JP2016098815A - ガスタービンエンジン用の可変ピッチファン及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より大きな推力量を発生することができる小型の可変ピッチファンを備えたガスタービンエンジンを提供すること。
【解決手段】ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、コアと、該コアと流れ連通して配列された可変ピッチファンとを含む。可変ピッチファンは、ディスクと、該ディスクと共に回転するようディスクに結合された少なくとも９つのファンブレードとを有する。ガスタービンエンジンは更に、エンジンが約０．１〜約０．４の間のファンハブ半径比を有するようなディスクを覆う回転ナセルを含む。
【選択図】 図１

Description

本開示の技術分野は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、可変ピッチファンを有するガスタービンエンジンに関する。

従来のガスタービンエンジンは、互いに流れ連通して配列されたファンとコアとを含む。ファンは、コアに空気を提供し、該コアは、ファンによって提供される空気を圧縮した後、燃料と混合して該混合気を点火し、タービンを通る燃焼ガスの流れを発生させる。燃焼ガスは、タービンに動力を供給し、該タービンは、ファンを駆動してエンジンの推力を発生させる。

少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは、可変ピッチファンを利用している。しかしながら、ファンブレードのピッチ変更に関連する機械的構成要素により、エンジンの回転ナセルが極めて大型になる可能性があり、回転ナセルが大きくなるにつれて、コアに提供される空気流の効率が低下する可能性がある。より具体的には、多くの公知のエンジンにおいて、回転ナセルの最小サイズは、典型的には、ファンブレードの数及び／又は長さによって決定付けられ、ファンブレードのピッチを変えるための構成部品は、回転ナセルをこのような最小サイズから増大させる傾向がある。

米国特許第８，８６４，０６２号明細書

１つの態様において、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、コアと、該コアと流れ連通して配列された可変ピッチファンとを含む。可変ピッチファンは、ディスクと、該ディスクと共に回転するようディスクに結合された少なくとも９つのファンブレードとを有する。ガスタービンエンジンは更に、エンジンが約０．１〜約０．４の間のファンハブ半径比を有するようなディスクを覆う回転ナセルを含む。

別の態様において、ガスタービンエンジンの組立方法が提供される。本方法は、コアを提供するステップと、コアからの燃焼ガスにより動力供給されるように構成されたタービンに可変ピッチファンを結合するステップと、を含む。可変ピッチファンは、ディスクと、該ディスクと共に回転するようディスクに結合された少なくとも９つのファンブレードとを含む。本方法は更に、エンジンが約０．１〜約０．４の間のファンハブ半径比を有するような回転ナセルでディスクを覆うステップを含む。

別の態様において、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、コアと、該コアと流れ連通して配列された可変ピッチファンとを含む。可変ピッチファンは、ディスクと、該ディスクと共に回転するようトラニオン機構を介してディスクに各々が結合された少なくとも９つのファンブレードとを有する。トラニオン機構は、線接触軸受のペアを含む。ガスタービンエンジンは更に、ファンブレードのピッチを変更するための作動機構と、作動機構を介してファンブレードに動作可能に結合された遠隔カウンタウェイト装置及び遠隔ピッチロック装置のうちの１つと、を含む。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンの可変ピッチファンの斜視図。 図２に示す可変ピッチファンのディスク及び関連するトラニオン機構の斜視図。 図３に示すディスクのセグメント及び関連するトラニオン機構のうちの１つの斜視図。 図４に示すトラニオン機構の分解図。 トラニオン機構がブレードに取り付けられた、ディスクのセグメント及び図４に示すトラニオン機構の断面図。 図６に示す断面図の一部の拡大図。

以下の詳細な説明は、限定ではなく例証として、ガスタービンエンジン用の可変ピッチファン及びその組立方法を記載している。本明細書は、現在最良の形態と考えられるものを含む、当業者が可変ピッチファンを明確に実施及び利用するのを可能にし、また、可変ピッチファンの幾つかの実施形態、改造形態、変形形態、代替形態、及び使用法について記載していることが分かるであろう。可変ピッチファンは、好ましい実施形態、すなわちガスタービンエンジンに適用されるものとして本明細書で記載される。しかしながら、可変ピッチファンは、広範囲のシステム及び／又はガスタービンエンジン以外の様々な商用、産業及び／又は民生用において一般的に応用できることは企図される。

