JP4906311B2 - 二重反転ガスタービンエンジン及びそれを組立てる方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には航空機用ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、二重反転ガスタービンエンジンに関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、前方ファンと、コアエンジンと、出力タービンとを含む。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つの圧縮機と、燃焼器と、高圧タービンと、低圧タービンとを含む。より具体的には、圧縮機と高圧タービンとは、高圧シャフトを介して結合されて高圧ロータを形成する。圧縮機は、コアエンジンに流入する空気を加圧し、この加圧空気は次ぎに、燃料と混合されかつ点火されて高エネルギーガスストリームを形成する。ガスストリームは、高圧タービンを通って流れて、この高圧タービン及び高圧シャフトを回転駆動し、高圧シャフトが次に、圧縮機を回転駆動する。

ガスストリームは、低圧タービンを通って流れながら膨張する。低圧タービンは低圧シャフトを介してファンを回転駆動し、ファン、低圧シャフト及び低圧タービンによって低圧ロータが構成されるようになる。少なくとも幾つかの公知の低圧タービンは、二重反転ファン及び二重反転ブースタ並びに／又は低圧圧縮機に動力を供給する二重反転タービンを含む。

このような二重反転タービンを作動させた場合に、トルクは、前方及び後方ファンシャフト間でほぼ等しく分割されてこのようなタービンの効率を最適化するのを可能にする。さらに、エンジン性能は、例えば前方ファンを後方ファンよりも高いファン圧力比及び／又は高い回転速度で作動させることによって向上させることができる。しかしながら、後方ファンをより低いファン速度及び／又はより低いファン圧力比で作動させると、後方ファンから離れて駆動されるブースタ段が、最高効率以下で作動することになりかつ／又は後方ファンを駆動する低圧タービン性能を低下させることになる。
米国特許６，７６３，６５３号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、第１の回転方向に第１の回転速度で回転するように構成された複数のロータブレードを含む第１のファン組立体を設ける段階と、第２の回転方向に回転するように構成された複数のロータブレードを含む第２のファン組立体を第１のファン組立体の軸方向後方に回転可能に結合する段階と、第２のファン組立体を第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させるように構成されたギヤボックスを該第２のファン組立体に結合する段階とを含む。

別の態様では、ファン組立体を提供する。本ファン組立体は、第１の回転方向にかつ第１の回転速度で回転するように構成された複数のロータブレードを含む第１のファン組立体と、第１のファン組立体の軸方向後方に結合され、第２の回転方向に回転するように構成された複数のロータブレードを含む第２のファン組立体と、第２のファン組立体に結合され、該第２のファン組立体を第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させるように構成されたギヤボックスとを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、第１の回転方向にかつ第１の回転速度で回転するように構成された複数のロータブレードを含む第１のファン組立体と、第１のファン組立体の軸方向後方に結合され、第２の回転方向に回転するように構成された複数のロータブレードを含む第２のファン組立体と、第２のファン組立体に結合され、該第２のファン組立体を第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させるように構成されたギヤボックスとを含む。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の一部分の断面図であり、タービン１０は、長手方向中心軸線１６の周りに配置された前方ファン組立体１２と後方ファン組立体１４とを含む。本明細書においては、「前方ファン」及び「後方ファン」という用語は、ファン１２の１つが他のファン１４の軸方向上流に結合されていることを示すために使用する。１つの実施形態では、ファン組立体１２及び１４は、図示したように、ガスタービンエンジン１０の前方端部に配置される。別の実施形態では、ファン組立体１２及び１４は、ガスタービンエンジン１０の後方端部に配置される。ファン組立体１２及び１４は各々、ナセル１８内部に配置された複数のロータブレード１９列を含む。ブレード１９は、それぞれのロータディスク２１に接合され、これらのロータディスクは、それぞれのファンシャフト２０を介して前方ファン組立体１２に、またファンシャフト２２を介して後方ファン組立体１４に回転可能に結合される。

ガスタービンエンジン１０はさらに、ファン組立体１２及び１４の下流に配置されたコアエンジン２４を含む。コアエンジン２４は、高圧圧縮機（ＨＰＣ）２６と、燃焼器２８と、コアロータ又はシャフト３２を介してＨＰＣ２６に結合された高圧タービン（ＨＰＴ）３０とを含む。運転中、コアエンジン２４は燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、下流方向に二重反転低圧タービン３４に流れ、この二重反転低圧タービン３４が、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、そのそれぞれのファンシャフト２０及び２２を介してファン組立体１２及び１４に動力を供給する。

