JP5620519B2 - 航空機タービンエンジン用二重反転プロペラシステム - Google Patents

Description

本発明は、航空機タービンエンジン用の二重反転プロペラシステムに関する。

本発明は、航空機タービンエンジン、例えば、ターボジェットエンジンまたはターボプロップに適用される。より詳細には、本発明は、「オープンロータ」を有するタービンエンジンであって、フリーパワータービンが、直接的または間接的に、減速機のような特に遊星歯車機構を含む機械式動力伝達装置によって２つの二重反転プロペラを駆動するタービンエンジンに適用される。したがって、これらの二重反転プロペラシステムでは、プロペラは半径方向外側端部にフェアリングを持たない。

通常は差動減速機である機械式動力伝達装置によってプロペラが駆動される二重反転プロペラシステムを有するタービンエンジンが周知である。この差動減速機は、特有の遊星歯車機構を含み、その太陽歯車はフリーパワータービンのロータによって回転駆動され、その遊星キャリアが第１のプロペラを駆動し、そのリング歯車が第２のプロペラを駆動する。この点に関して、二重反転プロペラを駆動するフリーパワータービンに対する二重反転プロペラの位置に応じて、第１のプロペラは下流側プロペラを成し、第２のプロペラが上流側プロペラを成し、逆の場合もありうることに留意されたい。いずれにせよ、単純な遊星歯車機構とは違い、リング歯車は固定されておらず、可動である。

このような遊星歯車機構では、両方のプロペラが同じ空力トルクを受けることができない。遊星歯車の力学的平衡方程式は、減速機の幾何学的特性に応じて、これらの２つのトルクが必ず定数比を有することを示している。この比率は、必然的に単一比（ｕｎｉｔａｒｙ ｒａｔｉｏ）とは違う。実際に、第１のプロペラに加わるトルクＣ１と第２のプロペラに加わるトルクＣ２との比率は、以下の式で表わされる。

Ｃ１／Ｃ２＝（Ｒ＋１）／（Ｒ−１）
ここで、Ｒは遊星歯車機構によって定義される減速比に相当する。

したがって、１に近いトルク比を得るためには、減速比Ｒを大きくする必要があるが、減速比Ｒは、力学的実現可能性の観点から１０より大きくすることができない。さらに、減速比Ｒの増加は、必然的に減速比の全質量の増加につながり、これはタービンエンジンにとって不利である。

単一比が１でないために、両方のプロペラのうちの一方は他方のプロペラより多くバイパス流の旋回を発生させ、このことは出口流において旋回が残留することにつながり、実質的に推進効率を抑え、意に反してタービンエンジンの音響レベルを大きくしてしまう。実際に、トルクに関して常に最も負荷を受けるのは、遊星キャリアによって駆動される第１のプロペラである。

さらに、両方の連結部のずれが、タービンエンジンを航空機に取り付けるのに使用される手段にかかる応力を増加させるので、結果的に、これらの手段は、加わる過負荷に耐えられるように寸法が大きくなってしまう。

２００８年１２月１９日にＳＮＥＣＭＡ社によって出願された仏国特許出願公開第０８５８８２２号明細書に記載されているように、遊星歯車機構のリング歯車を介してフリーパワータービンの第２のロータによって駆動される第２のプロペラが受けるトルク不足を補うことができるプロペラシステムが周知である。その結果、プロペラシステムを出る時に空気力学的流れが十分にまっすぐになる。また、タービンエンジンを航空機に取り付けるのに使用される手段は、力学的に応力をほとんど受けず、ひいては設置面積や質量の観点からより費用のかからない設計にすることができる。

仏国特許出願公開第０８５８８２２号明細書

タービンエンジンの騒音を抑えるために、エンジンは上流側プロペラと下流側プロペラとの間に十分な間隙を含まなければならず、このことでタービンエンジンの長さが増す。さらに、プロペラが可変設定式ブレードを備える場合、設定システムへのエネルギー（電気または油圧）の供給は遊星歯車機構を通って行われる。したがって、遊星歯車機構のどんな故障も設定システムに影響を及ぼし、飛行中の危険な状態を避けるための特定の設備が必要になる。

