(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンの性能をさらに改善する。【解決手段】本開示の例示的な形態によるガスタービンエンジンは、特に、軸を中心に回転可能なファン（３６）を含むファン部と、ファン（３６）と接続された減速装置（５０）と、を含む。減速装置（５０）は、遊星歯車比が少なくとも２．５のファン駆動遊星歯車装置を含む。ファン（３６）のファンブレード先端速度は、１４００ｆｐｓより小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を中心に回転可能なファンを含み、ファンのファンブレード先端速度が１４００ｆｐｓより小さいファン部と、
ファンと接続されているとともに、遊星歯車比が少なくとも２．５のファン駆動遊星歯車装置を含む減速装置と、
減速装置と接続されているとともに、３つの段または４つの段を含む低圧タービン部と、を有し、バイパス比が約１１．０〜２２．０であることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
遊星歯車比が、５．０以下であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
ファン圧力比が１．７より小さいことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
ファン圧力比が１．４８より小さいことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
遊星装置は、太陽歯車、複数の遊星歯車、内歯車およびキャリアを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
複数の遊星歯車は、それぞれ少なくとも１つの軸受を含むことを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
内歯車は、回転しないように固定されていることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
低圧タービンは、太陽歯車に機械的に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
ファン部は、キャリアに機械的に取り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
減速装置の入力は第１の方向に回転可能であり、減速装置の出力は同じ第１の方向に回転可能であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
ファンのファンブレード先端速度は、１０００ｆｐｓより大きいことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
ガスタービンエンジンの性能改善方法であって、
ファン部の少なくとも１つのファンブレードについてファン先端速度境界条件を求め、
低圧タービンのロータについてロータ境界条件を求め、
低圧タービンのロータおよび前記少なくとも１つのファンブレードの応力レベルの制約を利用して、ファン部と低圧タービンの回転速度が所望の数の運転サイクルを満たすことができるかを判断することを含み、
バイパス比が約６．０より大きいことを特徴とするガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項１３】
減速装置がファン部と低圧タービンを接続するとともに、少なくとも約２．５でかつ約５．０を超えない遊星歯車比を有することを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項１４】
ファン圧力比が１．７より小さいことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項１５】
ファン圧力比が１．４８より小さいことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項１６】
バイパス比が約１．１より大きいことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのファンブレードのファンブレード先端速度が１４００ｆｐｓより小さいことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項１８】
ロータまたは前記少なくとも１つのファンブレードの応力レベルが所望の数の運転サイクルを満たすには高すぎる場合に、歯車減速装置の遊星歯車比を下げるとともに、低圧タービンの段数を増加させることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項１９】
