JP5155648B2 - ターボファンエンジンアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、概してガスタービンエンジンに関し、より具体的には、逆回転ブースタコンプレッサを含むターボファンエンジンアセンブリに関する。

少なくともいくつかの公知のターボファンエンジンアセンブリは、ファンアセンブリ、コアガスタービンエンジン、および低圧または出力タービンを含む。コアガスタービンエンジンは、少なくとも１つのコンプレッサ、燃焼器、およびシリアルフロー構成でともに連結された高圧タービンを含む。さらに、少なくとも１つの公知のターボファンエンジンアセンブリは、ファンアセンブリとコアガスタービンエンジンとの間に配置されたブースタを含む。
米国特許第６，７６３，６５４号公報 米国特許第６，７６３，６５３号公報 米国特許第６，７６３，６５２号公報 米国特許第６，７３２，５０２号公報 米国特許第６，７１１，８８７号公報 米国特許第６，６８４，６２６号公報 米国特許第６，６１９，０３０号公報 米国特許第６，３３９，９２７号公報 米国特許第５，０７９，９１６号公報 米国特許第４，９６９，３２５号公報 米国特許第４，７９０，１３３号公報 米国特許第４，７５１，８１６号公報 米国特許第３，６７３，８０２号公報

ターボファンエンジンアセンブリの効率を向上させるためには、ファン効率を向上させるために比較的低速でファンアセンブリを動作させ、かつ低圧タービン効率を向上させるために比較的高速で低圧タービンを動作させることが望ましい。しかし、ファンアセンブリを比較的低速で動作させるために、追加の段がブースタコンプレッサに加えられる。その結果、追加されたブースタ段のためにターボファンエンジンアセンブリ全体の長さが増大する。その上、ファンアセンブリは既存の取り付けシステムからさらに遠くへ移動される。その結果、ファンケース構造体およびファンフレームの剛性を増加しなければならず、追加のベアリングまたは構造体が剛性駆動性能および動作間隙を維持するために取り付けられる可能性がある。したがって、追加のブースタ段によって、ターボファンエンジンアセンブリの全体的なコスト、重量、および設計の複雑さが増大する。

一態様において、ターボファンエンジンアセンブリが提供される。ターボファンエンジンアセンブリは、高圧コンプレッサ、高圧コンプレッサの下流に配置された燃焼器、および高圧コンプレッサにシャフトで連結された高圧タービン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連結された逆回転ブースタコンプレッサであって、第１方向に回転するように構成された第１ロータセクションおよび逆の第２方向に回転するように構成された第２ロータセクションを含む該逆回転ブースタコンプレッサと、第１ロータセクションに連結された単段ファンアセンブリと、低圧タービンとファンアセンブリとの間に連結された駆動シャフトと、低圧タービンがギアボックスを駆動するように、かつギアボックスが第２ロータセクションを駆動するように、駆動シャフトと第２ロータセクションとの間に連結されたギアボックスとを含む。

またここでは、ターボファンエンジンの組み立て方法が提供される。該方法は、逆回転ブースタコンプレッサであって、第１方向に回転するように構成された第１ロータセクション、および逆の第２方向に回転するように構成された第２ロータセクションを含む逆回転ブースタコンプレッサをファンアセンブリに連結し、第１ロータセクションを単段ファンアセンブリに連結し、第２ロータセクションをギアボックスに連結し、単段ファンアセンブリを低圧タービンに駆動シャフトで連結し、および低圧タービンがギアボックスを駆動するように、かつギアボックスが第２ロータセクションを駆動するように、駆動シャフトと第２ロータセクションとの間にギアボックスを連結することを含む。

図１は、長手方向軸線１１を有する典型的なターボファンエンジンアセンブリ１０の概略図である。ターボファンエンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１２、ファンアセンブリ１２の下流に配置されたコアガスタービンエンジン１３、およびコアガスタービンエンジンの下流に配置された単回転低圧タービン２０を含む。コアガスタービンエンジン１３は、高圧コンプレッサ１４、高圧コンプレッサ１４の下流に配置された燃焼器１６、燃焼器１６の下流に配置された高圧タービン１８、および高圧コンプレッサ１４と高圧タービン１８との間に連結された第１駆動シャフト３１を含む。典型的な実施形態において、ターボファンエンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１２の下流およびコアガスタービンエンジン１３の上流に配置された多段逆回転ブースタコンプレッサ２２も含む。

