JP2007534873A - 単一のオイルキャビティを備えるガスタービンエンジン、または、内側および外側同心シャフトを備えるガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジン（１０）は、高圧シャフト（３８）を支持する減速ギアボックスベアリング（５４）および少なくともシャフトベアリング（４２，４４）を同じオイルキャビティ（６０）内に包含することによって熱の排出およびオイルシステムの複雑性を減少させるオイルキャビティ構造およびベアリング配置を有する。

Description

本発明は一般にガスタービンエンジンに関し、特には、ガスタービンエンジンの改善された構造に関する。

従来のガスタービンエンジンのレイアウトはエンジン全体にわたって互いに離間する複数の潤滑ベアリングを必要とし、したがって、前記ベアリングを収容するとともに、該ベアリングにオイルを供給する複数のオイルキャビティが必要となる。

必要とされるオイルキャビティの数が多ければ多いほど、コスト、重量およびエンジン設計の複雑性が増す。加えて、オイルキャビティの数が多いほど、離間して設けられた複数のベアリングキャビティの間およびベアリングキャビティへオイルを運ぶための外部パイプに伴うオイル漏れの危険性が高まる。図１では、そのような一般的なガスタービンエンジンのレイアウトが図示されており、該ガスタービンエンジンはおおむねＡ〜Ｆで示された６つのベアリングキャビティを有し、各ベアリングキャビティは、その内側にいくつかの個々のベアリングを有する。

本発明の目的は、改善された構造を有するガスタービンエンジンを提供することである。

したがって、本発明によれば、複数の減速ギアボックスベアリングを内包する一次減速ギアボックスと、複数の高圧シャフトベアリングによって回転可能に支持され、コンプレッサとタービンとが設けられた少なくとも高圧シャフトと、その内側にシャフトベアリングキャビティを画定するガスジェネレータ部と、を有するガスタービンエンジンにおいて、シャフトベアリングキャビティは少なくとも高圧シャフトベアリングを包含し、一次減速ギアボックスとシャフトベアリングキャビティは制限のないオイル流連通関係で係合し、単一のオイルキャビティを画定し、減速ギアボックスベアリングおよび高圧シャフトベアリングがオイルキャビティ内に内包されることを特徴とするガスタービンエンジンが提供される。

また、本発明によれば、ケーシングと、複数の減速ギアボックスベアリングを有する一次減速ギアボックスと、複数の補助ギアボックスベアリングを有する補助ギアボックスと、コンプレッサおよびタービンが設けられるとともに、少なくとも２つのシャフトベアリングで回転可能に支持される少なくとも第一シャフトと、を備えるガスタービンエンジンであって、減速ギアボックス、補助ギアボックス、およびシャフトベアリングはケーシング内の単一のオイルキャビティ内に配され、減速ギアボックスベアリングと補助ギアボックスベアリングと前記シャフトベアリングとの間では制限されないオイル流が可能であることを特徴とする、ガスタービンエンジンが提供される。

さらに、本発明によれば、少なくとも外側および内側同心シャフトを有するガスタービンエンジンであって、少なくとも前記外側シャフトにはコンプレッサとタービンとが設けられ、前記シャフトの各々は、それぞれ、少なくとも二つの外側シャフトベアリングおよび二つの内側シャフトベアリングにより回転可能に支持され、外側シャフトベアリングは外側同心シャフトのタービン側端部から離間しており、かくしてタービンが前記ベアリングと前記端部との間に配され、外側同心シャフトは外側シャフトベアリングから片持ち式となることを特徴とするガスタービンエンジンが提供される。

さらに、本発明によれば、複数のシャフトベアリングによって回転可能に支持された少なくとも外側および内側の同心シャフトを有するフリータービンガスエンジンであって、外側シャフトはフリータービンシャフトであり、外側シャフトにはタービンおよびコンプレッサが設けられ、ベアリングがタービンから隔離するように、外側シャフトベアリングがコンプレッサの前方に配されることを特徴とするフリーのガスタービンエンジンが提供される。

本発明のその他の特徴および利点は以下の詳細な説明を付属の図面と併せて読めば明らかとなるであろう。

図２を参照すると、本発明のガスタービンエンジン１０は、亜音速飛行用に好ましく提供される型式であり、米国特許公開公報第ＵＳ２００３／０１１５８８５号（参照として本明細書に組み込まれる）に実質的に記載された型式のものである。ガスタービンエンジン１０は、一般にガスジェネレータモジュール１２を有し、該ガスジェネレータモジュール１２は、直列の流体連通関係にある、空気を圧縮する多段コンプレッサ部１８と、圧縮された空気が燃料と混合され、点火されて高温燃焼ガスの環状流を生成する燃焼部２２と、燃焼ガスからエネルギーを抽出するタービン部２０と、を備える。

