JP5844959B2 - 歯車型差動速度二重反転式低圧タービン - Google Patents

Description

本発明は、二重反転式低圧タービンを備えた航空機ガスタービンエンジンに関し、特に相互歯車連結型二重反転式低圧タービンを有する航空機ガスタービンエンジンに関する。

従来型のターボファン形式のガスタービンエンジンは一般的に、前方ファン及びブースタ圧縮機、中間コアエンジン、並びに後方低圧出力タービンを含む。コアエンジンは、直列流れ関係で、高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを含む。コアエンジンの高圧圧縮機及び高圧タービンは、高圧シャフトによって相互に連結される。高圧圧縮機、タービン及びシャフトは、本質的に高圧ロータを形成する。高圧圧縮機は、回転駆動されて、コアエンジンに流入する空気を比較的高圧に加圧する。この高圧空気は次に、燃焼器内で燃料と混合されかつ点火されて、高エネルギーガスストリームを形成する。ガスストリームは、後方へ流れて高圧タービンを通過し、該高圧タービン及び高圧シャフトを回転駆動し、高圧シャフトが次に、圧縮機を回転駆動する。

高圧タービンから流出したガスストリームは、第２のつまり低圧タービンを通って膨張する。低圧タービンは、低圧シャフトを介してファン及びブースタ圧縮機を回転駆動し、これらの全てが、低圧ロータを形成する。低圧シャフトは、高圧ロータを貫通して延びる。幾つかのファンジェットエンジンは、二重反転式ファン及びブースタつまり低圧圧縮機に動力供給する二重反転式タービンを有するように設計されてきた。米国特許第４，７９０，１３３号、第４，８６０，５３７号、第５，３０７，６２２号及び第６，７３２，５０２号は、二重反転式ファン及びブースタつまり低圧圧縮機に動力供給する二重反転式低圧タービン（ＬＰＴ）を開示している。

二重反転式ファンは騒音が大きく、この騒音問題を軽減しかつ本来の二重反転式低圧タービン効率を保持するために、二重反転式低圧タービン間でギヤボックスを使用してそれを駆動するようにした単段ファンを備えた様々な設計が開発されてきた。米国特許第４，９６９，３２５号に記載された１つのそのようなエンジンは、ファンまで前方に延びかつコアエンジンの高圧圧縮機の前方にあるエンジンのファンセクション内のギヤボックスによって互いに歯車連結された同心シャフトを有する二重反転式低圧タービンを開示している。ファンまで前方に延びかつコアエンジンの高圧圧縮機の前方にあるエンジンのファンセクション内のギヤボックスによって互いに歯車連結された２つの二重反転可能な同心シャフトに関連する設計及び構成上の困難さ並びにコストは、当業者には非常によく理解される。

米国特許第７，４５１，５９２号に記載された別のエンジンは、単段二重反転式低圧タービンを開示しており、単段二重反転式低圧タービンは、コアエンジンの後方にあるエンジンの後部セクション内のかつ該単段二重反転式低圧タービンの後方のギヤボックスによって互いに歯車連結される。単一のシャフトが、前方に延びてファンに動力供給する。しかしながら、この設計の欠点は特に、単段二重反転式低圧タービンの出口面積が大きいことである。単段二重反転式低圧タービンの大きな出口面積はまた、大半径の低圧タービンセクションを必要とし、このこともまた、極めて望ましくない。

米国特許第４，７９０，１３３号公報 米国特許第４，８６０，５３７号公報 米国特許第５，３０７，６２２号公報 米国特許第６，７３２，５０２号公報 米国特許第４，９６９，３２５号公報 米国特許第７，４５１，５９２号公報 米国特許第３，６７３，８０２号公報 米国特許第４，２５１，９８７号公報 米国特許第４，８２７，７１２号公報 米国特許第４，９１６，８９４号公報 米国特許第５，０１０，７２９号公報 米国特許第６，１５８，２１０号公報 米国特許第７，３３４，３９２号公報 米国特許出願公開第２００７／００８４１８７号公報 米国特許出願公開第２００７／００８７８９２号公報

