JP2008115858A - ターボファンエンジンアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】逆転低圧タービンに伴う重量増加などの問題なしに逆転ファン付きターボファンエンジンを提供する。
【解決手段】高圧圧縮機１８と、燃焼器２０と、高圧タービン２２とを含むコアガスタービンエンジン１２と、該コアガスタービンエンジンの上流に連結された昇圧圧縮機３０とを含む。また該コアガスタービンエンジンの下流に配置され、該昇圧圧縮機に連結された中圧タービン３２を含み、第１方向に回転するように構成された第１ファンアセンブリおよび反対の第２方向に回転するように構成された第２ファンアセンブリを含み、該昇圧圧縮機の上流に配置された逆回転ファンアセンブリをさらに含む。さらに、該逆回転ファンアセンブリを駆動するように構成され、該中圧タービンの下流に配置された低圧タービン１４を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は概してターボファンエンジンに関し、より詳細には、中圧タービンによって駆動される昇圧圧縮機を含むターボファンエンジンアセンブリに関する。

エンジン効率の向上を促進するために、少なくとも１つの既知のターボファンエンジンアセンブリは、逆回転ファンアセンブリに連結される逆回転低圧タービンを含む。より詳細には、逆回転低圧タービンを含むターボファンエンジンアセンブリを組み立てるために、外側回転スプール、旋回フレーム、中間タービンフレームおよび２つの同心軸がターボファンエンジンアセンブリ内に組み込まれて、逆回転低圧タービンの支持を容易にする。
米国特許第６，７１１，８８７号公報 米国特許第６，６８４，６２６号公報 米国特許第６，３３９，９２７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５，２７４，９９９号公報 米国特許第５，０７９，９１６号公報 米国特許第４，９４７，６４２号公報 米国特許第４，８０９，４９８号公報

しかしながら、逆回転低圧タービンの使用によってエンジン全体の効率が向上する一方、そのようなエンジンの総重量、設計の複雑さ、および／または製造費が増大する。

一態様では、ターボファンエンジンアセンブリが提供される。このターボファンエンジンアセンブリは、高圧圧縮機、燃焼器および高圧タービンを含むコアガスタービンエンジンと、該コアガスタービンエンジンの上流に連結された昇圧圧縮機と、該コアガスタービンエンジンの下流に配置され、該昇圧圧縮機に連結された中圧タービンと、第１方向に回転するように構成された第１ファンおよび反対の第２方向に回転するように構成された第２ファンを有し、該昇圧圧縮機の上流に配置された逆回転ファンアセンブリと、該逆回転ファンアセンブリを駆動するように構成され、該中圧タービンの下流に配置された低圧タービンとを含む。

またここでは、ターボファンエンジンアセンブリの組立方法が開示される。この方法は、高圧圧縮機、燃焼器および高圧タービンを含むコアガスタービンエンジンを提供する段階と、該コアガスタービンエンジンの上流に昇圧圧縮機を連結する段階と、該コアガスタービンエンジンの下流に中圧タービンを連結する段階と、第１軸を用いて該昇圧圧縮機を該中圧タービンに連結する段階と、第１方向に回転するように構成された第１ファンおよび反対の第２方向に回転するように構成された第２ファンを含む逆回転ファンアセンブリを該昇圧圧縮機の上流に連結する段階と、該逆回転ファンアセンブリを駆動するように構成された低圧タービンを該中圧タービンの下流に連結する段階とを含む。

図１は、長手方向軸１１を有する例示的なターボファンエンジンアセンブリ１０の一部分の断面図である。例示的実施形態において、ターボファンエンジンアセンブリ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の軸方向下流に配置される低圧タービン１４と、コアガスタービンエンジン１２の軸方向上流に配置される逆回転ファンアセンブリ１６とを含む。コアガスタービンエンジン１２は、高圧圧縮機１８と、燃焼器２０と、軸２４を介して高圧圧縮機１８に連結される高圧タービン２２とを含む。例示的実施形態において、高圧タービン２２は２つのタービン段を含む。より詳細には、エンジンの空気流を容易に確保するために、高圧タービン２２、昇圧圧縮機および中圧タービンの段数はおおよそ釣り合わされる。

