JP4841222B2 - 逆回転タービンエンジンおよびそれを組み立てる方法 - Google Patents

逆回転タービンエンジンおよびそれを組み立てる方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、航空機ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、逆回転ガスタービンエンジンに関する。
少なくとも1つの知られているガスタービンエンジンは、シリアルフロー構成で、機首ファンアセンブリと、機尾ファンアセンブリと、エンジンを通って流れる空気を圧縮するための高圧圧縮機と、燃料を圧縮空気と混合し、それにより混合物に点火することができるようにする燃焼器と、高圧タービンとを含む。高圧圧縮機、燃焼器、および高圧タービンは、時として、一括してコアエンジンと呼ばれる。動作時、コアエンジンは、燃焼ガスを発生し、このガスが、逆回転低圧タービンまで下流に放出され、低圧タービンが、そこからエネルギーを抽出して、機首および機尾ファンアセンブリに動力供給する。少なくともいくつかの知られているガスタービンエンジン内部で、少なくとも1つのタービンが、エンジン内部の他の回転構成要素とは逆の方向に回転する。
少なくとも1つの知られている逆回転低圧タービンは、高圧タービン放出の半径よりも大きい入口半径を有する。入口半径のサイズが大きいことにより、低圧タービンは追加のステージを収容することができる。具体的には、少なくとも1つの知られている逆回転低圧タービンは、機首ファンアセンブリに回転可能に結合された第1の数量の低圧ステージを有する外側タービンと、機尾ファンアセンブリに回転可能に結合された同数のステージを有する内側タービンとを含む。
動作中、比較的複雑な潤滑システムを利用して、機首および機尾ファンアセンブリ、ならびに低圧タービンに潤滑が提供される。そのような潤滑システムは、例えば、機首および機尾ファンアセンブリ、ならびに低圧タービンを支持する複数の軸受に潤滑流体を供給するように設計されている。しかし、機首および機尾ファンアセンブリ、ならびに低圧タービンを潤滑するために、少なくとも1つの知られているガスタービンエンジンは、逆の回転方向に回転している複数の回転構成要素の周りに潤滑流体を導くように構成されている。したがって、逆回転ガスタービンエンジン内部での機首および機尾ファンアセンブリ、ならびに低圧タービンの潤滑を可能にする潤滑システムを設計し、実装することは、ガスタービンエンジンの全重量の増大をもたらす場合があり、これは、それに関連する、ガスタービンエンジンの製造および組立ての費用の増加をもたらす場合がある。
米国特許6,763,652号公報
一態様では、ガスタービンエンジンを組み立てるための方法が提供される。この方法は、第1の回転方向に回転するように構成された第1のファンアセンブリを提供するステップと、第1のファンアセンブリに第2のファンアセンブリを回転可能に結合するステップであって、第2のファンアセンブリが、第1の回転方向とは逆の第2の回転方向に回転するように構成されるステップと、第1のファンアセンブリ、および第1の回転方向に回転するように構成された第1のタービン回転子に第1のシャフトを結合するステップと、第2のファンアセンブリ、および第1の回転方向とは逆の第2の回転方向に回転するように構成された第2のタービン回転子に第2のシャフトを結合するステップと、潤滑流体が、第1のシャフトを通して導かれて、第1および第2のファンアセンブリの少なくとも1つを潤滑するように、ガスタービンエンジンに潤滑システムを結合するステップとを含む。
別の態様では、ガスタービンエンジンが提供される。このガスタービンエンジンは、第1の回転方向に回転するように構成された第1のファンアセンブリと、第1のファンアセンブリに回転可能に結合され、第1の回転方向とは逆の第2の回転方向に回転するように構成された第2のファンアセンブリと、第1のファンアセンブリ、および第1の回転方向に回転するように構成された第1のタービン回転子に結合された第1のシャフトと、第2のファンアセンブリ、および第1の回転方向とは逆の第2の回転方向に回転するように構成された第2のタービン回転子に結合された第2のシャフトと、潤滑流体が第1のシャフトを通して導かれて、第1および第2のファンアセンブリの少なくとも1つを潤滑するように、ガスタービンエンジンに結合された潤滑システムとを含む。
