後方に配置され、該ブースタ圧縮機２４が後方ファン組立体５２の回転速度と実質的に等しい回転速度で回転するように後方ファン組立体５２に結合される。ブースタ圧縮機２４は、３列のみのロータブレード７０を有するものとして図示しているが、ブースタ圧縮機２４は、単列のロータブレード７０、又は複数列のガイドベーン７６と交差指状に配置された複数列のロータブレード７０を有することができることを認識されたい。１つの実施形態では、入口ガイドベーン７６は、ブースタケース７８に対して固定結合される。別の実施形態では、ロータブレード７０をロータディスク７２に対して回転可能に結合して、入口ガイドベーン７６が、エンジン作動中にブースタ圧縮機２４を通って流れる空気の量を変えるのを可能にするように可動になるようにする。さらに別の実施形態では、タービンエンジン組立体１０は、ブースタ圧縮機２４を含まない。

この例示的な実施形態では、低圧タービン１４は、該低圧タービン１４及び前方ファン組立体５０が第１の回転方向８０に回転するようにシャフト３４を介して前方ファン組立体５０に対して結合され、また後方ファン組立体５２は、該後方ファン組立体５２が逆の第２の方向８２に回転するように低圧タービン１４に対して結合される。

図２は、図１に示す二重反転ファン組立体１６の一部分の概略図である。図３は、図２に示す二重反転ファン組立体１６の一部分の概略図である。この例示的な実施形態では、二重反転ファン組立体１６はまた、後方ファン組立体５２を前方ファン組立体５０とは逆の第２の方向８２に回転させるのを可能にするように、後方ファン組立体５２と第２の駆動シャフト３４との間に結合されたギヤボックス１００を含む。

この例示的な実施形態では、ギヤボックス組立体１００は、約２．０対１の歯車比を有し、前方ファン組立体５０が後方ファン組立体５２の回転速度の約２倍の回転速度で回転するようになる。別の実施形態では、前方ファン組立体５０は、後方ファン組立体５２の回転速度の約０．９倍から後方ファン組立体５２の回転速度よりも速い約２．１倍までの間である回転速度で回転する。さらに別の実施形態では、前方ファン組立体５０は、後方ファン組立体５２の回転速度よりも約１．５倍速い回転速度で回転する。さらに別の実施形態では、前方ファン組立体５０は、後方ファン組立体５２の回転速度の約０．６７倍の回転速度で回転する。従って、この例示的な実施形態では、前方ファン組立体５０は、後方ファン組立体５２の回転速度よりも速い回転速度で回転する。別の実施形態では、前方ファン組立体５０は、後方ファン組立体５２の回転速度よりも遅い回転速度で回転する。この例示的な実施形態では、ギヤボックス１００は、シャフト３４を実質的に半径方向に囲み、支持構造体１０２と、支持構造体１０２内に結合された少なくとも１つの歯車１０３と、入力部１０４と、出力部１０６とを含むラジアル・ギヤボックスである。

この例示的な実施形態では、タービンエンジン組立体１０はまた、第１のファン軸受組立体１１０と、第２のファン軸受組立体１２０と、第３のファン軸受組立体１３０と、第４のファン軸受組立体１４０とを含む。第１のファン軸受組立体１１０は、軸受レース１１２と軸受レース１１２内に結合された転がり要素１１４とを含む。後方ファン軸受組立体１２０は、軸受レース１２２と軸受レース１２２内に結合された転がり要素１２４とを含む。この例示的な実施形態では、ファン軸受組立体１１０及び１２０は各々、それぞれ前方ファン組立体５０及び後方ファン組立体５２を相対的に一定の軸方向位置に維持することを可能にするスラスト軸受である。第３のファン軸受組立体１３０は、軸受レース１３２と軸受レース１３２内に結合された転がり要素１３４とを含む。第４のファン軸受組立体１４０は、軸受レース１４２と軸受レース１４２内に結合された転がり要素１４４とを含む。この例示的な実施形態では、ファン軸受組立体１３０及び１４０は各々、後方ファン組立体５２が前方ファン組立体５０に対して自由に回転することができるように、後方ファン組立体５２に対して回転支持を与えるのを可能にするローラ軸受である。従って、ファン軸受組立体１３０及び１４０は、二重反転ファン組立体１６内で後方ファン組立体５２を相対的に一定の半径方向位置に維持することを可能にする。

