(57)【要約】【課題】軽量化した中間タービンフレームを用いることによって、ガスタービンエンジン及び航空機の効率を向上させる。【解決手段】ガスタービンエンジン１０の少なくとも１つのマウント１６に結合された中間タービンフレーム１２によって、第１のベアリング１８からの第１の荷重及び第２のベアリング２０からの第２の荷重が、マウント１６に伝達される。中間タービンフレーム１２は、複数の逆型パネル２６と、複数の支柱２４と、を備える。逆型パネル２６によって、第１の荷重及び第２の荷重が、剪断流に変換される。支柱２４が逆型パネル２６に接続されて、剪断流がマウント１６に伝達する。これにより、荷重が効率的に分散され、中間タービンフレーム１２の軽量化と併せてエンジン１０及び航空機の効率が向上する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のベアリングからの第１の荷重及び第２のベアリングからの第２の荷重をマウントに伝達するために、ガスタービンエンジンの少なくとも１つのマウントに結合された中間タービンフレームであって、
上記第１の荷重及び上記第２の荷重を剪断流に変換する複数の逆型パネルと、
この剪断流を上記マウントに伝達する上記逆型パネルに接続された複数の支柱と、を備えることを特徴とする中間タービンフレーム。
【請求項２】
上記逆型パネルは、
上記荷重を上記逆型パネル内の半径方向に案内する複数の半径方向の補強材と、
上記荷重を上記逆型パネル内の円周方向に案内する複数の円周方向の補強材と、を備え、
複数の上記半径方向の補強材及び複数の上記円周方向の補強材が、複数のトルク隔室を形成することを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項３】
上記逆型パネルは、上記ガスタービンエンジンの軸に対して垂直に配置されることを特徴とする請求項２に記載の中間タービンフレーム。
【請求項４】
上記第１の荷重及び上記第２の荷重は、複数の上記トルク隔室において、上記剪断流に変換されることを特徴とする請求項２に記載の中間タービンフレーム。
【請求項５】
上記第１の荷重が、第１のベアリングコーンを通して上記中間タービンフレームに伝達し、上記第２の荷重が、第２のベアリングコーンを通して上記中間タービンフレームに伝達することを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項６】
上記剪断流は、一方向の剪断流であることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項７】
上記中間タービンフレームの重量は、約２００ポンド未満であることを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項８】
上記逆型パネルは、セグメント化したリングを形成することを特徴とする請求項１に記載の中間タービンフレーム。
【請求項９】
荷重をガスタービンエンジンの第１のベアリング及び第２のベアリングから支柱を通して伝達する逆型パネルであって、
上記第１のベアリング及び上記第２のベアリングからの荷重を、上記逆型パネル内の第１の方向に案内する複数の半径方向の補強材と、
上記第１のベアリング及び上記第２のベアリングからの荷重を、上記逆型パネル内の第２の方向に案内する複数の円周方向の補強材と、
上記の半径方向の補強材及び上記の円周方向の補強材からの荷重を一方向の剪断流に変換する、複数の上記半径方向の補強材及び複数の上記円周方向の補強材によって形成された少なくとも１つのトルク隔室と、を備えることを特徴とする逆型パネル。
【請求項１０】
上記逆型パネルは、上記ガスタービンエンジンの軸に対して垂直に配置されることを特徴とする請求項９に記載の逆型パネル。
【請求項１１】
さらに、複数の上記半径方向の補強材及び複数の上記円周方向の補強材によって形成された複数のトルク隔室を備えることを特徴とする請求項９に記載の逆型パネル。
【請求項１２】
上記第１のベアリング及び上記第２のベアリングからの荷重は、それぞれ第１のベアリングコーン及び第２のベアリングコーンを通して上記逆型パネルに伝達することを特徴とする請求項９に記載の逆型パネル。
【請求項１３】
上記逆型強化シェルパネルの重量は、約２００ポンド未満であることを特徴とする請求項９に記載の逆型パネル。
【請求項１４】
上記逆型強化シェルパネルの重量は、約１６０ポンド未満であることを特徴とする請求項１３に記載の逆型パネル。
【請求項１５】
荷重をガスタービンエンジンの第１のベアリング及び第２のベアリングから該ガスタービンエンジンのエンジンケースに伝達する方法であって、
第１の剪断力を、上記第１のベアリングから複数の逆型強化シェルパネルに伝達し、
第２の剪断力を、上記第２のベアリングから複数の上記逆型強化シェルパネルに伝達し、
上記第１の剪断力及び上記第２の剪断力を、上記逆型強化シェルパネルの半径方向の補強材及び円周方向の補強材に相互作用させ、
上記第１の剪断力及び上記第２の剪断力を、一方向の剪断流に変換し、
この一方向の剪断流を、上記逆型強化シェルパネルに結合した複数の支柱を通し、
上記剪断流を、上記支柱から上記エンジンケースに伝達させることを特徴とする伝達方法。
【請求項１６】