ロータまたは前記少なくとも１つのファンブレードの応力レベルが所望の数の運転サイクルを満たすには高すぎる場合に、歯車減速装置の遊星歯車比を下げるとともに、低圧タービンの環状面積を増加させることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジンの性能改善方法。
【請求項２０】
軸を中心に回転可能なファンを含むファン部と、
ファンと接続されているとともに、遊星歯車比が少なくとも２．５である駆動遊星歯車装置を含む減速装置と、
約１１．０〜２２．０のバイパス比と、を有し、
ファンのファンブレード先端速度が１４００ｆｐｓより小さいことを特徴とするガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンのファン駆動歯車装置の歯車比の設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、ファン部、圧縮機部、燃焼器部、およびタービン部を含みうる。圧縮機部に入る空気は、圧縮されて燃焼器部に送られ、ここで高速の排気ガス流れを発生させるように燃料と混合されて燃焼される。高速の排気ガス流れは、タービン部を通って膨張して圧縮機部とファン部を駆動する。他の変形例には、圧縮機部が低圧圧縮機および高圧圧縮機を含み、タービン部が低圧タービンおよび高圧タービンを含むものがある。
【０００３】
典型的に、高圧タービンが外側シャフトを介して高圧圧縮機を駆動して高速スプールを構成し、低圧タービンが内側シャフトを介して低圧圧縮機を駆動して低速スプールを構成する。ファン部も、内側シャフトによって駆動することができる。直接駆動のガスタービンエンジンは、低圧圧縮機、低圧タービンおよびファン部が共通の速度でかつ共通の方向に回転するように、低速スプールによって駆動されるファン部を含みうる。
【０００４】
ファン部がタービン部とは異なる速度で回転するように、ファン駆動歯車装置または他の機構とすることができる減速装置をファン部の駆動に使用してもよい。これにより、エンジンの推進効率が全体として向上する。このようなエンジン設計では、タービン部とファン部の両方が最適な速度により近い速度で回転するように、一方のタービン部によって駆動されるシャフトが減速した速度でファン部を駆動する減速装置に入力を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
変速機構を利用するガスタービンエンジンは、従来のエンジンに関連して推進効率を改善することが一般に知られているが、ガスタービンエンジンの製造業者は熱効率、移動効率および推進効率を含むエンジン性能をさらに改善しようと努めている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の例示的な形態によるガスタービンエンジンは、特に、軸を中心に回転可能なファンを含むファン部と、ファンと接続された減速装置と、を含む。減速装置は、遊星歯車比が少なくとも２．５のファン駆動遊星歯車装置を含む。ファンのファンブレード先端速度は、１４００ｆｐｓより小さい。
【０００７】
上述のガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、歯車比が５．０以下である。
【０００８】
上述のどちらかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、ファン圧力比が１．７より小さい。
【０００９】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、ファン圧力比が１．４８より小さい。
【００１０】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、バイパス比が約６．０より大きい。
【００１１】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、バイパス比が約１１．０〜２２．０である。
【００１２】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、遊星装置は太陽歯車、複数の遊星歯車、内歯車およびキャリアを含む。
【００１３】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、複数の遊星歯車はそれぞれ少なくとも１つの軸受を含む。
【００１４】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、内歯車が回転しないように固定されている。
【００１５】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、低圧タービンが太陽歯車に機械的に取り付けられている。
【００１６】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、ファン部がキャリアに機械的に取り付けられている。
