JP2007332951A - ガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンを運転する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータ段の代わりに逆回転ブレード段を圧縮機に設けることによって、低スプールの速度を補う。
【解決手段】ステータ段の代わりの逆回転ブレード段７２，７４，７６によって、ガスタービンエンジンのスプールの比較的低い回転速度を補うことができる。低速スプール６０は、少なくとも１つの圧縮機ブレード段７８，８０と、少なくとも１つのタービンブレード段と、を有する。燃焼器が、コア流路に沿って圧縮機ブレード段とタービンブレード段との間に、配置される。少なくとも１つの逆回転する圧縮機ブレード段７２，７４，７６が、低速スプールの少なくとも１つの圧縮機ブレード段７８，８０と交互に並んで配列される。変速装置９０が、少なくとも１つの付加的な圧縮機ブレード段７２，７４，７６をエンジン軸を中心として逆回転するように低速スプール６０に連結する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関する。さらに詳細には、本発明は、多軸ターボファンエンジンの低圧圧縮機部に関する。

ガスタービンエンジンは、１つのスプールを有することがあり、または複数のスプールを有することもある。各スプールは、例えば、関連する圧縮機部およびタービン部のそれぞれのブレードと、連結シャフトと、を備えることができる。２軸（２スプール）エンジンおよび３軸（３スプール）エンジンが、知られている。典型的な２軸エンジンは、低速スプールおよび高速スプールを備える。巡航状態では、典型的な低スプールの速度は、２，０００〜７，０００回転／分（ＲＰＭ）であり、典型的な高スプールの速度は、９，０００〜２１，０００ＲＰＭである。低スプールは、低速／低圧圧縮機（ＬＰＣ）ブレードおよび低速／低圧タービン（ＬＰＴ）ブレードを備え、高スプールは、高速／高圧圧縮機（ＨＰＣ）ブレードおよび高速／高圧タービン（ＨＰＴ）ブレードを備える。エンジンを貫通するコア流路が、ＬＰＣ、ＨＰＣ、燃焼器、ＨＰＴ、およびＬＰＴを順次経由することができる。

ターボファンエンジンでは、ファンは、空気をバイパス流路に沿って送り込む。多くのエンジンにおいて、ファンは、低速スプールの一部として取り付けられ、ＬＰＣと部分的に一体化され得る。エンジンを設計する際に、望ましいファンの速度と望ましい低スプールの速度との間に食違いが生じることがある。特に、高バイパス比ターボファンエンジンでは、ファンの速度が低スプールの速度よりも低いと、有利である。典型的な中間速度での折衷案では、ファンは、望ましい速度で要求されるものよりも小さくなり、ＬＰＣおよびＬＰＴは、望ましい速度で要求されるものよりも多くの数のブレード段を有するものとなる。代替案として、低スプールは、減速歯車システム（例えば、遊星歯車システム）を介して、ファンを駆動してもよい。これによって、より大きな直径のファンを効率的な比較的低速で運転する一方、ＬＰＣおよびＬＰＴを効率的な比較的高速で運転することが可能になる。

本発明の一態様は、ステータ段の代わりに少なくとも１つの逆回転ブレード段を圧縮機に設けることによって、低スプールの速度を補うことを含む。この態様では、第１のスプールは、少なくとも１つの圧縮機ブレード段と、少なくとも１つのタービンブレード段と、を有することができる。燃焼器が、コア流路に沿って少なくとも１つの圧縮機ブレード段と少なくとも１つのタービンブレード段との間に、配置される。少なくとも１つの付加的な逆回転圧縮機ブレード段が、第１のスプールの少なくとも１つの圧縮機ブレード段と交互に並んで配列される。変速装置が、少なくとも１つの付加的な圧縮機ブレード段をエンジン軸を中心として逆回転するように第１のスプールに連結する。

種々の実施例において、エンジンは、ターボファン式であってもよい。上記の少なくとも１つの圧縮機ブレード段および少なくとも１つのタービンブレード段は、それぞれ、低速／低圧圧縮機（ＬＰＣ）ブレード段および低速／低圧タービン（ＬＰＴ）ブレード段であってもよい。エンジンは、高速／高圧圧縮機（ＨＰＣ）および高速／高圧タービン（ＨＰＴ）をさらに有していてもよい。ＨＰＣ、ＨＰＴ、およびＬＰＴは、逆回転ブレードのない従来のブレードおよびステータベーンのセクションを有するものであってもよい。

