JP2008157234A - 動力取出しシステム及びそれを含む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（１０）用の動力取出しシステム（１００）を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン（１０）は、第１のスプール（４０）及び第２のスプール（４２）を含む。本動力取出しシステム（１００）はさらに、第１のシャフト（３２）を使用して第１のスプールに結合されたスタータ（１０２）と、第２のシャフトを使用して第２のスプールに結合された発電機（１０４）とを含み、第１のシャフトは、第２のシャフトから角度αだけ円周方向にオフセットしている。
【選択図】 図１

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を始動させるように構成されかつ電力を発生するようにも構成された二重入出力動力取出しシステムに関する。

航空機で使用される少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、直列流れ配置で、エンジンに流入する空気流を加圧する圧縮機と、燃料及び空気の混合気を燃焼させる燃焼器と、燃焼器から吐出された気体流からエネルギーを取出して推力を発生させる低圧及び高圧タービンとを有するコアエンジンを含む。

航空機付属装置の電力需要が増大するにつれて、増大した電力需要を受けないその他のエンジンよりも高くなる可能性があるアイドル速度でガスタービンエンジンを運転する必要性も増してきた。より具体的には、ガスタービンエンジンのアイドル速度を増大させることにより、圧縮機失速マージンを犠牲にせずに、増大した電力需要を満たすことが可能になる。しかしながら、アイドル速度を増大させることはまた、飛行中アイドル降下運転時及び／又は地上アイドル運転時の両方の間に所望よりも高いエンジンの推力レベルを発生する可能性がある。そのようなアイドル運転時における高い推力レベルでの運転を継続することは、時の経過と共に、メインテナンスコストを増大させるおそれがあり、また増大した燃料流量要件により、航空機運行費用を増大させるおそれがある。
米国特許第６，６４７，７０８ Ｂ２号公報 米国特許第６，０５８，７９１号公報 米国特許第６，０５５，９４６号公報 米国特許第５，２４７，８４５号公報 米国特許第５，０８１，８３２号公報 米国特許第４，８６２，７５５号公報 米国特許第４，１８６，５５４号公報 米国特許第４，０５７，９６０号公報 米国特許第３，６８８，５６０号公報

１つの態様では、コアガスタービンエンジン、低圧タービン、スタータ及び発電機を含む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、第１のシャフトを使用してスタータをコアガスタービンエンジンに結合する段階と、第２のシャフトを使用して発電機を低圧タービンに結合する段階とを含み、第１のシャフトは、第２のシャフトから角度αだけ円周方向にオフセットしている。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の動力取出しシステムを提供する。本システムは、第１のシャフトを使用し第１のスプールに結合されたスタータと、第２のシャフトを使用して第２のスプールに結合された発電機とを含み、第１のシャフトは、第２のシャフトから角度αだけ円周方向にオフセットしている。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービンエンジン組立体は、第１のスプールと、第２のスプールと、第１のシャフトを使用して第１のスプールに結合されたスタータ及び第２のシャフトを使用して第２のスプールに結合された発電機を含む動力取出しシステムとを含み、第１のシャフトは、第２のシャフトから角度αだけ円周方向にオフセットしている。

図１は、長手方向軸線１１を有するガスタービンエンジン組立体１０の断面図である。図２は、図１に示す例示的な動力取出しシステムの一部分の端面図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２及びコアガスタービンエンジン１３を含む。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、高圧圧縮機１４の下流に配置された燃焼器１６、及び第１のシャフト３２を介して高圧圧縮機１４に結合された高圧タービン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、コアガスタービンエンジン１３の下流に配置された低圧タービン２０、多段ブースタ圧縮機２２、並びにファン組立体１２及びブースタ圧縮機２２を低圧タービン２０に結合するために使用されるシャフト３１を含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。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、２スプールエンジンであり、高圧圧縮機１４、高圧タービン１８及びシャフト３２が第１のスプール４０を形成し、またファン組立体１２、低圧タービン２０及びシャフト３１が第２のスプール４２を形成している。

運転中に、空気は、ファン組立体１２を通って流れ、空気流の第１の部分は、ブースタ２２を通して送られる。ブースタ２２から吐出された加圧空気は、圧縮機１４を通して送られ、圧縮機１４において、空気流はさらに加圧されかつ燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの高温燃焼生成物（図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動するために利用され、タービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２及びブースタ２２を駆動するために利用される。ガスタービンエンジン組立体１０は、設計運転条件と設計外運転条件との間の運転条件の範囲において運転可能である。

