JP2007278289A - 中間タービンフレーム、単一点負荷構造体および軽量中間タービンフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の負荷を伝達する単一点負荷構造体を備えた軽量な中間タービンフレームを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジンケーシング１４内に収容され、マウント１６に接続された中間タービンフレームは、第１および第２の軸受１８，２０に接続される。中間タービンフレームは、トルクボックス２２ａおよび支柱２４を備える。第１および第２の軸受コーン２６，２８は、軸受１８，２０からの負荷を中間タービンフレーム１２に伝達する。第１および第２のコーン２６，２８からの負荷は、トルクボックス２２から支柱２４を介してエンジンケーシング１４に伝わる。トルクボックス２２は、コーン２６，２８から負荷を受け、支柱２４に伝達する前にこれらの負荷を組み合わせる。トルクボックス２２ａは、Ｕ字形であり、ステム３４ａおよびブランチ３６ａを備える。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンの分野に関する。特に、本発明は、ジェットタービンエンジン用の中間タービンフレームに関する。

ターボファンは、ジェット機のような航空機に一般的に用いられるガスタービンエンジンの一形式である。ターボファンは、概して、高圧圧縮機、低圧圧縮機、高圧タービン、低圧タービン、高圧回転軸、低圧回転軸、ファンおよび燃焼器を備える。高圧圧縮機（ＨＰＣ）は、高圧回転軸によって高圧タービン（ＨＰＴ）に接続され、共に高圧システムとして機能する。同様に、低圧圧縮機（ＬＰＣ）は、低圧回転軸によって低圧タービン（ＬＰＴ）に接続され、共に低圧システムとして機能する。低圧回転軸は、高圧回転軸内に収容されるとともに、ＨＰＣ、ＨＰＴ、ＬＰＣ、ＬＰＴ、高圧回転軸および低圧回転軸が同軸に整列するようにファンに接続される。

外気が、ファンおよびＨＰＣによって、ジェットタービンエンジン内に吸い込まれ、ＨＰＣは、システム内に吸い込まれた空気の圧力を増大させる。次に、高圧空気が燃料を燃焼し、排気ガスを放出する燃焼器に流入する。ＨＰＴは、高圧回転軸を回転させることによって、燃料を用いて、ＨＰＣを直接駆動する。ＬＰＴは、燃焼器内に生じた排気を用いて低圧回転軸を回転させ、この低圧回転軸により、ファンに動力が供給されて、空気が連続的にシステム内にもたらされる。ファンによって吸入された空気は、ＨＰＴおよびＬＰＴを迂回し、ジェット機を前方に推進させるエンジンの推力（スラスト）を増大させる。

高圧システムおよび低圧システムを支持するために、高圧システムおよび低圧システムによって生じる負荷を分配するように、軸受がジェットタービンエンジン内に配置される。これらの軸受は、軸受支持構造体、例えば、軸受コーンによって、ＨＰＴおよびＬＰＴ間に配置された中間タービンフレームに接続される。中間タービンフレームは、軸受支持構造からの負荷をエンジンケーシングに伝達することによって、軸受支持構造体の負荷を分配させるように機能する。この中間タービンフレームの重量を軽減させることにより、ジェットタービンエンジンおよびジェット機自体の効率を著しく高めることができる。

ガスタービンエンジンの少なくとも１つのマウントに接続された中間タービンフレームは、第１の軸受からの第１の負荷および第２の軸受からの第２の負荷をマウントに伝達する。中間タービンフレームは、単一点負荷構造体（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｌｏａｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および複数の支柱を備える。単一点負荷構造体は、第１の負荷および第２の負荷を、結合負荷（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｌｏａｄ）へと組み合わせる。複数の支柱は、単一点負荷構造体に接続されており、この組み合わされた結合負荷を単一点負荷構造体からマウントに伝達する。

図１は、ガスタービンエンジンの中心軸線を中心とするガスタービンエンジン１０の中間部分の部分断面図である。ガスタービンエンジン１０は、概して、中間タービンフレーム１２と、エンジンケーシング１４と、マウント１６と、第１の軸受１８と、第２の軸受２０と、を備える。ガスタービンエンジン１０の中間タービンフレーム１２は、第１の軸受１８および第２の軸受２０からの負荷を単一点負荷構造体に伝達する軽量な設計を有する。また、中間タービンフレーム１２の設計は、歪みを生じることなく大きな負荷に耐えるとともに、その構造的な効率を高める。