コンプレッサ部１８は、空気入口２４と、ブースタ段またはブーストロータ型の低圧（ＬＰ）コンプレッサ２６（参照として本明細書に組み込まれる米国特許第６，４８８，４６９号明細書に記載された型式でもよい）と、コンプレッサ空気流ダクト３０の出口端部に位置する遠心インペラ型の高圧（ＨＰ）コンプレッサ２８と、を備える。

タービン部２０は、一般に、高圧（ＨＰ）タービンロータ３１と、低圧（ＬＰ）タービンロータ３３と、備えており、ＨＰタービンロータ３１およびＬＰタービンロータ３３は、同心の外側ＨＰシャフト３８および内側ＬＰシャフト３６にそれぞれ取り付けられている。これらのメインシャフト、つまり「スプール」は、好ましくは、ＬＰシャフト３６の外側にＨＰシャフト３８が配置された状態で、同心円状に設けられる。これは、通常、ＨＰシャフトがエンジン内で互いに近接して配設される回転要素を実質的に接続するので、形状上の制限のために容易に行われる。外側ＨＰシャフト３８が、ＨＰコンプレッサのインペラ２８を駆動し、内側ＬＰシャフト３６が、ＬＰコンプレッサロータ２６を駆動する。また、ＬＰシャフト３６は、好ましくは減速ギアボックスモジュール１４および補助ギアボックスモジュール１６を駆動する。しかし、これらの構成要素が異なったシャフトにより駆動されてもよいことを理解されるであろう。

内側ＬＰシャフト３６と同心円状をなすとともに内側ＬＰシャフト３６を取り囲むように配設された外側ＨＰシャフト３８は、（図２において点線で示された）シャフトベアリングキャビティ６２内で、ＨＰタービン３１およびＨＰコンプレッサ２８両方の前方に配されたＨＰシャフト用ベアリングからエンジンの後部において片持ち式になっている。シャフトベアリングキャビティ６２は、好ましくは、後部ＬＰシャフトベアリング５２を除いて、ＬＰおよびＨＰシャフトベアリングのほとんど全てを含む。シャフトベアリングキャビティ６２は、減速ギアボックス１４内と補助ギアボックス１６内の両方に開口しており、よってその両方と自由な（すなわち、制限されていない）流体連通関係にあり、これにより、大きな単一のオイルキャビティ６０（図２において太い実線５９によって輪郭が描かれている）を画定する。詳細は後述する。単一キャビティの種々の部分の間の流体連通は、そのような部分間でオイルを強制給油するために圧力を必要とする導管やその他の絞りは存在しないという意味で「制限されていない」。むしろ、エンジン姿勢により、オイルは単にキャビティの各部分内で重力のみの影響下で流れる。キャビティの狭くなっている部分は、「使用済み」オイルが、別体のポンピング手段から独立して、キャビティのオイル収容部まで通過するように、オイルの粘度等に対してサイズが合わせられることが好ましい。ポンピング手段の詳細については後述する。用いられるシャフトベアリングは、それぞれ異なる型式であってもよいが、図２に示された実施例においては、ローラベアリング４２およびボールベアリング４４は、外側ＨＰシャフト３８を支持するとともに、ＨＰコンプレッサ２８のインペラの前方のシャフトと係合する。変則的に、よってＨＰコンプレッサ２８の後部のＨＰスプール上に位置するベアリングが存在しないことが好ましい。内側ＬＰシャフト３６は、対向する端部が支持され、特に、前方端部が、ローラベアリング５０およびメインボールベアリング４８によって、後部端部が、リアベアリング５２によって支持される。このリアＬＰシャフトベアリング５２は、オイルレスベアリングまたはそれ自体のキャビティを有するベアリングであってもよい。

使用中、ガスジェネレータ１２の運転により、出力回転力がＬＰタービンシャフト３６によって供給される。ＬＰシャフトは一分間に２５，０００〜３０，０００回転（ＲＰＭ）以上の速度で回転するが（ＨＰシャフトは５０，０００ＲＰＭまたはそれ以上の速度で回転する）、ＬＰシャフトが回転すると、トルクはＲＧＢタワーシャフト４１を介してＲＧＢ入力シャフト５１に伝達され、その後、減速ギア列５５を介してＲＧＢ出力シャフト５３に伝達される。ＲＧＢ出力シャフト５３の減速された速度は、通常、約２０００ＲＰＭであるが、多くはエンジンの特定の用途に依存する。