図２は、ギヤボックス組立体１０２及び二重反転低圧タービン１０４を含む例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。タービン１０４は、第１のタービンロータ１０６と第２のタービンロータ１０８とを含む。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）とほぼ同様であり、ガスタービンエンジン１０の構成部品と同一のガスタービンエンジン１００の構成部品は、図２において、図１で使用したのと同一の参照符号を使用して示す。

ガスタービン１００は、長手方向中心軸線１６の周りに配設された前方ファン組立体１２と後方ファン組立体１４とを含む。ファン組立体１２及び１４は各々、ナセル１８内部に配置された複数のロータブレード１９列を含む。ブレード１９は、それぞれのロータディスク２１に結合される。さらに、ガスタービンエンジン１００は、ファン組立体１２及び１４の下流側に配置されたコアエンジン２４を含む。コアエンジン２４は、高圧圧縮機（ＨＰＣ）２６と、燃焼器２８と、コアロータ又はシャフト３２（図１に示す）を介してＨＰＣ２６に結合された高圧タービン（ＨＰＴ）３０とを含む。

この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、後方ファン１４をギヤボックス組立体１０２に回転可能に結合した第１のシャフト１１０と、ギヤボックス組立体１０２を第１のタービンロータ１０６に回転可能に結合した第２のシャフト１１２と、前方ファンを第２のタービンロータ１０８に回転可能に結合した第３のシャフト２０とを含む。より具体的には、ギヤボックス組立体１０２は、シャフト１１０を使用して後方ファン組立体１４に結合された前方端部１２０とシャフト１１２を使用して第１のタービンロータ１０６に結合された後方端部１２２とを含む。１つの実施形態では、ギヤボックス組立体１０２は、約２．５対１〜約４．５対１のギヤ比を有する。この例示的な実施形態では、ギヤボックス組立体１０２は、約３．５対１のギヤ比を有し、第１のタービンロータ１０６が後方ファン１４の回転速度の約３．５倍の回転速度で回転するようになっている。１つの実施形態では、前方ファン組立体１２は、後方ファン組立体１４の回転速度の約０．９〜２．１の回転速度で逆回転方向に回転する。この例示的な実施形態では、前方ファン組立体１２は、後方ファン組立体１４の回転速度の約１．５倍の回転速度で逆回転方向に回転する。従って、１つの実施形態では、前方ファン組立体１２は、後方ファン組立体１４の回転速度よりも高い回転速度で回転し、また別の実施形態では、前方ファン組立体１２は、後方ファン組立体１４の回転速度よりも低い回転速度で回転する。

また、ガスタービンエンジン１００は、シャフト１１２に結合されたブースタ圧縮機１２４を含む。この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機１２４は、それぞれのロータディスク１２６に結合された少なくとも１つのロータブレード１２５列を含む。この例示的な実施形態では、ブースタ圧縮機１２４は、入口案内ベーン１２７の軸方向後方に配置されかつ第１のタービンロータ１０６の回転速度にほぼ等しい回転速度で回転する。ブースタ圧縮機１２４は、単一のロータブレード１２５列を有するものとして示しているが、ブースタ圧縮機１２４は、複数の入口案内ベーン１２７と交差指状に組み合わせた複数のロータブレード１２５列を有することができることを理解されたい。１つの実施形態では、入口案内ベーン１２７は、ブースタケース１２９に固定結合される。別の実施形態では、ロータブレード１２５は、ロータディスク１２６に回転可能に結合されて、エンジン運転中に入口案内ベーン１２７を可動にして、ブースタ圧縮機１２４を通って流れる空気量を変更するのを可能にするようにする。

