(57)【要約】【課題】熱伝達および推進効率の向上を含むエンジン性能についてさらに向上されたガスタービンエンジンが提供される。【解決手段】ガスタービンエンジン２０用のファン駆動ギアシステム７０は、ファン駆動タービン４６とファン４２の間にある減速器を提供するギアシステム４８と、ギアシステム４８の一部を可撓式に支持するマウント７６と、を備える。ファン駆動ギアシステム７０を支持する潤滑システム９８が、潤滑剤をギアシステム４８に供給しかつギアシステム４８によって生成される熱エネルギーを除去する。潤滑システム９８は、ギアシステム４８内への動力入力の約２％未満に等しいエネルギーを除去する能力を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線周りに回転可能な複数のファンブレードを備えるファンと、
圧縮機セクションと、
圧縮機セクションと流体連通する燃焼器と、
燃焼器と連通するファン駆動タービンであって、第１の出口位置に第１の出口面積を有しており、第１の速度で回転するように構成されたファン駆動タービンと、
第２の出口位置に第２の出口面積を備えており、第１の速度より速い第２の速度で回転するように構成された第２のタービンセクションであって、第１の性能量が、第１の速度の二乗と第１の面積との積として定義され、第２の性能量が、第２の速度の二乗と第２の面積との積として定義され、第２の性能量に対する第１の性能量の比が、約０．５〜約１．５である、第２のタービンセクションと、
ファン駆動タービンとファンの間にある減速器を提供するように、かつ、約９８％より高くかつ１００％より低い効率でファン駆動タービンからファンへシャフト動力入力を伝達するように、構成されたギアシステムと、
ギアシステムの一部を可撓式に支持するマウントであって、ギアシステムと静止構造との間の少なくとも径方向の動きを吸収するように、エンジンの静止構造から延在するマウントと、
潤滑剤をギアシステムに供給するように、かつ、熱エネルギーをギアシステムから除去するように、構成された潤滑システムと、
を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
潤滑システムは、ガスタービンエンジンの作動中に、ギアシステム内へのエネルギー入力の約２％より小さくかつ０より大きいエネルギーの量を除去する能力を有することを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
ファンは、空気の一部をバイパスダクト内へ供給し、バイパス比が、バイパスダクト内へ供給される空気の部分を圧縮機セクション内へ供給される空気の量で割ったものとして定義され、バイパス比は、約６．０より大きいことを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
マウントは、不均衡状態に応答してギアシステムの動きを制限する荷重制限器を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
バイパス比は、約１０．０より大きいことを特徴とする請求項３記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
比は、約０．８に等しいかそれより大きいことを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
ファン駆動タービンに亘る圧力比は、約５：１より大きいことを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
ガスタービンエンジンによって提供される、ファン駆動タービンと第２のタービンとの組み合わされた体積に対する海面レベル離陸均一化静止推力の比であって、約１．５ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きくかつ約５．５ポンド力／インチ3に等しいかそれより小さい比を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
軸線周りに回転可能な複数のファンブレードを備えるファンと、
圧縮機セクションと、
圧縮機セクションと流体連通する燃焼器と、
燃焼器と連通するファン駆動タービンおよび第２のタービンを備えるタービンセクションであって、ガスタービンエンジンによって提供される、タービンセクションの体積に対する海面レベル離陸均一化静止推力の比が、約１．５ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きくかつ約５．５ポンド力／インチ3より小さい、タービンセクションと、
ファン駆動タービンとファンの間にある減速器を提供するように、かつ、約９８％より高くかつ１００％より低い効率でファン駆動タービンからファンへ動力入力を伝達するように、構成されたギアシステムと、
ギアシステムの一部を可撓式に支持するマウントであって、ギアシステムと静止構造との間の少なくとも径方向の動きを吸収するように、エンジンの静止構造から延在するマウントと、
潤滑剤をギアシステムに供給するように、かつ、熱エネルギーをギアシステムから除去するように、構成された潤滑システムと、
を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１０】
潤滑システムは、ガスタービンエンジンの作動中に、ギアシステム内へのエネルギー入力の約２％より小さくかつ０より大きいエネルギーの量を除去する能力を有することを特徴とする請求項９記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
マウントは、不均衡状態に応答してギアシステムの動きを制限する荷重制限器を備えることを特徴とする請求項９記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
ファンは、空気の一部をバイパスダクト内へ供給し、バイパス比が、バイパスダクト内へ供給される空気の部分を圧縮機セクション内へ供給される空気の量で割ったものとして定義され、バイパス比は、約６．０より大きいことを特徴とする請求項９記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
比は、約２．０ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きいことを特徴とする請求項９記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