図1は、長手方向中心線軸13の周りに配設された機首ファンアセンブリ12と機尾ファンアセンブリ14とを含む例示ガスタービンエンジン10の一部分の断面図である。用語「機首ファン」および「機尾ファン」は、本明細書では、ファンアセンブリ12がファンアセンブリ14よりも軸方向で上流に結合されていることを示すために使用する。一実施形態では、ファンアセンブリ12および14は、例示されているように、ガスタービンエンジン10の前端部に位置決めされる。代替実施形態では、ファンアセンブリ12および14は、ガスタービンエンジン10の後端部に位置決めされる。ファンアセンブリ12および14はそれぞれ、複数列のファンブレード15および16を含み、それらは、ナセル17の内部に位置決めされている。ブレード15および16は、当該の回転子円板18および19に結合され、円板18および19は、当該のファンシャフト20を介して機首ファンアセンブリ12に、かつファンシャフト22を介して機尾ファンアセンブリ14に回転可能に結合されている。
また、ガスタービンエンジン10は、ファンアセンブリ12および14よりも下流にあるコアエンジン24を含む。コアエンジン24は、高圧圧縮機(HPC)26と、燃焼器28と、コア回転子またはシャフト32を介してHPC26に結合された高圧タービン(HPT)30とを含む。動作時、コアエンジン24が燃焼ガスを発生し、このガスが、逆回転低圧タービン34まで下流に導かれ、タービン34が、ガスからエネルギーを抽出して、当該のファンシャフト20および22を介してファンアセンブリ12および14に動力供給する。
低圧タービン34は、高圧タービン30よりも下流でコアエンジン24に結合された固定外部ケーシング36を含む。低圧タービン34は、外部ケーシング36の半径方向内側に位置決めされた半径方向外側回転子38を含む。外側回転子38は、概して円錐台の形状を有し、半径方向内側に延在する複数の円周方向で離隔された回転子ブレード40を含む。ブレード40は、軸方向に離隔されたブレードの列またはステージ41の形で配列されている。例示実施形態は4つのステージ41のみを例示しているが、本明細書で説明する方法および装置の範囲に影響を及ぼすことなく、外側回転子38が任意の数量のステージ41を有することができることを理解されたい。
また、低圧タービン34は、外側回転子38に関して実質的に同軸に、かつ外側回転子38の半径方向内側に位置合わせされた半径方向内側回転子42を含む。内側回転子42は、複数の円周方向離隔回転子ブレード43を含み、ブレード43は、半径方向外側に延在し、軸方向に離隔された列44の形で配列されている。例示実施形態は4つのステージのみを例示しているが、本明細書で説明する方法および装置の範囲に影響を及ぼすことなく、内側回転子42がブレード43の列44を任意の数量だけ有することができることを理解されたい。例示実施形態では、内側回転子42は、タービン中央フレーム46に回転可能に結合され、外側回転子38は、タービン後部フレーム48に回転可能に結合されている。
例示実施形態では、ステージ44から延在する内側回転子ブレード43は、ステージ41から延在する外側回転子ブレード40と軸方向で交互嵌合されており、内側回転子ステージ44が当該の外側回転子ステージ41の間に延在するようになっている。したがって、ブレード40と43は、回転子38と42が逆回転できるように構成されている。
図2は、ガスタービンエンジン10の機首部分の断面図である。図3は、ガスタービンエンジン10の機尾部分の断面図である。例示実施形態では、ガスタービンエンジン10は、さらに、第1のファン軸受アセンブリ50と、第2のファン軸受アセンブリ60と、第3のファン軸受アセンブリ70と、第4のファン軸受アセンブリ80と、第1の低圧タービン軸受アセンブリ90と、第2の低圧タービン軸受アセンブリ100と、第3の低圧タービン軸受アセンブリ110とを含む。第1のファン軸受アセンブリ50は、軸受レース52と、軸受レース52に結合されたローリング要素54とを含む。第2のファン軸受アセンブリ60は、軸受レース62と、軸受レース62に結合された転動体64とを含む。例示実施形態では、ファン軸受アセンブリ50および60は、それぞれ機首ファンアセンブリ12および機尾ファンアセンブリ14を比較的固定された軸方向位置で維持するように構成されたスラスト軸受である。第3のファン軸受アセンブリ70は、軸受レース72と、軸受レース72に結合された転動体74とを含む。第4のファン軸受アセンブリ80は、軸受レース82と、軸受レース82に結合された転動体84とを含む。例示実施形態では、ファン軸受アセンブリ70および80は、それぞれ機首および機尾ファンアセンブリ12および14を比較的固定された半径方向位置で維持するように構成されたころ軸受である。