上記の半径方向の補強材及び上記の円周方向の補強材は、上記第１の剪断力及び上記第２の剪断力を複数の成分に分散させることを特徴とする請求項１５に記載の伝達方法。
【請求項１７】
上記の円周方向の補強材は、上記第１の剪断力及び上記第２の剪断力を均等な流れに変換することを特徴とする請求項１５に記載の伝達方法。
【請求項１８】
一方向の剪断流への上記第１の剪断力及び上記第２の剪断力の変換は、上記の半径方向の補強材及び上記の円周方向の補強材によって形成されたトルク隔室を用いることを特徴とする請求項１５に記載の伝達方法。
【請求項１９】
上記第１の剪断力及び上記第２の剪断力の伝達は、ベアリングコーンを用いることを特徴とする請求項１５に記載の伝達方法。
【請求項２０】
複数の上記逆型強化シェルパネルは、上記ガスタービンエンジンの軸に対して垂直であることを特徴とする請求項１５に記載の伝達方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、特にジェットタービンエンジンの中間タービンフレームに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファンエンジンは、ジェット機などの航空機に一般的に使用されているガスタービンエンジンの一種である。ターボファンエンジンは、通常、高圧圧縮機と、低圧圧縮機と、高圧タービンと、低圧タービンと、高圧回転シャフトと、低圧回転シャフトと、ファンと、燃焼器と、を備える。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）に結合され、高圧系統のシステムとしてともに機能する。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）に結合され、低圧系統のシステムとしてともに機能する。低圧回転シャフトが、高圧回転シャフト内に収容されるとともに、ファンに結合され、これにより、ＨＰＣ、ＨＰＴ、ＬＰＣ、ＬＰＴ、高圧回転シャフト及び低圧回転シャフトが、同軸上に整列する。
【０００３】
外気が、ファン及びＨＰＣによってジェットタービンエンジンに取り込まれ、システム内に取り込まれた空気の圧力がＨＰＣにより上昇する。その後、高圧の空気が燃焼器に入り、燃料と混合して燃焼し、排気ガスを放出する。ＨＰＴは、燃料を用いて高圧シャフトを回転させることによって、ＨＰＣを直接駆動する。ＬＰＴは、低圧シャフトを回転させるために、燃焼機内で発生した排気ガスを使用し、ファンに動力を供給して、空気を継続的にシステム内に送り込む。ファンによって取り込まれた空気が、ＨＰＴ及びＬＰＴを迂回し、エンジンのスラスト（推力）を上昇させるように機能して、ジェット機が前方に推進する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高圧系統のシステム及び低圧系統の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、高圧系統のシステム及び低圧系統のシステムによって生じた荷重を分散する。ベアリングは、ベアリング支持構造体（例えば、ベアリングコーン）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に結合される。中間タービンフレームは、荷重をベアリング支持構造体からエンジンケースに伝達することによって、該ベアリング支持構造体の荷重を分散させるように機能する。中間タービンフレームの重量を軽量化することによって、ジェットタービンエンジン及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】
【０００５】
ガスタービンエンジンの少なくとも１つのマウントに結合された中間タービンフレームによって、第１のベアリングからの第１の荷重及び第２のベアリングからの第２の荷重が、マウントに伝達される。中間タービンフレームは、複数の逆型パネルと、複数の支柱と、を備える。逆型パネルによって、第１の荷重及び第２の荷重が、剪断流に変換される。支柱が逆型パネルに接続されて、剪断流がマウントに伝達する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、ガスタービンエンジン１０の軸の中心線の周囲の該エンジン１０の中間部の部分断面図を示している。ガスタービンエンジン１０は、通常、中間タービンフレーム１２と、エンジンケース１４と、マウント１６と、第１のベアリング１８と、第２のベアリング２０と、を備える。ガスタービンエンジン１０の中間タービンフレーム１２は、軽量設計になっており、これによって、荷重が、第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０からエンジンケース１４及びマウント１６に効率的に伝達される。
【０００７】
