JP5898337B2 - ギア付きターボファンエンジンの低騒音圧縮機ロータ - Google Patents

Description

本発明は、ギア付きターボファンエンジンに関する。

本出願は、２０１２年８月２１日出願の米国特許出願第１３／５９０３２８号の一部継続出願であり、米国特許出願第１３／５９０３２８号は、２０１２年１月３１日出願の米国仮出願第６１／５９２６４３号の優先権を主張する、２０１２年８月２１に発行された米国特許第８２４６２９２号に対応する２０１２年２月２３日出願の米国特許出願第１３／４０３，００５号の継続出願である。

本出願は、比較的人に聞こえにくい騒音を発生するように動作可能なガスタービンエンジンロータの設計に関する。

ガスタービンエンジンは周知であり、典型的に圧縮機に空気を送るファンを含む。空気は圧縮機で圧縮されて、燃焼器部へと下流に導かれ、ここで燃料と混合されて点火される。燃焼生成物は、タービンロータを通って下流に流れ、タービンロータを回転駆動する。

典型的に、高圧タービンロータと低圧タービンロータがある。各々のタービンロータは、ロータと共に回転するタービンブレードの複数の列を含む。タービンブレードの列の間にベーンが挿入される。

高圧タービンロータは、典型的に高圧圧縮機ロータを駆動し、低圧タービンロータは、典型的に低圧圧縮機ロータを駆動する。各々の圧縮機ロータは、さらに、ロータと共に回転する複数の圧縮機ブレードを含む。圧縮機ブレードの列の間にベーンが挿入される。

騒音はブレード列とベーン列との間の流体の動的相互作用によって発生するため、低圧タービンまたは低圧圧縮機は大きな騒音源になりうる。このような相互作用は、低圧タービンロータおよび低圧圧縮機ロータのぞれぞれのブレード通過周波数およびその倍音で音を発生させる。

騒音は、人に非常に聞こえやすい周波数の範囲内である場合が多い。この問題を軽減するために、従来はベーン対ブレードの比を特定の数値以上に制御していた。例えば、ブレード通過基本音が遠距離音場に伝搬するのを防ぐように、ベーン対ブレード比は１．５以上となるように選択することができる。これは、“カットオフ”と呼ばれている。

しかし、音響的カットオフ設計は、重量の増加や空力的な効率の低下を伴うおそれがある。別の言い方をすると、特定のベーン対ブレード比に限定すると、設計者は目標とするエンジンの他の特性に基づいてベーン対ブレード比を選択することが制限されうる。

従来は、低圧タービンは、低圧圧縮機部とファン部の両方を駆動する。近年は、ファンと低圧圧縮機を異なる速度で駆動することができるように、減速ギアが設けられている。

主な実施例では、ガスタービンエンジンは、ファン、低圧部と高圧部を備える圧縮機部、燃焼器部および低圧部を備えるタービンを有する。低圧タービン部は、低圧圧縮機部とファンを駆動する。減速ギアは、低圧タービンおよび低圧圧縮機部の速度に対するファンの速度を減速させる。低圧タービン部と低圧圧縮機部の少なくとも一方は、複数の列にそれぞれ複数のブレードを有する。これらのブレードは、少なくともいくらかの時間にわたって所定の回転速度で動作する。ブレード数および回転速度は、低圧タービン部と低圧圧縮機部の少なくとも一方の少なくとも１つのブレード列について次式が成り立つように設定される：（ブレード数×回転速度）／６０≧５５００。回転速度は、毎分回転数として表した進入速度である。

上述の実施例に基づく他の実施例では、上記の式の解は、６０００Ｈｚ以上の値になる。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、ガスタービンエンジンの定格推力は、１５０００ポンド以上である。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、低圧タービン部と低圧圧縮機部の少なくとも一方は、低圧圧縮機部である。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、上記の式は、低圧圧縮機部の複数のブレード列について成り立つ。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、上記の式の解は、６０００以上の値となる。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、ガスタービンエンジンの定格推力は、１５０００ポンド以上である。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、減速ギアは、約２．３よりも大きいギア比を有する。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、減速ギアは、約２．５よりも大きいギア比を有する。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、ファンは、空気をバイパスダクトに導くとともに、空気の一部を圧縮機部に導く。バイパス比が、圧縮機部に導かれる空気の量に対するバイパスダクトに導かれる空気の量として定義される。バイパス比は、約６よりも大きい。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、バイパス比は、約１０よりも大きい。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、減速ギアは、約２．３よりも大きいギア比を有する。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、ファンは、空気をバイパスダクトに導くとともに、空気の一部を圧縮機部に導く。バイパス比が、圧縮機部に導かれる空気の量に対するバイパスダクトに導かれる空気の量として定義される。バイパス比は、約６よりも大きい。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、バイパス比は、約１０よりも大きい。

