JP2015534624A - 少ない段数およびエアフォイル総数によりバイパス比および圧縮比の向上を達成したギヤードターボファンエンジン - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンは、通常は、ファン段、多段圧縮機段、および多段タービン段から成る。これらの段は、回転ブレード列と静止ベーン列を交互にすることで構成されている。ブレードとベーンの総数はエアフォイル数である。総圧力比は３０を超える。バイパス比は８を超える。段比は、バイパス比と総圧力比の積を段数で除算したものである。エアフォイル比は、その積をエアフォイル数で除算したものである。段比は２２以上であり、かつ／またはエアフォイル比は０．１２以上である。

Description

本願は、全体的な圧力比とバイパス比の倍数をエアフォイルの総数またはエンジン全体の段の総数で除算した比が従来技術より著しく大きいギヤードターボファンエンジンに関する。

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１２年１０月５日出願の米国仮特許出願第６１／７１０，４６５号に対し優先権を主張する。

ガスタービンエンジンは公知であり、通常、空気をバイパスダクト内へおよび圧縮機内へ供給するファンを含む。また、ファンは、エンジンを搭載する航空機用の推力として動作するために、バイパスダクトにも空気を供給する。圧縮機の空気は、それに燃料を混合して点火される燃焼セクションに入る。燃焼の生成物は、タービンロータを下流に通過して、それを回転するように駆動する。タービンロータは、圧縮機およびファンロータを次々に駆動する。従来技術においては、任意の数のファン、圧縮機、およびタービンロータ段があってもよい。さらに、ロータ段の各々は複数のブレードを載架し、通常は、ファンセクション、圧縮機セクション、およびタービンセクションの各々の段の間に静止ベーンが配置される。ブレードおよびベーンの両方ともエアフォイルを備えている。したがって、任意のガスタービンエンジン全体にわたる段の総数およびエアフォイルの総数がある。

従来、低圧タービンは低圧圧縮機およびファンを共通速度で駆動することになる。このような従来の直接駆動ターボファンでは、ファンおよび２つの圧縮機構成要素にわたって達成される総圧力比とバイパス比の積と比較して段およびエアフォイルの数が比較的大きいことになり、または圧縮機に供給される量と比較してバイパスダクトに供給される空気の量が比較的大きいことになる。

より最近では、ファンと低圧タービンとの間に減速ギアを組み込むことが提案されている。

注目している実施例において、ガスタービンエンジンは、ファンロータ、第１の圧縮機ロータおよび第２の圧縮機ロータ、第１のタービンロータおよび第２のタービンロータを有する。第１の圧縮機ロータは、第２の圧力ロータよりも低圧で作動するように構成される。第２のタービンロータは、第１のタービンロータよりも高圧で作動するように構成される。第１のタービンロータは、第１の圧縮機ロータを駆動するように構成される。第２のタービンロータは、第２の圧縮機ロータを駆動するように構成される。第１のタービンロータは、減速ギアを通してファンロータも駆動するように構成される。ファンロータの各々に組み込まれた第１の数のブレードがある。第１および第２の圧縮機ロータならびに第１および第２のタービンロータ、ならびに第２の数の静止ベーン部材は、ファンロータ、第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに第１および第２のタービンロータの各々の段の間に配置される。ブレードおよびベーンの数の合計は、全体のエアフォイル数である。ファンロータ、第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに第１および第２のタービンロータには段の数がある。ファンロータの入口端から第２の圧縮機ロータの出口端に至るまでの総圧力比があり、総圧力比は、３５，０００フィートで、０．８０ＭＮの巡航飛行条件での運転時に３０を超える。ファンロータは、第１の圧縮機ロータ内に、さらにバイパス推進空気としてバイパスダクト内に空気を供給する。バイパス比は、バイパスダクト内に供給される空気の量を第１の圧縮機ロータ内に供給される空気の量で除算したものとして定義される。バイパス比は８を超える。バイパス比と総圧力比との積の段比は除算され、その積は段数で除算され、段比は２２以上である。または、積を全体のエアフォイル数で除算して、エアフォイル比を得て、エアフォイル比は０．１２以上である。