中間タービンフレーム１２は、ガスタービンエンジン１０のエンジンケース１４内に収容される。中間タービンフレーム１２は、エンジンケース１４、第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０に結合される。エンジンケース１４により、中間タービンフレーム１２がその周囲から保護されるとともに、荷重が、該タービンフレーム１２からマウント１６に伝達される。中間タービンフレーム１２によって、第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０からの荷重が、一方向の剪断流に変換される。その後、この一方向の剪断流が、エンジンケース１４及びマウント１６に伝達される。中間タービンフレーム１２の構造は、トルクボックスを必要としないので、該タービンフレーム１２を軽量化することができるとともに、製造が容易になる。中間タービンフレーム１２の重量は、該タービンフレーム１２を形成するのに用いられた材料によって決まる。一実施例においては、中間タービンフレーム１２の重量は、約２００ポンド未満である。例えば、ニッケルをベースにした合金によって形成された中間タービンフレーム１２の重量は、約１６０ポンドである。
【０００８】
第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０は、それぞれ中間タービンフレーム１２の下方のガスタービンエンジン１０の前方の端部及び後方の端部に配置される。第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０によって、スラスト荷重、垂直方向の張力、側方向のジャイロ荷重（ｓｉｄｅ  ｇｙｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｌｏａｄｓ）、及びガスタービンエンジン１０内に配置された高圧ロータならびに低圧ロータからの振動荷重、が支持される。第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０によって支持された全ての荷重が、中間タービンフレーム１２を通してエンジンケース１４及びマウント１６に伝達される。第２のベアリング２０は、一般的に、第１のベアリング２０より大きい荷重を支えるように設計されている。従って、中間タービンフレーム１２は、第２のベアリング２０が極限状態になるのを想定して、剛性の強化が構造的に実現できるように設計される。
【０００９】
図２は、中間タービンフレーム１２の拡大斜視図を示している。中間タービンフレーム１２は、セグメント化したリング構造体２２と、該リング構造体２２の周囲から延びている複数の支柱２４と、を備える。支柱２４によって、中間タービンフレーム１２が、第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０（図１に図示）に結合される。中間タービンフレーム１２のリング構造体２２は、支柱２４に結合される複数の逆型パネル２６から形成される。中間タービンフレーム１２の各セグメントは、支柱２４と、逆型パネル２６と、を備える。支柱２４は、リング構造体２２に沿って間隔を空けて配置されるとともに、各支柱２４は、逆型パネル２６に結合される。一実施例においては、逆型パネル２６は、逆型の強化シェルパネルである。
【００１０】
中間タービンフレーム１２の支柱２４によって、荷重が、第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０からリング構造体２２を通してエンジンケース１４に伝達する。支柱２４の各々は、リング構造体２２に結合した第１の端部２８及び、エンジンケース１４（図１に図示）に結合した第２の端部３０を有する。荷重は、リング構造体２２から支柱２４を通してエンジンケース１４に伝達する。一実施例においては、支柱２４は、楕円形状を有するとともに、エンジンケース１４に向けて垂直方向に荷重を伝達する大きさになっている。一実施例においては、９つの支柱２４が、中間タービンフレーム１２の周囲に沿って互いに約４０°間隔を空けて配置される。別の実施例においては、計１２個の支柱２４が、中間タービンフレーム１２の周囲に沿って互いに約３０°間隔を空けて配置される。
【００１１】
図３は、中間タービンフレーム１２の断面図を示している。第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０（図１に図示）が、それぞれ第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４によって、中間タービンフレーム１２に結合される。第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４が、高圧ロータ及び低圧ロータとともに連続的に回転して、荷重を、第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０から剪断力の形で中間タービンフレーム１２に伝達する。図４に示すように、第１のベアリングコーン３２は、中間タービンフレーム１２の一方の側に結合され、また第２のベアリングコーン３４が、該タービンフレーム１２の反対側に結合される。
【００１２】