添付の図面と以下の実施のための最良の形態において、本発明の１つ又は複数の実施形態を詳細に説明する。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施のための最良の形態および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるだろう。

種々の図面における同様の参照番号および記号は、同様の要素を指すものとする。

図１では、長手方向の中心軸５００を有するターボファンエンジン２０が図示されている。エンジンは、コア流路５０２およびバイパス流路５０４を有する。エンジンは、前／入口／上流端２２および後／出口／下流端２４を有する。コア流路およびバイパス流路の上流端において、エンジンは、内周側のプラットフォーム３０から外周側の先端３２に延びる周方向に列をなすブレード２８を備えるファン２６を有する。例示されている外周側の先端は、シュラウド３６の内周面に僅かな間隔で接近している。シュラウドは、構造ケース４０から延びる周方向に列をなす支柱３８によって、保持することができる。

コア流路５０２に沿って下流側に進むと、エンジンは、低圧圧縮機（ＬＰＣ）部５０、高圧圧縮機（ＨＰＣ）部５２、燃焼器部５４、高圧タービン（ＨＰＴ）部５６、および低圧タービン（ＬＰＴ）部５８を有する。例示されているエンジンは、低速スプールシャフト６０を備える。例示されている高速スプールは、（例えば、中心連結スプールを有しない）ロータスタックとして形成されてもよいし、シャフトを有してもよい。例示的な実施例では、ＨＰＣ、ＨＰＴ、及びＬＰＴの各々は、複数組の交互に並ぶ回転ブレード段および非回転ステータベーンを備えていてもよい。しかし、このエンジン２０では、ＬＰＣ５０は、交互に並ぶ逆回転ブレード段の２つの群を備える。第１の群は、低速スプール上に形成することができる。第２の群は、１つ又は複数のＬＰＣステータ段と効果的に取り替えることができる。

図２の例において、逆回転圧縮機スプール７０は、低速スプールのブレード段７８，８０と交互に並ぶブレード段７２，７４，７６を有する。図２の具体例では、上流から下流に向かって、これらのブレード段は、７２，７８，７４，８０，７６の順に配列されている。スプール７０の逆回転は、変速装置９０によって駆動することができる。例示されている変速装置９０は、シャフト６０に取り付けられた中心となる外歯サンギア９２を有する遊星歯車変速装置である。周方向に列をなす外歯アイドルギア９４が、ギア９２に係合されている。例示されているギア９４は、キャリアリング９８に支持されたジャーナル９６に支持されている。例示されているキャリアリング９８は、エンジンの静止構造体１００に固定して取り付けられている。静止構造体１００は、シャフト６０の回転を可能にするために、多数の軸受系１０２，１０４を介してシャフト６０に連結されている。

変速装置９０は、ギア９４の周囲に係合された内歯リングギア１０５をさらに備える。例示されているリングギア１０５は、１つ又は複数の軸受系１０６，１０８によって、静止構造体に支持されている。例示されている変速装置９０は、スプール７０を低速スプールに対して逆回転させる。図２の例では、ファンブレード２８は、ハブ１２０を介して、シャフト６０に取り付けられている。ハブ１２０の外周側後端に、ブレードプラットフォームリング１２２が、（例えば、ボルトサークル１２４を介して）、固定されている。プラットフォームリング１２２は、後端１２６まで延びている。

プラットフォームリング１２２の外周面１２８は、コア流路５０２の内周側境界を局所的に構成する。ブレード段７８，８０は、プラットフォームリング１２２に固定された内端（例えば、プラットフォームリング１２２と一体で鋳込まれ、および／または共に機械加工されており、又はプラットフォームリング１２２に取り付けられている）から外周側の自由先端に延びている。図２の例では、スプール７０の最下流ブレード段７６は、サポート１３０の外周端に取り付けられている。ブレード段７６の外周端は、シュラウドリング１３２に固定されている（例えば、シュラウドリング１３２と一体で鋳込まれておよび／または共に機械加工されているか、又はシュラウドリング１３２に取り付けられている）。シュラウドリング１３２の内周面１３３は、コア流路５０２の外周側境界の一部を構成する。例示されているシュラウドリング１３２は、ブレード段７６と隣接する後／下流端１３４を有し、上流端１３６まで前方に延びている。ブレード段７２，７４の外周端は、シュラウドリング１３２に取り付けられている。これらのブレードは、プラットフォームリング１２２の外周面１２８に隣接する自由内周端を有する。支持体１３０は、リングギア１０５に固着され、ブレード段７６を回転駆動すると共に、シュラウドリング１３２を介して、ブレード段７２，７４を回転駆動する。

