(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン組立体及びそれを組立てる方法に関する。【解決手段】ガスタービンエンジン組立体は、高圧タービン１８を備えたコアガスタービンエンジンと、コアガスタービンエンジンの上流に位置しコアガスタービンエンジンに結合されたファン組立体と、コアガスタービンエンジンの下流で該コアガスタービンエンジンに結合され且つディスク１０５、該ディスクと一体に形成されたフランジ１０７及び該フランジ内に形成された複数のスプライン１０８を備えた低圧タービン２０と、ファン組立体に結合された第１の端部と複数のスプライン１１０を含む第２の端部１２２とを備えたシャフト３１と、シャフトと高圧タービンとの間に結合され、かつ該高圧タービンに対して回転支持を与えるように構成された差動軸受１７０を含む。【選択図】図３
2008082338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タービン（１８）を含むコアガスタービンエンジン（１３）と、
前記コアガスタービンエンジンの上流に位置するように該コアガスタービンエンジンに結合されたファン組立体（１２）と、
前記コアガスタービンエンジンの下流で該コアガスタービンエンジンに結合され、かつディスク（１０５）、前記ディスクと一体に形成されたフランジ（１０７）及び前記フランジ内に形成された複数のスプライン（１０８）を含む低圧タービン（２０）と、
前記ファン組立体に結合された第１の端部（１２０）と複数のスプライン（１１０）を備えた第２の端部（１２２）とを含むシャフト（３１）と、
前記シャフトと前記高圧タービンとの間に結合され、かつ該高圧タービンに対して回転支持を与えるように構成された差動軸受（１７０）と、
を含むガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項２】
前記差動軸受（１７０）が、前記シャフト（３１）と前記高圧タービン（１４）の下流側との間に結合される、請求項１記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項３】
前記シャフトスプライン（１１０）が、前記シャフト（３１）を介して前記低圧タービン（２０）から前記ファン組立体（１２）にトルクが伝達されるように前記フランジスプライン（１０８）とかみ合うように構成される、請求項１記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項４】
前記シャフト（３１）が、
外径を有する第１の部分（１００）と、
前記第１の部分の外径（１３２）よりも小さい外径（１３４）を有する第２の部分（１０２）と、を含む、
請求項１記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項５】
前記第１の部分（１００）が第１の長さ（１４０）を有し、
前記第２の部分（１０２）が、前記第１の長さよりも小さい第２の長さを有する、
請求項４記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項６】
前記第１の部分（１００）及び第２の部分（１０２）が、単体構造に形成される、請求項４記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項７】
前記ファン組立体（１２）及び高圧タービン（１８）が、前記第１の長さ（１４０）にほぼ等しい距離だけ分離される、請求項５記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項８】
前記コアガスタービンエンジン（１３）が、それを貫通して延びるボア（１０６）を有するディスク（１０５）を備えた高圧タービン（１８）を含み、
前記ボアが、前記シャフトの第１の部分の外径（１３２）よりも小さい内径（１３４）を有する、
請求項４記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項９】
前記コアガスタービンエンジン（１３）が、前記シャフトの第１の部分（１００）の下流に結合された高圧タービン（１４）を含む、請求項４記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項１０】
前記シャフト（３１）が、
１０．２〜１２．７ｃｍ（４〜５インチ）である外径（１３２）を有する第１の部分（１００）と、
７．６２〜１０．２ｃｍ（３〜４インチ）である外径（１３４）を有する第２の部分（１０２）と、を含む、
請求項１記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン組立体及びそれを組立てる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、ファン、コアガスタービンエンジン、及び出力すなわち低圧タービンを含む。コアエンジンは、直列流れ関係で互いに結合された、高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを含む。低圧タービンは、コアガスタービンエンジンの下流に結合されかつ該コアガスタービンエンジンによって駆動される。より具体的には、高圧圧縮機と高圧タービンとは、第１のシャフトを用いて互いに結合されて高圧ロータ組立体を形成し、また低圧タービンとファンとは、第２のシャフトを用いて互いに結合される。コアエンジンに流入する空気は、燃料と混合されかつ点火されて高エネルギーガスストリームを形成する。高エネルギーガスストリームは、高圧タービンを通して吐出されて高圧タービンを駆動し、従って低圧タービンもまた駆動する。
