JP2008510916A - ガスタービン制動装置および方法 - Google Patents

Abstract

航空機のガスタービンエンジン（１０）の制動装置（３４）であって、該エンジンは、そこにそれぞれ搭載された第１および第２のタービン段と、第１および第２の圧縮機段のそれぞれと同軸の第１および第２の軸（２２，２６）を有し、該制動装置は、第１の軸の後方端部に、円錐台のブレーキ面（５０）を備える拡張部（４４）と、アクチュエータによってブレーキ面（５０）に向かって移動可能な、ケーシング取り付け部材（３８）上の相補的な形状を有する第２のブレーキ面（５２）とを有する。装置は、ａ）エンジンの飛行運転中に偶発的に軸が破損するか、切り離された場合に切り離されたタービンロータの回転を停止するよう、ｂ）第２のスプールに著しい推進力を発生させことなく、地上運転に使用される動力を発生させるよう選択的に第１の軸の回転を妨げるよう、かつ、ｃ）低減された航空機の地上誘導滑走速度を選択的に容易にするよう機能する。

Description

本発明は、概して、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、多目的ブレーキシステムに関する。

地上における航空機には、圧縮空気および電力を供給する必要がある。これらの供給源は、通常、航空機に搭載されたＡＰＵまたは地上カート（利用可能な場合）である。代替的に使用されるデュアルスプールのガスタービンターボプロップエンジンは、減速ギアボックス（ＲＧＢ）に連結されたプロペラブレーキにより、低圧スプール（すなわち、プロペラを駆動するスプール）の回転をロックする一方で、高圧スプールが回転するように一方のエンジンを作動させ、これにより、ジェネレータを駆動させるように圧縮空気を供給することができる。

しかし、ターボファンエンジンは、プロペラブレーキおよびＲＧＢを備えていないため、前記のような手段による利益を享受することができない。そのため、ガスタービンエンジンに対する、より広く適用可能な改善された解決手段が望まれている。

従って、本発明の目的は、上述の問題に対応する多目的低圧スプールブレーキシステムを提供することである。

第一の態様において、本発明は、同軸に配置され、かつ相互に独立して回転可能な少なくとも第１の軸および第２の軸を有する航空機エンジンを提供するものであり、前記第１の軸および第２の軸は、第１のタービン段および第２のタービン段を、第１の圧縮機段および第２の圧縮機段にそれぞれ接続し、前記航空機エンジンは、制動装置を有し、該制動装置は、第１の軸の連結が分断され後方に移動して制動装置に接触する場合に、第１の軸の回転を妨げるように配置かつ適合された第１の部材と、第１の軸の回転を妨げるために、第１のスプールに連結された少なくとも１つの面に係合するように選択的に移動可能である第２の部材と、を備える。

第二の態様において、本発明は、航空機エンジンの制動装置を提供するものであり、該エンジンは、第１のタービン段および第２のタービン段、ならびに第１の圧縮機段および第２の圧縮機段をそれぞれ備えた同軸の第１の軸および第２の軸を有し、前記制動装置は、第１の軸が破損してタービン部分が分断された場合に、第１の軸の回転を選択的に妨げる第１の手段と、第１の軸のタービン部分の回転を妨げる第２の手段と、を含む。

第三の態様において、独立して回転可能な低圧スプールおよび高圧スプールを有する航空機エンジン用のブレーキを提供するものであって、前記低圧スプールは、低圧スプール駆動軸を介して低圧タービンによって駆動される低圧圧縮機を有し、前記ブレーキは、低圧スプールに設けられた少なくとも１つの第１のブレーキ面と、少なくとも１つの第２のブレーキ面であって、低圧スプール駆動軸の軸方向における連結が分断された場合に低圧タービンの回転を妨げるために第１のブレーキ面が第２のブレーキ面に対して移動するように、低圧スプール駆動軸とは独立して配置された少なくとも１つの第２のブレーキ面と、高圧スプールが回転する間、低圧スプールの回転を妨げるように、第１のブレーキ面と係合するように第２のブレーキ面を選択的に移動させるアクチュエータと、を含み、これにより、地上での運転中に圧縮空気および電力を供給するように高圧スプールを使用することが可能となる。

第四の態様において、本発明は、地上における航空機に動力を供給する方法を提供するものであり、前記航空機は、相互に独立して回転可能な少なくとも第１のタービン軸および第２のタービン軸を有するターボファンエンジンを有し、第１のタービン軸は、エンジンファンに連結され、前記方法は、第１の軸の回転を抑止するステップと、第１の軸が抑止されている間に、第２のタービン軸を回転させることによって航空機に動力を供給するようにエンジンを作動させるステップと、を含む。

