(57)【要約】【課題】エンジンケーシングの重量を低減できるようにし、それにより、ジェットタービンエンジンおよびジェット機自体の効率を大幅に向上させるエンジンケーシングを提供する。【解決手段】半径方向に延びる複数の支柱３４を有する中間タービンフレーム１４用のエンジンケーシング１２は、リング構造体２２および少なくとも１つの取付フランジ３０を有する。リング構造体２２は、内面２４と、外面２６と、外面２６に沿って等間隔に離間し、内面２４から突出する複数の窪み部２８と、を有する。リング構造体２２は、内面２４の窪み部２８で複数の支柱３４の各々に連結される。取付フランジ３０は各窪み部２８内に配置され、荷重をエンジンケーシング１２に伝達する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向に延びる複数の支柱を有する中間タービンフレーム用のエンジンケーシングであって、
内面および外面を有し、前記内面から突出した複数の窪み部を前記外面に沿って有し、前記内面の前記窪み部で前記複数の支柱のそれぞれに連結されたリング構造体と、
前記エンジンケーシングに荷重を伝達するために、前記窪み部の各々内に配置された少なくとも１つの取付体と、
を有するエンジンケーシング。
【請求項２】
上記リング構造体は厚さを有し、上記窪み部の各々は、少なくとも上記リング構造体の前記厚さと等しい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のエンジンケーシング。
【請求項３】
上記窪み部の各々は、厚さが上記リング構造体の上記厚さの３倍未満であることを特徴とする請求項２に記載のエンジンケーシング。
【請求項４】
少なくとも３つの取付体を有することを特徴とする請求項１に記載のエンジンケーシング。
【請求項５】
上記支柱の各々は副軸および主軸を有し、上記窪み部の各々は副軸および主軸を有し、上記窪み部の前記副軸は、少なくとも上記支柱の前記副軸と等しいことを特徴とする請求項１に記載のエンジンケーシング。
【請求項６】
上記窪み部の上記主軸は、最大で上記支柱の上記主軸の３倍であることを特徴とする請求項５に記載のエンジンケーシング。
【請求項７】
上記エンジンケーシングは、重量が約１４０ポンド（約６３．５ｋｇ）から約１５０ポンド（約６８．０ｋｇ）であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンケーシング。
【請求項８】
中間タービンフレームが多方向の荷重伝達を行うのを可能にするシェルケーシングであって、
前記中間タービンフレームに連結したリング構造体と、
前記リング構造体の剛性を高めるために、前記リング構造体の円周に沿って配置した複数のシェル補強材と、
を有するシェルケーシング。
【請求項９】
上記複数のシェル補強材は窪み部であることを特徴とする請求項８に記載のシェルケーシング。
【請求項１０】
さらに、上記中間タービンフレームから上記シェルケーシングに荷重を伝達するために、上記窪み部内に配置した取付体を有することを特徴とする請求項９に記載のシェルケーシング。
【請求項１１】
上記中間タービンフレームは、副軸および主軸を有する複数の支柱によって、前記複数のシェル補強材部で上記シェルケーシングに連結されることを特徴とする請求項８に記載のシェルケーシング。
【請求項１２】
上記シェル補強材は、それぞれ上記支柱の上記副軸および上記主軸と実質的に等しい副軸および主軸を有することを特徴とする請求項１１に記載のシェルケーシング。
【請求項１３】
上記シェル補強材は副軸および主軸を有し、シェル補強材の前記副軸および前記主軸はそれぞれ、上記支柱の上記副軸および上記主軸の３倍未満であることを特徴とする請求項１１に記載のシェルケーシング。
【請求項１４】
上記シェルケーシングは、重量が約１６０ポンド（約７２．６ｋｇ）未満であることを特徴とする請求項８に記載のシェルケーシング。
【請求項１５】
上記シェルケーシングは、重量が約１４５ポンド（約６５．８ｋｇ）未満であることを特徴とする請求項１４に記載のシェルケーシング。
【請求項１６】
中間タービンフレームから支持構造体に荷重を伝達するために、中間タービンフレームに連結可能な軽量支持構造体であって、
前記中間タービンフレームの複数の支柱によって前記中間タービンフレームに連結されたフレームと、
前記フレームの円周に沿って配置され、前記複数の支柱を前記フレームに連結する複数の窪み部と、
前記中間タービンフレームから前記フレームに荷重を伝達するために、前記複数の窪み部内に配置した取付体と、
を有する軽量支持構造体。
【請求項１７】
上記窪み部は第１の高さを有し、上記取付体は第２の高さを有し、該第２の高さは前記第１の高さよりも高いことを特徴とする請求項１６に記載の軽量支持構造体。
【請求項１８】
上記窪み部は、上記フレームの剛性を高めることを特徴とする請求項１６に記載の軽量支持構造体。
【請求項１９】