他の主な実施例では、圧縮機モジュールは、複数の列のそれぞれに複数のブレードを備える低圧部を有する。これらのブレードは、少なくともいくらかの時間にわたって所定の回転速度で動作する。ブレード数と回転速度は、低圧部の少なくとも１つのブレード列について次式が成り立つように設定される：（ブレード数×回転速度）／６０≧５５００Ｈｚ。回転速度は、毎分回転数として表した進入速度である。

上述の実施例に基づく他の実施例では、上記の式の解は６０００Ｈｚ以上の値になる。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、ガスタービンエンジンの定格推力は、１５０００ポンド以上である。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、上記の式は、低圧部の複数のブレード列について成り立つ。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、上記の式は、低圧部の全てのブレード列について成り立つ。

上述のいずれかの実施例に基づく他の実施例では、上記の式は、低圧部の複数のブレード列について成り立つ。

本出願の上述およびその他の特徴は、以下の詳細な説明および以下に簡単に説明する図面によって最もよく理解される。

ガスタービンエンジンの説明図である。

図１は、ガスタービンエンジン２０を概略的に示している。ガスタービンエンジン２０は、一般にファン部２２、圧縮機部２４、燃焼器部２６およびタービン部２８を含む２軸ターボファンとして示されている。別のエンジンは、他の装置や特徴部の中で特に、オーグメンタ部（図示省略）や中間スプールを含みうる。ファン部２２は、ナセル１５内に画成されたバイパスダクトのバイパス流路Ｂに沿って空気を送り、圧縮機部２４は、コア流路Ｃに沿って空気を送り、空気は圧縮されて燃焼器部２６に連通し、タービン部２８を通って膨張する。開示された限定的でない実施例では、ターボファンガスタービンエンジンとして示しているが、ここで説明する概念は、ターボファンでの使用に限定されず、３軸設計を含む他の種類のタービンエンジンに教示を適用することができる。

エンジン２０は、一般に、エンジン長手方向中心軸Ａを中心に回転するように複数の軸受装置３８を介してエンジン静止構造体３６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。種々の位置に種々の軸受装置を代わりにまたは追加で設けることができる。

低速スプール３０は、一般に、ファン４２、低圧圧縮機４４および低圧タービン４６を相互に接続する内側シャフト４０を含む。内側シャフト４０は、低速スプール３０よりも低速でファン４２を駆動するために、ギア付き構造体４８を介してファン４２に接続されている。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４とを相互に接続する外側シャフト５０を含む。燃焼器５６が、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に配置される。エンジン静的構造体３６の中間タービンフレーム５７が、概して高圧タービン５４と低圧タービン４６との間に設けられる。中間タービンフレーム５７は、タービン部２８において軸受装置３８をさらに支持する。内側シャフト４０と外側シャフト５０は、同軸でかつ軸受装置３８を介してこれらのシャフトの長手方向軸と同一直線上にあるエンジン長手方向中心軸Ａを中心に回転する。

コア空気流は、低圧圧縮機４４で圧縮されてから高圧圧縮機５２で圧縮され、燃焼器５６で燃料と混合されて燃焼され、続いて、高圧タービン５４および低圧タービン４６を通って膨張する。中間タービンフレーム５７は、コア空気流路にエアフォイル５９を含む。タービン４６，５４は、膨張に応じて対応する低速スプール３０および高速スプール３２を回転駆動する。

スプール、圧縮機およびタービンの速度や圧力に関して用いる“高”および“低”の用語は、もちろん相対的なものである。すなわち、低速スプールは、高速スプールよりも低速で動作し、低圧部は、高圧部よりも低圧で動作する。

エンジン２０は、一例では高バイパスギア付き航空機エンジンである。さらに他の例では、エンジン２０のバイパス比は、約６よりも大きく、例示的な実施例では１０よりも大きく、ギア付き構造体４８は、約２．３よりも大きいギア減速比を有する遊星歯車装置または他の歯車装置などのエピサイクリック歯車列であり、低圧タービン４６は約５よりも大きい圧力比を有する。開示された一実施例では、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の直径よりもかなり大きく、低圧タービン４６は約５：１よりも大きい圧力比を有する。低圧タービン４６の圧力比は、排気ノズルの前の低圧タービン４６の出口における圧力に関連して低圧タービン４６の入口の前で測定される圧力である。ギア付き構造体４８は、ギア減速比が約２．５：１よりも大きい遊星歯車装置または他の歯車装置などのエピサイクリック歯車列とすることができる。しかし、上述のパラメータは、ギア付き構造体を有するエンジンの一実施例の例示的なものであり、本発明は直動式ターボファンを含む他のガスタービンエンジンにも適用可能である。

