JP2021526610A - 軸受サンプのための通気システム - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンは、圧縮機セクション（１１）と、パワータービンセクション（６５）と、からなる、ガス発生器（６６）を含む。パワータービンセクション（６５）は、ガス発生器（６６）から機械的に結合されていないパワータービンシャフト（９３）によって支持されているパワータービンロータ（８１）を含む。パワータービンシャフト（９３）は、圧縮機セクション（１１）に流体結合され、ガス発生器（６６）のシャフトを支持する少なくとも１つの軸受（１０６）を収容する軸受サンプ（５２１）に流体結合された軸方向キャビティ（５１１）を内部に有する。空気通気路（５２７）が、当該軸方向キャビティ（５１１）から延在し、パワータービンロータ（８１）の下流の燃焼ガス流路（５１５）に通じる。【選択図】図３

Description

本開示は、ガスタービンエンジンに関する。本明細書に開示される実施形態は、具体的には、ガス発生器及びフリーパワータービンセクションを有するガスタービンエンジンに関する。

ガスタービンエンジンは、発電用途及び機械的駆動用途の両方において、回転機械を駆動するためのプライムムーバとして広く使用されている。本明細書で理解されるように、発電用途は、発電機がガスタービンエンジンによって駆動される用途である。これらのシステムは、燃料の化学エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する。本明細書で理解されるように、機械的駆動用途は、ガスタービンエンジンが、発電機以外の回転機器、例えば、単段若しくは多段軸又は遠心圧縮機などのポンプ又は圧縮機を駆動する用途である。

いくつかの用途では、ガスタービンエンジンシステムのコンパクト化が重要となる。具体的には、ガスタービンエンジン及びそれによって駆動される機械が浮遊容器又は海洋プラットフォーム上に設置される海洋用途では、利用可能な空間が小さいため、機械的機器の全体的なフットプリントを低減する必要がある。したがって、高いパワー密度が重要である。

航空転用ガスタービンエンジンは、コンパクトな機械であり、したがって、海洋用途において特に望ましい。ガスタービンエンジンの技術分野で一般的に理解されるように、本明細書で使用するとき、航空転用ガスタービンエンジンという用語は、航空機輸送用に設計された機器を少なくとも部分的に使用するガスタービンエンジンを指定するために使用される。これらのガスタービンエンジンは、コンパクト化及び軽量化によって特徴付けられる。しかしながら、これらの機械は、可用性及びパワーレートの観点からいくつかの制限を有する。

ガスタービンエンジンにおける重要な態様のうちの１つは、軸受設計に関する。高パワーレートは、タービンシャフトに高い軸方向負荷を伴い、これは、例えば、転がり軸受よりも高い負荷保持能力を有する流体軸受のような複雑な軸受の使用を必要とする。このような軸受は、複雑であり、煩雑であり、かつ込み入った軸受流体回路を必要とする。

したがって、現在の技術分野の制限のうちの１つ以上を克服又は緩和するガスタービンエンジンを開発することが望ましいであろう。

一態様によれば、ガス発生器と、パワータービンセクションと、を含む、航空転用ガスタービンエンジンが、本明細書において開示される。パワータービンセクションは、タービンケーシングに回転自在に配置されたパワータービンシャフトによって支持されているパワータービンロータを含む。パワータービンシャフトは、ガス発生器から機械的に結合されていない、すなわち、ガス発生器シャフトの回転速度とは異なる回転速度で回転することができる。パワータービンシャフトは、ガス発生器のシャフトを支持する少なくとも１つの軸受を収容する軸受サンプに流体結合された軸方向キャビティを有する。軸受サンプは、ガス発生器の圧縮機セクションに流体結合され、そこから圧縮された空気でフラッシュされる。空気通気路は、軸方向キャビティから延在し、パワータービンロータの下流のガス流路に通じる。

別の態様によれば、ガスタービンエンジンを動作させる方法が、本明細書において開示され、
ガスタービンエンジンのガス発生器を動作させることであって、ガス発生器が、少なくとも、軸受サンプ内に配置された少なくとも１つの軸受によって支持された回転シャフトを含む、動作させること、及びガス発生器を用いて燃焼ガスを発生させることと、
パワータービンシャフトによって支持されているパワータービンロータを含む、パワータービンセクションにおいて燃焼ガスを膨張させることと、
軸受サンプを、ガス発生器の圧縮機セクションからの圧縮された空気でフラッシュすることと、
空気を軸受サンプから、パワータービンシャフトの軸方向キャビティ内に、かつパワータービンロータの下流のガス路に流体結合された軸方向キャビティから延在する通気路を通って通気することと、を含む。

本発明の開示された実施形態、及びその付随する利点の多くのより完全な理解は、添付図面と関連して考慮されるときに、以下の詳細な説明を参照することによって、より良く理解されるように、容易に取得されるだろう。
本明細書に開示される実施形態による、ガスタービンによって駆動されるガス圧縮機トレーンを含むシステムの概略を図示する。 本開示の実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図を図示する。 本開示によるガスタービンエンジンのタービンセクションの一部の拡大詳細断面図を図示する。 本開示の方法を要約するフローチャートを図示する。

軸受サンプの通気を改善し、フリーパワータービンシャフトの軸方向負荷を低減することを目的とした新規かつ有用な構成を含む、航空転用ガスタービンエンジンが開示される。シャフトの軸方向負荷を低減することによって、より低い性能の軸受を使用することができ、いくつかの実施形態では、より高いパワーレートの場合であっても、流体軸受の代わりに転がり軸受を使用することができる。したがって、ガスタービンエンジンの全体的なフットプリント及び複雑性が低減され、メンテナンスがより容易になる。軸受キャビティの改善された通気は、オフ設計条件におけるエンジンの動作性を改善する。

