JP2007113577A

JP2007113577A - 二重反転ファン組立体及び二重反転ファン組立体を含むガスタービンエンジン組立体

Info

Publication number: JP2007113577A
Application number: JP2006279805A
Authority: JP
Inventors: Robert Joseph Orlando; ロバート・ジョセフ・オーランド; Thomas Ory Moniz; トーマス・オーリー・モニズ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2007-05-10
Also published as: US7526913B2; EP1777369A2; CN1952373A; US20070084184A1; EP1777369A3

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（１０）を組み立てる方法を提供する。
【解決手段】本方法は、コアガスタービンエンジン（１２）に対して低圧タービン（１４）を結合する段階と、入力部（１０４）と第１の出力部（１０５）と第２の出力部（１０６）とを含むギヤボックス（１００）を低圧タービン対して結合する段階と、ギヤボックスの第１の出力部に対して第１のファン組立体（５０）を結合する段階と、ギヤボックスの第２の出力部に対して第２のファン組立体（５２）を結合する段階とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、二重反転ファン組立体及び二重反転ファン組立体を含むガスタービンエンジン組立体に関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、前方ファン、コアエンジン及び出力タービンを含む。コアエンジンは、直列流れ関係の状態で互いに結合された少なくとも１つの圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び低圧タービンを含む。より具体的には、圧縮機と高圧タービンとは、シャフトを介して結合されて高圧ロータ組立体を形成する。コアエンジンに流入した空気は、燃料と混合されかつ点火されて高エネルギーガス流を形成する。高エネルギーガス流は、高圧タービンを通って流れて高圧タービンを回転駆動し、次にシャフトが圧縮機を回転駆動するようになる。

ガス流は、該ガス流が高圧タービンの後方に配置された低圧タービンを通って流れるにつれて膨張する。低圧タービンは、駆動シャフトに結合されたファンを有するロータ組立体を含む。低圧タービンは、駆動シャフトを介してファンを回転駆動する。エンジン効率を増大させるのを可能にするために、少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、二重反転ファン及びブースタ圧縮機に結合された二重反転低圧タービンを含む。

二重反転低圧タービンを支持するのを可能にするために、ガスタービンエンジン内に外側回転スプール、回転フレーム、中間タービンフレーム及び２つの同軸シャフトが設置される。上記の構成部品の設置はまた、第１のファン組立体及び第２のファン組立体が各々、それぞれ第１のタービン及び第２のタービンと同一の回転方向に回転するように、第１のファン組立体を第１のタービンに結合しまた第２のファン組立体を第２のタービンに結合することを可能にする。従って、そのようなエンジンの全重量、設計の複雑さ及び／又は製造コストが、増大する。
米国特許第６，７６３，６５４−Ｂ２号公報米国特許第６，７６３，６５３−Ｂ２号公報米国特許第６，７６３，６５２−Ｂ２号公報米国特許第６，７３９，１２０−Ｂ２号公報米国特許第６，７３２，５０２−Ｂ２号公報米国特許第６，７１１，８８７−Ｂ２号公報米国特許第６，６８４，６２６−Ｂ１号公報米国特許第６，６１９，０３０−Ｂ１号公報米国特許第５，８６７，９８０号公報米国特許第５，８１３，２１４号公報米国特許第５，８０９，７７２号公報米国特許第５，８０６，３０３号公報米国特許第５，０１０，７２９号公報

１つの態様では、二重反転ファン組立体を提供する。本二重反転ファン組立体は、低圧タービンに結合された入力部と第１の出力部と第２の出力部とを含むギヤボックスと、第１の出力部に結合された第１のファン組立体と、第２の出力部に結合された第２のファン組立体とを含む。

