JP5551866B2 - ロータ組立体用のデカップラシステム - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはターボファン式ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、そのようなエンジンのファン組立体用の支持システムで使用する荷重軽減システムに関する。

飛行中の航空機に動力を供給するために使用するターボファン式ガスタービンエンジンは一般的に、直列流れ連通状態で、ファン組立体、低圧圧縮機又はブースタ、高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。燃焼器は、燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、連続して高圧タービンに送られ、そこで膨張して該高圧タービンを駆動し、次に低圧タービンに送られ、そこでさらに膨張して低圧タービンを駆動する。高圧タービンは、第１のロータシャフトを介して高圧圧縮機に駆動連結され、また低圧タービンは、第２のロータシャフトを介してファン組立体及びブースタの両方に駆動連結される。

ファン組立体は、低圧シャフトに駆動連結されたロータディスクから半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレードを含む。各ファンブレードは一般的に、翼形部セクションと、ブレードをロータディスクに取付ける一体形ダブテール根元セクションとを有する。ファン組立体は、一般的に幾つかの軸受及び軸受支持体構造体を含む支持システムによって、一般にファンフレームと呼ばれる非回転フレーム上に回転支持される。

エンジン運転時に、稀にではあるが鳥のような異物がファン組立体に衝突し、ファンブレードの一部又は全部がロータディスクから切り離された状態になる可能性がある。そのようなブレード喪失は、大きなアンバランスを生じさせることになり、場合によっては損傷を引き起こす可能性があるアンバランス力をファンフレームに伝達することになるおそれがある。そのようなアンバランス力の伝達を緩和するために、所定の荷重に対応して破断するように設計した壊れやすい構造体であるデカップラ（一般に「フューズ」とも呼ばれる）を備えた支持システムを設けることが知られている。

従って、ブレード喪失の場合には、ファン組立体のアンバランス回転によりデカップラ（「フューズ」）を破断させて、大きなアンバランス力がファンフレームに伝達されないようにする。従って、デカップラの使用により、ファンフレーム及び関連する構造体は大きなアンバランス力に耐えるのに十分なほど頑強に作る必要がないので、エンジンの全体重量が効果的に低減される。この構造的デカップリング（分離）はまた、ファン組立体支持システムの剛性を低下させ、従ってファン組立体の固有振動数を低下させることになる。

ブレード喪失という稀な事象においては標準的な手順はエンジンを迅速に停止させることであるが、ファン組立体は、エンジンの前進運動により生じるウインドミリング（風車状態）のために回転し続けることになる。ファン組立体がより低いウインドミリング速度まで低下すると、ブースタロータブレードとブースタステータと間での及び／又はファンブレードとファンケーシングとの間での接触荷重経路により、ファン組立体とファンフレームとの「リカップリング（再結合）」が生じることになる。そのようなリカップリングは、ファンフレームへのアンバランス力の新しい伝達経路を形成して、望ましくないエンジン及び／又は機体振動を引き起こすことになる。この振動は、ファン組立体の低下した固有振動数がウインドミリング速度と等しいか又は近接している場合には、生じた共振又は僅かなオフ共振動作のために特に厄介なものとなる可能性がある。

従来型の荷重軽減装置（ＬＲＤ）は、高速時におけるデカップリングを制限してファンロータシステムのデカップリングモード固有振動数をエンジンのウインドミリング速度以上に置くように設計される。従来型の荷重軽減装置は、ファンロータデカップリングを制限し、それによりファンロータ前方軸受（第１軸受）がフューズ（破断）しまたファンケース後方軸受（第２軸受）が部分的ににみフューズするようにする。従来型の設計では、ウインドミリング運転時にデカップリングモード固有振動数をウインドミリング速度以上に維持して許容応答レベルでの安定運転を得るのに十分な残留剛性を保つために、第２軸受位置のような付加的軸受位置における荷重経路の付加的デカップリングによる更なる荷重軽減は可能でなかった。

従って、ファンブレード損傷によりその支持システムからのファンロータの構造的デカップリングが生じた後に、ウインドミリング速度における飛行中エンジン振動を減少させるファン組立体支持システムを有することは、望ましいと言える。高速時におけるデカップリングの向上及び荷重軽減の増大を可能にする調整及び減衰式荷重軽減装置及びシステムを有することが望ましい。速度制限がない状態でウインドミリング運転を可能にする調整及び減衰式デカップリング及び荷重軽減システムを有することが望ましい。

