JP5080814B2 - ガスタービンエンジン組立体、差動スクイーズ油膜ダンパ軸受組立体及びガスタービンエンジン - Google Patents

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、ガスタービンエンジン組立体及びそれを組み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、ファン組立体、コアエンジン、及びファン組立体に結合された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、燃焼器及び高圧タービンを含む。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し、また低圧タービンは、第２のシャフトを利用してファン組立体に結合される。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高圧タービンを回転可能に駆動し、シャフトが次ぎに圧縮機を回転可能に駆動するようになる。
米国特許第４，２１４，７９６号公報 米国特許第５，０４８，９７８号公報 米国特許第５，０８５，５２１号公報 米国特許第５，１６９，２４１号公報 米国特許第５，１７８，４００号公報 米国特許第５，１８８，３７５号公報 米国特許第５，１９７，８０７号公報 米国特許第５，２０１，５８５号公報 米国特許第５，２２８，７８４号公報 米国特許第５，２５１，９８５号公報 米国特許第５，３１６，３９１号公報 米国特許第５，３２０，１３４号公報 米国特許第５，３４４，２３９号公報 米国特許第６，１３５，６３９号公報

高性能タービンエンジン内での燃料燃焼を最大にするためには、比較的小型のコアガスタービンに結合された高バイパス比ファンを利用するのが望ましい。エンジンコスト、重量及び複雑さを低減するために、少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、低圧タービンスプールによりコアスプールを支持するように使用する差動軸受を含む。その結果、本出願では公知の差動軸受を利用して、比較的高い差動支持荷重を得ることができる。

ここでは、ガスタービンエンジンを組み立てる方法が開示される。この方法は、第１のシャフトを使用して高圧圧縮機を高圧タービンに結合する段階と、第２のシャフトを使用してファン組立体を低圧タービンに結合する段階と、第１及び第２のシャフト間に差動スクイーズ油膜ダンパ組立体を結合する段階とを含む。

一つの態様では、差動スクイーズ油膜ダンパ組立体を提供する。本差動スクイーズ油膜ダンパ組立体は、第１の方向に回転可能な第１のシャフトに結合された内側レースと、第２の反対の方向に回転可能な第２のシャフトに結合された外側レースと、内側及び外側レース間に結合された複数のベアリングとを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービンエンジン組立体は、高圧圧縮機と高圧タービンと高圧圧縮機及び高圧タービン間に結合された第１のシャフトとを含む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に結合されたファン組立体と、コアガスタービンエンジンに結合された低圧タービンと、ファン組立体及び低圧タービン間に結合された第２のシャフトと、第１シャフト及び第２のシャフト間に結合された差動スクイーズ油膜ダンパ軸受組立体とを含む。

図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図であり、ガスタービンエンジン１０は、ファン組立体１２と、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含むコアエンジン１３とを含む。エンジン１０はまた、低圧タービン２０とブースタ２２とを含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びたファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト３１によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト３２によって結合される。

運転時、空気は、中心軸線３４に沿ってファン組立体１２を通って流れ、加圧空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気が、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からのガス流（図１には図示せず）がタービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。１つの実施形態では、シャフト３１は、第１の方向４０に回転し、またシャフト３２は、第２の反対の方向４２に回転する。任意選択的に、シャフト３１及び３２は各々、第１の方向４０又は第２の方向４２のいづれかに回転する。

図２は、図１に示すガスタービンエンジン１０の一部分の断面図であり、ガスタービンエンジン１０は、２つの回転シャフト間に結合された例示的な差動軸受組立体５０すなわちシャフト間軸受を含む。図３は、図２に示す差動軸受組立体５０の拡大断面図である。この例示的な実施形態では、差動軸受組立体５０は、第１のシャフト３１と第２のシャフト３２との間に結合される。本明細書に記載した本発明は、単一の差動軸受５０に関してのものであるが、本明細書に記載した本発明はまた、複数の差動軸受５０を含むガスタービンエンジンにも使用することができることを理解されたい。さらに、本明細書に記載した本発明はまた、ガスタービンエンジン１０内の複数のローラ及び／又はボール軸受組立体でも使用することができる。

