JP2634772B2 - 回転可能なタービンフレーム - Google Patents

回転可能なタービンフレーム

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JP2634772B2 JP6133509A JP13350994A JP2634772B2 JP 2634772 B2 JP2634772 B2 JP 2634772B2 JP 6133509 A JP6133509 A JP 6133509A JP 13350994 A JP13350994 A JP 13350994A JP 2634772 B2 JP2634772 B2 JP 2634772B2
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    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/06—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor the compressor comprising only axial stages
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にはガスタービ
ンエンジンに関し、特に、その回転するタービンフレー
ムに関する。
【０００２】
【従来の技術】通常のガスタービンエンジンは、１つ又
は複数のロータを含んでおり、このようなロータは、軸
受に適切に装着されていると共に、静止フレームによっ
て支持されている。フレームが与える剛固さは、ロータ
システムの動的応答を制御すると共に、運転中の固有撓
みによるブレード先端クリアランスを最小にするのに有
効である。
【０００３】ガスタービンエンジンに複数のロータを設
けると、その装着システムの複雑さが増し、二重反転
（反対方向に回転する）パワータービンを有しているエ
ンジンでは、装着システムが更に複雑になる。本出願人
に譲渡された米国特許出願番号０７／０８０６６６号
「ガスタービンエンジンのロータ支持システム」に開示
されたような二重反転パワータービンの設計例では、ロ
ータ支持システムが、回転する前方及び後方タービンフ
レームを含んでおり、これらの前方及び後方タービン
は、フレーム二重反転パワータービンの外側及び内側ロ
ータに一体的に連結されている。タービンフレームによ
ってパワータービンの構造的剛固さを増加させて、ブレ
ード先端クリアランスを制御することができる。しかし
ながら、タービンフレームは、回転するので、その支柱
に遠心力により発生した引張応力を受ける。従って、パ
ワータービンの有効寿命を適切な値とするためには、支
柱を適切に設計して遠心力による引張応力を吸収する必
要がある。
【０００４】
【発明の概要】回転可能なタービンフレームが、円周方
向に間隔をあけた複数の支柱（ストラット）を有してい
る環状の外側及び内側バンドを含んでおり、複数の支柱
は、環状の外側及び内側バンドの間に延在している。環
状の駆動シャフトが内側バンドに固着されており、内側
バンドから出力トルクを伝達する。支柱は、フレームの
回転方向に対して後ろ向きに半径方向に傾斜しており、
こうして、支柱の間に流れるガス流が、傾斜した支柱を
まっすぐに伸ばして、支柱に圧縮荷重成分を与える作用
を成す。
【０００５】本発明の構成をその目的及び効果と共に更
に明瞭にするために、以下に図面を参照しながら、本発
明の好適な実施例を説明する。
【０００６】
【実施例】図１に航空機ガスタービンエンジンの一例を
参照番号１０で示す。エンジン１０には、軸線方向前方
のファン１２と、ファン１２より軸線方向下流に配設さ
れている後部ファン１４とが、長さ方向中心軸線１６の
周りに配設されている。ファン１２及び１４は、通常の
ナセル１８内に配設されている通常のファンブレード列
を含んでおり、ブレードはロータディスクにそれぞれ植
設されており、ロータディスクには、前部ファン１２に
連結されている前部ファンシャフト２０と、後部ファン
１４に連結されている後部ファンシャフト２２とを介し
て、パワーが伝達される。
【０００７】ファン１２及び１４の下流に配設されてい
る通常のコアエンジン２４は、高圧圧縮機（ＨＰＣ）２
６と、燃焼器２８と、コアシャフト３２によってＨＰＣ
２６に連結されている例えば２段のコア又は高圧タービ
ン３０とを含んでいる。コアエンジン２４は通常通りに
燃焼ガスを発生し、発生した燃焼ガスは、コアエンジン
２４から下流に二重反転パワータービン３４に流れる。