図１は、例示的な実施形態のガスタービンエンジン１００を示す。ガスタービンエンジン１００は、コア１０２と、エンジン１００の中心軸線１０６に沿ってコア１０２と流れ連通したファン１０４と、を含む。ファン１０４は、タービン１０９に動作可能に結合されるスプール１０８により駆動され、該タービン１０９は、コア１０２からの燃焼ガスによって動力を供給するよう構成される。ファン１０４は、ディスク１１２に沿って離間し且つディスク１１２から略半径方向１３４に外向きに延びるようにディスク１１２に結合された複数のファンブレード１１０を有する可変ピッチファンである点に留意されたい。各ファンブレード１１０は、ファンブレード１１０のピッチを全体として一体となって変化させるよう構成された好適な作動機構１１６に動作可能に結合されることにより、ピッチ軸１１４の周りでディスク１１２に対して回転可能である。更に、作動機構１１６、ディスク１１２、及びファンブレード１１０は、スプール１０８の回転速度を段階的に低下させるギアボックス１１８にわたってスプール１０８によりエンジン中心軸線１０６の周りに共に回転可能である。このようにして、ディスク１１２は、ファンブレード１１０を通ってコア１０２内への空気流を促進するよう空力的な曲線輪郭にされた回転ナセル１２０により覆われる。任意選択的に、一部の実施形態におけるファン１０４は、ファン１０４を流れる空気に対するバイパスダクト１２６を定めたファンカウル１２４によって囲むことができる。更に、エンジン１００は、一部の実施形態において、ファン１０４から吐出される空気流の調整（例えば、旋回）を促進するためファン１０４の後方にある複数の出口ガイドベーン（ＯＧＶ）１２８を含むことができる。

加えて、ファンブレード１１０は、作動機構１１６を越えてピッチ補正装置（例えば、カウンタウェイト装置１２２又は好適なピッチロック装置）に動作可能に結合され、ピッチ補正装置がファンブレード１１０から遠隔にある（すなわち、直接的に結合されていない）とみなされるようになる。ピッチ補正装置は、作動機構１１６がファンブレード１１０のピッチ制御を実施可能ではない場合に、ファンブレード１１０を所定のピッチ角にまで駆動するよう好適に構成される点に留意されたい。例えば、例示的な実施形態において、カウンタウェイト装置１２２は、作動機構１１６がファンブレード１１０のピッチ制御を実施可能ではない場合に、ファン１０４がタービン１０９を装荷解除するのではなく、タービン１０９によって発生する動力を引き続き吸収するようにファンブレード１１０のピッチを決定するよう構成されている。カウンタウェイト装置１２２は、本明細書で記載されるような機能を可能にする何らかの好適な構成を有することができる。

回転ナセル１２０を越えてコア１０２に流入する空気の効率は、回転ナセル１２０の全体のサイズ（例えば、回転ナセル１２０の半径寸法）の影響を受ける可能性がある点に留意されたい。より具体的には、エンジン１０のファンハブ半径比パラメータは、回転ナセル１２０を越えてコア１０２内に空気が流入する効率と直接相関性がある（すなわち、ファンハブ半径比が大きくなると、回転ナセル１２０を越えてコア１０２内に流入する空気流がますます困難になり、従って効率が低下し、ファンハブ半径比が小さくなると、回転ナセル１２０を越えてコア１０２内に流入する空気流がより容易になり、従って、効率が向上する。）。本明細書では、ファンハブ半径比は、ブレード前縁１３０でのエンジン中心軸線１０６からの回転ナセル１２０の半径とブレード前縁１３０でのエンジン中心軸線１０６からのブレード先端１３２の半径の比として定義される。

この点に関して、回転ナセル１２０を越えてコア１０２内に流入する空気流をより効率的にするために、ファンハブ半径比を小さくすることが望ましい。このため、回転ナセル１２０は、ディスク１１２を収容するので、回転ナセル１２０のサイズ（例えば、回転ナセル１２０の半径寸法）は、１つには、ディスク１１２のサイズ（例えば、ディスク１１２の半径寸法）によって決まる。従って、回転ナセル１２０の半径及びひいてはファンハブ半径比の縮小を促進するために、ディスク１１２の半径を低減することが望ましい。例示的な実施形態において、エンジン１００のファンハブ半径比は約０．４未満である。１つの好適な実施形態において、ファンハブ半径比は、約０．１〜約０．４の間である。別の好適な実施形態において、ファンハブ半径比は、約０．２〜約０．３５の間である。更に別の好適な実施形態において、ファンハブ半径比は、約０．２〜約０．３の間である。