上述の欠点の少なくともいくつかを克服するために、本発明は、航空機タービンエンジン用の二重反転プロペラシステムであって、
第１のロータと前記第１のロータに対して反転する第２のロータとを含むフリーパワータービンと、
プロペラシステムの長手方向軸を中心としてこのシステムのステータに対して回転される二重反転プロペラの第１のプロペラおよび第２のプロペラと、
前記長手方向軸と同心のフリーパワータービンの前記第１のロータによって駆動される太陽歯車と、前記太陽歯車と噛み合う遊星歯車と、前記第１のプロペラを駆動する遊星キャリアと、それぞれの遊星歯車と噛み合うリング歯車であって、前記第２のロータによって駆動され前記第２のプロペラを駆動するリング歯車とを含む遊星歯車機構を含む機械式動力伝達装置と
を含む二重反転プロペラシステムに関する。

本発明のシステムは、機械式動力伝達装置が第１のプロペラと第２のプロペラとの間に配設されることを特徴とする。したがって、タービンエンジンの寸法を大幅に小さくすることができる。さらに、プロペラとプロペラとの間に十分な間隙が必要であるので、機械式動力伝達装置の複雑さ、ひいてはコストを抑えるために、機械式動力伝達装置の寸法を大きくすることができる。小型で、あまり複雑でないタービンエンジンが得られる。

本発明によれば、遊星歯車機構の存在によりタービン段の数を半分にすることができ、タービンの平均半径を小さくすることができるので、プロペラシステムの質量を大幅に低減することができる。

第１のプロペラは機械式動力伝達装置に対して下流側に配設され、第２のプロペラは機械式動力伝達装置に対して上流側に配設されるのが好ましい。この配置の結果、遊星歯車機構の構造は最適化され、タービンエンジンは小型になる。

さらに、フリーパワータービンの第１のロータは内側ロータであり、フリーパワータービンの第２のロータは外側ロータであるのが好ましい。

好ましくは、フリーパワータービンは、２スプールタービンエンジンの低圧タービンに相当する。

常に好ましくは、遊星キャリアは第１のプロペラと一体であり、リング歯車は第２のプロペラおよびフリーパワータービンの第２のロータと一体である。

好ましくは、遊星キャリアは、遊星キャリア軸受を介してステータに回転可能に取り付けられ、リング歯車は、リング歯車軸受を介してステータに回転可能に取り付けられる。プロペラのそれぞれはステータによって直接支持されるので、アンバランスや振動の発生を抑えることができる。

好ましくは、それぞれのプロペラは、プロペラブレードのピッチ可変機構を含み、それぞれの可変機構はステータに取り付けられ、機械式動力伝達装置に対して軸方向にシフトされる。ピッチ可変機構は、有利には、ステータに取り付けられて、振動を抑え、ひいては摩耗を抑える。さらに、ピッチ可変機構へのエネルギーの供給は、機械式動力伝達装置から分離されているので、機械式動力伝達装置が故障した場合に、ピッチ可変機構への動力供給に支障をきたすことがない。

好ましくは、遊星歯車機構は、リング歯車と一体のリング歯車軸に取り付けられ、リング歯車軸は、遠心力の影響下で遊星歯車機構から潤滑油を戻すように配置された内側円形溝を含む。したがって、潤滑油はリング歯車軸に向かって遠心力が作用して円形溝で回収され、円形溝は、潤滑油が空気／油熱交換器を通過することを考慮して、潤滑油がエンジンへ戻りやすいようにする。

さらに好ましくは、円形溝は、遊星歯車機構に対して上流側に配置される。潤滑油循環システムは、有利には、遊星歯車機構を通らないので、遊星歯車機構の設計を簡略化することができる。

