JP4237176B2 - ガスタービンエンジンおよびタービンエンジンロータ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、中心で連結固定されたロータスタック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、通常、エンジンの１つまたは複数のセクションに対応する１つまたは複数のロータスタックを備える。ロータスタックは、１つのセクションにおける連続する段の複数のディスクを備える。これらのディスクは、長手方向に間隔を隔てるとともに、ブレードを支持する。ステータ構造は、長手方向にロータディスクの間に位置する周方向のベーン段を備える。ロータディスクは、相対的に回転しないように互いに固定されており、ロータスタックは、共通のスプール（例えば、エンジンの低速／低圧スプール、高速／高圧スプール）上に固定され、他の構成部品に対し回転する。

ロータディスクを一体に連結するために、多数のシステムが用いられている。例示的な中心連結（ｃｅｎｔｅｒ−ｔｉｅ）システムにおいては、ディスクは、スリーブ状のスペーサにより、互いに長手方向に間隔を隔てて保持されている。スペーサは、１つまたは両方の隣接するディスクとともに単体として一体的に形成される場合がある。しかし、スペーサが、隣接するディスクのペアの少なくとも１つから独立していることが多く、締まりばめ、ないしキー構造を介してディスクに係合されている場合もある。このような締まりばめ、またはキー構造においては、係合を維持するために、ディスクスタックにわたる長手方向の圧縮力を維持することが要求される場合がある。圧縮力は、スタックの対向する両端部を、スタック内を通る中央のシャフトに固定することにより、得られる。スタックは、長手方向の予圧力（ｐｒｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ）を与えた状態でシャフトに取り付けられ、それにより、同等の大きさの引張力が、スタック内のシャフトの部分から伝わる。

別の形態では、周方向に間隔を有するタイロッドの列の使用が含まれる。タイロッドは、ディスクを一体に連結するようにロータディスクのウエブ部分を通り延びている。そのようなシステムにおいては、対応するスプールは、ロータ内を通るシャフト部分を備えていない場合がある。代わりに、分割したシャフトセグメントが、ロータスタックの１つまたは両方の端部から長手方向外側に延びた形となる。

効率および出力における所望の改良により、タービンエンジンの形態の発展が大いに促進されてきた。効率には、性能上の効率および生産効率が含まれる。

ＳｕｃｉｕおよびＮｏｒｒｉｓの米国特許出願第１０／８２５，２５５号（特許文献１）、第１０／８２５，２５６号（特許文献２）、および第１０／９８５，８６３（以下、Ｓｕｃｉｕらの出願とする）では、１つまたは複数の外側にくぼんだディスク間スペーサを有するエンジンが開示されている。ロータが回転すると、遠心力により、長手方向のロータの圧縮が維持され、スペーサと少なくとも１つの隣接するディスクとの係合が維持される。この係合は、圧縮に加えて、ディスク間に長手方向のトルクを伝える。
特開２００５−２９９６７３号公報 特開２００５−２９９６７２号公報

本発明の１つの態様は、内側の開口部から外側周縁部にそれぞれ延びている第１のディスクおよび第２のディスクを備えるタービンエンジンに関する。継手（カップリング）は、第１のディスクと第２のディスクとの間でトルクおよび長手方向の圧縮力を伝える。継手は、トルクの大部分および圧縮力の大部分を伝える第１の手段と、第１の手段の半径方向外側に位置するとともに、第１および第２のディスクの振動を安定させる第２の手段と、を備える。

種々の実施例においては、第２の手段は、スペーサ（例えば、Ｓｕｃｉｕらの出願と同様または別のスペーサ）を備えていてもよい。第１の手段は、第１および第２のディスクに、放射状のスプライン継手、つまり互いに嵌合する第１および第２の複数の歯部をそれぞれ備えていても良い。第１のディスクのウエブの後方から延びている第１のスリーブの後方リムにおいて、第１の複数の歯部を形成してもよいし、第１のディスクのウエブと一体的に第１の複数の歯部を形成してもよい。第２のディスクのウエブの前方から延びている第２のスリーブの前方リムにおいて、第２の複数の歯部を形成してもよいし、第２のディスクのウエブと一体的に第２の複数の歯部を形成してもよい。第１および第２のディスクは、第１および第２のスリーブの内側に、内側環状隆起部をそれぞれ備える。第２の手段は、外側へ向かってくぼんだ長手方向の部分を有するスペーサを備えていてもよい。このくぼんだ部分は、第１および第２のディスクの回転速度の増加に伴って、圧縮力を増加させるのに効果的な厚さおよび長手方向の範囲を備える。エンジンは、高速／高圧タービン部および低速／低圧タービン部を備えていてもよい。第１および第２のディスクは、低速／低圧タービン部に位置する。エンジンは、減速式ターボファンエンジンであってもよい。引張（テンション）シャフトは、第１および第２のディスクの各々の内側開口部内を通って延びるとともに、第１および第２のディスクに対して実質的に回転しない。エンジンは、複数のベーンエアフォイルと、ベーンエアフォイルの半径方向内側に位置し、継手の第２の手段との間をシールするシール部分と、を有するベーン段を備えていてもよい。第３のディスクは、内側開口部から外側周縁部に向かって延びていてもよい。第２の継手は、第３のディスクと第２のディスクとの間でトルクおよび長手方向の圧縮力を伝える。第２の継手は、トルクの大部分および圧縮力の大部分を伝える第１の手段と、第１の手段の半径方向外側に位置し、振動を安定させる第２の手段と、を備える。エンジンは、長手方向に圧縮して、第１および第２のディスクを保持する中心から外れた連結部材を備えていなくてもよい。

