JP4975945B2 - ガスタービンエンジンのための二重反転可能なブースタ圧縮機組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンのための二重反転可能なファンセクション及び二重反転可能なブースタ圧縮機に関し、具体的には、それと一体のブースタ圧縮機の圧縮機ブレードを含む、二重反転可能なファンセクションのファンシャフト組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、より低いノイズ及びより高い作動効率でより大きな推力を達成するために、絶え間なく改善されている。１つの手法がバイパスターボファン式エンジンとして知られるようになり、このエンジンでは、空気流が、２つの分離された、同軸の空気流の流れに分割されるものである。外側の空気流の流れ（ここではバイパス流として知られる）は、エンジンのファンセクションのみによって加圧され、全体の推力の殆どをもたらすために利用され、内側の空気流の流れ（ここではブースタ流として知られる）は、ファン、コアエンジン及びタービンを通って流れ、該ファンを駆動する動力をもたらす。相対的なノイズが低い状態で、ファンの圧力比を上昇させ、ファンの効率を維持するために、ファンセクションは、二重反転可能なファンを構成するように反対方向に回転するファンブレードの２つの段又は列を含む。より低いノイズとより高い効率のために、ファンブレードの２つの列を軸線方向に離し、それらの間で伴流を減衰することを可能にすることが望まれるようになった。
【０００３】
ファンのブレード列の間隔に必要とされる余分な長さを削減するために、内側及び外側の空気流の流れは、ファンの段とファンの第２段の内径内に配置されたブースタ圧縮機との間の軸線方向の位置で分離される。バイパスターボファン式エンジンにおいて利用されたブースタ圧縮機の最初の構成は、ファンの第１段に応じて回転するロータブレードの種々の段、並びに、ロータブレードの各対の間に配置されたステータ羽根の段を含むものであった（例えば、特許文献１を参照）。その後、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４から分かるように、ブースタ圧縮機は、二重反転可能なファンの対応する段に応じて回転する、二重反転可能なブレード列又はセクションを有するように設計された。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−６５３６５号公報
【特許文献２】
特開昭６３−１３４８１７号公報
【特許文献３】
米国特許第５，３０７，６２２号公報
【特許文献４】
特開昭６３−１０６３３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ブースタ圧縮機の別々のブレード列を駆動することは、ある種の機械的な複雑さをもたらすことが分かった。更に、特に、ブースタ圧縮機を通る内側の空気流の流れは第２段のファンを通り抜けなければならないため、外側及び内側の空気流の流れのシール機能を必要以上に乱さない第２段のファンのための支持体が必要とされる。したがって、前述のことを考慮すると、第２段のファン及び対応するブースタ圧縮機ブレードの列の回転を単純化するための、二重反転可能なファンセクション及び二重反転可能なブースタ圧縮機が開発されることが望ましい。更に、ファンの第２段は、ブースタ圧縮機を通る内側の空気流の流れが該ファンの第２段のファンブレードを通り抜ける必要がないように取り付けられ、かつ構成されることが望ましい。
【０００６】
【発明を解決するための手段】
本発明の第１の例示的な実施形態において、二重反転可能なブースタ圧縮機を有するガスタービンエンジンにおける二重反転可能なファンセクションの第２段のためのファンシャフト組立体が、第１の端部において駆動シャフトに連結され、第２の端部においてファンセクションの第２段のファンブレードを保持するディスクに連結されたファンシャフト延長部（１００）と、第１の位置において該ファンシャフト延長部と一体で該二重反転可能なブースタ圧縮機のための内側流路の一部を形成する第１プラットフォーム部材（１１６）と、第２の位置において該ファンシャフト延長部と一体で該二重反転可能なブースタ圧縮機のための外側流路の一部を形成する第２プラットフォーム部材（１２０）と、該第１及び第２プラットフォーム部材の間に配置された複数の圧縮機ブレード（１３４）とを含み、該駆動シャフトが、該圧縮機ブレードと第２段のファンブレード（２２）とを同じ方向に回転させるようになっているものとして開示される。
【０００７】