前述の実施例に係る別の実施例において、第１および第２の比の両方とも上記数以上である。

前述の実施例のいずれかに係る別の実施例において、段比は２２を超える。

前述の実施例のいずれかに係る別の実施例において、エアフォイル比は０．１５を超える。

前述の実施例のいずれかに係る別の実施例において、段比は４０未満である。

前述の実施例のいずれかに係る別の実施例において、エアフォイル比は０．２５未満である。

前述の実施例のいずれかに係る別の実施例において、減速ギアは２．４〜４．２のギア比を有する。

前述の実施例のいずれかに係る別の実施例において、バイパス比は１０を超える。

前述の実施例のいずれかに係る別の実施例において、総圧縮比は、約１．４５以下であるファンにわたる圧力比により達成される。

これらの特徴および他の特徴は、以下の図面および明細書から最も良く理解できる場合がある。

ガスタービンエンジンを模式的に示す図。 本出願人により変更されたギヤードターボファンに対する量を、直接駆動ターボファンに対する同じ量と比較して、圧縮比のある範囲にわたって示すグラフ。 本出願人により変更されたギヤードターボファンに対する第２の量を、直接駆動ターボファンに対する同じ量と比較して、圧縮比のある範囲にわたって示すグラフ。

図１は、ガスタービンエンジン２０を模式的に示す。ガスタービンエンジン２０は、一般に、ファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６、およびタービンセクション２８を組み込む２スプールターボファンとして本明細書に開示される。代替的なエンジンは、いくつかあるシステムまたは特徴の中で特にオーグメンタセクション（図示せず）を備えてよい。ファンセクション２２は、ナセル１５内に画成されるバイパスダクト内のバイパス流路Ｂに沿って空気を駆動する。その一方で、圧縮機セクション２４は、コア流路Ｃに沿って空気を駆動して、圧縮して、燃焼器セクション２６の中に連通し、その後空気はタービンセクション２８を通して膨張する。開示された非限定的な実施例では、ターボファンガスタービンエンジンとして示されたが、上記教示が３スプールアーキテクチャを含む他のタイプのタービンエンジンに適用されてもよいので、本明細書に記載の概念がターボファンでの利用に限定されないことを理解すべきである。

エンジン２０は、一般に、いくつかの軸受システム３８を介してエンジンの静止構造３６と関連してエンジンの長手方向の中心軸線Ａを中心に回転するように搭載される低速スプール３０および高速スプール３２を含む。上記に代えて、あるいは上記に加えて、さまざまな位置にさまざまな軸受システム３８が設けられてよいことを理解すべきである。

低速スプール３０は、一般に、ファン４２、低圧圧縮機４４、および低圧タービン４６を相互連結する内側シャフト４０を含む。内側シャフト４０は、低速スプール３０より低速度でファン４２を駆動するために、ギヤードアーキテクチャ４８によってファン４２に連結される。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２および高圧タービン５４を相互連結する外側シャフト５０を含む。燃焼室５６は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に配置される。エンジンの静止構造３６の中間タービンフレーム５７は、一般に、高圧タービン５４と低圧タービン４６との間に配置される。中間タービンフレーム５７は、さらに、タービンセクション２８内の軸受システム３８を支持する。内側シャフト４０および外側シャフト５０は同心であり、それらの長手方向軸線と同一直線上にあるエンジンの長手方向の中心軸線Ａを中心に軸受システム３８を介して回転する。

コア空気流は、低圧圧縮機４４、次に高圧圧縮機５２によって圧縮され、燃焼室５６内で燃料と混合されて、燃焼し、次に高圧タービン５４および低圧タービン４６にわたって膨張する。中間タービンフレーム５７は、コア空気流路内にあるエアフォイル５９を含む。タービン４６、５４は、膨張に応答してそれぞれ低速スプール３０および高速スプール３２を回転駆動する。

一実施例のエンジン２０は、高バイパスギヤード航空機エンジンである。さらなる実施例において、エンジン２０のバイパス比は約６を超え、例示の実施例は１０を超え、ギヤードアーキテクチャ４８は、約２．３を超える減速ギア比を有するエピサイクリックギアトレイン、例えば、プラネタリギア装置または他のギア装置であり、低圧タービン４６は約５を超える圧力比を有する。開示の一実施例において、エンジン２０のバイパス比は約１０（１０：１）を超え、ファンの直径は低圧圧縮機４４よりもはるかに大きく、低圧タービン４６は約５：１を超える圧力比を有する。低圧タービン４６の圧力比は、低圧タービン４６の出口における、排気ノズルの前の圧力に関する、低圧タービン４６の入口の前で測定される圧力である。ギヤードアーキテクチャ４８は、約２．５：１を超える減速ギア比を有する、エピサイクリックギアトレイン、例えば、プラネタリギア装置または他のギア装置でもよい。しかしながら、上記パラメータは単にギヤードアーキテクチャエンジンの実施例の１つの例示にすぎず、本発明が直接駆動ターボファンを含む他のガスタービンエンジンに適用できることを理解すべきである。

