(57)【要約】【課題】  タービンエンジン用のシャフト（１００）を提供する。【解決手段】  シャフト（１００）は、第１端部（１０２）、対向する第２端部（１０４）、およびその間に延在する管状部分（１０６）を包含し、当該管状部分の一部に外接する補強層（１１６）であって、補強繊維（１１８）を包含する金属マトリックス複合（ＭＭＣ）材料を包含する当該補強層を包含し、更に当該補強層の一部および当該管状部分に外接するクラッディング（１２０）を包含する。シャフト（１００）は、単一スプール式ガスタービンエンジン（１０）、２スプール式ガスタービンエンジン、マルチスプール式ガスタービンエンジン、ＦＬＡＤＥエンジン、可変サイクルガスタービンエンジン、適応サイクルガスタービンエンジン、又はタービンベース複合サイクルエンジンの内部に結合することができる。【選択図】  図５
2008157231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン用のシャフト（１００）であって：
第１端部（１０２）、対向する第２端部（１０４）、およびその間に延在する管状部分（１０６）と；
前記管状部分の一部に外接する補強層（１１６）であって、補強繊維（１１８）を包含する金属マトリックス複合（ＭＭＣ）材料（１２４）を含む前記補強層と；
前記補強層の一部および前記管状部分に外接するクラッディング（１２０）と
を含む、タービンエンジン用のシャフト（１００）。
【請求項２】
前記シャフト（１００）が、単一スプール式ガスタービンエンジン（１０）、２スプール式ガスタービンエンジン、マルチスプール式ガスタービンエンジン、ＦＬＡＤＥエンジン、可変サイクル（ＶＣＥ）ガスタービンエンジン、適応サイクル（ＡＣＥ）ガスタービンエンジン、およびタービンベース複合サイクル（ＴＢＣＣ）エンジンのうちの少なくとも１つの内部に結合する、
請求項１記載のシャフト（１００）。
【請求項３】
前記シャフトがパワーテイクオフシャフト（４１２）である、
請求項１記載のシャフト（１００）。
【請求項４】
前記管状部分（１０６）がチタンベースの合金で形成され、前記クラッディング（１２０）もまたチタンベースの合金で形成される、
請求項１記載のシャフト（１００）。
【請求項５】
前記シャフトが伸長した軸を有し、前記補強繊維（１１８）がその伸長した軸に対して実質的に平行に延在する、
請求項１記載のシャフト（１００）。
【請求項６】
前記補強繊維（１１８）が少なくとも１つの襞を為して配置され、前記補強繊維が前記ＭＭＣ材料の内部に分散させたナノサイズのホウ素繊維およびホウ化物繊維のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１記載のシャフト（１００）。
【請求項７】
前記ホウ素繊維およびホウ化物繊維のうちの少なくとも１つが、外側ドーピング技術およびソリッドフリー成形技術のうちの少なくとも１つを使用して前記ＭＭＣの内部に分散される、
請求項６記載のシャフト（１００）。
【請求項８】
前記ＭＭＣ材料が、チタン、ニッケル、鋼、およびアルミニウムのうちの少なくとも１つを含む、
請求項１記載のシャフト（１００）。
【請求項９】
逆回転マルチスプール式タービンエンジンであって：
ファンアセンブリ（１２）、低圧タービン（２０）、および第１シャフト（３２）を含む第１ロータスプール（４０）であって、前記ファンアセンブリが前記高圧コンプレッサ（１４）の上流に結合し、前記低圧タービンが前記高圧タービン（１８）の下流に結合する当該第１ロータスプール（４０）と；
中圧コンプレッサ（４８）、中圧タービン（５０）、および第２シャフト（３１）を含む第２ロータスプール（４２）であって、前記中圧コンプレッサが前記高圧コンプレッサと前記ファンアセンブリの間に結合し、前記中圧タービンが前記高圧タービンと前記低圧タービンとの間に結合し、前記第１シャフトが前記ファンアセンブリと前記低圧タービンの間に延在し、前記第２シャフトが前記中圧コンプレッサと前記中圧タービンとの間に延在し、前記第１および第２のシャフトのうちの少なくとも一方の一部がその中に埋め込んだ補強繊維（１１８）を包含する金属マトリックス複合（ＭＭＣ）材料を使用して形成される当該第２ロータスプール（４２）とを含む、
逆回転マルチスプール式タービンエンジン。
【請求項１０】
高圧コンプレッサ（１４）、前記高圧コンプレッサの下流に結合する高圧タービン（１８）、およびそれらの間に延在する第３シャフト（５２）を含む第３ロータスプール（４６）を更に含む、