例示的な実施例において、低スプールの回転速度に対するスプール７０の回転速度の比率は、−０．４：１から−０．８：１の間、さらに具体的には、−０．６：１から−０．７：１の間にある。低スプールに対する高スプールの速度比は、条件によって左右される。定常状態の巡航条件における低スプールの速度に対する高スプールの速度の例示的な比率は、１．５：１から４．５：１の間、さらに具体的には、２．５：１から４：１の間にある。

基準となる従来のターボファンエンジンを再設計する場合、ＬＰＣ段の数を減らすことができる。これは、長手方向によりコンパクトなエンジンを製作するのに、役に立つ。部品点数を減らすことができるので、エンジン重量を減らすこともできる。信頼性が向上する可能性もある。加えて、エンジンの圧力比を増加させることによって、基準となるエンジン長さを維持しながら、推力を増大させることができる。

図３では、異なる変速装置２０２を有する以外はＬＰＣ５０と同様であってもよい代替例のＬＰＣ２００が図示されている。変速装置２０２は、以下の点を除けば、変速装置９０と同様であってもよい。すなわち、変速装置２０２は、回転不能に連結されたアイドルギア２０４，２０６の対を有する。ギア２０４は、ギア９２と係合し、ギア２０６は、リングギア１０５と係合している。例示されているギア２０６は、スプール７０の回転速度を同様の寸法を有する変速装置９０の速度能力よりも増大させるために、関連するギア２０４よりも大きい直径を有する。低スプールの回転速度に対するスプール７０の回転速度の例示的な比率は、−０．７：１から−２：１の間、さらに具体的には、−１：１から−１．２５：１の間にある。

異なる圧力比（したがって、推力）をもたらす異なるギア比を有し得る以外は、同様か又は同一のいくつかのエンジンからなる例示的なエンジンファミリを提供することができる。このファミリでは、圧力比および推力の増大は、スプール７０の速度の増大と関連することになる。例えば、ファミリの中では、ＬＰＣの空気動力学特性（例えば、ブレードの点数、ブレードの大きさ、およびエアフォイルの形状）を維持することができる。ＬＰＴの特性も同様に維持することができるが、圧力比が変動した場合、ＬＰＴの一部を対応して変動させる方が好ましい傾向にある。

代替的な変更例の１つに、逆回転スプールをファンの変速装置によって直接的又は間接的に駆動するギア減速形ターボファンが挙げられる。

他の例示的な再設計を行なう場合、さらなる変更が、ＨＰＣおよびＨＰＴに対してなされてもよい。例えば、ＬＰＣの段の数を維持するか又はＬＰＣの段をさらに増やすことによって、ＨＰＣの負荷を軽減させてもよい。これによって、ＨＰＣ段の数および関連するＨＰＣの部品点数の低減、ならびにコストの低減が容易になる。これは、広範囲にわたる再設計、または既存の圧縮機から段を減らすのが困難という理由によって白紙の状態からなされるエンジン設計に適している。

本発明の１つまたは複数の実施形態について、説明した。にもかかわらず、種々の修正が本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解されるだろう。例えば、既存のエンジン構成の再設計として実施される場合、その既存のエンジン構成の詳細がどのような具体的な実施例の詳細にも影響を与えることがある。したがって、他の実施形態は、特許請求の範囲内に含まれる。

本発明によるターボファンエンジンの部分断面図である。 図１のエンジンの低圧圧縮機部の拡大図である。 代替的な低圧圧縮機の図である。

Claims (17)