一般に、ガスタービンエンジンは、ガス発生器及びフリーパワータービンセクションを含む。ガス発生器は、圧縮機セクション及びタービンセクション、並びにそれらの間にある燃焼器セクションを含む。圧縮機セクションで圧縮された空気は、燃料と混合され、燃焼器セクション内で着火されて、高温加圧燃焼ガスを発生させる。この後者は、ガス発生器の１つ以上のタービンホイールにおいて膨張され、１つ以上のタービンホイールは、圧縮機セクションに駆動的に結合され、圧縮機セクションを回転させるためのパワーを提供する。最終膨張ステップは、パワータービンシャフトによって支持されているフリーパワータービンを含むパワータービンセクションにおいて行われ、ガス発生器の少なくとも１つの軸受、例えば、パワータービンセクションの最も近く位置する軸受がサンプ内に配置され、サンプは、パワータービンシャフトの軸方向キャビティに流体結合され、ガス発生器の圧縮機セクションに更に流体的に連結されて、そこから圧縮された空気を受容するように、ガス発生器の圧縮機セクションに更に流体結合される。パワータービンシャフト内に軸方向キャビティを設けることにより、その重量が低減され、その直径を現在の技術分野の機械よりも大きくすることができる。軸方向キャビティは、最低ガス圧が存在するパワータービンセクションの下流の燃焼ガス路と、通気路を介して流体結合される。この構成は、軸受サンプの通気を促進し、オフ設計動作条件下でもガスタービンエンジンの効率を改善する。以下でより詳細に説明するように、パワータービンシャフトの直径が増加すると、その軸受の軸方向負荷が低減される。

ここで図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン２と、負荷３と、を含むシステム１を概略的に図示する。いくつかの実施形態では、負荷３は、回転機器を含むことができる。システム１の例示的な実施形態は、負荷３（の一部）を形成する圧縮機トレーンを含む。圧縮機トレーン３は、シャフト線６と、それに沿って配置された複数の回転機械とを含むことができる。図１の概略図では、負荷３は、３つの回転機械７、８、９、例えば冷媒回路内を循環する１つ以上の冷媒流体を処理するための３つのガス圧縮機を含む。圧縮機は、１つ及び同じ閉回路、例えばＬＮＧシステムの冷媒回路の一部とすることができる。他の実施形態では、圧縮機は、それぞれのガス流を別々に処理するための２つ又は３つの異なる閉回路、例えば、ＬＮＧシステム内の冷媒流に属することができる。

図１の構成は、単なる例として提供される。ガスタービンエンジン２は、異なる負荷、例えば発電機を駆動するために使用され得ると理解されたい。更に別の実施形態では、ガスタービンエンジン２は、例えば、圧縮機及び電動機を組み合わせて含む複合負荷を駆動するために使用することができる。

図２は、図１を引き続き参照しながら、ガスタービンエンジン２の例示的な実施形態の概略断面図を図示する。ガスタービンエンジン２は、圧縮機セクション１１と、燃焼器セクション１３と、タービンセクション１５と、を含むことができる。

いくつかの実施形態によれば、圧縮機セクション１１は、低圧圧縮機セクション１７と、高圧圧縮機セクション１９と、を含む。低圧圧縮機セクション１７は、空気流路２１を通じて、高圧圧縮機セクション１９に流体結合され得る。低圧圧縮機セクション１７は、空気入口プレナムに流体結合され得、空気入口プレナムは、フィルタハウジング２５を通じて周囲空気を受容する（図１）。フィルタハウジング２５は、清浄空気ダクト２６を通じて空気入口プレナム２３に流体結合され得る。空気は、予前処理され得、例えば、低圧圧縮機セクション１７に取り込まれる前に冷却され得る。いくつかの構成では、低圧圧縮機セクション１７に供給される前に冷却されず、冷却構成及び関連機器が分配され得るようにし、よりコンパクトな構成をもたらす。

図２の概略に示すように、低圧圧縮機セクション１７は、ガスタービン軸Ａ−Ａを中心として回転する低圧圧縮機ロータ２７を含んでもよい。低圧圧縮機ロータ２７は、回転ブレード３１の複数の円形構成を含むことができる。図２の例示的な実施形態では、低圧圧縮機ロータ２７は、低圧圧縮機ロータ２７と一体的に回転する回転ブレード３１の４つの円形構成を含む。

低圧圧縮機セクション１７は、ケーシング３５内に静止して配置された静止ブレード３３の複数の円形構成を更に含むことができる。静止ブレード３３の各円形構成は、回転ブレード３１の円形配置のそれぞれ１つと組み合わされる。連続して配置された回転ブレード構成及び静止ブレード構成の各対は、低圧圧縮機段を形成する。本明細書に開示される例示的な実施形態では、低圧圧縮機セクション１７は、４つの低圧圧縮機段を含む。入口ガイドベーン３３Ａのセットも、最も上流の回転ブレード３１のセットの上流に配置され得る。低圧圧縮機セクション１７と高圧圧縮機セクション１９との間に静止ブレードのセットを配置することができ、２つのセクション間のガス流を直線状にする。