常に好ましくは、排油口は、遊星歯車機構の下流側に位置する潤滑油を円形溝へ送るために、リング歯車に配置される。

本発明は、上述したような二重反転プロペラシステムを含む航空機用タービンエンジンにも関する。好ましくは、タービンエンジンは、「オープンロータ」型である。

本発明は、添付図面を用いてより良く理解されるであろう。

本発明のプロペラシステムの概略図である。 本発明の好ましい実施形態の航空機用プロペラシステムの長手方向断面図である。 図２のプロペラシステムの拡大図である。 図３のプロペラシステムの拡大図である。 本発明のプロペラシステムの遊星歯車機構の概略断面図である。

一般に、タービンエンジンは、上流側から下流側に向かって、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼室、高圧タービン、そして低圧タービンを含む。以降、用語「上流側」および「下流側」は、ガスのタービンエンジン内での循環に対して定義され、ガスは上流側から下流側に循環する。同様に、本出願において、合意に基づいて、用語「内側」および「外側」は、図１〜図４に示されているエンジンのＸ軸に対して半径方向に定義される。したがって、エンジン軸に沿って延びるシリンダは、エンジン軸に向けられる内側面と、内側面の反対側の外側面とを備える。

低圧圧縮機と低圧タービンとは低圧軸によって機械的に接続されて低圧スプールを形成し、高圧圧縮機と高圧タービンとは高圧軸によって機械的に接続されて高圧スプールを形成する。タービンエンジンは、２スプールエンジンと呼ばれる。

図１を参照すると、本発明の航空機タービンエンジン用二重反転プロペラシステム１は、第１のロータ３１および前記第１のロータ３１に対して反転する第２のロータ３２を含むフリーパワータービンン３０と、タービンエンジンのＸ軸と合致するプロペラシステムの軸を中心としてタービンエンジンのケーシング３３に対して回転する二重反転プロペラの第１のプロペラ１１および第２のプロペラ１２とを備える。

図５を参照すると、システム１は減速機を成す遊星歯車機構２０という形の機械式動力伝達装置を備え、遊星歯車機構２０は、前記長手方向Ｘ軸と同心のフリーパワータービンの前記第１のロータ３１によって駆動される太陽歯車４０と、前記太陽歯車４０と噛み合う遊星歯車５０と、前記第１のプロペラ１１を駆動する遊星キャリア５１と、前記第２のロータ３２によって駆動され、それぞれの遊星歯車５０と噛み合って前記第２のプロペラ１２を駆動するリング歯車６０とを備え、機械式動力伝達装置は、第１のプロペラ１１と第２のプロペラ１２との間に配置される。

図１を参照すると、第１のプロペラ１１は遊星歯車機構２０に対して下流側に取り付けられ、第２のプロペラ１２は上流側に取り付けられる。上流側プロペラ１２と下流側プロペラ１１との間にあるプロペラ間の間隙は、タービンエンジンのフリーパワータービン３０を収容するのに使用されるので、有利には、タービンエンジンの長さを短くすることができ、ひいてはタービンエンジンの設置面積を小さくすることができる。

２００８年１２月１９日にＳＮＥＣＭＡ社によって出願された仏国特許出願公開第０８５８８２２号明細書では二重反転プロペラシステムは低圧タービンに対して下流側に位置するが、それとは異なり、この場合、プロペラシステム１はタービンエンジンのさらに上流側に組み込まれる。

図１を参照すると、フリーパワータービンに相当する低圧タービン３０は、低圧タービンの内側ロータを構成する第１のロータ３１と、このタービンの外側ロータを構成する第２のロータ３２であって、当業者には「外側ドラム」としても周知である第２のロータ３２とを含む。図１では、低圧タービン３０は、「出口ケーシング」として当業者に周知のタービンエンジンのステータ３３に取り付けられている。出口ケーシング３３は、本発明のプロペラシステムのステータ部を形成し、タービンエンジンのＸ軸と同心である。出口ケーシング３３は、軸方向に、また低圧タービン３０に対して内側に延在する。

