JP5600234B2 - ガスタービンエンジン組立体 - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン組立体とその組立方法とに関する。

少なくとも一部の周知のガスタービンエンジンは、ファンとコア・ガスタービンエンジンと出力または低圧タービンとを含む。コア・エンジンは、互いに連続的な流れの関係に結合される高圧圧縮機と燃焼器と高圧タービンとを含む。低圧タービンは、コア・ガスタービンエンジンから下流に結合されるとともに、前記エンジンにより駆動される。特に、高圧圧縮機と高圧タービンとは、第１の軸を用いて互いに結合されて、高圧ロータ組立体を形成し、低圧タービンとファンとは、第２の軸を用いて互いに結合される。コア・エンジンに流入する空気は、燃料と混合されるとともに、点火されて、高エネルギーのガス流を形成する。この高エネルギーのガス流は、高圧タービンを介して排出されて、高圧タービンを駆動するとともに、以って低圧タービンをも駆動する。

ライフサイクル保守費用を削減するために、設計検討中のガスタービンエンジンは、周知の高圧タービンディスクのボア穴径より実質的に小さいボア穴径を有する高圧タービンディスクを含む。相対的に小さいボア穴径を有する高圧タービンディスクを用いることは、ディスクの応力を低下させることによってディスク寿命の増加をもたらしうる。特に、コア・ガスタービンエンジンは、高圧タービンディスクに適応することができる大きさとされる。高圧タービンディスクの大きさに合わせると、その結果として、ディスクの寿命が増加する一方で、コア・ガスタービンエンジンは、依然として、運転速度と第１の臨界速度との間における許容可能な速度余裕を有して設計されなければならない。

しかし、設計の検討は、少なくとも一部の周知のコア・エンジンよりはるかに高速で運転可能なコア・ガスタービンエンジンをもたらす一方で、高圧タービンディスクの寿命要件を満たし、かつ速度余裕基準をも満たすガスタービンエンジンを設計することは困難である。特に、高圧タービンディスクのボア穴径を小さくすることは、低圧タービンとファンとの間における駆動軸の直径の縮小を引き起こす。その結果、この駆動軸には許容できない曲げレベルまたはトルクレベルがかかり得、設計基準を満たすことができない。

ひとつの態様において、ガスタービンエンジン組立体を提供する。このガスタービンエンジン組立体は、コア・ガスタービンエンジンと、前記コア・ガスタービンエンジンから上流に位置するように前記コア・ガスタービンエンジンに結合されるファン組立体と、前記コア・ガスタービンエンジンに結合される低圧タービンであって、前記コア・ガスタービンエンジンから下流に結合され、フランジと自身内に形成される複数個のスプラインとを含むディスクからなる低圧タービンと、前記ファン組立体に結合される第１の端部と複数個のスプラインを含む第２の端部とを含む軸であって、前記軸スプラインは、前記フランジスプラインと噛み合って、トルクが軸を介して前記低圧タービンから前記ファン組立体に伝達されるように構成される軸とを含む。

またここでは、ガスタービンエンジン組立体の組立方法を開示する。この方法は、ファン組立体をコア・ガスタービンエンジンに結合させて、前記ファン組立体が前記コア・ガスタービンエンジンから上流に位置するようにする段階と、フランジと該フランジ内に形成される複数個のスプラインとを有するディスクを含む低圧タービンを前記コア・ガスタービンエンジンから下流に結合させる段階と、第１の端部と複数個のスプラインを含む第２の端部とを含む軸を配設する段階と、前記第１の軸端部を前記ファン組立体に結合させる段階と、前記第２の軸端部を前記低圧タービンディスクに結合させて、前記軸スプラインが前記フランジスプラインと噛み合って、エンジン運転時においてトルクが前記軸を介して前記低圧タービンから前記ファン組立体に伝達されるようにする段階とを含む。

図１は、長手軸１１を有する例証的なガスタービンエンジン組立体１０の略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２とコア・ガスタービンエンジン１３とを含む。コア・ガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４と燃焼器１６と高圧タービン１８とを含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、さらにまた、低圧タービン２０と多段ブースタ圧縮機２２とを含む。

ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外方に延在するファン羽根２４の配列体を含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。ファン組立体１２とブースタ２２と低圧タービン２０とは、第１のロータ軸３１により互いに結合され、圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータ軸３２により互いに結合される。

運転時において、空気は、ファン組立体１２を介して流れ、この空気流の第１の部分は、ブースタ２２を介して導かれる。ブースタ２２から排出される圧縮空気は、圧縮機１４を介して導かれ、前記圧縮機において、前記空気流は、さらに圧縮されるとともに、燃焼器１６へと送られる。燃焼器１６による高温の燃焼生成物（図１には図示せず）を用いてタービン１８および２０が駆動され、タービン２０を用いてファン組立体１２とブースタ２２とが軸３１を手段として駆動される。ガスタービンエンジン組立体１０は、設計運転条件と設計外運転条件との間における運転条件範囲で運転可能である。

図２は、図１に示された軸３１の断面図である。この例証的な実施例において、軸３１は、第１の部分１００と第２の部分１０２と、第１および第２の部分１００および１０２間に結合される遷移部分１０４とを含む。さらにまた、低圧タービン２０は、ロータディスク１０５と、ロータディスク１０５と一体的に形成されるフランジ１０７と、ロータディスク１０５を貫通して延在するボア穴１０６と、ボア穴１０６の半径方向内面のまわりに形成される複数個のスプライン１０８とを含む。この例証的な実施例において、ボア穴１０６は、フランジ１０７の中心線を通って長手軸１１のまわりにおいて形成される。このため、軸３１は、フランジスプライン１０８と噛み合って、エンジン運転時においてトルクが軸３１を介して低圧タービン２０からファン組立体１２に伝達されるように構成される複数個のスプライン１１０を含む。

軸３１は、さらにまた、ファン組立体１２に結合される第１の端部１２０と、低圧タービン２０に結合される軸スプライン１１０を含む第２の端部１２２とを含む。前記例証的な実施例において、フランジスプライン１０８は、めす型スプラインであり、軸スプライン１１０は、前記めす型スプラインと噛み合うように構成されるおす型スプラインである。任意で、軸スプライン１１０がめす型スプラインとされ、フランジスプライン１０８がおす型スプラインとされる。本明細書において用いられる場合、スプラインは、軸上に、またはディスクを貫通して形成されて、スプラインを形成された部材を互いに噛み合わせるとともに、前記部材の回転速度を等しくして、以ってトルクを伝達する一連の畝部を表す。

前記例証的な実施例において、軸３１は、過大な高圧タービン１８に適応するように構成される。特に、高圧タービンディスク１０５は、周知の高圧タービンディスクより実質的に小さい内径１３０を有するため、軸３１は、周知のガスタービンエンジンより実質的に小さいフランジボア穴を有する実質的により大きい高圧タービンディスクに適応することができる選択的な大きさとされる。このため、第１の軸端部１２０は、高圧タービン１８の内径１３０より大きい外径１３２を有し、第２の軸端部１２２は、外径１３２より小さい外径１３４を有する。この構成により、高圧タービンディスク１０５を貫通して形成される高圧タービンフランジボア穴１３６を介して第２の軸端部１２２を取り付けるとともに、低圧タービン２０に結合させることが可能になる。

軸３１の構造強度を維持するとともに、以って軸の撓みを低減するために、第１の部分の直径１３２は、第２の部分の直径１３４より実質的に大とされる。たとえば、ひとつの実施例において、第１の部分１００は、約１１．４ｃｍ（４．５インチ）である直径１３２を有し、第２の部分１０２は、約８．８９ｃｍ（３．５インチ）である直径１３４を有する。しかし、第２の直径１３４は、高圧タービンディスク１０５の内径１３０に基づいて選択されるとともに、したがって拡大もしくは縮小されて、軸３１が高圧タービンディスクフランジボア穴１３６を介して挿入されるとともに低圧タービン２０に結合されうることが保証されうることが認識されるべきである。