第五の態様において、本発明は、独立して回転可能な少なくとも第１のスプールおよび第２のスプールを有する少なくとも１つのターボファンエンジンによって推進される航空機の航空機誘導滑走速度を低減させる方法を提供するものであって、第１のスプールは、エンジンファンを有し、前記方法は、スラストを発生させるようにエンジンを作動させるステップと、第１のスプールの回転を妨げることによってエンジンのスラストを低減させるステップと、を含む。

本発明のさらなる細部および他の態様は、以下の詳細な説明および添付された図面から明らかになるであろう。

図１は、亜音速飛行での使用に好ましいツインスプールターボファンエンジン１０を示しており、エンジン１０は、概して、各々が直列に流体的に連通した、周囲空気を通流させて推進するファン１２（すなわち低圧圧縮機）と、該空気をさらに圧縮する高圧圧縮機１４と、高温の燃焼ガスの環状流を生成するように、圧縮空気と燃料を混合して点火する燃焼器１６と、燃焼ガスからエネルギーを抽出するタービンセクション１８と、を備える。

タービンセクション１８は、低圧タービン２０を有し、この低圧タービン２０は、エンジン１０の低圧スプールを形成するように、回転可能にファン１２に連結されたタービン軸２２に対して堅個に取り付けられたタービンロータ２８（図２参照）を有する少なくとも１つの下流側最後方のロータ段を備える。さらに、タービンセクション１８は、軸２２を中心に同軸状に取り付けられた管状の軸２６を介して高圧圧縮機１４に回転可能に連結された高圧タービン２４を備える。高圧圧縮機１４、高圧タービン２４および軸２６により、エンジン１０の高圧スプールが形成される。低圧スプールと高圧スプールとは、互いに対して独立して回転可能である。

図２に示すように、タービンロータ２８は、周方向に配設された多数のタービンブレード３０を担持する従来のロータディスクの形態で設けられている。タービンロータ２８は、ころ軸受３２などの軸受により全長沿って支持されている軸２２に取り付けられている。

多目的低圧スプールブレーキ３４は、最後方のタービンロータ２８の後面に隣接して、エンジン排気ケーシング３６における中空のハブ構造体３５内に取り付けられている。多目的低圧スプールブレーキ３４は、概して、ブレーキ部材３８を備え、該ブレーキ部材３８は、エンジン排気ケーシング３６の中空のハブ構造体３５から径方向内側に延在する支持構造体４２に取り付けられた１つまたは複数のアクチュエータ４０に連結される。

軸延張部４４は、タービン軸２２の後方端部上に取り付けられており、軸方向に延在する複数のスプライン４６を介して軸２２と共に回転するように連結されている。軸延張部４４は、軸２２の軸方向後方に延びる円錐台（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌ）部分４８を有し、該円錐台部分４８の内側に第１のブレーキ面５０を備える。

ブレーキ部材３８は、軸延張部４４の円錐台部分４８の形状と相補的な円錐台形状を有するとともに、円錐台部分４８の内側に近接して入れ子状に配置されることが好ましい。ブレーキ部材３８は、外側表面上に第２のブレーキ面５２を有し、該第２のブレーキ面５２は、軸延張部４４の円錐台部分４８の内面上に設けられた第１のブレーキ面５０と接触するよう適合されている。第１のブレーキ面５０および第２のブレーキ面５２は、炭素繊維や他のブレーキ材料などの高性能ブレーキ材料からなる環状のパッドであることが好ましい。例えば、第１のブレーキ面５０および第２のブレーキ面５２は、いずれも、炭素−炭素のブレーキ接触をもたらすように、炭素−炭素材料から作製することができる。代わりに、高温下において適切な特性を有する他の材料を用いてもよい。第１のブレーキ面５０および第２のブレーキ面５２を形成するブレーキ材料のパッドを軸延張部４４およびブレーキ部材３８にそれぞれ固定するために、ボンディングと機械的連結との組み合わせが好ましく使用される。

（単一または複数の）アクチュエータ４０は、空気式あるいは油圧式のベローズやスライディングピストンを包含する種々の形態で設けられる。これは完全なリストを意図するものではない。当業者であれば、本明細書を鑑み、ブレーキ部材３８を作動させるのに使用されるアクチュエータの種類は、本発明の構成要素ではないことを理解されるであろう。