【０００３】
寿命維持コストを低減するために、設計検討中のガスタービンエンジンは、公知の高圧タービンディスクのボア直径よりも実質的に小さいボア直径を有する高圧タービンを含む。比較的小さいボア直径を有する高圧タービンディスクを使用することにより、ディスク応力を減少させることによってディスク寿命を増大させることが可能になる。具体的には、コアガスタービンエンジンは、高圧タービンディスクに適合するような寸法にされる。高圧タービンディスクの寸法を定めることにより、ディスクの寿命を増大させることができるが、コアガスタービンエンジンは、依然として運転速度と第１の臨界値との間に許容速度マージンを有するように設計しなければならない。
【０００４】
しかしながら、少なくとも幾つかの公知のコアエンジンよりも遙かに高速で運転することができるようにコアガスタービンエンジンの設計を配慮しながら、高圧タービンディスク寿命要件と共にまた速度マージン基準の両方を満たすガスタービンエンジンを設計することは困難である。具体的には、より小径の高圧タービンディスクボアにより、低圧タービンとファンとの間のドライブシャフトが小径になる。その結果、このドライブシャフトは、設計基準を満たすためにこれもまた許容することができない曲げ又はトルクレベルを受けるおそれがある。
【特許文献１】米国特許第７，１８６，０７３号公報
【特許文献２】米国特許第６，８８７，０４３号公報
【特許文献３】米国特許第６，７６３，６５４号公報
【特許文献４】米国特許第６，７６３，６５３号公報
【特許文献５】米国特許第６，７３９，１２０号公報
【特許文献６】米国特許第６，６８１，５５７号公報
【特許文献７】米国特許第６，５２０，７４２号公報
【特許文献８】米国特許第５，３０７，６２２号公報
【特許文献９】米国特許第５，１５６，５２５号公報
【特許文献１０】米国特許第４，８０９，４９８号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービンエンジン組立体は、高圧タービンを含むコアガスタービンエンジンと、コアガスタービンエンジンの上流に位置するように該コアガスタービンエンジンに結合されたファン組立体と、コアガスタービンエンジンの下流で該コアガスタービンエンジンに結合され、かつフランジを有するディスク及び該フランジ内に形成された複数のスプラインを含む低圧タービンと、ファン組立体に結合された第１の端部と複数のスプラインを備えた第２の端部とを含むシャフトと、シャフトと高圧タービンとの間に結合され、かつ該高圧タービンに対して回転支持を与えるように構成された差動軸受とを含む。
【０００６】
またここでは、ガスタービンエンジン組立体を組立てる方法を開示する。この方法は、ファン組立体を、該ファン組立体がコアガスタービンエンジンの上流に位置するように該コアガスタービンエンジンに結合する段階と、フランジを有するディスク及び該フランジ内に形成された複数のスプラインを含む低圧タービンを、コアガスタービンエンジンの下流に結合する段階と、第１の端部と複数のスプラインを備えた第２の端部とを含むシャフトを準備する段階と、シャフトの第１の端部をファン組立体に結合する段階と、シャフトスプラインがフランジスプラインとかみ合うようにシャフトの第２の端部を低圧タービンに結合して、エンジン運転中に該シャフトを介して低圧タービンからファン組立体にトルクが伝達されるようにする段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なガスタービンエンジン組立体１０の概略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２とコアガスタービンエンジン１３とを含む。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６と、高圧タービン１８とを含む。ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービン２０と、多段ブースタ圧縮機２２とを含む。
【０００８】
ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。ファン組立体１２、ブースタ２２及び低圧タービン２０は、第１のロータシャフト３１によって互いに結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は、第２のロータシャフト３２によって互いに結合される。
【０００９】
運転中、空気はファン組立体１２を通って流れ、空気流の第１の部分はブースタ２２を通して送られる。ブースタ２２から吐出された加圧空気は、圧縮機１４を通して送られ、圧縮機１４において、空気流はさらに加圧されて燃焼器１６に給送される。燃焼器１６からの高温燃焼生成物（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動するために使用され、タービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２及びブースタ２２を駆動するために使用される。ガスタービンエンジン組立体１０は、設計運転条件と設計外運転条件との間の運転条件の範囲で運転可能である。
【００１０】