上記軽量支持構造体は、重量が約１６０ポンド（約７２．６ｋｇ）未満であることを特徴とする請求項１６に記載の軽量支持構造体。
【請求項２０】
上記軽量支持構造体は、重量が約１４５ポンド（約６５．８ｋｇ）未満であることを特徴とする請求項１９に記載の軽量支持構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガスタービンエンジンの分野に関する。特に、本発明は、ジェットタービンエンジン用のエンジンケーシングに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファンは、ジェット機などの航空機で一般的に使用するガスタービンエンジンの一種である。ターボファンは通常、高圧および低圧圧縮機、高圧および低圧タービン、高圧回転シャフト、低圧回転シャフト、ファン、および燃焼室を有する。高圧圧縮機（ＨＰＣ）は、高圧回転シャフトによって高圧タービン（ＨＰＴ）に連結され、高圧システムとして連携して動作する。同様に、低圧圧縮機（ＬＰＣ）は、低圧回転シャフトによって低圧タービン（ＬＰＴ）に連結され、低圧システムとして連携して動作する。低圧回転シャフトは、ＨＰＣ、ＨＰＴ、ＬＰＣ、ＬＰＴ、ならびに高圧および低圧シャフトが同軸上に整列されるように高圧シャフト内に収容され、ファンに連結される。
【０００３】
外部空気がファンおよびＨＰＣによってジェットタービンエンジンに引き込まれ、このＨＰＣは、システムに引き込まれた空気の圧力を上げる。次いで、高圧空気は燃焼室に入り、燃料を燃焼させ、排気ガスを排出する。ＨＰＴは、燃料を使用して高圧シャフトを回転させることでＨＰＣを直接駆動する。ＬＰＴは、燃焼室で生成した排出ガスを使用して低圧シャフトを回転させ、この低圧シャフトは、システム内に空気を継続的に取り入れるためにファンを駆動する。ファンによって取り入れられた空気はＨＰＴおよびＬＰＴを迂回し、ジェット機を前進させるエンジン推力を高めるように働く。
【０００４】
高圧および低圧システムを支持するために、ベアリングがジェットタービンエンジン内に配置されて、高圧および低圧システムによって発生した荷重の分散に寄与する。このベアリングは、ベアリング支持構造体によってＨＰＴとＬＰＴとの間に配置された中間タービンフレームを収容するエンジンケーシングに連結される。ベアリング支持構造体は、例えば、ベアリングコーンとすることができる。ベアリング支持構造体からの荷重は、中間タービンフレームを通ってエンジンケーシングに伝達される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エンジンケーシングの重量を低減することにより、ジェットタービンエンジンおよびジェット機自体の効率を大幅に向上させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
半径方向に延びる複数の支柱を有する中間タービンフレーム用のエンジンケーシングは、リング構造体と少なくとも１つの取付体とを有する。リング構造体は、内面と、外面と、外面に沿って等間隔に離間し、内面から突出する複数の窪み部と、を有する。リング構造体は、内面の窪み部で複数の支柱のそれぞれに連結される。取付体は各窪み部内に配置され、荷重をエンジンケーシングに伝達する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、ガスタービンエンジン軸中心線周りのガスタービンエンジン１０の中間部分の部分断面図である。ガスタービンエンジン１０は通常、エンジンケーシング１２、中間タービンフレーム１４、マウント１６、第１のベアリング１８、および第２のベアリング２０を有する。ガスタービンエンジン１０のエンジンケーシング１２は、第１のベアリング１８および第２のベアリング２０から中間タービンフレーム１４を介してマウント１６に荷重を効率よく伝達する軽量設計とされる。エンジンケーシング１２の設計はまた、２つの荷重伝達点を可能にし、膜荷重伝達を可能にし、エンジンケース１２からマウント１６への荷重を平衡させる。
【０００８】
エンジンケーシング１２は、中間タービンフレーム１４を収容し、中間タービンフレーム１４をその周囲環境から保護する。エンジンケーシング１２は、中間タービンフレーム１４からマウント１６に荷重を伝達するように機能する。エンジンケーシング１２の構造はレールを必要とせず、エンジンケーシング１２を軽量でコスト効率のよい構造体とする。さらに、レールがないことにより、エンジンケーシング１２に作用する抗力が低減される。１つの実施例では、エンジンケーシング１２は、従来のエンジンケーシングよりも重量が約１５％から２２％軽い。１つの実施例では、エンジンケーシング１２は、重量が約１６０ポンド未満である。１つの実施例では、エンジンケーシング１２は、重量が約１４０ポンドから約１５０ポンドである。
【０００９】