典型的な実施形態において、ファンアセンブリ１２は、単ロータディスク２４と、ロータディスク２４に連結された複数のファンブレード２６とを含む単回転（ＳＲ）ファンアセンブリである。ターボファンエンジンアセンブリ１０は、低圧タービン２０に連結された第１端部３４と、以下で説明するとおり、ファンアセンブリ１２および逆回転ブースタ２２の両方の駆動に使われる延長シャフト３３に連結された第２端部３６を含む第２駆動シャフト３２も含む。

図２は、図１に示すターボファンエンジンアセンブリ１０とともに利用されてよい典型的な逆回転ブースタコンプレッサ機構の拡大断面図である。この機構において、逆回転ブースタコンプレッサ２２は、５つの回転段４０を含む。より具体的には、逆回転ブースタコンプレッサ２２は、典型的な実施形態において、２つのロータ段５２を含む第１ロータセクションすなわち内側スプール５０を含み、該内側スプールにおいては、各段がそれぞれ回転ディスク５４および５６と、各それぞれのディスクに連結された複数のブレード５８とを含む。逆回転ブースタコンプレッサ２２は、典型的な実施形態においては、３つの段６２を含む第２ロータセクションすなわち外側スプール６０も含み、該外側スプールにおいては、各段がそれぞれ回転ディスク６４、６６、および６８と、各それぞれのディスクに連結された複数のブレード７０とを含む。図２に示すように、内側ロータブレード５８は、外側ロータブレード７０と相互嵌合される。

典型的な実施形態において、第２ロータセクション６０の第１段７２は、入口ガイドベーン（ＩＧＶ）として機能し、ターボファンエンジンアセンブリ１０に入りブースタ２２を通って下流へ流れる気流を流しやすくでき、第２ロータセクション６０の第５段７４は、外側ガイドベーン（ＯＧＶ）として機能する。ブースタコンプレッサ２２は、５段しか有していないように示されているが、ブースタコンプレッサ２２は、いかなる段数の逆回転ロータブレードを有してもよく、または入口または出口の渦に基づいて固定のＩＧＶまたはＯＧＶを含んでもよいことは、明白である。

この実施形態において、第１ロータセクションすなわち内側スプール５０は、コーン８０を利用してファンアセンブリ１２に連結される。より具体的には、図２に示すように、ファンアセンブリ１２は、シャフト３２および３３を介して低圧タービン２０によって駆動され、内側スプール５０は、コーン８０を介してファンアセンブリ１２によって駆動される。したがって、ファンアセンブリ１２および内側スプール５０は両方とも、低圧タービン２０と同一方向かつ同一速度で回転する。さらに、外側スプール６０もギアボックス１００を介して低圧タービン２０によって駆動される。より具体的には、外側スプール６０は、コーン８２を利用してギアボックス１００に連結される。この実施形態において、コーン８２は、実質的にはＶ字形断面であり、第１部分８４および第２部分８６を含む。典型的な実施形態において、第１および第２部分８４および８６は、一体型コーン８２を形成するように製造される。第１部分８４は、外側スプール６０に連結された第１端部８８を含む。詳細に述べると、第１端部８８は、ブースタコンプレッサ２２の第５段７４に連結されており、外側スプール６０を駆動できる。第１部分８４の第２端部９０は、第２部分８６の第１端部９２に連結またはそれとともに形成される。第２部分８６の第２端部９４および第１端部９２は、コーン８２に対して径方向支持を与え、したがって、外側スプール６０に対しても径方向支持を与える複数のベアリングアセンブリの径方向外方にそれぞれ配置される。