本発明の第２の例示的な実施形態において、第１駆動シャフトに連結されたファンブレードの第１列（１６）と、該ファンブレードの第１列から軸線方向に間隔をおいて配置されかつ第２駆動シャフトに連結されたファンブレードの第２列（２２）とを備える二重反転可能なファンセクションを有するガスタービンエンジンのための二重反転可能なブースタ圧縮機組立体が開示される。二重反転可能なブースタ圧縮機組立体は、第１駆動シャフトに連結された第１圧縮機ブレード列（３８）と、第２駆動シャフトに連結されてファンブレードの第２列を駆動するファンシャフト延長部（１００）と、該ファンシャフト延長部と一体で該第１圧縮機ブレード列に対し互いに交互に配置された第２圧縮機ブレード列（４０）を形成する複数の圧縮機ブレード（１３４）とを含み、該第２駆動シャフト及び該ファンシャフト延長部が、該第２圧縮機ブレード列と該ファンブレードの第２列とを同じ方向に回転させるようになっているものとして示される。ファンシャフト延長部は更に、第１の位置において該延長部と一体で二重反転可能なブースタ圧縮機のための内側流路の一部を形成する第１プラットフォーム部材（１１６）と、第２の位置において該延長部と一体で二重反転可能なブースタ圧縮機のため外側流路の一部を形成する第２プラットフォーム部材（１２０）とを含み、各々の圧縮機ブレードが、該第１及び第２プラットフォーム部材の間に配置されている。
【０００８】
本発明の第３の例示的な実施形態において、高圧タービンを含む高圧セクション（２６）と、該高圧セクションの後方に配置され、第１及び第２駆動シャフトを回転させるように働く二重反転する低圧内側及び外側ロータを有する低圧タービン（４４）と、該高圧セクションより完全に前方にあり該第１駆動シャフトに連結されたファンブレードの第１列（１６）と該ファンブレードの第１列から軸線方向に間隔をおいて配置されかつ該第２駆動シャフトに連結されたファンブレードの第２列（２２）とを含む二重反転可能なファンセクションと、該第１駆動シャフトに連結された第１圧縮機ブレード列（３８）と該第１圧縮機ブレード列に対して互いに交互に配置されかつ該第２駆動シャフトに連結された第２圧縮機ブレード列（４０）とを含む二重反転可能なブースタ圧縮機とを含み、各低圧タービンロータが、それぞれファンのブレード列及び圧縮機ブレード列の両方を駆動するものとして開示される。第２圧縮機ブレード列の各圧縮機ブレードは、第２駆動シャフトとファンブレードの第２列とを連結するファンシャフト延長部と一体である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、図面においては図全体にわたって同一の参照番号が同じ構成要素を示しているが、この図面を詳しく参照すると、図１は、矢印１４によって表される周囲空気の吸気流を受けるファンセクション１２を有する例示的なターボファン式ガスタービンエンジン１０を示す。ファンセクション１２は、好ましくはファンブレードの第１列１８を有する第１段１６とファンブレードの第２列２２を有する第２段２０とを含む。典型的なバイパスターボファン構成において、ファンブレードの第１列１８は、ファンブレードの第２列２２の回転に対し反対方向に、すなわち逆方向に回転する。ファンの第１段１６及びファンの第２段２０は、ガスタービンエンジン１０を通って延びる中心軸線２４に関して所望の軸線方向距離だけ間隔をおいて配置されて、空気流に生じるいかなる伴流もその間で減衰するようにすることが好ましいことが分かるであろう。
【００１０】
ここでは中間コアエンジンとしても知られる高圧セクション２６が、ファンセクション１２の下流に配置され、ここで、空気流がガスタービンエンジンを通して与えられたとき、図の左側が上流側又は上流方向を表し、図の右側が下流側又は下流方向を表すことが図１から理解されるであろう。高圧セクション２６は、回転駆動されて該高圧セクション２６に入る空気を比較的高圧に加圧する高圧圧縮機２８と、該高圧圧縮機２８によって加圧された空気１４に燃料を混合し点火して、下流に流れる燃焼ガスを生成する燃焼器３０と、該燃焼ガスを受け、それによって回転駆動される高圧タービン３２とを含むことが理解されるであろう。次いで、高圧タービン３２は、該高圧タービン３２と高圧圧縮機２８とを相互に連結する高圧駆動シャフト３４を介して、高圧圧縮機２８を回転駆動する。高圧セクション２６は、単一ユニットとしてガスタービンエンジン１０の他の部品に対して、独立して交換することができるようなモジュール形態であることが好ましい。
【００１１】