中間タービンフレーム１２は、ガスタービンエンジン１０のエンジンケーシング１４内に収容されている。中間タービンフレーム１２は、エンジンケーシング１４と、第１の軸受１８および第２の軸受２０とに接続されている。エンジンケーシング１４は、中間タービンフレーム１２を周囲から保護するとともに、負荷を中間タービンフレーム１２からマウント１６に伝達する。中間タービンフレーム１２は、第１の軸受１８および第２の軸受２０からの負荷を単一点負荷伝達構造の一点に集結させるように設計されている。中間タービンフレーム１２の設計によって、中間タービンフレーム１２の重量が減少する。中間タービンフレーム１２の重量は、中間タービンフレーム１２の形成に用いられる材料に依存する。一実施例では、中間タービンフレーム１２は、約２００ポンド（約９０．７２ｋｇ）未満の重量を有する。例えば、ニッケル基合金から形成された中間タービンフレーム１２は、約１７５ポンド（約７９．３８ｋｇ）の重量を有する。また、中間タービンフレーム１２は、機能的なプレナムとして設計されており、独立した熱伝達プレナムを必要としない。加えて、中間タービンフレーム１２を、冷却空気を再分配する装置を一体部品として有する単一部品として一体的に鋳造してもよい。

第１の軸受１８および第２の軸受２０は、それぞれ、中間タービンフレーム１２の下方において、ガスタービンエンジン１０の前端部および後端部に位置している。第１の軸受１８および第２の軸受２０は、ガスタービンエンジン１０内に位置する高圧ロータおよび低圧ロータからの振動負荷、スラスト負荷、垂直張力および側方ジャイロ負荷を支持する。第１の軸受１８および第２の軸受２０によって支持される全ての負荷は、中間タービンフレーム１２を介して、エンジンケーシング１４およびマウント１６に伝達される。第２の軸受２０は、典型的には、第１の軸受１８よりも大きい負荷を支持するように設計されており、従って、中間タービンフレーム１２は、第２の軸受２０が極限状況下にある場合を想定した剛性や構造に適合するように設計される。

図２は、エンジンケーシング１４の断面内の中間タービンフレーム１２の拡大透視図である。中間タービンフレーム１２は、概して、トルクボックス２２と、複数の支柱２４と、を備える。第１の軸受１８および第２の軸受２０（図１参照）は、それぞれ、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８（図３Ａ参照）によって、中間タービンフレーム１２に接続されている。第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８は、高圧ロータおよび低圧ロータと共に連続的に回転し、第１の軸受１８および第２の軸受２０から負荷を中間タービンフレーム１２に伝達する。

トルクボックス２２は、シェル構造を有し、第１および第２の軸受コーン２６，２８と支柱２４との間に位置している。トルクボックス２２は、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８から負荷またはトルクを受け、トルクボックス２２の外周から延びる支柱２４に伝達する前にこれらの負荷を組み合わせる。

中間タービンフレーム１２の支柱２４は、トルクボックス２２に伝わる第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８からの負荷をエンジンケーシング１４に伝達する。支柱２４の各々は、トルクボックス２２に接続された第１の端部３０と、エンジンケーシング１４に接続された第２の端部３２と、を有する。負荷は、トルクボックス２２から支柱２４を介してエンジンケーシング１４に伝わる。一実施形態では、支柱２４は、楕円形状を有するとともに、負荷を受け、該負荷をエンジンケーシング１４に向けて垂直方向に伝達するような寸法（サイズ）を有する。一実施形態では、トルクボックス２２の外周に沿って、９個の支柱が互いに約４０°の間隔で離間して配設される。他の実施形態では、トルクボックス２２の外周に沿って、合計１２個の支柱が互いに約３０°の間隔で離間して配設される。