本発明のブレーキ（制動機）を「多目的」と称しているが、これは、以下で説明するように多機能を提供する利点を有しているためである。第一の態様において、本発明は、緊急軸制動装置を提供する。エンジン１０の飛行運転中に、ファン１２と低圧タービン２０との間で偶発的に軸が破損または分断した場合に、低圧タービンロータ２８と低圧タービン軸２２の取付け部分とが軸方向後方に移動する。このタービンロータ２８および軸２２の取付け部分が軸方向後方に移動することにより、第１のブレーキ面５０に、ブレーキ部材３８の第２のブレーキ面５２に対する軸方向の負荷がかかり、これにより、くさび効果が生じて、軸延張部４４の円錐台部分４８とブレーキ部材３８との間が円錐状に密に係合し、その結果、タービンロータ２８の動きが妨げられる。軸延張部４４上のブレーキ材料とブレーキ部材３８との間の摩擦により、フルブレーキが生じる。エンジン１０が、ファンロータの分断などの事態に関連するエンジンパラメータの変化を迅速に検出する性能を備えた即時応答電子エンジン制御部を有している場合、電子的に命令された燃料遮断を安全に開始し、かつタービンセクション１８を介してエンジンガスを膨張させるのに必要な所定の時間の間において、ブレーキ材料に要求されるのは、その完全性を維持することだけである。

上述の事態において、ブレーキ部材３８は、静止安全止めとして機能し、分断され軸方向に負荷がかかったタービンは、即時応答電子性の燃料遮断が開始される前に、分断されたタービンロータが制御不能に加速するのを防ぐように前記静止安全止めに対して移動する。この第１の機能を実行するために、分断されたタービンロータがブレーキ部材３８と係合するように移動するので、ブレーキ部材３８を作動させる必要がないことに留意されたい。以下に見られるように、アクチュエータ４０により、低圧スプールブレーキ３４が他の機能を提供することができる。

第二の態様において、本発明は、以下で説明するように、エンジンと連結したジェネレータ装置を提供する。エンジン１０の地上運転中、アクチュエータ４０は、第１のブレーキ部材３８をアクティブ制動位置に軸方向に選択的に移動させるように使用され、この制動位置において、ブレーキ部材３８は、低圧スプール（すなわち、ファン１２、軸２２および低圧タービン２０）の回転をロックするために、低圧スプール軸２２の軸延張部４４と制動係合するが、他方、高圧スプールは、地上において圧縮空気および電力を供給するように作動する。この場合、低圧スプールブレーキ３４は、地上におけるジェネレータモードでのエンジンの作動を許容するブレーキとして機能する。低圧タービン２０に対して制動力を直接適用することにより、低圧スプールおよびファンが停止し、これにより、例えば、航空機用の動力を発生するように、地上においてエンジンを安全に運転することが可能となる。

本発明の第三の態様において、ブレーキは、地上の誘導滑走（タキシング）運転中における低速制御を促進するために使用される。地上誘導滑走運転中に、許容される程度に低い地上速度を維持するために、通常、要求される航空機エンジンからの推進（スラスト）は極めて低い。従来技術を用いて前記の要求を満たすには、低速を実現するようにエンジンへの燃料流量を十分に低い程度まで減少させることが必要であるが、安全な地上速度を実現するように適切な燃料レベルを制御かつ維持することは困難である。着陸装置（ランディングギア）時のブレーキもまた使用されるが、これは、ランディングギアブレーキの摩耗が早まり、またブレーキの適用によって航空機が不意に揺れることがあるため、乗客に不快感を与える場合がある。この地上誘導滑走の問題は、本発明により解決されるが、これは、航空機の地上運転に許容可能な程度までエンジンのスラストおよび騒音を減少させるために、誘導滑走段階の運転中に、エンジン１０の低圧スプールを減速、または場合により停止させるようにブレーキ部材３８を作動させることによって解決することができる。ファン速度が前方へのスラスト（従って速度）を減少させるように低減または完全に停止されるため、前方への推進力は、高速スプールだけの運転によって得られるジェットスラストにより付与される。低スラストレベルは、氷結した滑走路や誘導滑走路上での運転時に特に有益である。そのため、使用において、地上での誘導滑走運転中、高圧スプールを作動させる一方で、エンジンの低圧スプールの回転をロックするためにアクチュエータ４０を作動させて、軸延張部４４と接触するようにブレーキ部材３８を移動させることによって、地上における航空機の低速が得られ、かつ維持される。この構成は、地上での誘導滑走運転時に低速で航空機エンジンを運転する新規で簡単な方法である。