本明細書の文脈において、下流及び上流という用語は、異なる指定がない限り、機械を通る空気流又はガス流の方向を指す。

入口ガイドベーン３３Ａは、可変入口ガイドベーンとすることができる、すなわち、それらは、それぞれ実質的に半径方向の枢動軸を中心として旋回可能にケーシング３５に取り付けられ得る。入口ガイドベーン３３Ａの下流の静止ブレード３３の１つ、いくつか、又は全ての円形構成のブレードは、可変ジオメトリを有することができる。可変ジオメトリブレード構成の静止ブレードは、実質的に半径方向の枢動軸を中心として旋回することが可能であるように、ケーシング３５に支持され得る。本明細書で使用するとき、「実質的に半径方向の枢動軸」は、ガスタービン軸Ａ−Ａ、すなわち、ガスタービンエンジン２の回転部品が回転する軸に実質的に直交する方向に配向されている軸として理解され得る。

本明細書に開示される実施形態によれば、高圧圧縮機セクション１９は、ガスタービンシャフト軸Ａ−Ａを中心とする回転のために配置され、したがって低圧圧縮機ロータ２７と同軸である高圧圧縮機ロータ４１を含むことができる。高圧圧縮機ロータ４１は、回転ブレード４３の複数の円形構成を含むことができる。図２の例示的な実施形態では、高圧圧縮機ロータ４１は、低圧圧縮機ロータ４１と一体的に回転する回転ブレード４３の９つの円形構成を含む。

高圧圧縮機セクション１９は、ケーシング３５内に静止して配置された静止ブレード４５の複数の円形構成を更に含むことができる。静止ブレード４５の円形構成は、回転ブレード４３の各円形構成と組み合わされる。連続して配置された静ブレード構成及び回転ブレード構成の各対は、高圧圧縮機段を形成する。

高圧圧縮機セクション１９の出口での流れを直線状にするために、高圧圧縮機段の下流に出力ガイドベーン４５Ａの最終セットが更に設けられ得る。

高圧圧縮機セクション１９の静止ブレード４５の１つ、いくつか、又は全ての円形構成のブレードは、可変ジオメトリを有することができる。いくつかの実施形態では、静止ブレード構成は、いずれも可変ジオメトリを有しない。また、低圧圧縮機セクション１７と同様に、高圧圧縮機セクション１９では、可変ジオメトリブレード構成の各静止ブレードは、実質的に半径方向の枢動軸を中心として旋回することが可能であるように、ケーシング３５に支持され得る。

高圧圧縮機セクション１９は、静止ブレード４５Ａのセット及び高圧空気流路４６を通じて、燃焼器セクション１３に流体結合されている。

燃焼器セクション１３は、環状燃焼室４７を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の燃料ノズル４９は、環状燃焼室４７に沿ってガスタービン軸Ａ−Ａを中心として環状に配置されている。好ましい実施形態では、燃焼器セクション１３は、本技術分野において一般にＤＬＥシステムと名付けられる乾式低エミッションシステムを含む。乾式低エミッションシステムは、燃焼室に水を添加する必要なく、有害なＣＯ及び／又はＮＯｘ排出の低減を提供する。

いくつかの実施形態では、燃焼器セクションは、拡散燃焼器を含むことができる。

高圧圧縮機セクション１９により供給される圧縮された空気は、気体燃料又は液体燃料と混合され、空気／燃料混合物が燃焼器セクション１３において着火されて、燃焼器セクション１３に流体結合されたタービンセクション１５に供給される加圧熱燃焼ガスを発生させる。

タービンセクション１５は、順に、複数のタービンサブセクションを含むことができる。本明細書に開示される例示的な実施形態では、タービンセクション１５は、燃焼器セクション１３のすぐ下流に配置された高圧タービンセクション６１を含むことができる。高圧タービンセクション６１の下流には、中圧タービンセクション６３が配置され得る。更に、中圧タービンセクション６３の下流には、低圧タービンセクション６５とも称されるパワータービンセクション６５が配置され得る。後にその理由が明らかになるが、パワータービンセクション６５は、「フリーパワータービンセクション」と称され得、「フリーパワータービン」又は「フリータービン」を含むことができる。フリータービンは、低圧タービンロータ又はパワータービンロータとも称されるフリータービンロータと、低圧タービンステータ又はパワータービンステータとも称されるフリータービンステータと、を含む。

本明細書に開示される例示的な実施形態では、高圧タービンセクション６１は、タービン軸Ａ−Ａを中心とした回転のために配置された高圧タービンロータ６７を含むことができる。高圧タービンロータ６７は、回転ブレードの複数のセットを含むことができ、各セットは、タービン軸Ａ−Ａを中心とした円形構成で配置された複数のブレードを含む。図２の実施形態では、高圧タービンロータ６７は、回転ブレード６９の２つのセットを含む。静止ブレード７１のそれぞれのセットは、回転ブレード６９の各セットと組み合わされ得る。したがって、静止ブレード７１の第１のセットが、燃焼室４７と、高圧タービンセクション６１の回転ブレード６９の第１のセットとの間に配置される。ガスタービンエンジン２の例示的な実施形態によれば、高圧タービンセクション６１は、回転ブレード６９の２つのセットと、静止ブレード７１の２つのセットとを含み、２つの高圧タービン段を形成する。

高圧タービンセクション６１の下流に配置された中圧タービンセクション６３は、タービンシャフト軸Ａ−Ａを中心とする回転のために、ケーシング３５に配置された中圧タービンロータ７３を含むことができる。中圧タービンロータ７３は、共回転のために取り付けられた複数の回転ブレード７５を含むことができる。いくつかの実施形態では、図２に示すように、中圧タービンロータ７３の回転ブレード７５は、円周方向に配置されたブレードの単一のセットに従って配置され得る。中圧タービンセクション６３は、静止ブレード７７を更に含むことができる。例示的な実施形態によれば、図２に示すように、静止ブレード７７は、回転ブレード７５の上流に配置された円周方向に配置された静止ブレード７７の単一のセットを形成する。静止ブレード７７の周方向のセット及び回転ブレード７５の周方向のセットは、単一の中圧タービン段を形成する。