別の態様では、タービンエンジン組立体を提供する。本タービンエンジン組立体は、コアタービンエンジンと、コアタービンエンジンに結合された低圧タービンと、低圧タービンに結合された入力部と第１の出力部と第２の出力部とを含むギヤボックスと、第１の出力部に結合された第１のファン組立体と第２の出力部に結合された第２のファン組立体とを含む二重反転ファン組立体とを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを組み立てる方法を提供する。本方法は、コアガスタービンエンジンに対して低圧タービンを結合する段階と、入力部と第１の出力部と第２の出力部とを含むギヤボックスを低圧タービン対して結合する段階と、ギヤボックスの第１の出力部に対して第１のファン組立体を結合する段階と、ギヤボックスの第２の出力部に対して第２のファン組立体を結合する段階とを含む。

図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なタービンエンジン組立体１０の一部分の断面図である。この例示的な実施形態では、タービンエンジン組立体１０は、コアガスタービンエンジン１２と、コアガスタービンエンジン１２の軸方向後方に結合された低圧タービン１４と、コアガスタービンエンジン１２の軸方向前方に結合された二重反転ファン組立体１６とを含む。

コアガスタービンエンジン１２は、環状のコアエンジン入口２２を形成した外側ケーシング２０を含む。ケーシング２０は、低圧ブースタ圧縮機２４を囲んで流入空気の圧力を第１の圧力レベルまで増大させるのを可能にする。１つの実施形態では、コアガスタービンエンジン１２は、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＡｉｒｃｒａｆｔＥｎｇｉｎｅｓから入手可能なコアＣＦＭ５６型ガスタービンエンジンである。

高圧多段軸流圧縮機２６は、ブースタ圧縮機２４から加圧空気を受け、この空気の圧力を第２のより高い圧力レベルにさらに増大させる。高圧空気は、燃焼器２８に送られ、燃料と混合される。燃料−空気混合気は点火されて、加圧空気の温度及びエネルギーレベルを上昇させる。高エネルギー燃焼生成物は、第１の又は高圧タービン３０に流れて第１の駆動シャフト３２を介して圧縮機２６を駆動するようにし、次に第２の又は低圧タービン１４に流れて第１の駆動シャフト３２と同軸に結合された第２の駆動シャフト３４を介して二重反転ファン組立体１６及びブースタ圧縮機２４を駆動するのを可能にする。低圧タービン１４を駆動した後に、燃焼生成物は、排出ノズル３６を介してタービンエンジン組立体１０から流出して推進ジェット推力を提供する。

二重反転ファン組立体１６は、長手方向中心軸線１１の周りに配置された前方ファン組立体５０と後方ファン組立体５２とを含む。本明細書では「前方ファン」及び「後方ファン」という用語を使用して、ファン組立体５０がファン組立体５２の軸方向上流に結合されることを表している。この例示的な実施形態では、ファン組立体５０及び５２は、図示するように、コアガスタービンエンジン１２の前方端部に配置される。任意選択的に、ファン組立体５０及び５２は各々、コアガスタービンエンジン１２の後方端部に配置される。ファン組立体５０及び５２は各々、それぞれ少なくとも１列のロータブレード６０及び６２を含み、その各々は、ナセル６４内に配置される。ブレード６０及び６２は、それぞれのロータディスク６６及び６８に結合される。

この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機２４は、それぞれのロータディスク７２に結合された複数列のロータブレード７０を含む。この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機２４は、入口ガイドベーン組立体７４の後方に配置され、該ブースタ圧縮機２４が後方ファン組立体５２の回転速度と実質的に等しい回転速度で回転するように後方ファン組立体５２に結合される。ブースタ圧縮機２４は、３列のみのロータブレード７０を有するものとして図示しているが、ブースタ圧縮機２４は、単列のロータブレード７０、又は複数列のガイドベーン７６と交差指状に配置された複数列のロータブレード７０を有することができることを認識されたい。

この例示的な実施形態では、入口ガイドベーン７６は、ブースタケース７８に対して固定結合される。別の実施形態では、ロータブレード７０をロータディスク７２に対して回転可能に結合して、入口ガイドベーン７６が、エンジン作動中にブースタ圧縮機２４を通って流れる空気の量を変えるのを可能にするように可動になるようにする。さらに別の実施形態では、タービンエンジン組立体１０は、ブースタ圧縮機２４を含まない。