この例示的な実施形態では、差動軸受組立体５０は、差動スクイーズ油膜ダンパ軸受（ＤＦＦＤ）であり、高圧タービン１８と高圧圧縮機１４との間で延びるシャフト３２に固定された回転半径方向内側レース５２を含む。差動軸受組立体５０はまた、外側レースバネ５５を介してシャフト３１に固定された回転半径方向外側レース５４とそれぞれ内側及び外側レース５２及び５４間に配置された複数のベアリング５６すなわち転動体とを含む。この例示的な実施形態では、ベアリング５６はローラベアリングである。別の実施形態では、ベアリング５６はボールベアリングである。この例示的な実施形態では、内側レース５２はシャフト３２に結合され、また外側レース５４は、シャフト３１、すなわち低圧タービン２０とファン組立体１２との間で延びるシャフトに結合されるので、内側レース５２は第１の方向４０に回転し、また外側レース５４は第２の反対の方向４２に回転する。

軸受組立体５０はまた、第１の端部６２においてシャフト３２に結合されたシールランド部６０と、シールランド部６０とシャフト３１との間にシールを形成するように該シールランド部６０の半径方向内側に結合された第１のシール６４と、シールランド部６０とシャフト３２との間にシールを形成するようにシールランド部６０の半径方向外側に結合された第２のシール６６とを含む。従って、ランド部の第１の端部とシール６６との間に空洞６８が形成される。

軸受外側レース５４は、ピストンシール７２を受けるような寸法にされた第１のチャネル７０とピストンシール７６を受けるような寸法にされた第２のチャネル７４とを含む。より具体的には、軸受外側レース５４は、下記に述べるように、運転時にシール７２及び７６がシャフト３１とシール接触した状態になるように半径方向内向き及び半径方向外向きに移動するように構成される。

ガスタービンエンジン１０はまた、シャフト３１に結合されかつ軸受組立体５０を実質的に囲む潤滑油分配リング８０を含む。１つの実施形態では、潤滑油分配リング８０は、シャフト３１に結合されかつ該シャフト３１から軸方向前方に延びて、潤滑油分配リング８０の半径方向内面と該シャフト３１の軸方向前方に延びた低圧タービンシャフト延長部８４との間に空洞８２が形成されるようになる。任意選択的に、潤滑油分配リング８０は、シャフト３１と単体構造に形成される。回転潤滑油カバー９０が、潤滑流体を軸受組立体５０に流すのを可能にするように設けられる。具体的には、潤滑油カバー９０は、低圧タービンシャフト３１の半径方向内側に結合され、該潤滑油カバー９０の前方端部と低圧タービンシャフト３１との間にシールを形成するように利用される第１のシール９２と、第１のシール９２の軸方向後方に位置した第２のシール９４と、第２のシール９４の軸方向後方に位置した第３のシール９６とを含む。この例示的な実施形態では、潤滑油カバー９０とシャフト３１との間に第１の空洞９８が形成される。具体的には、第１の空洞９８は、潤滑油カバー９０、シャフト３１、シール９２、及び潤滑油カバー９０から半径方向外向きに延びた突出部１００によって境界付けられる。

潤滑油カバー９０はまた、該潤滑油カバー９０から半径方向内向きに延びかつそれを貫通して形成された開口１０４を備えた延長部分１０２を含む。ガスタービンエンジン１０はまた、潤滑流体のような油圧流体を例えば軸受組立体５０に流して軸受組立体５０を作動させるのを可能にするように構成された加圧システム１１０を含む。具体的には、システム１１０は、ポンプ（図示せず）に結合された供給マニホルド１１２を含む。ガスタービンエンジン１０はまた、軸受組立体５０を潤滑するように構成された潤滑システム１２０を含む。潤滑システム１２０は、潤滑油を軸受組立体５０に供給する複数の噴出口１２２を含む。

運転時、シール組立体５０を作動させる高圧油圧流体は、マニホルド１１２を通り、延長部１０２を貫通して延びた開口１０４を通って空洞１３２内に流れる。この例示的な実施形態では、空洞１３２は、シャフト３１、シール９４、シール９６及び回転潤滑油カバー９０によって境界付けられる。油圧流体は高圧下にあるので、油圧流体は、少なくとも部分的にシャフト３１を貫通して形成された開口１３４を通って半径方向外向きに強制的に流される。開口１３４は、空洞１３２と空洞８２との間のチャネルを形成して、空洞１３２が空洞８２と流れ連通状態になり、マニホルド１１２から流れる油圧流体が軸受組立体５０に供給されるようになる。具体的には、油圧流体は、空洞８２から少なくとも１つの開口１３６を通って流れて、油圧流体が軸受外側レース５４と別体のダンパリング５５との間に機械的力を加えるようになる。さらに、ピストンリング溝７０内に配置された２つのピストンリング７２は、所定のエンジン回転速度でのエンジン運転時に該リング７２が押し出されかつダンパリング５５に当接してシールすることを保証にするように軸受外側レース５４内に設置される。