上述の１つ又は幾つかのニーズは、ガスタービンエンジン用のロータデカップラシステム５０を提供する例示的な実施形態によって満たすことができ、本ロータデカップラシステム５０は、軸受システム３６及び軸受支持体７０間に配置された荷重軽減システム６０を含む。荷重軽減システム６０は、フューズ７５とダンパ７１とを含み、ダンパ７１は、フューズ７５が破断した時に半径方向荷重の少なくとも一部をロータ１２から軸受支持体７０に伝達するようになる。１つの例示的な実施形態では、ダンパ７１は、軸受の外側レースの周りに配置されたワイヤメッシュ５１を含む。別の例示的な実施形態では、ダンパは、ロープダンパ組立体を含む。さらに別の例示的な実施形態では、荷重軽減システム９０は、支持構造体３８及びフレーム２６間に配置され、かつ伸長フューズ９８と支持構造体３８及びフレーム２６間に配置されたダンパ９３とを含み、ダンパ９３は、伸長フューズ９８が破断した時にアンバランス荷重の少なくとも一部をフレーム２６に伝達するようになる。

発明と見なせる本主題は、提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。しかしながら、本発明は、添付図面の図と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明のロータデカップラシステム５０の例示的な実施形態を備えたファンロータ１２を有する例示的な高バイパス比ターボファン式エンジン１０の長手方向断面図である。エンジン１０は、ファンロータ１２を含み、ファンロータ１２は、ロータディスク１４と、該ディスク１４から半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたファン又はロータブレード１６（図１には１つにみを示す）と、従来型の低圧タービン（図示せず）によって動力を供給されるファンシャフト１８とを含む。ロータディスク１４は、ファンシャフト１８に駆動連結される。

ファンロータ１２の下流に配置されているのは、ブースタ圧縮機２０であり、ブースタ圧縮機２０は、軸方向に間隔を置いて配置されたベーン及びブレード列を有し、それら列のブレードは、ブースタスプール又はシャフト２２に接合されている。ブースタシャフト２２は、従来と同様にロータディスク１４の後方側面に適切に固定接合される。円錐形スピナ２４は、ロータディスク１４の前方側面に接合されて、ファン組立体１２に流入する空気に対する空気力学的流路を形成する。高圧圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンのようなエンジン１０のその他の従来型の構造体は、図を明瞭にするために図示していない。

ファンロータ１２は、支持システム２８によって固定ファンフレーム２６上に回転支持される。ファンフレーム２６は、環状の外側ケーシング３０、内側ハブ３２、及びそれらの間で延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたストラット３４を含む。ストラット３４は、バイパス空気がそれらの隣接するストラット間を通過するので翼形形状になっている。支持システム２８は、前方軸受システム３６（代りに「第１軸受」と呼ぶ）、後方軸受システム４０（代りに「第２軸受」と呼ぶ）、前方軸受支持体構造体３８及び後方軸受支持体４１を含む。図１に示す前方軸受支持体構造体３８は、円錐の形態になっている。その他の適切な形状の支持構造体もまた、前方軸受を支持するために使用することができる。前方軸受システム３６は、ファンシャフト１８と前方軸受支持体３８との間に配置される。後方軸受システム４０は、ファンシャフト１８と後方軸受支持体４１との間に配置される。前方軸受支持体３８及び後方軸受支持体４１は、内側ハブ３２に固定される。図１は、前方軸受３６位置における本発明の例示的な実施形態によるロータデカップラシステム６０を示す。図１はまた、支持構造体３８の後方端部に設置された、本発明の別の例示的な実施形態による別のロータデカップラシステム９０示す。本発明の実施形態は、以下の説明から明らかであるように、例えば後方軸受位置のような他の位置においても同様に設置することができることに留意されたい。

図２は、本発明によるロータデカップラシステムの例示的な実施形態を概略的に示す。シャフト１８は、例えば図１に示すファンロータ１２のようなロータ（明瞭にするために図２には図示せず）に駆動連結される。

図２に概略的に示す本発明の例示的な実施形態は、前方軸受システム３６を含み、前方軸受システム３６は、内側レース７４、外側レース７２並びに該内側レース７４及び外側レース７２間に設置されたベアリング要素７３を含む。内側レースは、ファンシャフト１８に取付けられる。外側レースは、壊れやすいフューズ７５を使用して前方軸受支持体３８に取付けられる。外側レース及び支持構造体間には回転防止ピン７６を取付けて、フューズ７５が破断した時に外側レースが回転するのを防止する。あらゆる従来型のタイプのフューズを使用することができる。