この例示的な実施形態では、低圧タービン第１のロータ１０６は、低圧タービンロータ１０８の軸方向前方に配置される。タービンロータ１０６は、半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード１３０を含む。ブレード１３０は、軸方向に間隔を置いたタービンブレード１３２列の形態で配置される。この例示的な実施形態は、２つのタービンブレード１３２列のみを示しているが、第１のタービンロータ１０６は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに任意の数のタービンブレード１３２列を有することができることを理解されたい。より具体的には、第１のタービンロータ１０６は、第１のベーン１３６の軸方向後方かつ第２のベーン１３８の軸方向前方に配置された第１の列１３４と、第２のベーン１３８の軸方向後方に配置された第２の列１４０とを含む。より具体的には、第１のタービンロータ１０６は、例えば複数のベーン１３６及び１３８と交差指状に組み合わせた複数のタービンブレード１３２列を含む。この例示的な実施形態では、第１のタービンロータ１０６は、第１の回転方向に回転する。運転中、燃焼空気は、高圧タービン３０からベーン１３６、第１の列１３４、第２のベーン１３８及び第２の列１４０を通って流れる。第２の列１４０から吐出された燃焼空気は次ぎに、第２のタービンロータ１０８に流れる。

この例示的な実施形態では、第２のタービンロータ１０８は、第１のタービンロータ１０６の軸方向後方に配置されかつ第１のタービンロータ１０６の第１の回転方向とは逆の第２の回転方向に回転するように構成される。第２のタービンロータ１０８は、半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード１５０を含む。ブレード１５０は、軸方向に間隔を置いたタービンブレード１５２列の形態で配置される。この例示的な実施形態は、４つのタービンブレード１５２列のみを示しているが、第２のタービンロータ１０８は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに任意の数のタービンブレード１５２列を有することができることを理解されたい。この例示的な実施形態では、複数のタービンブレード１５２列が、複数のベーン１５４と交差指状に組み合わされている。より具体的には、第２のタービンロータ１０８は、タービンブレード列１４０の軸方向後方にかつベーン１６２の軸方向前方に配置された第１のタービンブレード１６０列と、複数のタービンブレード１５２列が複数のベーン１５４を夾叉した状態で第２のベーン１６６の軸方向後方に配置された第２のタービンブレード１６４列とを含む。この例示的な実施形態では、少なくとも１つのタービンブレード１５２列は、複数のベーン１５４の軸方向前方に配置され、少なくとも１つのタービンブレード１５２列は、複数のベーン１５４の軸方向後方に配置されて、ロータ１０８が複数のベーン１５４に跨がる（ｓｔｒａｄｄｌｅ）ようになる。

運転中、前方ファン組立体１２は、第２のタービンロータ１０８に作動可能に結合され、また後方ファン組立体は、ギヤボックス組立体１０２を介して第１のタービンロータ１０６に作動可能に結合されて、後方ファン組立体１４が前方ファン組立体１２よりも低い回転速度で作動して全ファン圧力比を高めるのを可能にするようになる。さらに、ファン組立体１４をギヤボックス組立体１０２に結合してファン組立体１４の回転速度を低下させることにより、公知のガスタービンエンジンファン組立体と比較してファン組立体１２及び１４の直径を縮小すると同時にまた、エンジンノイズを著しく低減することが可能になる。

より具体的には、組立時に、後方ファン組立体１４は、ギヤボックス組立体１０２を使用して高性能ブースタ１２４及び第１のタービンロータ１０６と組み合わされる。ギヤボックス組立体１０２は、約２．５対１〜約４．５対１のギヤ比を有し、比較的小型かつ高速の１又は２段のブースタ１２４及び／又は１つ又は２つの低圧タービン段１３４をガスタービンエンジン１０内部で利用することを可能にすることができる。さらに、ブースタ組立体１２４は、該ブースタ組立体１２４が公知のガスタービンエンジンで行われるように両方のファンによって入れ子にされない、すなわち交差指状に組み合わされて駆動されない状態で、後方ファン組立体１４とコアエンジン２４との間に結合される。ギヤボックス組立体１０２は、後方ファン組立体１４のみを駆動するので、後方ファン組立体を駆動するのに必要なギヤボックス馬力も低下し、従ってギヤボックス組立体１０２の寸法を縮小することができる。さらに、後方ファン組立体１４を駆動するのに必要なタービンブレード列の数を、公知のガスタービンエンジンと比較して数段ほど減少させることができる。

図３は、ガスタービンエンジン１００（図２に示す）と同様のガスタービンエンジンで使用することができるストラドル支持式二重反転低圧タービン組立体２００の概略図である。この例示的な実施形態では、低圧タービン２００は、高圧タービン３０（図２に示す）の下流のコアエンジン２４（図２に示す）に結合された固定外側ケーシング３６を含む。