好ましくは、「地上ジェネレータ」ブレーキ機構（すなわち、アクチュエータなどを有する）は、航空機の少なくとも１つのエンジン、より好ましくは、安全性および快適性を考慮して乗客用のドアと反対の側に設けられる。しかし、全エンジンに「緊急」ブレーキ機構が組み込まれることが好ましい。「地上スラスト低減」モードが望まれる場合には、誘導滑走に使用される全エンジンにアクチュエータを設けることが好ましいが、前述したように、そのようなエンジンの１つだけが「地上ジェネレータ」状態で運転されることが好ましい。このような適応性を容易にするために、一般的なサブアッセンブリに数個の追加部品あるいは代替部品を設けることで構成することができるモジュラー設計を提供することが好ましい。

前述の万能性に加えて、上記の多目的低圧スプールブレーキ３４は、エンジンの設計仕様に最小限の変更を加えるだけで構成され、したがって、装備の改装（レトロフィット）により既存のエンジンを適応させることができる利点を有する。

上述の実施態様は例示を目的とするものであり、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく前記の実施態様に変更を加えることが可能であることを認識されるであろう。例えば、本発明は、ターボファンエンジンに限定されるものではなく、ターボシャフトエンジン、ターボプロップエンジン、あるいは他のツインスプールエンジンにも適用可能である。また、低圧タービン軸の軸延張部に必ずしも制動力を適用する必要がないということを理解されたい。例えば、図３に示すように、制動力をタービンロータディスク２８自体に直接適用してもよい。さらには、ブレーキ３４の正確な位置を重要であると考慮しなくてもよく、他の箇所に配置してもよいが、低圧スプールの後部であることが好ましい。図４を参照すると、円錐台形のブレーキ面が好ましいが、ディスク状の軸方向に面する面を用いてもよく、また、他の適当なブレーキ形状であってもよいが、ブレーキ面を形成する方法は本発明において重要ではない。さらに、当業者であれば、本発明の多目的ブレーキの機構を、単一の構造体で実現する必要がないということを理解されるであろう。図５を参照すると、例えば、２つのブレーキ部材３８を設けた実施態様が示されており、このためブレーキ荷重の適用は、同時に部材３８Ａを収縮させ、部材３８Ｂを伸張させることで両側になされる。これにより、ブレーキによって軸受に加わる軸方向の荷重の均衡を有利に取ることができるため、軸の軸受の能力を超過しない。別の実施態様では、ブレーキ部材３８Ｂを常に固定した状態に維持し、「緊急時」モードにおいてのみ作用させ、必要に応じて、ブレーキ部材３８Ａを「地上ジェネレータ」または「地上スラスト低減」モードをもたらすように作動させてもよい。本発明の範囲内のその他の修正は、当業者であれば本明細書を検討することによって明らかであろう。また、そのような修正は添付の特許請求項の範囲に包含されるものである。

本発明の実施態様による多目的低圧スプールブレーキを導入したガスタービンエンジンの側面断面図である。 １つの可能な多目的低圧スプールブレーキの構成を示す図１のエンジンの後部セクションを拡大した側面断面図である。 他の実施態様の一部を示す図２と同様のさらなる拡大図である。 別の実施態様を示す図３と同様の図である。 さらに別の実施態様を示す図３と同様の図である。

Claims (18)