さらに、第１の部分１００は、第２の部分１０２の長さ１４２より大きい長さ１４０を有する。よって、第１の軸部分１００の長さ１４０に沿った厚さまたは直径１３２は、第２の軸部分１０２の長さ１４２に沿った直径１３４より実質的に大となる。特に、ファン組立体１２と高圧タービン１８とは、ある距離だけ分離されるため、第１の部分１００の長さ１４０は、第１の部分１００の直径１３２がファン組立体１２と高圧タービン１８との間において最大限になりうるように選択され、軸３１の直径は減じられて、軸３１がディスクフランジボア穴１３６を貫通して延在するとともに低圧タービン２０に結合されることが可能になる。このため、第１の部分１００の長さ１４０は、第２の部分１０２の長さ１４２より実質的に大となる。

前記のように、軸３１は、それぞれ第１、第２および第３の部分１００、１０２および１０４を含む。ひとつの実施例において、第１、第２および第３の部分１００、１０２および１０４は、たとえば溶接またはろう付け手順を用いて互いに結合される別個の構成要素として製作される。前記例証的な実施例において、第１、第２および第３の部分は、単一の単体軸３１として形成される。

図３は、図１に示されたガスタービンエンジン組立体の下流部分の拡大断面図である。図４は、図１に示されたガスタービンエンジン組立体の前側部分の拡大断面図である。図３に示されるように、組立時において、低圧タービン２０は、コア・ガスタービンエンジン１３の下流側端部に結合される。軸３１は、その後、高圧タービン１８を含むコア・ガスタービンエンジン１３を貫通して挿入されて、第２の軸端部１２２が少なくとも部分的に低圧タービン２０内に挿入され、かつフランジスプライン１０８が軸スプライン１１０と噛み合うようになる。

図４に示されるように、軸３１は、コア・ガスタービンエンジン１３の前側端部において、軸受組立体１５０を用いて支持される。軸受組立体１５０は、軸３１に固定される回転式の内側レース１５２と、フレーム１６０に結合される固定式の外側レース１５４と、それぞれ内側レース１５２および外側レース１５４間に配置される複数個の転動要素１５６とを含む。前記例証的な実施例において、軸受組立体１５０は、軸３１に対する回転支持を果たすとともに、軸の撓みの低減を容易にするころ軸受組立体である。次に、ファン組立体１２が、コア・ガスタービンエンジン１３の上流側端部に結合され、第１の軸端部１２０がファン組立体１２に結合されて、以って低圧タービン２０がファン組立体１２に結合されるようになる。

本明細書においては、ファン組立体と、コア・ガスタービンエンジンと、低圧タービンと、前記ファン組立体と前記低圧タービンとの間において結合される軸とを含むガスタービンエンジン組立体を説明する。特に、本明細書に記載のガスタービンエンジンは、縮小されたボア穴径を有する高圧タービンの利用を可能にする低圧タービン軸を含む。その結果として、高圧タービンの寿命は、応力の低下によって増加する一方で、依然として運転速度と第１の臨界速度との間において許容可能な速度余裕が維持される。

特に、高圧タービンの直径は、後側端部において低圧タービンフランジに対するスプラインを設けられた低圧タービン軸を用いることによって増加せしめられるが、周知のガスタービンは、低圧タービン軸の前側端部においてスプラインを含む。その結果として、前記軸の端部において、軸直径の縮小が起こり、このことは、高圧タービンがより小さいボア穴半径と、以ってより長い寿命とを有して設計されることを可能にする。さらに、タービン静翼フレームは、高圧タービンが軸受組立体間にまたがって取り付けられることを可能にするとともに、低圧タービン軸を高圧タービン軸から切り離して、動的速度余裕を向上させる。この構成は、エンジンの組立と分解との複雑さを減じる。たとえば、低圧タービン軸は、後側端部においてスプラインを有するため、前記軸をガスタービンエンジンの前部から取り付け、かつ取り外すことができ、以ってガスタービンエンジンの組立と分解とが向上する。組立と分解との複雑さが減じられることにより、下側の低圧タービントルクコーンフランジを排除して、以って費用と重量とを削減することができ、その代わりに、シール用のボルト止め面となる周方向ボスが用いられる。重量の削減は、さらにまた、全低圧軸トルクを伝達するのに必要とされるフランジが排除されたため、シールを保持するために用いられるより小さいボルトが内蔵されることによって達成される。