比は、約４．０ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きいことを特徴とする請求項９記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
軸線周りに回転可能な複数のファンブレードを備えるファンと、
圧縮機セクションと、
圧縮機セクションと流体連通する燃焼器と、
燃焼器と連通するファン駆動タービンと、
ファン駆動タービンとファンの間にある減速器を提供するように、かつ、約９８％より高くかつ１００％より低い効率でファン駆動タービンからファンへ動力入力を伝達するように、構成されたギアシステムと、
ギアシステムの一部を可撓式に支持するマウントであって、ギアシステムと静止構造との間の少なくとも径方向の動きを吸収するように、エンジンの静止構造から延在するマウントと、
潤滑剤をギアシステムに供給するように、かつ、熱エネルギーをギアシステムから除去するように、構成された潤滑システムと、
を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１６】
潤滑システムは、ガスタービンエンジンの作動中に、ギアシステム内へのエネルギー入力の約２％より小さくかつ０より大きいエネルギーの量を除去する能力を有することを特徴とする請求項１５記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
ファンは、空気の一部をバイパスダクト内へ供給し、バイパス比が、バイパスダクト内へ供給される空気の部分を圧縮機セクション内へ供給される空気の量で割ったものとして定義され、バイパス比は、約６．０より大きいことを特徴とする請求項１５記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
マウントは、不均衡状態に応答してギアシステムの動きを制限する荷重制限器を備えることを特徴とする請求項１５記載のガスタービンエンジン。
【請求項１９】
バイパス比は、約１０．０より大きいことを特徴とする請求項１７記載のガスタービンエンジン。
【請求項２０】
ファン駆動タービンに亘る圧力比は、約５：１より大きいことを特徴とする請求項１５記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本ギアシステム構成に関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１２年５月３１日に出願された仮出願第６１／６５３，７３１号の優先権を主張する、２０１２年７月２５日に出願された米国出願第１３／５５７，６１４号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンは一般に、ファンセクション、圧縮機セクション、燃焼器セクション、およびタービンセクションを備える。圧縮機セクションに流入する空気は、圧縮されて、燃焼器セクション内へと送られ、そこで燃料と混合され、点火されて、高速の排気ガス流を生成する。高速排気ガス流は、タービンセクションを通って膨張し、圧縮機およびファンセクションを駆動する。圧縮機セクションは一般に、低圧圧縮機および高圧圧縮機を備えており、タービンセクションは一般に、少なくともファン駆動タービンを備えている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ファン駆動タービンは、低スプールを形成するように内側シャフトを介して第１の圧縮機を駆動することができる。ファン駆動タービンとは異なる速度でファンセクションを回転させてエンジンの全体の推進効率を増大させることができるように、エピサイクリックギアアッセンブリなどの減速装置を用いてファンセクションを駆動することができる。ギアアッセンブリが動力を伝達する効率は、ギアによって駆動されるファンの開発において考慮すべき要素である。ギアボックスを介して伝達されない動力またはエネルギーは、潤滑システムによって除去されることができる熱を生成することになる可能性がある。一般に、熱が多量に生成されればされるほど、潤滑システムは大きくかつ重くなる。
【０００５】
ギア構成によって推進効率を向上させることができるとはいえ、向上した推進効率を熱除去や潤滑を含む他の要因が損なう可能性がある。従って、タービンエンジンの製造者は、熱伝達および推進効率の向上を含むエンジン性能のさらなる向上を求め続けている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の例示的な実施例によるガスタービンエンジンは、他にも可能な物はあるが、特に、軸線周りに回転可能な複数のファンブレードを備えるファンと、圧縮機セクションと、圧縮機セクションと流体連通する燃焼器と、燃焼器と連通するファン駆動タービンと、を備える。ファン駆動タービンは、第１の出口位置に第１の出口面積を有しており、第１の速度で回転するように構成される。第２のタービンセクションが、第２の出口位置に第２の出口面積を備えており、第１の速度より速い第２の速度で回転するように構成される。第１の性能量が、第１の速度の二乗と第１の面積との積として定義される。第２の性能量が、第２の速度の二乗と第２の面積との積として定義される。第２の性能量に対する第１の性能量の比は、約０．５〜約１．５である。ギアシステムが、ファン駆動タービンとファンの間にある減速器を提供するように、かつ、約９８％より高くかつ１００％より低い効率でファン駆動タービンからファンへシャフト動力入力を伝達するように、構成される。マウントが、ギアシステムの一部を可撓式に支持する。マウントは、ギアシステムと静止構造との間の少なくとも径方向の動きを吸収するように、エンジンの静止構造から延在する。潤滑システムが、潤滑剤をギアシステムに供給するように、かつ、熱エネルギーをギアシステムから除去するように、構成される。
【０００７】
上述のもののさらなる実施例において、潤滑システムは、ガスタービンエンジンの作動中に、ギアシステム内へのエネルギー入力の約２％より小さくかつ０より大きいエネルギーの量を除去する能力を有する。
【０００８】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、ファンは、空気の一部をバイパスダクト内へ供給する。バイパス比が、バイパスダクト内へ供給される空気の部分を圧縮機セクション内へ供給される空気の量で割ったものとして定義される。バイパス比は、約６．０より大きい。
【０００９】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、マウントは、不均衡状態に応答してギアシステムの動きを制限する荷重制限器を備える。
【００１０】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、バイパス比は、約１０．０より大きい。