パワータービン３４は燃焼ガスからエネルギを抽出し
て、ファンシャフト２０及び２２をそれぞれ介してファ
ン１２及び１４を駆動する。
【０００８】パワータービン３４の細部を図２に示す。
パワータービン３４は、コアタービン３０の位置でコア
エンジン２４に通常の手段によって連結されている静止
外側ケーシング３６を含んでいる。パワータービン３４
は、概して円錐台形ドラムの形態を成している半径方向
外側ロータ３８を含んでおり、半径方向外側ロータ３８
は、軸線方向に間隔をあけたブレード列段（図示の例で
は、４段）としてロータ３８から半径方向内向きに延在
している複数の通常の外側ロータブレード４０を有して
いる。半径方向内側ロータ４２が、中心軸線１６の周り
に外側ロータ３８と同軸に配設されていると共に、軸線
方向に間隔をあけたブレード列段（図示の例では、４
段）としてロータ４２から半径方向外向きに延在してい
る複数の通常の内側ロータブレード４４を含んでいる。
外側ブレード段と内側ブレード段とは互い違いに配設さ
れている。即ち、従来公知のように、外側ロータ３８及
び内側ロータ４２のそれぞれのブレード段は、他方のロ
ータのそれぞれのブレード段の軸線方向中間に配設され
ている。
【０００９】ロータ支持システムは、パワータービン３
４の外側及び内側ブレード４０及び４４の後方に配設さ
れている静止後部（リア）フレーム４６を含んでいる。
後部フレーム４６は、円周方向に間隔をあけた複数の通
常の支柱（ストラット）４６ａを含んでおり、これらの
支柱４６ａは、その外端で、外側ケーシング３６に通常
の手段で固着されている環状の外側バンド４６ｂに連結
されていると共に、その内端で、環状の内側バンド又は
ハブ４６ｃに連結されている。後部フレーム４６は又、
そこから半径方向内向きに延在している環状の後部支持
シャフト４６ｄを含んでいる。図２に示す実施例では、
後部支柱４６ａは、パワータービン３４から燃焼ガスを
受け取るようにパワータービン３４の後端と流通関係に
配設されているが、その燃焼ガスは比較的低温であるの
で、支柱を取り囲む通常のフェアリングは設けられてい
ない。
【００１０】回転可能な後方（アフト）フレーム４８
が、外側及び内側ブレード４０及び４４の軸線方向後方
に且つ後部フレーム４６の軸線方向前方に配設されてい
ると共に、外側及び内側ロータ３８及び４２と一緒に回
転するように外側及び内側ロータ３８及び４２の一方に
固着されており、そのロータのブレードを支持する剛固
さを高めている。後方フレーム４８は円周方向に間隔を
あけた複数の支柱（ストラット）４８ａを含んでおり、
これらの支柱４８ａは、半径方向外側及び内側環状の後
方バンド４８ｂ及び４８ｃに固着されており、内側後方
バンド４８ｃは、環状の後方支持シャフト４８ｄと一緒
に回転するように環状の後方支持シャフト４８ｄに固着
されている。環状の後方支持シャフト４８ｄは、そこか
ら半径方向内方に且つ後部フレーム４６の軸線方向前方
に延在している。外側及び内側バンド４８ｂ及び４８ｃ
は、比較的剛固なアセンブリを形成するように複数の支
柱４８ａと連結している。図２に示す実施例では、後方
フレーム４８は内側バンド４８ｃで内側ロータ４２に固
着されている。
【００１１】回転可能な環状の前方フレーム５０が、外
側及び内側ブレード４０及び４４の軸線方向前方に配設
されていると共に、同様に円周方向に間隔をあけた複数
の前方支柱（ストラット）５０ａを含んでおり、これら
の支柱５０ａは、半径方向外側及び内側の環状の前方バ
ンド５０ｂ及び５０ｃに固着されている。内側前方バン
ド５０ｃは、そこから半径方向内方に延在している環状
の前方支持シャフト５０ｄに固着されている。図２に示
す実施例では、前方フレーム５０は、外側ロータ３８と
一緒に回転するように外側バンド５０ｂで外側ロータ３
８に固着されている。図２に示す実施例では、前方支柱
５０ａの各々は、支柱５０ａの間を流れる高熱の燃焼ガ
スから支柱５０ａを保護するように、通常のフェアリン
グ５８によって囲まれている。
【００１２】ここに例示する実施例では、前方フレーム
５０の外側バンド５０ｂが外側ロータ３８に連結されて
いると共に、後方フレーム４８の内側バンド４８ｃが内
側ロータ４２に連結されているが、その代わりに、他の
実施例では、後方フレーム４８の外側バンド４８ｂを外
側ロータ３８に連結し、内側バンド４８ｃを内側ロータ
４２から切り離すと共に、前方フレーム５０の内側バン
ド５０ｃを内側ロータ４２に連結し、外側バンド５０ｂ
を外側ロータ３８から切り離すこともできる。いずれの
実施例でも、後方フレーム４８は、外側及び内側ロータ
