JP2008111437A - 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組立体及びそれを組立てる方法を提供する。
【解決手段】本タービンエンジン組立体（１０）は、高圧圧縮機（１４）、燃焼器（１６）及び高圧タービン（１８）を備えたコアガスタービンエンジン（１３）を含む。低圧タービン（２０）は、コアガスタービンエンジンに結合される。本タービンエンジン組立体はまた、ブースタ圧縮機（２２）を含む。ギヤボックス（１００）は、低圧タービンとブースタ圧縮機との間に結合されて該ブースタ圧縮機が該低圧タービンによって駆動されるようする。
【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組立体及びそれを組立てる方法に関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、ファン組立体、コアエンジン及び低圧又は出力タービンを含む。コアエンジンは、直列の流れ関係で互いに結合された、少なくとも１つの圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを含む。コアエンジンに流入する空気は、燃料と混合されかつ点火されて高エネルギーガスストリームを形成する。高エネルギーガスストリームは、高圧タービンを通って流れ、該高圧タービンを回転可能に駆動し、従って第１の駆動シャフトを介して圧縮機を回転可能に駆動する。ガスストリームはさらに、低圧タービンを通って膨張し、該低圧タービンは、第２の駆動シャフトを介してファン組立体を回転可能に駆動する。
米国特許第７，１８６，０７３号公報 米国特許第７，１４０，１７４号公報 米国特許第６，７６３，６５４号公報 米国特許第６，７６３，６５３号公報 米国特許第６，７６３，６５２号公報 米国特許第６，７３９，１２０号公報 米国特許第６，７３２，５０２号公報 米国特許第６，７１１，８８７号公報 米国特許第６，３３９，９２７号公報 米国特許第５，２７４，９９９号公報

エンジン効率を改善するために、高圧タービンの作動速度よりも相対的に低速度でファン組立体を作動させるのが望ましい。しかしながら、ファンを比較的低速度で作動させることは、ブースタ圧縮機の作動にとって有害となる可能性がある。従って、所望の全圧力比を生成するために付加的なブースタ段が必要とされ、従ってガスタービンエンジンの全体コスト、設計の複雑さ及び重量を増大させるおそれがある。

１つの態様では、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、高圧圧縮機、燃焼器及びタービンを備えたコアガスタービンエンジンを含む。本タービンエンジン組立体はまた、コアガスタービンエンジンに結合された低圧タービンと、ブースタ圧縮機と、低圧タービン及びブースタ圧縮機間に結合されて該ブースタ圧縮機が該低圧タービンによって駆動されるようするギヤボックスとを含む。

またここでは、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、低圧タービンをコアガスタービンエンジンに結合する段階と、ブースタ圧縮機をギヤボックスに結合する段階と、ギヤボックスを低圧タービンに結合してブースタ圧縮機が低圧タービンによって駆動されるようにする段階とを含む。

図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なガスタービンエンジン組立体１０の概略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２と、コアガスタービンエンジン１３とを含み、コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含む。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービン２０と多段ブースタ圧縮機２２とを含む。

ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。ファン組立体１２と低圧タービン２０とは、第１のロータシャフト３１によって駆動されるギヤボックス１００を介して互いに結合され、また圧縮機１４と高圧タービン１８とは、第２のロータシャフト３２によって互いに結合される。

図２は、図１に示すガスタービンエンジン組立体の一部分の拡大断面図である。図２に示すように、ブースタ２２は、複数の円周方向に間隔をおいて配置された構造ベーン３４を含み、この構造ベーン３４は、ガスタービンエンジン組立体１０に流入する空気流をブースタ２２を通して下流方向に流すのを可能にする入口ガイドベーン（ＩＧＶ）として機能する。この例示的な実施形態では、ブースタ２２はまた、複数の出口ガイドベーン（ＯＧＶ）組立体３６を含む。さらに、この例示的な実施形態では、ブースタ２２は、各段がロータセクションとディスクセクションとを備えた２つの段４０を含む。具体的には、各ロータセクションは、各々がそれぞれのロータディスク４４に結合された複数のロータブレード４２を含む。ブースタ圧縮機２２は、入口ガイドベーン組立体３４の下流でかつコアガスタービンエンジン１３の上流に配置される。ブースタ圧縮機２２は２つの列のロータブレード４２のみを有するものとして示しているが、ブースタ圧縮機２２は、単一列のロータブレード４２、或いは複数の列のガイドベーン４６と互いに交互にかみ合った３つ又はそれ以上の列のロータブレード４２を有することができることを理解されたい。１つの実施形態では、入口ガイドベーン３４は、ブースタケース５０に固定結合される。別の実施形態では、入口ガイドベーン３４は、エンジン運転時にブースタ圧縮機２２を通って流れる空気の量を変化させるのを可能にするように可動である。