例示的実施形態において、逆回転ファンアセンブリ１６は、第１すなわち前部ファンアセンブリ５０と、前部ファンアセンブリ５０の下流に配置される第２すなわち後部ファンアセンブリ５２とを含む。用語「前部ファン」および「後部ファン」は、ここでは第１ファンアセンブリ５０が第２ファンアセンブリ５２の軸方向上流に連結されることを示すために使用される。例示的実施形態において、ファンアセンブリ５０および５２は、図１および図３に示されるように、各々コアガスタービンエンジン１２の上流に配置される。ファンアセンブリ５０および５２の各々は、個別のローターディスク５４および５６と、各々が個別のローターディスクに連結される複数の動翼５８および６０とを含む。逆回転ファンアセンブリ１６は、ファンナセル６２内に位置付けられる。

一実施形態において、ターボファンエンジンアセンブリ１０は、その間に延在し、ファンアセンブリ１６とコアガスタービンエンジン１２を連結し易くするグースネック６４も含む。さらに、グースネック６４は、第２ファンアセンブリ５２から排出される空気をグースネック６４を介して昇圧圧縮機３０まで導き易くするための構造支柱および／または空中支柱を含む。そのようなものとして、グースネック６４の構成および構造支柱は、昇圧圧縮機３０、ひいてはコアガスタービンエンジン１２に氷および／または異物が摂取されるのを実質的に削減および／または排除する手助けをする。なぜならば、グースネック６４は、下流方向にあるグースネック６４の外面を越えて軸方向に導かれる主要空気流から昇圧圧縮機入口を実質的に「隠す」からである。

例示的実施形態において、ターボファンエンジンアセンブリ１０は３スプールエンジンであり、第１スプールは軸２４を介して高圧タービン２２に連結される高圧圧縮機１８を含む。第２スプールは、以下により詳細に述べるギアボックス１００と軸２６との組み合わせを利用して逆回転ファンアセンブリ１６に連結される低圧タービン１４を含む。ターボファンエンジンアセンブリ１０は、軸３４を介して中圧タービン３２に連結される多段昇圧圧縮機３０を含む第３スプールも含む。図１に示されるように、昇圧圧縮機３０は、ファンアセンブリ１６の軸方向下流かつコアガスタービンエンジン１２の軸方向上流に配置される。さらに、中圧タービン３２は、高圧タービン２２の下流かつ低圧タービン１４の軸方向上流に配置される。

図２は、図１に示されるターボファンエンジンアセンブリ１０の下流部分の拡大断面図を示す。例示的実施形態において、中圧タービン３２は単段７０を含み、静翼部分７２と、静翼部分７２の下流にあるローター部分７４とを含む。静翼部分７２は、タービン・ミドルフレーム７８に連結される複数の固定静翼７６を含む。ローター部分７４は、ディスク８０と、ディスク８０に連結される複数の羽根８２とを含む。図２に示されるように、ディスク８０は軸３４に、ひいては図１に示される昇圧圧縮機３０に連結される。図２に示されるように、軸３４は軸２６の半径方向外方に配置され、軸２４は軸３４の半径方向外方に配置される。例示的実施形態は中圧タービン３２が単段７０を含むように記載されているが、当然のことながら中圧タービン３２が複数段を含んでもよい。

ターボファンエンジンアセンブリ１０は、低圧タービン１４の径方向支持を提供するために利用される軸受アセンブリ９０も含む。例示的実施形態において、軸受アセンブリ９０は、低圧タービン１４とタービン・リアフレーム９２との間に配置されて低圧タービン１４に径方向支持を提供するころ軸受である。さらに、ころ軸受アセンブリ９４は、中圧タービン３２とタービン・ミドルフレーム７８との間に配置されて中圧タービン３２の径方向支持を提供する。

