JPH02245455A - 高バイパス比ターボファンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 ［産業上の利用分野］ 本発明はターボファンエンジン、とくにブースタ圧縮機
およびファン部分を駆動する低圧、部分的歯車付き二重
反転タービンを有する高バイパス比ターボファンエンジ
ンに関する。

［関連技術の説明］ 高バイパス比ターボファンエンジン、すなわち約８：１
以上のバイパス比を有するターボファンエンジンは、重
くかつ高価なものとなり易い。その訳は、出力タービン
とも称せられる低速、低圧ファン駆動タービンおよび低
速ブースタ圧縮機の各々が熱力学的出力サイクルによっ
て示される必要な空気力学的仕事量を達成するため、そ
れぞれ、多くの段数を必要とするためである。また、低
速ブースタ圧縮機は回転速度が比較的低い場合、重大な
結氷の問題を生ずる。

第１図において、従来技術の高バイパス比ターボファン
エンジン１００は低圧または出力タービン１０２を有し
、タービン１０２はコア部分１０６の前方に設けられた
ブースタ圧縮機１０４、およびブースタ圧縮機１０４の
前方に設けられたファン部分１０８を、駆動軸１１０を
介して駆動する。通常、タービン部分１０２の出力ター
ビンの回転速度をファン部分１０８の所要回転速度まで
減速するため、減速歯車１１２がブースタ圧縮機１０４
とファン部分１０８との間において軸１１０に設けられ
ている。このようにして、ブースタ圧縮機１０４はター
ビン１０２と同じ高回転速度で回転され、ファン部分１
０８は減速歯車１１２を介してファン効率を上げるに必
要な低い軸速度で回転される。

しかしながら、第１図に示すエンジン装置は２つの重大
な欠点を有する。第１に減速歯車１１２は全ファン駆動
動力を軸１１０からファン部分１０８に伝達しなけらば
ならない。したがって、減速歯車１１２は必然的にきわ
めて重くなり、また減速歯車に固有の低効率および熱的
損失のため、大型でかつ効率の悪い潤滑油冷却器を必要
とする。

第２に、利用可能な最大回転速度がタービンブレードの
応力限界により制限されるため、ＬＰツタ−ンの段数は
効率的な段負荷を維持するため比較的多くしなければな
らない。多数のＬＰタービン段数は重量およびロータの
動的な設計問題を増加する。

発明の要約 したがって、本発明の目的は、（ａ）応力によるタービ
ン速度限界をこえることなく、また（ｂ）出力タービン
の動力のすべてを変速機箱を通して伝達することなしに
、ファン、ブースタおよび出力タービンの回転速度を一
致させかつ最適化するために歯車を利用した、高バイパ
ス比ターボファンエンジンを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ファン、ブースタおよび二
重反転出力タービンの回転速度を一致させかつ最適化し
、二重反転する出力タービンブレードおよび関連ドラム
が異なった回転速度（ＲＰＭ）ならびに方向で作動する
高バイパス比ターボファンエンジンを提供することであ
る。

本発明のさらに別の目的は、−層小型で、軽量、かつ−
鳴動率的な減速歯車が、ファンおよびブースタ圧縮機と
の間でシャフトで利用される高バイパス比ターボファン
エンジンを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ブースタ圧縮機およびファ
ン部分の駆動タービンが少ないタービン段数を持ち一層
小型かつ軽量に作られているが、ブースタ圧縮機および
ファン部分を最適性能レベルで作動するため動力要求に
適合している高バイパス比ターボファンエンジンを提供
することである。

本発明のこれ以外の目的および利点は、下記に記載され
、一部はその記載から明らかとなるかまたは本発明を実
施することによって修得されるであろう。本発明の目的
および利点は、特許請求の範囲で特定した手段および組
合せによって実現かつ達成することができる。

上記目的を達成するため、本明細書で具体化されかつ概
略記載される本発明の目的に沿う高バイパス比ターボフ
ァンエンジンは、ファン部分、およびエンジンを通る燃
焼ガス流に関してファン部分の下流に設けられたブース
タ圧縮機を宵する。

コア部分はブースタ圧縮機後方に設けられ、ファン部分
およびブースタ圧縮機を駆動する低圧タービン装置はコ
アの後方に設けられている。低圧タービン装置は少なく
とも１組の軸方向に離れた回転ブレード列および１組の
軸方向に離れた反対回転すなわち二重反転するタービン
ブレードを有し、前記ブレードは異なる速度および異な
る方向に回転する。外側および内側軸装置が、タービン
ブレードをブースタ圧縮機に結合するため、また二重反
転タービンブレードをファン部分に結合するため、夫々
設けられている。減速歯車装置は高速タービンブレード
をファン部分に結合するためかつ外側軸の回転速度を減
速するため設けられ、外側軸は低圧タービンの出力をフ
ァン部分の速度および方向を一致させそれによりタービ
ンブレードの使用可能な出力をファン部分とブースタ圧
縮機の間で分割するように伝達する。