この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機２２は、ギヤボックス１００に回転可能に結合されて、該ブースタ圧縮機２２は、ファン組立体１２及び低圧タービン２０の回転速度とは異なる回転速度で回転するようになる。具体的には、ギヤボックス１００は、シャフト３１とブースタ圧縮機２２との間に結合されて、ブースタ圧縮機をファン組立体１２と同じ又は反対のいずれかの方向に回転させるのを可能にする。

この例示的な実施形態では、ギヤボックス組立体１００は、ほぼ２対１のギヤ比を有しており、ファン組立体１２が、ブースタ２２の回転速度の約２分の１の回転速度で回転するようにする。従って、この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機２２は、ファン組立体１２の回転速度よりも速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、実質的にシャフト３１に外接し、かつ支持構造体１０２、支持構造体１０２内部に結合された少なくとも１つのギヤ１０３、入力ギヤ１０４及び出力ギヤ１０６を含む遊星ギヤボックスである。

より具体的には、ギヤボックス１００は、構造ベーン３４に結合された支持構造体１０２を利用することによってガスタービンエンジン組立体１０内に支持されかつ実質的に一定の配向に保持される。ガスタービンエンジン組立体１０はまた、ファン組立体１２を支持するように構成されたファンスラスト軸受組立体１１０を含む。ファンスラスト軸受組立体１１０は、構造ベーン３４とシャフト３１との間に結合されて、ファン組立体１２及び低圧タービン２０によって生成された残留スラスト力が構造体３４に伝達されるようになる。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１１０は、回転内側レース１１２と軸受ハウジング１１６に結合された固定外側レース１１４とを含む。従って、ファン軸受組立体１１０は、それぞれレース１１２及び１１４間に配置された複数の転動体１１８を含む。

ガスタービンエンジン組立体１０はまた、第２の軸受組立体１２０と第３のファン軸受組立体１３０とを含む。具体的には、第２及び第３の軸受組立体１２０及び１３０は、屈曲継手１４２を介してギヤボックス１００に結合された駆動シャフト延長部１４０の半径方向外側に結合される。この例示的な実施形態では、第２の軸受組立体１２０は、駆動シャフト延長部１４０、従ってギヤボックス１００に対して半径方向の支持を与えるために利用されるローラ軸受である。軸受組立体１３０は、駆動シャフト延長部１４０に対して軸線方向の支持を与え、またブースタ２２によって生成されたスラスト力を吸収するためにも利用されるスラスト軸受である。

さらに、またこの例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、発電機１８０と、発電機１８０に結合された第１の端部１８４を備えた発電機駆動シャフト１８２と、第２の端部１８６と、駆動シャフトの第２の端部１８６に結合されたベベルギヤ１８８とを含むことができる。発電機１８０を作動させるために、シャフト１４０は、該シャフト１４０の下流側端部に対してスプライン結合されたベベルギヤ１９０を含み、このベベルギヤ１９０は、ベベルギヤ１８８と噛み合うように構成される。従って、発電機１８０は、例えば通常エンジン運転時及びアイドル速度時におけるピーク需要期間に対して付加的な電気エネルギーを提供することができる。より具体的には、運転時には、ブースタ圧縮機２２によって生成された出力は、シャフト１４０を駆動するために利用される。シャフト１４０はベベルギヤ１８８及び１９０を利用して発電機駆動シャフト１８２に結合されるので、発電機１８０を駆動するための仕事が、ブースタ圧縮機２２から取り出される。その結果、付加的なエネルギーをブースタ圧縮機から取り出して、増大し続ける電気需要を支援するために発電機１８０を駆動する。具体的には、より最新の航空機は、非定型的に大容量の電力を必要とするように設計される。その結果、発電機１８０は、より最新の航空機の増大し続ける電気需要を満たすために利用することができる。