さまざまな特定の実施例の観点から本発明を説明したが、当業者には、本発明が特許請求の範囲の精神および範囲内において改変を加えられて実施されうることが認識されよう。

例証的なガスタービンエンジン組立体の略図である。 図１に示された低圧タービン軸の拡大断面図である。 図１に示されたガスタービンエンジン組立体の下流部分の拡大断面図である。 図１に示されたガスタービンエンジン組立体の前側部分の拡大断面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン組立体
１１ 長手軸
１２ ファン組立体
１３ コア・ガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ
２４ ファン羽根
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ 軸
３１ 第１のロータ軸
３２ 第２のロータ軸
１００ 第１の部分
１０２ 第２の部分
１０４ 第３の部分
１０５ ロータディスク
１０６ ボア穴
１０７ フランジ
１０８ フランジスプライン
１１０ 軸スプライン
１２０ 第１の端部
１２２ 第２の端部
１３０ 内径
１３２ 外径
１３４ 第２の部分の直径
１３６ ディスクフランジボア穴
１４０ 長さ
１４２ 長さ
１５０ 軸受組立体
１５２ 内側レース
１５４ 外側レース
１５６ 転動要素
１６０ フレーム

Claims (3)

1. コア・ガスタービンエンジン（１３）と；
   前記コア・ガスタービンエンジンから上流に位置するように前記コア・ガスタービンエンジンに結合されるファン組立体（１２）と；
   前記コア・ガスタービンエンジンに結合される低圧タービン（２０）であって、前記コア・ガスタービンエンジンから下流に配置され、フランジ（１０７）と前記フランジ内に形成される複数個のスプライン（１０８）とを含むロータディスクを含む低圧タービン（２０）と、
   前記ファン組立体に結合される第１の端部（１２０）と、複数個のスプライン（１１０）を含む第２の端部（１２２）とを含む軸（３１）であって、前記軸スプラインは、前記フランジスプラインと噛み合って、トルクが軸を介して前記低圧タービンから前記ファン組立体に伝達されるように構成される軸（３１）と、
   を備え、
   前記第１の軸端部（１２０）は、第１の外径（１３２）を有し、前記第２の軸端部（１２２）は、前記第１の外径より小さい第２の外径（１３４）を有し、
   前記軸スプライン（１１０）は、複数個のおす型スプラインからなり、前記フランジスプライン（１０８）は、前記おす型スプラインと噛み合うように構成される複数個のめす型スプラインからなり、
   前記軸（３１）は、高圧タービン（１８）よりも軸方向上流であって前記第１の軸端部（１２０）を含む第１の部分（１００）と、前記高圧タービン（１８）から軸方向下流に延び、前記第１の部分の外径より小さい外径を有する第２の部分（１０２）とからなり、
   前記第１の部分（１００）は、第１の長さ（１４０）を有し、前記第２の部分は、前記第１の長さより小さい第２の長さを有し、
   前記ファン組立体（１２）と前記高圧タービン（１８）とは、前記第１の長さ（１４０）と略等しい距離だけ分離される、
   前記コア・ガスタービンエンジン（１３）は、自身を貫通して延在するボア穴を有する高圧タービンディスクを含む高圧タービン（１８）を備え、前記ボア穴は、前記第１の部分の外径より小さい内径（１３０）を有し、かつ前記ボア穴と前記第２の端部との間の前記軸（３１）の最大外径のよりも大きな内径を有する、
   ガスタービンエンジン組立体（１０）。
2. 前記第１の部分（１００）と前記第２の部分とは、単体として形成される請求項１に記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
3. 前記軸（３１）は、
   １０．２〜１２．７ｃｍ（４〜５インチ）の範囲内である外径（１３２）を有する第１の部分（１００）と、
   ７．６２〜１０．２ｃｍ（３〜４インチ）の範囲内である外径（１３４）を有する第２の部分（１０２）と、
   からなる請求項１に記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
   

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