請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ねタービンエンジンに関し、より詳細には、エンジン重量を削減し且つタービンエンジンの振動特性を改善するために利用され得るシャフトシステムアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも１つの既知のガスタービンエンジンアセンブリは、コアエンジン全体のサイズが内側シャフトすなわち低圧タービンシャフトの動的能力および荷重伝達能力によって決定されるコアエンジンを包含する。
【０００３】
既知のコアエンジンは、例えばチタンまたは鋼のようなモノリシック金属性材料を使用して形成されるシャフトを包含する。燃料価格の上昇に伴い、エンジンのコアサイズは将来的なエンジンアーキテクチャのために縮小され、既知のシャフトのサイズもまた縮小されることとなり、全体のエンジン圧力はタービンエンジン重量および燃料消費を節約すべく増大される。少なくとも１本の既知のサイズ縮小シャフトは、必要なエンジンのトルクおよび動力を伝達し得るものであるが、アセンブリおよび軸受の寿命を確保するために必要なシャフト直径の大きさに設定されるとき、そのシャフト設計はエンジンシステムの動力学的なマージン基準を充足させることによって限定される。詳細には、モノリシック金属性材料で形成される縮径したシャフトは、エンジンシステムの振動を増大させ、シャフトの強度容量を低下させる。
【特許文献１】米国特許第 7090113号明細書
【特許文献２】米国特許第 7037463号明細書
【特許文献３】米国特許第 7001443号明細書
【特許文献４】米国特許第 696899号明細書
【特許文献５】米国特許第 6926755号明細書
【特許文献６】米国特許第 6926754号明細書
【特許文献７】米国特許第 6921510号明細書
【特許文献８】米国特許第 6884279号明細書
【特許文献９】米国特許第 6849229号明細書
【特許文献１０】米国特許第 6749518号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの形態において、タービンエンジンアセンブリの組み立て方法を提供する。タービンエンジンはコアエンジンを包含する。当該方法は、第１ロータスプールをエンジンアセンブリ内部に結合させることを包含し、第１ロータスプールは、コアエンジンの上流に結合する第１ファンアセンブリ、コアエンジンの下流に結合する中圧タービン、および第１ファンアセンブリと中圧タービンとの間に結合する第１シャフトを包含する。当該方法は、第２ロータスプールをエンジンアセンブリ内部に結合させることを更に包含し、第２ロータスプールは、第１ファンアセンブリの上流に結合する第２ファンアセンブリ、中圧タービンの下流に結合する低圧タービン、および第２ファンアセンブリと低圧タービンの間に結合する第２シャフトを包含する。当該方法は更に、第３ロータスプールをエンジンアセンブリ内部に結合させることを包含し、第３ロータスプールは、コンプレッサ、中圧タービンの上流に結合する高圧タービン、およびコンプレッサと高圧タービンとの間に延在する第３シャフトを包含する。第１、第２、および第３のシャフトのうちの少なくとも１本は、第１端部、対向する第２端部、および第１端部と第２端部との間に延在する管状部分を包含する。補強層が当該管状部分の一部に外接し、補強層の少なくとも一部は、補強繊維を包含する金属マトリックス複合（ＭＭＣ）材料である。
【０００５】
更なる１つの形態では、タービンエンジン用シャフトを提供する。当該シャフトは、第１端部、対向する第２端部、およびその間に延在する管状部分を包含する。当該シャフトは更に、管状部分の一部に外接する補強層を包含し、補強層は補強繊維を包含する金属マトリックス複合材料を包含する。当該シャフトは更に、補強層の一部および管状部分に外接するクラッディングを包含する。
【０００６】
更なる１つの形態では、逆回転マルチスプール式タービンエンジンを提供する。当該エンジンは、ファンアセンブリ、低圧タービン、および第１シャフトを包含する第１ロータスプールを包含し、ファンアセンブリは高圧コンプレッサの上流に結合し、低圧タービンは高圧タービンの下流に結合する。当該エンジンは更に、中圧コンプレッサ、中圧タービン、および第２シャフトを包含する第２ロータスプールを包含し、中圧コンプレッサは高圧コンプレッサとファンアセンブリとの間に結合し、中圧タービンは高圧タービンと低圧タービンとの間に結合する。第１シャフトはファンアセンブリと低圧タービンとの間に延在し、第２シャフトは中圧コンプレッサと中圧タービンとの間に延在する。