【００１７】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、減速装置の入力は第１の方向で回転可能であり、減速装置の出力は同じ第１の方向で回転可能である。
【００１８】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、低圧タービン部が減速装置と接続されている。低圧タービン部は、少なくとも３つの段を含み、かつ４段を超えない。
【００１９】
上述のいずれかのガスタービンエンジンの他の限定的でない実施例では、ファンのファンブレード先端速度が１０００ｆｐｓより大きい。
【００２０】
本開示の他の例示的な形態によるガスタービンエンジンの性能改善方法は、特に、ファン部の少なくとも１つのファンブレードについてファン先端速度境界条件を求めるとともに、低圧タービンのロータのロータ境界条件を求めることを含む。低圧タービンのロータおよび上記少なくとも１つのファンブレードにおいて、応力レベルの制約を利用して、ファン部および低圧タービンの回転速度が所望の数の運転サイクルを満たすかどうかを判断する。バイパス比は、約６．０より大きい。
【００２１】
上述の方法の他の限定的でない実施例では、減速装置がファン部と低圧タービンを接続し、少なくとも約２．５でかつ約５．０を超えない遊星歯車比を有する。
【００２２】
上述のどちらかの方法の他の限定的でない実施例では、ファン圧力比が１．７より小さい。
【００２３】
上述のいずれかの方法の限定的でない実施例では、ファン圧力比が１．４８より小さい。
【００２４】
上述のいずれかの方法の限定的でない実施例では、バイパス比が約１１より大きい。
【００２５】
上述のいずれかの方法の限定的でない実施例では、上記少なくとも１つのファンブレードのファンブレード先端速度が１４００ｆｐｓより小さい。
【００２６】
上述のいずれかの方法の限定的でない実施例では、ロータまたは上記少なくとも１つのファンブレードにおける応力レベルが所望の数の運転サイクルを満たすには高すぎる場合に、歯車減速装置の歯車比を下げるとともに、低圧タービンの段数を増加させる。
【００２７】
上述のいずれかの方法の限定的でない実施例では、ロータまたは上記少なくとも１つのファンブレードの応力レベルが所望の数の運転サイクルを満たすには高すぎる場合に、歯車減速装置の歯車比を下げるとともに、低圧タービンの環状面積を増加させる。
【００２８】
本開示の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明によって当業者に明らかになる。詳細な説明に付随する図面について、以下に簡単に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】ガスタービンエンジンに組み込むことができる低速スプールの一形態の概略図である。
【図３】ガスタービンエンジンに組み込むことができるファン駆動歯車装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、ガスタービンエンジン２０を概略的に示している。例示的なガスタービンエンジン２０は、一般にファン部２２、圧縮機部２４、燃焼器部２６およびタービン部２８を含む２軸ターボファンエンジンである。別のエンジンは、他の装置や特徴部の中で特にオーグメンタ部（図示省略）を含みうる。ファン部２２は、バイパス流路Ｂに沿って空気を動かし、圧縮機部２４は、空気を圧縮して燃焼器部２６に導くようにコア流路Ｃに沿って空気を動かす。燃焼器部２６で発生する高温の燃焼ガスは、タービン部２８を通して膨張する。開示された限定的でない実施例では、２軸ターボファンガスタービンエンジンとして示しているが、本明細書で説明する概念は２軸ターボファンエンジンに限定されるものではなく、これらの教示は、３軸エンジン設計を含むがこれに限定されない他の種類のエンジンにも及ぶ。
【００３１】
例示的なガスタービンエンジン２０は、エンジンの長手方向中心軸Ａを中心に回転するように取り付けられた低速スプール３０と高速スプール３２を一般に含む。低速スプール３０と高速スプール３２は、複数の軸受装置３１によってエンジンの静止構造体３３に対して取り付けることができる。他の軸受装置３１を代わりにあるいは追加で設けることができ、軸受装置３１の位置は応用例に応じて変更可能である。
【００３２】
低速スプール３０は、一般に、ファン３６、低圧圧縮機３８および低圧タービン３９を相互に接続する内側シャフト３４を含む。内側シャフト３４は、例示的なガスタービンエンジン２０では、ファン駆動歯車装置５０（図２，図３参照）などのギア付き構造体４５として示した変速機構を介してファン３６に接続することができる。変速機構は、低速スプール３０よりも低速でファン３６を駆動する。高速スプール３２は、高圧圧縮機３７と高圧タービン４０を相互に接続する外側シャフト３５を含む。この実施例では、内側シャフト３４と外側シャフト３５は、種々の軸方向位置においてエンジン静止構造体３３内に配置された軸受装置３１によって支持されている。
