JP5893761B2 - ターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、極端な状況時のターボ機械内部における歯車減速構造の移動の制限に関する。

ガスタービンエンジンなどのターボ機械は一般に、ファンセクションと、タービンセクションと、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、を含む。ターボ機械は、ファンセクションと、タービンセクションとを連結する歯車減速構造を使用しうる。

ターボ機械内部の歯車減速構造を保持するように支持構造体が用いられる。支持構造体は、ターボ機械の他の部分に対する歯車減速構造のある程度の移動を許容するように相対的に柔軟（compliant）である。ファンブレードの損失やファンシャフト・ベアリング支持体の破損などのエンジンの極端な状況により、ターボ機械の他の部分に対する歯車減速構造やファンの著しい軸方向の移動が助長される。周知のように、それらの移動は好ましくない。こうした相対的に柔軟な支持構造体は、エンジンの極端な状況時には歯車減速構造を保持することができない。

本発明の例示的な態様のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリが、特に、柔軟性の高い部分（more compliant portion）と、柔軟性の低い部分（less compliant portion）と、を有する支持体を含む。柔軟性の低い部分は、ターボ機械内部における歯車減速構造の軸方向の移動を制限するストッパを含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、柔軟性の高い部分および柔軟性の低い部分を含み、それらは単一の一体構造の支持体の一部である。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、歯車減速構造に直接連結された支持部材の一部を越えてそれぞれ半径方向に延在する複数の突起部を備えたストッパを含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、軸を中心として周方向に分散された複数の突起部を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、剛性部材としての支持部材を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、環形の柔軟性の低い部分を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、ターボ機械の運転時の、その他の部分に関する歯車減速構造のある程度の移動を許容する柔軟性の低い部分を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、歯車減速構造をターボ機械のケース構造に連結する柔軟性の高い部分を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、ケース構造に直接連結される柔軟性の低い部分を含む。

本発明の別の例示的な態様のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリが、特に、ターボ機械エンジンケースに関して固定された柔軟性の低い部分と、ターボ機械エンジンケースおよび歯車減速構造に関して固定された柔軟性の高い部分と、を含む。柔軟性の低い部分は、エンジンケースに関する歯車減速構造の軸方向の移動を制限するストッパを含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、ターボ機械の軸を中心として周方向に分散された複数の独立した部分を含んだ柔軟性の低い部分を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、独立した部分の各々が、歯車減速構造とともに移動する部材を越えて半径方向に延在するように構成された、径方向延在部を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、独立した部分の軸方向延在部から延在した、径方向延在部を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、径方向延在部よりもさらに周方向に延在した、軸方向延在部を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、柔軟性の高い部分が環形である。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、歯車減速構造の支持部材に直接固定された、柔軟性の高い部分を含む。

前述のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリのこれに限定しない更なる実施例では、アセンブリが、ターボ機械を通流する流れの方向に関して歯車減速構造の軸方向後方に、柔軟性の低い部分と柔軟性の高い部分とを含む。

本発明の別の例示的な態様のターボ機械の歯車減速構造の支持方法が、特に、ターボ機械のその他の部分に関する歯車減速構造の移動を許容するように、相対的に柔軟（relatively compliant）な支持アームを使用し、歯車減速構造の軸方向の移動を制限するように、相対的に剛体（relatively rigid）の支持アームを使用することを含む。

前述のターボ機械の歯車減速構造の支持方法のこれに限定しない更なる実施例では、この方法が、ターボ機械を通流する流れの方向に関してターボ機械の軸方向後方に配置された相対的に柔軟な支持アームおよび相対的に剛体の支持アームを含む。

前述のターボ機械の歯車減速構造の支持方法のこれに限定しない更なる実施例では、この方法が、同じ一体構造の支持アセンブリの一部である、相対的に柔軟な支持アームおよび相対的に剛体の支持アームを含む。