図１では、高速／高圧圧縮機（ＨＰＣ）２２を有するガスタービンエンジン２０が図示されている。高速／高圧圧縮機（ＨＰＣ）２２は、低速／低圧圧縮機（ＬＰＣ）２３からコア流路５００に沿って流れる空気を受けるとともに、燃焼室２４に空気を供給する。高速／高圧タービン部（ＨＰＴ）２５および低速／低圧タービン部（ＬＰＴ）２６は、コアの流路５００に沿って燃焼室２４の下流側に位置する。エンジンは、バイパス流路５０１に沿った空気を送るファン２８をさらに備える。別の実施例のエンジンは、他のシステムまたは構造のうち主だったものとして、およびオーグメンタ（図示せず）を備えていてもよい。

エンジン２０は、低速スプールおよび高速スプールを備える。低速および高速スプールは、エンジンの長手方向の中心軸つまり中心線５０２を中心に回転するように、複数のベアリングシステムを介してエンジンの静止構造物に取り付けられている。低速シャフト２９は、低速／低圧圧縮機（ＬＰＣ）および低速／低圧タービン部（ＬＰＴ）のロータおよびブレードを支持し、低速スプールを形成する。低速シャフト２９は、（例えば、溶接により）完全にまたは部分的に一体化したアッセンブリであってもよい。低速シャフト２９は、エピサイクリックトランスミッション３０によりファン２８に連結され、低速スプールより低速でファンを駆動する。高速スプールは、高速／高圧圧縮機（ＨＰＣ）および高速／高圧タービン部（ＨＰＴ）のロータおよびブレードを支持する。

図２は、低速シャフト２９の後方部分３３にわたって取り付けられたＬＰＴロータスタック３２が図示されている。例示的なロータスタック３２は、前方／上流側から後方／下流側に向かって、例示的な３つのブレードディスク３４Ａ〜３４Ｃを備え、各々のディスクは、対応するブレード段３６Ａ〜３６Ｃを（例えば、相補的なスロットにモミの木形状のブレードルート部３７を係合させ）それぞれ支持する。複数のベーン段３８Ａ〜３８Ｃは、コア流路５００に沿って、ブレード段と交互に並び連続的に配置されている。ベーンは、エアフォイルを有する。このエアフォイルは、コア流路の外側壁４０の一部として形成された外側シュラウド／プラットフォーム３９のルート部から、コア流路内側壁４３の一部を形成する内側プラットフォーム４２まで半径方向内側に延びている。第２のベーン段３８Ｂおよび第３のベーン段３８Ｃのプラットフォーム４２は、内側に延びるフランジを有し、そのフランジに、段を有するハニカムシール４４が（例えば、ねじまたは他の締め具により）取り付けられている。

実施例においては、ディスク３４Ａ〜３４Ｃの各々は、実質的に環状のウエブ５０Ａ〜５０Ｃを有する。ウエブ５０Ａ〜５０Ｇは、“ボア（ｂｏｒｅ）”として知られる内側の環状の隆起部分５２Ａ〜５２Ｃから、モミの木形状のスロット５５の列を有する外側周縁部５４に向かって半径方向外側に延びている。ボア５２Ａ〜５２Ｃは、ディスクの中央開口部を取り囲んでおり、その中を低速シャフト２９の一部分３３が隙間を備えて円滑に通過している。別の実施例においては、周縁部５４とともに予め単体として（例えば、連続的な微細構造を備えた単一の部品として）ブレードを形成してもよいし、完全な単体としてではなく（例えば、破壊によってのみ取り外しが可能なように溶接により）ブレードを一体的に形成してもよい。