ブースタ圧縮機３６は、高圧セクション２６の上流に配置されることが好ましく、ブースタ圧縮機ブレードの第１列３８と、該ブースタ圧縮機ブレードの第１列３８と互いに交互に配置されたブースタ圧縮機ブレードの第２列４０とを含む。ブースタ圧縮機３６は二重反転可能であり、この二重反転可能というのは第１のブースタ圧縮機ブレード列３８が、第２のブースタ圧縮機ブレード列４０の方向とは反対方向に回転することを意味する。ガスタービンエンジン１０は、第２のブースタ圧縮機ブレード列４０及びファンの第２段２０のファンブレード２２が、高圧圧縮機２８の回転に対し反対方向に回転して、ファンセクション１２の流入空気流の歪みに対するガスタービンエンジン１０の感度を減少させ、同時に他のロータにおける回転失速セルに対する相互感度も減少させるように設計されることが好ましい。出口案内羽根４２はファンの第２段２０と高圧圧縮機２８との間に設けられて、該高圧圧縮機２８への空気流の旋回をなくすのを助けることができる。
【００１２】
高圧タービン３２の下流に配置された二重反転可能な低圧タービン４４は、高圧タービン３２を通って流れる燃焼ガスを膨張させ、第１又は内側低圧駆動シャフト４６を用いてファンの第１段１６及び第１のブースタ圧縮機ブレード列３８を回転駆動し、第２又は外側低圧駆動シャフト４８を用いてファンの第２段２０及び第２のブースタ圧縮機ブレード列４０を回転駆動する機能を果たす。
【００１３】
更に具体的に述べると、低圧タービン４４は、後方の低圧内側円錐状延長部５２によって、第１内側低圧駆動シャフト４６に回転可能に取り付けられた環状の外側ドラムロータ５０を含む。外側ドラムロータ５０は更に、該外側ドラムロータから半径方向内向きに延び、互いに軸線方向に間隔をおいて配置された複数の第１の低圧タービンブレード列５４を含む。外側ドラムロータ５０は、低圧タービンブレード列５４の最終段５６から出て片持ち状にされており、後方の低圧内側円錐状シャフト延長部５２にボルト止めされている。低圧内側駆動シャフト４６は、この場合、前方の円錐状内側シャフト延長部５８によって、外側ドラムロータ５０をファンの第１段１６及びファンブレードの第１列１８に、駆動関係で連結していることが分かる。そして、第１のブースタ圧縮機ブレード列３８は、ファンの第１段１６を該第１のブースタ圧縮機ブレード列に連結するシャフト６０により、低圧内側駆動シャフト４６によって間接的に駆動され、第１段ファンブレード列１８及び第１のブースタ圧縮機ブレード列３８が、同じ方向に回転するようにされる。
【００１４】
低圧タービン４４はまた、後方の低圧円錐状外側シャフト延長部６４によって、第２外側低圧駆動シャフト４８に回転可能に取り付けられた環状の内側ドラムロータ６２を含む。内側ドラムロータ６２は更に、該内側ドラムロータから半径方向外向きに延び、互いに軸線方向に間隔をおいて配置された複数の第２の低圧タービンブレード列６６を含む。第１の低圧タービンブレード列５４は、第２の低圧タービンブレード列６６に対して、互いに交互に配置されることが好ましいことが理解されるであろう。内側ドラムロータ６２は、低圧タービンブレード列６６の最終段６８から出て片持ち状にされており、後方の低圧外側円錐状シャフト延長部６４にボルト止めされていることが分かるであろう。低圧外側駆動シャフト４８は、この場合、前方の円錐状外側シャフト延長部７０を用いて、内側ドラムロータ６２をファンの第２段１８及び第２段ファンブレード列２０に、駆動関係で連結していることが分かる。ここでより詳細に説明するが、第２のブースタ圧縮機ブレード列４０もまた、低圧外側駆動シャフト４８によって駆動され、第２段ファンブレード列２０及び第２のブースタ圧縮機ブレード列４０が同じ方向に回転するようにされ、これはファンの第１段１６及び第１のブースタ圧縮機ブレード列３８による回転方向と逆方向である。
【００１５】
矢印７２によって表される、ファン１２のための流路は、ファンケーシング７４とファンの第１段１６のためのハブ７６とによって形成される（図２参照）。流路７２は、次に、ファンの第２段２０の上流側において分割され、矢印７８によって表される外側部分がエンジン１０の残りの部分（ファンの第２段２０を通って流れることを除いて）をバイパスし、矢印８０によって表される内側部分が、ブースタ圧縮機３６の中にそして高圧圧縮機２８への入口ダクト８２の中に向けられるようにするのが好ましいことが分かるであろう。ここでより詳細に説明するが、スプリッタノーズ８４が流路７２を分割するために設けられていることが理解されるであろう。スプリッタノーズ８４と組み合わせて、内側バイパスプラットフォーム部材８６及び該内側バイパスプラットフォーム部材の下流に配置された壁８８が、ファンケーシング７４と共にバイパスダクト９０を維持するために設けられ、該バイパスダクト９０を通して外側流路部分７８が流れる。
【００１６】
図２及び図３で最もよく分かるように、ファンの第２段２０は、ファンブレード２２を保持するためのダブテールを有する通常のディスク９８を含むことが好ましい。ディスク９８は、全体を参照番号１００により示すファンシャフト延長部に連結され、次いで、該ファンシャフト延長部は前方の円錐状外側シャフト延長部７０に連結される。このようにして、この場合、ディスク９８及びファンブレード２２は、低圧外側駆動シャフト４８によって駆動される。