【００１１】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、比は、約０．８に等しいかそれより大きい。
【００１２】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、ファン駆動タービンに亘る圧力比は、約５：１より大きい。
【００１３】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、ファン駆動タービンと第２のタービンとの組み合わされた体積に対する海面レベル離陸均一化静止推力（ｓｅａ  ｌｅｖｅｌ  ｔａｋｅ−ｏｆｆ  ｆｌａｔ−ｒａｔｅｄ  ｓｔａｔｉｃ  ｔｈｒｕｓｔ）の比が、ガスタービンエンジンによって提供され、この比は、約１．５ポンド力／インチ3（ｌｂｆ／ｉｎｃｈ3）に等しいかそれより大きくかつ約５．５ポンド力／インチ3に等しいかそれより小さい。
【００１４】
本開示の例示的な実施例によるガスタービンエンジンは、他にも可能な物はあるが、特に、軸線周りに回転可能な複数のファンブレードを備えるファンと、圧縮機セクションと、圧縮機セクションと流体連通する燃焼器と、燃焼器と連通するファン駆動タービンおよび第２のタービンを備えるタービンセクションと、を備える。タービンセクションの体積に対する海面レベル離陸均一化静止推力の比が、ガスタービンエンジンによって提供され、この比は、約１．５ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きくかつ約５．５ポンド力／インチ3より小さい。ギアシステムが、ファン駆動タービンとファンの間にある減速器を提供するように、かつ、約９８％より高くかつ１００％より低い効率でファン駆動タービンからファンへ動力入力を伝達するように、構成される。マウントが、ギアシステムの一部を可撓式に支持する。マウントは、ギアシステムと静止構造との間の少なくとも径方向の動きを吸収するように、エンジンの静止構造から延在する。潤滑システムが、潤滑剤をギアシステムに供給するように、かつ、熱エネルギーをギアシステムから除去するように、構成される。
【００１５】
上述のもののさらなる実施例において、潤滑システムは、ガスタービンエンジンの作動中に、ギアシステム内へのエネルギー入力の約２％より小さくかつ０より大きいエネルギーの量を除去する能力を有する。
【００１６】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、マウントは、不均衡状態に応答してギアシステムの動きを制限する荷重制限器を備える。
【００１７】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、ファンは、空気の一部をバイパスダクト内へ供給する。バイパス比が、バイパスダクト内へ供給される空気の部分を圧縮機セクション内へ供給される空気の量で割ったものとして定義される。バイパス比は、約６．０より大きい。
【００１８】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、比は、約２．０ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きい。
【００１９】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、比は、約４．０ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きい。
【００２０】
本開示の例示的な実施例によるガスタービンエンジンは、他にも可能な物はあるが、特に、軸線周りに回転可能な複数のファンブレードを備えるファンと、圧縮機セクションと、圧縮機セクションと流体連通する燃焼器と、燃焼器と連通するファン駆動タービンと、を備える。ギアシステムが、ファン駆動タービンとファンの間にある減速器を提供するように、かつ、約９８％より高くかつ１００％より低い効率でファン駆動タービンからファンへ動力入力を伝達するように、構成される。マウントが、ギアシステムの一部を可撓式に支持する。マウントは、ギアシステムと静止構造との間の少なくとも径方向の動きを吸収するように、エンジンの静止構造から延在する。潤滑システムが、潤滑剤をギアシステムに供給するように、かつ、熱エネルギーをギアシステムから除去するように、構成される。
【００２１】
上述のもののさらなる実施例において、潤滑システムは、ガスタービンエンジンの作動中に、ギアシステム内へのエネルギー入力の約２％より小さくかつ０より大きいエネルギーの量を除去する能力を有する。
【００２２】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、ファンは、空気の一部をバイパスダクト内へ供給する。バイパス比が、バイパスダクト内へ供給される空気の部分を圧縮機セクション内へ供給される空気の量で割ったものとして定義される。バイパス比は、約６．０より大きい。
【００２３】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、マウントは、不均衡状態に応答してギアシステムの動きを制限する荷重制限器を備える。
【００２４】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、バイパス比は、約１０．０より大きい。
【００２５】
上述のいずれかのもののさらなる実施例において、ファン駆動タービンに亘る圧力比は、約５：１より大きい。
【００２６】
例示に示す特定の構成要素をさまざまな実施例が有するとはいえ、本発明の実施例は、これらの特定の組み合わせに限定されない。１つの実施例の構成要素または特徴のうちの一部を別の１つの実施例の特徴または構成要素と組み合わせて使用することができる。
【００２７】
本願に開示されたこれらの特徴および他の特徴は、以下の説明および図面から最もよく理解されることができ、以下は簡単な説明である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】実施例のガスタービンエンジンの概略図。
【図１Ｂ】実施例のガスタービンエンジンの特徴の概略図。
【図１Ｃ】実施例のガスタービンエンジンの別の特徴の概略図。
【図２】スターエピサイクリックギア構成を備える実施例のファン駆動ギアシステムの概略図。