外側スペーサ６２Ａ，６２Ｂにより、互いに隣接するペアとなるディスク３４Ａ〜３４Ｃがそれぞれ連結される。例示的なエンジンでは、スペーサ６２Ａ，６２Ｂは、隣接するディスクとは別々に形成される。外側スペーサ６２Ａ，６２Ｂは、隣接するディスクの隣接部分（例えば、周縁部５４など）に接触係合する端部をそれぞれ有する。別の実施例におけるスペーサは、隣接するディスクの一方と（例えば、単体として形成されるか、あるいはディスクに溶接されて）一体的に形成され、他方のディスクとの接触係合部まで延びていてもよい。

例示的なエンジンにおいては、（例えば、Ｓｕｃｉｕらの出願において記載されているように）スペーサ６２Ａ，６２Ｂは、外側に向かってくぼんでいる。隣接ディスクの周縁部との接触係合は、遠心力によりスペーサの断面が平坦に近づくので、速度とともに増加する長手方向の係合力を生じさせる。例示的なスペーサ６２Ａ，６２Ｂは、外側面を備えており、そこから、１つまたは複数の環状のシール歯部（例えば、前方歯部６３および後方歯部６４）が、隣接するハニカムシール４４の隣接部分と近接シールとなるように半径方向外側に延びている。

したがって、スペーサ６２Ａ，６２Ｂの各々により、外側／外部の環状ディスク間キャビティ６６（ハニカムシール４４およびそれに対応する取付具を収容している部分）から内側／内部の環状ディスク間キャビティ６５が隔てられている。

付加的なディスク間の継手（カップリング）が、ディスク３４Ａ〜３４Ｃの間に設けられている。図２では、対応するスペーサ６２Ａ，６２Ｂの半径方向内側に位置する継手７０Ａ，７０Ｂが図示されている。継手７０Ａ，７０Ｂにより、隣接するボアの間に位置するディスク間キャビティ７２から対応する環状のディスク間キャビティ６５が隔てられている。例示的な継手７０Ａ，７０Ｂの各々は、前方に位置するディスクから後方に向かってに延びているリング状の第１管状構造部７４と、後方に位置するディスクから前方に向かってに延びているリング状の第２管状構造部７６と、を備える（図３参照）。例示的な管状構造部７４，７６の各々は、対応する個々のディスクと単体として一体的に形成されており、ディスクのウエブとボアとの接合部付近からそれぞれ後方および前方に向かって延びている。

管状構造部７４の後方リムおよび管状構造部７６の前方リムにおいて、管状構造部は、円周方向の列をなす互いに嵌合する放射状のスプラインつまり歯部７８を有する（図３参照）。図示された例示的な歯部７８は、半径方向のスパンとほぼ等しい長手方向のスパンと、多少長い円周方向のスパンと、を有する。例示的な歯部７８は、端部つまり先端部８２まで延びている先細りのテーパ状をなす側面８０を有する。例示的なエンジンにおいては、管状構造部７４，７６のうち一方の各歯部の側面８０は、管状構造部７４，７６の他方の隣接する歯部の隣接の側面と接触する。例示的なエンジンにおいては、各歯部の端部８２とこれに対向する管状構造部の谷部における底部８４との間にギャップを備える。このギャップにより、周方向の係合を強化する長手方向の圧縮力の増加が許容され、２つの管状構造部が堅固に係合して維持され得る。例示したスプライン機構の代わりに、スナップ式継手、湾曲した継手または他のスプライン機構を用いてもよい。
例示的なエンジンにおいては、継手７０Ａ，７０Ｂは、隣接するディスク間の主要な圧縮経路に沿って、長手方向の圧縮力および長手方向のトルクの大部分を伝える。スペーサ（継手）６２Ａ，６２Ｂを介して、これよりも非常に少ない長手方向の力が伝えられ、この力は、ディスクの位置を維持するとともに、ディスクの振動を安定させるように主に機能する。パッケージング上の制限により、力の伝達の低下が生じ得る。例示的なエンジンにおいては、対応するボア５２Ａから前方に延びている前方ハブ９０および対応するボア５２Ｃから後方に延びている後方ハブ９２により、シャフト２９と係合するＬＰＴロータの前方端部および後方端部が形成される。このようにハブ９０，９２が相補的に半径方向内側に位置することにより、相対的に外側の位置での力の伝達が影響を受ける。ハブを外側に移動しようとすると、長手方向の大きさが増し、それにより、パッケージングおよび他の問題が生じる。したがって、継手７０Ａ，７０Ｂは、ディスクのボア５２Ａ，５２Ｃとハブ９０，９２との結合部付近の半径方向位置に有利に配置される。