ガスタービンエンジン組立体１０はまた、動力取出しシステム１００を含み、動力取出しシステム１００は、スタータ１０２と発電機１０４とを含む。スタータ１０２は、本明細書ではコアガスタービンエンジン１３を始動させるために利用される装置として説明しているが、スタータ１０２はまた、コアガスタービンエンジン１３により駆動されて、発電機として機能することができることを理解されたい。さらに、発電機１０４は、本明細書では低圧タービン２０によって駆動されて電気エネルギーを発生する装置として説明しているが、発電機１０４はまた、低圧タービン２０を駆動して、後述する様々な運転状態時にガスタービンエンジン組立体１０を再始動するのを可能にすることができることを理解されたい。

図１及び図２に示すように、スタータ１０２は、電動機／発電機１１０と、シャフト３２に結合されかつ該シャフト３２によって駆動され、従って第１のスプールを駆動するか又は該第１のスプールによって駆動される電動機シャフト１１２とを含む。発電機１０４は、発電機／電動機１２０と、シャフト３１に結合されかつ該シャフト３１によって駆動され、従ってファン組立体１２及び低圧タービン２０を含む第２のスプールを駆動するか又は該第２のスプールによって駆動される発電機シャフト１２２とを含む。この例示的な実施形態では、電動機／発電機１１０は、コアガスタービンエンジン１３に結合された第１の付属装置ギヤボックス１２４に結合され、また発電機／電動機１２０は、第２のギヤボックス１２５に結合される。図２に示すように、シャフト１１２は、シャフト１２２から角度αだけ円周方向にオフセットしている。１つの実施形態では、αは、約２０°〜約９０°である。この例示的な実施形態では、αは、約６０°である。この構成により、低圧タービンスプールと高圧タービンスプールとを分離した状態に維持することが可能になる。さらに、この構成は、二重スタック差動軸受の必要性を排除し、動力取出しシャフトが小さい直径を有することを可能にし、かつファン組立体及びコアガスタービンエンジン流路を通過する「キング」支柱の寸法を減少させる。

この例示的な実施形態では、シャフト１１２は、軸線１１に沿った軸方向位置に配置され、この軸方向位置は、軸線１１に沿ったシャフト１２２の軸方向位置とほぼ等しい。従って、シャフト１１２及びシャフト１２２は、長手方向軸線１１に沿った軸方向位置に対するほぼ同一の平面内に位置する。

図３は、図２に示す動力取出しシステム１００の一部分の断面図であり、また図４は、図３に示す動力取出しシステム１００の一部分の断面図である。上述したように、発電機１０４は、発電機／電動機１２０と、該発電機／電動機１２０に結合された発電機シャフト１２２とを含む。より具体的には、発電機シャフト１２２は、発電機／電動機１２０に結合され、従って該発電機／電動機１２０によって駆動される第１の端部１３０を含む。発電機シャフト１２２はまた、第２の端部１３２と、該第２の端部１３２に結合又はスプライン嵌合されたピニオン１３４とを含む。さらに、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、ロータシャフト３１に結合又はスプライン嵌合されたリング歯車１３６を含む。この例示的な実施形態では、ピニオン１３４及びリング歯車１３６は各々、ピニオン１３４がリング歯車１３６と互いに噛み合うようになり、また回転シャフト３１がリング歯車１３６を回転させ、従ってピニオン１３４を回転させるように構成されベベル歯車である。

図４に示すように、シャフト１２２は、互いに結合されて単一のそれぞれのシャフトを形成し、従って組立てを単純化した１つ又はそれ以上のシャフト部分を含むように製作することができる。任意選択的に、シャフト１２２はまた、本明細書に記載した本発明の技術的範囲に影響を及ぼすことなく、単体構造の構成部品として製作することができる。