【図３】プラネタリエピサイクリックギア構成を備える実施例のファン駆動ギアシステムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１Ａは、実施例のガスタービンエンジン２０を概略的に示しており、ガスタービンエンジン２０は、ファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６、およびタービンセクション２８を備える。代替のエンジンは、他にもシステムまたは特徴があるが、特に、オーグメンタセクション（図示せず）を備えることが可能であろう。ファンセクション２２は、バイパス流経路Ｂに沿って空気を押し流し、圧縮機セクション２４は、コア流経路Ｃに沿って空気を吸い込み、そこで空気は、圧縮されて、燃焼器セクション２６に伝達される。燃焼器セクション２６では、空気は燃料と混合され、点火されて、高圧排気ガス流を生成し、高圧排気ガス流は、タービンセクション２８を通って膨張し、そこでエネルギーが抽出されて、ファンセクション２２および圧縮機セクション２４を駆動するために使用される。
【００３０】
開示の非限定的実施例がターボファンガスタービンエンジンを示しているとはいえ、本願で記載されている概念がターボファンと共に使用することに限定されないこと、また、他の種類のタービンエンジン、例えば、３つのスプールが共通の軸線周りに同心に回転し、低スプールによって低圧タービンがギアボックスを介してファンを駆動することが可能となり、中間スプールによって中圧タービンが圧縮機セクションの第１の圧縮機を駆動することが可能となり、高スプールによって高圧タービンが圧縮機セクションの高圧圧縮機を駆動することが可能となる、３スプール構成を備えるタービンエンジンに、教示を適用することもできること、は理解されたい。
【００３１】
実施例のエンジン２０は一般に、いくつかの軸受システム３８を介してエンジン静止構造３６に対してエンジン中心長手軸線Ａ周りに回転するように取り付けられた低速スプール３０および高速スプール３２を備える。さまざまな位置にさまざまな軸受システム３８を代替としてまたは追加的に設けることができることは理解された。
【００３２】
低速スプール３０は一般に、ファン４２および低圧（または第１の）圧縮機セクション４４を低圧（または第１の）タービンセクション４６に結合する内側シャフト４０を備える。内側シャフト４０は、低速スプール３０より小さい速度でファン４２を駆動するようにギア構成４８などの変速装置を介してファン４２を駆動する。高速スプール３２は、高圧（または第２の）圧縮機セクション５２および高圧（または第２の）タービンセクション５４を相互に結合する外側シャフト５０を備える。内側シャフト４０および外側シャフト５０は、同心であり、エンジン中心長手軸線Ａ周りに軸受システム３８を介して回転する。
【００３３】
高圧圧縮機５２と高圧タービン５４の間に燃焼器５６が配置される。一実施例では、高圧タービン５４は、二段高圧タービン５４を提供するように少なくとも２つの段を備える。別の実施例では、高圧タービン５４は、単一の段だけを備える。本願で使用されるように、「高圧」圧縮機またはタービンは、対応する「低圧」圧縮機またはタービンより高い圧力を経験する。
【００３４】
実施例の低圧タービン４６は、約５より大きな圧力比を有する。実施例の低圧タービン４６の圧力比は、排気ノズルより前の低圧タービン４６の出口において測定された圧力に関連させて低圧タービン４６の入口より前において測定される。
【００３５】
一般に高圧タービン５４と低圧タービン４６の間にエンジン静止構造３６の中間タービンフレーム５８が配置される。中間タービンフレーム５８はさらに、タービンセクション２８内の軸受システム３８を支持するとともに、低圧タービン４６に流入する空気流を設定する。
【００３６】
コア流経路Ｃを通る空気流は、低圧圧縮機４４によって、次いで高圧圧縮機５２によって圧縮され、燃焼器５６内で燃料と混合され、点火されて、高速排気ガスを生成し、高速排気ガスは次いで高圧タービン５４および低圧タービン４６を通って膨張する。中間タービンフレーム５８は、ベーン６０を備えており、ベーン６０は、コア空気流経路内に位置し、低圧タービン４６のための入口ガイドベーンとして機能する。低圧タービン４６のための入口ガイドベーンとして中間タービンフレーム５８のベーン６０を使用することで、中間タービンフレーム５８の軸方向の長さを増大させずに低圧タービン４６の長さを低減する。低圧タービン４６内のベーンの数を低減または除去することで、タービンセクション２８の軸方向の長さを低減する。従って、ガスタービンエンジン２０の小型さが向上し、より高い動力密度を実現することができる。
【００３７】
一実施例において開示されたガスタービンエンジン２０は、高バイパスギア航空機エンジンである。さらなる実施例では、ガスタービンエンジン２０は、約６より大きなバイパス比を有しており、例示的な実施例は、約１０より大きい。実施例のギア構成４８は、プラネタリギアシステム、スターギアシステム、または他の既知のギアシステムなどのエピサイクリックギアトレインであり、約２．３より大きな減速比を有する。いくつかの実施例では、減速比は、約２．６より大きなものとすることができ、また、他のいくつかの実施例では、減速比は、約３．０より大きなものとすることができる。
【００３８】
開示の一実施例では、ガスタービンエンジン２０は、約１０（１０：１）より大きなバイパス比を有しており、ファン直径は、低圧圧縮機４４の外径よりかなり大きい。しかしながら、上述のパラメータがギア構成を備えるガスタービンエンジンの一実施例の単なる例示であること、そして本開示が他のガスタービンエンジンに適用可能であることは理解されたい。
【００３９】
高バイパス比に起因して  バイパス流Ｂによって大量の推力が提供される。エンジン２０のファンセクション２２は、特定の飛行条件、典型的には約０．８マッハおよび約３５，０００フィートでの巡航用に設計される。０．８マッハおよび３５，０００フィートの飛行条件は、エンジンがその最良の燃料消費にあり、「バケット（ｂｕｃｋｅｔ）巡航推力当たり燃料消費率（Ｔｈｒｕｓｔ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｆｕｅｌ  Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）（「ＴＳＦＣ」）」としても知られており、燃焼される時間当たりの燃料のポンド質量（ｌｂｍ）をその最小の位置でエンジンが生成する推力のポンド力（ｌｂｆ）で割った業界標準パラメータである。
【００４０】
「低ファン圧力比」は、ファン出口ガイドベーン（Ｆａｎ  Ｅｘｉｔ  Ｇｕｉｄｅ  Ｖａｎｅ）（「ＦＥＧＶ」）システムなしでファンブレードのみに亘る圧力比である。非限定的な一実施例により本願で開示される低ファン圧力比は、約１．５０より小さい。別の非限定的な実施例では、低ファン圧力比は、約１．４５より小さい。
【００４１】