組立時に、入力ギヤ１０４は、コーン又はディスク１５０を利用してシャフト３１に対してスプライン結合されて、低圧タービン２０によって生成された回転力が、シャフト３１を通してギヤボックス１００及びさらにファン組立体１２に伝達される用になる。出力ギヤ１０６は、屈曲継手１４２を介して駆動シャフト延長部１４０に対してスプライン結合されて、回転力が、ギヤボックス１００から駆動シャフト延長部１４０に伝達されるようになる。図２に示すように、ブースタロータディスク４４は、シャフト１６０を利用して駆動シャフト延長部１４０の後端部に結合される。

運転時に、コアガスタービンエンジン１３は、低圧タービン２０を回転させ、従ってシャフト３１を回転させる。シャフト３１が駆動シャフト延長部１４０を介してギヤボックス１００に結合されているので、低圧タービン２０によって発生したトルクは、ファン組立体１２及びギヤボックス１００の両方に伝えられる。ギヤボックス１００によって伝達されたトルクは次に、ブースタ２２を駆動するために利用される。この例示的な実施形態では、ギヤボックス１００は、サンプ１７０内に設置されている。運転時に、ギヤボックス１００は、絶えず潤滑される。

図３は、ギヤ駆動ブースタ２２を含む別の例示的なガスタービンエンジン組立体２００の一部分の断面図である。上述したように、ギヤボックス１００は、入力ギヤ１０４及び出力ギヤ１０６と、複数のギヤ１０８とを含む。この実施形態では、ブースタ２２は、ディスク２０２を利用して出力ギヤ１０６に結合され、シャフト３１は、延長装置２０４を利用して入力ギヤ１０４に結合される。

より具体的には、ガスタービンエンジン組立体２００は、ディスク２０２とシャフト３１との間に結合された軸受２１０を含む。この例示的な実施形態では、軸受組立体２１０は、軸受組立体２２０と組合されて差動軸受組立体として作用して、ブースタ２２及びファン組立体１２を支持しかつ／又はブースタ圧縮機２２からフレーム２０８にスラスト荷重及び／又は力を伝達するスラスト軸受である。１つの実施形態では、軸受組立体２１０は、コーン２０２に取付けられた半径方向外側レース２１２と、シャフト３１に対して取付けられた半径方向内側レース２１４とを含む。軸受組立体２１０はまた、外側及び内側レース２１２及び２１４間に取付けられた複数の転動体２１６を含む。図３に示すように、ガスタービンエンジン組立体２００はまた、軸受組立体２３０を含む。この例示的な実施形態では、軸受組立体２３０は、ファン組立体１２、低圧タービン２０及びブースタ２２によって生成された残留スラスト力をフレーム２０８に伝達するために利用されるスラスト軸受組立体である。１つの実施形態では、軸受組立体２３０は、半径方向外側レース２３２含み、この外側レース２３２は、フレーム２０８とギヤボックス１００とに取付けられて、ギヤボックス１００及び該外側レース２３２の両方が、ガスタービンエンジン組立体２００内で実質的に一定の位置に維持されるようにする。軸受組立体２３０はまた、シャフト延長部２３６を利用してシャフト３１に結合された半径方向内側レース２３４を含む。軸受組立体２３０はまた、外側及び内側レース２３２及び２３４間に取付けられた複数の転動体２３８を含む。この実施形態では、ガスタービンエンジン組立体は、３段型ブースタ圧縮機２２を含む。

本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は各々、ファン組立体及びブースタ圧縮機の両方を駆動するように構成された低圧タービンを含む。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各々、ギヤボックスを利用して低圧タービンによって駆動されるより小型かつ高速のより高圧縮比のブースタを含む。この例示的な実施形態では、ギヤボックスは、ほぼ１．５対１〜ほぼ２．４対１のギヤ比を有する。さらに、ブースタ圧縮機は、屈曲継手を介して低圧タービンに結合されて、低圧タービンによって生成されたトルクをギヤボックスにスムーズに伝達するのを可能にする。従って、ギヤ付きブースタはより小型のコアガスタービンエンジンを少ない段数で使用するのを可能にする。