典型的な実施形態において、ギアボックス１００は、低圧タービン２０が低圧タービン２０の回転方向とは逆の回転方向に外側スプール６０を駆動できるようにコーン８２と延長シャフト３３との間に配置される。さらに、典型的な実施形態において、ギアボックス１００は、低圧タービン２０の回転速度より遅い回転速度で、したがって、ファンアセンブリ１２および内側スプール５０の回転速度より遅い回転速度で外側スプール６０を駆動できるように構成される。

典型的な実施形態において、ギアボックス１００は、ファンアセンブリ１２および内側スプール５０がそれぞれ、外側スプール６０の回転速度の約１．２倍の回転速度で回転するように、約０．０８〜１のギア比を有する。別の典型的な実施形態において、ギアボックス１００は、ファンアセンブリ１２および内側スプール５０がそれぞれ、外側スプール６０の回転速度より約１．０５〜約１．４倍速い回転速度で回転するようなギア比を有する。

典型的な実施形態において、ギアボックス１００は、実質的に延長シャフト３３に外接する複数のギア１０２を含む遊星ギアボックスである。ターボファンエンジンアセンブリ１０は、ギアボックス１００をターボファンエンジンアセンブリ１０内に取り付けるために利用される実質的にウィッシュボーン形状の支持構造体１１０も含む。より具体的には、支持構造体１１０は、第１部分１１２のほぼ中間点においてファンフレーム１５に連結された第１部分１１２を含む。支持構造体１１０は、第１部分１１２に連結された第２部分１１４も含む。第２部分１１４は、ターボファンエンジンアセンブリ１０内に複数のギア１０２を取り付けるために、したがって、複数のギア１０２を延長シャフト３３のまわりで実質的に固定された軸方向位置に保持するために利用される。

より具体的には、典型的な実施形態において、ターボファンエンジンアセンブリ１０は、延長シャフト３３とコーン８２の間に配置されて、外側スプール６０に対して回転支持を与えることができる差動ベアリングである第１ベアリングアセンブリ１３０を含む。より具体的には、ベアリングアセンブリ１３０は、延長シャフト３３に連結された回転する内側レース１３２、およびコーン８２に連結された回転する外側レース１３４を含む。第１ベアリングアセンブリ１３０は、内側および外側レース１３２および１３４の間に配置された複数のローラベアリング１３６も含む。動作中、第１ベアリングアセンブリ１３０は、外側スプール６０に対して径方向支持を与えることができる一方、低圧タービン２０および外側スプール６０は異なる速度で回転できるために利用される。

ターボファンエンジンアセンブリ１０は、典型的な実施形態においては、コーン８２と支持構造体１１０との間に配置されたスラストベアリングである第２ベアリングアセンブリ１４０も含む。より具体的には、ベアリングアセンブリ１４０は、ギアボックス１００の下流に配置されており、支持構造体１１０の第２部分１１４に連結された固定内側レース１４２、および第２端部９４に近いコーン８２に連結された回転する外側レース１４４を含む。第２ベアリングアセンブリ１４０は、内側および外側レース１４２および１４４の間に配置された複数のベアリング部品１４６も含む。動作中、第２ベアリングアセンブリ１４０は、外側スプール６０によって引き起こされるスラスト荷重を実質的に吸収し、あらゆる残留スラスト荷重をファンフレーム１５へ支持構造体１１０を介して伝達するために利用される。

ターボファンエンジンアセンブリ１０は、典型的な実施形態においては、低圧タービン駆動シャフト３２と支持構造体１１０との間に配置された主スラストベアリングである第３ベアリングアセンブリ１５０も含む。より具体的には、ベアリングアセンブリ１５０は、スラストベアリングアセンブリ１４０の下流に配置されており、駆動シャフト３２に連結された回転する内側レース１５２と、支持構造体１１０に連結された固定外側レース１５４と、内側および外側レース１５２および１５４の間に配置された複数のベアリング部品１５６とを含む。動作中、第３ベアリングアセンブリ１５０は、低圧タービン２０、ファンアセンブリ１２、および内側スプール５０によって引き起こされるスラスト荷重を実質的に均衡させ、あらゆる残留スラスト荷重をファンフレーム１５へ支持構造体１１０を介して伝達するために利用される。