この例示的な実施形態では、ギヤボックス支持構造体１０２は、固定構成部品に結合される。より具体的には、またこの例示的な実施形態では、ファン軸受組立体１２０は、回転インナレース１２６と固定アウタレース１２８とを含み、転がり要素１１４が、それぞれレース１２６及び１２８間に結合されるようにする。より具体的には、この例示的な実施形態では、ギヤボックス入力部１０４は、駆動シャフト３４にスプライン嵌合された駆動シャフト延長部１３６を介して第２の駆動シャフト３４に対して回転可能に結合され、ギヤボックス出力部１０６は、出力部構造体１３８を介して後方ファン組立体５２に対して回転可能に結合される。より具体的には、出力部構造体１３８の第１の端部は、ギヤボックス出力部１０６にスプライン嵌合され、また出力部構造体１３８の第２の端部は、駆動シャフト１６８に結合されて、後方ファン組立体５２を駆動するのを可能にする。アウタレース１２８は、タービンエンジン組立体１０内で組立体ギヤボックス１００を実質的に一定の位置に維持することを可能にする。

作動中、第２の駆動シャフト３４が回転すると、第２の駆動シャフト３４は、ギヤボックス入力部１０４を回転させ、これが次にギヤボックス出力部１０６を回転させる。ギヤボックス出力部１０６は、後方ファン組立体５２に結合されているので、第２の駆動シャフト３４は、ギヤボックス１００を介して後方ファン組立体５２を前方ファン組立体５０とは逆の第２の方向８２に回転させる。この例示的な実施形態では、ギヤボックス１００は、第２のファン駆動シャフト６８と後方ファン組立体５２を支持するように構成された構造支持部材１６２との間に形成されたサンプ１６０内に配置される。作動中に、ギヤボックス１００は、サンプ１６０内に収容された潤滑流体内に少なくとも部分的に沈められる。従って、エンジン作動中にギヤボックス１００を連続的に潤滑することが可能になる。

本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、減速型単回転（ＳＲ）低圧タービンを有する二重反転（ＣＲ）ファン組立体を含む。本組立体は、公知の二重反転低圧タービンに関連した複雑さの少なくとも幾つかを軽減するのを可能にする。より具体的には、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、単回転低圧タービンに回転可能に結合された前方ファンと、互いに回転可能に結合されかつギヤボックスを介して低圧タービンによって駆動される後方ファン及びブースタ組立体とを含む。さらに、後方ファン組立体及びブースタ組立体は、同一の速度で駆動され、１つの実施形態では、その速度は、前方ファン速度の約半分である。さらに、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、低圧タービンによって生成された出力の約４０％がギヤボックスを介して後方ファン組立体に伝達されるように構成されて、歯車損失を低減するのを可能にする。従って、ギヤボックスが故障した場合、つまり後方ファン組立体が回転を停止した場合でも、前方ファン組立体は、低圧タービンによって直接駆動されるので、作動し続けることになる。

その結果、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、ファン効率を増大させ、ファン先端速度を低下させかつ／又はノイズを減少させるのを可能にする。さらに、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、二重反転ファン組立体を駆動するための二重反転低圧タービンを含まないので、それに限定されないが、外側回転スプール、回転後部フレーム、第２の低圧タービンシャフト及び低圧タービン外側回転シ−ルのような様々な構成部品が排除され、従ってガスタービンエンジン組立体の全重量が軽減される。さらに、幾つかのガスタービンエンジン用途では、本明細書に記載した方法及び装置を利用して中間タービンフレームを排除することができる。

以上、ファン組立体に結合されたギヤボックスを含むガスタービンエンジン組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。その構成要素は、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その他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。本明細書に記載したギヤボックスはまた、前方及び後方ファン組立体を含むその他の公知ガスタービンエンジンと組み合せて使用することもできる。

様々な具体的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、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。