図３は、図１に示されるターボファンエンジンアセンブリ１０の上流部分の拡大断面図を示す。使用中、ギアボックス１００は、第１ファンアセンブリ５０を第１回転方向に駆動するとともに、第２ファンアセンブリ５２を第１回転方向と反対の第２回転方向に駆動するために利用される。例示的実施形態において、ギアボックス１００は略トロイダル形状を有する遊星ギアボックスであり、ギアボックス１００を駆動軸２６の周囲に配置することができる。図３および図４に示されるように、ギアボックス１００は、ハウジング１０２と、ハウジング１０２内に連結される少なくとも１つのギア１０３と、軸２６に連結される入力端１０４と、第１すなわち前部ファンアセンブリ５０を駆動するために使用される第１出力端１０６と、第２すなわち後部ファンアセンブリ５２を駆動するために使用される第２出力端１０７とを含む。

より詳細には、ターボファンエンジンアセンブリ１０は、第１ファンアセンブリ５０と第１ギアボックス出力端１０６との間に連結される軸１１０と、第２ファンアセンブリ５２と第２ギアボックス出力端１０７との間に連結される軸１２０と、昇圧圧縮機３０が図１および図２に示される中圧タービン３２によって駆動されるように昇圧圧縮機３０と軸３４との間に連結される駆動コーン１３０とを含む。

一実施形態において、ギアボックス１００は約２．０から１のギア比を有しており、前部ファンアセンブリ５０は後部ファンアセンブリ５２の回転速度の約２倍の回転速度で回転する。別の実施形態において、ギアボックス１００は、第１ファンアセンブリ５０を第２ファンアセンブリ５２の回転速度よりも約０．６７〜約２．１倍速い回転速度で回転させることができるギア比を有する。

例示的実施形態において、ターボファンエンジンアセンブリ１０は、軸１１０と軸１２０との間の上流端に配置される、例えばスラスト軸受アセンブリ１４０などの第１軸受アセンブリを含む。ターボファンエンジンアセンブリ１０は、第１ファンアセンブリ５０と図１および図２に示される低圧タービン１４とによって生じるスラスト荷重の平衡を実質的に保たせるとともに、スラスト軸受アセンブリ１４０を介して残留スラスト荷重を軸１２０に伝達するために利用されるスラスト軸受１９０も含んでおり、スラスト荷重は第２ファンアセンブリのスラスト荷重と組み合わされて、以下に述べる軸受アセンブリ１７０を介してファンフレーム１５などの固定支持構造に伝達される。

ターボファンエンジンアセンブリ１０は、軸１１０と軸１２０との間の下流端に配置されるころ軸受アセンブリ１５０も含む。ころ軸受アセンブリ１５０は、スラスト軸受アセンブリ１４０と組み合わされて差動軸受アセンブリとして作用して、第１および第２ファンアセンブリ５０および５２それぞれの径方向支持を提供する。ころ軸受アセンブリ１６０は、軸１２０の上流端とファンフレーム１５に連結される構造部材１６２との間に配置される。ころ軸受１６０は、第２ファンアセンブリ５２の径方向支持を提供する。

ターボファンエンジンアセンブリ１０は、軸１２０の下流端で軸１２０と構造部材１６２との間に配置されるスラスト軸受アセンブリ１７０も含む。スラスト軸受アセンブリ１７０は、第１ファンアセンブリ５０、第２ファンアセンブリ５２および低圧タービン１４によって生じるスラスト荷重を吸収するとともに、構造部材１６２を介して残留スラスト荷重をファンフレーム１５に伝達するために利用される。

ターボファンエンジンアセンブリ１０は、軸３４とファンフレーム１５との間に配置されるスラスト軸受アセンブリ１８０も含む。スラスト軸受アセンブリ１８０は、昇圧圧縮機３０と図１および図２に示される中圧タービン３２とによって生じるスラスト荷重の平衡を実質的に保たせるとともに、残留スラストをファンフレーム１５などの固定支持構造に伝達するために利用される。

運転中、コアガスタービンエンジン１２は、中圧タービン３２、ひいては軸３４を介して昇圧圧縮機３０を駆動するために利用される排ガス流を生成する。さらに、コアエンジンの排ガス流は、低圧タービン１４、ひいては軸２６およびギアボックス１００を介して逆回転ファンアセンブリ１６を駆動するために利用される。運転中、ギアボックス１００は絶え間なく潤滑される。