上記の結果として、あらゆるシャフト不均衡による半径方向力成分は、空洞８２内に保持された油圧流体により軸受組立体５０上に作用する油圧力によって相殺される。従って、圧力領域すなわち空洞８２内の加圧油圧流体の反作用により、二重反転シャフト３１及び３２間に減衰及び剛性が得られる。

潤滑システム１２０の作動時に、複数の噴出口１２２から吐出された潤滑流体は、回転潤滑油カバー９０の半径方向内側に形成された空洞１４０内に導かれる。より具体的には、ガスタービンエンジン１０は回転しているので、潤滑流体は、回転潤滑油カバー９０に対して軸方向外向きに強制的に押される。潤滑流体は次に、潤滑油カバー９０の外面に沿って前方方向に流れて該潤滑油カバーを貫通した開口１４２を通って空洞９８内流入する。潤滑流体は次に、シャフト３１を貫通した開口１４４を通って軸受組立体５０を収納した空洞又はサンプ１４６内に流れる。潤滑流体の第１の部分は、シールランド部６０を貫通した開口１４８を通って、軸受組立体５０を実質的に囲む空洞６８内に流れる。潤滑油は次に、空洞６８からシャフト３２を貫通した開口１５０を通って流れて軸受組立体５０を潤滑するのを可能にする。軸受組立体５０を潤滑した後に、潤滑流体は、潤滑油分配リング８０を実質的に囲む空洞１５２内に吐出される。潤滑流体は次に、空洞１５２からシャフト１３１を貫通して形成された開口１５４を通って吐出され、潤滑油排出システム（図示せず）に戻る。

本明細書に記載しているのは、その中の２つの回転シャフト間に結合された差動スクイーズ油膜ダンパ軸受組立体を含むガスタービンエンジンである。軸受組立体は、低圧タービンスプールに取り付けられかつ該低圧タービンスプールと共に回転する外側レースと、高圧タービンに取り付けられかつ該高圧タービンと共に回転する内側レースとを含む。この例示的な実施形態では、内側及び外側レースは、反対方向に回転する。任意選択的に、内側及び外側レースは同一方向に回転する。

運転時、柔軟バネ付属部品を含む軸受組立体により、二重反転シャフト間の減衰性及び剛性を高めることが可能になる。具体的には、スクイーズ油膜ダンパ軸受組立体は、より低い低圧タービン速度で回転する軸受組立体外側レースの半径方向外側に設置される。油圧潤滑油が、後方サンプカバーから回転すなわち動的オイルシール間を通って中央給油管に供給される。中央給油管は、油圧潤滑油を低圧タービンシャフト内部に配置された分配リングに向けて前方に流す。分配リングと低圧タービンシャフトとの間のシールにより、境界部を越えて流れた時、油圧を維持することが可能になる。油圧潤滑油は次に、低圧タービンシャフト内の開口を通って流れる。この例示的な実施形態では、開口は、円筒体からフランジへの移行部が生じる低圧タービンシャフトの後方側に配置される。ここは一般的に、低圧タービンシャフトのより低い応力部位である。油圧潤滑油は、低圧タービンシャフトの前方側で流出し、カバーを通って別体のダンパリングとシール作用のための２つのピストンリングとを含むスクイーズ油膜ダンパ軸受組立体に向けて前方に進む。ピストンリング溝は、軸受外側レース内に設置されて或る速度でシール作用が発生することを保証する。運転時に、リングは押し出されてダンパリングに当接してシールする。

さらに、ガスタービンエンジンは、潤滑油供給システムを含み、潤滑油供給システムは、潤滑流体を回転潤滑油カバーに沿ってスクイーズ軸受組立体に流すように構成された複数の噴出口を含む。

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変更で実施することができることは当業者には分かるであろう。