図２は、図１に示す二重反転ファン組立体１６の一部分の拡大断面図である。図３は、図２に示す二重反転ファン組立体１６の一部分の拡大断面図である。

この例示的な実施形態では、第１のファン組立体５０は、長手方向軸線１１の周りに配置されたコーン８４を含む。コーン８４は、第１の又は前方端部８６においてロータディスク６６に連結され、また第２の又は後方端部８８においてギヤボックス１００の出力部に連結される。第２のファン組立体５２は、長手方向軸線１１に沿ってコーン８４の少なくとも一部分の周りに同軸に配置されたコーン９０を含む。コーン９０は、第１の又は前方端部９２においてロータディスク６８に結合され、また第２の又は後方端部９４においてギヤボックス１００の出力部に結合される。

低圧タービン１４は、シャフト３４を使用してギヤボックス１００に結合されて、前方ファン組立体５０、後方ファン組立体５２及びブースタ圧縮機２４を駆動又は回転させるのを可能にする。この例示的な実施形態では、前方ファン組立体５０は、第１の回転方向８０に回転し、後方ファン組立体５２及びブースタ圧縮機２４は、逆の第２の方向８２に回転する。この例示的な実施形態では、デュアル出力ギヤボックス１００は、シャフト３４に結合された入力部１０４と、コーン８４の後方端部８８に結合された第１に出力部１０５と、コーン９０の後方端部９４に結合された第２に出力部１０６とを含むデュアル出力ギヤボックスである。

１つの実施形態では、スラスト軸受組立体１１０のような第１の軸受組立体が、駆動シャフト３４及び／又は長手方向軸線１１の周りに配置される。スラスト軸受組立体１１０は、駆動シャフト３４とコアガスタービンエンジン１２のフレーム１３との間を作動的に結合しかつ／又はそれらの間に取付けられる。さらに図３を参照すると、１つの実施形態では、スラスト軸受組立体１１０は、駆動シャフト３４に対して取付けられた半径方向配置のインナレース１１１を含む。図３に示すように、インナレース１１１は、駆動シャフト延長部１１２に対してスプライン嵌合しかつ／又は結合されて、インナレース１１１は、長手方向軸線１１の周りで駆動シャフト３４と共に回転可能になる。さらに、駆動シャフト延長部１１２は、入力部１０４に対してかつ駆動シャフト３４に対して結合される。インナレース１１１は、スラスト軸受組立体１１０の内側溝１１４を形成した表面１１３を有する。内側溝１１４を形成した表面１１３は、ほぼ円弧状輪郭を有する。

スラスト軸受組立体１１０は、フレーム１３に固定結合された半径方向配置のアウタレース１１６を含む。１つの実施形態では、アウタレース１１６及び／又はフレーム１３は、二重反転ファン組立体１６及び／又はブースタ圧縮機２４によって出現又は発生したスラスト荷重及び／又は力の伝達のための基盤領域として作用する。アウタレース１１６は、表面１１３と全体的に対向した表面１１７を有し、この表面１１７は、スラスト軸受組立体１１０の外側溝１１８を形成する。外側溝１１８を形成した表面１１７は、ほぼ円弧状輪郭を有する。複数のベアリング１１９のような少なくとも１つのローラ要素が、インナレース１１１とアウタレース１１６との間に運動可能に配置される。各ベアリング１１９は、内側溝１１４及び外側溝１１８と転がり接触して、駆動シャフト３４が構造体１３に対して自由に回転するのを可能にする。