動力取出しシステム１００はまた、ガスタービンエンジン組立体１０内でシャフト１２２を適正な位置に維持するのを可能にする複数の軸受組立体を含む。具体的には、動力取出しシステム１００は、第１のスラスト軸受１４０を含み、この第１のスラスト軸受１４０は、ファンフレームのような固定構造体に固定された固定外側レース１４２と、ピニオン１３４に固定された回転内側レース１４４と、それぞれ外側及び内側レース１４２及び１４４間に配置された複数の転動体１４６とを含む。作動時に、スラスト軸受１４０は、シャフト３１によって発生したあらゆる残留推力を、固定構造体を介して地面に伝達する。

動力取出しシステム１００は、第１のローラ軸受１５０を含み、この第１のローラ軸受１５０は、圧縮機ケーシング又はファンフレームのような固定構造体に固定された固定外側レース１５２と、ピニオン１３４に固定された回転内側レース１５４と、それぞれ外側及び内側レース１５２及び１５４間に配置された複数の転動体１５６とを含む。作動時に、ローラ軸受１５０は、ガスタービンエンジン組立体１０内でシャフト１２２を実質的に一定整列状態に維持するのを可能にする。

組立て時に、発電機／電動機１２０は、ギヤボックス１２４に結合される。次にシャフト１２２は、発電機／電動機１２０とリング歯車１３６との間に結合されて、発電機／電動機１２０が、低圧タービン２０を駆動するか又は該低圧タービン２０によって駆動されるようになる。この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１３がエンジン推力を最小にするが依然として大きな電力需要に応じるような速度で作動することが必要な場合に、低圧タービン２０は発電機／電動機１２０を駆動して、該発電機／電動機１２０が、航空機が使用することができる付加的な電力を生成するようにする。

図５は、図２に示す動力取出しシステム１００の一部分の断面図である。具体的には、図５は、スタータ１０２の断面図である。上述したように、スタータ１０２は、電動機／発電機１１０と、該電動機／発電機１１０に結合された電動機シャフト１１２とを含む。より具体的には、電動機シャフト１１２は、スタータ１０２に結合され、従って該スタータ１０２により駆動されるか又は該スタータ１０２を駆動する第１の端部２３０を含む。電動機シャフト１１２はまた、第２の端部２３２と、該第２の端部２３２に結合又はスプライン嵌合されたピニオン２３４とを含む。さらに、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、ロータシャフト３２に結合又はスプライン嵌合されたリング歯車２３６を含む。この例示的な実施形態では、ピニオン２３４及びリング歯車２３６は各々、ピニオン２３４がリング歯車２３６と互いに噛み合うようになり、また回転シャフト３２がリング歯車２３６を回転させ、従ってピニオン２３４を回転させるように構成されベベル歯車である。

図５に示すように、シャフト１２２は、互いに結合されて単一のそれぞれのシャフトを形成し、従って組立てを単純化した１つ又はそれ以上のシャフト部分を含むように製作することができる。任意選択的に、シャフト１２２はまた、本明細書に記載した本発明の技術的範囲に影響を及ぼすことなく、単体構造の構成部品として製作することができる。

動力取出しシステム１００はまた、ガスタービンエンジン組立体１０内でシャフト１１２を適正な位置に維持するのを可能にする複数の軸受組立体を含む。より具体的には、また図６に示すように、動力取出しシステム１００は、第１のスラスト軸受２４０を含み、この第１のスラスト軸受２４０は、ファンフレームのような固定構造体に固定された固定外側レース２４２と、ピニオン２３４に固定された回転内側レース２４４と、それぞれ外側及び内側レース２４２及び２４４間に配置された複数の転動体２４６とを含む。作動時に、スラスト軸受２４０は、シャフト３２によって発生したあらゆる残留推力を、固定構造体を介して地面に伝達する。

動力取出しシステム１００は、第１のローラ軸受２５０を含み、この第１のローラ軸受２５０は、ファンフレームのような固定構造体に固定された固定外側レース２５２と、ピニオン２３４に固定された回転内側レース２５４と、それぞれ外側及び内側レース２５２及び２５４間に配置された複数の転動体２５６とを含む。作動時に、ローラ軸受２５０は、ガスタービンエンジン組立体１０内でシャフト１１２を実質的に一定整列状態に維持するのを可能にする。

組立て時に、スタータ１０２は、シャフト１１２に結合され、次いでシャフト１１２は、電動機／発電機１１０が高圧タービン１８を駆動するか又は該高圧タービン１８により駆動されるように構成されるようにリング歯車２３６に結合される。

