JP2010174887A - ガスタービエンジン組立体及びそれを組立てる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン組立体を提供する。
【解決手段】本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と直列流れ連通状態で配置されかつ第１の回転方向に回転するように構成された第１の低圧タービンセクション（８０、１１６、３１６、４１６、５１６）と、第１の低圧タービンセクションに結合された第１の歯車組立体（３２２）と、歯車組立体に結合されかつ第２の回転方向に回転するように構成された第２の低圧タービンセクション（８２、１１８、４１８、５１８）と、第２の低圧タービンセクションに結合されたファン組立体（１２４、３２４、４２６、５２４）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービエンジンに関し、より具体的には、ガスタービエンジン組立体及びそれを組立てる方法に関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、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、圧縮機及び高圧タービンは、シャフトによって結合されて、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燃焼されて高エネルギーガスストリームを形成する。高エネルギーガスストリームは、高圧タービンを通って流れて該高圧タービンを回転駆動して、次にシャフトが、圧縮機を回転駆動するようにする。

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ガスストリームが流れると、ガスストリームは膨張する。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。

最新の商用ターボファンは、効率を高めるためにより高いバイパス比に向かう傾向にある。音響及びファン効率の理由から、ファンＲＰＭ又はトリップ速度を低下させることが望ましい。しかしながら、より低いＲＰＭは、低圧タービンの負荷、直径及び／又は段数を増加させる。低圧タービンによって直接駆動されるファンでは、性能を高めようとしてファン速度を僅かに低下させると低圧タービンの性能が一層低下することになるので、ファン速度の選択が制限される。

米国特許第７，４５１，５９２号公報

１つの態様では、タービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンと、コアガスタービンエンジンと直列流れ連通状態で配置されかつ第１の回転方向に回転するように構成された第１の低圧タービンセクションと、第１の低圧タービンセクションに結合された第１の歯車組立体と、歯車組立体に結合されかつ第２の回転方向に回転するように構成された第２の低圧タービンセクションと、第２の低圧タービンセクションに結合されたファン組立体とを含む。

別の態様では、ガスタービエンジンを組立てる方法は、第１の方向に回転する低圧タービンの第１のセクションをコアガスタービンエンジンの下流に結合するステップと、低圧タービンの第１段に対して第１の歯車組立体を結合するステップと、第２の方向に回転する低圧タービンの第２のセクションを第１の歯車組立体に結合するステップと、低圧タービンの第２のセクションに対して単一段ファン組立体を結合するステップとを含む。

さらに別の態様では、タービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンと、コアガスタービンエンジンと直列流れ連通状態で配置された第１の低圧タービンセクションと、コアガスタービンエンジンと直列流れ連通状態で第１の低圧タービンセクションの後方に配置された第２の低圧タービンセクションと、第２の低圧タービンセクションに結合されたファン組立体と、第１の低圧タービンセクションに結合されたブースタ圧縮機と、ブースタ圧縮機とファン組立体との間に結合された歯車組立体とを含む。

図１〜図５は、本明細書に説明する組立体及び方法の例示的な実施形態を示している。

例示的なタービンエンジン組立体の断面図。 本発明によるタービンエンジン組立体の１つの実施形態の簡略図。 本発明によるタービンエンジン組立体の１つ実施形態の簡略図。 本発明によるタービンエンジン組立体のさらに別の実施形態の簡略図。 本発明によるタービンエンジン組立体のさらに別の実施形態の簡略図。

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、その全体がケーシング１３によって形成されたコアガスタービンエンジン１２を含む。低圧タービン１４が、コアガスタービンエンジン１２の軸方向後方に結合され、また単一段ファン組立体１６が、コアガスタービンエンジン１２の軸方向前方に結合される。

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を囲む。単一段ファン組立体１６は、流入空気の圧力を第１の圧力レベルに増大させかつ流入空気の一部分を低圧ブースタ圧縮機２４に導く。低圧ブースタ圧縮機２４は、単一段ファン組立体１６から空気を受けかつその圧力をより高い第２の圧力レベルに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Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓから入手可能なＣＦＭ５６型コアガスタービンエンジンである。別の実施形態では、高圧コアが使用されかつブースタは使用されない。

幾つかの実施形態では、高圧多段軸流圧縮機２６が、ブースタ圧縮機２４から加圧空気を受けかつその空気の圧力を第３のより高い圧力レベルにさらに増大させる。その高圧空気は、燃焼器２８に送られかつ燃料と混合される。燃料−空気混合気は、点火燃焼されて、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のつまり高圧タービン３０に流れて第１の回転駆動シャフト３２を介して圧縮機２６を駆動するようになり、また次に第２のつまり低圧タービン１４に流れる。低圧タービン１４を駆動した後に、燃焼生成物は、排気ノズル（図示せず）を通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もたらす。