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。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構成要素とは独立してかつ個別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駆動ブースタ圧縮機はまた、他の公知のガスタービンエンジンと組合せて使用することができる。

様々な特定の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。

ギヤ駆動ブースタを含む例示的なガスタービンエンジン組立体の一部分の断面図。 図１に示すタービンエンジン組立体の一部分の拡大断面図。 ギヤ駆動ブースタを含む別の例示的なガスタービンエンジン組立体の一部分の断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン組立体
１１ 長手方向軸線
１２ ファン組立体
１３ コアガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ圧縮機
２４ ファンブレード
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ 第１のロータシャフト
３２ 第２のロータシャフト
３４ 入口ガイドベーン組立体
３６ （ＯＧＶ）組立体
４０ ２つの段
４２ ロータブレード
４４ ブースタロータディスク
４６ ガイドベーン
５０ ブースタケース
１００ ギヤボックス組立体
１０２ 支持構造体
１０３ ギヤ
１０４ 入力ギヤ
１０６ 出力ギヤ
１０８ ギヤ
１１０ ファン軸受組立体
１１２ 内側レース
１１４ 外側レース
１１６ ハウジング
１１８ 転動体
１２０ 第２の軸受組立体
１３０ 第３のファン軸受組立体
１４０ 駆動シャフト延長部
１４２ 屈曲継手
１５０ コーン又はディスク
１６０ シャフト
１７０ サンプ
１８０ 発電機
１８２ 発電機駆動シャフト
１８４ 第１の端部
１８６ 第２の端部
１８８ ベベルギヤ
１９０ ベベルギヤ
２００ ガスタービンエンジン組立体
２０２ ディスク
２０４ 延長装置
２０８ フレーム
２１０ 軸受組立体
２１２ 外側レース
２１４ 内側レース
２１６ 転動体
２２０ 軸受組立体
２３０ 軸受組立体
２３２ 外側レース
２３４ 内側レース
２３６ シャフト延長部
２３８ 転動体

Claims (10)

1. 高圧圧縮機（１４）、燃焼器（１６）及び高圧タービン（１８）を備えたコアガスタービンエンジン（１３）と、
   前記コアガスタービンエンジンに結合された低圧タービン（２０）と、
   ブースタ圧縮機（２２）と、
   前記低圧タービンと前記ブースタ圧縮機との間に結合されて該ブースタ圧縮機が該低圧タービンによって駆動されるようにするギヤボックス（１００）と、
   を含むタービンエンジン組立体（１０）。
2. 前記低圧タービン（２０）と前記ギヤボックス（１００）との間に結合されて前記低圧タービンの回転速度とは異なる回転速度で前記ブースタ圧縮機（２２）を駆動するのを可能にする駆動シャフト（１８２）をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。
3. 前記低圧タービンに結合された駆動シャフト（１８２）と、
   前記駆動シャフトに結合されて、前記低圧タービンの回転速度と同一の回転速度で回転するようになったファン組立体（１１０）と、
   をさらに含む、請求項１に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
4. 前記ファン組立体（１１０）と前記低圧タービン（２０）とに結合され、前記ファン組立体及び低圧タービンによって生成された残留スラスト荷重を固定構造構成要素に伝達するように構成されたスラスト軸受組立体をさらに含む、請求項３記載のタービンエンジン組立体（１０）。
5. 前記ブースタ（２２）と前記ギヤボックス（１００）との間に結合され、前記ブースタによって生成された残留スラスト荷重を固定構造構成要素に伝達するように構成されたスラスト軸受組立体をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。
6. 前記ギヤボックス（１００）が、実質的にトロイダル断面輪郭を有し、かつ実質的に前記駆動シャフト（１８２）に外接する、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。
7. 前記ギヤボックス（１００）が、１．５対１〜２．４対１のギヤ比を有する、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。
8. 前記駆動シャフト（１８２）と前記ギヤボックス（１００）との間に結合された屈曲継手（１４２）をさらに含む、請求項１に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
9. 前記ブースタ圧縮機（２２）が、前記ファン組立体（１１０）の圧縮比と前記コアガスタービンエンジン（１３）の全圧縮比とに基づいて、所定数の圧縮機段を含む、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。
10. 前記ブースタ圧縮機（１０）が、４つよりも少ないブースタ段を有する、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。

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