運転時に、スタータ１０２は、コアガスタービンエンジン１３を始動させるために作動される。具体的には、スタータ／発電機１１０を作動させることは、シャフト１１２を回転させ、それによって高圧タービンスプールを回転させ、従って当技術分野では公知なようにコアガスタービンエンジン１３を始動させる。この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン１３を始動させることは、低圧タービン２０を回転させ、従って発電機／電動機１２０に電気エネルギーを発生させる。これに加えて、飛行又はその他の運転時に、発電機／電動機１２０は、コアガスタービンエンジンを再始動するのを助けるために利用することができる。具体的には、発電機１０４は、電動機として機能することができるので、発電機１０４に電力を供給することにより、該発電機１０４をスタータとして機能させることができる。具体的には、発電機１０４は、シャフト１２２を介して低圧タービン２０に結合されているので、発電機１０４を電動機として作動させることにより、シャフト１２２が低圧タービン２０を回転させ、従って特定の飛行状態時にコアガスタービンエンジンを再始動させることができる。

本明細書に記載しているのは、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下流に配置された低圧タービンとを含むガスタービンエンジン組立体を組立てる方法である。本方法は、第１のシャフトを使用してスタータをコアガスタービンエンジンに結合する段階と、第２のシャフトを使用して発電機を低圧タービンに結合する段階とを含み、第１のシャフトは、第２のシャフトから角度αだけ円周方向にオフセットしている。

また、本明細書に記載しているのは、エンジンを低推力状態で運転しながら、エンジンから比較的大量の動力を抽出するように構成されたガスタービンエンジン組立体である。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、二重入力装置、つまり第１のスプール４０を駆動するか又は該第１のスプール４０によって駆動されるようにすることができるスタータ１０２と、第２のスプール４２によって駆動されるか又は該第２のスプール４２を駆動するようにすることができる発電機１０４とを含む。具体的には、本明細書に記載したシステムは、ガスタービンエンジンを低推力状態及び／又は特定の飛行状態で作動させながら、該ガスタービンエンジンから付加的な電力を抽出するように構成される。例えば、本明細書に記載したシステムは、負荷要求量を分担するように２つのスプールから同時に動力を取出して、エンジン運転全体にわたって効率的に作動するようにする。

航空機／エンジン使途において、第２のスプールは、必要な航空機出力の大部分を提供し、また適当なエンジン付属装置を駆動する。任意選択的に、幾つかの付属装置は、スタータギヤボックスを介して第１のスプールによって駆動することができる。

その結果、増大し続ける電力需要を支えるために、付加的なエネルギーが、低圧タービン及びファン組立体から抽出される。具体的には、より最新の航空機は、エンジン付属装置ギヤボックス上の発電機によって発生される変則的に大量の電力を必要とするように設計される。従って、アイドル状態時における電力要求量は、十分な圧縮機失速マージンを維持するために望ましいアイドル速度よりも高いアイドル速度で、エンジンを作動させることを要求する。その結果、飛行中アイドル降下点及び地上アイドル状態の両方にとって望ましいものよりも高いエンジンの推力レベルを生じ、このことは、航空機ブレーキのためのメインテナンスコストへの影響及び典型的な短距離飛行における過度な燃料燃焼損失の両方をもたらす。

ところが、本明細書に記載したシステムは、負荷要求量を分担させるために両方のシャフトから同時に動力を取出す。その結果、本明細書に記載したシステムは、取付けが比較的簡単であり、またこの問題に対する低重量の解決策を提供する。さらに、本明細書に記載したシステムは、依然として高動力抽出状態時に十分な圧縮機失速マージンを維持しながら、地上アイドル状態時における推力を減少させて航空機ブレーキのメインテナンスを低減し、塵埃の吸込みを減少させ、また飛行中アイドル推力を減少させて飛行プロファイルを改善しかつ短距離燃料燃焼を改善することを可能にする。

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、当業者には分かるであろう。

例示的なスタータ／発電機システムを含むガスタービンエンジン組立体の簡略概略図。 図１に示す動力取出しシステムの一部分の端面図。 図２に示す動力取出しシステムの一部分の断面図。 図３に示す動力取出しシステムの一部分の断面図。 図２に示す動力取出しシステムの一部分の断面図。 図５に示す動力取出しシステムの一部分の断面図。