１つの実施形態では、ブースタ圧縮機２４は、それぞれのロータディスク７２に結合された複数の列のロータブレード７０を含む。ブースタ圧縮機２４は、入口ガイドベーン組立体７４の後方に配置されかつ駆動シャフト３４に結合されて、該ブースタ圧縮機２４が、ファン組立体１６の回転速度とほぼ等しい回転速度で回転するようになる。ブースタ圧縮機２４は、３つの列のロータブレード７０のみを有するものとして示しているが、ブースタ圧縮機２４は、単一の列のロータブレード７０或いは複数の列のガイドベーン７６と互いにかみ合った複数の列のロータブレード７０のようなあらゆる好適な数及び／又は列のロータブレード７０を有することができる。１つの実施形態では、ガイドベーン７６は、ブースタケース７８に固定的に又はしっかりと結合される。別の実施形態では、ロータブレード７０は、ロータディスク７２に回転結合されて、ガイドベーン７６は、エンジン運転時にブースタ圧縮機２４により送られる空気の量を変化させるのを可能にするように可動になっている。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。

低圧タービン１４は、２つのセクション、つまり第１のセクション８０と第２のセクション８２とを含む。第１のセクション８０は、１つの段を有するものとして示しまた第２のセクション８２は、２つの段を有するものとして示しているが、別の実施形態では、各セクションは、複数の又は単一の段を有することができる。第１のセクション８０は、第１の中間駆動シャフト８４に結合されかつ第１の回転速度で第１の方向に回転し、一方、第２のセクション８２は、第２の中間駆動シャフト８６に結合されかつ第２の回転速度で第２の方向に回転する。第１及び第２の中間駆動シャフト８４及び８６の両方は、歯車組立体８８を介して第２の回転駆動シャフト３４に結合される。この例示的な実施形態では、歯車組立体８８は、遊星型（星型）反転及び減速歯車組立体である。別の実施形態では、歯車組立体８８は、あらゆるその他のタイプの歯車組立体とすることができる。

第２の回転駆動シャフト３４は、ファン組立体１６を駆動する。ファン組立体１６は、長手方向軸線１１の周りで第２の回転方向に回転するように構成され、少なくとも１つの列のロータブレード６０を含みかつファンケース６４内部に配置される。ロータブレード６０は、ロータディスク６６に結合される。

図２は、本特許請求した発明の１つの実施形態について説明している。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、直列流れ構成の形態で、圧縮機１０２、コアガスエンジン１０４、高圧タービン１１０及び低圧タービン１１４を含む。高圧タービン１１０は、第１の回転シャフト１１２を介して圧縮機１０２を駆動する。低圧タービン１１４は、２つのセクション、つまり第１のセクション１１６と第２のセクション１１８とを含む。図示していないが、様々な実施形態では、第１のセクション１１６及び第２のセクション１１８は、複数の又は単一の段を有することができる。第１のセクション１１６は、第１の中間駆動シャフト（図示せず）に結合されかつ第１の回転速度で第１の方向に回転し、一方、第２のセクション１１８は、第２の中間駆動シャフト（図示せず）に結合されかつ第２の回転速度で第２の方向に回転する。第１及び第２の中間駆動シャフト（図示せず）の両方は、歯車組立体１２２を介して第２の回転駆動シャフト１２０に結合される。第２の回転駆動シャフト１２０は、ファン組立体１２４及び低圧ブースタ圧縮機１２６を駆動する。ファン組立体１２４は、長手方向軸線１１の周りで第２の回転方向に回転するように構成される。

図３は、低圧タービン３１４が第１のセクション３１６と第２のセクション３１８とに分割された別の実施形態について説明している。第１のセクション３１６及び第２のセクション３１８は、第１の歯車組立体３２２を介して第２の回転駆動シャフト３２０に結合される。第２の回転駆動シャフト３２０は、ファン組立体３２４に結合されかつ該ファン組立体３２４を直接駆動する。第２の回転駆動シャフト３２０はまた、第２の歯車組立体３２８を介してブースタ３２６を駆動する。

図４は、低圧タービン４１４が第１のセクション４１６と第２のセクション４１８とに分割されたさらに別の実施形態について説明している。第１のセクション４１６は、第２の回転駆動シャフト４２０に対して直接結合され、第２の回転駆動シャフト４２０は、ブースタ圧縮機４２４を直接駆動しかつ歯車組立体４２８を介してファン組立体４２６を駆動する。第２のセクション４１８は、第３の回転駆動シャフト４３０に対して直接結合され、第３の回転駆動シャフト４３０は、ファン組立体４２６に直接結合されかつ該ファン組立体４２６を直接駆動する。

図５は、高圧コアエンジン５０８が第１の回転駆動シャフト５１２を介して高圧タービン５１０に結合されたさらに別の実施形態について説明している。低圧タービン５１４は、高圧タービン５１０の軸方向後方に設置されかつ第１のセクション５１６と第２のセクション５１８とに分割される。第１のセクション５１６及び第２のセクション５１８は、第１の歯車組立体５２２を介して第２の回転駆動シャフト５２０に結合される。第２の回転駆動シャフト５２０は、ファン組立体５２４に結合されかつ該ファン組立体５２４を直接駆動する。