図示されるタービン段の数は、単なる例としてのものである。他の実施形態では、高圧タービンセクション６１、中圧タービンセクション６３又はその両方は、異なる段数を含むことができる。

低圧圧縮機セクション１７、高圧圧縮機セクション１９、燃焼器セクション１３、高圧タービンセクション６１、及び中圧タービンセクション６３は、組み合わせにおいて、併せて、６６と標識されるガス発生器セクションを形成し、高圧タービンセクション６１及び中圧タービンセクション６３において部分的に膨張する燃焼ガスを発生させて、圧縮機セクション１１を駆動する機械的パワーを発生させる。中圧タービンセクション６３により供給される部分的に膨張した燃焼ガスは、低圧タービンセクション６５において更に膨張して、後述するパワータービンシャフトに利用可能とされる有用なパワーを発生させる。

中圧タービンセクション６３の下流に配置された低圧タービンセクション又はパワータービンセクション６５は、タービン軸Ａ−Ａを中心とした回転のためにケーシング３５に配置された、フリーパワータービンロータ、又は単にパワータービンロータ８１とも称される低圧タービンロータ８１を含むことができる。パワータービンセクション６５は、フリーパワータービンステータ、又は単にパワータービンステータとも称される低圧タービンステータを更に含む。

低圧タービンロータ８１には、回転ブレード８３の周方向構成が取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、周方向に配置された回転ブレード８３の４つのセットが、低圧タービンロータ８１に配置される。周方向に配置された回転ブレード８３の各セット又は構成は、ケーシング３５に取り付けられ、フリーパワータービンステータ又は低圧タービンステータの一部を形成する周方向に配置された静止ブレード８５のセット又は構成と組み合わされる。順に配置された静止ブレード８５の周方向のセット及び関連する回転ブレード８３の周方向のセットの各対は、低圧タービンセクション６５のそれぞれの段を形成する。

燃焼器セクション１３で生成された燃焼ガスは、高圧タービンセクション６１、中圧タービンセクション６３、及び低圧タービンセクション又はパワータービンセクション６５において順に膨張する。各高圧、中圧、低圧タービンセクションにおける燃焼ガスのエンタルピー低下は、以下に説明するように利用される、対応する量の機械的パワーを発生させる。

高圧圧縮機ロータ４１及び高圧タービンロータ６７は、両方とも、タービン軸Ａ−Ａを中心とした同時回転のために、第１のタービンシャフト９１に取り付けられているか、又は拘束される。高圧圧縮機ロータ４１、高圧タービンロータ６７、及び第１のタービンシャフト９１との組み合わせにより、ガスタービンエンジンの第１のスプールが形成されている。場合により、これら３つの構成要素は、併せて、ガスタービンエンジン２の「第１のロータ」又は［高圧ロータ」と称される。

高圧圧縮機ロータ４１、第１のタービンシャフト９１、及び高圧タービンロータ６７は、同じ回転速度で回転する。燃焼器４７内の圧力と中圧タービンセクション６３の入口における中間圧力との間の燃焼ガスの膨張により、高圧タービンセクション６１において発生される機械的パワーは、高圧圧縮機ロータ４１を回転させて、低圧圧縮機セクション１７の供給側の供給圧力から燃焼器セクション１３の入口の空気圧までの空気圧を上昇させるために使用される。

低圧圧縮機ロータ２７及び中圧タービンロータ７３の両方とも、タービン軸Ａ−Ａを中心とした同時回転のために、第２のタービンシャフト９２に取り付けられている。組み合わせられた低圧圧縮機ロータ２７、中圧タービンロータ７３、及び第２のタービンシャフト９２は、ガスタービンエンジン２の第２のスプールを形成する。場合により、これら３つの構成要素は、併せて、ガスタービンエンジン２の「第２のロータ」又は「中圧ロータ」と称される。

このため、低圧圧縮機ロータ２７と中圧タービンロータ７３とは、互いに機械的に結合され、同じ速度で回転する。中圧タービンセクション６３を通じてガスを膨張させることにより発生される機械的パワーを使用して、低圧圧縮機ロータ２７を回転させる。中圧タービンセクション６３におけるガス膨張により発生される機械的パワーを利用して、周囲圧力から、低圧圧縮機セクション１７の供給側と高圧圧縮機セクション１９とを互いに流体接続する空気流路２１において達成される第１の空気圧に、ガスタービンエンジン２によって取り込まれる空気の圧力を上昇させる。

第１のタービンシャフト９１は、第２のタービンシャフト９２と同軸である。第１のタービンシャフト９１は内部に中空であり、第２のタービンシャフト９２は、第１のタービンシャフト９１を通って延在し、第１のタービンシャフト９１の両端部で、第１のタービンシャフト９１の対向する第１の端部と第２の端部を超えて、高圧圧縮機ロータ４１及び高圧タービンロータ６７を越えて突出するようにしている。

上述した構成によれば、高圧圧縮機ロータ４１と、第１のタービンシャフト９１と、高圧タービンロータ６７とを含む第１スプールは、第１の回転速度で回転する。低圧圧縮機ロータ２７と、第２のタービンシャフト９２と、中圧タービンロータ７３と、を含む第２スプールは、第１の回転速度とは異なり得る第２の回転速度で回転する。

