(57)【要約】【課題】限定的な軸方向スペースにおいて効果的なファンロータ荷重低減装置を提供すること。【解決手段】ファンロータ装置は、前端及び後端を有し、中央アパーチャを定め且つ周辺の翼形部形ファンブレードのアレイを支持する回転可能ファンディスクと、アパーチャを貫通して延び且つ共に回転するようファンディスクに結合されたほぼ軸方向に延びる環状前方ファンシャフトと、を備え、前方ファンシャフトが前端又はその近傍にてファンディスクを連結する。【選択図】      図２
2012233474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンロータ装置であって、
前端及び後端を有し、中央アパーチャを定め且つ周辺の翼形部形ファンブレードのアレイを支持する回転可能ファンディスクと、
前記アパーチャを貫通して延び且つ共に回転するよう前記ファンディスクに結合されたほぼ軸方向に延びる環状前方ファンシャフトと、
を備え、前記前方ファンシャフトが前記ファンディスクの前端又はその近傍にて前記ファンディスクを連結する、装置。
【請求項２】
前記前方ファンシャフトの前端が、前記ファンディスクの前端の軸方向前方に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ファンディスクは、前方ファンシャフトに結合された前端から延びるディスクアームを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ディスクアームが、Ｃ字形断面を有する前方部分と、該前方部分と前記前方ファンシャフトとの間に軸方向に延びる後方部分とを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ディスクアームの前方部分の少なくとも一部が、前記ファンディスクの前端の軸方向前方に配置される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記前方ファンシャフトが、前記ファンディスクと一体的に形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記前方ファンシャフトが後方ファンシャフトに結合され、この２つのシャフトが全体として内側シャフトを形成し、該内側シャフトは、該内側シャフトに沿って軸方向に離間した複数の転動体軸受で回転するよう装着される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記軸受の少なくとも１つが、所定の半径方向荷重にて破断するよう構成されたフューズにより構造支持フレームに装着される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ターボファンエンジンであって、
加圧燃焼ガスの流れを生成するよう動作可能なターボ機械コアと、
前記コアの後方に配置されたタービンと、
前端及び後端を有し、中央アパーチャを定め且つ周辺の翼形部形ファンブレードのアレイを支持する、前記コアの前方に装着された回転可能ファンディスクと、
前記タービンに機械的に結合されたほぼ軸方向に延びる環状前方ファンシャフトと、
を備え、前記前方ファンシャフトが、前記アパーチャを貫通して延び且つ共に回転するよう前記ファンディスクに結合され、前記前方ファンシャフトが、前記ファンディスクの前端又はその近傍にて前記ファンディスクを連結する、エンジン。
【請求項１０】
前記前方ファンシャフトの前端が、前記ファンディスクの前端の軸方向前方に配置される、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記ファンディスクは、前方ファンシャフトに結合された前端から延びるディスクアームを含む、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記ディスクアームが、Ｃ字形断面を有する前方部分と、該前方部分と前記前方ファンシャフトとの間に軸方向に延びる後方部分とを含む、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記ディスクアームの前方部分の少なくとも一部が、前記ファンディスクの前端の軸方向前方に配置される、請求項１２に記載のエンジン。
【請求項１４】
前記前方ファンシャフトが、前記ファンディスクと一体的に形成される、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記前方ファンシャフトが後方ファンシャフトに結合され、この２つのシャフトが全体として、前記タービンと前記ファンディスクとの間に延びる内側シャフトを形成し、該内側シャフトは、該内側シャフトに沿って軸方向に離間した複数の転動体軸受で回転するよう装着される、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１６】