３８及び４２の一方と一緒に回転するように外側及び内
側ロータ３８及び４２の一方に連結されており、前方フ
レーム５０は、外側及び内側ロータ３８及び４２の他方
と一緒に回転するように外側及び内側ロータ３８及び４
２の他方に連結されている。いずれの実施例でも、フレ
ーム４８及び５０のそれぞれの支柱はそれぞれの外側及
び内側の環状のバンドに連結されているので、フレーム
４８及び５０の各々は、比較的剛固な構造体である。本
発明によれば、フレーム４８及び５０の剛固さを利用し
て、それぞれのロータ３８及び４２の剛固さを増加さ
せ、こうして、パワータービン３４の動作中に生じる面
内曲げモーメントによるブレード先端クリアランスの変
動量を減少させる。後方フレーム４８はその内側バンド
４８ｃで内側ロータ４２に連結されているので、それに
より内側ロータ４２の剛固さが増加する。同様に、前方
フレーム５０はその外側バンド５０ｂで外側ロータ３８
に連結されているので、それにより外側ロータ３８の剛
固さが増加する。
【００１３】外側及び内側ロータ３８及び４２を後部フ
レーム４６に支持することにより、ブレード先端クリア
ランスは更に小さくなる。後部フレーム４６はその外側
バンド４６ｂで外側ケーシング３６に支持されているの
で、後部フレーム４６は比較的大きな直径を有してお
り、それに応じて構造的剛固さも大きくなる。パワータ
ービン３４を、典型的にはコアタービン３０とパワータ
ービン３４との間に配設されている直径の小さい通常の
中間フレーム（図示していない）ではなくて、後部フレ
ーム４６のみで支持することにより、改良された支持シ
ステムが構成されるのみでなく、コアタービン３０とパ
ワータービン３４との間の結合（カップリング）を密接
にして、燃焼ガスをパワータービンに送る効率を向上さ
せる。コアタービン３０は外側及び内側ロータブレード
４０及び４４の軸線方向前方に配設されているが、パワ
ータービンの支持に通常用いられる静止中間フレーム
（図示していない）をなくすことにより、コアタービン
３０をロータブレードに比較的近接して配設することが
できる。
【００１４】図２に示す実施例では、通常の第１の軸受
５２が後方シャフト４８ｄを後部シャフト４６ｄに支持
するように、後方シャフト４８ｄと後部シャフト４６ｄ
との間に配設されている。通常の第２の軸受５４が前方
シャフト５０ｄを後方シャフト４８ｄに支持するよう
に、前方シャフト５０ｄと後方シャフト４８ｄとの間に
配設されている。更に、通常の第３の軸受５６がコアシ
ャフト３２を前方シャフト５０ｄに支持するように、コ
アシャフト３２と前方シャフト５０ｄとの間に配設され
ている。図２に示す実施例では、第１、第２及び第３の
軸受５２、５４及び５６は、ころ軸受であることが好ま
しく、第２の軸受５４は、２つの反対方向に回転するシ
ャフト４８ｄ及び５０ｄの間に装着されているので、差
動型軸受である。所望に応じて他の形式の軸受を用いて
もよい。
【００１５】外側ケーシング３６は静止していると共に
外側及び内側ブレード４０及び４４を取り囲んでいるの
で、又、外側ケーシング３６は支持のために後部フレー
ム４６にその外径先端で固着されているので、後部フレ
ーム４６は、コアシャフト３２の後端と共に、パワータ
ービンロータ３８及び４２の両方に対する実質的に剛固
な支持部となっている。システムの剛固さを更に高める
ために、後部シャフト４６ｄは、円錐台形であると共
に、後部フレーム４６から軸線方向前方へ後方シャフト
４８ｄに向かって延在していることが好ましい。同様
に、後方シャフト４８ｄは、円錐台形であると共に、軸
線方向前方へ前方シャフト５０ｄに向かって延在してい
ることが好ましい。前方シャフト５０ｄは又、同じく円
錐台形であるが、軸線方向後方へ後方シャフト４８ｄに
向かって延在している。このようにして、シャフト４６
ｄ、４８ｄ及び５０ｄの各々を円錐形状とすることによ
り、剛固さが増加する。
【００１６】後方及び前方フレーム４８及び５０はそれ
ぞれの内側及び外側ロータ４２及び３８に一体に連結さ
れているので、これらのフレームの支柱は、その間を流
れる燃焼ガスからエネルギを抽出するための通常の外形
を有しており、出力トルクが、対応する駆動シャフト４
８ｄ及び５０ｄを介して伝達されて、対応するファンシ
ャフト２０及び２２を駆動する。図３及び図４にフレー
ム４８及び５０の一部を示す。ここに例示する実施例で
は、後方フレーム４８は第１の（時計）方向Ｒ １に回転
し、前方フレーム５０は反対の第２の（反時計）方向Ｒ
２に回転する。燃焼ガスは後方フレーム４８に達すると
きには比較的低温になっているので、後方フレーム４８