1. 同軸に配置され、かつ相互に独立して回転可能な少なくとも第１の軸および第２の軸を有する航空機エンジンであって、前記第１の軸および前記第２の軸は、第１のタービン段および第２のタービン段を、第１の圧縮機段および第２の圧縮機段にそれぞれ接続し、
   前記航空機エンジンは、制動装置を有し、
   前記制動装置は、
   前記第１の軸の連結が分断され後方に移動して前記制動装置に接触する場合に、前記第１の軸の回転を妨げるように配置かつ適合された第１の部材と、
   前記第１の軸の回転を妨げるために、前記第１の軸に連結された少なくとも１つの面に係合するように選択的に移動可能である第２の部材と、
   を備えることを特徴とする航空機エンジン。
2. 前記第１の部材と第２の部材が同じ部材であることを特徴とする請求項１記載の航空機エンジン。
3. 前記制動装置が、互いに接触しているときに前記第１の軸の回転を妨げる対合する円錐台の面を備えることを特徴とする請求項１記載の航空機エンジン。
4. 前記面が、前記第１の軸から軸方向後方に突出する軸延張部に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の航空機エンジン。
5. 前記面が、前記第１のタービンのタービンディスクの一部であることを特徴とする請求項１記載の航空機エンジン。
6. 前記制動装置が、軸回転を妨げるように協働する入れ子状の面を備えることを特徴とする請求項１記載の航空機エンジン。
7. 前記制動装置が、前記エンジンに対して前方に移動して前記面と係合することを特徴とする請求項１記載の航空機エンジン。
8. 航空機エンジンの制動装置であって、該エンジンは、第１のタービン段および第２のタービン段、ならびに第１の圧縮機段および第２の圧縮機段をそれぞれ備えた同軸の第１の軸および第２の軸を有し、
   前記制動装置は、
   前記第１の軸が破損してタービン部分が分断された場合に、前記第１の軸の回転を選択的に妨げる第１の手段と、
   前記第１の軸のタービン部分の回転を妨げる第２の手段と、
   を含むことを特徴とする航空機エンジンの制動装置。
9. 前記第１の手段は、前記第１の軸とともに回転するように取り付けられた第２の面と接触するように第１の面を前記エンジンに対して前方へ移動させることを含み、
   前記第２の手段は、前記第１の面と接触するように前記第２の面を後方に移動させることを含むことを特徴とする請求項８記載の制動装置。
10. 前記制動装置が、前記エンジンに対して前記第１の軸の後方に配置されることを特徴とする請求項８記載の制動装置。
11. 前記第２の面が、前記第１の軸、該第１の軸から延在する専用部材、および前記第１のタービン段のタービンディスクのうちの少なくとも１つの上に画定されることを特徴とする請求項８記載の制動装置。
12. 独立して回転可能な低圧スプールおよび高圧スプールを有する航空機エンジン用のブレーキであって、前記低圧スプールは、低圧スプール駆動軸を介して低圧タービンによって駆動される低圧圧縮機を有し、
    前記ブレーキは、
    前記低圧スプールに設けられた少なくとも１つの第１のブレーキ面と、
    少なくとも１つの第２のブレーキ面であって、前記低圧スプール駆動軸の軸方向における連結が分断された場合に低圧タービンの回転を妨げるために前記第１のブレーキ面が前記第２のブレーキ面に対して移動するように、前記低圧スプール駆動軸とは独立して配置された少なくとも１つの第２のブレーキ面と、
    前記高圧スプールが回転する間、前記低圧スプールの回転を妨げるために、前記第１のブレーキ面と係合するように前記第２のブレーキ面を選択的に移動させるアクチュエータと、
    を含み、これにより、地上での運転中に圧縮空気および電力を供給するように前記高圧スプールを使用することができることを特徴とする航空機エンジン用ブレーキ。
13. 前記第２のブレーキ面が、第１の円錐台部材の内面に設けられ、
    前記第１の円錐台部材は、第２の円錐台部材を取り囲み、
    前記第２の円錐台は、前記第１のブレーキ面が設けられた外側面を有することを特徴とする請求項１２記載の組み合わせ。
14. 前記第１のブレーキ面が、前記低圧スプール駆動軸に取り付けられることを特徴とする請求項１２記載の組み合わせ。
15. 地上における航空機に動力を供給する方法であって、前記航空機は、相互に独立して回転可能な少なくとも第１のタービン軸および第２のタービン軸を有するターボファンエンジンを有し、前記第１のタービン軸は、エンジンファンに連結され、
    前記方法は、
    前記第１の軸の回転を抑止するステップと、
    前記第１の軸が抑止されている間に、前記第２のタービン軸を回転させることによって前記航空機に動力を供給するようにエンジンを作動させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 前記抑止するステップが、第１のタービン軸に取り付けられた部材と制動係合するようにブレーキ部材を選択的に作動するステップを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 独立して回転可能な少なくとも第１のスプールおよび第２のスプールを有する少なくとも１つのターボファンエンジンによって推進される航空機の航空機誘導滑走速度を低減させる方法であって、前記第１のスプールは、エンジンファンを有し、
    前記方法は、
    スラストを発生させるようにエンジンを作動させるステップと、
    前記第１のスプールの回転を妨げることによってエンジンのスラストを低減させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
18. 前記回転を妨げるステップが、前記第１のスプールの回転を実質的に低減させるか、または停止させるために、前記第１のスプールを接触させるようにブレーキを適用することを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。

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