高バイパス比のため、バイパス流Ｂによってかなりの量の推力が提供される。エンジン２０のファンセクション２２は、特定の飛行条件、通常、約マッハ０．８および約３５，０００フィートでの巡航に対して設計される。エンジンの燃料消費が最適である、マッハ０．８および３５，０００フィートの飛行条件（「バケット（ｂｕｃｋｅｔ）巡航推力当たり燃料消費率（Ｔｈｒｕｓｔ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）（「ＴＳＦＣ」）」としても知られる）は、燃焼している燃料のポンド質量（ｌｂｍ）をエンジンがその最小点で発生する推力のポンド力（ｌｂｆ）で除算する、業界標準パラメータである。「低ファン圧力比」は、ファン出口ガイドベーン（Ｆａｎ Ｅｘｉｔ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅ）（「ＦＥＧＶ」）装置なしの、ファンブレードのみの両側の圧力比である。１つの非限定的な実施例に従って本願明細書に開示される低ファン圧力比は、約１．４５未満である。「低補正ファン先端速度」は、［（トラム（Ｔｒａｍ）°Ｒ）／（５１８．７°Ｒ）］^0.5の業界標準温度補正で除算された実際のファン先端速度（フィート／秒）である。１つの非限定的な実施例に従って本明細書に開示される「低補正ファン先端速度」は、約１１５０フィート／秒未満である。

図１に示すように、ファンロータは、例示の実施例で複数のファンブレードおよび単一のロータ段を担持し、Ｆ_b,rにより識別される。さらに、ファンベーンＦ_vの列がある。複数のベーンおよびブレードが列Ｆ_vおよびＦ_b,rにある。特に、ファンベーンＦ_vは、コア空気流Ｃに接するもののみで、バイパスダクト内に配置される場合があるファンのベーンは数えない。圧縮機セクション２４内には、ベーンＣ_vを有する所定の数の列があり、その各々は複数のベーンを有する。また圧縮機セクションも複数のロータ段を有し、各々はＣ_b,rで識別される複数のブレードを担持する。タービンセクション内には、タービンブレードＴ_b/rを担持する段を有するタービンロータがあり、タービンベーンＴ_vがある。段の各々では、複数のベーンがある。図面は、段およびベーン列のいくつかを識別する。当業者は、これらの構成要素の各々が概略図１においてどこにあるかを認識するであろう。

集合的に、エアフォイルの総数を、ファンセクション２２、圧縮機セクション２４、およびタービンセクション２８にわたって数えることができる。同様に、段数を、ファン２２、圧縮機２４、およびタービン２６にわたって集合的に数えることができる。

図２に示すように、量は、ファンセクションおよび圧縮機セクションによって与えられる総圧力比（ｏｖｅｒａｌｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ）（ＯＰＲ）を有するターボファンにバイパス比（ｂｙｐａｓｓ ｒａｔｉｏ）（ＢＰＲ）を乗算した積とし、その積を段数で除算して定義することができる。その量は、直接駆動ターボファン（Ｈ）および本出願人のギヤードターボファン（Ｇ）の両方に対して、巡航における総圧力比と比較してグラフで示される。直接駆動ターボファンは、巡航高度の総圧力比の範囲にわたって多くてもほぼ２０であった比を有する。

これに対し、本出願人のエンジンはＧで示される。本出願人は、バイパス比（ＢＰＲ）を上昇させて、段数を大幅に減らした。このように、本出願人は、直接駆動ターボファンＨが２２を大きく下回っていた総圧力比（ＯＰＲ）においてさえ、そのＢＰＲ比に対して２２以上の量を達成することが可能である。事実、本出願人のエンジンは、３５程度の、おそらく４０程度の積を達成することができる。

同様に、図３に示すように、ＯＰＲとＢＰＲとの積を直接駆動エンジンＨのエアフォイルの数で除算した量は、通常は、総圧力比の範囲にわたって０．１２未満であった。これに対し、本出願人の開示された実施例は、エアフォイルの数を減らし、バイパス比（ＢＰＲ）および総圧力比（ＯＰＲ）を上昇させて、０．１２以上、０．１５以上、０．２に近いかこれを超える量を達成する。本出願人は０．２５程度の量を達成できると思われる。また、これらの改良は、エアフォイルの数を大幅に減少させると共に、バイパス比および総圧力比を上昇させることにより達成された。

本発明の実施例を開示したが、当業者は、特定の変形例が本発明の範囲内に入ることになると認識するであろう。上記の理由により、以下の特許請求の範囲を、本発明の真の範囲および内容を決定するために検討するべきである。

Claims (13)