には、前方フレーム５０に設けられているフェアリング
５８のようなフェアリングは設けられていない。従っ
て、前方フレーム５０の支柱５０ａを取り囲んでいるフ
ェアリング５８は、そこを通して燃焼ガスを案内する通
常の形状を成しており、支柱５０ａは、フェアリング５
８内で適当な（典型的には対称な）形状を有している。
フレーム４８及び５０からの出力トルクをＴで示し、図
３及び図４に示す２つの駆動シャフト４８ｄ及び５０ｄ
の部分に表示する。
【００１７】後方及び前方フレーム４８及び５０は動作
中に回転するので、その支柱４８ａ及び５０ａは、遠心
力により発生する引張荷重を、従って、対応する引張応
力を受ける。支柱４８ａ及び５０ａの引張応力を減少さ
せるために、支柱は半径方向においてそれぞれの回転方
向に対して後ろ向きに傾斜している。これにより、支柱
４８ａ及び５０ａの間のガス流は、傾斜した支柱をまっ
すぐに伸ばして、支柱に圧縮荷重成分を与える作用を成
し、その圧縮荷重成分は、遠心力により支柱に発生した
引張応力から差し引かれる。
【００１８】具体的には、図３に示すように、後方支柱
４８ａは半径方向線６０から、回転方向Ｒ１とは反対の
第２の方向に鋭角の傾斜角Ｂだけ傾斜している。このよ
うにして、燃焼ガスから支柱４８ａに加えられる力Ｆｇ
は、傾斜した支柱４８ａをまっすぐに伸ばす、即ち傾斜
角Ｂの値を小さくする作用を成す。ところが、支柱４８
ａは外側及び内側バンド４８ｂ及び４８ｃの間に限定さ
れているので、この拘束の結果、圧縮荷重成分が支柱４
８ａに作用して、圧縮応力成分を発生し、この圧縮応力
成分が遠心力により支柱に発生した引張応力から差し引
かれて、支柱４８ａ内の総合応力が減少する。後方駆動
シャフト４８ｄによって伝達される全トルクＴの大部分
は、内側ブレード４４によって発生すると共に、内側ロ
ータ４２からシャフト４８ｄに伝えられる。内側ロータ
４２は駆動シャフト４８ｄで内側バンド４８ｃに固着さ
れており、後方支柱４８ａがトルクＴの追加成分を発生
して、支柱に圧縮荷重成分を生成する。
【００１９】図４に示す本発明の実施例では、フェアリ
ング５８は支柱５０ａを取り囲んでおり、従って、ガス
荷重はフェアリング５８に作用し、次いで外側バンド５
０ｂを介して伝えられ、外側バンド５０ｂは、傾斜した
支柱５０ａをまっすぐに伸ばす作用を成す。この場合
も、外側及び内側バンド５０ｂ及び５０ｃは支柱５０ａ
を拘束して、まっすぐになるのを妨げ、後方フレーム４
８に発生したのと同様の機構で、圧縮荷重成分を生成す
る。前方支柱５０ａ及びフェアリング５８は、そこを通
る燃焼ガスを旋回させないように、従って、そこにガス
荷重を生成しないように、通常の形状にするのがよい。
しかしながら、外側ロータ３８は外側バンド５０ｂに固
着されているので、外側ブレード４０によって発生され
た外側ロータ３８からのトルクＴは、外側バンド５０ｂ
を介して、次いで支柱５０ａを介して内側バンド５０ｃ
に伝えられ、次いで前方駆動シャフト５０ｄに伝えられ
る。トルクＴは、傾斜角Ｂを減少させることにより、支
柱５０ａをまっすぐに伸ばす作用を成し、従って、支柱
５０ａに圧縮荷重成分を発生し、この圧縮荷重成分はや
はり、遠心力により支柱に発生した引張荷重から差し引
かれる。
【００２０】以上、本発明を例示する好適な実施例と考
えられるものを説明したが、当業者には本発明の他の変
更例が明らかであり、従って、このような変更例もすべ
て本発明の要旨の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による回転タービンフレーム
を含んでいる二重反転パワータービンを有しているター
ボファン・ガスタービンエンジンの上半部の線図的長さ
方向断面図である。
【図２】前方及び後方回転タービンフレームを示す図１
に図示されたパワータービンの拡大された長さ方向部分
断面図である。
【図３】後方タービンフレームの一部を示す図２の３−
３線方向に見た半径方向部分断面図である。
【図４】前方タービンフレームの一部を示す図２の４−