1. 少なくとも１つの圧縮機ブレード段および少なくとも１つのタービンブレード段を有する第１のスプールと、
   コア流路に沿って前記少なくとも１つの圧縮機ブレード段と前記少なくとも１つのタービンブレード段との間にある燃焼器と、
   前記第１のスプールの前記少なくとも１つの圧縮機ブレード段と交互に並ぶ少なくとも１つの付加的な圧縮機ブレード段と、
   前記少なくとも１つの付加的な圧縮機ブレード段をエンジン軸を中心として逆回転するように前記第１のスプールに連結する変速装置と、
   を含むガスタービンエンジン。
2. 前記少なくとも１つの付加的なブレード段の少なくとも第１の段のブレードが、内周側において前記変速装置と連結されると共に、外周側においてシュラウドに連結され、
   前記少なくとも１つの付加的なブレード段の少なくとも第２の段のブレードは、前記第１の段および前記シュラウドを介して前記変速装置によって駆動されるように、外周側において前記シュラウドに連結されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 前記変速装置が、前記少なくとも１つの付加的なブレード段を前記第１のスプールに対し、−０．４：１から−２：１の間の固定比で回転させる変速作用を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記変速装置が、
   前記第１のスプールの第１の中心ギアと、
   前記第１のギアに係合される周方向において列をなす第２のギアと、
   前記第２のギアに係合されると共に、前記少なくとも１つの付加的なブレード段に回転不能に連結されるリングギアと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記変速装置が、
   前記第１のスプールの第１の中心ギアと、
   周方向に列をなす複数対の第２のギアおよび第３のギアであって、前記第２のギアが、前記第１のギアに係合される複数対の第２のギアおよび第３のギアと、
   前記複数対の第２のギアおよび第３のギアを関連するそれぞれの軸を中心として回転可能に保持するキャリアと、
   前記第３のギアに係合されると共に、前記少なくとも１つの付加的なブレード段に回転不能に連結されるリングギアと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
6. 前記第３のギアが、前記第２のギアよりも大きいことを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
7. 前記コア流路に沿って前記第１のスプールの前記少なくとも１つの圧縮機ブレード段と前記燃焼器との間にある少なくとも１つの圧縮機ブレード段と、
   前記コア流路に沿って前記第１のスプールの前記少なくとも１つの圧縮機ブレード段と前記燃焼器との間にある少なくとも１つのタービンブレード段と、
   を有する第２のスプールをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記第１のスプールの前記圧縮機ブレード段が、少なくとも２つあり、
   前記第１のスプールの前記タービンブレード段が、少なくとも２つあることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
9. 前記第１のスプールによって駆動されるファンをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
10. 前記ファンが、前記第１のスプールと一体になって回転することを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
11. 前記第１のスプールによって駆動されるファンをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
12. 第１のスプールの複数の第１のブレード段と、
    前記第１のブレード段に逆回転するように連結された複数の第２のブレード段と、
    を有する圧縮機部と、
    前記圧縮機部から空気を受けて、前記空気を燃料と共に燃焼するように連結された燃焼器と、
    前記第１のスプールの複数のブレードを有するタービン部と、
    を備えるガスタービンエンジン。
13. 前記第１のスプールによって駆動されるファンをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
14. ガスタービンエンジンを運転する方法であって、
    空気を圧縮機内で圧縮するステップであって、前記圧縮機が、第１のスプールの複数のブレード段と、前記複数のブレード段と交互に並ぶ複数の逆回転する第２のブレード段と、を備えるステップと、
    前記空気を燃料と混合するステップと、
    前記燃料および空気を燃焼器内で燃焼させるステップと、
    前記第１のスプールを回転駆動させるために、燃焼生成物を前記燃焼器からタービン部に通過させるステップであって、前記タービン部が、複数組の交互に並ぶステータ段と前記第１のスプールのブレード段とから本質的になるステップと、
    を含む方法。
15. 前記圧縮ステップが、前記第２のブレード段を前記第１のスプールに対し、−０．４：１から−２：１の間の固定比で回転させることを特徴とする請求項１４に記載の方法
16. 前記空気を第２の圧縮機内でさらに圧縮するステップであって、前記第２の圧縮機が、第２のスプールの複数のブレード段と、前記複数のブレード段と交互に並ぶ複数のステータベーンと、から本質的になるステップと、
    第２のスプールを回転駆動させるために、前記燃焼生成物を前記タービン部から第２のタービン部に通過させるステップであって、前記第２のタービン部が、複数組の交互に並ぶステータ段と前記第２のスプールのブレード段とから本質的になるステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記圧縮ステップが、前記第２のブレード段を前記第１のスプールに対し、−０．４：１から−２：１の間の固定比で回転させるステップを含み、
    前記第１のスプールが、２，０００〜７，０００ＲＰＭの速度で回転し、
    前記第２のスプールが、９，０００〜２１，０００ＲＰＭの速度でかつ前記第１のスプールに対し、１．５：１から４：１の間の変動する回転比でもって回転することを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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