ローラ軸受組立体１２０のような第２の軸受組立体が、長手方向軸線１１の周りで半径方向に配置される。１つの実施形態では、ローラ軸受組立体１２０は、前方端部８６又はその近傍においてコーン８４の半径方向内側にかつシャフト３４の半径方向外側に配置される。ローラ軸受組立体１２１のような第２の軸受組立体が、長手方向軸線１１の周りで半径方向に配置される。１つの実施形態では、ローラ軸受組立体１２１は、前方端部９２又はその近傍においてコーン９０の半径方向内側にかつコーン８４の半径方向外側に配置される。この例示的な実施形態では、軸受組立体１２０及び１２１は、スラスト軸受組立体１１０と組み合わさって差動軸受組立体として作用して、第１のファン組立体５０を支持しかつ／又は第１のファン組立体５０からのスラスト荷重及び／又は力を第３の軸受組立体１３０に伝達する。

図３に示すように、第３の軸受組立体は、コーン８４の後方端部８８に結合されたアウタレース１３６と、シャフト３４に結合された半径方向内側レース１３８とを含むスラスト軸受である。この例示的な実施形態では、軸受組立体１３０は、第１のファン組立体５０によって出現又は発生したスラスト荷重及び／又は力の伝達のための基盤領域として作用する。

１つの実施形態では、図２に示すように、スラスト軸受組立体１４０のような第４の軸受組立体が、前方端部９２又はその近傍においてコーン９０の外表面の周りに配置される。第４のファン軸受組立体１４０は、支持構造体１５を介して構造体１３に結合された半径方向外側軸受レース１４２と、コーン９０の前方端部９２に結合された半径方向内側レース１４４と、軸受レース１４２及び１４４内に結合された少なくとも１つの転がり要素１４６とを含む。スラスト軸受組立体１４０は、フレーム１３と前方端部９２との間に連結される。１つの実施形態では、スラスト軸受組立体１４０は、後方ファン組立体５２を支持しかつ／又は後方ファン組立体５２からのスラスト荷重及び／又は力を支持構造体１３に伝達するように作用する。この例示的な実施形態では、軸受組立体１１０、１２０、１３０及び１４０は、前方ファン組立体５０及び／又は後方ファン組立体５２を相対的に一定の軸方向位置に維持するのを可能にし、また第１のファン組立体５０及び／又は第２のファン組立体５２によって発生したスラスト荷重及び／又は力を基盤領域に伝達するのを可能にする。

図４は、図３に示すギヤボックス１００の端面図である。本明細書で前述したように、ギヤボックス１００は、図３に示すように、コアタービンエンジン１２のフレーム１３のようなガスタービンエンジン１０の固定又は静止構成部品に連結される。ギヤボックス１００は、第２の駆動シャフト３４に回転可能に結合された入力部１０４と、コーン８４を介して前方ファン組立体５０に結合された第1の出力部１０５と、コーン９０を介して後方ファン組立体５２に結合された第２の出力部１０６とを含む。

この例示的な実施形態では、ギヤボックス１００は、入力部１０４に結合された少なくとも１つの第１の又は太陽歯車３００と、その各々が太陽歯車３００に結合された複数の第２の又は遊星歯車３０２とを含む。具体的には、ギヤボックス１００は、協働して異（差動）速度を生成する太陽歯車３００及び一組の遊星歯車３０２を含む。従って、太陽歯車３００は、入力部１０４を介してシャフト３２に直接結合され、遊星歯車３０２は、太陽歯車３００と互いに噛み合うように配置されて、出力部１０６を介して後方ファン組立体５２及びブースタ圧縮機２４を駆動するのを可能にする。

より具体的には、ギヤボックス１００は、太陽歯車３００及び遊星歯車３０２を支持するように構成されたゴリラケージとも呼ばれる単体構造の支持構造体である。この例示的な実施形態では、各遊星歯車３０２は、該遊星歯車３０２を支持構造体内に取り付けるのを可能にする例えばボルトのようなファスナ３０４を利用して支持構造体に結合される。さらに、各遊星歯車３０２は、太陽歯車３００に対して該遊星歯車３０２が自由に回転するようにするそれぞれの軸受組立体３０６を含む。