「低補正ファン先端速度」は、フィート／秒（ｆｔ／ｓｅｃ）での実際のファン先端速度を産業標準温度補正［（トラム（Ｔｒａｍ）°Ｒ）／５１８．７］0.5で割ったものである。非限定的な一実施例により本願で開示される「低補正ファン先端速度」は、約１１５０フィート／秒より小さい。
【００４２】
コア空気流は、低圧圧縮機４４によって、次いで高圧圧縮機５２によって圧縮され、燃焼器５６内で燃料と混合され、燃焼されて、次いで高圧タービン５４および低圧タービン４６に亘って膨張する。タービン４６、５４は、これらを通る空気流の膨張に応じてそれぞれ低速スプール３０および高速スプール３２を回転させるように駆動する。
【００４３】
特定のタービンセクションがどれほど小型であるかに比較したこの特定のタービンセクションによって生成され得る推力の量は、本開示では、タービンセクションの動力密度、または力密度と呼ばれ、タービンセクション全体の体積で割った、均一化海面レベル離陸（ｆｌａｔ−ｒａｔｅｄ  Ｓｅａ  Ｌｅｖｅｌ  Ｔａｋｅ−Ｏｆｆ）（ＳＬＴＯ）推力によって導き出される。高圧タービン５４の入口から低圧タービン４６の出口までの実施例の体積が決定される。タービンセクション２８の動力密度を増大させるためには、低圧および高圧タービン４６、５４それぞれをより小型にする。すなわち、より短い軸方向長さを有するように高圧タービン５４および低圧タービン４６を作成し、タービン４６、５４それぞれの間の間隔を減少させ、それによって、タービンセクション２８の体積を減少させる。ギア駆動ファンセクション２２を備える開示のガスタービンエンジン２０の動力密度は、ギア駆動ファンを備える従来技術のガスタービンエンジンにおいて提供される動力密度より大きい。本願に述べられているタービンセクションと減速ギアシステムおよび構成によって駆動されるファンセクションとを組み込んだ８つの開示の例示的なエンジンを以下のように表１に記載する。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
いくつかの実施例では、動力密度（「推力密度」とも呼ばれる）は、約１．５ポンド力／インチ3（ｌｂｆ／ｉｎ3）に等しいかそれより大きい。さらなる実施例では、動力密度は、約２．０ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きい。さらなる実施例では、動力密度は、約３．０ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きい。さらなる実施例では、動力密度は、約４．０ポンド力／インチ3に等しいかそれより大きい。さらなる実施例では、動力密度は、約５．５ポンド力／インチ3に等しいかそれより小さい。
【００４６】
開示のギア駆動ファン構成を有するように作成されたエンジンであって、本願に述べられているタービンセクションを備えるエンジンは、非常に高い効率の作動と、増大した燃料効率とを提供する。
【００４７】
図１Ｂを参照すると、実施例のタービンセクション２８の体積が概略的に示されており、第１、第２、第３の段４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを備える。各段４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃは、対応する複数のブレード２１２およびベーン２１４を備える。実施例のタービンセクションはさらに、小さな度合いの方向転換を行うとともに低圧タービン４６の第１の段４６Ａのブレード２１２に対する所望の流れ角度を実現するように比較的小さなそり（ｃａｍｂｅｒ）を有する少なくとも１つの実施例の空気そらせベーン２２０を高圧および低圧タービン５４、４６との間に備える。開示のベーン２２０は、高圧および低圧タービン５４、４６が共通の方向に回転する場合、所望の空気流機能を効率よく果たすことができない。
【００４８】
実施例の中間タービンフレーム５８は、一列に並んで周方向に配列された複数の空気そらせベーン２２０を備えており、空気そらせベーン２２０は、高圧タービン５４から排出される空気流を案内し、空気が適切な方向に適切な量の渦を巻いて流れるのを実現する。開示のタービンセクション２８は、従来利用されていたタービンセクションより小型なので、空気が中間タービンフレーム５８に流入してから低圧タービン４６に流入するまでの間に移動する距離が短くなる。軸方向に移動する距離が短くなることで、中間タービンフレーム５８から低圧タービン４６まで移動する間に高速空気流によって失われる渦の量が低減するとともに、中間タービンフレーム５８のベーン２２０が低圧タービン４６の入口案内ベーンとして機能することができる。中間タービンフレーム５８はまた、中間タービンフレーム５８およびエンジンハウジング両方へ構造上の支持を提供するストラット２２１を備える。一実施例では、中間タービンフレーム５８は、ストラット２２１をベーン２２０内に入れ、それによって中間タービンフレーム５８の長さを低減することでよりいっそう小型になる。
【００４９】
与えられたファンの大きさによって提供される、与えられたファン先端速度および推力レベルにおいて、変速装置４８（図１Ａに示される）を備えることで、ギア減速比を提供し、それによって、低圧タービン４６および低圧圧縮機４４の構成要素の速度を増加させることができる。より詳細には、与えられたファン直径およびファン先端速度について、ギア比の増加によって、より高速で回転するタービンが可能となり、それによって、よりいっそう小型のタービンが可能となるとともに、タービンセクション２８の推力対体積比を増大させることができる。ギア減速比を増大させることで、低圧圧縮機４４および低圧タービン４６が回転する速度が、ファン４２の速度に対して増加する。
【００５０】
ガスタービンエンジン２０の構成要素の回転速度の増加によって、全体の効率が増加し、それによって、そうでなければコア流経路Ｃを通って流れる空気の所望の流れ特性を維持するために必要とされていたであろう低圧圧縮機４４および低圧タービン４６の直径および段数を低減することが可能となる。従って、低圧圧縮機４４および低圧タービン４６それぞれの軸方向長さは、ギア比の増大によって与えられる速度の増加から得られる効率に起因してさらに低減されることができる。さらに、タービンセクション２８の直径および段数の低減によって、小型さが向上し、実施例のガスタービンエンジン２０の必要とされる軸方向長さを全体的に低減することが可能となる。
【００５１】
ガスタービンエンジン２０の推力密度をさらに向上させるために、実施例のタービンセクション２８（高圧タービン５４、中間タービンフレーム５８、および低圧タービン４６を含む）を従来のタービンエンジン設計より小型にし、それによって、タービンセクション２８の長さ、およびガスタービンエンジン２０の全体の長さを低減する。