図２は、図１に示すシャフト３１の断面図である。この例示的な実施形態では、シャフト３１は、第１の部分１００と、第２の部分１０２と、第１及び第２の部分１００及び１０２間に結合された移行部分１０４とを含む。さらに、低圧タービン２０は、ロータディスク１０５と、ロータディスク１０５と一体に形成されたフランジ１０７と、フランジ１０７を貫通して延びるボア１０６と、フランジ１０７の半径方向内面の周りに形成された複数のスプライン１０８とを含む。この例示的な実施形態では、ボア１０６は、長手方向軸線１１の周りでフランジ１０７の中心線を通るように形成される。従って、シャフト３１は、フランジスプライン１０８とかみ合うように構成された複数のスプライン１１０を含み、エンジン運転中にシャフト３１を介して低圧タービン２０からファン組立体１２にトルクが伝達されるようになる。
【００１１】
シャフト３１はまた、ファン組立体１２に結合された第１の端部１２０と、低圧タービン２０に結合された、シャフトスプライン１１０を備えた第２の端部１２２とを含む。この例示的な実施形態では、フランジスプライン１０８は、雌スプラインであり、またシャフトスプライン１１０は、雌スプラインとかみ合うように構成された雄スプラインである。任意選択的に、シャフトスプライン１１０は雌スプラインであり、またフランジスプライン１０８は雄スプラインである。本明細書で用いる場合には、スプラインというのは、シャフト上又はディスクを貫通して形成され、互いにスプライン嵌合で部品とかみ合いかつ該互いにスプライン嵌合した部品の回転速度を等しくし、それによってトルクを伝達する一連のリッジを意味する。
【００１２】
この例示的な実施形態では、シャフト３１は、オーバサイズの高圧タービン１８に適合するように構成される。より具体的には、高圧タービン１８は公知の高圧タービンよりも実質的に小さい内径１３０を有するので、シャフト３１は選択的に、実質的により大型の高圧タービンに適合するような寸法にされる。従って、シャフトの第１の端部１２０は、高圧タービンディスク１８の内径１３０よりも大きい外径１３２を有し、またシャフトの第２の端部１２２は、外径１３２よりも小さい外径１３４を有する。この構成により、シャフトの第２の端部１２２を、高圧タービン１８を貫通して形成されたボア１３６を通して設置しかつ低圧タービン２０に結合することが可能になる。
【００１３】
シャフト３１の構造強度を維持する、従ってシャフトの撓みを減少させるために、第１の部分の直径１３２は、第２の部分の直径１３４よりも実質的に大きい。例えば、１つの実施形態では、第１の部分１００は、約１１．４ｃｍ（４．５インチ）である直径１３２を有し、また第２の部分１０２は、約８．８９ｃｍ（３．５インチ）である直径１３４を有する。しかしながら、第２の直径１３４は、高圧タービン１８の内径１３０に基づいて選択され、従って、高圧タービンボア１３６を通してシャフト３１を挿入しかつ該シャフト３１を低圧タービン２０に結合することができることを保証するように増大させるか又は減少させるかのいずれかとすることができることを理解されたい。
【００１４】
さらに、第１の部分１００は、第２の部分１０２の長さ１４２よりも大きい長さ１４０を有する。従って、長さ１４０に沿った第１のシャフト部分１００の厚さすなわち直径１３２は、長さ１４２に沿った第２のシャフト部分１０２の直径１３４よりも実質的に大きい。より具体的には、ファン組立体１２及び高圧タービン１８は、ある距離だけ分離されるので、第１の部分１００の長さ１４０は、ファン組立体１２と高圧タービン１８との間で該第１の部分１００の直径１３２を最大にすることができるように選択され、シャフト３１の直径は、該シャフト３１がディスクボア１３６を貫通しかつ低圧タービン２０に結合されることが可能になるように減少させる。従って、第１の部分１００の長さ１４０は、第２の部分１０２の長さ１４２よりも実質的に大きい。
【００１５】
上述のように、シャフト３１は、それぞれ第１、第２及び第３の部分１００、１０２及び１０４を含む。１つの実施形態では、第１、第２及び第３の部分１００、１０２及び１０４は、例えば溶接又はろう付け法を用いて互いに結合された別個の構成部品として製作される。この例示的な実施形態では、第１、第２及び第３の部分は、単一の一体構造シャフト３１として形成される。
【００１６】
図３は、図１に示すガスタービンエンジン組立体の下流部分の拡大断面図である。図４は、図１に示すガスタービンエンジン組立体の前方部分の拡大断面図である。図３に示すように、組立て時に、低圧タービン２０は、コアガスタービンエンジン１３の下流端部に結合される。次に、シャフト３１は、該シャフトの第２の端部１２２が低圧タービン２０内に少なくとも部分的に挿入されかつフランジスプライン１０８がシャフトスプライン１１０とかみ合うように、高圧タービン１８を含むコアガスタービンエンジン１３を通して挿入される。この例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービンシャフト３１が高圧タービン１８を支持するように低圧タービン２０と高圧タービン１８との間に配置された差動軸受組立体１７０を含む。より具体的には、ガスタービンエンジン組立体１０は、高圧タービン１８を軸受組立体１７０に、従って低圧タービンシャフト３１に結合するために利用される円錐シャフト１７２を含む。差動軸受組立体１７０は、シャフト３１に固定された回転内輪１８０と、円錐シャフト１７２に固定された回転外輪１８２と、それぞれ内輪及び外輪１８０及び１８２間に配置された複数の転動体１８４とを含む。この例示的な実施形態では、軸受組立体１７０は、高圧タービン１８に対して回転支持を与える、従って通常は高圧タービンを支持するために用いられるフレーム組立体及び軸受を排除する複数のローラ軸受１８４を含む。さらに、ガスタービンエンジン組立体１０は、シャフト３１とタービン後部フレーム１９２との間に結合された軸受組立体１９０を含む。軸受組立体１９０は、シャフト３１の後方端部を支持するように、従ってまた高圧タービン１８に対して支持を与えるように構成される。