図３Ａおよび図３Ｂでは、第１の実施形態としてのトルクボックス２２ａの断面図および概念図が、それぞれ示されており、これらの図を互いに関連させて以下に説明する。トルクボックス２２ａは、Ｕ字形であり、概して、Ｕ字形ステム３４ａおよびＵ字形ブランチ３６ａを備える。中間タービンフレーム１２のＵ字形ステム３４ａは、第１の部分３８、第２の部分４０、およびＵ字形の中心部分４２を有する。Ｕ字形ステム３４ａは、トルクボックス２２の下方に位置し、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８を、互いに接続するとともにトルクボックス２２ａに接続する。Ｕ字形ステム３４ａの第１の部分３８は、中心部分４２から第１の軸受１８に向かって延び、第１の軸受コーン２６として機能する。Ｕ字形ステム３４ａの第２の部分４０は、中心部分４２から第２の軸受２０に向かって延び、第２の軸受コーン２８として機能する。従って、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８は、Ｕ字形ステム３４ａの一部であり、中心部分４２で互いに結合する。第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８の負荷は、Ｕ字形ステム３４ａの中心部分４２において、トルクボックス２２ａに導かれる。Ｕ字形ステム３４ａがシェル形状であるため、中間タービンフレーム１２は、歪みを生じさせることなく、一度に大きな負荷を受けることができる。また、Ｕ字形ステム３４ａは、保護熱シールドとしても機能し、トルクボックス２２ａを熱的に保護する。

Ｕ字形ブランチ３６ａは、第１の端部４４および第２の端部４６を有する。Ｕ字形ブランチの第１の端部４４は、トルクボックス２２ａに接続され、Ｕ字形ブランチ３６ａの第２の端４６は、Ｕ字形ステム３４ａの中心部分４２において、Ｕ字形ステム３４ａに接続されている。Ｕ字形ブランチ３６ａをＵ字形ステム３４ａの中心部分４２に接続することによって、Ｕ字形ブランチ３６ａは、軸受アーム負荷伝達部材として機能する。

図４は、第１の軸受１８および第２の軸受２０に接続されたトルクボックス２２ａの自由体図である。第１の軸受からの負荷または反力Ｆ_bearing1および第２の軸受からの負荷または反力Ｆ_bearing2は、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８を介して伝わる。反力Ｆ_bearing1および反力Ｆ_bearing2は、ある角度でＵ字形ステム３４ａに伝わり、交差する。従って、これらの反力は、第１の軸受の水平成分Ｈ_bearing1および第２の軸受の水平成分Ｈ_bearing2、ならびに第１の軸受の垂直成分Ｖ_bearing1および第２の軸受の垂直成分Ｖ_bearing2の単純なベクトルに分けられる。第１および第２の軸受の水平成分Ｈ_bearing1、Ｈ_bearing2は、互いに逆方向に向かっているので、Ｕ字形ステム３４ａの中心部分４２において、互いに打ち消される。この水平成分Ｈ_bearing1、Ｈ_bearing2が互いに打ち消されるため、第１および第２の軸受の垂直成分Ｖ_{bearing1+bearing2}のみが、Ｕ字形ステム３４ａおよびＵ字形ブランチ３６ａを介して、トルクボックス２２ａに伝わる。従って、全負荷は、Ｕ字形ステム３４ａの中心部分４２で打ち消された吸収成分に起因して低減する。

図５Ａおよび図５Ｂでは、第２の実施形態としてのトルクボックス２２ｂの断面図および概念図が、それぞれ示されており、これらの図を互いに関連させて以下に説明する。トルクボックス２２ｂは、Ｘ字形であり、概して、Ｘ字形ステム３４ｂおよびＸ字形ブランチ３６ｂを備える。トルクボックス２２ａと同様に、第１の軸受１８および第２の軸受２０は、それぞれ、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８によって、Ｘ字形のトルクボックス２２ｂに接続される。第１の軸受１８および第２の軸受２０からの負荷は、それぞれ、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８を介して、トルクボックス２２ｂに伝達される。次いで、トルクボックス２２ｂは、この負荷をエンジンケーシング１４およびマウント１６に伝達する。