図２は、ファン１０４の例示的な実施形態を示す。例示的な実施形態において、ファン１０４は、１２個のファンブレード１１０を含む。装荷の観点からみると、このようなブレード数により、各ファンブレード１１０のスパンを低減することができ、ファン１０４の全体直径もまた低減できる（例えば、例示的な実施形態においては約１２フィートまで）ようになる。このように、他の実施形態では、ファン１０４は、あらゆる好適なブレード数及び何らかの好適な直径を有することができる。例えば、１つの好適な実施形態において、ファン１０４は、少なくとも９個のファンブレード１１０を有することができる。別の好適な実施形態において、ファン１０４は、少なくとも１２個のファンブレード１１０を有することができる。更に別の好適な実施形態において、ファン１０４は、少なくとも１５個のファンブレード１１０を有することができる。更に別の好適な実施形態において、ファン１０４は、少なくとも１８個のファンブレード１１０を有することができる。

留意すべき点として、例示的な実施形態において、エンジン１００は、少なくとも以下の２つの要因、すなわち、（１）以下でより詳細に記載されるように、ディスク１１２への各ファンブレード１１０の取り付けがより小型化され、これにより、ディスク１１２の直径の僅かな増加でより多くのファンブレード１１０をディスク１１２上に配列させることが可能となること、及び（２）上記で記載したように、各ファンブレード１１０が専用として取り付けられたカウンタウェイト機構を備えておらず、代わりに遠隔のカウンタウェイト装置１２２が作動機構１１６を通じてファンブレード１１０に動作可能に結合され、すなわち、カウンタウェイト装置１２２は、ディスク１１２付近の利用可能スペースに密集しないようにファンブレード１１０及びディスク１１２から離れて配置されて、従って、小直径のディスク１１２を可能にすること、に基づいて、ファンハブ半径比の縮小、ファンブレード数の増大、及びファン直径の縮小のこのような組み合わせを備えることができる。

図３は、ディスク１１２の例示的な実施形態を示す。ディスク１１２は、略環状形状（例えば、多角形）で共に堅固に結合され又は共に一体的に成形された複数のディスクセグメント１４０を含む点に留意されたい。１つのファンブレード１１０は、関連のファンブレード１１０をピッチ軸１１４の周りでディスク１１２に対して回転可能にしながら、ディスク１１２の回転中に関連のファンブレード１１０を該ディスク１１２上に保持することを可能にするトラニオン機構１４２において各ディスクセグメント１４０に結合されることになる（すなわち、トラニオン機構１４２は、エンジン中心軸線１０６の周りの回転中にファンブレード１１０によって発生する遠心荷重の荷重経路をディスク１１２に提供する）。各トラニオン機構１４２のサイズ及び構成は、ディスク１１２の直径に直接影響を及ぼす点に留意されたい。詳細には、トラニオン機構１４２が大きくなると、ディスク１１２のより大きな円周方向セグメントを占有する傾向となり、従って、より大きな直径のディスク１１２をもたらす傾向がある。他方、トラニオン機構１４２が小さくなると、ディスク１１２のより小さな円周方向セグメントを占有する傾向となり、従って、より小さな直径のディスク１１２をもたらす傾向がある。

図４〜７は、１つのこのようなディスクセグメント１４０及びトラニオン機構１４２を例示している。例示的な実施形態において、各トラニオン機構１４２は、関連のディスクセグメント１４０を通って延び、結合ナット１４３、下側軸受支持体１４４、第１の線接触軸受１４６（例えば、内側レース１４８、外側レース１５０、及び複数のローラ１５２を有する）、スナップリング１５４、キーフープリテーナ１５６、セグメントキー１５８、軸受支持体１６０、第２の線接触軸受１６２（例えば、内側レース１６４、外側レース１６６、及び複数のローラ１６８を有する）、トラニオン１７０、及びダブテール１２を含む。軸受１４６，１６２として使用するために、少なくとも以下のタイプ、すなわち、円筒ローラ軸受、円筒ローラスラスト軸受、円錐ローラ軸受、球面ローラ軸受、球面推力ローラ軸受、針状ローラ軸受、及び円錐ローラ針状軸受などの線接触型転動体軸受が企図される。組み立てられると、結合ナット１４３は、トラニオン機構１４２の残りの構成要素を結合ナット１４３とディスクセグメント１４０との間に挟装するようにディスクセグメント１４０と螺着係合され、これによりディスクセグメント１４０に取り付けられたトラニオン機構１４２を保持するようにする。

例示的な実施形態において、第１の線接触軸受１４６は、第２の線接触軸受１６２とは異なる角度で配向される（ピッチ軸１１４に対してローラ１５２の中心軸線１７８から及びピッチ軸１１４からローラ１６８の中心軸線１８０から測定したとき）。より具体的には、線接触軸受１４６，１６２は、対面（又は二重）配列で互いに対して予荷重が加えられ、ここで中心軸線１７８，１８０は、互いに対して実質的に平行に配向されるように縦一列に配列されるのではなく、互いに対して実質的に垂直に配向される。