下流側プロペラと呼ばれる第１のプロペラ１１および上流側プロペラと呼ばれる第２のプロペラ１２は、それぞれ外側に延在する半径方向ブレードを備えるホイールの形である。この例では、プロペラシステム１は、図に示されるように、プロペラを囲む半径方向のフェアリングが無い構造であり、タービンエンジンは「オープンロータ」型エンジンである。

図２を参照すると、プロペラ１１、１２は互いに軸方向にシフトされ、遊星歯車機構２０がその間に取り付けられている。すなわち、タービンエンジンは軸方向に、上流側から下流側に向かって、上流側プロペラ１２、遊星歯車機構２０、そして下流側プロペラ１１を含む。プロペラ１１、１２は共に、同心のタービンエンジンのＸ軸を中心として反対方向に回転する構造であり、回転は固定状態のケーシング３３に対して行われる。プロペラ１１、１２は共に、遊星歯車機構２０によって駆動される。

図５を参照すると、遊星歯車機構２０の太陽歯車４０は、外側面が歯付きでタービンエンジンのＸ軸と同心のホイールの形である。図３および図４を参照すると、太陽歯車４０は、タービンエンジンのＸ軸に沿って延びる長手方向の遊星軸４１と下流側で接続される。

遊星軸４１は、テーパフランジ４２によって第１のロータ３１と回転可能に一体となる。燃焼室からのガスがタービンエンジンの低圧タービンを通る時に、第１のロータ３１が直接太陽歯車４０を回転駆動する。

図５を参照すると、遊星歯車機構２０の遊星歯車５０は、歯付き外側面が太陽歯車４０の歯付き外側面と噛み合うホイールの形である。それぞれの遊星歯車５０は、タービンエンジンのＸ軸に対してずれた軸を有する遊星軸５１によって担持される。遊星歯車機構２０は、タービンエンジンのＸ軸と同心の遊星軸５１を介して遊星歯車５０を回転可能に担持する遊星キャリア５２を備える。遊星キャリア５２は、遊星軸４１と同軸である長手方向軸の形であり、遊星軸４１は軸受７５、７６を介して遊星キャリア５２の外側に回転可能に取り付けられる。この軸受７５、７６は、以降、遊星軸受７５、７６とする。

遊星軸４１は、遊星軸受７５、７６および遊星キャリア５２を収容するために比較的大きな直径を有する。したがって、図５に示されるような太陽歯車４０とリング歯車６０との間に、より多くの小さいサイズの遊星歯車５０（この場合、１２個）を備えることが可能である。このようにして得られた遊星歯車機構２０は、先行技術の遊星歯車機構に比べて、全体寸法が低減され、質量が小さくなるので減速比が小さくなる。

先行技術のエンジンでは、低減速比（約４）は、上流側プロペラに対するトルクと下流側プロペラに対するトルクとのアンバランスを引き起こすことになる。本発明によれば、第２のロータは、有利には、以下で詳述するように、このトルク不足を補償する。

図１および図２に示されるように、遊星キャリア５２は、第１のプロペラ１１を直接回転駆動するために、遊星歯車機構２０に対して下流側の第１のプロペラ１１と一体になる。図３を参照すると、遊星キャリア５２は、タービンエンジンのケーシング３３に対して遊星キャリア軸受７３、７４によって支持される。下流側プロペラ１１がケーシング３３に対して直接支持されるので、タービンエンジンが取り付けられている航空機の乗客が感じることができるアンバランスや振動の発生を抑えることができる。

さらに図５を参照すると、遊星歯車機構２０のリング歯車６０は、タービンエンジンに向かって半径方向内側に突出歯を含む軸方向シリンダの形である。リング歯車６０は、タービンエンジンのＸ軸と同心であり、同じ軸を有するリング歯車軸６１によって担持され、リング歯車６０は、図５に示されるように、遊星歯車５０と内側で噛み合う。