【００１７】
より具体的には、ファンシャフト延長部１００は、前方の円錐状外側シャフト延長部７０に連結された第１の端部１０４を有する第１又は内側環状部分１０２を含むことが好ましい。ファンシャフト延長部１００は更に、ボルト１１２及び据え込みナット１１４によって、ディスク９８の後方端から延びるフランジ１１０に連結された第２の端部１０８を有する第２又は外側環状部分１０６を含むことが好ましい。第１プラットフォーム部材１１６は、ファンシャフト延長部１００の第２の位置１１８において内側環状部分１０２と一体であり、ブースタ圧縮機３６の内側流路として働くことが好ましいことが分かるであろう。同様に、第２プラットフォーム部材１２０は、第１の位置１２２においてファンシャフト延長部１００の外側環状部分１０６と一体であり、ブースタ圧縮機３６の外側流路の一部として働くことが好ましい。複数の圧縮機ブレード１２４は、この場合、それぞれ第１プラットフォーム部材１１６と第２プラットフォーム部材１２０との間に配置され、それらが互いに第２のブースタ圧縮機ブレード列４０を形成するようにすることが好ましい。
【００１８】
スプリッタノーズ８４は、ボルト１２８及び据え込みナット１３０によって、ディスク９８から上流に延びるフランジ１２６に連結されることが好ましい。ブースタ圧縮機ブレード１３４の付加的な列１３２すなわちスプールは、第１のブースタ圧縮機ブレード列３８の上流に設けられることが好ましいことが理解されるであろう。具体的には、圧縮機ブレード１３４は、ディスク９８の上流に配置されたスプリッタノーズ８４の一部１３６から半径方向に、ブースタの流路８０の中に延びることが好ましい。圧縮機ブレード１３４は、間接的にディスク９８に、従って第２駆動シャフト４８に連結されているため、圧縮機ブレード１３４は、圧縮機ブレード１２４及び第２段ファンブレード２２と同じ方向に回転する。
【００１９】
ブースタの流れ８０のための望ましい表面を形成するために、ブースタ圧縮機３６の外側流路が、スプリッタノーズ部分１３６と、流路フィラー部材１３８（やはり、ボルト１２８及び据え込みナット１３０によって、フランジ１２６に連結されていることが好ましい）と、第２プラットフォーム部材１２０とにより形成されていることが分かるであろう。同様に、ブースタ圧縮機３６の内側流路は、ハブ７６に連結された壁１４０と、圧縮機ブレード１３４と組み合わされたプラットフォーム部材１４２と、第１圧縮機ブレード列３８と組み合わされたプラットフォーム部材１４４と、第１プラットフォーム部材１１６とにより形成される。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態を示し、説明してきたが、更に別のファンブレード２２及びブースタ圧縮機３６の適応が、本発明の技術的範囲から離れることなく、当業者による適切な修正によって達成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による二重反転可能なファンセクション及び二重反転可能なブースタ圧縮機を含むガスタービンエンジンの断面図。
【図２】 図１に示すガスタービンエンジンの拡大部分断面図。
【図３】 図１及び図２に示すガスタービンエンジンの第２段のファンの部分斜視図。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン
１２ ファンセクション
１６ファンブレードの第１段
２０ファンブレードの第２段
１８ ファンブレードの第１列
２２ ファンブレードの第２列
２６ 高圧セクション
２８ 高圧圧縮機
３０ 燃焼器
３２ 高圧タービン
３６ ブースタ圧縮機
３８ 第１圧縮機ブレード列
４０ 第２圧縮機ブレード列
４４ 低圧タービン
４６ 内側駆動シャフト
４８ 外側駆動シャフト
５８ 内側シャフト延長部
７０ 外側シャフト延長部

Claims (10)

1. 第１駆動シャフト（４６）に連結されたファンブレードの第１列（１８）と、該ファンブレードの第１列から軸線方向に間隔をおいて配置されかつ第２駆動シャフト（４８）に連結されたファンブレードの第２列（２２）とを備える二重反転可能なファンセクション（１２）を有するガスタービンエンジン（１０）のための二重反転可能なブースタ圧縮機組立体（３６）であって、該二重反転可能なブースタ圧縮機組立体が、
   （ａ）前記第１駆動シャフト（４６）によって駆動される第１圧縮機ブレード列（３８）と、
   （ｂ）前記第２駆動シャフト（４８）に連結されて、前記ファンブレードの第２列（２２）を駆動するファンシャフト延長部（１００）と、
   （ｃ）前記ファンシャフト延長部（１００）と一体で、前記第１圧縮機ブレード列（３８）に対して互いに交互に配置された第２圧縮機ブレード列（４０）を形成する複数の圧縮機ブレード（１２４）と、