中間タービンフレーム１４はエンジンケーシング１２内に収容され、エンジンケーシング１２と、第１のベアリング１８および第２のベアリング２０とに連結されている。中間タービンフレーム１４は、第１のベアリング１８および第２のベアリング２０からエンジンケーシング１２およびマウント１６に荷重を伝達する。
【００１０】
第１のベアリング１８および第２のベアリング２０は、エンジンケーシング１２の下方において、ガスタービンエンジン１０の前方端および後部端にそれぞれ配置されている。第１のベアリング１８および第２のベアリング２０は、ガスタービンエンジン１０内に配置した高圧および低圧ロータからの振動荷重だけでなく、スラスト荷重、垂直張力、側部ジャイロ荷重を支持する。第１のベアリング１８および第２のベアリング２０によって支持される荷重のすべては、中間タービンフレーム１４を介してエンジンケーシング１２およびマウント１６に伝達される。
【００１１】
図２および図３はそれぞれ、中間タービンフレーム１４を収容するエンジンケーシング１２の拡大斜視図とエンジンケーシング１２の側面図とを示し、互いに関連させて説明される。エンジンケーシング１２は通常、内面２４、外面２６、および窪み部（ｄｉｍｐｌｅ）２８を備えたリング構造体２２を有する。内面２４と外面２６との間の領域では、リング構造体２２は、高さＨringを有する。窪み部２８は、リング構造体２２の円周に沿って等間隔に離間し、内面２４と外面２６の間に配置され、外面２６で窪みを形成し、内面２４で突起を形成している。窪み部２８は、エンジンケーシング１２を局所的に強化し、耐曲げ剛性を増強することでエンジンケーシング１２の剛性を高め、それにより、中間タービンフレーム１４からエンジンケーシング１２への多方向の荷重伝達を効率的なものにする。１つの実施例では、窪み部２８は、リング構造体２２の高さＨringの約１倍から約３倍の高さＨdimplesを有している。エンジンケーシング１２はまた、窪み部２８内に配置した埋め込み取付体つまり取付フランジ３０を有する。
【００１２】
取付フランジ３０は窪み部２８内に埋め込まれ、レールを不要にする。取付フランジ３０が窪み部２８に埋め込まれているために、取付フランジ３０は、荷重経路がエンジンケーシング１２に局所的に直結するのを可能にし、エンジンケーシング１２の窪み部２８の剛性化効果と相まって、荷重および応力を効率的に分散させる。取付フランジ３０はまた、（図１に示すように）エンジンケーシング１２をマウント１６に連結するように働く。取付フランジ３０がマウント１６への荷重伝達手段として十分に動作できるのを確実にするために、取付フランジ３０は、窪み部２８の高さＨdimplesと少なくとも等しい高さを有する。１つの実施例では、エンジンケーシング１２は、少なくとも３つの取付フランジ３０を有する。
【００１３】
中間タービンフレーム１４は通常、トルクボックス３２と複数の支柱３４とを有する。（図１および図５に示す）第１のベアリング１８および第２のベアリング２０はそれぞれ、（図１および図５に示す）第１のベアリングコーン３６および第２のベアリングコーン３８によって中間タービンフレーム１４に連結されている。第１のベアリングコーン３６および第２のベアリングコーン３８は、（図１に示す）ガスタービンエンジン１０の高圧および低圧ロータとともに連続して回転し、第１のベアリング１８および第２のベアリング２０から中間タービンフレーム１４に荷重を伝達する。
【００１４】
トルクボックス３２はリング構造体４０を有し、第１および第２のベアリングコーン３６、３８と支柱３４との間に配置されている。トルクボックス３２は、第１のベアリングコーン３６および第２のベアリングコーン３８から荷重またはトルクを取り込み、トルクボックス３２の円周部から延びる支柱３４に荷重を伝達する前に荷重を結合する。
【００１５】
中間タービンフレーム１４の支柱３４は、中間タービンフレーム１４のトルクボックス３２から延び、トルクボックス３２を介して入る第１のベアリングコーン３６および第２のベアリングコーン３８からの荷重をエンジンケーシング１２に伝達する。各支柱３４は、トルクボックス３２に連結した第１の端部４２とエンジンケーシング１２に連結した第２の端部４４とを有する。第１のベアリングコーン３６および第２のベアリングコーン３８からの荷重は、トルクボックス３２から支柱３４を介してエンジンケーシング１２に進む。１つの実施例では、窪み部２８および支柱３４は、各支柱３４が別の窪み部２８でエンジンケーシング１２に連結されるように数量が等しくなっている。１つの実施例では、支柱３４は楕円形状を有し、荷重を取り込み、エンジンケーシング１２に向けて垂直方向に荷重を伝達する寸法とされる。１つの実施例では、トルクボックス３２の円周に沿って９つの支柱が互いに約４０°離間して配置される。別の実施例では、トルクボックス３２の円周に沿って全部で１２個の支柱が互いに約３０°離間して配置される。
【００１６】