【００３３】
例示的なガスタービンエンジン２０では、高圧圧縮機３７と高圧タービン４０の間に燃焼器４２が配置されている。高圧タービン４０と低圧タービン３９のほぼ中間に中間タービンフレーム４４を設けることができる。中間タービンフレーム４４は、タービン部２８の１つまたは複数の軸受装置３１を支持しうる。中間タービンフレーム４４は、コア流路Ｃ内に延びる１つまたは複数のエアフォイル４６を含むことができる。ファン部２２、圧縮機部２４、燃焼器部２６、タービン部２８およびファン駆動歯車装置５０の各々の位置は変更可能である。例えば、歯車装置５０は、燃焼器部２６の後方、さらにタービン部２８の後方に設けてもよく、ファン部２２は歯車装置５０の位置の前方または後方に設けてもよい。
【００３４】
内側シャフト３４と外側シャフト３５は同軸であり、これらのシャフトの長手方向軸と同一線上にあるエンジンの長手方向中心軸Ａを中心に軸受装置３１を介して回転する。コア空気流は、低圧圧縮機３８と高圧圧縮機３７によって圧縮され、燃焼器４２で燃料と混合されて燃焼され、高圧タービン４０および低圧タービン３９にわたって膨張する。高圧タービン４０と低圧タービン３９は、膨張に応じて対応する高速スプール３２と低速スプール３０を回転駆動する。
【００３５】
限定的でない実施例では、ガスタービンエンジン２０は高バイパスギア付き航空機エンジンである。別の例では、ガスタービンエンジン２０のバイパス比は、約６（６：１）より大きい。ギア付き構造体４５は、遊星歯車装置、星形歯車装置、または他の歯車装置などのエピサイクリック歯車列を含みうる。ギア付き構造体４５は、低速スプール３０のより高速での動作を可能にし、これにより、低圧圧縮機３８と低圧タービンの動作効率が向上し、比較的少ない段数でより高い圧力を得ることが可能になる。
【００３６】
低圧タービン３９の圧力比は、低圧タービン３９の出口でかつガスタービンエンジン２０の排気ノズルの前方の圧力に対する低圧タービン３９の入口の前方で測定した圧力とすることができる。限定的でない一実施例では、ガスタービンエンジン２０のバイパス比は、約１０（１０：１）より大きく、ファンの直径は、低圧圧縮機３８の直径よりかなり大きく、低圧タービン３９は、約５（５：１）より大きい圧力比を有する。他の限定的でない実施例では、バイパス比は１１より大きく、かつ２２より小さく、または１３より大きく、かつ２０より小さい。しかし、上述のパラメータは、変速機構を使用するギア付き設計のエンジンまたは他のエンジンにおける例示的なものであり、本開示は直接駆動ターボファンを含む他のガスタービンエンジンにも適用可能である。限定的でない一実施例では、低圧タービン３９は、少なくとも１つの段を含み、８段を超えず、または少なくとも３つの段を含み、６段を超えない。他の限定的でない実施例では、低圧タービン３９は、少なくとも３つの段を含み、４段を超えない。
【００３７】
この例示的なガスタービンエンジン２０の実施例では、高バイパス比のためにバイパス流路Ｂによってかなりの量の推力が提供される。ガスタービンエンジン２０のファン部２２は、特定の飛行条件、典型的には約０．８マッハおよび３５，０００フィートの巡航に対して設計されている。この飛行条件は、ガスタービンエンジン２０の燃費が最大であり、バケット巡航とも呼ばれている。推力当たり燃料消費率（ＴＳＦＣ）は、推力単位当たりの燃料消費の業界標準パラメータである。
【００３８】
ファン圧力比は、ファン出口ガイドベーン装置を含まないファン部２２のブレードにわたる圧力比である。例示的なガスタービンエンジン２０の限定的でない一実施例では、低ファン圧力比は１．４５より小さい。例示的なガスタービンエンジン２０の他の限定的でない実施例では、ファン圧力比は１．３８より小さく、１．２５より大きい。他の限定的でない実施例では、ファン圧力比は１．４８より小さい。また他の限定的でない実施例では、ファン圧力比は１．５２より小さい。さらに他の限定的でない実施例では、ファン圧力比は１．７より小さい。ファン先端低補正速度（Ｌｏｗ  Ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ  Ｆａｎ  Ｔｉｐ  Ｓｐｅｅｄ）は、実際のファン先端速度を業界標準温度補正値［（Ｔｒａｍ°Ｒ）／（５１８．７°Ｒ）］0.5で割ったものであり、ここでＴは大気温度をランキン温度で示すものである。例示的なガスタービンエンジン２０の限定的でない一実施例では、ファン先端低補正速度は約１１５０ｆｐｓ（３５１ｍ／ｓ）より小さい。例示的なガスタービンエンジン２０の他の限定的でない実施例では、ファン先端低補正速度は約１４００ｆｐｓ（４２７ｍ／ｓ）より小さい。例示的なガスタービンエンジン２０のまた他の限定的でない実施例では、ファン先端低補正速度は約１０００ｆｐｓ（３０５ｍ／ｓ）より大きい。