トルクボックス２２ｂのＸ字形ステム３４ｂは、第１の部分４８、第２の部分５０、およびＸ字形の中心部分５２を有する。Ｘ字形ステム３４ｂは、トルクボックス２２ｂの下方に位置するとともに、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８を、互いに接続し、かつトルクボックス２２ｂに接続する。Ｘ字形ステム３４ｂの第１の部分４８は、中心部分５２から第１の軸受１８に向かって延び、第１の軸受コーン２６として機能する。Ｘ字形ステム３４ｂの第２の部分５０は、中心部分５２から第２の軸受２０に向かって延び、第２の軸受コーン２８として機能する。従って、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８は、Ｘ字形ステム３４ｂの一部であり、中心部分５２において互いに結合する。Ｘ字形ステム３４ｂは、保護熱シールドとしても作用し、トルクボックス２２ｂを熱的に保護する。また、第１の軸受コーン２６および第２の軸受コーン２８の負荷は、Ｘ字形ステム３４ｂにおいて、トルクボックス２２ｂに導かれる。

Ｘ字形ブランチ３６ｂは、第１の端部５４および第２の端部５６を有する。Ｘ字形ブランチ３６ｂの第１の端部５４は、トルクボックス２２ｂに接続され、Ｘ字形ブランチ３６ｂの第２の端部５６は、Ｘ字形ステム３４ｂの中心部分５２において、Ｘ字形ステム３４ｂに接続されている。Ｘ字形ブランチ３６ｂをＸ字形ステム３４ｂの中心部分５２に接続することによって、Ｘ字形ブランチ３６ｂは、軸受アーム負荷伝達部材として機能する。

作動時において、トルクボックス２２ｂのＸ字形ステム３４ｂは、中心部分５２のＸ字形に起因して、中心部分５２に付加的な負荷および局所的な応力の状態を生じさせる鋏作用が存在すること以外は、トルクボックス２２ａのＵ字形ステム３４ａと同様に機能する。従って、トルクボックス２２ｂも構造的な効率を高めるが、トルクボックス２２ｂが歪む前に支持することができる負荷は、トルクボックス２２ａが支持することができる負荷よりも小さい。

中間タービンフレームの上記のトルクボックスの設計は、構造的な効率が高められた軽量な構造体をもたらす。このトルクボックスは、ガスタービンエンジンにおける第１の軸受および第２の軸受から負荷を伝える単一点負荷構造体を有する。従って、この単一点負荷構造体は、部分的に第１の軸受コーンおよび第２の軸受コーンとして機能する。第１の軸受および第２の軸受からの負荷は、単一点負荷構造体において、単一点負荷伝達点に結集する。第１の軸受および第２の軸受からの負荷は、ある角度で単一点負荷構造体に伝わるので、該負荷の水平成分は互いに打ち消される。唯一残る力は、垂直方向への力である。これらの残った負荷は、組み合わされてトルクボックスに伝達され、次いで、該負荷は、トルクボックスにより、トルクボックスに取り付けられた複数の支柱に伝えられる。中間タービンフレームを囲むエンジンケーシングに取り付けられた支柱は、トルクボックスからの負荷をエンジンケーシングに伝える。一実施形態では、単一点負荷構造体は、Ｕ字形である。他の実施形態では、単一点負荷構造体は、Ｘ字形である。

好ましい実施形態に基づいて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形態および詳細に関する変更がなされることを理解されるであろう。