前述のターボ機械の歯車減速構造の支持方法のこれに限定しない更なる実施例では、この方法が、極端な状況時の移動を制限する、相対的に剛体の支持アームを含む。

開示の実施例の様々な特徴および利点が詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。

一例のターボ機械の部分断面図。 図１のターボ機械の通常運転時における一例の歯車減速構造支持アセンブリの概略図。 図２Ａの歯車減速構造支持アセンブリの極端な状況時の概略図。 図１のターボ機械内での使用に適した別の例の歯車減速構造支持アセンブリの斜視図。 図３の支持アセンブリの軸方向正面図。 図３の支持アセンブリとともに使用するのに適した支持リングの斜視図。 図３の支持アセンブリを図５の支持リングとともに図４，５の線６−６に沿って切断した断面図。 図３の支持アセンブリを図５の支持リングとともに図４，５の線７−７に沿って切断した断面図。 図６の領域８の斜視図。 図３の支持アセンブリとともに図５の支持リングを組み合わせた、図３，５の方向Ｄにおける一部の斜視図。

図１は、一例のターボ機械を概略的に示し、この例ではガスタービンエンジン２０である。ガスタービンエンジン２０は、概ねファンセクション２２と、圧縮機セクション２４と、燃焼器セクション２６と、タービンセクション２８と、を含んだ２スプールのターボファンガスタービンエンジンである。その他の例は、他の装置や特徴部の中でも特にオーグメンタセクション（図示せず）を含みうる。

開示のこれに限定しない実施例では２スプール式のターボファンガスタービンエンジンとして記載したが、当然ながら、本発明の概念は、ターボファンの用途に限定されない。すなわち、本発明の教示は、３スプール式の構造を含む他種のターボ機械やタービンエンジンに適用してもよい。

一例のエンジン２０では、圧縮機セクション２４がコア流路に沿って空気を送り込みながら、ファンセクション２２がバイパス流路に沿って空気を送り込む。圧縮機セクション２４からの圧縮空気が燃焼器セクション２６を通して通流する。燃焼生成物がタービンセクション２８を通して膨張する。

一例のエンジン２０は、概ねエンジンの静的構造３６に関してエンジン中央の長手方向軸Ａを中心として回転するように取り付けられた低速スプール３０と、高速スプール３２と、を含む。低速スプール３０および高速スプール３２は、幾つかのベアリングシステム３８ａ〜３８ｃによって回転可能に支持される。当然のことながら、様々な位置に様々なベアリングシステム３８ａ〜３８ｃを代替的または付加的に設けてもよい。

低速スプール３０は、概ねファン４２、低圧圧縮機４４、および低圧タービン４６を相互に連結する内側シャフト４０を含む。内側シャフト４０が歯車減速構造（geared architecture）４８を介してファン４２に連結されて、ファン４２を低速スプール３０よりも低速で駆動する。

高速スプール３２は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４を相互に連結する外側シャフト５０を含む。

燃焼器セクション２６は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に概ね軸方向に配置された燃焼器５６の周方向に分散された列を含む。

エンジン静的構造３６の中間タービンフレーム５８が、高圧タービン５４と低圧タービン４６との間に概ね軸方向に配置される。中間タービンフレーム５８は、タービンセクション２８においてベアリングシステム３８ａ〜３８ｃを支持する。

内側シャフト４０および外側シャフト５０は同軸であり、内側シャフト４０および外側シャフト５０の長手方向軸と同一線上にあるエンジン中央長手方向軸Ａを中心として、少なくともベアリングシステム３８ａ〜３８ｃを介して回転する。

例示のエンジン２０では、コア空気流が低圧圧縮機４４、次いで高圧圧縮機５２によって圧縮され、燃焼器５６内で燃料とともに混合、燃焼され、次いで高圧タービン５４および低圧タービン４６に亘って膨張される。中間タービンフレーム５８は、コア空気流の通路内にエーロフォイル６０を含む。膨張に応じて、高圧タービン５４および低圧タービン４６がそれぞれ高速スプール３２および低速スプール３０を回転駆動する。

一部の限定しない実施例では、エンジン２０は高バイパス歯車減速航空機エンジンである。更なる例では、エンジン２０のバイパス比は約６（６：１）よりも大きい。

一例のエンジン２０の歯車減速構造４８は、遊星歯車装置またはその他の歯車減速装置などのエピサイクリック・ギアトレインを含む。一例のエピサイクリック・ギアトレインは、約２．３（２．３：１）よりも大きいギア減速比を有する。