第1の低圧タービン軸受アセンブリ90は、軸受レース92と、軸受レース92に結合された転動体94とを含む。例示実施形態では、軸受アセンブリ90は、シャフト22とタービン中央フレーム46との間に結合され、それにより、内側回転子42が、タービン中央フレーム46に回転可能に結合される。第2の低圧タービン軸受アセンブリ100は、軸受レース102と、軸受レース102に結合された転動体104とを含む。例示実施形態では、軸受アセンブリ100は、シャフト22とシャフト20との間に結合され、それにより、外側回転子38が、内側回転子42に、したがってタービン中央フレーム46に回転可能に結合される。第3の低圧タービン軸受アセンブリ110は、軸受レース112と、軸受レース112に結合された転動体114とを含む。例示実施形態では、軸受アセンブリ110は、シャフト22とタービン後部フレーム48との間に結合され、それにより、外側回転子38が、タービン後部フレーム48に回転可能に結合される。
また、ガスタービンエンジン10は、エンジンサンプ与圧システム120を含む。サンプ与圧システム120は、圧縮機26とファンフレームストラット支持体132との間に延在する第1のマニホルド130と、ファンフレームストラット支持体132と機尾ファンアセンブリ回転子/固定子インタフェース136との間に延在する第2のマニホルド134とを含み、軸受アセンブリ50の軸方向機首側にそれぞれ結合されている逆回転シール138および回転子/固定子インタフェースシール140への与圧を容易にする。より具体的には、マニホルド130は、圧縮機26およびファンフレームストラット支持体132に結合され、それにより、圧縮機26から放出された圧縮空気が、ファンフレームストラット支持体132を通って、マニホルド134内に導かれる。
動作中、次いで、圧縮空気は、第2のマニホルド134を通って、それぞれ軸受レース52および72と回転子/固定子インタフェース136との間に画定された空洞142内に導かれる。次いで、圧縮空気は、軸受レース52を通して形成された開口56と、軸受レース72を通して形成された開口76とを通して導かれて、それぞれ軸受アセンブリ50および70への与圧を容易にする。
例示実施形態では、サンプ与圧システム120は、シャフト20と22の間に画定された第1の空洞150と、シャフト22から半径方向外側に画定された第2の空洞152とを含む。より具体的には、各当該の軸受アセンブリ50および70から通気された圧縮空気が、それぞれ当該の空洞150および152内に導かれる。追加のサンプ与圧空気は、シャフト32と22の間に画定された空洞154を通して軸方向で機尾側に導かれ、シャフト20と22の間で軸方向で機首側に戻る。軸方向機尾側に導かれた与圧空気は、それぞれ軸受アセンブリ88、90、100、および110への与圧を容易にする。より具体的には、空洞154内部の圧縮空気の第1の部分が、シャフト22を通して画定された開口160を通して導かれて、軸受アセンブリ100への与圧を容易にする。空気の第2の部分は、タービン中央フレーム46を通して画定された開口162を通して、さらに、どちらも第2のシャフト22を通して画定された第2の開口164および第3の開口166を通して導かれて、それぞれ軸受100および110への与圧を容易にする。
動作中、各当該の軸受アセンブリ50および70から通気された空気は、それぞれ空洞150および152内に導かれる。次いで、放出された空気は、空洞150および152から、それぞれ軸受アセンブリ60および80に導かれる。次いで、軸受アセンブリ80からの使用済空気は、シャフト22内部に画定された少なくとも1つの開口170および/または172を通して、空洞152内へ、軸受アセンブリ60まで導かれる。