減速ギアボックスモジュール１４は、ＲＧＢタワーシャフト４１を介してＬＰシャフト３６から入力を受ける。ＲＧＢタワーシャフト４１は、ＬＰシャフト３６およびタワーシャフト４１にそれぞれ設けられたかさ歯車４５，４７を介してＬＰシャフト３６とメッシュ係合している。タワーシャフトは、フェアリング４３内で入口ガス通路３０を通って延在している。かさ歯車セット４９は回転力をＲＧＢ入力シャフト５１に伝達し、次いで、ＲＧＢ入力シャフトは減速ギア列５５を介してＲＧＢ出力シャフト５３を駆動する。出力シャフト５３は、（本実施例において）適切なプロペラ（図示せず）との連結のためプロペラフランジ５７において終端をなす。複数のＲＧＢベアリング５４は、全てのＲＧＢ回転シャフトを適切に軸支している。

補助ギアボックスモジュール１６は、実質的に、ＡＧＢタワーシャフト６１を介してＬＰシャフト３６によって駆動される。ＡＧＢ出力シャフト７２は、燃料ポンプ、スタータジェネレータ、機械燃料制御部、空気／オイルセパレータ、およびオイルポンプなどの補助装置を駆動するために用いられる。複数のＡＧＢベアリング５６は、全てのＡＧＢ回転シャフトを適切に軸支する。

ここで使われる「前方」という用語は、エンジン内のエンジンの「低温」の端部に向かう位置、つまり、典型的な航空機設備においてエンジンの上流端部を意味するものと画定される。

ＨＰシャフト３８を片持ち式にすることによって、いわゆる「高温の端部」のＨＰシャフトベアリング（ローラベアリング４２）がＨＰタービン３１およびＨＰコンプレッサ２８両方の前方で、かつエンジンのトランスミッション領域内に位置する。この最後部のＨＰシャフトベアリング４２がエンジンの最も高温の部分、すなわち高圧タービン領域から隔離されると、これによってオイルに対する熱の排出が大幅に減少する。片持ち式の低速シャフトは公知であるが、片持ち式の高速シャフトは公知ではなく、エンジンの最も高温の部分からＨＰベアリングを隔離するための本機構の使用もない。

また、片持ち式のＨＰシャフト３８を使用することによって、組立／分解プロセスを簡単にすることができる。特に、ＨＰタービンロータ３１および／またはＬＰコンプレッサロータ２６は、必要であれば、モノリシック構造の単一のオイルキャビティ６０内に含有されるオイルシステムを阻害せずに、取り外すこともできる。このように、従来はオイルシステムに悪影響を及ぼすことなくアクセス不可能であったエレメントの組立／分解が簡素化されることによって、オイルの汚染の可能性が著しく減少する。

好ましくは、大きな単一のオイルキャビティ６０は、減速ギアボックス（ＲＧＢ）１４、補助ギアボックス（ＡＧＢ）１６の全てのベアリング、および最も外側のメインシャフトベアリングを含む。このエンジン構造つまりレイアウトは、図1に示されるような複数のベアリングオイルキャビティを通常備える典型的なターボプロップまたはターボファンエンジンとは著しく異なるものである。本発明のガスタービンエンジン１０の新規の構成およびレイアウト（特に、ＲＧＢ１４とＡＧＢ１６の両方のオフセット特性および片持ち式ＨＰシャフト３８）によって、主要なオイル潤滑ベアリングのほとんど全てが単一の大きなベアリングオイルキャビティ６０に配設され得る。本発明の単一の主要オイルキャビティ６０により、そのような外部パイプや付随するハードウエアを排除することが可能となり、コストおよび重量を軽減することができる。