図４は、図１、図２および図３に示されるギアボックス１００の端面図である。図４に示されるように、ギアボックス１００は、ギアハウジングすなわちケーシング２０２内に保持される複数の遊星ギア２００を含む。ギアボックス入力端１０４は、低圧タービン１４が遊星ギア２００を駆動するように軸２６に連結される。さらに、第１ギアボックス出力端１０６は軸１１０を介して第１ファンアセンブリ５０に連結され、第２ギアボックス出力端１０７は軸１２０を介して第２ファンアセンブリ５２に連結される。そのようなものとして、低圧タービン１４はギアボックス１００を駆動し、ひいては第１ファンアセンブリ５０を第１回転速度で第１回転方向に駆動するとともに、第２ファンアセンブリ５２を第２の異なる回転速度で第２すなわち反対の回転方向に駆動する。

組み立て中に、高圧圧縮機、燃焼器および高圧タービンを含むコアガスタービンエンジンが提供される。昇圧圧縮機はコアガスタービンエンジンの上流に連結され、中圧タービンはコアガスタービンエンジンの下流に連結され、第１方向に回転するように構成された第１ファンおよび反対の第２方向に回転するように構成された第２ファンを含む逆回転ファンアセンブリは昇圧圧縮機の上流に連結され、逆回転ファンアセンブリを駆動するように構成された低圧タービンは中圧タービンの下流に連結される。

ここで説明されたターボファンエンジンアセンブリは、昇圧圧縮機に直接連結される中圧タービンを含む３スプールターボファンエンジンアセンブリである。ここで説明されたアセンブリは、少なくとも既知の逆回転低圧タービンに伴う複雑さをいくらか低減する。より詳細には、ここで説明されたターボファンエンジンアセンブリは、ギアボックスを介して単回転低圧タービンに連結される逆回転ファンを含む。例示的実施形態において、前部ファンは下流ファンの回転速度の約２倍の回転速度で回転してピーク効率を達成する。この設計により、利用する段数を減らした高速低圧タービンが可能になり、さらに低圧タービンの効率が向上する。

昇圧機は、単段中圧タービンによって低圧タービンと高圧圧縮機の回転速度間の回転速度で駆動される。より詳細には、中圧タービンは高圧圧縮機の回転速度未満かつ低圧タービンの回転速度以上の回転速度で回転して、エンジン全体の圧力比を増加させ、性能を向上させ、昇圧機の段数を減少させる。

逆回転ファンを利用する利点は、同等の単独ファンエンジンよりもファン効率が高くなり、ファン先端速度が低下し、騒音が少なくなり、ファン直径が小さくなること、バイパス出口案内翼が排除されることなどである。逆回転低圧タービンの排除により、外側回転スプール、回転リアフレーム、第２低圧タービン軸、外側回転スプールと外部固定ケーシングとの間に位置する外側回転シールも排除されることになる。

ここで説明されたターボファンエンジンアセンブリは、高速昇圧機が単段中圧タービンによって直接駆動されるという先の概念を向上させる。この概念は、ファンハブ、昇圧機および高圧圧縮機間の圧力上昇をうまく釣り合わせることができる。運転中、ここで説明されたターボファンエンジンアセンブリは、研究段階の現行の逆回転ファンエンジンよりも実質的に軽量だと予想される。その結果、一定の騒音下の同等の単回転エンジンと比べた場合に燃料燃焼が約１．６％向上する。逆回転エンジンが同等の単回転エンジンと同様のファン直径で設計されると、さらに燃料消費率が約１％になるパフォーマンス利益を得ることもできる。このターボファンエンジンアセンブリは、低騒音要求を容易に満たす潜在力を有し、燃料燃焼が改善され、航空業界で要求されている電気的設計が必要になる。この構成は、ギアエンジンの前方にある従来エンジンをアクセスし易くするためのあらゆる大きな変化を包含する。

本発明をさまざまな特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が請求項の精神および範囲内で変更を加えて実施可能であることは当業者には理解できるであろう。

ターボファンエンジンアセンブリの断面図である。 図１に示されるターボファンエンジンアセンブリの下流部分の拡大断面図である。 図１に示されるターボファンエンジンアセンブリの上流部分の拡大断面図である。 図１、図２および図３に示されるギアボックスの端面図である。