第１組のタービンブレードは内側ドラムに取付けられて
半径方向外方に延び、反対回転タービンブレードは外側
ドラムに取付けられて半径方向内方に延び、回転ブレー
ドの列は反対回転タービンブレードの列と交錯するのが
好ましい。内側ドラムは外側軸装置に連結され、外側ド
ラムは、取付けは反対になるが、内側軸装置に連結され
るのが好ましい。

第１組のブレードは、交錯する反対回転タービンブレー
ドより高い回転速度すなわち大きい回転数で回転するの
が好ましい。このことはエンジン性能を最適化し歯車箱
のサイズと重量およびエンジンの複雑さを最小にするの
に役立つ。

外側および内側軸装置は、二重スプールとして設けられ
た反対方向に回転する外側および内側の同心軸を有し、
内側軸は反対回転タービンブレードを有する外側ドラム
とファン部分との間に延びてファン部分を直接駆動する
のが好ましい。

減速歯車装置が軸装置の外側軸に連結された入力軸、お
よびファン部分に連結された出力軸を備えた減速歯車を
有することはさらに好ましい。減速歯車はまた、軸装置
における外側軸の回転方向を逆転する装置を有し、減速
歯車の外側軸の回転方向および速度を、内側軸の回転方
向および速度と一致させそれによりファン部分を回転す
るのに必要な入力を補完するのが好ましい。

本明細書に添付の図面は、本発明の好ましい実施例を示
し、上記の一般的説明および下記の好ましい実施例の説
明とともに本発明の詳細な説明するのに役立つであろう
。

Ｃ実施例］ 好ましい実施例の説明 以下、図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明す
る。

第２図に示す本発明の高バイパス比ターボファンエンジ
ン１０は、エンジンに回転可能に取付けられたファン部
分１２、および矢印１６で示すエンジンを通る燃焼ガス
流に関してファン部分１２の後方に設けられたブースタ
圧縮機１４を有する。

さらにエンジン１Ｇはブースタ圧縮機１４の後方に設け
られたコア部分１８を有する。代表的に、コア部分１８
は燃焼室に通ずる高圧圧縮機を有し、燃焼室は高温燃焼
生成物を１つ又はそれ以上の高圧タービンを通して排出
する。コア１８のこれらの要素は、当業者には容易に判
る通り、それら要素がターボファンエンジンのコア部分
の代表的な要素であるため図示されていない。

本発明によれば、さらにエンジン１０は、コア後方に設
けられ、ファン部分およびブースタ圧縮機を駆動する低
圧タービン装置を有する。図示のように、低圧タービン
装置は、全体的に２０で示された二重反転するタービン
を有する。二重反転タービン２０は、独立して回転する
ようにエンジン１０内の軸受に取付けられた内側ドラム
２４が延在する少なくとも１組の回転タービンブレード
２２を有している。更に二重反転タービン２ｏは、回転
可能なケーシングまたは外側ドラム２８から延在し且つ
内側ドラム２４を囲んでいる少なくとも１組の反対方向
に回転する反対回転タービンブレード２６を有している
。この実施例において、第１の回転タービンブレード２
２は反対回転タービンブレード２６より高い回転速度Ｒ
ＰＭで作動するように設計、構成されている。回転可能
なシール３２はエンジン１０のフレーム３４に対して外
側ドラム２８をシールしている。

本発明によればエンジン１０はさらに、タービンブレー
ドをブースタ圧縮機に結合する外側軸装置、および反対
回転タービンをファン部分に直接結合する内側軸装置を
有する。図示のように、内側と外側軸装置は、夫々の軸
受３０．３１に二重スプールとして設けられた、二重反
転する同心の内側および外側軸３６．３８を有する。内
側軸３６は一端で二重反転するタービンブレード２６お
よび外側ドラム２８に直接連結され、他端でファン部分
１２に連結され、ファン部分１２を反対回転のタービン
ブレードおよび外側ドラム２８と同じ回転速度で直接駆
動する。

外側軸３８は第１タービンブレード２２および内側ドラ
ム２４を連結軸４ｏを介してブースタ圧縮機１４に直接
結合し、ブースタ圧縮機１４を第１タービンブレード２
２と同じ高い回転速度で駆動する。