中間タービンフレームを有するガスタービンエンジンの部分断面図である。 中間タービンフレームの透視図である。 中間タービンフレームの第１の実施形態の断面図である。 中間タービンフレームの第１の実施形態の概略図である。 中間タービンフレームの第１の実施形態の自由体図である。 中間タービンフレームの第２の実施形態の断面図である。 中間タービンフレームの第２の実施形態の概略図である。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンの少なくとも１つのマウントに接続されるとともに、第１の軸受からの第１の負荷および第２の軸受からの第２の負荷を前記マウントに伝達する中間タービンフレームであって、
   前記第１の負荷および前記第２の負荷を結合負荷へと組み合わせる単一点負荷構造体と、
   前記単一点負荷構造体に接続されるとともに、前記結合負荷を前記単一点負荷構造体から前記マウントに伝達する複数の支柱と、
   を備えることを特徴とする中間タービンフレーム。
2. 前記単一点負荷構造体が、Ｕ字形であることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
3. 前記単一点負荷構造体が、Ｘ字形であることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
4. 前記第１の負荷が、第１の軸受コーンを介して前記中間タービンフレームに伝達され、
   前記第２の負荷が、第２の軸受コーンを介して前記中間タービンフレームに伝達されることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
5. 前記単一点負荷構造体が、
   前記第１の負荷および前記第２の負荷を前記結合負荷へと組み合わせるステムと、
   前記ステムに接続されるとともに、前記ステムからの前記結合負荷の一部を吸収するブランチと、
   第１の端部および第２の端部を有するとともに、該第１の端部において前記ステムおよび前記ブランチに接続され、前記第２の端部において前記複数の支柱に接続されるトルクボックスと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
6. 前記トルクボックスは、前記結合負荷を前記ステムおよび前記ブランチから前記複数の支柱に伝達することを特徴とする請求項５に記載の中間タービンフレーム。
7. 前記第１の軸受コーンおよび前記第２の軸受コーンが、前記ステムと一体的であることを特徴とする請求項５に記載の中間タービンフレーム。
8. 前記ステムが、前記トルクボックスを熱的に保護することを特徴とする請求項５に記載の中間タービンフレーム。
9. 前記ブランチが、軸受アーム負荷伝達部材として機能することを特徴とする請求項５に記載の中間タービンフレーム。
10. 前記中間タービンフレームが、約２００ポンド未満の重さを有することを特徴とする請求項５に記載の中間タービンフレーム。
11. ガスタービンエンジンの第１の軸受コーンからの第１の負荷および第２の軸受コーンからの第２の負荷を複数の支柱に伝達する単一点負荷構造体であって、
    前記第１の軸受コーンからの前記第１の負荷と、前記第２の軸受コーンからの前記第２の負荷とを組み合わせるステムと、
    前記ステムに接続されるとともに、前記第１の軸受コーンおよび前記第２の軸受コーンからの前記負荷の一部を吸収するブランチと、
    前記複数の支柱に接続されるとともに、前記ステムおよび前記ブランチからの前記第１の負荷および前記第２の負荷を吸収するトルクボックスと、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の単一点負荷構造体。
12. 前記単一点負荷構造体が、Ｕ字形であることを特徴とする請求項１１に記載の単一点負荷構造体。
13. 前記単一点負荷構造体が、Ｘ字形であることを特徴とする請求項１１に記載の単一点負荷構造体。
14. 前記第１の軸受コーンおよび前記第２の軸受コーンが、前記ステムと一体的であることを特徴とする請求項１１に記載の単一点負荷構造体。
15. 前記トルクボックスが、リング構造であることを特徴とする請求項１１に記載の単一点負荷構造体。
16. 軽量の中間タービンフレームであって、第１の軸受からの第１の負荷および第２の軸受からの第２の負荷を組合せ、かつ前記中間タービンフレームを収容するエンジンケーシングに伝達する中間タービンフレームにおいて、
    前記第１の負荷および前記第２の負荷を組み合わせるステムと、
    前記ステムに接続されるとともに、軸受アーム負荷伝達部材として作用するブランチと、
    前記ステムおよび前記ブランチに接続されるとともに、前記ステムおよび前記ブランチからの前記第１の負荷および前記第２の負荷を吸収するトルクボックスと、
    前記トルクボックスに接続されるとともに、前記トルクボックスからの前記負荷を前記エンジンケーシングに伝達する複数の支柱と、
    を備えることを特徴とする軽量の中間タービンフレーム。
17. 前記中間タービンエンジンが、約２００ポンド未満の重さを有することを特徴とする請求項１６に記載の軽量中間タービンフレーム。
18. 前記ステムが、Ｕ字形であることを特徴とする請求項１６に記載の軽量中間タービンフレーム。
19. 前記ステムが、Ｘ字形であることを特徴とする請求項１６に記載の軽量中間タービンフレーム。
20. 前記第１の負荷が、第１の軸受コーンを介して前記ステムに伝達され、
    前記第２の負荷が、第２の軸受コーンを介して前記ステムに伝達されることを特徴とする請求項１６に記載の軽量中間タービンフレーム。

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