第１および第２のシャフトのうちの少なくとも一方の一部は、その中に埋め込んだ補強繊維を包含する金属マトリックス複合材料を使用して形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、長手方向軸１１を有する例示的なタービンエンジンアセンブリ１０の概略図である。エンジンアセンブリ１０は、それらには限定されないが、超音波、遷音速、亜音速、および回転式航空機のうちの少なくとも１つと共に使用される。例示的な実施例では、タービンエンジンアセンブリ１０は、ファンアセンブリ１２およびコアガスタービンエンジン１３を包含するマルチスプール式エンジンである。更にまた、例示的な実施例では、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、逆回転エンジンである。以下で更に詳細に説明されるように代替的な実施例では、エンジンアセンブリ１０は、それらに限定されないが、単一スプール式ガスタービンエンジン、２スプール式ガスタービンエンジン、マルチスプール式ガスタービンエンジン、可変サイクル（ＶＣＥ）ガスタービンエンジン、適応サイクル（ＡＣＥ）ガスタービンエンジン、タービンベース複合サイクル（ＴＢＣＣ）エンジンシステム、およびファン・オン・ブレード（ＦＬＡＤＥ）エンジンのうちの少なくとも１つである。代替的な実施例では、ファン可変バイパス噴射器（ＶＡＢＩ）が、ＶＣＥガスタービンエンジン、ＡＣＥガスタービンエンジン、およびＴＢＣＣエンジンシステムのうちの少なくとも１つの内部において、ファンアセンブリ１２の下流且つコアエンジン１３の上流に位置決めされる。ＶＡＢＩは、コアエンジン１３に対して可変的バイパスフローを提供する。
【０００８】
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の下流に結合する燃焼室１６、および第１シャフト３２を経由して高圧コンプレッサ１４に結合する高圧タービン１８を包含する。例示的な実施例では、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は更に、コアガスタービンエンジン１３の下流に結合する低圧タービン２０、およびファンアセンブリ１２を低圧タービン２０に結合するために使用される第２シャフト３１を包含する。例示的な実施例では、第２シャフト３１は、約２．５インチの直径を有する。代替的な実施例では、第２シャフト３１は、２．５インチより大きい直径を有する。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、吸気側２８および排気側３０を有する。例示的な実施例では、ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、高圧コンプレッサ１４、高圧タービン１８、およびシャフト３２が第１スプール４０を形成し、ファンアセンブリ１２、低圧タービン２０、およびシャフト３１が第２スプール４２を形成する３スプール式エンジンである。
【０００９】
ガスタービンエンジンアセンブリ１０は更に、ファンアセンブリ１２と高圧コンプレッサ１４との間において軸方向に結合する中圧コンプレッサ４８、および高圧タービン１８と低圧タービン２０の間に結合する中圧タービン５０を包含する第３スプール４６を包含する。第３スプール４６は更に、中圧コンプレッサ４８を中圧タービン５０に結合する第３シャフト５２を包含する。
【００１０】
作動中、ファンアセンブリ１２から吐出される空気流の一部は、中圧コンプレッサ４８を介して導かれる。中圧コンプレッサ４８から吐出される圧縮空気はコンプレッサ１４を介して導かれ、そこで空気流は更に圧縮され、燃焼室１６へと導かれる。燃焼室１６からの燃焼ガスは、タービン１８、５０および２０を駆動するために利用される。ガスタービンエンジンアセンブリ１０は、設計作動状況と設計外作動状況との間における作動状況の範囲において作動可能である。
【００１１】
図２は、長手方向軸１１を有するもう１つの例示的なガスタービンエンジンアセンブリ２００の断面図である。エンジン２００は、エンジン１０と実質的に同様であるので、図２においても、図１の構成要素と全く同じ図２の構成要素は、図１で使用されたものと同じ参照番号を使用して示される。エンジン２００は、エンジン２００の外側ケーシング２０４とケーシング２０４の半径方向外側のＦＬＡＤＥケース２０６との間に形成される間隙を介して延在するＦＬＡＤＥ（ブレード上のファン）ダクト２０２を包含する３スプール式エンジンである。ダクト２０２は、入口２１４、ダクト入口２１４の下流に結合する入口ガイド翼形部（ＩＧＶ）２０３、およびＩＧＶ２０３の下流且つファンアセンブリ１２の半径方向外側に結合する複数のＦＬＡＤＥ２０８を包含する。ＦＬＡＤＥ２０８は、エンジン２００のスラストおよび効率の増大を容易にする。例示的な実施例では、ＩＧＶ２０３は可変的に位置決め可能であり、よってＦＬＡＤＥダクト２０２を介して空気流を選択的に制御できる。