   を備え、
   前記第２圧縮機ブレード列（４０）及び前記ファンブレードの第２列（２２）が、前記第１圧縮機ブレード列（３８）及び前記ファンブレードの第１列（１８）に対して反対の方向に回転するようになっている、
   ことを特徴とする組立体。
2. 前記ファンシャフト延長部（１００）が、第１の端部（１０４）で前記第２駆動シャフト（４８）によって駆動される前方シャフト（７０）に連結され、第２の端部（１０８）で前記ファンセクション（１２）のファンブレードの第２列（２２）を保持するディスク（９８）に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体。
3. 第１の位置（１１８）において前記ファンシャフト延長部（１００）の各々と一体で前記二重反転可能なブースタ圧縮機のための内側流路の一部を形成する第１プラットフォーム部材（１１６）を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体。
4. 第２の位置（１２２）において前記ファンシャフト延長部（１００）の各々と一体で前記二重反転可能なブースタ圧縮機のための外側流路の一部を形成する第２プラットフォーム部材（１２０）を更に備えることを特徴とする、請求項３に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体。
5. 前記ファンシャフト延長部の第２端部と前記ディスクの下流端とを連結するフランジを更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体。
6. 前記ディスクに連結された前記ファンブレードの第２列の上流にブースタスプールを更に備え、該ブースタスプールが、該スプールから延びかつ前記ファンブレードの第２列及び前記第２圧縮機ブレード列に応じて回転する複数の圧縮機ブレードを含むことを特徴とする、請求項２に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体。
7. 前記ファンブレードの第２列の下流の前記ブースタ流路に配置された出口案内羽根を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体。
8. 前記第２プラットフォーム部材の上流端に連結された流路フィラーを更に備えることを特徴とする、請求項４に記載の二重反転可能なブースタ圧縮機組立体。
9. 二重反転可能なブースタ圧縮機を有するガスタービンエンジンにおける二重反転可能なファンセクションの第２段のためのファンシャフト組立体であって、
   （ａ）第１の端部において駆動シャフトに連結され、第２の端部において前記ファンセクションの第２段のファンブレードを保持するディスクに連結されたファンシャフト延長部と、
   （ｂ）第１の位置において前記ファンシャフト延長部と一体で前記二重反転可能なブースタ圧縮機のための内側流路の一部を形成する第１プラットフォーム部材と、
   （ｃ）第２の位置において前記ファンシャフト延長部と一体で前記二重反転可能なブースタ圧縮機のための外側流路の一部を形成する第２プラットフォーム部材と、
   （ｄ）前記第１プラットフォーム部材と前記第２プラットフォーム部材との間に配置された複数の圧縮機ブレードと、
   を備え、
   前記駆動シャフトが、前記圧縮機ブレードと前記第２段のファンブレードとを同じ方向に回転させるようになっている、
   ことを特徴とするファンシャフト組立体。
10. （ａ）高圧タービンを含む高圧セクションと、
    （ｂ）該高圧セクションの後方に配置され、第１及び第２駆動シャフトを回転させるように働く二重反転する低圧内側及び外側ロータを有する低圧タービンと、
    （ｃ）前記高圧セクションより完全に前方にあり、前記第１駆動シャフトに連結されたファンブレードの第１列と該ファンブレードの第１列から軸線方向に間隔をおいて配置されかつ前記第２駆動シャフトに連結されたファンブレードの第２列とを含む二重反転可能なファンセクションと、
    （ｄ）前記第１駆動シャフトに連結された第１圧縮機ブレード列と該第１圧縮機ブレード列に対して互いに交互に配置されかつ前記第２駆動シャフトに連結された第２圧縮機ブレード列とを含む二重反転可能なブースタ圧縮機と、
    を備え、
    各低圧タービンロータは、それぞれ前記ファンのブレード列及び前記圧縮機ブレード列の両方を駆動し、
    前記第２圧縮機ブレード列の各々の圧縮機ブレードは、前記第２駆動シャフトと前記ファンブレードの第２列とを連結するファンシャフト延長部と一体である、
    ことを特徴とするガスタービンエンジン。

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