継手によって伝達される主な圧縮およびトルクが比較的内側に位置することで、別の形態に比較して、設計の可能性および利点が提供される。ギア減速式ターボファンの使用は、ファンの設計速度と低速スプールの設計速度とを無関係なものとする。これにより、低速スプールの速度を増加させる可能性が生じる。そのような増加した速度（例えば、９〜１０，０００ｒｐｍの範囲の典型的な運転速度）には、負荷の増加が伴う。増加した負荷に抵抗するために、外側の重量、例えば、ディスクを互いに連結し、トルクおよび力を伝える外側のフランジおよびボルトなどを減少させることが望ましい場合がある。スプールを３本備えたエンジン（例えば、ファンが低速スプールに直接連結されているエンジン）の中間スプールのタービン部において、同様の可能性が生じる。

例示的なエンジンにおいては、低速シャフト２９は、中心の引張固定具として用いられ、圧縮力でロータ３２のディスクを保持する。ディスクは、前方から後方にシャフト２９に取り付けられる（例えば、まずディスク３４Ａを取り付け、次にスペーサ６２Ａ、ディスク３４Ｂ、スペーサ６２Ｂ、ディスク３４Ｃを順に取り付け、スタックを圧縮し、ロックナットまたは他のエレメント９６（図２参照）を取り付けて、スタックを予圧状態にしておく）。

ディスクの外側周縁部におけるロータスタックの締め付けは、いくつかの方法で行うことができる。スペーサ６２Ａ，６２Ｂの外側へのくぼみにより、スペーサ６２Ａ，６２Ｂを通る二次的な圧縮経路に沿って、速度に応じて増加する長手方向の圧縮力が生じる。さらに、静止状態では、前方ディスク３４Ａおよび後方ディスク３４は、それぞれ前方および後方に皿状に撓んでいる。回転すると、遠心力により、ディスク３４Ａ，３４Ｃがまっすぐになり、ディスク３４Ａ，３４Ｃの周縁部５４が長手方向内側（すなわち、それぞれ後方および前方）に移動する。この傾向は、スペーサ６２Ａ，６２Ｂの平坦化しようとする作用に少なくとも部分的に抵抗する。少なくとも部分的にこの平坦化に抵抗することにより、相対的に広い速度範囲にわたり、ハニカムシール４４との良好なシールが実現される。

前述の原理を、現存のエンジン形態の再構成、または新しく設計する工程において適用してもよい。種々の設計技術を用いてもよい。種々の設計技術には、模擬実験および実際のハードウェア試験が含まれる。模擬実験／試験は、静止状態および１つまたは複数のゼロを超える速度条件下で行われる。ゼロを超える速度条件は、定常状態の運転条件および過渡条件の一方または両方を含んでいてもよい（例えば、加速、減速およびそれらの組み合わせ）。模擬実験／試験は、繰り返し行われる。繰り返し行われる模擬実験／試験には、
スペーサの厚さ、スペーサの曲率または他の形状のパラメータ、ベーンのシール形状のパラメータ、静止状態のシールとスペーサの距離（シールとスペーサの特定の位置を変更することも含んでいてもよい）などのスペーサ６２Ａ，６２Ｂのパラメータを変更することが含まれる。繰り返し行われる模擬実験／試験には、管状構造部７４，７６の厚さ形状、歯部７８のサイズと幾何学形状、継手の半径方向の位置などの継手７０Ａ，７０Ｂのパラメータを変えることが含まれる。

本発明の１つまたは複数の実施例の説明がなされた。しかしながら、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更形態がなされることが理解されるであろう。例えば、従来のエンジン形態の再設計品として適用する場合、従来形態の詳細は、あらゆる特定の実施態様に影響を及ぼす場合がある。したがって、他の実施例は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。

ガスタービンエンジンの長手方向に亘る部分断面図。 図１のエンジンの低圧タービンロータスタックの長手方向に亘る部分断面図。 図２のスタックの２つのディスクの嵌合するスプラインの放射状の図。

Claims (14)