【００５２】
実施例の低圧タービン４６を小型にし、低圧タービン４６の直径を高圧タービン５４とより適合させ、それによって、中間タービンフレーム５８の空気そらせベーン２２０を実施可能とするためには、低圧タービン４６の最初の段にはより強い材料が必要となる可能性がある。低圧タービン４６の小型の直径において発生する速度および遠心力は、従来技術の低圧タービンに使用されている材料に課題を投げかけるものである。
【００５３】
空気そらせベーン２２０、低圧タービンブレード２１２、およびベーン２１４についての本開示を考慮した材料および方法の実施例は、翼幅（ｓｐａｎ）方向の強度を付加するように一方向凝固結晶粒（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ  ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ  ｇｒａｉｎ）を有する材料を含む。一方向凝固結晶粒を有するベーン２２０、２１４、またはタービンブレード２１２を作成する実施例の方法は、米国特許出願第１３／２９０６６７号、米国特許第７３３８２５９号、第７８７１２４７号に見出すことができ、これらはそれぞれ参照することによって本願に組み込まれる。さらに、エンジンの実施例は、冷却空気がブレード／ベーンの前縁から導入されるとともに冷却空気が後縁で排出される鋳造中空ブレート２１２またはベーン２１４を利用する。別の実施例は、フィルム冷却孔を有する内部冷却ブレード２１２またはベーン２１４を使用する。さらなるエンジンの実施例は、低圧タービン４６の一部を構成するのにアルミニウムリチウム材料を利用する。実施例の低圧タービン４６は、粉末金属ディスクまたはロータを用いて構成されることもできる。
【００５４】
さらに、低圧タービン４６のタービンブレード２１２の１つの列または複数の列が、単結晶ブレード材料を用いて構成されることができる。単結晶構成は、非単結晶構成に比較してより高温で酸化され、従って、より高温の空気流に耐えることができる。タービンブレード２１２のより高温の能力によって、大きさがさらに低減可能なより効率のよい低圧タービン４６が可能となる。
【００５５】
例示した低圧タービン４６は、３つのタービン段４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを備えるとはいえ、低圧タービン４６は、６つのタービン段までを含むように変形されることができる。一定の推力において低圧タービン段４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃの数を増加させることで、タービンセクション２８の推力密度はいくぶん低下するが、低圧圧縮機およびファンセクション２２を駆動するのに利用可能な動力も増加する。
【００５６】
さらに、実施例のタービンブレードは、材料がより高温で所望の強度を維持することが可能となるように、内部冷却されることができ、それによって、小型の構成によって生じる遠心力の増加を考慮して所望のように機能すると同時に、低圧圧縮機４４の段の追加およびファン先端直径の増加によって生じる温度上昇にも耐える。
【００５７】
開示の実施例のそれぞれによって、低圧タービン４６は、より小型でかつ効率がよくなることができると同時に、高圧タービン５４に対する径方向の整合が向上する。低圧および高圧タービン４６、５４間の径方向の整合の向上によって、中間タービンフレーム５８の空気そらせベーン２２０の組み込みにより受ける製造費用の増加を相殺することができる効率が増加する。
【００５８】
上述の実施例を考慮すると、タービンセクション２８の全体の大きさが大幅に低減されそれによって、エンジンの動力密度が向上した。さらに、動力密度の向上の結果として、エンジンの全体の推力効率が向上した。
【００５９】
図１Ｃ、図１Ａでは、高圧タービンセクション５４についての出口位置に出口面積４００が示される。低圧タービンセクションについての出口４０１に低圧タービンセクションについての出口面積が画成される。図１Ｃに示されるように、タービンエンジン２０は、逆回転することができる。これは、低圧タービンセクション４６および低圧圧縮機セクション４４が１つの方向に回転する一方、高圧タービンセクション５４および高圧圧縮機セクション５２を含む高圧スプール３２が反対の方向に回転することを意味する。ギア減速器４８は、例えば、エピサイクリックトランスミッション（例えば、サン、リング、およびスターギアを有する）とすることができ、ファン４２が高スプール３２と同じ方向に回転するように、選択される。この構成を用いて、また、さまざまな量および作動範囲を含む上述した他の構造を用いて、非常に高い速度が低圧スプールに提供されることができる。低圧タービンセクションおよび高圧タービンセクションの作動はしばしば、タービンセクションの出口面積にそのそれぞれの速度の二乗を掛けた性能量を見ることで評価される。この性能量（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｑｕａｎｔｉｔｙ）（「ＰＱ」）は、
式１：  ＰＱlpt＝（Ａlpt×Ｖlpt2）
式２：  ＰＱhpt＝（Ａhpt×Ｖhpt2）
と定義され、ここで、Ａlptは、低圧タービンセクションの出口における（例えば、４０１における）低圧タービンセクションの面積であり、Ｖlptは、低圧タービンセクションの速度であり、Ａhptは、高圧タービンセクションの出口における（例えば、４００における）高圧タービンセクションの面積であり、Ｖhptは、高圧タービンセクションの速度である。
【００６０】
従って、高圧タービンセクションについての性能量に比較した低圧タービンセクションについての性能量の比は、
式３：  （Ａlpt×Ｖlpt2）／（Ａhpt×Ｖhpt2）＝ＰＱlpt／ＰＱhpt
である。
【００６１】
上述の設計により作成されたタービンの一実施例において、低圧および高圧タービンセクションの面積はそれぞれ、５５７．９インチ2（ｉｎ2）および９０．６７インチ2である。さらに、低圧および高圧タービンセクションの速度はそれぞれ、１０１７９ｒｐｍおよび２４３４６ｒｐｍである。従って、上述の式１、式２を用いると、低圧および高圧タービンセクションについての性能量は、
式１：  ＰＱlpt＝（Ａlpt×Ｖlpt2）＝（５５７．９インチ2）（１０１７９ｒｐｍ）2＝５７８０５１５７６７３．９インチ2ｒｐｍ2
式２：  ＰＱhpt＝（Ａhpt×Ｖhpt2）＝（９０．６７インチ2）（２４３４６ｒｐｍ）2＝５３７４２６２２００９．７２インチ2ｒｐｍ2
となり、上述の式３を用いると、高圧タービンセクションに対する低圧タービンセクションの比は、