ターボファンエンジンアセンブリ１０は、典型的な実施形態においては、ギアボックス１００の上流で、コーン８２と支持構造体１１０との間に配置されたローラベアリングである第４ベアリングアセンブリ１６０も含む。より具体的には、ベアリングアセンブリ１６０は、コーン８２に連結された回転する内側レース１６２と、支持構造体１１０に連結された固定外側レース１６４と、内側および外側レース１６２および１６４の間に配置された複数のローラベアリング１６６とを含む。動作中、第４ベアリングアセンブリ１６０は、外側スプール６０に対して径方向支持を与える一方、外側スプール６０が支持構造体１１０に対して自由に回転できるために利用される。

図３は、図１および２に示すギアボックス１００の端面図である。図３に示すように、各それぞれのギア１０２は、各それぞれのギア１０２の外側表面のまわりに円周方向に配置された複数の歯２００を含む。さらに、駆動シャフト３３は、組み立て中に各それぞれの歯１０２の径方向内側表面２０６が噛み合わせられ、駆動シャフト３３を介して低圧タービンシャフト３２によって駆動されるように、駆動延長シャフト３３の外側表面のまわりに円周方向に配置された複数の歯２０２を含む。組み立て中に、ギア１０２は、支持構造体１１０の第２部分１１４に連結される。さらにコーン８２の径方向内側表面は、第２部分８６の径方向内側表面に配置された複数の歯２０８を含み、低圧タービン２０が、低圧タービン２０の回転方向と逆の回転方向にギア１０２を駆動し、順にコーン８２を、次に外側スプール６０を駆動するように、コーン８２はギア１０２の円筒状外側表面２１０に噛み合わされる。

図４は、図１に示すターボファンエンジンアセンブリ１０とともに利用されてよい典型的な逆回転ブースタコンプレッサ機構の拡大断面図である。この機構は、ターボファンエンジンアセンブリ１０が第１延長シャフト３００および第２延長シャフト３０２も含むということを除いて、図２および３に示す機構と実質的には類似である。

より具体的には、図２および３に示すように、ギアボックス１００は、シャフト３３およびコーン８２の両方の部分として形成された複数の歯を介してシャフト３３およびコーン８２の両方を直接駆動する。しかし、この機構において、延長シャフト３００は、ギアボックス１００が歯３０４と噛み合い、延長シャフト３００を駆動するように、延長シャフト３００の径方向内側表面に配置された複数の歯３０４を含む。さらに、延長シャフト３００は、ギアボックス１００がコーン８２を延長シャフト３００を介して駆動するように、延長シャフト３００の径方向外側表面に配置された複数のスプライン３０６も含む。さらに、図４に示すように、延長シャフト３０２は、ギアボックス１００が歯３０８と噛み合い、延長シャフト３０２を駆動するように、延長シャフト３０２の径方向外側表面に配置された複数の歯３０８を含む。さらに、延長シャフト３０２は、シャフト３３が延長シャフト３０２を駆動し、ギアボックス１００を駆動するように、延長シャフト３０２の径方向内側表面に配置された複数のスプライン３１０も含む。図４に示す機構は、ギア摩耗が起きた場合は、ターボファンエンジンアセンブリ１０を修理するための時間とコストを低減させるのに役立つ。より具体的には、分解が行われる場合ギアボックス１００は、図３に示すように、最初にコーン８２およびシャフト３３を移動させる必要なく、延長シャフト３００および３０２を移動させることによってより簡単に取り外しかつ取り替えることができる。