第１のスプール及び第２のスプールは、燃焼器セクション１３との組み合わせにおいて、併せて、ガスタービンエンジン２の「スーパーコア」又は「ガス発生器」とも称される。第１のスプール及び燃焼器セクション１３は、組み合わせにおいて、併せて、ガスタービンエンジン２の「コア」とも称される。

低圧タービンロータ又はフリーパワータービンロータ８１は、ケーシング３５内の共回転のために、パワータービンシャフト９３に取り付けられてもよい。ここで、パワータービンシャフト９３は、第３のタービンシャフト９３とも称されるだろう。第３のタービンシャフト９３は、図１の圧縮機トレーン３の例示的な構成において、ガスタービンエンジン２によって駆動される負荷のシャフトライン６に駆動的に結合され得る。第３のタービンシャフト９３は、第１のタービンシャフト９１及び第２のタービンシャフト９２に軸方向で整列されているが、それらの外部にあり、そこから機械的に分離されている。

上記構成により、高圧圧縮機セクション１９及び高圧タービンセクション６１は、第１のタービンシャフト９１を通じて機械的に結合され、燃焼器セクション１３を横切って延在する流路を通じて流体結合される。低圧圧縮機セクション１７及び中圧タービンセクション６３は、第２のタービンシャフト９２を介して機械的に結合され、更に、高圧圧縮機セクション１９、燃焼器セクション１３及び高圧タービンセクション６３を通って延在する流路により流体結合される。

逆に、低圧タービンセクション６５又はパワータービンセクション６５は、中圧タービンセクション６３にのみ流体結合されているが、機械的に分離、すなわち、第１のスプール及び第２のスプールに対して結合されていない。このため、パワータービンセクション６５は、そのタービンロータが第１のスプール及び第２のスプールとは別個に、ガスタービンエンジンのコア及びスーパーコアの回転速度とは異なる回転速度で回転することができるため、フリーパワータービンセクション６５とも称される。

パワータービンセクション６５と、パワータービンシャフト９３又は第３のタービンシャフト９３は、第１のスプールの第１の回転速度及び／又は第２のスプールの第２の回転速度とは異なってもよい第３の回転速度で回転することができる「ハーフスプール」を形成する。

第１のタービンシャフト９１及び／又は第２のタービンシャフト９２及び／又は第３のタービンシャフト９３は、複数の軸受によって支持され得る。いくつかの実施形態では、第１のタービンシャフト９１を支持する１つ、いくつか又は好ましくは全ての軸受は、静圧軸受、磁気軸受、又は動圧軸受ではなく、転がり軸受である。同様に、いくつかの実施形態では、第２のタービンシャフト９２を支持する１つ、いくつか又は好ましくは全ての軸受は、静圧軸受、磁気軸受、又は動圧軸受ではなく、転がり軸受である。また、いくつかの実施形態では、第３のタービンシャフト９３を支持する１つ、いくつか又は好ましくは全ての軸受は、静圧軸受、磁気軸受、又は動圧軸受ではなく、転がり軸受である。

本明細書で使用するとき、及び本技術分野において一般的に理解されるように、「転がり軸受」は、支持されたシャフトとの同時回転のための第１の軸受コンポーネント又はレースと、静的であり得る、支持構造に拘束された第２の軸受コンポーネントと、を含み、第１の軸受コンポーネントと第２の軸受コンポーネントとの間に、第１の軸受コンポーネントと第２の軸受コンポーネントとの間でこれらと接触して転がり、それらの間の摩擦を低減する、転がり体を更に含む。

転がり軸受は、静圧軸受又は動圧軸受と比較して、限られた量の潤滑剤油を必要とするため、特に有利である。更に、それらはより単純であり、磁気軸受よりもメンテナンスが少ない。したがって、これらは、補助機器のためにより少ないスペースを必要とする。

いくつかの実施形態では、第１のタービンシャフト、第２のタービンシャフト、及び第３のタービンシャフトのうちの１つ、いくつか又は全ては、少なくとも２つの半径方向軸受及び少なくとも１つの軸方向又はスラスト軸受によって支持される。本明細書で使用するとき、「半径方向軸受」は、主に半径方向の負荷支持能力を有する軸受として理解されてもよく、すなわち、軸受の回転軸に主に直交する方向に配向された負荷を支持するように具体的に構成されている。本明細書で使用するとき、「軸方向軸受」又は「スラスト軸受」は、主に軸負荷軸受能力を有する軸受として理解されてもよく、すなわち、軸受の回転軸に平行に配向されたスラスト又は負荷を支持するように具体的に構成されている。

第１のタービンシャフト９１は、例えば第１の軸方向転がり軸受ボール軸受１０１、例えばボール軸受によって支持され得る。第１のタービンシャフト９１は、第２の半径方向転がり軸受１０２によって更に支持され得る。軸受１０１、１０２は、第１タービンシャフト９１の第１の端部に配置され得る。第３の半径方向転がり軸受１０３は、第１のタービンシャフト９１をその第２の端部で支持するように更に配置することができる。いくつかの実施形態では、第２の半径方向軸受１０２及び第３の半径方向軸受１０３は、ローラー軸受であり得る。いくつかの実施形態では、第１の軸方向軸受１０１はまた、軸方向負荷能力と組み合わせて、半径方向負荷能力を有してもよく、すなわち、組み合わされた半径方向負荷及び軸方向負荷を支持するように適合され得る。