比＝ＰＱlpt／ＰＱhpt＝５７８０５１５７６７３．９インチ2ｒｐｍ2／５３７４２６２２００９．７２インチ2ｒｐｍ2＝１．０７５
となる。
【００６２】
別の実施例では、比は約０．５であったし、別の実施例では、比は約１．５であった。０．５〜１．５の範囲のＰＱlpt／ＰＱhpt比を用いることで、全体として非常に効率のよいガスタービンエンジンが実現される。より狭く、約０．８に等しいかそれを超えるＰＱlpt／ＰＱhpt比がより効率がよい。よりいっそう狭く、１．０に等しいかそれを超えるＰＱlpt／ＰＱhpt比がよりいっそう効率がよい。これらのＰＱlpt／ＰＱhpt比の結果として、特に、タービンセクションが、直径および軸方向の長さにおいて従来技術におけるよりいっそう小さくされることができる。さらに、エンジン全体の効率が大幅に増大する。
【００６３】
実施例のガスタービンエンジン２０の低圧圧縮機セクションは、この構成で向上され、高圧圧縮機セクションに似てくるが、それは、より効率がよいから、またより少ない段でより大きな圧縮の仕事をすることができるからである。低圧圧縮機セクションは、半径をより小さくかつ長さをより短くされることができると同時に、エンジンの全体の圧縮圧力比設計目標を達成することにより大きく寄与する。
【００６４】
理解されるように、低圧タービン４６に対する回転速度およびトルクを増加させる改善は結果として、ギア構成４８に対する荷重の増加になる。ギア構成４８に対する荷重の増加は、潤滑剤の要求への増大を含む。さらに、低圧タービン４６により提供される速度およびトルクの増加は、その動力が、ギア構成４８を通して効率よく伝達されることができ、熱として失われない場合に、十分に実現されることができるだけである。従って、ギア構成４８の伝達効率および対応する潤滑剤システムの能力が、改善されたタービン構成から得られる効率の実現を可能とする。
【００６５】
図１Ａを参照すると、実施例のガスタービンエンジンは、非限定的な一実施例において約２６より少ないファンブレードを備えるファン４２を備える。別の非限定的な実施例では、ファンセクション２２は、約２０より少ないファンブレードを備える。さらに、開示の一実施例では、低圧タービン４６は、３４で概略的に示される約６を超えないタービンロータを備える。別の非限定的な例示の実施例では、低圧タービン４６は、約３つのタービンロータを備える。ファンブレード４２の数と低圧タービンロータの数の間の比は、約３．３〜約８．６である。実施例の低圧タービン４６は、ファンセクション２２を回転させる駆動力を提供し、従って、低圧タービン４６内のタービンロータ３４の数とファンセクション２２内のブレード４２の数の関係は、増大した動力伝達効率を有する実施例のガスタービンエンジン２０を開示する。
【００６６】
図１Ａの参照を続けながら図２を参照すると、実施例のガスタービンエンジンは、潤滑システム９８を備える。潤滑システム９８は、軸受アッセンブリ３８およびギア構成４８を含むガスタービンエンジンの回転構成要素に潤滑剤流を供給する。潤滑システム９８はさらに、さまざまな軸受システムおよびギア構成４８内で生成される熱の除去を可能とする。
【００６７】
実施例の潤滑システム９８は、ガスタービンエンジンの通常の作動条件下で潤滑剤を供給する主システム８０を備える。主潤滑システム８０の作動を補助するように補助システム８２も含まれる。潤滑システム９８の大きさおよび重量は、ギア構成４８から熱を除去するその能力に直接関係する。熱を除去する必要が大きければ大きいほど、潤滑システム９８は大きくかつ重くなる。従って、ギア構成４８によって生成される熱の量は、ファン駆動ギアシステムの構成において考慮すべき重要な要素である。
【００６８】
実施例のギア構成４８は、ファン駆動ギアシステム７０の一部である。実施例のギア構成４８は、ファン駆動タービン４６によって駆動されるサンギア６２を備えるギアアッセンブリ６５を備える。この実施例では、ファン駆動タービンは、低圧タービン４６である。サンギア６２は次いで、ジャーナル軸受によってキャリヤ７４上に取り付けられた中間ギア６４を駆動する。キャリヤ７４は、静止エンジン構造３６に取り付けられており、従って、中間ギア６４が、サンギア６２の周囲を回ることはない。中間ギア６４は、ファン４２を駆動するようにファンシャフト６８に結合されたリングギア６６と互いに噛み合い、リングギア６６を駆動する。
【００６９】
ギアアッセンブリ６５は、ギア６２、６４、６６間の位置合わせを妨げる可能性がある振動による過渡的な動きから切り離されることが可能なように可撓式に取り付けられる。この実施例では、可撓性マウント７６が、キャリヤ７４を支持し、ギアアッセンブリ６５と静止構造３６の間の相対的な動きを吸収する。実施例の可撓性マウント７６は、ファン駆動ギアシステム７０の通常の作動中に生じる撓みを吸収するばね定数を備える。
【００７０】
ファン駆動タービン４６の内側シャフト４０を介する動力入力は、可撓性継手７２を介して伝達される。可撓性継手７２はまた、ギアアッセンブリ６５の構成要素が位置合わせから外れないように所定の量の撓みおよび位置合わせ不良を許容するばね定数を備える。
【００７１】
ある程度の相対的な動きは、可撓性継手７２および可撓性マウント７６によって補償されるとはいえ、所望の制限を超える動きは、ギア間の噛み合い係合に悪影響を及ぼす可能性があり、従って、荷重制限装置７８がギアボックス取り付け構造の一部として設けられる。荷重制限器７８は、ギアボックス６５の動きを抑える。制限器７８はさらに、ギアボックス６５上の不均衡荷重に反応する停止を行う。従って、制限器は、径方向の不均衡荷重および／またはねじり過荷重がガスタービンエンジン２０を損傷するのを防止する。
【００７２】
実施例のファン駆動ギアシステム７０は、潤滑システム９８によって支持される。潤滑システム９８は、ギア６２、６４、６６の回転を支持する軸受とともに、ギア６２、６４、６６の潤滑および冷却を可能にする。所望の温度を維持するようにできるだけ速く潤滑剤を循環させるのが望ましい。ギアボックス６５を介する動力伝達効率は、高い温度によって悪影響を受ける。
【００７３】
この実施例では、潤滑剤システム９８は、ギアボックス６５へおよびギアボックス６５からライン８８によって概略的に示される複数の導管を介して所望の潤滑剤流を供給する主システム８０を備える。主油システム８０はまた、所望の温度を維持するようギアボックス６５から離れるように、矢印９２で概略的に示される熱を伝達する。
【００７４】
潤滑システム９８はまた、主油システム８０からの潤滑剤流の一時的な遮断に応答して油流をギアボックス６５に供給する補助油システム８２を備える。
【００７５】