４線方向に見た半径方向部分断面図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン ３８ 外側ロータ ４０、４４ ブレード ４２ 内側ロータ ４８ 回転後方フレーム ４８ａ、５０ａ 支柱 ４８ｂ、５０ｂ 外側バンド ４８ｃ、５０ｃ 内側バンド ４８ｄ、５０ｄ シャフト ５０ 回転前方フレーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンブローズ・アンドリアス・ハウザー アメリカ合衆国、オハイオ州、ワイオミ ング、ワーシントン・アベニュー、27番 (72)発明者 サミュエル・ヘンリー・デヴィソン アメリカ合衆国、オハイオ州、ミルフォ ード、ワイルドローズ・レーン、5533番 (56)参考文献 特開 平４−228836（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−134817（ＪＰ，Ａ) 西独国特許出願公開3237669（ＤＥ, Ａ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンエンジン（１０）用の回転
    可能なタービンフレーム（４８、５０）であって、 環状の外側バンド（４８ｂ、５０ｂ）と、 該外側バンド（４８ｂ、５０ｂ）から半径方向内方に離
    間していると共に、該外側バンドと同軸に設けられてい
    る環状の内側バンド（４８ｃ、５０ｃ）と、 前記外側バンド（４８ｂ、５０ｂ）と前記内側バンド
    （４８ｃ、５０ｃ）との間に半径方向に延在していると
    共に、該外側バンド及び該内側バンドに固着されている
    円周方向に離間した複数の支柱（４８ａ、５０ａ）と、 前記内側バンド（４８ｃ、５０ｃ）に固着されており、
    前記支柱（４８ａ、５０ａ）の間に流れるガス流に応じ
    た当該フレーム（４８、５０）の第１の方向への回転に
    応じた出力トルクを伝達する環状の駆動シャフト（４８
    ｄ、５０ｄ）とを備えており、 前記支柱（４８ａ、５０ａ）は、前記第１の方向とは反
    対の第２の方向に半径方向外向きに傾斜しており、前記
    支柱（４８ａ、５０ａ）の間を流れる前記ガス流が、傾
    斜した前記支柱（４８ａ、５０ａ）をまっすぐに伸ばし
    て該支柱に圧縮荷重成分を与えるように構成されている
    回転可能なタービンフレーム。
  2. 【請求項２】 当該タービンフレーム（４８、５０）に
    固着されていると共に、前記駆動シャフト（４８ｄ、５
    ０ｄ）を回転させる複数段のロータブレード（４０、４
    ４）を有している環状のロータ（３８、４２）と組み合
    わされている請求項１に記載のタービンフレーム。
  3. 【請求項３】 前記ロータは、前記内側バンド（４８
    ｃ）に前記駆動シャフト（４８ｄ）で固着されている半
    径方向内側ロータ（４２）である請求項２に記載のター
    ビンフレームの組み合わせ。
  4. 【請求項４】 前記ロータは、前記外側バンド（５０
    ｂ）に固着されている半径方向外側ロータ（３８）であ
    る請求項２に記載のタービンフレームの組み合わせ。
  5. 【請求項５】 前記タービンフレームは、後方タービン
    フレーム（４８）の形状を成しており、前記ロータは、
    前記内側バンド（４８ｃ）に固着されている半径方向内
    側ロータ（４２）であり、前記ブレードは、前記内側ロ
    ータ（４２）から半径方向外方へ延在している内側ブレ
    ード（４４）であり、前記駆動シャフトは、後方駆動シ
    ャフト（４８ｄ）であり、 前記タービンフレームの他方は、前方タービンフレーム
    （５０）の形状を成しており、該タービンフレームの前
    記ロータは、前記内側ロータ（４２）と同軸に設けられ
    ている半径方向外側ロータ（３８）であり、該タービン
    フレームの前記ブレードは、前記外側ロータ（３８）か
    ら半径方向内方へ延在している外側ブレード（４０）で
    あり、該タービンフレームの前記駆動シャフトは、前記
    後方駆動シャフト（４８ｄ）から軸線方向前方に離間し
    ている前方駆動シャフト（５０ｄ）であり、 前記内側及び外側ロータ（４２、３８）は、反対の方向
    に回転するように構成されている請求項２に記載のター
    ビンフレームの組み合わせ。
  6. 【請求項６】 複数のフェアリング（５８）を更に含ん
    でおり、該複数のフェアリングの各々は、前記支柱（５
    ０ａ）のそれぞれ１つを取り囲んでいる請求項２に記載
    のタービンフレームの組み合わせ。
JP6133509A 1993-06-18 1994-06-16 回転可能なタービンフレーム Expired - Fee Related JP2634772B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

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