【００１２】
エンジン２００は更に、ファンアセンブリ１２の下流に結合するダクト２１０を包含する。より詳細にはダクト２１０は、ＦＬＡＤＥダクト２０２の半径方向内側且つコアエンジン１３の半径方向外側にある。エンジン２００は更に、ファンアセンブリ１２の下流に結合するスプリッタ７０を包含する。より詳細にはスプリッタ７０は、コンプレッサ１４の上流に結合する。
【００１３】
作動中、空気流の第１部分２７は、ダクト入口２１４を介してダクト２０２の中に導かれる。空気流２７は、ＩＧＶ２０３を越えて且つＦＬＡＤＥ２０８を介して下流に導かれ、そこでＦＬＡＤＥダクト２０２の出口２１２を介して圧縮された後吐出されることにより、エンジン２００から吐出されるスラスト量の増大を容易にする。空気流の第２部分２９は、吸気側２８を介して導かれ、ファンアセンブリ１２によって圧縮される。ファンアセンブリ１２から吐出される空気流２９は、スプリッタ７０を越えて下流に導かれ、複数の流れ通路３３および３４に分割される。
【００１４】
作動中、空気流の第１部分３３は、ダクト２１０を介して下流に導かれた後エンジン２００から吐出される。更にまた、空気流の第２部分３４は作動中、中圧コンプレッサ４８を介して導かれる。中圧コンプレッサ４８から吐出される圧縮空気は、コンプレッサ１４を介して導かれ、そこで、更に圧縮された空気流が燃焼室１６に向かって吐出される。燃焼室１６からの燃焼ガスは、タービン１８，５０および２０を駆動するために利用される。ガスタービンエンジンアセンブリ２００は、設計作動状況と設計外作動状況の間における作動状況の範囲において作動可能である。
【００１５】
図３は、長手方向軸１１を有するガスタービンエンジンアセンブリ３００の断面図である。ガスタービンエンジンアセンブリ３００は、ファンアセンブリ１２およびコアガスタービンエンジン１３を包含する。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の下流に結合する燃焼室１６、および第１シャフト３２を経由して高圧コンプレッサ１４に結合する高圧タービン１８を包含する。例示的な実施例では、ガスタービンエンジンアセンブリ３００はまた、コアガスタービンエンジン１３の下流に結合する低圧タービン２０、ファンアセンブリ１２に結合するマルチステージ式ブースターコンプレッサ２２、および低圧タービン２０に対してアセンブリ１２およびブースターコンプレッサ２２を結合するシャフト３１を包含する。ガスタービンエンジンアセンブリ３００は、吸気側２８および排気側３０を有する。例示的な実施例では、ガスタービンエンジンアセンブリ３００は、高圧コンプレッサ１４、高圧タービン１８、およびシャフト３２が第１スプール４０を形成し、ファンアセンブリ１２、ブースター２２、低圧タービン２０、およびシャフト３１が第２スプール４２を形成する２スプール式エンジンである。
【００１６】
作動中、ファンアセンブリ１２から吐出される空気流の第１部分は、ブースター２２を介して導かれる。ブースター２２から吐出される圧縮空気は、コンプレッサ１４を介して導かれ、そこで空気流は、更に圧縮されて燃焼室１６に送出される。燃焼室１６からの燃焼ガスはタービン１８および２０を駆動するために利用され、タービン２０はシャフト３１を経由してファンアセンブリ１２およびブースター２２を駆動するために利用される。ガスタービンエンジンアセンブリ３００は、設計作動状況と設計外作動状況の間における作動状況の範囲において作動可能である。
【００１７】
ガスタービンエンジンアセンブリ３００はまた、例示的なパワーテイクオフシステム４００を包含する。パワーテイクオフシステム４００は、モータ／発電機４１０を包含するスタータ（図示せず）を包含する。本文において使用される「スタータ」という用語は、１つのモードでは、第１スプール４０を始動させるモータとして機能可能であり、第２モードでは、予め定めたエンジン作動の間に電力を発生させるべく第１スプール４０および／または第２スプール４２によって駆動され得る発電機としても作動可能な装置として定義される。
【００１８】