本明細書に記載のターボファンエンジンアセンブリは、ブースタコンプレッサの各ロータセクションの速度を、最大エンジン効率を達成すべく動作させることができる遊星ギアボックスに連結された逆回転（ＣＲ）ブースタコンプレッサを含む。この実施形態において、ターボファンエンジンアセンブリは、低圧タービンによって直接駆動される単段ファンを含む。さらに、逆回転ブースタコンプレッサは、ファンアセンブリに連結され、したがって、低圧タービンによって駆動される内側スプールを含む。さらに、逆回転ブースタコンプレッサは、遊星ギアボックスを介して低圧タービンによって駆動される外側スプールも含む。この実施形態において、外側スプールは、ファンアセンブリ、逆回転ブースタ内側スプール、および低圧タービンの回転方向と逆の方向に回転する。さらに、ギアボックス比を変更することによって、外側スプールは、内側スプールの回転速度と異なる回転速度で回転でき、総合的なエンジン効率が改善される。より具体的には、逆回転ブースタは、ファンアセンブリと同じ速度で回転する段２および４を有する一方、段１、３、および５は逆回転し、その結果、速度がファン速度より速くなる可能性がある。この機構は、比較的少数の段しか利用せずに、ブースタコンプレッサ内で実質的な圧力上昇を引き起こすことができる。

本明細書に記載のターボファンエンジンアセンブリは、固定カスケードを回転カスケードに変え、それにより圧力の増大がもたらされる。ステータを回転ブレードに変えることによって、半分の数のエーロフォイルカスケードで必要な圧力を作り出すことができる。この機構によって、段数が減るだけでなく、ファンとエンジン取り付け台との間の全構造体の長さも減る。その結果、ターボファンエンジンの全重量が減り、ファンケースの長さ、ナセルの長さが減り、ファンフレームに対する必要以上の剛性が不要になり、したがって、総重量、従来のブースタステータ内の氷蓄積が減り、今では逆回転ブースタは、逆回転ブースタコンプレッサの一部を駆動するための単純な比較的低馬力の遊星ギアボックスを利用する限り、すべて低減される。

本明細書記載のターボファンエンジンアセンブリを組み立てる方法には、逆回転ブースタコンプレッサであって、第１方向に回転するように構成された第１ロータセクションと逆の第２方向に回転するように構成された第２ロータセクションとを含む該逆回転ブースタコンプレッサをコアガスタービンエンジンに連結し、第１ロータセクションを単段ファンアセンブリに連結し、第２ロータセクションをギアボックスに連結し、単段ファンアセンブリを低圧タービンに駆動シャフトによって連結し、および低圧タービンがギアボックスを駆動するように、かつギアボックスが第２ロータセクションを駆動するように、駆動シャフトと第２ロータセクションとの間にギアボックスを連結することが含まれる。

本発明をさまざまな特定の実施形態によって説明してきたが、本発明が請求項の精神と範囲内の変更をともなって実行できることは、当業者には明白である。

逆回転ブースタコンプレッサを含む典型的なターボファンエンジンアセンブリの部分断面図である。 図１に示す典型的な逆回転ブースタコンプレッサの拡大断面図である。 図２に示すギアボックスの端面図である。 図２に示すギアボックスの端面図である。

符号の説明

１０ ターボファンエンジンアセンブリ
１１ 長手方向軸線
１２ ファンアセンブリ
１３ コアガスタービンエンジン
１４ 高圧コンプレッサ
１５ ファンフレーム
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタコンプレッサ
２４ ロータディスク
２６ ファンブレード
３１ 第１駆動シャフト
３２ 第２駆動シャフト
３３ 延長駆動シャフト
３４ 第１端部
３６ 第２端部
４０ 回転段
５０ 内側スプール、すなわち第１ロータセクション
５２ ロータ段
５４ 回転ディスク
５６ 回転ディスク
５８ 内側ロータブレード
６０ 外側スプール、すなわち第２ロータセクション
６２ ３つの段
６４ 回転ディスク
６６ 回転ディスク
６８ 回転ディスク
７０ 外側ロータブレード
７２ 第１段
７４ 第５段
８０ コーン
８２ コーン
８４ 第１部分
８６ 第２部分
８８ 第１端部
９０ 第２端部
９２ 第１端部
９４ 第２端部
１００ ギアボックス
１０２ ギア
１１０ 支持構造体
１１２ 第１部分
１１４ 第２部分
１３０ 第１ベアリングアセンブリ
１３２ 内側レース
１３４ 外側レース
１３６ ローラベアリング
１４０ 第２ベアリングアセンブリ
１４２ 内側レース
１４４ 外側レース
１４６ ベアリング部品
１５０ 第３ベアリングアセンブリ
１５２ 内側レース
１５４ 外側レース
１５６ ベアリング部品
１６０ 第４ベアリングアセンブリ
１６２ 内側レース
１６４ 外側レース
１６６ ローラベアリング
２００ ギア歯
２０２ ギア歯
２０６ 内側表面
２０８ ギア歯
２１０ 内側表面
３００ 延長シャフト
３０２ 延長シャフト
３０４ ギア歯
３０６ スプライン
３０８ ギア歯
３１０ スプライン