高いバイパス比により、かなりの量の推力がバイパス流れＢによって提供される。エンジン２０のファン部２２は、特定の飛行条件、典型的には、約０．８マッハでの約３５０００フィートの巡航に対して設計されている。エンジンの燃費が最大である０．８マッハおよび３５０００フィートの飛行条件は、“バケット巡航推力当たり燃料消費率（‘ＴＳＦＣ’）”とも呼ばれており、燃焼される燃料のｌｂｍをその最小点でエンジンが発生する推力のｌｂｆで割った業界標準パラメータである。“低ファン圧力比（ｌｏｗ ｆａｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ）”は、ファン出口ガイドベーン（“ＦＥＧＶ”）装置を含まないファンブレードのみにわたる圧力比である。ここで開示する限定的でない一実施例における低ファン圧力比は、約１．４５よりも小さい。“低ファン先端補正速度（ｌｏｗ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｆａｎ ｔｉｐ ｓｐｅｅｄ）”は、実際のファン先端速度（ｆｔ／秒）を業界標準温度補正値［（Ｔａｍｂｉｅｎｔ ｄｅｇ Ｒ）／（５１８．７）］＾^0.5で割ったものである。ここで開示する限定的でない一実施例では、“低ファン先端補正速度”は約１１５０ｆｔ／秒よりも遅い。

低速スプールとファンとの間の減速ギアにより、低圧圧縮機の速度を増加させることができる。従来は、ファン速度を過度に大きくできないために、低圧タービンの速度がいくらか制限されていた。ファン速度は外側先端部において最大であり、比較的大きいエンジンでは、出力が比較的小さいエンジンよりもファンの直径がかなり大きくなる。しかし、減速ギアにより、設計者は、過剰に高いファン速度を望まないことに起因する低圧タービンや圧縮機の速度の制限から解放される。

回転ブレードの数と低圧タービンの回転速度との間の注意深い設計の選択により、人に聞こえにくい騒音周波数が得られることがわかった。低圧圧縮機４４でも同様である。

以下の式が得られた：
（ブレード数×回転速度）／６０≧５５００。

すなわち、任意の低圧タービン段における回転ブレードの数に低圧タービン４６の回転速度（毎分回転数）を掛けて、６０で割った値が５５００以上となるべきである。低圧圧縮機段でも同じことが言える。より狭くは、上記の値は６０００より高くなるべきである。当業者であればわかるように、６０は、毎分回転数をヘルツ、つまり毎秒回転数に変えるためのものである。

上記の式で用いられる低圧タービン４６と低圧圧縮機４４の動作速度は、連邦耐空性規則第３６部に規定された各々の騒音認証点におけるエンジン動作状態に対応すべきである。特に、回転速度は、連邦耐空性規則第３６部に規定された進入認証点とすることができる。本明細書および請求項では、“進入速度”とはこの認証点と同義である。

低圧タービン４６の全ての列が上記の式を満たすことが想定されている。しかし、本願は、１つのブレード列だけが上記の式を満たす低圧タービンも含みうる。他の実施例では、複数の列が上記の式を満たし、また他の実施例では、大部分の列が上記の式を満たす。低圧圧縮機でも同様であり、低圧圧縮機４４の全ての列が上記の式を満たすことができる。しかし、本願は、１つのブレード列だけが上記の式を満たす低圧圧縮機も含みうる。他の実施例では、複数の列が上記の式を満たし、また他の実施例では、大部分の列が上記の式を満たす。

これにより、人に聞こえにくい動作音が得られる。

実施例では、式の解は５５００以上の範囲、そしてそれより高い範囲となりうる。よって、ブレード数を注意深く設計するとともに、低圧タービン４６の動作速度を制御することにより（当業者であれば動作速度の制御方法がわかるであろう）、低圧タービンによって発生する騒音周波数を確実に人に問題のない程度とすることができる。

低圧圧縮機４４のブレード数の設計や速度制御にも同じことが言える。上述したように、当業者であれば速度の制御方法がわかるであろう。

実施例では、上記の式を満たすように設計されるのは、低圧タービンロータ４６または低圧圧縮機ロータ４４のいずれかのみでありうる。他方では、低圧タービン４６および低圧圧縮機４４の両方が上記の式を確実に満たすようにすることができる。