低圧タービン４６の圧力比は、エンジン２０の排気ノズルの前における低圧タービン４６の出口の圧力に関連して、低圧タービン４６の入口の前で測定された圧力である。これに限定されない一実施例では、エンジン２０のバイパス比は、約１０（１０：１）よりも大きく、ファン直径は低圧圧縮機４４の直径よりも著しく大きく、低圧タービン４６は、約５（５：１）よりも大きい圧力比を有する。この実施例の歯車減速構造４８は、約２（２．５：１）よりも大きいギア減速比をエピサイクリック・ギアトレインである。しかしながら、当然のことながら、上記のパラメータは歯車減速構造エンジンの一実施例の例示に過ぎず、本発明の開示は、直接駆動ターボファンを含むその他のガスタービンエンジンにも適用可能である。

一例のエンジン２０のこの実施例では、高バイパス比により相当量のスラストがバイパス流Ｂによってもたらされる。エンジン２０のファンセクション２２は、通常マッハ約０．８、約３５，０００フィートを巡航する、特定の飛行条件のために設計される。エンジン２０が最適な燃料消費率を有するこの巡航条件は、バケット巡航（ｂｕｃｋｅｔ ｃｒｕｉｓｅ）スラスト燃料消費率（ＴＳＦＣ）としても知られる。ＴＳＦＣは、スラストの単位当たりの燃料消費率の工業規格のパラメータである。

ファン圧力比は、ファン出口ガイドベーンシステムを使用しないファンセクション２２のブレードに亘る圧力比である。一例のエンジン２０の限定しない一実施例の低ファン圧力比は、１．４５未満である。

低修正ファン先端速度（ｌｏｗ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｆａｎ ｔｉｐ ｓｐｅｅｄ）は、工業規格の温度修正“Ｔ”／５１８．７^0.5で割った、実際のファン先端速度である。Ｔは、ランキン温度による周囲温度を示す。これに限定しない一例のエンジン２０の実施例による低修正ファン先端速度は、約１１５０ｆｐｓ（３５１ｍ／ｓ）未満である。

運転時、エンジン２０はファンブレードの損失やファンシャフトベアリング支持体の破損などの極端な状況を被りうる。こうした状況では、ファン４２は、エンジン２０の他の部分に関して軸方向前方に望ましくなく移動する傾向があり、ファン４２とそれに関連するコンポーネントがエンジン２０から離脱してしまう。

この例では、ベアリング３８ａは、スラストベアリングである。極端な状況においては、スラストベアリングは、ファン４２がエンジン２０の残りの部分の軸方向前方に移動する傾向を制限するように、一例のエンジン２０が利用する特徴の一つである。ベアリング３８ａがファン４２の移動を無駄に制限してしまう場合、ファン４２は、エンジン２０から歯車減速構造４８およびその他のコンポーネントを望ましくなく離脱させてしまうおそれがある。

引き続き図１を参照しながら図２Ａ，２Ｂを参照すると、一例のエンジン２０は、極端な状況時、特にベアリング３８ａが効果的でない場合に、ファン４２の移動を制限するその他の特徴を含む。例えば、一例のエンジン２０は、極端な状況時にファン４２および歯車減速構造４８の前方への移動を制限する歯車減速構造支持アセンブリ７０を含む。

一例の支持アセンブリ７０は、少なくとも第１のアーム７８および第２のアーム８２を含む。第１のアーム７８および第２のアーム８２は、機械的基礎としての役割を果たすエンジンケース構造８４に直接連結される。

一例の第１のアーム７８は、一例の第２のアーム８２に比べて柔軟性が低い（less compliant）。したがって、支持アセンブリ７０は、柔軟性の低い部分と、柔軟性の高い部分と、を有する。特に、第１のアーム７８および第２のアーム８２は、双方ともエンジンを通流する流れの方向に関して歯車減速構造４８の軸方向後方である。

エンジン２０の通常運転時、支持アセンブリ７０の第２のアーム８２の一端が、歯車減速構造４８に直接連結された剛性部材８６に連結される。第２のアーム８２は、剛性部材８６を介して歯車減速構造４８を支持する。

第２のアーム８２は、相対的に柔軟であり、従ってエンジン２０のその他の部分に関する歯車減速構造４８のある程度の移動を可能にする。エンジン２０のその他の部分に関する歯車減速構造４８のある程度の移動は、例えば通常運転時のエンジン２０のアセンブリの公差や曲げを許容するのに必要である。