作動中、第２の駆動シャフト３４が回転すると、第２の駆動シャフト３４は、入力部１０４を第１の回転方向に回転させ、これが次に太陽歯車３００を回転させる。太陽歯車３００は第1の出力部１０５に結合されているので、太陽歯車３００は、出力部１０５を介して前方ファン組立体５０を駆動シャフト３４と同一の方向に駆動するのを可能にする。さらに、太陽歯車３００は遊星歯車３０２と互いに噛み合っているので、太陽歯車３００を回転させることにより、遊星歯車３０２を回転させ、従って第２の出力部１０６を介して後方ファン組立体５２を前方ファン組立体５０とは逆の第２の方向に駆動することになる。

本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、減速型単回転（ＳＲ）低圧タービンを有する二重反転（ＣＲ）ファン組立体を含む。本組立体は、公知の二重反転低圧タービンに関連した複雑さの少なくとも幾つかを軽減するのを可能にする。より具体的には、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、デュアル出力ギヤボックスの第１の出力部を介して単回転低圧タービンに回転可能に結合された前方ファン組立体と、互いに回転可能に結合されかつデュアル出力ギヤボックスの第２の出力部を介して低圧タービンによって駆動される後方ファン及びブースタ組立体とを含む。さらに、後方ファン組立体及びブースタ組立体は、同一の速度で駆動され、１つの実施形態では、その速度は、前方ファン速度の約半分である。さらに、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、低圧タービンによって生成された出力の約４０％がギヤボックスを介して後方ファン組立体に伝達されるように構成されて、歯車損失を低減するのを可能にする。

その結果、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、ファン効率を増大させ、ファン先端速度を低下させかつ／又はノイズを減少させるのを可能にする。さらに、本明細書に記載したガスタービンエンジン組立体は、二重反転ファン組立体を駆動するための二重反転低圧タービンを含まないので、それに限定されないが、外側回転スプール、回転後部フレーム、第２の低圧タービンシャフト及び低圧タービン外側回転シ−ルのような様々な構成部品が排除され、従ってガスタービンエンジン組立体の全重量が軽減される。さらに、幾つかのガスタービンエンジン用途では、本明細書に記載した方法及び装置を利用して中間タービンフレームを排除することができる。

以上、ファン組立体に結合されたギヤボックスを含むガスタービンエンジン組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。その構成要素は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各システムの構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。本明細書に記載したギヤボックスはまた、前方及び後方ファン組立体を含むその他の公知ガスタービンエンジンと組み合せて使用することもできる。

様々な具体的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

例示的なタービンエンジン組立体の一部分の断面図。図１に示す二重反転ファン組立体の一部分の拡大断面図。図２に示す二重反転ファン組立体の一部分の拡大断面図。図３に示すギヤボックスの端面断面図。

符号の説明

１０タービンエンジン組立体
１１長手方向軸線
１２コアガスタービンエンジン
１３フレーム
１４低圧タービン
１６回転ファン組立体
２０外側ケーシング
２２コアエンジン入口
２４ブースタ圧縮機
２６軸流圧縮機
２８燃焼器
３０高圧タービン
３２第１の駆動シャフト
３４第２の駆動シャフト
３６排出ノズル
５０第１のファン組立体
５２第２のファン組立体
６０ロータブレード
６２ロータブレード
６４ナセル
６６ロータディスク
６８ロータディスク
７０ロータブレード
７２ロータディスク
７４入口ガイドベーン組立体
７８ブースタケース
８０第１の回転方向
８２第２の方向
８４コーン
８６前方端部
８８第１の又は後方端部
９０コーン
９２前方端部
９４第２の又は後方端部
１００出力ギヤボックス
１０４入力部
１０５第１の出力部
１０６第２の出力部
１１０スラスト軸受組立体
１１１インナレース
１１３表面
１１４内側溝
１１６アウタレース
１１７表面
１１８外側溝
１１９複数のベアリング
１２０ローラ軸受組立体
１２１ローラ軸受組立体
１３０第３の軸受組立体
１３６アウタレース
１３８インナレース
１４０スラスト軸受組立体
１４２外側軸受レース
１４４インナレース
１４６転がり要素
３００太陽歯車
３０２遊星歯車
３０４ファスナ
３０６軸受組立体