図２に概略的に示す本発明の例示的な実施形態では、外側レースは、フューズ７５に並列になったダンパ７１と組合される。ダンパ７１は、シャフト１８から支持構造体７０への軸受荷重の伝達に対して並列の荷重経路を形成する。ロータ１２の正常作動時に、軸受荷重は、フューズ７５を通してシャフト１８から支持構造体７０に伝達され、また軸受荷重の一部はまた、ダンパ７１を通して並列状態で伝達することができる。フューズ７５は、支持構造体３８の破壊ポイント以下の破断ポイントを有する。破断ポイントを低下させることにより、ファンブレードが外れた場合のような大きなアンバランス事象時に、残りの支持構造体が破壊する前にフューズ７５が破断することが可能になる。フューズ７５の破断は、該フューズ７５を通して残りの支持構造体３８に伝達される構造的荷重を減少させる。これが起こると、アンバランス荷重のより多くが、ダンパ７１に伝達される。

図３は、図２に概略的に示す本発明の例示的なロータデカップラシステムを備えたファンロータ１２を有するターボファン式ガスタービンエンジン１０の例示的な軸受荷重応答５０及び変位応答６０を示している。ファンブレード外れのような過度のアンバランス事象が高速度５２において発生した場合には、軸受及び支持システムが受ける発生可能性のあるアンバランス荷重５４は、高くなる可能性がある。しかしながら、フューズ７５は、発生可能性のある荷重レベル５４よりも低い破断ポイント５６を有することによって最初に破断するように設計されて、残りの構造体を過酷な損傷から保護するようになる。過度のアンバランス荷重のためにフューズ７５が破断した時に、ロータ及び軸受は、アンバランス荷重のために半径方向変位を受ける可能性がある。ロータシステムの固有振動数は、軸受及び支持システムの剛性の低下ために低下する（図３の項目６６として示す）。エンジンは、そのような異常アンバランス状態時に停止させることができ、エンジンは、ロータ速度６３が低い時にウインドミリングを生じる可能性がある。共振状態におけるロータ作動を回避するために、ロータシステムの固有振動数とは異なるウインドミリング速度を保つことが必要である。ダンパ７１は、ロータ固有振動数６６がウインドミリング速度６３以下に低下するので、ロータシステムのピーク応答６８を減衰させる。換言すれば、ダンパ７１の存在により、ロータシステムの低下した固有振動数６６よりも高いロータ速度６３におけるエンジンの運転が可能になる。図２に示すようなダンパ７１の存在しない場合には、ウインドミリング速度は、デカップリングしたロータの低下した固有振動数６６よりも低いレベルになるように制御しなければならないことになり、また応答レベル６８は、より高くなることになる。

本発明の別の実施形態では、前方軸受３６のフューズ７５及びダンパ７１に加えて、後方軸受４０にもまた、フューズ８５が設けられる。図２には、このことを概略的に示している。フューズ８５のような付加的フューズの存在により、極度のアンバランス荷重下での支持システムの剛性をさらに低下させ、従ってデカップリングしたロータシステムの共振周波数６６をさらに低下させることができる。しかしながら、ダンパ７１の存在は、デカップリングしたロータシステムのピーク応答６８を減少させるのを助ける。図２では、図示の目的で、前方ベアリング要素７３はローラ要素として示し、また後方ベアリング要素８３はボール要素として示しているが、これらベアリング要素の各々は、ボール要素又はローラ要素のいずれかのものとすることができることを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態は、図４に正面図で示し、また図５に軸方向断面図で示している。図４及び図５において、ダンパ７１は、ドーナツ形状を有しつ外側レースの周りに円周方向に設置されたワイヤメッシュである。ダンパ７１は、外側レース７１及び軸受支持体７０間に配置される。ダンパ７１は、保持プレート７８によって軸方向に保持される。保持プレートは、ファスナ７９によって軸受支持体構造体に取付けられる。この目的のために、その他の従来型の取付け手段もまた使用することができる。保持プレート７８は、フューズ要素７５を使用して軸受外側レース７２に取付けられる。図４及び図５に示す例示的な実施形態では、図示するフューズ要素７５は、前に説明した過度のアンバランス荷重の場合に剪断で破断する剪断タイプのフューズ要素である。この目的のために、他のあらゆる従来型のフューズ要素もまた使用することができる。通常運転状態下では、軸受荷重３７の大部分は、外側レース７２、フューズ７５及び保持プレート７９を通して軸受支持体７０に伝達される。一部の荷重はまた、ダンパ７１によって伝達することができる。フューズ要素７５が剪断で破断した時に、前方軸受３６からの半径方向荷重は、ダンパ７１に伝達され、ダンパ７１はその荷重を軸受支持体７０に伝達する。剪断要素はスクリュとして示しているが、ボルトのようなその他の適切なフューズ及び保持手段を使用することができることを理解されたい。その他の従来型のフューズ要素もまた使用することができる。本発明の利点の１つは、ダンパ及びフューズのパラメータ並びに支持構造体の剛性を調整することによって、デカップリングモード固有振動数を有するようにシステムを調整することができることである。図４に示す例示的な実施形態では、外側レース７２の前方側面の周りに、９つの剪断タイプのフューズ要素が円周方向に配置されている。同様に、外側レース７２の後方側面の周りに、９つの剪断タイプのフューズ要素が円周方向に配置されている。例示的な実施形態では、ワイヤメッシュダンパ７１は、約８インチの内径及び約１２インチの外径を有し、かつ約３インチの厚さを有する。ワイヤメッシュダンパ７１は、市販の鋼で作られている。ロータ変位を制限するために約２０％の減衰を得ることが可能である。デカップリングンモードロータ周波数に対するウインドミリング速度の比率は、約２．９２である。