本発明によれば、さらにエンジン１ｏはタービンブレー
ドをファン部分に結合し、その回転速度を減速してファ
ン部分の回転速度に一致させ、タービンブレードの使用
可能な出力をブースタ圧縮機とファンに分割する減速歯
車装置を有する。図示のように、減速歯車装置は減速歯
車４２を有し、減速歯車４２は第１タービンブレード２
２および内側ドラム２４に連結された軸装置の外側軸に
よって直接駆動される入力軸４４、およびファンを駆動
するためファン部分１２に連結された外側出力軸４６を
有する。減速歯車４２は第１タービンブレード２２の高
回転速度とファン部分１２の回転速度に等しい内側軸３
６の低回転速度を一致させるように作用する。

さらに、減速歯車４２は、出力軸４６の回転方向を内側
軸の回転方向に一致させファン部分１２に伝達される軸
出力を補完しかつ補足するように、外側軸の回転方向を
逆転する装置を有する。外側軸３８の回転方向を逆転す
る装置を有する減速歯車４２の作動状態は、本発明の範
囲を限定しもしくは制限するものではない。本発明に対
して使用可能な減速歯車４２の多くの通常の具体的構造
が当業者に知られている。たとえばただし限定の意味で
なく、１９８４年マツグロー・ヒル社（Ｍａｃ−Ｇｒａ
ｖ　１１１１１）発行に掛かるダールΦＷ・ダッドレー
（Ｄａｒｌｅ　Ｗ、Ｄｕｄｌｅｙ）著［実用歯車設計ハ
ンドブック」に開示されている。

本発明は第２図の実施例に示すように、第１図に示す通
常のまたは従来技術を超えた、いくつかの利点を有する
。第１に、第１タービンブレード２２は高速で回転して
低圧タービン２０の効率を改善するとともに、ブースタ
圧縮機１４を同じ高回転速度で駆動してブースタ圧縮機
１４が一層良い効率を得るように構成されている。第２
に、同じ出力を得るため、ブースタ圧縮機１４に一層少
ない段数しか必要でなく、低回転速度で駆動されるブー
スタ圧縮機に付随する結氷の問題は実質的に解消される
。第３に、低圧タービン２０のタービンブレードにおけ
る所定のタービン応力限界に対して、連続した列のブレ
ードと反対回転するブレードとの間の相対速度が、（要
素が二重反転するため）従来技術のファン駆動タービン
より大きく設計しうるので、−層多くの仕事を取出すこ
とができる。第４に、減速歯車４２はファン出力の一部
だけを伝達するため、減速歯車４２および潤滑油冷却装
置の重量および寸法を減少することができる。最後に、
同じタービンブレード応力限界に対して従来技術の構造
の低圧タービンと同じ軸出力を取出す為に、低圧タービ
ン２０では、−層少ない段数しか必要でない。

第２図に示す本発明によって、速度範囲および内側およ
び外側軸３６．３８間に動力を分配することができる。

例示としてただし限定の意味でなく、軸３６．３８の代
表的動力分割および運転速度は下記の通りである。ここ
で、ＳＩ−軸３６の回転速度（Ｒ，Ｐ、Ｍ、）　、Ｓｚ
−軸３８の回転速度（Ｒ，Ｐ、　Ｍ、　）　、Ｔ＋−軸
３６のトルク、Ｔ２−軸３８のトルク、そしてＨＰ−符
号１，２で夫々示す各々の軸３６．３８の出力である。

例；ＳＩ　　　　　　　　　　　−２０００（Ｓｌ　＋
５２）２／　（Ｓｚ）２＝４９／２５（Ｓｚ　／Ｓ＋　
）　２−６．　２５ ７：／Ｔ＋　　　　　　　　＝１．　０ＨＰ２　／ＨＰ
Ｉ　　　　　　−２，５ブ一スタ圧縮機ＨＰ　　　−全
ＨＰの２０％５１ＨＰＺ全ＨＰ　　　　　−２８，６％
Ｓ＋ＨＰ／ファンＨＰ　　　−３５，７％減速歯車ＨＰ
／全ＨＰ　　　　−５１，４％減速歯車ＨＰ／ファンＨ
Ｐ−６４．３％上記例において、第１図のエンジンの軸
！１０が速度Ｓ２で回転するとすれば、反対回転タービ
ン２０前後のおよびタービン１０２前後のエンタルピの
同じ変化に対して、１膜力たり出力仕事は夫々の軸速度
の二乗の比に直接関連するため、従来技術の構造におけ
るエンジンの低圧タービン１０２に対して必要なものに
対して、反対回転タービン２０に必要なタービン段数は
約二分の−すなわち４９／２５となる。

さらに、ブースタ圧縮機１４に必要な段数は、第１図に
示す従来技術のターボファンエンジン１００に比較して
、本発明の技術によるエンジンの構造によって減少する
ことができる。−層普通のファン速度ＲＰＭでよりも第
１タービンブレード２２と同じ速度で回転するブースタ
圧縮機は、１膜力たりの出力を増加する。