リング歯車軸６１は、遊星歯車機構２０から上流側に延び、第２のプロペラ１２を直接回転駆動するために第２のプロペラ１２と一体になる。図４を参照すると、リング歯車軸６１は遊星歯車機構２０に対して上流側に延び、遊星キャリア軸５２は遊星歯車機構２０に対して下流側に延びる。したがって、下流側プロペラ１１および上流側プロペラ１２は、遊星歯車機構２０の両側に位置する。リング歯車軸６１は、リング歯車軸受７１、７２を介して、タービンエンジンのケーシング３３に対して外側に、回転可能に取り付けられる。

リング歯車軸６１は、フランジを使用して第２のロータ３２と一体になる。したがって、動力の一部は、遊星歯車機構２０を通過せずに、直接第２のロータ３２から上流側プロペラ１２に伝達される。

したがって、第２のロータ３２は、リング歯車３１の駆動、ひいては上流側プロペラ１２の駆動に直接寄与する。タービンエンジンのより良い効率を得るために、下流側プロペラ１１に伝達されるトルクと上流側プロペラ１２に伝達されるトルクとの単一比が得られる。

図１を参照すると、それぞれのプロペラは、ブレードのピッチ可変機構を備える。好ましくは、それぞれのシステムは、それぞれのプロペラの下に配置された空洞に収容される。それぞれの機構（電気機構または油圧機構）への動力供給は、出口ケーシング３３の下流側に向かって突出する突出部によって行われる。遊星歯車機構２０は、プロペラ１１、１２のピッチ可変機構７０に対して軸方向にシフトされる。したがって、遊星歯車機構２０が故障した場合または遊星歯車機構２０が過熱状態になった場合に、プロペラのピッチ可変機構に悪い影響を与えることはない。

かなりの動力が減速機によって伝達されると、前記減速機から大量の熱を放熱する必要がある。そのために、潤滑油回路が減速機を冷却することができ、その潤滑油の流量は約５０００Ｌ／ｈである。

減速機をエンジンの上流側に移動するのに伴って、減速機の潤滑油回路を変更する必要がある。先行技術では、潤滑油回路は減速機の遊星キャリアを通過し、このことが欠点であった。

図３および図４を参照すると、減速機は、潤滑油に浸漬された回転リング歯車軸６１内に収容される。その後、減速機の潤滑油は、リング歯車軸６１の内側面に対する遠心力の影響下で抜き取られる。つまり、潤滑油には「遠心力が作用」する。

潤滑油の回収を容易にするために、円形回収溝６２がリング歯車軸６１に設けられ、溝６２は、エンジンの軸に対して横方向に延び、リング歯車軸６１の内側面にある遊星歯車機構２０に対して上流側に配置される。溝６２は内側に向けられた半径方向開口部を有する。

減速機に対して下流側に位置する潤滑油を回収溝６２に届けられるように、排油口６４がリング歯車６０に配置される。さらに図４を参照すると、排油口６４は、リング歯車６０内へと延びてリング歯車６０から貫通して、減速機に対して下流側に位置するリング歯車軸６１の容積を上流側に位置するリング歯車軸６１の容積と連通するようになる。排油口６４は、この場合、エンジンに対して内側に上流側から下流側に向かって斜めに延びて、遠心力の影響下で上流側容積の方へと潤滑油が循環するのを容易にする。

潤滑油の回収を容易にするために、円形溝６２はリング歯車軸６１の環状カップに配置され、環状カップは上流側から下流側に向かって外側に延びる上流側傾斜スロープ６２ａと、上流側から下流側に向かって内側に延びる下流側傾斜スロープ２６ｂとを画定する。したがって、潤滑油は傾斜スロープ６２ａ、６２ｂによって案内されて、円形溝６２内に回収される。潤滑油は、上流側から下流側に向かって出口ケーシング３３へと長手方向に延び、出口ケーシング３３を半径方向に円形溝６２までまっすぐに横断して前記円形溝６２につながる複数の管６３によって確実に戻される。管６３の端部は、この場合は開口し、接線方向に向けられ、すなわち、半径方向に対して垂直に向けられて、リング歯車軸６１の回転時に、円形溝６２に回収された潤滑油が管６３に抜き取られるようにする。この場合、３本の管６３により円形溝６２にある潤滑油を抜き取ることができる。