スタータは、モータ／発電機４１０と、スタータを第１スプール４０および／または第２スプール４２に結合するシャフト４１２とを包含する。より詳細にはシャフト４１２は、モータ／発電機４１０に結合することにより駆動される第１端部４３０を包含する。シャフト４１２は更に、第２端部４３２と、第２端部４３２に結合するピニオン（図示せず）とを包含する。更にまた、パワーテイクオフシステム４００は、ロータシャフト３１に結合しまたはスプライン結合する第１リングギヤ（図示せず）、および延長シャフト４１２に結合する第２リングギヤ（図示せず）を包含する。例示的な実施例では、シャフト４１２は約１インチの直径を有する。代替的な実施例では、シャフト４１２は１インチより大きい直径を有する。
【００１９】
図４は、ガスタービンエンジン１０、２００および／または３００の何れかと共に使用され得るシャフト１００の斜視図である。例示的な実施例では、シャフト１００は、第１シャフト３２（図２に示す）、第２シャフト３１（図２に示す）、第３シャフト５２（図２に示す）、および／またはシャフト４１２（図３に示す）のうちの少なくとも１つであるが、それらには限定されない。代替的な実施例では、シャフト１００は、少なくとも１つのスプールを包含するガスタービンエンジンの内部において使用される任意のシャフトであっても良い。更に代替的な実施例では、シャフト１００は、例えばパワーテイクオフ（ＰＴＯ）シャフト、補助パワーユニット（ＡＰＵ）内のシャフト、スタータ内のシャフト、または発電機内のシャフトであっても良い。更に代替的な実施例では、シャフト１００は、単一シャフト式補助パワーユニット（ＡＰＵ）であり、および／またはその中に埋め込んだ補強繊維を包含する金属マトリックス複合材料を使用して形成されるエンジンスタータシャフトである。更に代替的な実施例では、エンジンのバイパス比率の増大に伴い、単一シャフト式パワーテイクオフ（ＰＴＯ）シャフトは、その他の既知のシャフトよりも長め且つ細めに設計され、補強繊維を備えた金属マトリックス複合材料がシャフトの振動を削減する。
【００２０】
例示的な実施例では、シャフト１００の少なくとも一部は、以下で更に詳細に説明されるように、その中に埋め込んだ補強繊維を包含する金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）で形成される。例示的な実施例では、金属マトリックス複合材料は、チタン、ニッケル、鋼、アルミニウムまたはその他の材料のうちの少なくとも１つから成るが、それらには限定されない。金属マトリックス複合材料は、エンジンアセンブリに必要な強度を提供すると共に、トルクを伝達しなければならない。
【００２１】
各々のシャフト１００は、第１端部１０２、対向する第２端部１０４、およびそれらの間に延在する管状部分１０６を包含する。管状部分１０６は、センターライン軸１０８を有する細長い中空管状のシェルである。例示的な実施例では、管状部分１０６はチタンベースの合金で形成される。本文において使用されるとき、「チタンベースの合金」という用語は、その他のどの元素よりもチタン材料を多く存在せしめた合金を説明するために使用される。例示的な実施例では、各々のシャフト１００は、第１端部１０２に結合する第１エンドベル１１２と、第２端部１０４に結合する第２エンドベル１１４とを包含する。例示的な実施例では、エンドベル１１２および１１４は、本文において説明するように機能することを可能にする、チタン、鋼および／またはニッケルのような任意の材料で形成されるが、それらには限定されない。例示的な実施例では、エンドベル１１２および１１４は、例えば爆発溶接またはロウ付けによって、第１および第２の端部１０２および１０４と共に一体形成される。代替的な実施例では、エンドベル１１２および１１４は、カップリング式ジョイント、スプライン式ジョイント、フランジ式ジョイント、ボルト式ジョイント、および／または第１および第２の端部１０２および１０４と共に一体形成される接着性ジョイントのようなジョイントであるが、それらには限定されない。
【００２２】
図５は、線５−５に沿ってセンターライン軸１０８に対して垂直に採られたシャフト１００の断面図である。例示的な実施例では、シャフト１００は、管状部分１０６、管状部分１０６の少なくとも一部にわたって延在する少なくとも１つの補強層１１６、および補強層１１６の少なくとも一部にわたって延在して結合する硬化式クラッディングすなわちケーシング１２０を包含する。詳細には、管状部分１０６はチタンベースの合金で形成され、クラッディング１２０もまたチタンベースの合金で形成される。より詳細には、例示的な実施例では、管状部分１０６およびクラッディング１２０はそれぞれに、好ましくは同じ基準組成に従って形成される。代替的には、管状部分１０６およびクラッディング１２０は、異なった基準組成で形成される。