次いで、軸受アセンブリ60および80からの使用済空気は、ファンフレームストラット支持体132を通して放出される。さらに、各当該の軸受アセンブリ90、100、および110から通気された空気は、タービンサンプ通気マニホルド174を介して、タービン中央フレーム46および/またはタービン後部フレーム48を通して放出される。
図4は、エンジン潤滑システム200を含むガスタービンエンジン10の機首部分の断面図である。図5は、エンジン潤滑システム200を含むガスタービンエンジン10の中央部分の断面図である。図6は、エンジン潤滑システム200を含むガスタービンエンジン10の機尾部分の断面図である。例示実施形態では、潤滑システム200は、潤滑油供給/排油ポンプ(図示せず)に結合された第1の供給マニホルド202を含む。供給マニホルド202は、それぞれ軸受アセンブリ60および70に潤滑油を供給する複数の噴射口210に結合されている。より具体的には、供給マニホルド202は、ファンフレーム214と潤滑油供給/排油ポンプとの間に結合された第1の部分212と、第1の部分212と軸受アセンブリ70との間に結合された第2の部分216と、供給マニホルド202に結合された第3の部分218とを含む。例示実施形態では、潤滑油は、マニホルド202から第2の部分216を通して導かれ、噴射口220を通して放出されて、軸受アセンブリ70の潤滑を容易にする。ほぼ同時に、潤滑油は、マニホルド202から、第3の部分218を通して導かれ、噴射口222を通して放出されて、軸受アセンブリ60の潤滑を容易にする。
例示実施形態では、ガスタービンエンジン10は、さらに、それぞれ軸受アセンブリ88および90の潤滑を容易にするための供給マニホルド230と、軸受アセンブリ50、80、および110の潤滑を容易にするための供給マニホルド240とを含む。供給マニホルド230は、噴射口234に結合された第1の部分232を含み、噴射口234は、そこを通して、それぞれ軸受アセンブリ88および90上に潤滑油を噴射するように構成されている。供給マニホルド240は、マニホルド240に結合された第1の部分242と、第1の部分242に結合された第2の部分244と、第1の部分242に結合された第3の部分246とを含む。例示実施形態では、第2の部分244は、軸受アセンブリ110上に潤滑油を噴射するように構成された噴射口250を含む。例示実施形態では、第3の部分246は、シャフト20内部に結合されたマニホルド260に結合されて、マニホルド240から軸方向機首側への潤滑油の誘導を容易にし、それぞれ軸受アセンブリ50および80の潤滑を容易にする。
動作中、潤滑油は、潤滑油供給/排油ポンプから、それぞれマニホルド202、230、および240を通して導かれる。より具体的には、供給マニホルド202を通して導かれた潤滑油は、噴射口220および222を通して導かれて、それぞれ軸受アセンブリ70および60の潤滑を容易にする。例示実施形態では、噴射口220を通して導かれた潤滑油の一部が、軸受レース72を通して画定された開口を通して導かれ、噴射口220を通して導かれた潤滑油の第2の部分が、軸受転動体74上に直接噴射される。供給マニホルド230を通して導かれた潤滑油は、噴射口234を通して放出されて、それぞれ軸受アセンブリ88および90の潤滑を容易にする。より具体的には、供給マニホルド230を通して導かれた潤滑油は、それぞれ軸受アセンブリ88および90上に潤滑油が直接噴射されるように噴射口234を通して放出される。
例示実施形態では、供給マニホルド240は、潤滑油を第3の部分246を通してマニホルド260に導き、マニホルド260は、シャフト20内部に結合されており、それぞれ軸受アセンブリ50および80を潤滑するために潤滑油をマニホルド240から軸方向機首側に導くのを容易にする。より具体的には、動作中、ガスタービンエンジン10が回転すると、マニホルド260を通して導かれた潤滑油が、シャフト20に結合された延長円錐体264の内面として画定された空洞262内に放出される。エンジン10が回転すると、潤滑油は、遠心力により、半径方向外側に押し進められる。油は、円錐体264の内側表面266に集まり、または溜まり、そこで潤滑油は、軸受レース52内部の開口270を通して導かれて、軸受アセンブリ50の潤滑を容易にする。より具体的には、円錐体264が先細りになっているので、潤滑油は、軸受アセンブリ50に向けて軸方向機首側に導かれ、次いで油は、開口270を通して導かれて、軸受アセンブリ50の潤滑を容易にする。また、油の第2の量が、シャフト20を通して画定された開口280を通して、かつ軸受レース82内部の開口282を通して導かれて、軸受アセンブリ80の潤滑を容易にする。