ブレードの損失などの極端な状況時、歯車減速構造４８は、ファン４２が回転して、エンジン２０のその他の部分に関して軸方向前方に移動しようとするため、Ｆ方向に極度の負荷を受ける。ベアリング３８ａが破損している場合、この負荷は特に生じやすい。

こうした状況では、歯車減速構造４８の極端な移動が第１のアーム７８によって制限される。この例では、Ｆ方向の負荷により、剛性部材８６が領域８８で第１のアーム７８と直接接触する。この接触により、歯車減速構造４８の、エンジン２０から軸方向に離れる移動がブロックされる。歯車減速構造４８はファン４２に連結されているため、歯車減速構造４８の移動の制限により、エンジン２０の残りの部分から軸方向前方へのファン４２の移動が防止される。

ここで図３〜１０を参照すると、エンジン１０内での使用に適した別の例の支持アセンブリ１００が、第１のアーム１０４と、第２のアーム１０８と、を含む。第２のアーム１０８は、第１のアーム１０４よりも柔軟（compliant）である。この例では、第１のアーム１０４および第２のアーム１０８は、同じ構造の一部である。さらに、第１のアーム１０４および第２のアーム１０８は、単一の一体構造を形成するように一緒に鋳造される。別の例では、第１のアーム１０４および第２のアーム１０８は、互いに溶接される。

一例の支持アセンブリ１００は、スプラインによりエンジンケース８４（図２Ａ，２Ｂ）に接地される。その他の例では、別の方法により支持アセンブリを接地してもよい。

トルクフレーム１１２が第２のアーム１０８に対して固定される。トルクフレーム１１２は、一種の支持部材である。一例のトルクフレーム１１２は、そのトルクフレーム１１２を中心として周方向に分散された５つのフランジ１１６を含む。フランジ１１６は、歯車減速構造４８に直接連結される。トルクフレーム１１２は、歯車減速構造４８の歯車装置を回転に対して固定する。

一例のトルクフレーム１１２は、歯車減速構造４８とともに移動するように構成される。相対的に柔軟な第２のアーム１０８は、エンジン２０の通常運転時の歯車減速装置４８（およびトルクフレーム１１２）の移動を可能にする。

この例では、第１のアーム１０４は、エンジン２０の軸Ａを中心として周方向に分散された５つの独立したセクションを含む。一方、第２のアーム１０８は、環形であり、軸Ａの周りに周方向に延在する。この例では、第１のアーム１０４を複数の独立したセクションを含むように記載したが、別の例では、第１のアーム１０４全体が環形でもよい。さらに別の例では、第１のアーム１０４の一部が環形であり、他の部分が分割される。

第１のアーム１０４の各々が、軸方向延在部１２４と、径方向延在部１２８と、を含む。この例では、第１のアーム１０４の各々の軸方向延在部１２４は、径方向延在部１２８よりもさらに周方向に延在している。径方向延在部１２８の各々は、第１のアーム１０４の各々における周方向中心付近に配置される。径方向延在部１２８は、この例では突起部とみなされる。

特に、径方向延在部１２８は、トルクフレーム１１２の外周１３２を越えて半径方向に延在する。したがって、トルクフレーム１１２が前方に引っ張られる極端な状況時には、トルクフレーム１１２の前方接面１３６は、径方向延在部１２８の各々の後方接面１４０と接触する。それらの接面１３６，１４０の接触により、トルクフレーム１１２の更なる軸方向前方への移動をブロックし、延いては歯車減速構造４８の更なる軸方向前方への移動をブロックする。

トルクフレーム１１２は、組立て時に径方向延在部１２８を受け入れるスロット１４４を含む。それらのスロット１４４により、組立て時に、径方向延在部１２８を、その接面１４０が接面１３６の前方にくる位置まで軸方向に移動させることが可能となる。その位置まで軸方向に移動させた後、トルクフレーム１１２を支持構造１００に関して回転させて、接面１４０が少なくとも部分的に接面１３６と周方向に揃えられる。