ガスタービンエンジンの二重反転式低圧タービンは、二重反転可能な環状の外側及び内側ドラムロータを含む。外側ドラムロータは、低圧タービンからのトルク及び出力を伝達するように作動可能な単独シャフトである低圧シャフトに回転可能に連結される。複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧外側ドラムタービンブレード列が、外側ドラムロータの外側シェルから半径方向内向きに延び、また複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧内側ドラムタービンブレード列が、環状の低圧内側ドラムロータから半径方向外向きに延びる。低圧外側ドラムタービンブレード列は、低圧内側ドラムタービンブレード列と交差指状に配置される。外側及び内側ドラムロータは、遊星ギヤボックスを介して互いに歯車連結されて該内側ドラムロータによって生成された全てのトルク及び出力を低圧シャフトに伝達するようになる。外側ドラムロータによって生成された全てのトルク及び出力は、低圧シャフトに直接伝達される。

低圧タービンの例示的な実施形態は、外側及び内側ドラムロータ間に作動可能に配置された差動スラスト軸受を含む。ギヤボックスは、外側及び内側ドラムロータの後方に設置される。ギヤボックスは、タービン後部フレームによって支持されたピン上に回転可能に取付けられた遊星歯車を有する。ギヤボックスは、遊星歯車と噛合いかつ該遊星歯車の半径方向内側に回転可能に取付けられた太陽歯車と、遊星歯車と噛合いかつ該遊星歯車の半径方向外側に回転可能に取付けられたリング歯車とを含み、外側ドラムロータは、リング歯車に連結され、また内側ドラムロータは、太陽歯車に連結される。半径方向外側ローラ軸受が、内側ドラムロータ及びタービン後部フレーム間に配置され、また半径方向内側差動ローラ軸受が、外側及び内側ドラムロータ間に配置される。ピンは、タービン後部フレームによって支持された環状キャリヤにより片持ち支持される。

単一のファンブレード列を有する単一のファン段を備えた単段ファンセクションを有する航空機ガスタービンエンジンは、低圧シャフトを介して単一のファン段を駆動するようになった二重反転式低圧タービンを組込むことができる。

以下の説明において、添付図面を参照しながら本発明の上記の態様及びその他の特徴を説明する。

単一のファン段と後方に取付けたギヤボックスによって互いに歯車連結された複数段二重反転式第１及び第２の低圧タービンとを有する航空機ガスタービンエンジンの例示的な実施形態の長手方向断面図。 図１に示す複数段二重反転式第１及び第２の低圧タービンとギヤボックスとの拡大長手方向断面図。 図２の線３−３に沿って取ったギヤボックスの遊星歯車の断面図。

図１に示すのは、例示的なターボファンガスタービンエンジン１０であり、このターボファンガスタービンエンジン１０は、エンジン中心線８の周りを囲みかつ周囲空気５の入口空気流を受ける単段ファンセクション１２を有する。ファンセクション１２は、単一のファンブレード列１４を備えた単一のファン段４を有する。ブースタ１６が、ファン段４の下流に配置される。ファンケーシング１１及び環状の半径方向内側バイパスダクト壁９によって半径方向に境界付けられたバイパスダクト２１が、ブースタ１６とコアエンジン２５へのコアエンジン入口ダクト１９とを囲む。コアエンジン２５は、下流方向の直列流れ関係で、高圧圧縮機（ＨＰＣ）１８及び燃焼器２０を含み、燃焼器２０は、燃料をＨＰＣ１８によって加圧された空気５と混合して燃焼ガス２３を発生させ、燃焼ガス２３は、高圧タービン（ＨＰＴ）２４を通って下流方向に流れる。二重反転式低圧タービン（ＬＰＴ）２６が、燃焼ガス２３を受けてファンセクション１２の単一のファン段４に動力供給するようになり、使用済みの燃焼ガス２３は次に、エンジン１０から放出される。高圧シャフト２７が、ＨＰＴ２４をＨＰＣ１８に接合して、実質的に第１のつまり高圧ロータ３３を形成する。高圧圧縮機１８、燃焼器２０及び高圧タービン２４は、本特許の目的の場合には、まとめてコアエンジン２５と呼ばれる。

さらに図２を参照すると、二重反転式低圧タービン２６は、低圧外側ウェブ６４によって低圧シャフト７４に対して回転可能に連結された環状の外側ドラムロータ６８を含む。低圧シャフト７４は、使用する単独かつ唯一のシャフトであり、低圧タービン２６からのトルク及び出力を伝達するように作動可能である。複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧外側ドラムタービンブレード列７０が、外側ドラムロータ６８の外側シェル６６から半径方向内向きに延びる。外側シェル６６は、低圧外側ドラムタービンブレード列７０の第１段７２により片持ち支持され、第１段７２は、低圧シャフト７４に対して回転可能に連結される。低圧シャフト７４は、ファンセクション１２の単一のファン段４に駆動連結される。