Claims (8)

1. 高圧コンプレッサ（１４）、前記高圧コンプレッサの下流に配置された燃焼器（１６）、および前記高圧コンプレッサにシャフトで連結された高圧タービン（１８）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連結された逆回転ブースタコンプレッサ（２２）であって、第１方向に回転するように構成された第１ロータセクション（５０）および逆の第２方向に回転するように構成された第２ロータセクション（６０）を含む前記逆回転ブースタコンプレッサ（２２）と、
   前記第１ロータセクションに連結された単段ファンアセンブリ（１２）と、
   低圧タービン（２０）が前記ファンアセンブリ（１２）と前記第１ロータセクション（５０）の双方を駆動するように、前記低圧タービン（２０）と前記ファンアセンブリとの間に連結された駆動シャフト（３２）と、
   前記低圧タービンがギアボックス（１００）を駆動するように、かつ前記ギアボックスが前記第２ロータセクションを駆動するように、前記駆動シャフトと、前記ギアボックスにコーン（８２）を用いて連結された前記第２ロータセクションとの間に連結された前記ギアボックス（１００）と、
   ファンフレーム（１５）と前記ギアボックス（１００）に連結された支持構造体（１１０）と、
   前記ギアボックス（１００）と前記第２ロータセクション（６０）とに連結され、第１端部が前記第２ロータセクションを駆動する前記コーン（８２）とスプライン結合され、かつ第２端部が前記ギアボックスとスプライン結合された第１延長シャフト（３００）と、
   を備えることを特徴とするターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
2. 
   前記ギアボックス（１００）と前記ファンアセンブリ（１２）との間に連結され、第１端部が前記ギアボックス（１００）とスプライン結合され、かつ第２端部が前記駆動シャフト（３２）とスプライン結合された第２延長シャフト（３０２）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
3. 前記ギアボックス（１００）は、前記低圧タービン（２０）の回転速度より異なった回転速度で前記第２ロータセクション（６０）を駆動するように構成された複数のギア（１０２）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
4. 前記コーン（８２）と前記支持構造体（１１０）との間に配置されるように、前記コーンの径方向外側表面に取り付けられた前記第１ローラベアリングアセンブリ（１６０）をさらに備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
5. 第１スラストベアリングアセンブリ（１４０）が、前記ギアボックス（１００）の下流で、前記コーン（８２）と前記支持構造体（１１０）との間に配置されるように、前記コーンの径方向内側表面に取り付けられた前記第１スラストベアリングアセンブリ（１４０）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
6. 前記駆動シャフト（３２）と前記ファンアセンブリ（１２）との間に連結された延長駆動シャフト（３３）と、
   第２スラストベアリングアセンブリ（１５０）が、前記ギアボックス（１００）の下流で、前記支持構造体（１１０）と前記延長駆動シャフトとの間に配置されるように、前記支持構造体の径方向内側表面に取り付けられた前記第２スラストベアリングアセンブリ（１５０）と
   をさらに備えることを特徴とする、請求項４に記載のターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
7. 前記ギアボックス（１００）の上流で、前記延長駆動シャフト（３３）と前記コーン（８２）との間に配置されるように、前記延長駆動シャフトの径方向外側表面に取り付けられた第２ローラベアリングアセンブリ（１３０）をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載のターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
8. 前記ギアボックス（１００）は、実質的に環状断面歯形を有する遊星ギアボックスを備え、前記ギアボックスは、実質的に前記駆動シャフト（３２）に外接することを特徴とする、請求項１に記載のターボファンエンジンアセンブリ（１０）。
   

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