本発明は、１５０００ポンド以上の定格推力を有するジェットエンジンに最も適している。この推力範囲では、従来のジェットエンジンは、典型的に約４０００ヘルツの周波数範囲を有していた。よって、上述したような騒音の問題があった。

比較的低推力のエンジン（＜１５０００ポンド）は、時には４０００を超えて、６０００に近い条件で動作することもありうるが、これはギア付き構造体と組み合わさった場合ではなく、比較的大きいファンを有する比較的高出力のエンジンの場合でもなく、低圧タービンや低圧圧縮機の速度に比較的大きな制限がある場合である。

本発明の一実施例を開示したが、当業者であればわかるように、特定の改良は本発明の範囲に含まれる。よって、本発明の真の範囲および内容を判断するためには以下の請求項の検討が必要である。

Claims (15)

1. ファンと、低圧部と高圧部を備える圧縮機部と、燃焼器部と、低圧部を備えるタービンと、を有し、低圧タービン部が低圧圧縮機部とファンとを駆動しており、
   低圧タービンおよび低圧圧縮機部の速度に対するファンの速度を減速させる減速ギアをさらに有し、
   低圧タービン部と低圧圧縮機部の双方が、複数の列のそれぞれに複数のブレードを有し、これらのブレードは、少なくともいくらかの時間にわたって所定の回転速度で動作し、前記ブレードの数と前記回転速度は、前記の低圧タービン部と低圧圧縮機部の少なくとも低圧圧縮機部の複数のブレード列について次式が成り立つように設定され、
   （ブレード数×回転速度）／６０≧６０００、
   前記回転速度は、毎分回転数として表した進入速度であり、
   ガスタービンエンジンの定格推力は、１５０００ポンド以上であることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記減速ギアは、２．３よりも大きいギア比を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 前記減速ギアは、２．５よりも大きいギア比を有することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記ファンは、空気をバイパスダクトに導くとともに、空気の一部を圧縮機部に導き、バイパス比が、圧縮機部に導かれる空気の量に対するバイパスダクトに導かれる空気の量として定義され、前記バイパス比は、６よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記バイパス比は、１０よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のガスタービンエンジン。
6. ファンと、ファン駆動タービンロータを備えるタービン部と、を有し、ファン駆動タービンロータは、低圧圧縮機ロータを駆動しており、
   低圧圧縮機ロータを駆動するファン駆動タービンロータからの入力速度に対してファンの速度を減速させる減速ギアをさらに有し、
   低圧圧縮機ロータは、複数の列のそれぞれに複数の圧縮機ブレードを有し、前記ブレードは、少なくともいくらかの時間にわたって所定の回転速度で動作し、前記圧縮機ブレードの数と、前記回転速度とは、低圧圧縮機ロータの複数の列について以下の式が成り立つように設定され、
   （前記ブレード数×前記回転速度）／６０≧６０００Ｈｚ、
   前記回転速度は、毎分回転数として表した進入速度であり、
   ガスタービンエンジンの定格推力は、１５０００ポンド以上であることを特徴とするガスタービンエンジン。
7. 前記減速ギアは、２．３よりも大きいギア比を有することを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記減速ギアは、２．５よりも大きいギア比を有することを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
9. 前記ファンは、空気をバイパスダクトに導くとともに、空気の一部を圧縮機ロータに導き、バイパス比が、圧縮機ロータに導かれる空気の量に対するバイパスダクトに導かれる空気の量として定義され、前記バイパス比は、６よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
10. 前記バイパス比は、１０よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
11. タービン部は、高圧タービンロータと低圧タービンロータを備え、ファン駆動タービンロータは、低圧タービンロータであることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
12. 高圧タービンロータが、高圧圧縮機ロータを駆動することを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
13. 低圧圧縮機ロータを駆動するとともに、減速ギアを介してファンを駆動するファン駆動タービンロータを備え、低圧圧縮機ロータの複数の列について、次式が成り立つように、低圧圧縮機ロータの回転数と組み合わせて、低圧圧縮機ロータの前記複数の列のブレードの数を選択するステップをそれぞれ含むガスタービンエンジン設計方法であって、
    （前記ブレード数×前記回転速度）／６０ｓ≧６０００Ｈｚ、
    前記回転速度は、毎分回転数として表した進入速度であり、
    ガスタービンエンジンの定格推力は、１５０００ポンド以上であることを特徴とするガスタービンエンジン設計方法。
14. タービン部が、高圧タービンロータと低圧タービンロータを備えており、ファン駆動タービンロータは、低圧タービンロータであることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン設計方法。
15. 高圧タービンロータが、高圧圧縮機ロータを駆動することを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン設計方法。

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