【００２３】
補強層１１６は、センターライン軸１０８に対して実質的に平行に方向付けされる複数の補強繊維１１８を包含する。補強繊維１１８は、ホウ素、グラファイト（カーボン）、アルミナ、および炭化ケイ素のような材料で形成され、エンジン１０、２００および／または３００の作動の間における高い張力、圧縮力および／または捩り荷重に耐える。補強繊維１１８は、１つまたはそれ以上の襞すなわち層を為して配置され、各々の襞はほぼ同じ一定の直径で形成される。例示的な実施例では、補強層１１６は補強繊維１１８を包含する。更にまた、例示的な実施例では、１層から１０層の間の補強繊維１１８が、以下で更に詳細に説明されるように、マトリックス１２４の内部に埋め込まれ方向付けされる。例示的な実施例では、マトリックス１２４は金属マトリックス複合（ＭＭＣ）材料である。
【００２４】
金属マトリックス複合材料は、少なくとも２つの成分を包含する複合材料であり、そのうちの１つが金属材料である。残りの成分は異なった金属材料を包含していても良く、または、セラミック、有機物またはその他の非金属性合成物のようなもう１つの材料であっても良い。例示的な実施例では、ＭＭＣ材料の金属成分は、マトリックスのチタンベース合金である。代替的な実施例では、ＭＭＣ材料の金属成分は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、コバルトおよび鉄のような金属材料を包含していても良いが、それらには限定されない。１つの実施例では、ＭＭＣ繊維材料は、マサチューセッツ州ローウェルのテキストロン社（Ｔｅｘｔｒｏｎ，  Ｉｎｃ．，  Ｌｏｗｅｌｌ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）、マサチューセッツ州ウィルミントンのアトランティック・リサーチ社（Ａｔｌａｎｔｉｃ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏ．，  Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，  Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ）、およびウエストバージニア州ブリッジポートのＦＭＷコンポジットシステムズ社（ＦＭＷ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｉｎｃ．  Ｂｒｉｄｇｅｐｏｒｔ，  Ｗｅｓｔ  Ｖｉｒｇｉｎｉａ）から商業的に入手可能である。
【００２５】
ＭＭＣ材料は概ね、密度に対するより高い強度の比率、密度に対するより高い剛性（Ｅ／ｒｈｏ）比率と、改善された疲労抵抗、より向上した温度特性を有して、より低い熱膨張係数と、改善された耐摩耗性、モノリシック金属に比較して改良された動力学的減衰とを提示する。更にまたＭＭＣ材料は、例えばおよそ１８−３２×１０６  ｐｓｉの弾性係数を有し、そのような材料で形成されるシャフト１００のようなシャフトが、チタンで形成される従来のモノリシック構造のドライブシャフトよりも、少なくともほぼ２５％優れた弾性係数を有することを可能にする。それ故シャフト１００は、その他の既知の材料を使用して形成されるシャフトよりも軽量且つ薄手の側壁を備えて形成され得る。更にまた、ＭＭＣ材料は、シャフト１００の優れた減衰を促進することにより、エンジンの作動の間にシャフト１００によって生起される騒音を最小化することを促進する。
【００２６】
例示的な実施例では、補強繊維１１８は、マトリックス１２４の内部に埋め込まれる炭化ケイ素の連続的な繊維である。代替的な実施例では、補強繊維１１８は、アルミナ、タングステンまたはその他の適当な材料のうちの少なくとも１つから成るが、それらには限定されない。更にまた、代替的な実施例では、補強繊維１１８は不連続である。詳細には、不連続な補強繊維１１８は、ナノ構造、ウィスカ、短繊維または微粒子である。補強繊維１１８は、非等方性の構造を結果として生じる特定の方向においてマトリックス１２４の中に埋め込まれ、そこでは補強繊維１１８の位置合わせがシャフト１００の強度に影響を与える。
【００２７】
補強繊維１１８は、マトリックス１２４の内部に結合し、繊維１１８は、管状部分１０６の内側表面１３１、またはクラッディング１２０の外側表面１３３の何れにおいても露出されない。詳細には、補強繊維１１８は、外側ドーピング、および／またはレーザー焼結、プラズマ蒸着および補強層を欠いた融解溶着のようなソリッドフリー成形技術のうちの少なくとも１つによってマトリックス１２４の中に埋め込まれる。