図６には、ロープダンパ組立体８１を使用する本発明の別の実施形態を示している。複数のロープダンパ組立体８１は、外側レース７２及び軸受支持体７０間に配置される。図６に示す例示的な実施形態では、直径方向に正反対の位置に設置された状態で外側レース７２の円周部の周りに配置された４つのロープダンパ組立体８１を示している。必要なロープダンパ組立体の数は、あらゆる用途において予想アンバランス荷重に耐えるように従来通りの手法を使用して選択することができる。図６では、ロープダンパ組立体８１は、セグメントとして示しているが、外側レース７２の周りに円周方向にロープダンパの連続組立体を使用することも可能である。図６ａに示す例示的なロープダンパ組立体８１は、鋼ロープで作られた６つのロープダンパ９１を含む。これらロープダンパの各々は、ファスナを使用してロープダンパプレートに取付けられる。

幾つかのロータ設計では、ロープダンパ組立体は、図６に項目８２として示すギャップＧが軸受外側レース７２及びロープダンパプレート９４間に存在するように設置することができる。ギャップＧは、ロープダンパ組立体８１によって得られる減衰が作動し始めるのに先立って、過度のアンバランス荷重状態下でのロータ１２の一定の半径方向たわみ可能にする。過度のアンバランス荷重状態下でロータがデカップリングされた時に、ギャップＧを使用してロータの共振周波数に対して適切な値を持つようにロータ組立体を調整するのを可能にすることができる。図６に示す例示的な実施形態では、ギャップＧは、約０．１００インチである。ギャップＧがないロータシステムを有することもまた可能である。

前方軸受３６及び後方軸受４０から離れた位置に、本発明が意図したロータデカップラシステムを有することが可能である。図７には、支持構造体３８の後方端部に設置されたそのようなデカップラシステム９０の例示的な実施形態を示している。支持構造体３８は、従来型の取付け手段を使用してフレーム２６に取付けられる。図７には、従来型の伸長フューズ要素９８を示している。例えばファンブレードの外れ事象によるような過度のアンバランス荷重下では、軸受３６からのモーメント荷重が、伸長フューズ９８内に引張り荷重を生成する。支持構造体及びフレーム２６間には、図６ａに示すようなダンパ組立体９７が配置されている。図７では、例示的な実施形態としてロープダンパ組立体９７を示しているが、図４及び図５に示すワイヤメッシュダンパ７１のようなその他の適切なダンパもまた使用のために選択することができる。例えばファンブレードの外れ事象のような過度のアンバランス荷重事象下では、伸長フューズ９８は、引張りで破断し、軸方向及びモーメント軸受荷重がダンパ組立体９７を通して伝達され、該ダンパ組立体が、前に説明したようにロータ応答に対して減衰を与える。

エンジン内の多くの場所において、本明細書に示す本発明の実施形態を有することが可能であることを意図している。例えば、先に示したように前方軸受及び後方軸受のようなその他の場所において、本明細書に示すその他のロータデカップラシステムと共に、図７に示すロータデカップラシステム９０を有することが可能である。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、またさらに当業者が本発明を製作しかつ使用するのを可能にしている。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