低圧タービン２００は、ほぼ切頭円錐形状を有する第１のロータ２１０を含みかつ半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード２１２を含む。ブレード２１２は、軸方向に間隔を置いたブレード２１４列の形態として配置される。この例示的な実施形態は、２つのブレード２１４列のみを示しているが、第１のロータ２１０は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに任意の数のブレード２１４列を有することができることを理解されたい。より具体的には、この例示的な実施形態では、第１のロータ２１０は、Ｍ個のタービンブレード２１４列を含みかつシャフト１１２を介してギヤボックス組立体１０２（図２に示す）に回転可能に結合される。

さらに、低圧タービン２００は、半径方向外向きに延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレード２２２を備えた第２のロータ２２０を含む。ブレード２２２は、軸方向に間隔を置いたブレード２２４列の形態で配置される。この例示的な実施形態は、４つのブレード２２４列のみを示しているが、第２のロータ２２０は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲に影響を与えずに任意の数のブレード２２４列を有することができることを理解されたい。より具体的には、この例示的な実施形態では、第２のロータ２２０は、Ｎ個のタービンブレード２２４列を含み、ここで、ＮはＭよりも大きい。第２のロータ２２０は、シャフト２０を介して前方ファン組立体１２（図２に示す）に回転可能に結合される。

この例示的な実施形態では、複数のタービンブレード２２４列の少なくとも１つは、複数のタービンブレード２１４列の少なくとも１つの軸方向前方に結合される。より具体的には、第２のロータ２２０は、連結部材２３４を使用して第２のタービンブレード２３２列に結合された第１のタービンブレード２３０列を含む。この例示的な実施形態では、少なくとも１つのタービンブレード２３０列は、第２ロータ２２０の少なくとも一部分が第１のロータ２１０の少なくとも一部分と交差指状に組み合わされるように、隣接する２つのタービンブレード２１４列間に配置される。

運転中、前方ファン組立体１２は、第２のタービンロータ１０８に回転可能に結合され、また後方ファン組立体は、該後方ファン組立体１４が前方ファン組立体１２よりも低い回転速度で作動するようにギヤボックス組立体１０２を介して第１のタービンロータ１０６に回転可能に結合される。後方ファン組立体１４のより低い回転速度により、公知のガスタービンエンジンファン組立体よりも小さいファン直径を有するファン組立体１２及び１４を利用しながら全ファン圧力比を高めることが可能になる。さらに、ファン組立体１２及び１４の低い回転速度と小さい直径との組み合わせにより、公知のガスタービンエンジンと比較してエンジンノイズを著しく低減することが可能になる。低圧タービン２００の全体寸法は、公知の低圧タービンと比較して幾つかの段によって縮小し、かつ入れ子でないものとすることができる。さらに、後方ファン組立体１４は、ギヤボックス組立体１０２に結合されて、公知の５段入れ子式二重反転低圧タービンと比較して重量がより軽量なタンデム式低圧タービンを使用するのを可能にする。その上に、ガスタービンエンジン１００及び２００は各々、全ての出力設定で速度マッチング制御を可能にしたブースタ圧縮機を含む。

本明細書に記載したガスタービンエンジンは、より小さい直径を備えた二重反転低圧タービンを含み、ガスタービンエンジンの重量を軽減するのを可能にする。本明細書に記載した低圧タービンは、より小さい直径を有するのでタービン中間フレームを短縮することができる。さらに、本明細書に記載した低圧タービンは、外側流路内に回転フレーム構造体又はディスクを必要としない。その上に、少なくとも幾つかの公知の低圧タービン外側ケースにおいて最近必要とされるシールは、低圧タービン構造体を冷却するのに必要な空気量を低減することができるので排除することができる。

以上、ファン組立体に結合したギヤボックスを含むガスタービンエンジンの例示的な実施形態を、詳細に説明している。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他の構成要素から独立し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他の公知のガスタービンエンジンと組み合わせて使用することもできる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、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改良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。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なガスタービンエンジンの一部分の断面図。 ギヤ組立体を含む例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図２に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的な二重反転低圧タービンの概略図。

符号の説明

１２ 前方ファン組立体
１４ 後方ファン組立体
２０、２２ ファンシャフト
２４ コアエンジン
２６ 高圧圧縮機
２８ 燃焼器
３０ 高圧タービン
１００ ガスタービンエンジン
１０２ ギヤボックス組立体
１０４ 二重反転低圧タービン
１０６ 第１のタービンロータ
１０８ 第２のタービンロータ
１１０ 第１のシャフト
１１２ 第２のシャフト
１２４ ブースタ圧縮機