さらに、全ての主要なオイル潤滑ベアリングを単一のキャビティ内に内包することによって、オイルに対する全体的な熱の排出を減少することができ、これによりオイル冷却要求が低下する。上述したように、一つには、エンジンの最も高温の部分に対するベアリングの隔離によるものであるが、また、一つには、キャビティ内のオイルをシールするために圧力差を生じさせるように、キャビティ内に吹き込まれる熱い二次空気流の量が、オイルと空気の接触面の全体的な数の減少により低下するためである。特に、主要ベアリングキャビティ６０は、好ましくは、低圧および高圧シャフト３６、３８周囲に二つのメインシャフトシール、つまり、ブーストＬＰコンプレッサロータ２６の直後（または下流）に位置する前方シャフトシール６４と、ＨＰコンプレッサインペラ２８の直前（または上流）に位置する後方シャフトシール６６と、を有する。オイルキャビティに流入する二次空気流の量が減少すると、それに応じてオイルに導入される熱の量が減少する。したがって、オイルから取り除かれるべき熱の全体量が少なくなり、これによって、必要とされるオイル冷却システムのサイズ、コストおよび重量が減少し得る。また、主要ベアリングキャビティ６０は、大きな熱質量を有する単一で多量のオイルを提供し、これによって、複数の個々の小さなキャビティよりも有益な対質量表面積比がもたらされ、さらにオイルに対するエンジン熱の排出が減少する。

大きな主要オイルキャビティ６０の別の利点は、別体のＡＧＢオイル排油システムの必要性を排除することができることである。特に、本装置によれば、通常運転姿勢でキャビティ６０内のオイルをオイルタンク７０が好ましく配置された底部へ排油するために必要なのは重力だけである。したがって、外部または内部パイプや排油ポンプは必要とされない。全ての主要ベアリングが主要キャビティ６０内に位置し、オイルタンクがその底部に配されているので、従って主要オイル圧と排油システムの圧との間のオイル流の不整合の可能性がなくなる。これにより、ベアリングキャビティのフラッディングの可能性は著しく減少する。

主要ベアリングキャビティ６０内に配されていない唯一のエンジンベアリングは、後部ＬＰシャフトベアリング５２である。上述したように、この後部ＬＰシャフトベアリング５２は、主要な荷重負担部材ではなく、したがって、比較的小さなローラまたはエアベアリングとすることができる。エアベアリングが用いられる場合、主要オイルキャビティ６０以外のベアリングキャビティは必要とされない。しかし、オイル潤滑を必要とする回転エレメントベアリング（たとえば、ボールまたはローラベアリング）が用いられる場合、内部にオイルを含有する小さな第２のベアリングキャビティ５８が設けられる。

本発明はターボプロップエンジンに関して説明および図示されたが、本発明は少なくとも一次減速ギアボックスを有するガスタービンエンジンであれば適用できることを理解されたい。したがって、その特定のレイアウトの適合性に応じて、ターボプロップ、ターボシャフト、またはギヤードターボファンが、上述した本発明の本質を有するように構成されてもよい。

上述した本発明の実施例は、例示を目的としたものである。したがって、当業者であれば、前述の説明は例示的なものにすぎず、種々の変更形態および修正形態が本発明の主旨を逸脱しない範囲でなされることを理解されるであろう。したがって、本発明は、添付の請求の範囲の範囲内にある変更形態、修正形態および変形形態の全てを包含することを意図するものである。

図１は、エンジン全体にわたって離間して設けられた複数のベアリングキャビティを有する従来のガスタービンエンジンの概略断面図である。 図２は、本発明によるガスタービンエンジンの概略的断面図である。

Claims (20)