本発明のロータデカップラシステムの例示的な実施形態を備えたファン組立体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の部分断面側面図。 本発明の例示的な実施形態による荷重軽減システムの概略図。 本発明の荷重軽減システムを備えたファン組立体を有するターボファン式ガスタービンエンジンの例示的な軸受荷重及び変位応答を示す図。 本発明による荷重軽減装置の例示的な実施形態の軸方向図。 本発明による荷重軽減装置の例示的な実施形態の軸方向断面図。 本発明による荷重軽減装置の別の例示的な実施形態の軸方向図。 図５に示す荷重軽減装置で使用する例示的なダンパの斜視図。 軸受コーン上に設置された本発明による荷重軽減装置の別の例示的な実施形態の軸方向図。

符号の説明

１０ ターボファン式エンジン
１２ ファンロータ
１４ ロータディスク
１６ ファン又はロータブレード
１８ ファンシャフト
２０ ブースタ圧縮機
２２ ブースタスプール又はシャフト
２４ 円錐形スピナ
２６ ファンフレーム
２８ 支持システム
３０ 外側ケーシング
３２ 内側ハブ
３４ ストラット
３６ 前方軸受システム
３７ 軸受荷重
３８ 前方軸受支持体構造体
４０ 後方軸受システム
４１ 後方軸受支持体
５０ ロータデカップラシステム
５１ ワイヤメッシュ
６０ 荷重軽減システム又はロータデカップラシステム
７０ 軸受支持体
７１ ダンパ
７２ 外側レース
７３ ベアリング要素
７４ 内側レース
７５ フューズ
７６ 回転防止ピン
７８ 保持プレート
７９ ファスナ
８１ ロープダンパ組立体
８２ ギャップ
８３ 後方ベアリング要素
８５ フューズ
９０ 荷重軽減システム又はロータデカップラシステム
９１ ロープダンパ
９３ ダンパ
９４ ロープダンパプレート
９７ ダンパ組立体
９８ 伸長フューズ

Claims (8)

1. ガスタービンエンジン用のロータデカップラシステム（５０）であって、
   ロータ（１２）に連結されたシャフト（１８）と、
   フレーム（２６）に固定されかつ少なくとも１つの軸受支持体（７０）を有する支持構造体（３８）と、
   内側レース（７４）、外側レース（７２）並びに前記内側レース及び外側レース間に設置されたベアリング要素（７３）を含む少なくとも１つの軸受システム（３６）と、
   前記軸受システム（３６）及び軸受支持体（７０）間に配置された荷重軽減システム（６０）と、を含み、
   前記荷重軽減システム（６０）が、前記外側レース（７２）に取付けられた前方側及び後方側フューズ（７５）と前記外側レース（７２）及び軸受支持体（７０）間に且つ前記外側レース（７２）の周りに円周方向に配置されたダンパ（７１）とを含み、
   保持プレート（７８）が、前記外側レース（７２）及び軸受支持体（７０）の前方側面及び後方側面に取付けられ、前記前方側フューズ（７５）が前記前方側面の保持プレート（７８）に、前記後方側フューズ（７５）が前記後方側面の保持プレート（７８）に取り付けられ、
   前記ダンパ（７１）が、前記前方側及び後方側フューズの少なくとも１つが破断した時に半径方向荷重の少なくとも一部を前記ロータ（１２）から前記軸受支持体（７０）に伝達するようになる、
   ロータデカップラシステム。
2. 前記ダンパ（７１）が、ワイヤメッシュ（５１）を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ダンパ（７１）が、少なくとも１つのロープダンパ（９１）を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ロープダンパが、複数のロープダンパ組立体（８１）を含み、
   各ロープダンパ組立体（８１）が、少なくとも１つのダンパプレート（９４）に固定された少なくとも１つのロープダンパ（９１）を含む、
   請求項３記載のシステム。
5. 前記ロープダンパ組立体（８１）が、前記ダンパプレート（９４）及び軸受外側レース（７２）間にギャップ（８２）が存在するように該外側レース（７２）の半径方向外側に設置される、請求項４記載のシステム。
6. 前記前方側及び後方側フューズ（７５）が、剪断要素である、請求項１乃至５のいずれか1項に記載のシステム。
7. 複数の前方側及び後方側フューズ（７５）が、前記外側レース（７２）の周りに円周方向に配置される、請求項１乃至６のいずれか1項に記載のシステム。
8. 前記支持構造体（３８）及びファンフレーム（２６）間に配置され、かつそれが支持した伸長荷重が既知の限界値を超えた時に破断することが可能な少なくとも１つのフューズ（９８）を有するモーメント荷重軽減システム（９０）をさらに含む、請求項１乃至７のいずれか1項に記載のシステム。
   

Images