Claims

低圧タービン（１４）に結合された入力部（１０４）と第１の出力部（１０５）と第２の出力部（１０６）とを含むギヤボックス（１００）と、
前記第１の出力部（１０５）に結合された第１のファン組立体（５０）と、
前記第２の出力部（１０６）に結合された第２のファン組立体（５２）と、
を含む二重反転ファン組立体（１６）。
前記第１のファン組立体（５０）が、該第１のファン組立体及び低圧タービン（１４）が第１の方向（８０）に回転するように前記ギヤボックス（１００）の第１の出力部（１０５）に結合され、前記第２のファン組立体（５２）が、該第２のファン組立体が逆の第２の方向（８２）に回転するように前記ギヤボックスの第２の出力部（１０６）に結合される、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
前記第１のファン組立体（５０）が、該第１のファン組立体が第１の回転速度で回転するように前記ギヤボックス（１００）の第１の出力部（１０５）に結合され、前記第２のファン組立体（５２）が、該第２のファン組立体が前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転するように前記ギヤボックスの第２の出力部（１０６）に結合される、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
前記第１のファン組立体（５０）が、該第１のファン組立体が第１の回転速度で回転するように前記ギヤボックス（１００）の第１の出力部（１０５）に結合され、前記第２のファン組立体（５２）が、該第２のファン組立体が前記第１の回転速度よりも小さい第２の回転速度で回転するように前記ギヤボックスの第２の出力部（１０６）に結合される、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
前記第１のファン組立体（５０）が、該第１のファン組立体が前記低圧タービン（１４）の回転速度よりも小さい第１の回転速度で回転するように前記ギヤボックス（１００）の第１の出力部（１０５）に結合され、前記第２のファン組立体（５２）が、該第２のファン組立体が前記第１の回転速度よりも小さい第２の回転速度で回転するように前記ギヤボックスの第２の出力部（１０６）に結合される、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
前記ギヤボックスの第２の出力部（１０６）に結合されたブースタ圧縮機（２４）をさらに含み、前記第２のファン組立体（５２）及びブースタ圧縮機が各々逆の第２の方向（８２）に回転するようにする、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
前記ブースタ圧縮機（２４）が、該ブースタ圧縮機及び第２のファン組立体（５２）が各々同一の回転速度で回転するように前記第２のファン組立体（５２）に結合される、請求項１記載の二重反転ファン組立体（１６）。
コアタービンエンジン（１２）と、
前記コアタービンエンジンに結合された低圧タービン（１４）と、
前記低圧タービンに結合された入力部（１０４）と第１の出力部（１０５）と第２の出力部（１０６）とを含むギヤボックス（１００）と、
前記第１のギヤボックス出力部（１０５）に結合された第１のファン組立体（５０）と前記第２のギヤボックス出力部（１０６）に結合された第２のファン組立体（５２）とを含む二重反転ファン組立体（１６）と、
を含むタービンエンジン組立体（１０）。
前記第１のファン組立体（５０）が、該第１のファン組立体及び低圧タービン（１４）が第１の方向（８０）に回転するように前記第１のギヤボックス（１００）出力部（１０５）に結合され、前記第２のファン組立体（５２）が、該第２のファン組立体が逆の第２の方向（８２）に回転するように前記第２のギヤボックス出力部（１０６）に結合される、請求項８記載のタービンエンジン組立体（１０）。
前記第１のファン組立体（５０）が、該第１のファン組立体が第１の回転速度で回転するように前記第１のギヤボックス（１００）出力部（１０５）に結合され、前記第２のファン組立体（５２）が、該第２のファン組立体が前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転するように前記第２のギヤボックス出力部（１０６）に結合される、請求項８記載のタービンエンジン組立体（１０）。