実施例のギアボックス６５およびギア構成４８全体の効率は、ファンシャフト６８への、矢印９６で概略的に示される動力出力に対する、シャフト４０を介する、矢印９４で概略的に示される動力入力の関数である。動力出力９６の量に比較した動力入力９４は、ギアボックス効率の尺度である。実施例のギアボックス６５は、約９８％より高い効率で作動する。別の開示の実施例では、実施例のギアボックス６５は、約９９％より高い効率で作動する。
【００７６】
開示の効率は、ファン４２を回転させるようにファンシャフト６８へと具体的に伝達される動力９４の量の尺度である。ギアボックス６５を介して伝達されない動力は、熱として失われ、ファン駆動ギアシステム７０の全体の効率を低減する。入力動力９４および出力動力９６の間のどのような損失も結果として熱を生成する。従って、この実施例では、入力動力９４と出力動力９６の間の約１〜２％の損失が熱を生成する。すなわち、入力動力９４の約１％〜２％が熱エネルギーに変換され、この熱エネルギーは、作動潤滑剤温度を作動制限内に維持するように潤滑システム９８によって吸収される必要がある。
【００７７】
実施例の潤滑剤システム９８は、ファン駆動タービン４６を備える低速スプール３０からの入力動力９４の約２％に等しいかそれより少ない熱エネルギーの除去を可能とする。実施例のファン駆動ギアシステム７０の別の非限定的な実施例において、ギアボックス６５の効率は、低速スプール３０からの動力入力のわずか約１％が潤滑剤システム９８によって対処される必要のある熱エネルギーへと変換されるように、約９９％より高い。実施例のファン駆動ギアシステム７０の別の非限定的な実施例には、３スプール構成を備える実施例のタービンエンジンがあり、この３スプール構成では、３つのスプールが共通の軸線周りに同心に回転し、低スプールによって低圧タービン４６がギアボックス６５を介してファンを駆動することが可能となる。
【００７８】
熱エネルギーに対処しそれを除去する能力が大きくなればなるほど、潤滑剤システム９８は大きくかつ重くなる。この実施例では、主油システムは、ギアボックス６５内で生成される熱９２を吸収する熱交換器９０を備える。熱交換器９０は、熱エネルギーを除去する所望の能力に合わせて作成される、潤滑システム９８の一要素の実施例である。理解されるように、例えば潤滑剤ポンプ、潤滑システム９８内の潤滑剤の全量とともに、導管の大きさなどの他の要素もまた、増大した冷却能力を提供するように大きさおよび重量が増大するであろう。従って、潤滑システム９８の必要とされる全体の熱伝達能力を低減するように動力伝達効率を増大させるのが望ましい。
【００７９】
この実施例では、実施例のギアボックス６５の高い効率によって、比較的小型かつ軽量の潤滑剤システム９８が可能となる。実施例の潤滑剤システム９８は、入力動力９４の約２％までによって生成される熱エネルギーを吸収することができる特徴を備える。すなわち、潤滑システム９８は、低圧タービン４６によって供給される入力動力の約２％までの熱エネルギーを除去する全体の最大能力を有する。
【００８０】
図１Ａの参照を続けながら図３を参照すると、別の実施例のエピサイクリックギアボックス８５が開示されており、プラネタリ構成を備える。プラネタリ構成では、エンジン軸線Ａ周りに回転可能なキャリヤ８６上にプラネットギア８４が支持される。サンギア６２は、依然として内側シャフト４０および低圧タービン４６によって駆動される。リングギア６６は、軸線周りに回転しないように、固定構造３６に取り付けられる。従って、サンギア６２の回転は、リングギア６６内のプラネットギア８４を駆動する。プラネットギア８４は、回転可能キャリヤ８６上で支持され、回転可能キャリヤ８６は次いで、ファンシャフト６８を駆動する。この構成では、ファンシャフト６８およびサンギア６２は、共通の方向に回転し、他方では、プラネットギア８４はそれぞれ、サンギア６２とは反対の方向に回転するが、ひとまとまりとしては、サンギア６２の回転と同じ方向にサンギア６２の周りを回転する。
【００８１】
図３に示される実施例のプラネタリギアボックスは、可撓性マウント７６によって支持されるリングギア６６を備える。可撓性マウント７６によって、ギアボックス８５のある程度の動きがギア６２、８４、６６の噛み合い歯間の所望の位置合わせを維持することができる。制限器７８は、径方向の不均衡および／またはねじり荷重によって生じる可能性のある損傷を防止するように所望の制限を超えるプラネタリギアボックス８５の動きを妨げる。
【００８２】
実施例の低圧タービン４６は、ギアボックス８５を駆動するように動力９４を入力する。先の実施例でのように、実施例のギアボックス８５は、入力動力９４の約９８％超を出力動力９６としてファン駆動シャフト６８に伝達する。別の実施例では、ギアボックス８５は、入力動力９４の約９９％超を出力動力９６としてファン駆動シャフト６８に伝達する。
【００８３】
入力動力９４と出力動力９６の差は、潤滑システム９８によって除去される熱エネルギーに変換される。この実施例では、潤滑システム９８は、低圧タービン４６を備える低速スプール３０からの入力動力９４の約２％によって生成されるより上回ることのない熱９２を除去する能力を有する。別の実施例では、潤滑システム９８は、入力動力９４の約１％によって生成されるより上回ることのない熱９２を除去する能力を有する。従って、実施例のギアボックス８５によって提供される効率によって、潤滑システム９８は、別々の比較的近い最適速度においてファンセクション２２および低圧タービン４６を回転させることで実現される推進効率を損なうことのない大きさとすることができる。
【００８４】
従って、実施例のファン駆動ギアシステムは、熱エネルギーの形態での損失を制限し、それによって、能力および大きさの低減された潤滑システムの使用を可能とすることで、推進効率の向上および実現が可能となる。
【００８５】
例示的な実施例を開示したとはいえ、当業者ならば特定の変更が本開示の範囲に含まれることを理解するであろう。それゆえ、本開示の範囲および内容を決定するには以下の特許請求の範囲を検討する必要がある。
【符号の説明】
【００８６】
２０…ガスタービンエンジン
２２…ファンセクション
２４…圧縮機セクション
２６…燃焼器セクション
２８…タービンセクション
３０…低速スプール
３２…高速スプール
４２…ファン
４４…低圧圧縮機セクション
４６…低圧タービンセクション
４８…ギア構成
５２…高圧圧縮機セクション
５４…高圧タービンセクション
５６…燃焼器
７６…可撓性マウント
９８…潤滑システム
４００…高圧タービンセクションについての出口
４０１…低圧タービンセクションについての出口
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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