図４および図５はそれぞれ、エンジンケーシング１２および中間タービンフレーム１４の断面斜視図と概略図を示し、互いに関連させて説明される。図４および図５で分かるように、中間タービンフレーム１４の支柱３４は、中間タービンフレーム１４をエンジンケーシング１２に連結している。支柱３４の第２の端部４４は、窪み部２８によってできた突起部でエンジンケーシング１２の内面２４に連結されている。支柱３４は窪み部２８によってできた突起部でエンジンケーシング１２につながるので、支柱３４の全体長さは短くなる。窪み部２８とトルクボックス３２との間にある支柱３４の長さが短くなると、支柱３４の荷重担持能力だけでなく、危険な座屈荷重に対する担持能力も高まる。長さを短くするのに加えて、支柱３４は中空とすることができ、中間タービンフレーム１４の重量がさらに減る。窪み部２８は、支柱３４と連結された場合に、局所的な補強材として働き、膜曲げ剛性を局所的に高める。支柱３４は副軸（ｍｉｎｏｒ ａｘｉｓ）Ａminor1と主軸（ｍａｊｏｒ ａｘｉｓ）Ａmajor1を有し、窪み部２８は副軸Ａminor2と主軸Ａmajor2を有する。１つの実施例では、窪み部２８の副軸Ａminor2は、支柱３４の副軸Ａminor1にほぼ等しく、窪み部２８の主軸Ａmajor2は、支柱３４の主軸Ａmajor1の約２倍である。
【００１７】
取付フランジ３０は窪み部２８内に配置されて、エンジンケーシング１２をマウント１６に連結している。窪み部２８と窪み部２８内に埋め込んだ取付フランジ３０とを結合すると、エンジンケーシング１２に剛性が加わり、エンジンケーシング１２の荷重担持能力が高くなる。埋め込んだ取付フランジ３０は、局所応力を再分散させ、より剛性が高いエンジンケーシング１２に伝達するのを可能にする。穴４６は各取付フランジ３０の上部４８に配置されて、第１のベアリング１８および第２のベアリング２０からの取付体部の荷重を分散させる。
【００１８】
荷重は第１のベアリング１８および第２のベアリング２０から、それぞれ第１のベアリングコーン３６および第２のベアリングコーン３８を通って伝達され、中間タービンフレーム１４のトルクボックス３２および支柱３４で一緒になる。次に、支柱３４は、荷重をエンジンケーシング１２の窪み部２８および取付フランジ３０に運ぶ。トルクボックス３２と窪み部２８の両方のＵ字形状設計は、２つのＵ字形荷重伝達点をもたらし、中間タービンフレーム１４およびエンジンケーシング１２から取付フランジ３０およびマウント１６への効率のよい荷重伝達を可能にする。Ｕ字構造は、シェル構造の膜曲げを効果的にすることから有益であり、エンジンケーシング１２の全重量を低減する。図４および図５は、Ｕ字形状のトルクボックス設計とした中間タービンフレーム１４のトルクボックス３２を示しているが、エンジンケーシング１２は、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の中間タービンフレーム設計とともに使用することができる。
【００１９】
取付体を埋め込んだエンジンケーシング設計は、第１および第２のベアリングから１対のエンジンマウントに荷重を効率的に分散させる軽量の構造体をもたらす。第１および第２のベアリングからの荷重は、最初に、中間タービンフレームをエンジンケーシングに取り付ける複数の支柱を有する中間タービンフレームを通る。エンジンケーシングはリング構造体を有し、リング構造体の円周を回って複数の窪み部が等間隔に配置される。中間タービンフレームの各支柱は、窪み部の１つでエンジンケーシングに連結する。窪み部は、多方向に荷重を伝達するだけでなく、エンジンケーシングを局所的に剛性化する。さらに、窪み部はレールを不要にし、かつ支柱の長さを短くして、エンジンケーシングの全重量を低減する。
【００２０】
本発明を好ましい実施例に関連させて説明したが、当業者ならば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、基本形態および細部にわたって変更可能であると分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガスタービンエンジンの中間部分の部分断面図である。
【図２】マウントを埋め込んだエンジンケーシングの拡大斜視図である。
【図３】エンジンケーシングの側面図である。
【図４】エンジンケーシングの断面斜視図である。
【図５】エンジンケーシングのセグメントの断面斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１２…エンジンケーシング
１４…中間タービンフレーム
２２…リング構造体
２４…内面
２６…外面
２８…窪み部
３０…取付フランジ
３２…トルクボックス
３４…支柱
４０…リング構造体
４２…第１の端部
４４…第２の端部
【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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