【００２８】
例示的な実施例では、管状部分１０６、マトリックス１２４、補強繊維１１８およびクラッディング１２０は全て、互いに接合されて一体部分を形成する。詳細には、例示的な実施例では、管状部分１０６、マトリックス１２４、補強繊維１１８およびクラッディング１２０は、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）、プラズマ蒸着（ＰＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、レーザー焼結または補強繊維１１８をマトリックス１２４に結合する拡散ボンディングのうちの少なくとも１つを使用して製造されるが、それらには制限されない。
【００２９】
組立てにおいて、例示的な実施例では、マトリックス１２４内部の補強繊維１１８は、層１３０および１３２としてその中において方向付けされる。各々の層１３０および１３２は、マトリックス１２４の層の内部に形成される繊維の少なくとも１つの襞を包含する。詳細には、例示的な実施例では、各々の層１３０は、各々の隣接する層１３２に対して予め設定した角度を為して互違いに配列される。代替的な実施例では、各々の層１３０は、隣接する層１３２に対して螺旋状に巻回される。例示的な実施例では、層１３０および１３２は、補強繊維１１８が何も配置されない限定的な周方向領域１３４を有する。補強繊維１１８は、シャフト１００の耐摩耗性、摩擦係数、実質的な減衰、および／または熱伝導率を改善することによって、マトリックス１２４の物理的特性を変更しても良い。
【００３０】
代替的な実施例では、連続的な補強繊維１１８は、材料の襞の形態において既にマトリックス１２４の内部に埋め込まれていて、マサチューセッツ州ローウェルのテキストロン社、および／またはウエストバージニア州ブリッジポートのＦＭＷコンポジットシステムズ社のような会社から商業的に購入されても良い。
【００３１】
代替的な実施例では、不連続な補強繊維１１８の実質的な特性は、シャフトの少なくとも一部を熱処理し、複合材料の微細構造を変化させ強化することにより、ＭＭＣ材料の減衰を増大させる。
【００３２】
様々なマトリックス材料、補強、および層の方向付けは、特殊な設計の必要を満たすべくシャフト１００の特性を調製することを可能にする。例えば、或る程度幅のある限度内において、１つの方向における強度および剛性を指定し、もう１つの方向における膨張係数を指定することも実行可能である。更にまた、本文において説明したような補強されたＭＭＣ材料は、強化した結果の複合材料の減衰能力の故に、既知のモノリシックなシャフトを備えたその他の既知のエンジンに対して、およそ２０％から１００％までシステムの振動を削減する。
【００３３】
詳細には、シャフト１００が逆回転マルチスプール式ガスタービンエンジンにおいて利用されるとき、エンジンシャフトのうちの少なくとも１本は第２シャフトに対向する回転方向を有する。エンジンシャフトの逆回転は、空気流の方向における削減したエアフォイル回転の故に低圧タービン効率を向上させて、相互作用的な衝撃損失を削減する。しかし、その向上したエンジン性能は、モノリシック構造の金属シャフト材料が使用される場合には、特には低圧タービンに関するエンジンシャフトの動力学的マージンおよび全体的な全てのエンジンクリアランスのマージンの縮小によって不都合となる。その中に分散させた補強繊維を包含するＭＭＣによってマルチスプール逆回転シャフトのうちの少なくとも１本のシャフトの少なくとも一部を形成することは、既知のモノリシック構造のシャフト材料すなわちＧＥ１０１４またはＭａｒａｇｅ２５０に対して、２０％から９０％までシャフトの動力学的な減衰特性すなわちＥ／ｒｈｏを向上させる。結果向上した複合材料の減衰は、エンジンクリアランスのマージンを大幅に削減して、逆回転のパフォーマンスの利点を最大化する。
【００３４】
本文において説明した方法は、第１ロータスプールをエンジンアセンブリ内部に結合させることを包含し、第１ロータスプールは、コアエンジンの上流に結合する第１ファンアセンブリ、コアエンジンの下流に結合する中圧タービン、および第１ファンアセンブリと中圧タービンの間に結合する第１シャフトを包含する。当該方法は、第２ロータスプールをエンジンアセンブリ内部に結合させることを更に包含し、第２ロータスプールは、第１ファンアセンブリの上流に結合する第２ファンアセンブリ、中圧タービンの下流に結合する低圧タービン、および第２ファンアセンブリと低圧タービンとの間に結合する第２シャフトを包含する。当該方法は更に、第３ロータスプールをエンジンアセンブリ内部に結合させることを包含し、第３ロータスプールは、コンプレッサアセンブリ、中圧タービンの上流に結合する高圧タービン、およびコンプレッサアセンブリと高圧タービンとの間に延在する第３シャフトを包含する。第１、第２、および第３のシャフトのうちの少なくとも１本は、第１端部、対向する第２端部、および第１端部と第２端部の間に延在する管状部分を包含する。補強層が当該管状部分の一部に外接し、補強層の少なくとも一部は、補強繊維を包含する金属マトリックス複合（ＭＭＣ）材料である。