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
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ シャフト
３２ 第１のシャフト
４０ 第１のスプール
４２ 第２のスプール
１００ 取出しシステム
１０２ スタータ
１０４ 発電機
１１０ 電動機／発電機
１１２ 電動機シャフト
１２０ 発電機／電動機
１２２ 発電機シャフト
１２４ ギヤボックス
１２５ 第２のギヤボックス
１３０ 第１の端部
１３２ 第２の端部
１３４ ピニオン
１３６ リング歯車
１４０ 第１のスラスト軸受
１４２ 外側レース
１４４ 内側レース
１４６ 転動体
１５０ 第１のローラ軸受
１５２ 外側レース
１５４ 内側レース
１５６ 転動体
２３０ 第１の端部
２３２ 第２の端部
２３４ ピニオン
２３６ リング歯車
２４０ 第１のスラスト軸受
２４２ 外側レース
２４４ 内側レース
２４６ 転動体
２５０ 第１のローラ軸受
２５２ 外側レース
２５４ 内側レース
２５６ 転動体

Claims (10)

1. 第１のスプール（４０）及び第２のスプール（４２）を含むガスタービンエンジン組立体（１０）用の動力取出しシステム（１００）であって、
   第１のシャフト（３２）を使用して前記第１のスプールに結合されたスタータ（１０２）と、
   第２のシャフトを使用して前記第２のスプールに結合された発電機（１０４）と、を含み、
   前記第１のシャフトが、前記第２のシャフトから角度αだけ円周方向にオフセットしている、
   動力取出しシステム（１００）。
2. 前記第１のシャフト（３２）が、前記第２のシャフトから約６０°の角度だけオフセットしている、請求項１記載の動力取出しシステム（１００）。
3. 前記第１のシャフト（３２）が、前記第２のシャフトから２０°〜９０°の角度だけオフセットしている、請求項１記載の動力取出しシステム（１００）。
4. 前記第１のスプール（４０）に結合された第１のリング歯車（１３６）と、
   前記第１のリング歯車と互いに噛み合うようにまた前記スタータ（１０２）を作動させることにより第１のスプールを回転させるように、前記第１のシャフト（３２）に結合された第１の駆動ピニオン（１３４）と、
   をさらに含む、請求項１記載の動力取出しシステム（１００）。
5. 前記第２のスプール（４２）に結合された第２のリング歯車（２３６）と、
   前記第２のリング歯車と互いに噛み合うようにまた前記低圧タービン（２０）を回転させることにより前記発電機を回転させるように、前記第２のシャフトに結合された第２の駆動ピニオン（２３４）と、
   をさらに含む、請求項１記載の動力取出しシステム（１００）。
6. 前記スタータ（１０２）が、前記第１のシャフト（３２）に結合された電動機／発電機（１１０）を含み、
   前記電動機／発電機が、第１のモードで作動している時には前記コアガスタービンエンジン（１３）を回転させ、また第２のモードで作動している時には電気エネルギーを発生するように構成され、
   前記発電機（１０４）が、前記第２のシャフトに結合された電動機／発電機を含み、
   前記電動機／発電機が、第１のモードで作動している時には電気エネルギーを発生し、また第２のモードで作動している時には前記低圧タービン（２０）を回転させるように構成される、
   請求項１記載の動力取出しシステム（１００）。
7. 第１のスプール（４０）と、
   第２のスプール（４２）と、
   第１のシャフト（３２）を使用して前記第１のスプールに結合されたスタータ（１０２）及び第２のシャフトを使用して前記第２のスプールに結合された発電機（１０４）を含む動力取出しシステム（１００）と、を含み、
   前記第１のシャフトが、前記第２のシャフトから角度αだけ円周方向にオフセットしている、
   ガスタービンエンジン組立体（１０）。
8. 前記第１のスプール（４０）が第１の方向に回転し、また前記第２のスプール（４２）が第２の逆方向に回転する、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
9. 前記第１のシャフト（３２）が、前記第２のシャフトから約６０°の角度だけオフセットしている、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
10. 前記第１のシャフト（３２）が、前記第２のシャフトから２０°〜９０°の角度だけオフセットしている、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。

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