二重反転式低圧タービン２６はさらに、環状の低圧内側ドラムロータ７８を含む。内側ドラムロータ７８は、該内側ドラムロータ７８から半径方向外向きに延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧内側ドラムタービンブレード列８０を含む。低圧外側ドラムタービンブレード列７０は、低圧内側ドラムタービンブレード列８０と交差指状に配置される。低圧タービン２６は、本明細書では３つの低圧外側ドラムタービンブレード列７０及び２つの低圧内側ドラムタービンブレード列８０を有するものとして図示している。交差指状に配置した外側及び内側ドラムタービンブレード列７０、８０の数は、ファン速度及び歯車比を含むエンジン１０の設計要件に従って変化させることができる。

内側ドラムロータ７８は、エンジン１０の後方端部８４内かつコアエンジン２５の高圧タービン２４の後方に設置された遊星歯車５８を含む減速遊星ギヤボックス５６を介して歯車連結される。外側及び内側ドラムロータ６８、７８は、遊星歯車を介して互いに作動可能に歯車連結されるが、内側ドラムロータ７８のトルクのみが低圧シャフト７４に伝達される。ギヤボックス５６は、タービン支柱９４によって外側タービンケーシング１００に連結されたタービン後部フレーム９０内に取付けられるか又は該タービン後部フレーム９０に対して取付けられる。従って、ギヤボックス５６は、外側及び内側ドラムロータ６８、７８の後方に設置される。

図２及び図３を参照すると、ギヤボックス５６は、タービン後部フレーム９０によって支持された環状キャリヤ１０２と、この環状キャリヤ１０２により片持ち支持されたピン１０６上に回転可能に取付けられた遊星歯車１０４とを含む。太陽歯車１０８が、遊星歯車１０４と噛合いかつ該遊星歯車１０４の半径方向内側に回転可能に取付けられ、またリング歯車１１０が、遊星歯車１０４と噛合いかつ該遊星歯車１０４の半径方向外側に回転可能に取付けられる。外側ドラムロータ６８は、低圧シャフト７４の後方円錐形シャフト延長部８８によってリング歯車１１０に連結される。内側ドラムロータ７８は、太陽歯車１０８に連結される。従って、内側ドラムロータ７８のトルク及び仕事は、低圧シャフト７４に伝達される。このトルクは、低圧外側ウェブ６４を介して低圧シャフト７４に直接取付けられた外側ドラムロータ６８によって生成されたトルクと組合わされて、ファン段４を駆動する。

外側及び内側ドラムロータ６８、７８間に作動可能に配置された差動スラスト軸受１１２が、該外側及び内側ドラムロータの両方を互いに保持して、外側及び内側ドラムタービンブレード列７０、８０間に改善した作動軸方向間隙が得られるようにする。外側及び内側ドラムロータ６８、７８の両方が回転しているので、これら両ドラムロータ間の作動半径方向間隙は改善される。このギヤボックス装置は、外側ドラムロータ６８を内側ドラムロータ７８よりも遅い回転速度で回転させる。より高速の内側ドラムロータ７８のトルクは、ギヤボックスを介して伝達され、またより低速の外側ドラムロータ６８のトルクは、低圧内側シャフト６２に対して直接伝達され、従って全ギヤボックストルク及び発生する熱負荷を減少させて、重量／燃料燃焼システムの改善が得られる。ファンに対してトルク及び出力を送給する単一のシャフトと共に両ＬＰＴタービンを互いに結合する差動スラスト軸受は、スラストバランスシステム及びより大きなファンスラスト軸受の必要性を排除し、従って重量を改善し、複雑さを減少させかつエンジンの燃料燃焼を向上させる。差動スラスト軸受１１２は、より低い回転速度の外側ドラムロータ６８とより高い回転速度の内側ドラムロータ７８と間のより小さな軸方向間隙を可能にして、ＬＰＴ性能を向上させかつ燃料燃焼を改善する。

外側及び内側ドラムロータ６８、７８は、タービン後部フレーム９０によって半径方向にかつ回転可能に支持される。半径方向外側ローラ軸受１１４が、内側ドラムロータ７８及びタービン後部フレーム９０間に配置される。半径方向内側差動ローラ軸受１２０が、外側及び内側ドラムロータ６８、７８間に配置される。