軸受アセンブリ50が潤滑された後、使用済油は、シャフト22内部に画定された開口300を通して空洞152内に導かれる。また、使用済油は、軸受アセンブリ80から、複数の開口170および172を通して空洞152内に導かれる。ガスタービンエンジン10が回転しているので、遠心力が、開口170および172を通して半径方向外側に、構造部材312の内面310に向けて潤滑油を押し進め、そこで潤滑油は、部材312に沿って機尾方向に導かれて、ファンフレーム214内部に画定された開口314を通って潤滑油供給/排油ポンプに戻る。さらに、軸受アセンブリ60が潤滑された後、使用済油は、少なくとも1つの開口を通して空洞152内に導かれ、軸受アセンブリ70が潤滑された後、使用済油は、開口184を通して構造部材312の内面310に向けて導かれ、そこで潤滑油は、部材312に沿って機尾方向に導かれて、ファンフレーム214内部に画定された開口314を通って潤滑油供給および排油ポンプに戻る。さらに、軸受アセンブリ88、90、および110が潤滑された後、使用済油はやはり、潤滑油供給および排油ポンプに戻るように導かれる。軸受アセンブリ100が潤滑された後、使用済油は、第1の開口320を通して、かつ第2の開口322を通して導かれて、潤滑油供給および排油ポンプに戻る。
本明細書で説明したガスタービンエンジンは、逆回転低圧タービンと、第1のファンアセンブリ、および第1のファンアセンブリとは逆の回転方向に回転する第2のファンアセンブリとを含む。また、ガスタービンエンジンは、潤滑システムおよびサンプ与圧システムを含む。潤滑システムは、回転するファンアセンブリの一部を通して油を導いて、第1および第2のファンアセンブリを支持するために使用される様々な軸受アセンブリへの潤滑油の供給を容易にし、かつファンシャフトを通して油を導いて、第1および第2のファンアセンブリを支持するために使用される様々な軸受の潤滑を容易にするように構成されている。また、ガスタービンエンジンは、様々な低圧タービン軸受の潤滑を容易にするために、タービン後部フレームを通して潤滑油を導くように構成された潤滑システムを含む。サンプ与圧システムは、逆回転ファンアセンブリの少なくとも1つのステージを通して圧縮機から圧縮空気を導くことによって、様々な軸受サンプを与圧するように構成されている。したがって、本明細書で説明した潤滑および与圧システムは、ベーンレス逆回転ファンアセンブリをわたる潤滑油および圧縮空気の誘導の提供を容易にし、それにより、ファン軸受アセンブリの潤滑および与圧の両方に必要とされる配管の量を低減する。
ガスタービンシステムの例示実施形態を上で詳細に説明した。ガスタービンシステムは、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されず、システムの構成要素を、本明細書で説明した他の構成要素とは無関係に、個別に利用することができる。また、各システム構成要素を、他のシステム構成要素と組み合わせて使用することもできる。
本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、特許請求の範囲の精神および範囲内で修正を加えて本発明を実施することができることが当業者には理解されよう。
例示ガスタービンエンジンの一部の断面図である。 図1に示されるガスタービンエンジンと共に使用することができる機首サンプ与圧システムの断面図である。 図1に示されるガスタービンエンジンと共に使用することができる機尾サンプ与圧システムの断面図である。 エンジン潤滑システムを含む図1に示されるガスタービンエンジンの機首部分の断面図である。 エンジン潤滑システムを含む図1に示されるガスタービンエンジンの中央部分の断面図である。 エンジン潤滑システムを含む図1に示されるガスタービンエンジンの機尾部分の断面図である。
符号の説明
10 ガスタービンエンジン
12、14 ファンアセンブリ
15、16 ファンブレード
20、22 ファンシャフト
26 高圧圧縮機