ピッチ軸１１４に近接して生じる遠心荷重は、ピッチ軸１１４から離れて生じる遠心荷重よりも大きい点に留意されたい。従って、トラニオン機構１４２をより小型化するためには、関連の軸受をピッチ軸１１４により近接して配置することが望ましく、これにより、ディスク１１２の所与の直径に対して、より多くのトラニオン機構１４２をディスク１１２上に組み付けることが可能となり、ひいてはより多くのファンブレード１１０をディスク１１２に結合できるようになる。各トラニオン機構１４２に例示的な実施形態の構成を備えることにより（例えば、各トラニオン機構１４２にアンギュラ点接触ボール軸受ではなく線接触軸受１４６，１６２を備えることにより）、線接触軸受１４６，１６２は、破砕又は塑性変形を生じることなくより大きな遠心荷重に良好に耐えることができるので、トラニオン機構１４２をより小型にすることができる。より具体的には、線接触軸受１４６，１６２は、より大きな接触面を有し、従って、例えば、点接触ボール軸受よりも大きな遠心荷重に耐えることができる。従って、線接触軸受１４６，１６２は、点接触ボール軸受よりもピッチ軸１１４により近接した間隔を置いて配置することができる。

１つの好適な実施形態において、第１の線接触軸受１４６は、鋼鉄材料から作製され、接触角２０°及びピッチ直径３．６インチで配列された２０個のローラを有し、各ローラ１５２は、長さが０．６インチ、短軸０．５２５インチ、長軸０．５８５インチ、テーパ角６°である。更に、同じ実施形態において、第２の線接触軸受１６２は、鋼鉄材料から作製され、接触角６５°及びピッチ直径６インチで配列された３６個のローラを有し、各ローラ１６８は、長さが０．８インチ、短軸０．４５インチ、長軸０．６インチ、テーパ角９°である。他の実施形態では、ローラ軸受１４６，１６２は、本明細書で記載されるような機能を可能にする何らかの好適な方法で構成することができる。

上述の実施形態は、より大きな推力量を発生することができる小型の可変ピッチファンを備えたガスタービンエンジンの提供を可能にする。詳細には、これらの実施形態は、より多くのブレード数及びより短いブレード長さを有する可変ピッチファンを備えたガスタービンエンジンを提供すると共に、より小さいファンハブ半径比を有するガスタービンエンジンの提供を可能にする。本実施形態は更に、より多くのブレード数はより高い先端速度及びひいてはより高い遠心荷重をもたらす傾向があるので、より小型で、より多くのブレード数に伴う高い遠心荷重に良好に耐えることができるトラニオン機構の提供を可能にする。本実施形態は更に、ファンブレードのための遠隔のカウンタウェイト装置を有する可変ピッチファンを提供することにより、可変ピッチファンに小直径のディスクを提供できるようにする。

以上、可変ピッチファン及び可変ピッチファンの組立方法の例示的な実施形態を詳細に説明した。本方法及びシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されず、本方法及びシステムの構成要素は、本明細書で記載された他の構成要素とは独立して別個に利用することができる。例えば、本明細書で記載される方法及びシステムは、他の産業及び／又は消費者向けの用途を有することができ、本明細書で記載されるガスタービンエンジンでの実施にのみ限定されるものではない。むしろ、本発明は、多くの他の産業と共に実施及び利用することができる。

種々の特定の実施形態について本発明を説明してきたが、請求項の技術的思想及び範囲内にある修正により本発明を実施することができる点は、当業者であれば理解されるであろう。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ コア
１０４ 可変ピッチファン
１１０ ファンブレード
１１２ ディスク
１１４ ピッチ軸
１１６ 作動機構
１２０ 回転ナセル
１２２ ピッチ補正装置、遠隔カウンタウェイト装置
１２４ ファンカウル
１２６ バイパスダクト
１２８ 出口ガイドベーン
１４２ トラニオン機構
１４６ 第１の線接触軸受
１６２ 第２の線接触軸受

Claims (20)