Claims (9)

1. 第１の回転方向にかつ第１の回転速度で回転するように構成された複数のロータブレード（１９）を含む第１のファン組立体（１２）と、
   前記第１のファン組立体（１２）に結合された第１のタービンロータ（１０８）と、
   前記第１のファン組立体の軸方向後方に結合され、第２の回転方向に回転するように構成された複数のロータブレードを含む第２のファン組立体（１４）と、
   前記第１のタービンロータ（１０８）の軸方向前方に配置され、前記第２のファン組立体（１４）に結合された第２のタービンロータ（１０６）と、
   前記第２のファン組立体に結合されたギヤボックス（１０２）と
   を含み、
   前記ギヤボックス（１０２）は、該第２のファン組立体と該第２のタービンロータとの間に結合された状態で結合されており、該第２のファン組立体を前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させるように構成されていることを特徴とする、
   ファン組立体。
2. 前記ギヤボックス（１０２）が、３．５対１にほぼ等しいギヤ比を有する、請求項１記載のファン組立体。
3. 前記第２の回転速度が、前記第１の回転速度よりも低い、請求項１記載のファン組立体。
4. 前記第１のタービンロータ（１０８）が、第１の複数のタービンブレード（１５０）列（１５２）を含み、前記第２のタービンロータ（１０６）が、前記第１の複数のタービンブレード列とは異なる第２の複数のタービンブレード（１３０）列（１３２）を含む、請求項１記載のファン組立体。
5. 前記第１のタービンロータ（１０８）は、円周方向に間隔を置いた複数の第１のタービンブレード（２２２）からなる、複数の第１のタービンブレード列（２２４）を備え、
   前記第２のタービンロータ（１０６）は、円周方向に間隔を置いた複数の第２のタービンブレード（２１２）からなる、複数の第２のタービンブレード列（２１４）を備え、
   前記第１のタービンブレード列（２２４）の少なくとも１つは、前記第２のタービンブレード列（２１４）の少なくとも１つの前方に結合される
   請求項１記載のファン組立体。
6. 第１の回転方向にかつ第１の回転速度で回転するように構成された複数のロータブレード（１９）を含む第１のファン組立体（１２）と、
   前記第１のファン組立体の軸方向後方に結合され、第２の回転方向に回転するように構成された複数のロータブレードを含む第２のファン組立体（１４）と、
   前記第１のファン組立体（１２）に結合された第１のタービンロータ（１０８）と、
   前記第１のタービンロータ（１０８）の軸方向前方に配置され、前記第２のファン組立体（１４）に結合された第２のタービンロータ（１０６）と、
   前記第２のファン組立体に結合されたギヤボックス（１０２）と
   を含み、
   前記ギヤボックス（１０２）は、該第２のファン組立体と該第２のタービンロータとの間に結合された状態で結合されており、該第２のファン組立体を前記第１の回転速度とは異なる第２の回転速度で回転させるように構成されていることを特徴とする、
   ガスタービンエンジン（１０）。
7. 前記ギヤボックス（１０２）が、前記第２の回転速度が前記第１の回転速度よりも低くなるように、３．５対１にほぼ等しいギヤ比を有する、請求項６記載のガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記第２のファン組立体（１４）と前記第２のタービンロータ（１０６）との間に結合されたシャフト（１１２）と、
   前記第２のファン組立体と前記第２のタービンロータとの間に結合された状態で、前記シャフトに結合されたブースタ圧縮機（１２４）と、をさらに含む、
   請求項７記載のガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記第１のタービンロータ（１０８）は、円周方向に間隔を置いた複数の第１のタービンブレード（２２２）からなる、複数の第１のタービンブレード列（２２４）を備え、
   前記第２のタービンロータ（１０６）は、円周方向に間隔を置いた複数の第２のタービンブレード（２１２）からなる、複数の第２のタービンブレード列（２１４）を備え、
   前記第１のタービンブレード列（２２４）の少なくとも１つは、前記第２のタービンブレード列（２１４）の少なくとも１つの前方に結合される
   請求項６記載のガスタービンエンジン（１０）。