潤滑油は、回収された後、管６３によってエンジンに対して上流側に送られ、空気／油熱交換器の方に向けられる。空気／油熱交換器は、エンジンの補助機器がある場合に取り付けられるのが好ましい。有利には、動力の一部（約２０％）は、遊星歯車機構２０を通過せずに、直接第２のロータ３２から上流側プロペラ１２に伝達されるので、この場合、減速機内で発生する熱は先行技術のエンジンに比べて少ない。このことにより、有利には、遊星歯車機構２０を冷却するための潤滑油の流量を低減することができ、その結果、空気／油熱交換器の寸法ひいてはその抵抗を抑えることができる。

Claims (10)

1. 第１のロータ（３１）と前記第１のロータ（３１）に対して反転する第２のロータ（３２）とを含むフリーパワータービン（３０）と、
   プロペラシステム（１）の長手方向軸（Ｘ）を中心としてこのシステムのステータ（３３）に対して回転される二重反転プロペラの第１のプロペラ（１１）および第２のプロペラ（１２）と、
   機械式動力伝達装置であって、
   ｉ．前記長手方向軸（Ｘ）と同心であり、フリーパワータービン（３０）の前記第１のロータ（３１）によって駆動される太陽歯車（４０）、
   ｉｉ．前記太陽歯車（４０）と噛み合う遊星歯車（５０）、
   ｉｉｉ．前記第１のプロペラ（１１）を駆動する遊星キャリア（５１）、および
   ｉｖ．それぞれの遊星歯車（５０）と噛み合うリング歯車（６０）であって、前記第２のロータ（３２）によって駆動され前記第２のプロペラ（１２）を駆動するリング歯車（６０）を含む遊星歯車機構（２０）を含む機械式動力伝達装置と
   を含む、航空機タービンエンジン用二重反転プロペラシステム（１）であって、
   機械式動力伝達装置は、第１のプロペラ（１１）と第２のプロペラ（１２）との間に配置されることを特徴とする、システム。
2. 第１のプロペラ（１１）が、機械式動力伝達装置に対して下流側に配設され、第２のプロペラ（１２）は、機械式動力伝達装置に対して上流側に配設される、請求項１に記載のシステム。
3. フリーパワータービン（３０）の第１のロータ（３１）が内側ロータであり、フリーパワータービン（３０）の第２のロータ（３２）は外側ロータである、請求項１および請求項２の一項に記載のシステム。
4. 遊星キャリア（５２）が、前記第１のプロペラ（１１）と一体であり、前記リング歯車（６０）は、前記第２のプロペラ（１２）およびフリーパワータービンの前記第２のロータ（３２）と一体である、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 遊星キャリア（５２）が、遊星キャリア軸受（７３、７４）を介してステータ（３３）に回転可能に取り付けられ、リング歯車（６０）は、リング歯車軸受（７１、７２）を介してステータ（３３）に回転可能に取り付けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 遊星歯車機構（２０）が、リング歯車（６０）と一体のリング歯車軸（６１）に取り付けられ、リング歯車軸（６１）は、遠心力の影響下で遊星歯車機構（２０）から潤滑油を戻すように配置された内側円形溝（６２）を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 円形溝（６２）が、遊星歯車機構（２０）に対して上流側に配置される、請求項６に記載のシステム。
8. 排油口（６４）が、遊星歯車機構（２０）の下流側に位置する潤滑油を円形溝（６２）へ送るためにリング歯車（６０）に配置される、請求項７に記載のシステム。
9. 請求項１から８に記載の二重反転プロペラシステム（１）を含む航空機用タービンエンジン。
10. 「オープンロータ」型であることを特徴とする、請求項９に記載のタービンエンジン。

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