【００３９】
図２は、ガスタービンエンジン２０の低速スプール３０を概略的に示している。低速スプール３０は、ファン３６、低圧圧縮機３８および低圧タービン３９を含む。内側シャフト３４は、ファン３６、低圧圧縮機３８および低圧タービン３９を相互に接続する。内側シャフト３４は、ファン駆動歯車装置５０を介してファン３６に接続されている。この実施例では、ファン駆動歯車装置５０は、低圧タービン３９と共にファン３６を回転させる。例えば、ファン３６は第１の方向Ｄ１に回転し、低圧タービン３９はファン３６と同じ第１方向Ｄ１に回転する。
【００４０】
図３は、低圧タービン３９と共にファン３６を回転させるためにガスタービンエンジン２０に組み込まれたファン駆動歯車装置５０の例示的な一実施例を示している。この実施例では、ファン駆動歯車装置５０は、太陽歯車５２、太陽歯車５２の周りに配置された固定内歯車５４および太陽歯車５２と内歯車５４の間に配置され、ジャーナル軸受５７を有する複数の遊星歯車５６を備える遊星歯車装置を含む。キャリア５８が各々の遊星歯車５６に連結されており、これらを支持する。この実施例では、固定内歯車５４は、回転せず、ガスタービンエンジン２０の基礎構造体に連結されている。
【００４１】
太陽歯車５２は、低圧タービン３９（図２参照）から入力を受けて第１の方向Ｄ１に回転し、これにより、複数の遊星歯車５６を第１の方向Ｄ１とは反対の第２の方向Ｄ２に回転させる。複数の遊星歯車５６の運動は、第１の方向Ｄ１に回転するキャリア５８に伝達される。キャリア５８は、ファン３６（図２参照）を第１の方向Ｄ１で回転させるようにファン３６と連結されている。
【００４２】
ファン駆動歯車装置５０の遊星装置歯車比は、内歯車５４の直径を測定し、この直径を太陽歯車の直径で割り、商に１を足すことによって求められる。一実施例では、ファン駆動歯車装置５０の遊星装置歯車比は、２．５〜５．０である。遊星装置歯車比が２．５より小さい場合には、太陽歯車５２が遊星歯車５６に対して相対的にかなり大きくなる。この寸法の差により、ジャーナル軸受５７の寸法が減少するために遊星歯車５６が支持できる荷重が減少する。装置の歯車比が５．０より大きい場合には、太陽歯車５２が遊星歯車に対して相対的にかなり小さくなる。この寸法の差により、遊星歯車５６のジャーナル軸受５７の寸法が増加するが、太陽歯車５２の寸法および歯数が減少するために太陽歯車５２が支持できる荷重が減少する。ジャーナル軸受５７の代わりにローラ軸受を使用することもできる。
【００４３】
ガスタービンエンジン２０の性能の改善は、ファンブレードの先端速度を得るためにファン３６の少なくとも１つのファンブレードのファン先端速度境界条件を求めることから始まる。最大ファン直径は、エンジン効率、バイパス流路Ｂを通る空気の質量流量およびファンブレードの寸法によるエンジン重量の増加を釣り合わせることによって得られる予測燃焼燃料に基づいて決定される。
【００４４】
続いて、低圧タービン３９および低圧圧縮機３８の効率に基づいて、ロータ先端速度を得るとともにロータの寸法および低圧タービン３９の段数を得るために、低圧タービン３９の各々の段のロータ境界条件が求められる。
【００４５】
ロータおよびファンブレードの応力レベルに関する制約が、ファン３６および低圧タービン３９の回転速度が所望の数の運転ライフサイクルを満たすかどうかを判断するために利用される。ロータまたはファンブレードにおける応力レベルが高すぎる場合には、ファン駆動歯車装置５０の歯車比を下げるとともに、低圧タービン３９の段数または低圧タービン３９の環状面積を増加させることができる。
【００４６】
特定のコンポーネントを有する限定的でない種々の実施例を示したが、本開示の実施例はこのような特定の組み合わせに限定されるものではない。限定的でないいずれかの実施例のいくつかのコンポーネントや特徴部を他の限定的でない実施例の特徴部やコンポーネントと組み合わせて使用することができる。
【００４７】
全図を通して、同じ参照符号は対応するまたは同様の要素を示している。また、これらの例示的な実施例では、特定のコンポーネントの構成が開示および図示されているが、他の構成も本開示の教示の恩恵を受けることができる。
【００４８】
上述の説明は、例示的なものであり、限定的なものではない。当業者には、特定の変更も本開示の範囲内に含まれることが理解されよう。よって、本開示の真の範囲および内容を判断するためには以下の請求項の検討が必要である。
【符号の説明】
【００４９】
３０…低速スプール
３４…内側シャフト
３６…ファン
３８…低圧圧縮機
３９…低圧タービン
５０…ファン駆動歯車装置
【図１】
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【図２】
2014152778.tif 000004
【図３】
2014152778.tif 000005