図４は、中間タービンフレーム１２ａのセグメントの断面図を示している。説明を簡単にするために、図４は、中間タービンフレーム１２ａの１つのセグメントについて説明する。しかしながら、中間タービンフレーム１２の全てのセグメントは、同じように機能する。中間タービンフレーム１２の逆型パネル２６は、複数の圧縮リング補強材３６を備え、剪断力が、第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４から半径方向の補強材３６ａ（図５に図示）を用いて半径方向に案内されるとともに、円周方向の補強材３６ｂを用いて円周方向に案内される。リング補強材３６が、逆型パネル２６に結合した支柱２４と逆方向に該パネル２６から延びているとともに、ガスタービンエンジン１０（図１に図示）の中心線の軸に対して垂直になっている。同時に、半径方向のリング補強材３６ａ及び円周方向のリング補強材３６ｂによって、複数の独立した閉構造体が形成され、この構造体により、第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４の剪断力によって生じる剪断流が、一方向に支柱２４に向けて案内される。
【００１３】
図５は、荷重の方向性を持つ流れ即ち剪断力が逆型パネル２６に入る状態の該パネル２６の斜視図を示している。図４と同様に、図５は、中間タービンフレーム１２ａの１つのセグメントだけについて説明するものの、中間タービンフレーム１２の全てのセグメントは、同じように機能する。第１のベアリング１８及び第２のベアリング２０（図１に図示）からの荷重が、第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４の周囲に沿った回転方向及び、これらの第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４の長さに沿った半径方向に、剪断力として第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４に入る。トルクの特性により、第１のベアリング１８から生じる剪断力が、第１のベアリングコーン３２を通って一方向（反時計回り）に流れると同時に、第２のベアリング２０から生じる剪断力が、第２のベアリングコーン３４を通って反対方向（時計回り）に流れる。
【００１４】
逆型パネル２６の半径方向の補強材３６ａ及び円周方向の補強材３６ｂにより、第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４を通る剪断力が、小さい成分に分散される。第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４からの剪断力は、最初に、方向を変えることなく逆型パネル２６の半径方向の補強材３６ａに相互作用する。剪断力が、半径方向の補強材３６ａを通って円周方向の補強材３６ｂに流れると、剪断力の成分が組み合わされて、一方向の剪断流になる。同時に、半径方向の補強材３６ａ及び円周方向の補強材３６ｂにより、独立した構造体即ちトルク隔室（ｔｏｒｑｕｅ  ｃｅｌｌ）３８が形成され、多方向の剪断力を一方向の流れにする。トルク隔室３８によって発生した一方向の剪断流により、トルクが、支柱２４の方向への均等な荷重に変換される。
【００１５】
逆型強化シェルパネル２６の各々は、リング補強材３６によって形成された複数のトルク隔室３８を有し、これらの隔室３８によって、第１のベアリングコーン３２及び第２のベアリングコーン３４からの多方向の剪断力が、一方向の剪断流に変換される。逆型パネル２６のトルク隔室３８からの剪断流が同時に加えられるときに、全体的に均等な荷重が、支柱２４の方向にかかる。従って、逆型パネル２６のトルク隔室３８によって、トルクボックスが不要の中間タービンフレーム１２の設計を行うことが可能になり、該タービンフレーム１２の全体の重量を低減することができる。各々の逆型パネル２６の各トルク隔室３８は、支柱２４に対して垂直であり、また垂直方向への荷重の伝達ももたらす。中間タービンフレーム１２のセグメント化構造によって、荷重の伝達が、該タービンフレーム１２の周囲全体に沿ってではなく、特定の位置において可能になる。故に、中間タービンフレーム１２のセグメント化により、該タービンフレーム１２の全体の重量が低減される。
【００１６】
中間タービンフレーム１２は、リング構造体２２及び複数の支柱２４を備えるセグメント化した軽量設計になっている。リング構造体２２は、逆型強化シェルパネル２６に対して垂直に延びている半径方向の補強材３６ａ及び円周方向の補強材３６ｂを有する複数の該シェルパネル２６から構成される。半径方向の補強材３６ａ及び円周方向の補強材３６ｂを組み合わせることによって、複数のトルク隔室３８が形成される。トルク隔室３８によって、１対のベアリング１８、２０からの荷重が、小さい成分に変換され、一方向の剪断流を形成する。この剪断流は、中間タービンフレーム１２の複数の支柱２４に伝達し、その後、荷重が、中間タービンフレーム１２を囲っているエンジンケース１４及びガスタービンエンジン１０のマウント１６に伝達する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ガスタービンエンジンの中間部の部分断面図。
【図２】中間タービンフレームの拡大斜視図。
【図３】中間タービンフレームの断面図。
【図４】中間タービンフレームのセグメントの断面図。
【図５】中間タービンフレームの逆型強化パネルの斜視図。
【符号の説明】
【００１８】
１２…中間タービンフレーム
２２…リング構造体
２４…支柱
２６…逆型パネル
２８…第１の端部
３０…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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