【００１７】
図４に示すように、シャフト３１は、軸受組立体１５０を使用してコアガスタービンエンジン１３の前方端部で支持される。軸受組立体１５０は、シャフト３１に固定された回転内輪１５２と、フレーム１６０に結合された固定外輪１５４と、それぞれ内輪及び外輪１５２及び１５４間に配置された複数の転動体１５６とを含む。この例示的な実施形態では、軸受組立体１５０は、シャフト３１に対して回転支持を与えかつシャフトの撓みを減少させるのを可能にするローラ軸受組立体である。次に、ファン組立体１２は、コアガスタービンエンジン１３の上流端部に結合され、シャフトの第１の端部１２０はファン組立体１２に結合されて、低圧タービン２０が次にファン組立体１２に結合されるようになる。
【００１８】
本明細書に記載しているのは、ファン組立体、コアガスタービンエンジン、低圧タービン、及びファン組立体と低圧タービンとの間に結合されたシャフトを含むガスタービンエンジン組立体である。具体的には、本明細書に記載したガスタービンエンジンは、より小さなフランジボア直径を有する高圧タービンを使用するのを可能にする低圧タービンシャフトを含む。その結果、高圧タービンの寿命は、依然として運転速度と第１の臨界値との間に許容速度マージンを維持しながら、応力を低減することによって増大させることができる。
【００１９】
具体的には、高圧タービンフランジの直径は、ガスタービンエンジン組立体の後方端部において低圧タービンフランジにスプライン嵌合した低圧タービンシャフトを使用することによって減少されるが、公知のガスタービンは、低圧タービンシャフトの前方端部にスプラインを含む。その結果、シャフト直径の減少はシャフトの端部において生じ、それによって、高圧タービンディスクをより小さなボア半径を有するように設計し、従って高圧タービンの寿命を増大させることが可能になる。
【００２０】
本明細書に記載したガスタービンエンジンはまた、ガスタービンエンジンの後方端部において低圧タービンシャフトと高圧タービンとの間に結合された差動軸受を含む。差動軸受は、高圧タービンを支持し、従って通常は高圧タービンを支持するために用いられるタービン中間フレームの必要性を排除するように構成される。この構成は、エンジンの組立及び分解の複雑性を低減する。例えば、低圧タービンシャフトが後方端部においてスプライン嵌合されるので、シャフトは、ガスタービンエンジンの前面から設置及び取外すことができ、従ってガスタービンエンジンの組立及び分解を改善することができる。組立及び分解の複雑性の低減によって、下方低圧タービントルク円錐フランジの除去が可能となり、従って費用及び重量を低減することができ、この円錐フランジは、シール用のボルト止め表面を提供する円周方向ボスで置き換えられる。全低圧シャフトトルクを伝達するのに必要なフランジを除去したので、小型ボルトを組み込んでシールを保持するのに用いることによって、更なる軽量化が生じることになる。
【００２１】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の修正で実施することができることは、当業者には分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】例示的なガスタービンエンジン組立体の概略図。
【図２】図１に示す低圧タービンシャフトの拡大断面図。
【図３】図１に示すガスタービンエンジン組立体の下流部分の拡大断面図。
【図４】図１に示すガスタービンエンジン組立体の前方部分の拡大断面図。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガスタービンエンジン組立体
１１  長手方向軸線
１２  ファン組立体
１３  コアガスタービンエンジン
１４  高圧圧縮機
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２２  ブースタ
２４  ファンブレード
２６  ロータディスク
２８  吸気側
３０  排気側
３１  シャフト
３２  第２のロータシャフト
１００  第１の部分
１０２  第２の部分
１０４  第３の部分
１０５  ロータディスク
１０６  ボア
１０７  フランジ
１０８  フランジスプライン
１１０  シャフトスプライン
１２０  シャフトの第１の端部
１２２  シャフトの第２の端部
１３０  内径
１３２  外径
１３４  外径
１３６  ボア
１４０  長さ
１４２  長さ
１５０  軸受組立体
１５２  内輪
１５４  外輪
１５６  転動体
１６０  フレーム
１７０  軸受組立体
１７２  円錐シャフト
１８０  内輪
１８２  外輪
１８４  転動体
１９０  軸受組立体
１９２  タービン後部フレーム
【図１】
2008082338.tif 000003
【図２】
2008082338.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008082338.tif 000006