28 燃焼器
30 高圧タービン
34 低圧タービン
38、42 回転子
40、43 回転子ブレード
50、60、70、80 ファン軸受アセンブリ
90、100、110 低圧タービン軸受アセンブリ
120 サンプ与圧システム
174 タービンサンプ通気マニホルド
200 エンジン潤滑システム

Claims (7)

  1. 第1の回転方向に回転するように構成された第1のファンアセンブリ(12)と、
    前記第1のファンアセンブリに回転可能に結合され、前記第1の回転方向とは逆の第2の回転方向に回転するように構成された第2のファンアセンブリ(14)と、
    前記第1のファンアセンブリ、および第1の回転方向に回転するように構成された第1のタービン回転子(38)に結合された第1のシャフト(20)と、
    前記第2のファンアセンブリ、および前記第1の回転方向とは逆の第2の回転方向に回転するように構成された第2のタービン回転子(42)に結合された第2のシャフト(22)と、
    潤滑流体が前記第1のシャフトを通して導かれて、前記第1および第2のファンアセンブリの少なくとも1つを潤滑するように、ガスタービンエンジンに結合された潤滑システム(200)と
    を備えるガスタービンエンジン(10)。
  2. さらに、
    前記第1のファンアセンブリ(12)に結合された第1の軸受アセンブリ(50)と、
    前記第2のファンアセンブリ(14)に結合された第2の軸受アセンブリ(60)とを備え、前記潤滑システム(200)が、第1の供給マニホルド(202)を通して、前記第2の軸受アセンブリ(60)に潤滑流体を導く請求項1記載のガスタービンエンジン(10)。
  3. さらに、
    前記第のタービン回転子(42)に結合された第1のタービン軸受アセンブリ(90)と、
    前記第1のタービン回転子(38)と前記第2のタービン回転子(42)との間に結合された第2のタービン軸受アセンブリ(100)と、
    前記第のタービン回転子(38)とタービン後部フレーム(48)との間に結合された第3のタービン軸受アセンブリ(110)とを備え、前記潤滑システム(200)が、前記第1のタービン軸受アセンブリ、前記第2のタービン軸受アセンブリ、および前記第3のタービン軸受アセンブリに潤滑流体を導くように構成された請求項1記載のガスタービンエンジン(10)。
  4. 前記第1のファンアセンブリ(12)に結合された第1の軸受アセンブリ(50)と、
    前記第2のファンアセンブリ(14)に結合された第2の軸受アセンブリ(60)と、
    前記第1のファンアセンブリ(12)の半径方向位置を維持する第3の軸受アセンブリ(70)と、
    をさらに備え、
    前記潤滑システム(200)が、さらに、
    潤滑流体が前記第2及び第3の軸受アセンブリ(60、70)に導かれるように、前記ガスタービンエンジンに結合された第1の供給マニホルド(202)と、
    潤滑流体が前記第1のタービン軸受アセンブリ(90導かれるように、前記ガスタービンエンジンに結合された第2の供給マニホルド(230)と
    を備える請求項3記載のガスタービンエンジン(10)。
  5. さらに、前記潤滑システム(200)が前記第1のシャフト(20)を通して前記第2のタービン軸受アセンブリ(100潤滑流体を導くように、前記タービン後部フレーム(48)と前記第1のファンアセンブリ(12)との間に結合された第3の供給マニホルド(240)を備える請求項4記載のガスタービンエンジン(10)。
  6. 前記第1のシャフト(20)が、そこから延在する少なくとも1つの開口(280)を備え、それにより潤滑流体が、前記第3の供給マニホルド(240)から前記少なくとも1つの開口を通して導かれて、前記第1および第2のファンアセンブリ(12、14)の少なくとも1つを潤滑する請求項記載のガスタービンエンジン(10)。
  7. さらに、タービン中央フレーム(46)を通して空気を導いて、前記第1、第2、および第3のタービン軸受アセンブリ(90、100、110)の通気を容易にするように構成されたサンプ通気システム(174)を備える請求項記載のガスタービンエンジン(10)。
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