1. 中央開口部から外側周縁部まで半径方向にそれぞれ延びている第１のディスク（３４Ａ，３４Ｂ）および第２のディスク（３４Ｂ，３４Ｃ）と、
   前記第１のディスクと前記第２のディスクとの間でトルクおよび長手方向の圧縮力を伝える継手（６２Ａ，７０Ａ，６２Ｂ，７０Ｂ）と、
   を備え、前記継手は、
   前記トルクの大部および前記圧縮力の大部分を伝える第１の手段（７０Ａ，７０Ｂ）と、
   前記第１の手段の半径方向外側に位置するとともに、前記第１のディスクおよび前記第２のディスクの振動を安定させる第２の手段（６２Ａ，６２Ｂ）と、を備え、
   前記第１の手段は、前記第１のディスクおよび前記第２のディスクにそれぞれ設けられた互いに嵌合する第１および第２の複数の歯部（７８）を備え、
   前記第２の手段は、外側に向かって長手方向にくぼんだ部分を有するスペーサを含み、前記外側に向かって長手方向にくぼんだ部分が、前記第１のディスクおよび前記第２のディスクの回転速度の増加とともに前記スペーサに亘る長手方向の力を増加させるのに効果的な厚さおよび長手方向の範囲を備えることを特徴とするタービンエンジン。
2. 前記第１の複数の歯部が、前記第１のディスクのウエブ（５０Ａ，５０Ｂ）から後方に延びるとともに、前記ウエブと一体的に形成されている第１のスリーブ（７４）の後方リムに位置し、
   前記第２の複数の歯部が、前記第２のディスクのウエブ（５０Ｂ，５０Ｃ）から前方に延びるとともに、前記ウエブと一体的に形成されている第２のスリーブ（７６）の前方リムに位置し、
   前記第１のディスクおよび前記第２のディスクが、前記第１のスリーブおよび前記第２のスリーブの内側に内側環状隆起部（５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ）をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記第１の手段、前記第２の手段および中央の引張シャフト（２９）が、前記第１のディスクと前記第２のディスクとの間に実質的に唯一の構造的な連結をもたらすことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
4. 前記エンジンが、低速／低圧タービン部（２６）を備え、
   前記第１のディスクおよび前記第２のディスクが、前記低速／低圧タービン部に位置することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
5. 前記エンジンが、減速式ターボファンエンジンであることを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
6. 前記第１のディスクおよび前記第２のディスクの各々の中央開口部を通って延びるとともに、前記第１のディスクおよび前記第２のディスクに対して実質的に回転しない引張シャフト（２９）をさらに備える請求項１に記載のエンジン。
7. 前記第１のディスクと前記第２のディスクとの間にベーン段（３８Ａ，３８Ｂ）をさらに備え、
   前記ベーン段が、
   複数のベーンエアフォイルと、
   前記ベーンエアフォイルの半径方向内側に位置して、前記の継手の第２の手段との間をシールするシール部（４４）と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
8. 中央開口部から外側周縁部に半径方向に延びている第３のディスクと、
   前記第３のディスクと前記第２のディスクとの間でトルクおよび長手方向の圧縮力を伝える第２の継手と、
   をさらに備え、
   前記第２の継手は、
   前記トルクの大部分および前記圧縮力の大部分を伝える第１の手段と、
   前記第１の手段の半径方向外側に位置し、前記第１のディスクおよび前記第２のディスクの振動を安定させる第２の手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
9. 長手方向に圧縮して前記第１のディスクおよび前記第２のディスクを保持する中心から外れた円周方向に並んだ連結部材を備えていないことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
10. 前記第１のディスクおよび前記第２のディスクを直接固定する留め具を備えていないことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
11. 中央シャフトと、
    前記シャフトを囲む中央開口部をそれぞれ有するとともに、隣接するペアの間に環状キャビティを画定する複数のブレードディスクと、
    前記ブレードディスクの間に広がる複数のベーン段と、
    前記複数のディスクの中の第１のディスクと第２のディスクとを連結する放射状のスプライントルク継手と、
    スペーサと、
    を備え、
    前記スペーサは、
    第１のディスクおよび前記第２のディスクの回転速度の増加に伴って、前記スペーサに亘る長手方向の力を増加させるのに効果的な外側方向へくぼんだ長手方向の断面外形と、
    半径方向外側に延びて、前記ベーン段の１つとともにシールする少なくとも１つのシールエレメント（６３，６４）と、
    を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
12. 前記ベーン段の前記の１つに位置して、前記シールエレメントとともにシールするハニカムシール手段（４４）をさらに備える請求項１１に記載のエンジン。
13. 前記第１のディスクおよび前記第２のディスクが、タービン部のディスクであることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。
14. 前記エンジンが、減速式ターボファンエンジンであることを特徴とする請求項１１に記載のエンジン。

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