1. ガスタービンエンジン（１００）であって、
   コア（１０２）と、
   前記コアと流れ連通し、ディスク（１１２）と、該ディスクと共に回転するよう前記ディスクに結合された少なくとも９つのファンブレード（１１０）とを有する可変ピッチファン（１０４）と、
   前記エンジンが約０．１〜約０．４の間のファンハブ半径比を有するような前記ディスクを覆う回転ナセル（１２０）と、
   を備える、ガスタービンエンジン（１００）。
2. 前記ファンが、少なくとも１５個のファンブレードを有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
3. 前記ファンが、少なくとも１２個のファンブレードを有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
4. 前記ファンハブ半径比が約０．２〜約０．３５の間である、請求項３に記載のガスタービンエンジン（１００）。
5. 前記ファンハブ半径比が約０．２〜約０．３の間である、請求項３に記載のガスタービンエンジン（１００）。
6. 前記ファンブレードがピッチ軸（１１４）の周りで前記ディスクに対して回転可能であるように、前記ファンブレードの各々を前記ディスクに結合するトラニオン機構（１４２）を更に備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
7. 前記トラニオン機構が、第１の線接触軸受（１４６）及び第２の線接触軸受（１６２）を有し、前記第１の線接触軸受が、前記ピッチ軸に対して前記第２の線接触軸受とは異なる角度で配向される、請求項６に記載のガスタービンエンジン（１００）。
8. 前記ファンブレードのピッチを変更するための作動機構（１１６）と、
   前記作動機構を介して前記ファンブレードに動作可能に結合されたピッチ補正装置（１２２）と、
   を更に備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
9. 前記ピッチ補正装置が、遠隔カウンタウェイト装置（１２２）及び遠隔ピッチロック装置のうちの１つである、請求項８に記載のガスタービンエンジン（１００）。
10. 前記ファンを囲ってバイパスダクト（１２６）を形成するファンカウル（１２４）を更に備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
11. 前記ファンがアンダクテッドである、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
12. 前記ファンの後方にある複数の出口ガイドベーン（１２８）を更に備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
13. ガスタービンエンジン（１００）を組み立てる方法であって、
    コア（１０２）を提供するステップと、
    前記コアからの燃焼ガスにより動力供給されるように構成されたタービン（１０９）に可変ピッチファン（１０４）を結合するステップと、
    を含み、前記可変ピッチファンが、ディスク（１１２）と、該ディスクと共に回転するよう前記ディスクに結合された少なくとも９つのファンブレード（１１０）とを含み、
    前記方法が更に、
    前記エンジンが約０．１〜約０．４の間のファンハブ半径比を有するような回転ナセル（１２０）で前記ディスクを覆うステップと、
    を含む、方法。
14. 前記ファンブレードの各々がピッチ軸（１１４）の周りで前記ディスク（１１２）に対して回転可能であるように、トラニオン機構（１４２）を介して前記ディスクに前記ファンブレードの各々を結合するステップを更に含み、前記トラニオン機構の各々が、第１の線接触軸受（１４６）と、前記ピッチ軸に対して前記第１の線接触軸受とは異なる角度で配向された第２の線接触軸受（１６２）と、を有する、請求項１３に記載の方法（１００）。
15. 前記線接触軸受の各々に異なる数のローラを設けるステップを更に含む、請求項１４に記載の方法（１００）。
16. 前記ファンブレードのピッチを変更するよう構成された作動機構を前記ファンブレードに結合するステップと、
    遠隔のカウンタウェイト装置（１２２）及び遠隔のピッチロック装置のうちの１つを前記作動機構を介して前記ファンブレードに結合するステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法（１００）。
17. 前記ファンをファンカウル（１２４）で囲ってバイパスダクト（１２６）を形成するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法（１００）。
18. 前記ファンをアンダクテッドファンとして設けるステップを更に含む、請求項１３に記載の方法（１００）。
19. 前記ファンの後方に複数の出口ガイドベーン（１２８）を装着するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法（１００）。
20. ガスタービンエンジン（１００）であって、
    コア（１０２）と、
    前記コアと流れ連通し、ディスク（１１２）と、該ディスクと共に回転するようトラニオン機構（１４２）を介して前記ディスクに各々が結合された少なくとも９つのファンブレード（１１０）とを有し、前記トラニオン機構が線接触軸受のペアを含む、可変ピッチファン（１０４）と、
    前記ファンブレードのピッチを変更するための作動機構（１１６）と、
    前記作動機構を介して前記ファンブレードに動作可能に結合された遠隔カウンタウェイト装置（１２２）及び遠隔ピッチロック装置のうちの１つと、
    前記ファンの後方にある複数の出口ガイドベーン（１２８）と、
    前記エンジンが約０．１〜約０．４の間のファンハブ半径比を有するような前記ディスクを覆う回転ナセル（１２０）と、
    を備える、ガスタービンエンジン（１００）。