最後に、本発明の技術によるエンジンにおける減速歯車
４２の寸法、重量および潤滑油冷却器容積は、減速歯車
４２が全ファン出力の一部しか伝達しないため、第１図
に示す従来技術のエンジン１００の所要の減速歯車およ
び潤滑油冷却器の僅かに約６４．３％にすぎない。

上記実施例において、軸３８と軸３６の間の任意の回転
速度の比は２．５：１に選択される。軸ＲＰＭの正確な
比は、反対回転タービン２０のコストおよび重量とブー
スタ圧縮機１４のコストおよび重量の好ましい折衷をは
かるため変更することができる。たとえば、軸３６と軸
３８の回転速度間の２．０：１の比は、反対回転タービ
ン２０とブースタ圧縮機１４は大きくなるが、重量が減
りそして一層小型の減速歯車４２を得ることができる。

軸３６と軸３８の間の回転速度の最適な比を、特定のエ
ンジンの運転範囲内で各用途に対して選択することがで
きる。

追加的な利点および変型は当業者によって容易になしう
るちのである。したがって、本発明はその広範囲の事項
において、特定の詳細事項、代表的な装置および図示し
かつ記載した説明の実施例に限定されるものでない。し
たがって、特許請求の範囲の記載およびそれらの均等物
によって定められる一般的発明概念の精神および範囲か
ら逸脱することなく、このような詳細事項に拘束されな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図はファンに伝達される全ての軸出力が減速歯車装
置を通って伝達される従来の高バイパス比ターボファン
エンジンの概略図、そして第２図は本発明を取り入れた
高バイパス比ターボファンエンジンの概略図である。 主な符号の説明 １Ｇ・・・ターボファンエンジンエンジン、１２・・・
ファン部分、１４・・・ブースタ圧縮機、１８・・・コ
ア部分、２０・・・反対回転タービン、２２・・・ター
ビンブレード、２４・・・内側ドラム、２６・・・反対
回転タービンブレード、２８・・・外側ドラム、３０．
３１・・・軸受、３２・・・シール、３４・・・フレー
ム、３６・・・内側軸、３８・・・外側軸、４０・・・
連結軸ミ４２・・・減速歯車、４４・・・入力軸、４６
・・・出力軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ファン部分と、 エンジンを通る燃焼ガス流に関して前記ファン部分の後
   方に設けられたブースタ圧縮機と、前記ブースタ圧縮機
   部分の後方に設けられたコア部分と、 少なくとも１組の回転可能な第１タービンブレードおよ
   び少なくとも１組の反対方向に回転可能な第２タービン
   ブレードを有する反対回転タービンを備え、前記コア部
   分の後方に設けられたタービン装置と、 前記第１ブレードを前記ブースタ圧縮機に結合する外側
   軸装置と、 前記反対回転するタービンブレードを前記ファン部分に
   結合する内側軸装置と、 前記外側軸装置を前記ファン部分に結合しその回転速度
   を減速して前記ファン部分の回転速度および方向に一致
   させそれにより前記第１タービンブレードの使用可能な
   出力を前記ファン部分と前記ブースタ圧縮機とに分割す
   る減速歯車装置とを含む高バイパス比ターボファンエン
   ジン。 ２、前記第１タービンブレードは前記反対回転するター
   ビンブレードより高い回転速度で作動するよう作用する
   請求項１記載のエンジン。 ３、前記内側及び外軸装置は、二重スプールとして夫々
   配置された同心の内側および外側軸を有し、前記内側軸
   は前記反対回転タービンプレートと前記ファン部分との
   間に直接延在して前記ファン部分を駆動する、前記請求
   項１記載のエンジン。 ４、前記タービンブレードは軸方向に離れた内側ブレー
   ド列として設けられ且つ回転可能な内側ドラムから半径
   方向外方に延在し、前記内側ドラムは前記外側軸に固定
   され、前記反対回転タービンブレードは軸方向に離れた
   外側ブレード列として設けられ且つ前記内側ドラムの周
   囲に設けられた回転可能な外側ドラムから半径方向内方
   に延在し、前記外側ドラムは前記内側軸に固定して連結
   された、請求項１記載のエンジン。 ５、前記減速歯車装置は、前記外側軸に連結された入力
   軸および前記ファン部分に連結された外側軸を備えた減
   速歯車を有し、前記減速歯車は前記外側軸の回転方向が
   前記内側軸の回転方向に一致するように前記外側軸の回
   転方向を逆転する装置を有する、請求項４記載のエンジ
   ン。