例示的なタービンエンジン組立体の一部分の断面図。 差動軸受組立体を含む、図１に示すガスタービンエンジンの一部分の拡大断面図。 図２に示す差動軸受組立体の拡大断面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１３ コアエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ
２４ ファンブレード
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ 第１のロータシャフト
３２ 第２のロータシャフト
３４ 中心軸線
４０ 第１の方向
４２ 第２の方向
５０ 軸受組立体
５２ 内側レース
５４ 外側レース
５５ ダンパリング
５６ ベアリング
６０ シールランド部
６２ 第１の端部
６４ 第１のシール
６６ 第２のシール
６８ 空洞
７０ 第１のチャネル
７０ ピストンリング溝
７２ リング
７４ 第２のチャネル
７６ ピストンシール
８０ 潤滑油分配リング
８２ 空洞
８４ 低圧タービンシャフト延長部
９０ 潤滑油カバー
９２ 第１のシール
９４ 第２のシール
９６ 第３のシール
９８ 空洞
１００ 突出部
１０２ 延長部分
１０４ 開口
１１０ 加圧システム
１１２ マニホルド
１２０ 潤滑システム
１２２ 噴出口
１３２ 空洞
１３４ 開口
１３６ 開口
１４０ 空洞
１４２ 開口
１４４ 開口
１４６ 空洞又はサンプ
１４８ 開口
１５０ 開口
１５２ 空洞
１５４ 開口

Claims (4)

1. ガスタービンエンジン組立体（１０）であって、
   高圧圧縮機（１４）と高圧タービン（１８）と前記高圧圧縮機及び高圧タービン間に結合された第２のシャフト（３２）とを含むコアガスタービンエンジン（１３）と、
   前記コアガスタービンエンジンに結合されたファン組立体（１２）と、
   前記コアガスタービンエンジンに結合された低圧タービン（２０）と、
   前記ファン組立体及び低圧タービン間に結合された第１のシャフト（３１）と、
   前記第１のシャフト及び第２のシャフト間に結合された差動スクイーズ油膜ダンパ軸受組立体（５０）と、
   を含み、
   前記動スクイーズ油膜ダンパ軸受組立体（５０）は、内側レース（５２）と、前記第１のシャフトに外側レースばねを介して結合された外側レース（５４）と、前記内側及び外側レース間に結合された少なくとも１つのベアリング（５６）と、を含み、
   前記外側レース（５４）は、第１のシール（７２）を受けるように構成された少なくとも１つの第１の溝（７０）を含み、
   前記第１のシール（７２）が、エンジン運転時に前記外側レースばねと前記外側レース（５４）との間をシールするのを可能にするように構成されており、
   前記第２のシャフト（３２）が、第２の方向（４２）に回転し、また前記第１のシャフト（３１）が、前記第２の方向と反対の第１の方向（４０）に回転し、
   前記ガスタービンエンジン組立体（１０）は、
   前記コアガスタービンエンジンに結合された潤滑システム（１２０）と、
   前記第２のシャフトに結合されたシールランド部（６０）と、
   前記シールランド部（６０）と前記第２のシャフトとの間のシールと、
   前記第１のシャフトの半径方向内側の空間に配置されて該第１シャフトの半径方向内側に結合された潤滑油カバー（９０）と
   をさらに含み、
   前記潤滑システム（１２０）が、前記第１のシャフトを介して潤滑流体を供給し前記差動スクイーズ油膜ダンパ軸受組立体（５０）を潤滑し、
   前記シールランド部（６０）、前記第２のシャフト及び前記シールの間に第１の空洞（６８）が形成され、該第１の空洞が前記潤滑システムに流体を流せるようにつながっており、
   前記潤滑油カバーは、該潤滑油カバーと前記第１のシャフトとの間に第２の空洞（９８）を形成し、前記第１のシャフトと共に回転し、
   前記潤滑システムは、前記潤滑油カバーから前記第２の空洞まで該潤滑油カバーを貫通して延びる開口（１４２）を通して潤滑流体を供給し、
   前記第１のシャフトは、前記第１の空洞が前記第２の空洞に潤滑流体を流せるようにつながる該第１のシャフトを貫通して延びる開口を備える
   ことを特徴とする、ガスタービンエンジン組立体（１０）。
2. 前記内側レース（５２）が、前記第２のシャフト（３２）に結合されている、
   請求項１記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
3. 前記外側レース（５４）が、第２のシール（７６）を受けるように構成された第２の溝をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
4. 前記第１及び第２のシール（７２、７６）が共に、エンジン運転時に前記外側レースばねと前記外側レース（５４）との間をシールするのを可能にするように構成される、請求項３記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
   

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