以上、ガスタービンエンジン組立体及びそのようなガスタービンエンジン組立体を組立てる方法の例示的な実施形態について詳細に説明している。本組立体及び方法は、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、本組立体の構成要素及び／又は本方法のステップは、本明細書に記載したその他の構成要素及び／又はステップとは独立してかつ別個に利用することができる。さらに、記載した組立体の構成要素及び方法のステップはまた、その他の組立体及び／又は方法として定め或いはその他の組立体及び／又は方法と組合せて使用することができ、また本明細書に記載したような組立体及び／又は方法のみで実施することに限定されるものではない。

本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、またさらに当業者が本発明を製作しかつ使用するのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

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 ケーシング
１４ 低圧タービン
１６ ファン組立体
２０ 外側ケーシング
２２ 環状のコアエンジン入口
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の回転駆動シャフト
３４ 第２の回転駆動シャフト
６０ ロータブレード
６４ ファンケース
６６ 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
７６ ガイドベーン
７８ ブースタケース
８０ 第１のセクション
８２ 第２のセクション
８４ 第１の中間駆動シャフト
８６ 第２の中間駆動シャフト
８８ 歯車組立体
１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ コアガスエンジン
１１０ 高圧タービン
１１１ 長手方向軸線
１１２ 第１の回転シャフト
１１４ 低圧タービン
１１６ 第１のセクション
１１８ 第２のセクション
１２０ 第２の回転駆動シャフト
１２２ 歯車組立体
１２４ ファン組立体
１２６ 低圧ブースタ圧縮機
３１４ 低圧タービン
３１６ 第１のセクション
３１８ 第２のセクション
３２０ 第２の回転駆動シャフト
３２２ 第１の歯車組立体
３２４ ファン組立体
３２６ ブースタ
３２８ 第２の歯車組立体
４１４ 低圧タービン
４１６ 第１のセクション
４１８ 第２のセクション
４２０ 第２の回転駆動シャフト
４２４ ブースタ圧縮機
４２６ ファン組立体
４２８ 歯車組立体
４３０ 第３の回転駆動シャフト
５０８ 高圧コアエンジン
５１０ 高圧タービン
５１２ 第１の回転駆動シャフト
５１４ 低圧タービン
５１６ 第１のセクション
５１８ 第２のセクション
５２０ 第２の回転駆動シャフト
５２２ 第１の歯車組立体
５２４ ファン組立体

Claims (10)

1. コアガスタービンエンジン（１２）と、
   前記コアガスタービンエンジンと直列流れ連通状態で配置されかつ第１の回転方向に回転するように構成された第１の低圧タービンセクション（８０、１１６、３１６、４１６、５１６）と、
   前記第１の低圧タービンセクションに結合された第１の歯車組立体（３２２）と、
   前記歯車組立体に結合されかつ第２の回転方向に回転するように構成された第２の低圧タービンセクション（８２、１１８、４１８、５１８）と、
   前記第２の低圧タービンセクションに結合されたファン組立体（１２４、３２４、４２６、５２４）と、
   を含むタービンエンジン組立体（１０）。
2. 前記第２の低圧タービンセクション（８２、１１８、４１８、５１８）に結合されたブースタ圧縮機（２４、４２４）をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。
3. 前記コアガスタービンエンジン（１２）が、高圧コア（５０８）を含む、請求項１または２記載のタービンエンジン組立体（１０）。
4. 前記ブースタ圧縮機（２４、４２４）と前記第２の低圧タービンセクション（８２、１１８、４１８、５１８）との間に結合された第２の歯車組立体（３２８）をさらに含む、請求項２記載のタービンエンジン組立体（１０）。
5. 前記ブースタ圧縮機（２４、４２４）が、前記第２の方向に回転するように構成される、請求項２記載のタービンエンジン組立体（１０）。
6. 前記ファン組立体（１２４、３２４、４２６、５２４）が、単一段ファンを含む、請求項１乃至５のいずれか１項記載のタービンエンジン組立体（１０）。
7. 前記第１の方向が、前記第２の方向と逆方向である、請求項１乃至６のいずれか１項記載のタービンエンジン組立体（１０）。
8. 前記ファン組立体（１６、１２４、３２４、４２６、５２４）が、前記第２の回転方向に回転するように構成される、請求項１記載のタービンエンジン組立体（１０）。
9. コアガスタービンエンジン（１２）と、
   前記コアガスタービンエンジンと直列流れ連通状態で配置された第１の低圧タービンセクション（８０、１１６、３１６、４１６、５１６）と、
   前記コアガスタービンエンジンと直列流れ連通状態で前記第１の低圧タービンセクションの後方に配置された第２の低圧タービンセクション（８２）と、
   前記第２の低圧タービンセクションに結合されたファン組立体（１６、１２４、３２４、４２６、５２４）と、
   前記第１の低圧タービンセクションに結合されたブースタ圧縮機（２４、４２４）と、
   前記ブースタ圧縮機と前記ファン組立体との間に結合された歯車組立体（８８、１２２、４２８）と、
   を含むタービンエンジン組立体（１０）。
10. 前記ブースタ圧縮機（２４、４２４）が、第１の方向に回転し、また
    前記第２の低圧タービンセクション（８２、１１８、４１８、５１８）が、前記第１の方向と逆方向である第２の方向に回転する、
    請求項９記載のタービンエンジン組立体（１０）。