1. ガスタービンエンジンであって、
   ファンロータと、
   第１の圧縮機ロータおよび第２の圧縮機ロータと、
   第１のタービンロータおよび第２のタービンロータと、
   を備え、
   前記第１の圧縮機ロータが前記第２の圧縮機ロータよりも低圧で作動するように構成され、前記第２のタービンロータが前記第１のタービンロータよりも高圧で作動するように構成され、前記第１のタービンロータが前記第１の圧縮機ロータを駆動するように構成され、前記第２のタービンロータが前記第２の圧縮機ロータを駆動するように構成され、前記第１のタービンロータが減速ギアを介して前記ファンロータを駆動するようにも構成され、
   第１の数が、前記ファンロータ、前記第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに前記第１および第２のタービンロータの各々と集合的に関連するブレードの合計として定義され、
   第２の数が、前記ファンロータ、前記第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに前記第１および第２のタービンロータの各々と集合的に関連する静止ベーン部材の合計として定義され、
   第３の数が、前記第１の数と前記第２の数との合計として定義され、
   第４の数が、前記ファンロータ、前記第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに前記第１および第２のタービンロータの各々と集合的に関連する段の合計として定義され、
   前記ファンロータの入口端から前記第２の圧縮機ロータの出口端までの総圧力比が、３５，０００フィートおよび０．８０ＭＮの巡航飛行条件での運転時に３０を超えるように構成され、
   前記ファンロータが、前記第１の圧縮機ロータ内、およびバイパス推進空気としてバイパスダクト内に空気を供給するように構成され、
   バイパス比が、前記バイパスダクト内に供給される空気の量を、前記第１の圧縮機ロータ内に供給される空気の量で除算した値として定義され、
   前記バイパス比が約８．０を超え、
   積が、前記バイパス比に前記総圧力比を乗算した値として定義され、
   段比が、前記積を前記第４の数で除算した値として定義され、
   エアフォイル比が、前記積を前記第３の数で除算した値として定義され、
   前記エアフォイル比が０．１２以上であるか、または前記段比が２２以上であることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記段比が２２を超え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. 前記エアフォイル比が１５を超え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. 前記段比が４０未満で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。
5. 前記エアフォイル比が０．２５未満で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。
6. 前記減速ギアが２．４〜４．２のギア比を有す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. 前記バイパス比が１０を超え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。
8. 前記総圧縮比が、約１．４５以下である前記ファンにわたる圧力比により達成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。
9. 前記段比が２２以上であり、前記エアフォイル比が０．１２以上で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。
10. ガスタービンエンジンであって、
    ファンロータと、
    第１の圧縮機ロータおよび第２の圧縮機ロータと、
    第１のタービンロータおよび第２のタービンロータと、
    を備え、
    前記第１の圧縮機ロータが前記第２の圧縮機ロータよりも低圧で作動するように構成され、前記第２のタービンロータが前記第１のタービンロータよりも高圧で作動するように構成され、前記第１のタービンロータが前記第１の圧縮機ロータを駆動するように構成され、前記第２のタービンロータが前記第２の圧縮機ロータを駆動するように構成され、前記第１のタービンロータが減速ギアを介して前記ファンロータを駆動するようにも構成され、
    第１の数が、前記ファンロータ、前記第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに前記第１および第２のタービンロータの各々と集合的に関連するブレードの合計として定義され、
    第２の数の静止ベーン部材が、前記ファンロータ、前記第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに前記第１および第２のタービンロータの各々と集合的に関連し、
    第３の数が、前記第１の数と前記第２の数の合計として定義され、
    第４の数が、前記ファンロータ、前記第１および第２の圧縮機ロータ、ならびに前記第１および第２のタービンロータの各々と集合的に関連する段の合計として定義され、
    前記ファンロータの入口端から前記第２の圧縮機ロータの出口端までの総圧力比が、３５，０００フィートおよび０．８０ＭＮの巡航飛行条件での運転時に３０を超えるように構成され、
    前記ファンロータが、前記第１の圧縮機ロータ内、バイパス推進空気としてバイパスダクト内に空気を供給するように構成され、
    バイパス比が、前記バイパスダクト内に供給される空気の量を、前記第１の圧縮機ロータ内に供給される空気の量で除算した値として定義され、
    前記バイパス比が約８．０を超え、
    積が、前記バイパス比に前記総圧力比を乗算した値として定義され、
    段比が、前記積を前記第４の数で除算した値として定義され、
    エアフォイル比が、前記積を前記第３の数で除算した値として定義され、
    前記エアフォイル比が０．１２以上であり、前記段比が２２以上であり、
    前記段比が４０未満であり、
    前記エアフォイル比が０．２５未満であり、
    前記減速ギアが２．４〜４．２のギア比を有することを特徴とするガスタービンエンジン。
11. 前記段比が２２を超えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
12. 前記エアフォイル比が０．１５を超えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
13. 前記バイパス比が１０を超えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。

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