前記軸受の少なくとも１つが、所定の半径方向荷重にて破断するよう構成されたフューズにより構造支持フレームに装着される、請求項１５に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、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用の軸受組立体及び荷重低減装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、直列流れ関係で、高圧圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを有するターボ機械コアを含む。このコアは、推進ガスの一次流れを発生させるように公知の方法で作動可能である。典型的なターボファンエンジンは、コア排出ガスによって駆動される低圧タービンを付加し、この低圧タービンが、シャフトを介してファンロータを駆動して推進ガスのバイパス流れを発生させる。高バイパスエンジンの場合では、このバイパス流が総エンジンスラストの大部分を構成する。
【０００３】
ファンロータは、ファンディスクから半径方向外向きに延びるファンブレードのアレイを有するファンを含む。ファンシャフトは、出力及び回転運動を低圧タービンからファンディスクに伝達し、その長さに沿って間隔をおいて配置された複数の転動体軸受組立体で支持される。軸受は、一般に、第１、第２、及び第５軸受と呼ばれ、エンジンにおける順次的位置を識別する。
【０００４】
エンジン作動中、異物による衝突の結果としてファンブレードの破片がブレードの残余部分から分離した状態になる場合がある。従って、損傷したファン内で実質的に不均衡な回転荷重が生じる可能性があり、この不均衡な回転荷重は、軸受、軸受支持体及びファン支持フレームによって支持されることになる。
【０００５】
損傷を与える可能性がある異常な不均衡荷重の影響を最小限にするために、公知のエンジンは、ファン支持システムに付加的な強度を与えるようなサイズにされた、ファンロータ支持システムのための支持構成部品を含む。しかしながら、支持構成部品の強度を高めると、望ましくないことに、実質的にロータ不均衡のない状態でエンジンが作動している時にエンジンの全体重量を増大させ、エンジンの全体効率を低下させることになる。
【０００６】
他の公知のエンジンは、ファン支持システムからファンロータを結合解除するようにする、機械的に脆弱なセクション又は一次フューズを有する軸受支持体を含む。このような事象の間に、ファンシャフトは、不均衡な重心の回転中に近い新しい回転中心を探し求める。このフューズセクションは、ロータクリアランス許容量と組み合わせて荷重低減装置すなわち「ＬＲＤ」と呼ばれる。ＬＲＤは、ファン支持システムへの動的な回転荷重を低減する。
【０００７】
ＬＲＤが正常に作動するためには、多くの場合、ファンディスクから第５軸受までの軸方向距離を第２軸受から第５軸受までの軸方向距離で除算した特定の比を有することが望ましい。しかしながら、長いコア及び短い前方オーバーハングを備えた最新のエンジン設計は、この構成において十分な軸方向長さを提供できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，７８０，４１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、限定的な軸方向スペースにおいて効果的なファンロータ荷重低減装置に対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従来技術のこれら及び他の欠点は、所与のスペースにおいて柔軟性が高い前方ファンシャフトを提供する本発明によって対処される。
【００１１】
本発明の１つの態様によれば、本発明は、前端及び後端を有し、中央アパーチャを定め且つ周辺の翼形部形ファンブレードのアレイを支持する回転可能ファンディスクと、アパーチャを貫通して延び且つ共に回転するようファンディスクに結合されたほぼ軸方向に延びる環状前方ファンシャフトと、を備え、前方ファンシャフトが前端又はその近傍にてファンディスクを連結するファンロータ装置を提供する。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、ターボファンエンジンは、加圧燃焼ガスの流れを生成するよう動作可能なターボ機械コアと、コアの後方に配置されたタービンと、前端及び後端を有し、中央アパーチャを定め且つ周辺の翼形部形ファンブレードのアレイを支持する、コアの前方に装着された回転可能ファンディスクと、タービンに機械的に結合されたほぼ軸方向に延びる環状前方ファンシャフトと、を備え、前方ファンシャフトが、アパーチャを貫通して延び且つ共に回転するようファンディスクに結合され、前方ファンシャフトが、前端又はその近傍にてファンディスクを連結する。
【００１３】
本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来技術のタービンエンジンの概略断面図。
【図２】本発明の１つの態様に従って構成された荷重低減装置を組み込んだガスタービンエンジンの一部の拡大図。
【図３】代替の荷重低減装置を示すガスタービンエンジンの一部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