エンジン１０のファミリは、共通の外側及び内側ドラムロータ６８、７８を備えた共通又は同一の二重反転式低圧タービン（ＬＰＴ）２６を有するものとして構成することができる。このファミリ内の異なるエンジンモデルは、異なる寸法のファン及び／又は作動設計ファン速度を有し、かつ該エンジンモデルの各々内の外側及び内側ドラムタービンブレード列７０、８０間に同一の相対差動速度を維持するようになったそれぞれ異なる歯車比を備えた異なるギヤボックス５６を有する。このことは、同一ファミリ内の異なるエンジンのために外側及び内側ドラムタービンブレード列７０、８０内の翼形部９８を変更せずに、異なる寸法のファン及び／又は作動設計ファン速度を有する異なるエンジンを該ファミリ内に備えたエンジンが、異なる寸法のファン及び／又は作動設計ファン速度に適応することを可能にする。

例示的な方法で本発明を説明してきた。使用した技術用語は、限定の用語としてではなくて説明の用語の性格であることを意図していることを理解されたい。本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者には本明細書の教示から本発明のその他の変更が明らかになる筈であり、従って全てのそのような変更は、本発明の技術思想及び技術的範囲の範囲内に属するものとして特許請求の範囲で保護されることを切望する。

従って、本特許によって保護されることを望むものは、提出した特許請求の範囲で特定しかつ差別化した発明である。

４ 単一のファン段
５ 周囲空気
８ エンジン中心線
９ 内側バイパスダクト壁
１０ ガスタービンエンジン
１１ ファンケーシング
１２ ファンセクション
１４ 単一のファンブレード列
１６ ブースタ
１８ 高圧圧縮機
１９ 入口ダクト
２０ 燃焼器
２１ バイパスダクト
２３ 燃焼ガス
２４ 高圧タービン
２５ コアエンジン
２６ 低圧タービン
２７ 高圧シャフト
３３ 高圧ロータ
５６ 遊星ギヤボックス
５８ 遊星歯車
６０ 内側ドラムタービンブレード列
６２ 低圧内側シャフト
６４ 低圧外側ウェブ
６６ 外側シェル
６８ 外側ドラムロータ
７０ 外側ドラムタービンブレード列
７２ 第１段
７４ 低圧シャフト
７８ 内側ドラムロータ
８０ 内側ドラムタービンブレード列
８４ 後方端部
８８ 円錐形シャフト延長部
９０ タービン後部フレーム
９４ タービン支柱
９８ 翼形部
１００ 外側タービンケーシング
１０２ 環状キャリヤ
１０４ 遊星歯車
１０６ ピン
１０８ 太陽歯車
１１０ リング歯車
１１２ スラスト軸受
１１４ 外側ローラ軸受
１２０ 内側差動ローラ軸受

Claims (8)