1. 複数の減速ギアボックスベアリングを内包する一次減速ギアボックスと、
   複数の高圧シャフトベアリングによって回転可能に支持されるとともに、コンプレッサおよびタービンが取付けられた少なくとも高圧シャフトと、
   内側にシャフトベアリングキャビティを画定するガスジェネレータ部と、
   を有するガスタービンエンジンにおいて、
   前記シャフトベアリングキャビティは、少なくとも前記高圧シャフトベアリングを包含し、前記一次減速ギアボックスおよびシャフトベアリングキャビティは、制限のないオイル流連通関係に係合するとともに、単一のオイルキャビティを画定し、前記減速ギアボックスベアリングおよび前記高圧シャフトベアリングが前記オイルキャビティ内に内包されることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 複数の補助ギアボックスベアリングを有する補助ギアボックスをさらに有し、画定された前記単一のオイルキャビティが、実質的に全ての前記補助ギアボックスベアリングを包含するように、前記補助ギアボックスが、前記シャフトベアリングキャビティおよび前記一次減速ギアボックスの少なくとも一方と制限のないオイル流連通関係にあ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. 前記高圧シャフト内に同心円状に設けられるとともに低圧シャフトベアリングにより回転可能に支持された低圧シャフトをさらに有し、前記低圧シャフトベアリングの少なくともいくつかが、前記単一のオイルキャビティ内に配置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。
4. 前記高圧シャフトが、前記低圧シャフトを取り囲んでおり、前記高圧シャフトが前記高圧シャフトベアリングから片持ち式になるように、前記高圧シャフトベアリングの少なくともひとつが後部端部から内側に離間していることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記高圧シャフトベアリングの全てが、前記コンプレッサおよび前記タービンの両方の前方に位置してい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. 前記単一のオイルキャビティは、内側のオイルが前記少なくとも高温シャフトの回りから漏出しないようにするために前方および後方のメインシャフトエアシールのみを有し、これにより、内側の前記オイルをシールするように前記単一のベアリングキャビティに供給される二次空気流を減少させ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。
7. 前記単一のオイルキャビティは、前記オイルキャビティと一体的に前記オイルキャビティの底部に設けられたオイルタンクを有し、前記単一のオイルキャビティは、重力によってのみ排油されることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
8. ケーシングと、
   複数の減速ギアボックスベアリングを有する一次減速ギアボックスと、複数の補助ギアボックスベアリングを有する補助ギアボックスと、
   コンプレッサおよびタービンが取付けられるとともに、少なくとも２つのシャフトベアリングにより回転可能に支持される少なくとも第一シャフトと、
   を備えるガスタービンエンジンであって、
   前記減速ギアボックス、前記補助ギアボックス、および前記シャフトベアリングは、前記ケーシング内の単一のオイルキャビティ内に配され、前記減速ギアボックスベアリングと前記補助ギアボックスベアリングと前記シャフトベアリングとの間では制限されないオイル流が可能であることを特徴とするガスタービンエンジン。
9. 前記第一シャフト内で同心円状に、少なくとも二つの第二シャフトベアリングによって支持された第二シャフトをさらに有し、前記第二シャフトベアリングの少なくとも一方が、前記単一のオイルキャビティに包含されていることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン。
10. 前記第一および第二シャフトの一方の全てのベアリングが、前記単一のオイルキャビティ内に包含されてい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. 前記シャフトベアリングは、前記コンプレッサおよび前記タービンの両方の前方に位置し、これにより、前記第一シャフトが片持ち式となることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン。
12. 前記単一のオイルキャビティは、前記単一のオイルキャビティ内のオイルが前記少なくとも第一シャフトの回りから漏出しないようにするために前方および後方のメインシャフトエアシールのみを有し、これにより、内側の前記オイルをシールするように前記単一のベアリングキャビティに供給される二次空気流を減少させることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン。
13. 前記単一のオイルキャビティは、前記オイルキャビティと一体的に前記オイルキャビティの底部に設けられたオイルタンクを有し、前記単一のオイルキャビティは、重力によってのみ排油されることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン。
14. 少なくとも外側および内側同心シャフトを有するガスタービンエンジンであって、少なくとも前記外側シャフトにはコンプレッサタービンが取付けられ、前記シャフトの各々は、それぞれ、少なくとも二つの外側シャフトベアリングおよび二つの内側シャフトベアリングにより回転可能に支持され、前記外側シャフトベアリングは、前記外側同心シャフトのタービン端部から離間しており、かくして、前記タービンが前記ベアリングと前記端部との間に配され、前記外側同心シャフトが前記外側シャフトベアリングから片持ち式になることを特徴とするガスタービンエンジン。
15. 前記外側シャフトベアリングの全ては、前記外側同心シャフトに取付けられた前記コンプレッサおよび前記タービンの両方の前方に位置することを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
16. 前記外側シャフトベアリングの全ては、単一のオイルキャビティに包含されていることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン。
17. 前記内側シャフトベアリングの少なくともひとつは、前記単一のオイルキャビティ内に包含されていることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
18. 複数の減速ギアボックスベアリングを有する一次減速ギアボックスをさらに有し、前記単一のオイルキャビティは、前記減速ギアボックスの全てを包囲していることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
19. 複数の補助ギアボックスベアリングを有する補助ギアボックスをさらに有し、前記補助ギアボックスベアリングの実質的に全ては、前記単一のオイルキャビティ内に包含されていることを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンエンジン。
20. 複数のシャフトベアリングによって回転可能に支持された少なくとも外側および内側の同心シャフトを有するフリータービンガスエンジンであって、前記外側シャフトは、フリータービンシャフトであって、前記外側シャフトにはタービンおよびコンプレッサが取付けられ、前記ベアリングが前記タービンから隔離されるように、前記外側シャフトベアリングが前記コンプレッサの前方に配設されることを特徴とするフリーのガスタービンエンジン。
    

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