例示的なタービンエンジン組立体の一部分の断面図。 図１に示す二重反転ファン組立体の一部分の拡大断面図。 図２に示す二重反転ファン組立体の一部分の拡大断面図。

符号の説明

１０ タービンエンジン組立体
１１ 長手方向中心軸線
１２ コアガスタービンエンジン
１４ 低圧タービン
１６ 回転ファン組立体
２０ 外側ケーシング
２２ エンジン入口
２４ ブースタ圧縮機
２６ 軸流圧縮機
２８ 燃焼器
３０ 高圧タービン
３２ 第１の駆動シャフト
３４ 第２の駆動シャフト
３６ 排出ノズル
５０ 前方ファン組立体
５２ 後方ファン組立体
６０ ロータブレード
６２ ロータブレード
６４ ナセル
６６ ロータディスク
６８ ロータディスク
７０ ロータブレードの列
７２ ロータディスク
７４ 入口ガイドベーン組立体
７６ 入口ガイドベーン
７８ ブースタケース
８０ 第１の回転方向
８２ 逆の第２の方向
１００ ギヤボックス組立体
１０２ ハウジング
１０３ 歯車
１０４ ギヤボックス入力部
１０６ ギヤボックス出力部
１１０ 第１のファン軸受組立体
１１２ 軸受レース
１１４ 転がり要素
１２０ 第２のファン軸受組立体
１２２ 軸受レース
１２４ 転がり要素
１２６ インナレース
１２８ アウタレース
１３０ 第３のファン軸受組立体
１３２ 軸受レース
１３４ 転がり要素
１３６ 軸受インナレース構造体
１３８ 出力部構造体
１３９ 複数のローラ
１４０ 第４のファン軸受組立体
１４２ 軸受レース
１４４ 転がり要素
１６０ サンプ
１６２ 構造支持部材
１６８ 第２のファン駆動シャフト

Claims (10)

1. 低圧タービン（１４）に結合され、ディスク（６６）及び該ディスクに結合された複数のロータブレード（６０）を含み、第１の回転方向（８０）に回転するように構成された第１のファン組立体（５０）と、
   前記低圧タービン（１４）に結合され、ディスク（６８）及び該ディスクに結合された複数のロータブレード（６２）を含み、第２の回転方向（８２）に回転するように構成された第２のファン組立体（５２）と、
   を含む二重反転ファン組立体（１６）。
2. 前記第２のファン組立体（５２）に結合され、前記第２のファン組立体を第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させるように構成されたギヤボックス（１００）をさらに含む、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
3. 前記第２のファン組立体（５２）が、前記第１のファン組立体（５０）の軸方向後方に結合される、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
4. 前記第２の回転速度が、前記第１の回転速度よりも小さい、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
5. 前記低圧タービン（１４）と前記第１のファン組立体（５０）との間に結合された駆動シャフト（３２）と、
   前記シャフトと前記第２のファン組立体（５２）との間に結合され、前記第２のファン組立体を逆の第２の方向（８２）に回転させるように構成されたギヤボックス（１００）と、
   をさらに含む、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
6. コアタービンエンジン（１２）と、
   前記コアタービンエンジンに結合された低圧タービン（１４）と、
   前記低圧タービンに結合された二重反転ファン組立体（１６）と、を含み、
   前記二重反転ファン組立体が、前記低圧タービンに結合されかつ第１の方向（８０）に回転するように構成された第１のファン組立体（５０）と、前記低圧タービンに結合されかつ逆の第２の方向（８２）に回転するように構成された第２のファン組立体（５２）とを含む、
   タービンエンジン組立体（１０）。
7. 前記低圧タービン（１４）と前記第１のファン組立体（５０）との間に結合された駆動シャフト（３２）と、
   前記シャフトと前記第２のファン組立体（５２）との間に結合され、前記第２のファン組立体を逆の第２の方向（８２）に回転させるように構成されたギヤボックス（１００）と、
   をさらに含む、請求項６記載のタービンエンジン組立体（１０）。
8. 前記第２のファン組立体（５２）が、前記第１のファン組立体（５０）の軸方向後方に結合される、請求項６記載のタービンエンジン組立体（１０）。
9. 前記第１のファン組立体（５０）が、第１の回転速度で回転するように構成され、前記第２のファン組立体（５２）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構成される、請求項６記載のタービンエンジン組立体（１０）。
10. 前記第２のファン組立体（５２）が、前記第１の回転速度の約半分である第２の回転速度で回転するように構成される、請求項９記載のタービンエンジン組立体（１０）。

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