いくつかの実施形態では、第１の軸方向軸受１０１は、第１のタービンシャフト９１の上流端部、すなわち、低圧圧縮機セクションに面する端部に、又はその付近に位置し得る。例示的な実施形態では、第２の半径方向軸受１０２は、第１のタービンシャフト９１の上流端部に、又はその付近に位置し得る。第３の軸方向軸受１０３は、第１のタービンシャフト９１の下流端部、すなわち、低圧タービンセクション６５に面する端部付近に位置し得る。

いくつかの実施形態では、第１の軸方向軸受１０１は、第２の半径方向軸受１０２と第３の半径方向軸受１０３との間に配置され得る。他の実施形態では、図２に示すように、第２の半径方向軸受１０２は、第１の軸方向軸受１０１と第３の軸方向軸受１０３との間に配置され得る。

第２のタービンシャフト９２は、第４の転がり軸受１０４、例えば転がり軸受によって支持され得る。第２のタービンシャフト９２は、第５の転がり軸受１０５によって更に支持され得る。第６の転がり軸受１０６は、第２のタービンシャフト９２を支持するように更に配置され得る。いくつかの実施形態では、第４の軸受１０４及び第６の軸受１０６は、半径方向軸受とすることができる。いくつかの実施形態では、第５の軸受１０５は、軸方向軸受、すなわちスラスト軸受であってもよい。いくつかの実施形態では、第５の軸方向軸受１０５は、軸方向負荷能力と組み合わせて、半径方向負荷能力も有してもよく、すなわち、組み合わされた径方向負荷及び軸方向負荷を支持するように適合され得る。

第２のタービンシャフト９２を支持する２つの転がり軸受は、第２タービンシャフト９２の一端部に配置されることができ、第２のタービンシャフト９２を支持する１つの転がり軸受は、第２のタービンシャフト９２の他端部に配置され得る。例えば、２つの転がり軸受は、第２のタービンシャフト９２の上流端部、すなわち、第１のタービンシャフト９１の上流に延在する端部又はその付近に配置されることができ、別の転がり軸受は、第２のタービンシャフト９２の下流端部、すなわち、第１のタービンシャフト９１の下流に延在するシャフト端部又はその付近に配置され得る。図２に示す例示的な実施形態では、第４の半径方向軸受１０４は、低圧圧縮機ロータ２７に配置されている。第５の軸方向ベアリング１０５は、低圧圧縮機ロータ２７に配置されている。第６の半径方向軸受１０６は、中圧タービンロータ７３、又はその付近に配置され得る。

軸受１０３及び１０６を１つ及び同じサンプ構成に配置することにより、中圧タービンロータ７３と低圧タービンロータ８１との間の別の支持フレームの必要性が回避され得る。

これにより、高圧圧縮機ロータ４１と高圧タービンロータ６７との両方を、軸受に挟まれた構成、すなわち、軸受の第１のグループ、例えば軸受１０１、１０２と、フリーパワータービンセクション、すなわち、低圧タービンセクション６５に対向する第１のタービンシャフト９１の端部の付近に位置付けられたベアリング１０３のみを含む軸受の第２のグループとの間の第１のタービンシャフト９１によって支持され得る。

第２のタービンシャフト９２に取り付けられた中圧タービンロータ７３及び低圧圧縮機ロータ２７は、部分的に張り出した構成、すなわち軸受１０６と軸受１０４及び１０５にそれぞれ支持され得る。

いくつかの実施形態では、低圧タービンロータ又はパワータービンロータ８１は、第３のパワータービンシャフト９３に張り出した構成で取り付けられる。例示的な実施形態では、低圧タービンロータ８１は、中圧タービンロータ７３に対向する第３のタービンシャフト９３の第１の上流端部に取り付けられ得る。９４に概略的に示される第３のタービンシャフト９３の第２の反対側の端部は、シャフトライン６及び駆動負荷に機械的に結合されるように適合された負荷結合端部である。第３のタービンシャフト９３は、３つの転がり軸受、すなわち第７の軸受１０７、第８の軸受１０８、及び第９の軸受１０９によって支持され得る。第３のタービンシャフト９３を支持する３つの軸受１０７、１０８、１０９は、低圧タービンロータ８１，の一方で同一側、すなわち、第３のタービンシャフト９３の低圧タービンロータ８１と負荷結合端部９４との間に配置され得る。特に好ましい実施形態では、第７の軸受１０７及び第９の軸受１０９は、半径方向軸受であってもよく、中間の第８の軸受１０８は、軸方向又はスラスト軸受とすることができる。

第３のタービンシャフト９３の軸受を高圧タービンセクション及び中圧タービンセクションとは反対側に配置することにより、特にガスタービンエンジンのメンテナンス介入中に、軸受が汚染物質に対してより良好に保護される。より具体的には、第３のタービンシャフト９３の軸受は、例えば、メンテナンス、修理、又は交換のために、ガスタービンエンジンのコア及びスーパーコアが開放及び／又は除去されるときに汚染物質に対して最も保護される。

本開示によれば、第３のタービンシャフト９３、すなわち、パワータービンロータ８１を支持するパワータービンシャフトの軸方向負荷を低減するために、特徴及び構成を使用することができる。第３のタービンシャフト９３の軸方向負荷を低減することにより、例えば、４０ＭＷ以上、例えば６０ＭＷ以上、例えば６５ＭＷ以上の範囲の高タービンパワーレートを低減することにより、ＩＳＯ下のデイコンディションが、動圧又は静圧スラスト軸受に頼らずに、より容易に達成され得る。シャフト上のスラストの低減は、より複雑な流体軸受及び関連する補助機器又は、これの代わりに転がり軸受を使用することを可能にする。上記のパワー範囲は、単なる例としてのものである。異なるパワーレート、例えばより小さいパワーレートを有するガスタービンエンジンが予見され得ると理解されたい。