理解されるように、軸方向延在部１２４によりトルクフレーム１１２の半径方向の移動が制限され、それにより歯車減速構造４８の半径方向の移動が制限される。

歯車減速構造４８の半径方向および軸方向前方の移動を制限することに加えて、一例の支持構造１００は、歯車減速構造４８の周方向移動を制限するタブ１５０を含む。歯車減速構造４８は、その歯車減速構造４８に直接連結されるとともに歯車減速構造４８の周方向の移動を制限するようにタブ１５０と接触する、フレーム部材（図示せず）を含む。

実施例に開示の特徴は、エンジンの通常運転時の、エンジンの他の部分に関する歯車減速構造のある程度の移動を可能にするが、極端な状況時の移動、特に歯車減速構造の軸方向前方への移動を制限する支持構造を含む。

上記の記載は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。本発明の真意を逸脱することなく開示の実施例に対する変形や修正が当業者にとって明らかとなるであろう。したがって、本発明に付与される法的保護の範囲は以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。

Claims (18)

1. 柔軟性の高い部分と、柔軟性の低い部分と、を有する支持体を備え、
   前記柔軟性の低い部分が、ターボ機械内部における歯車減速構造の軸方向の移動を制限するストッパを含み、
   前記柔軟性の高い部分および前記柔軟性の低い部分が、単一の一体構造の支持体の一部である、ターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
2. 前記ストッパが、前記歯車減速構造に直接連結された支持部材の一部を越えてそれぞれ半径方向に延在する複数の突起部を備えることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
3. 前記複数の突起部が、前記軸を中心として周方向に分散されることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
4. 前記支持部材が、剛性部材であることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
5. 前記柔軟性の低い部分が、環形であることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
6. 前記柔軟性の高い部分が、前記ターボ機械の運転時の、該ターボ機械のその他の部分に関する前記歯車減速構造のある程度の移動を許容することを特徴とする請求項１に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
7. 前記柔軟性の低い部分が、前記歯車減速構造を前記ターボ機械のケース構造に連結することを特徴とする請求項１に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
8. 前記柔軟性の低い部分が、前記ケース構造に直接連結されることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
9. ターボ機械エンジンケースに関して固定された柔軟性の低い部分と、
   前記ターボ機械エンジンケースおよび歯車減速構造に関して固定された柔軟性の高い部分と、
   を備え、
   前記柔軟性の低い部分が、前記エンジンケースに関する前記歯車減速構造の軸方向の移動を制限するストッパを含み、
   前記柔軟性の低い部分および前記柔軟性の高い部分が、前記ターボ機械を通流する流れの方向に関して前記歯車減速構造の軸方向後方にある、ターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
10. 前記柔軟性の低い部分が、前記ターボ機械の軸を中心として周方向に分散された複数の独立した部分を含むことを特徴とする請求項９に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
11. 前記独立した部分の各々が、前記歯車減速構造とともに移動する部材を越えて、半径方向に延在するように構成された径方向延在部を含むことを特徴とする請求項１０に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
12. 前記径方向延在部が、前記独立した部分の軸方向延在部から延在することを特徴とする請求項１１に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
13. 前記独立した部分の軸方向延在部が、前記径方向延在部よりもさらに周方向に延在することを特徴とする請求項１１に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
14. 前記柔軟性の高い部分が、環形であることを特徴とする請求項９に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
15. 前記柔軟性の高い部分が、歯車減速構造の支持部材に直接固定されることを特徴とする請求項９に記載のターボ機械歯車減速構造支持アセンブリ。
16. ターボ機械における他の部分に関する歯車減速構造の移動を許容するように、相対的に柔軟な支持アームを使用し、
    前記歯車減速構造の軸方向の移動を制限するように、相対的に剛体の支持アームを使用する、
    ことを備え、
    前記相対的に柔軟な支持アームおよび前記相対的に剛体の支持アームが、同じ一体構造の支持アセンブリの一部であることを特徴とする、ターボ機械の歯車減速構造の支持方法。
17. 前記相対的に柔軟な支持アームおよび前記相対的に剛体の支持アームが、前記ターボ機械を通流する流れの方向に関して前記ターボ機械の軸方向後方にあることを特徴とする請求項１６に記載の支持方法。
18. 前記相対的に剛体の支持アームが、極端な状況時の移動を制限することを特徴とする請求項１６に記載の支持方法。

Images