符号の説明

１０ ターボファンエンジンアセンブリ
１１ 長手方向軸
１２ コアガスタービンエンジン
１４ 低圧タービン
１５ ファンフレーム
１６ 逆回転ファンアセンブリ
１８ 高圧圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン
２４ 軸
２６ 軸
３０ 昇圧圧縮機
３２ 中圧タービン
３４ 軸
５０ 第１ファンアセンブリ
５２ 後部ファンアセンブリ
５４ ローターディスク
５６ ローターディスク
５８ 動翼
６０ 動翼
６２ ファンナセル
６４ グースネック
７０ 単段
７２ 静翼部分
７４ ローター部分
７６ 静翼
７８ タービン・ミドルフレーム
８０ ディスク
８２ 羽根
９０ 軸受アセンブリ
９２ タービン・リアフレーム
９４ ころ軸受アセンブリ
１００ ギアボックス
１０２ ハウジング
１０３ ギア
１０４ ギアボックス入力端
１０６ 第１ギアボックス出力端
１０７ 第２ギアボックス出力端
１１０ 軸
１２０ 軸
１３０ 駆動コーン
１４０ スラスト軸受アセンブリ
１５０ ころ軸受アセンブリ
１６０ ころ軸受
１６２ 構造部材
１７０ 軸受アセンブリ
１８０ スラスト軸受アセンブリ
１９０ スラスト軸受
２００ 遊星ギア
２０２ ギアハウジングすなわちケーシング

Claims (10)

1. 高圧圧縮機（１８）、燃焼器（２０）および高圧タービン（２２）からなるコアガスタービンエンジン（１２）と、
   前記コアガスタービンエンジンの上流に連結された昇圧圧縮機（３０）と、
   前記コアガスタービンエンジンの下流に配置され、前記昇圧圧縮機に連結された中圧タービン（３２）と、
   第１方向に回転するように構成された第１ファンアセンブリ（５０）および反対の第２方向に回転するように構成された第２ファンアセンブリ（５２）からなり、前記昇圧圧縮機の上流に配置された逆回転ファンアセンブリ（１６）と、
   前記逆回転ファンアセンブリを駆動するように構成され、前記中圧タービンの下流に配置された低圧タービン（１４）とからなる、タービンエンジンアセンブリ（１０）。
2. 前記低圧タービン（１４）と前記逆回転ファンアセンブリ（１６）との間に連結されたギアボックス（１００）をさらに有する、請求項１に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
3. 前記ギアボックス（１００）が、前記第１ファンアセンブリ（５０）に連結された第１出力端（１０６）と、前記第２ファンアセンブリ（５２）に連結された第２出力端（１０７）とを有する、請求項２に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
4. 前記ギアボックス（１００）が、前記第１ファンアセンブリ（５０）に連結されて前記第１ファンアセンブリを第１回転速度で駆動する第１出力端（１０６）と、前記第２ファンアセンブリ（５２）に連結されて前記第２ファンアセンブリを第１回転速度の約半分の第２回転速度で駆動する第２出力端（１０７）とを有する、請求項２に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
5. 前記低圧タービン（１４）と前記逆回転ファンアセンブリ（１６）との間に連結された遊星ギアボックス（１００）をさらに有する、請求項１に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
6. 前記昇圧圧縮機（３０）と前記コアガスタービンエンジン（１２）との間に連結されて、前記昇圧圧縮機から排出された空気を前記コアガスタービンエンジンまで導くグースネック（６４）をさらに有する、請求項１に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
7. 前記高圧タービン（２２）が単段高圧タービンである、請求項１に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
8. 前記中圧タービン（３２）が単段中圧タービンである、請求項１に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
9. 前記逆回転ファンアセンブリ（１６）と前記低圧タービン（１４）との間に連結されて、前記逆回転ファンアセンブリと前記低圧タービンとによって生じるスラスト荷重の平衡を実質的に保たせるスラスト軸受（１９０）をさらに有する、請求項１に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。
10. 前記昇圧圧縮機（３０）とファンフレーム（１５）との間に連結されて、前記昇圧圧縮機と前記中圧タービン（３２）とによって生じるスラスト荷重を前記ファンフレームに伝達するスラスト軸受（１９０）をさらに有する、請求項１に記載のタービンエンジンアセンブリ（１０）。

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