引き続き図１及び図２を参照すると、図２は、幾分概略的にガスタービンエンジン２の要部及び構成要素を示しているが、図３は、本開示による一実施形態におけるタービンセクション１５の一部の拡大断面図をより詳細に示す。

図３に示すように、第３のタービンシャフト９３又はパワータービンシャフト９３には、軸方向キャビティ５１１が設けられてもよく、軸方向キャビティ５１１は、デッドホールとして構成されることができ、低圧タービンロータ８１を通って軸方向に延在することができ、中圧タービンロータ７３に向かって開放することができる。軸方向キャビティ５１１は、低圧タービンロータ８１のキャビティ５１３から漏出する加圧された空気を収集することができる。キャビティ５１３は、低圧タービンセクション６５の回転ブレード８３が取り付けられた低圧タービンロータ８１のディスク８４を収容している。

キャビティ５１３は、通常、圧縮機セクション１１からの空気で加圧される。キャビティ５１３内の圧力は、通常、低圧タービンセクション６５を通る燃焼ガスの流路５１５における最高圧力よりもわずかに高い。キャビティ５１３の加圧により、高温の燃焼ガスが、ロータブレード以外の低圧タービンロータ８１の構成要素と接触することを防止する。これは、タービンブレードが通常、高温に耐えるのに好適な高性能材料で作製されている一方で、ロータの最も内側の部分は、高温の燃焼ガスと接触したままであるのに適さない、より安価で、より性能の低い材料で作製され得るため、有益であり得る。

キャビティ５１３内の空気圧は、第３のタービンシャフト９３に印加される前方スラストを増加させるため、第３のタービンシャフト９３の軸方向軸受１０８の負荷に悪影響を及ぼす。

第３のタービンシャフト９１に印加される軸方向スラストに対するキャビティ５１３の空気圧の悪影響を低減するために、軸方向キャビティ５１１が位置する領域における第３のタービンシャフト９１の直径を大きくすることで、圧力キャビティ５１３の直径が小さくなる。

低圧タービンロータ８１と一体の第３のタービンシャフト９３と、中圧タービンロータ７３と一体の第２のタービンシャフト９２との間には、回転通気孔シール５１７が設けられている。したがって、回転ベントシール５１７を通って漏出する加圧された空気は、第３のタービンシャフト９３の軸方向キャビティ５１１内に収集される。

軸方向キャビティ５１１は、第２のタービンシャフト９２を支持する軸受の軸受サンプに流体結合され得る。具体的には、軸方向キャビティ５１１は、第６の転がり軸受１０６が配置されている軸受サンプ５２１に流体結合され得る。軸受サンプ５２１は、ガスタービンエンジン２の他の軸受サンプと同様に、圧縮機セクション１１からの加圧された空気でフラッシュされて、高温の燃焼ガスが、サンプ内に収容された軸受と接触し、潤滑油又は軸受の機械的構成要素を損傷することを防止することができる。軸受サンプに供給される加圧された空気は、高温燃焼ガスの高温に対して軸受を保護するために、連続空気流を軸受サンプ内に維持することができるように通気されなければならない。

いくつかの実施形態によれば、中圧タービンロータ７３には、空気通気ポート５２３が設けられている。空気通気ポート５２３は、第３のタービンシャフト９３の軸方向キャビティ５１１と流体連通するように、サンプ５２１を位置付ける。

回転通気シール５１７からの漏出空気、及び軸受サンプ５２１からの空気を含み得る軸方向キャビティ５１１内に収集された空気が、空気通気ポート５２５及びガスタービンエンジン２の静止部分５２９を通って延在する空気通気路５２７を通って、軸方向キャビティ５１１から排出され得る。空気通気路５２７は、ガス流路の端部５３１、例えば、低圧タービンセクション６５の最終段のすぐ下流に通じることができる。ガス流路の端部５３１の圧力は、周囲圧力未満とすることができ、部分負荷条件下であっても、軸受サンプ５２１からの効率的な空気通気を、ガスタービンエンジン２の全ての動作条件下で確実にすることができるようにする。効率的な通気は、具体的には、ガスタービンエンジン２が設計点以下、例えば、定格パワーの８０％以下、例えば定格パワーの約７０％で動作しているときも維持される。

上記のように、軸受サンプ５２１からの空気の効率的な通気路を提供することに加えて、第３のガスタービンシャフト９３内の軸方向キャビティ５１１は、低圧タービンロータ８１のキャビティ５１３の体積、したがって、キャビティ５１１内に含有される空気の圧力が印加される総面積を減少させ、これは、低圧タービンロータ８１の内部の一部は、第３のタービンシャフト９３の軸方向キャビティ５１１によって占有されるためである。これにより、第３のタービンシャフト９３上のキャビティ５１３と軸方向又はスラスト軸受１０８上の空気圧によって発生する軸方向スラストが低減される。

いくつかの実施形態によれば、第３のタービンシャフト９３上の軸方向スラストを更に低減するために、ガスタービンエンジン２にバランスピストンキャビティ５３３を設けることができる。いくつかの実施形態では、バランスピストンキャビティ５３３は、低圧タービンロータ８１の前方、すなわち、その側方に、中圧タービンセクション６３とは反対側に配置することができる。例えば、バランスピストンキャビティ５３３は、ケーシング３５と一体の静止絞り５３５と、低圧タービンロータ８１の前面、すなわち、第３のタービンシャフト９３の負荷結合端部９４に対向する低圧タービンロータ８１の面との間に配置され得る。