【００３５】
本文において説明したものは、ガスタービンエンジンと共に使用される補強したＭＭＣ材料で形成される例示的なシャフトである。詳細には、例示的な実施例では、当該シャフトはマルチスプール式エンジン用として形成される。エンジン内のシャフトの本数が増加すると、内側のシャフトはその他の既知のシャフトより長め且つ細めになる。補強したＭＭＣ材料で形成される長くて細いシャフトは、モノリシックな材料で形成されたシャフトより強固且つ剛性である。補強したＭＭＣシャフトは更に、モノリシック構造のマトリックス材料に対して、少なくとも２０％から１００％まで実質的な減衰を向上させ、更に２０％から９０％まで強度容量を向上させる。更にまた、補強したＭＭＣシャフトは、本文において説明したように、エンジン全体の直径の削減のようなエンジン設計に対するニーズに合わせて調製されることも可能である。
【００３６】
ターボファンエンジンアセンブリのための補強したＭＭＣシャフトの例示的な実施例が、以上では詳細に説明されている。説明されたシャフトは、本文において説明した特定の実施例に限定されるものではなく、むしろ各々のシャフトの各コンポーネントが、本文において説明したその他のコンポーネントから別個独立に利用されても良い。
【００３７】
本発明は様々な特定の実施例に関連して説明されてきたが、当業者には本発明がその特許請求の範囲の精神および範囲内に納まる修正を加えて実行され得ると認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】例示的なマルチスプール式シャフトのガスタービンエンジンアセンブリの概略図である。
【図２】例示的なマルチスプール式ガスタービンエンジンおよびＦＬＡＤＥダクトの概略図である。
【図３】もう１つの例示的なガスタービンエンジンアセンブリおよび例示的なパワーテイクオフシステムの断面図である。
【図４】例示的なガスタービンエンジンと共に使用され得る例示的なシャフトの斜視図である。
【図５】伸張軸に対して垂直に採られる図４に示した例示的なシャフトの断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ガスタービンエンジンアセンブリ
１１  長手方向軸
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
１６  燃焼室
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２２  ブースターコンプレッサ
２７  第１部分
２７  空気流
２８  吸気側
２９  第２部分
３０  排気側
３１  第２シャフト
３２  第１シャフト
３３  第１部分
３４  第２部分
４０  第１スプール
４２  第２スプール
４６  第３スプール
４８  中圧コンプレッサ
５０  中圧タービン
５２  第３シャフト
７０  スプリッタ
１００  シャフト
１０２  第１端部
１０４  第２端部
１０６  管状部分
１０８  センターライン軸
１１２  第１エンドベル
１１４  第２エンドベル
１１６  補強層
１１８  補強繊維
１２０  クラッディング
１２４  マトリックス
１３０  層
１３１  内側表面
１３２  隣接する層
１３３  外側表面
１３４  周方向領域
２００  ガスタービンエンジンアセンブリ
２０２  ＦＬＡＤＥダクト
２０３  入口ガイド翼形部（ＩＧＶ）
２０４  外側ケーシング
２０６  ＦＬＡＤＥケーシング
２０８  ＦＬＡＤＥ
２１０  ダクト
２１２  出口
２１４  ダクト入口
３００  ガスタービンエンジンアセンブリ
４００  パワーテイクオフシステム
４１０  モータ／発電機
４１２  シャフト
４３０  第１端部
４３２  第２端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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