1. ガスタービンエンジンの二重反転式低圧タービン（２６）であって、
   二重反転可能な環状の外側及び内側ドラムロータ（６８、７８）と、
   前記外側ドラムロータ（６８）の外側シェル（６６）から半径方向内向きに延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧外側ドラムタービンブレード列（７０）と、
   前記環状の低圧内側ドラムロータ（７８）から半径方向外向きに延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧内側ドラムタービンブレード列（８０）と、を含み、
   前記低圧外側ドラムタービンブレード列（７０）が、前記低圧内側ドラムタービンブレード列（８０）と交差指状に配置され、
   前記外側ドラムロータ（６８）が、該低圧タービン（２６）からのトルク及び出力を伝達するように作動可能な単独シャフトである低圧シャフト（７４）に回転可能に連結され、
   前記内側ドラムロータ（７８）が、遊星ギヤボックス（５６）を介して歯車連結されて該内側ドラムロータ（７８）によって生成されたトルク及び出力を前記低圧シャフト（７４）に伝達するようになっており、
   前記遊星ギヤボックス（５６）が、前記外側及び内側ドラムロータ（６８、７８）の後方に設置された
   ことを特徴とする、低圧タービン（２６）。
2. 前記外側及び内側ドラムロータ（６８、７８）間に作動可能に配置された差動スラスト軸受（１１２）をさらに含む、請求項１記載の低圧タービン（２６）。
3. 前記遊星ギヤボックス（５６）が、タービン後部フレーム（９０）によって支持されたピン（１０６）上に回転可能に取付けられた遊星歯車（１０４）を有する、請求項２記載の低圧タービン（２６）。
4. 前記遊星ギヤボックス（５６）が、前記遊星歯車（１０４）と噛合いかつ該遊星歯車（１０４）の半径方向内側に回転可能に取付けられた太陽歯車（１０８）と、前記遊星歯車（１０４）と噛合いかつ該遊星歯車（１０４）の半径方向外側に回転可能に取付けられたリング歯車（１１０）とを含み、
   前記外側ドラムロータ（６８）が、前記リング歯車（１１０）に連結され、
   前記内側ドラムロータ（７８）が、前記太陽歯車（１０８）に連結される、
   請求項３記載の低圧タービン（２６）。
5. 前記内側ドラムロータ（７８）及びタービン後部フレーム（９０）間に配置された半径方向外側ローラ軸受（１１４）と、
   前記外側及び内側ドラムロータ（６８、７８）間に配置された半径方向内側差動ローラ軸受（１２０）と、
   をさらに含む、請求項４記載の低圧タービン（２６）。
6. 航空機ガスタービンエンジン（１０）であって、
   単一のファンブレード列（１４）を有する単一のファン段（４）を備えた単段ファンセクション（１２）と、
   低圧シャフト（７４）によって前記単一のファン段（４）に対して駆動連結された二重反転式低圧タービン（２６）と、
   を含み、前記二重反転式低圧タービン（２６）が、
   二重反転可能な環状の外側及び内側ドラムロータ（６８、７８）と、
   前記外側ドラムロータ（６８）の外側シェル（６６）から半径方向内向きに延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧外側ドラムタービンブレード列（７０）と、
   前記低圧内側ドラムロータ（７８）から半径方向外向きに延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧内側ドラムタービンブレード列（８０）と、を含み、
   前記低圧外側ドラムタービンブレード列（７０）が、前記低圧内側ドラムタービンブレード列（８０）と交差指状に配置され、
   前記外側ドラムロータ（６８）が、前記低圧タービン（２６）からのトルク及び出力を伝達するように作動可能な単独シャフトである前記低圧シャフト（７４）に回転可能に連結され、
   前記内側ドラムロータ（７８）が、遊星ギヤボックス（５６）を介して歯車連結されて該内側ドラムロータ（７８）によって生成されたトルク及び出力を前記低圧シャフト（７４）に伝達するようになっており、
   前記遊星ギヤボックス（５６）が、前記外側及び内側ドラムロータ（６８、７８）の後方に設置された
   ことを特徴とする、エンジン。
7. 前記外側及び内側ドラムロータ間に作動可能に配置された差動スラスト軸受をさらに含む、請求項６記載のエンジン。
8. 航空機ガスタービンエンジンファミリであって、
   異なる寸法のファン及び／又は作動設計ファン速度を有する該エンジンファミリ内の少なくとも２つの異なるエンジンモデルを含み、
   前記２つの異なるエンジンモデルが、該異なるエンジンモデルの二重反転式低圧タービン（２６）の外側及び内側ドラムタービンブレード列（７０、８０）間に同一の相対差動速度を維持するようになったそれぞれ異なる歯車比を備えた異なる遊星ギヤボックス（５６）を有し、
   前記エンジンモデルの各々が、単一のファンブレード列（１４）並びに異なるサイズのファン及び／又は作動設計ファン速度のそれぞれ１つを有する単一のファン段（４）を備えた単段ファンセクション（１２）を有する航空機ガスタービンエンジン（１０）を含み、
   前記二重反転式低圧タービン（２６）が、低圧シャフト（７４）によって前記単一のファン段（４）に対して駆動連結され、
   前記外側ドラムタービンブレード列（７０）が、外側ドラムロータ（６８）の外側シェル（６６）から半径方向内向きに延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧外側ドラムタービンブレード列（７０）を含み、
   前記内側ドラムタービンブレード列（８０）が、低圧内側ドラムロータ（７８）から半径方向外向きに延びる複数の軸方向に間隔を置いて配置された低圧内側ドラムタービンブレード列（８０）を含み、
   前記低圧外側ドラムタービンブレード列（７０）が、前記低圧内側ドラムタービンブレード列（８０）と交差指状に配置され、
   前記外側ドラムロータ（６８）が、前記低圧タービン（２６）からのトルク及び出力を伝達するように作動可能な単独シャフトである前記低圧シャフト（７４）に回転可能に連結され、
   前記内側ドラムロータ（７８）が、前記遊星ギヤボックス（５６）を介して歯車連結されて該内側ドラムロータ（７８）によって生成されたトルク及び出力を前記低圧シャフト（７４）に伝達するようになっており、
   前記遊星ギヤボックス（５６）が、前記外側及び内側ドラムロータ（６８、７８）の後方に設置された
   ことを特徴とする、エンジンファミリ。
   

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