圧縮機セクション１１からの加圧された空気は、ケーシング内及びガスタービンエンジン２の静止部分内に形成された通路（図示せず）を通って、バランスピストンキャビティ５３３内に供給され得る。バランスピストンキャビティ５３３内の圧力は、ロータキャビティ５１３内の空気圧及び低圧タービン６５を通って膨張する燃焼ガスにより発生する軸方向負荷によって発生するスラストとは反対側に方向付けられた低圧タービンロータ８１に軸方向スラストを発生させる。

いくつかの実施形態では、バランスピストンキャビティ５３３は、空気通気路５２７がガスタービンエンジン２の静止部分内、バランスキャビティピストン５３３の後方、後者と第３のタービンシャフト９３の負荷結合端部９４との間に形成されるように、空気通気路５２７と低圧タービンロータ８１との間に配置され得る。したがって、空気通気路５２７は、低圧タービンロータとは反対側のバランスピストンキャビティ５３３の周りにその側方に延在する。

他の実施形態では、バランスピストンキャビティは、当業者に既知のように、低圧タービンセクション６５の周りの異なる位置に配置され得る。

本発明は、様々な特定の実施形態に関して説明されてきたが、当業者には、特許請求の範囲の趣旨及び範囲を逸脱することなく多くの修正、変更、及び省略が可能であることが、当業者には明らかであろう。

Claims (9)

1. 航空転用ガスタービンエンジン（２）であって、
   −圧縮機セクション（１１）からなるガス発生器（６６）と、
   −前記ガス発生器（６６）から機械的に結合されていない、パワータービンシャフト（９３）によって支持されたパワータービンロータ（８１）を有する、パワータービンセクション（６５）と、を含み、
   前記パワータービンシャフト（９３）が、内部に軸受サンプ（５２１）に流体結合された軸方向キャビティ（５１１）を有し、前記軸受サンプ（５２１）が、前記圧縮機セクション（１１）と流体結合されており、前記ガス発生器（６６）のシャフト（９２）を支持する少なくとも１つの軸受（１０６）を収容し、空気通気路（５２７）が、前記軸方向キャビティ（５１１）から延在し、前記パワータービンロータ（８１）の下流の燃焼ガス流路（５１５）に通じる、ガスタービンエンジン（２）。
2. 前記ガス発生器（６６）が、第１のタービンシャフト（９１）からなる高圧タービンセクション（６１）と、前記少なくとも１つの軸受（１０６）によって支持された第２のタービンシャフト（９２）からなる中圧タービンセクション（６３）と、を少なくとも含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（２）。
3. 前記ガス発生器（６６）が、
   第１のタービンシャフト（９１）によって互いに駆動的に結合された高圧タービンセクション（６１）及び高圧圧縮機セクション（１９）と、
   第２のタービンシャフト（９２）によって、互いに駆動的に結合された中圧タービンセクション（６３）及び低圧圧縮機セクション（１７）であって、前記第１タービンシャフト（９１）及び前記第２タービンシャフト（９２）が、同軸に配置されており、前記第２のタービンシャフト（９２）が、前記第１のタービンシャフト（９１）を通って延在する、中圧タービンセクション（６３）及び低圧圧縮機セクション（１７）と、
   前記高圧圧縮機セクション（１９）及び前記高圧タービンセクション（６１）に流体結合された燃焼器セクション（１３）と、を含む、請求項１に記載のガスタービンエンジン（２）。
4. 前記軸受サンプ（５２１）に配置された前記少なくとも１つの軸受（１０６）が、前記第２のタービンシャフト（９２）を支持する、請求項３に記載のガスタービンエンジン（２）。
5. 前記ガス発生器（６６）とは反対側の前記パワータービンロータ（８１）の側方にバランスピストンキャビティ（５３３）が設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン（２）。
6. 前記空気通気路（５２７）が、前記パワータービンロータとは反対側の前記バランスピストンキャビティ（５３３）の側方で半径方向に延在する、請求項５に記載のガスタービンエンジン（２）。
7. 前記パワータービンシャフト（９３）が、転がり軸受（１０７、１０８、１０９）によって支持されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン（２）。
8. 前記パワータービンロータ（８１）が、前記パワータービンシャフト（９３）上に張り出した構成で取り付けられており、前記パワータービンシャフト（９３）が、前記ガス発生器（６６）とは反対側の前記パワータービンロータ（８１）の側方に配置された軸受（１０７、１０８、１０９）によって支持されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン（２）。
9. ガスタービンエンジンを動作させる方法であって、
   前記ガスタービンエンジン（２）のガス発生器（６６）を動作させることであって、前記ガス発生器が、軸受サンプ（５２１）内に配置された少なくとも１つの軸受（１０６）によって支持されている回転シャフト（９２）を少なくとも含む、動作させること、及び前記ガス発生器を用いて燃焼ガスを発生させることと、
   パワータービンシャフト（９３）によって支持されているパワータービンロータ（８１）を含むパワータービンセクション（６５）において、前記燃焼ガスを膨張させることと、
   前記軸受サンプ（５２１）を、前記ガス発生器（６６）の圧縮機セクション（１１）からの圧縮された空気でフラッシュすることと、
   前記軸受サンプ（５２１）からの前記空気を、前記パワータービンシャフト（９３）のキャビティ（５１１）内に、かつ前記パワータービンロータ（８１）の下流の燃焼ガス流路（５１５）に流体結合された通気路（５２７）を通じて通気させることと、を含む、方法。

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