種々の図を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、従来技術のガスタービンエンジン１０を概略的に示す。エンジン１０は、長手方向軸線１１を有し、総称して「低圧システム」と呼ばれる、ファン１２、低圧圧縮機又は「ブースタ」１４、及び低圧タービン「ＬＰＴ」１６を含む。ＬＰＴ１６は、「ＬＰシャフト」とも呼ばれる内側シャフト１８を介してファン１２及びブースタ１４を駆動する。エンジン１０はまた、総称して「ガス発生器」又は「コア」と呼ばれる、高圧圧縮機（「ＨＰＣ」）２０、燃焼器２２、及び高圧タービン（「ＨＰＴ」）２４を含む。全体として、高圧及び低圧システムは、一次又はコア流並びにファン流又はバイパス流を発生するよう公知の方式で作動可能である。例示のエンジン１０は高バイパスターボファンエンジンであるが、本明細書に記載される原理は、他のタイプのタービンエンジンにも同様に適用可能である。
【００１６】
内側シャフト１８は、共に結合されて複数の転動体軸受で回転するよう装着された前方ファンシャフト２８及び後方ファンシャフト３０を備える。前方ファンシャフト２８は、第１の軸受３２（一般に「第１軸受」と呼ばれる）及び第２の軸受３４（一般に「第２軸受」と呼ばれる）により支持される。後方ファンシャフト３０は、軸受３６（一般に「第５軸受」と呼ばれる）により支持される。
【００１７】
図１に示すエンジン１０のファン１２は、従来技術の原理に従って前方ファンシャフト２８に結合される。対照的に、図２は、ファン１１２と、本発明の１つの態様に従って構成され且つエンジン１０に組み込むことができる周囲構造とを示している。ファン１１２３は、中央アパーチャ１３９を有するファンディスク１３８を備える。ファンディスク１３８は、周辺に装着された翼形部形のファンブレード１４０の環状アレイを有する。ファンディスク１３８は、前端１４２及び後端１４４を有する。環状ディスクアーム１５０は、ディスク１３８の前端１４２から軸方向前方且つ半径方向内向きの角度で延びる。前方ファンシャフト１２８は、ファンディスク１３８と後方ファンシャフト１３０との間に延び、共に回転するように、例えば、ボルト継手又はスプライン接続によって後方ファンシャフト１３０に結合される。前方ファンシャフト１２８は、荷重低減装置の一部を構成する。
【００１８】
第１軸受１３２は、ほぼ軸方向に延びる環状フューズ１４８により周囲の構造支持フレーム１４６に装着される。公知の原理に従って、フューズ１４８のサイズ、材料、及び機械的設計は、ファンブレード１４０の分離後に生じる可能性がある荷重のような、所定の半径方向荷重で破断するよう選択される。フューズ１４８の破断により、周囲構造に過剰な半径方向荷重を与えることなく、ファンディスク１３８が新しい回転軸の周りに回転できるようになる。張力又は剪断で破断するよう設計されたボルト継手又はフューズピン、或いは指定荷重で押しつぶされるよう設計されたフレームの圧壊可能部材など、他のタイプのフューズ構造も公知である。本発明にとって特定のタイプのフューズ構造であることは重要ではない。
【００１９】
従来技術の設計とは対照的に、前方ファンシャフト１２８は、ファンディスク１３８の長手方向範囲を横切って、ファンディスク１３８の後端１４４を過ぎて軸方向前方に延び、ファンディスク１３８の前端又はその近傍の地点でファンディスク１３８に結合される。本明細書で使用される用語「前端又はその近傍でファンディスクに結合される」とは、ディスクの前端又は該前端を通過する荷重経路を介して前方ファンシャフト１２８からファンディスク１３８にトルクが伝達されることを意味する。必ずしも、前方ファンシャフト１２８とファンディスク１３８との間に何らかの特定のタイプの機械的接続を意味すること、又は２つの構成部品間への何らかの特定の機械的継手の配置を必要とする訳ではない。図２に示す実施例において、前方ファンシャフト１２８は、テーパー付き後方部分１５２と、ほぼ円筒形の軸方向部分１５４と、軸方向部分１５４の前端から半径方向外向きに延びるフランジ１５６とを含む。フランジ１５６は、例えば、ボルト締め又はスプライン接続を用いて共に回転するようにアーム１５０に結合される。結果として、前方ファンシャフト１２８は、図１に示す従来技術の設計よりも曲げ剛性が実質的に小さい。
【００２０】
図２に示すディスクアーム１５０は、ファンディスク１３８の前端の軸方向前方又は後方に延びることができる。ディスクアーム１５０の角度及び断面形状は、特定の用途毎に好適な曲げ剛性を提供するよう変えることができる。また、前方ファンシャフト１２８は、単一の一体化構成部品として図示されているが、例えば、ボルト継手を用いて共に連結された２つ又はそれ以上のセクションから構成してもよい。
【００２１】
図３は、代替のファン２１２、並びにフレーム２４６、フューズ２４８、及び軸受２３２を含む周囲構造を示している。前方ファンシャフト２２８は、後方ファンシャフト２３０に結合されたテーパー付き後方部分２５２と、ほぼ円筒形の軸方向部分２５４とを有する。環状ファンディスク２３８は、ファンブレード２４０を支持し、前端２４２及び後端２４４を有する。環状ディスクアーム２５０は、ディスク２３８の前端２４２からほぼ軸方向前方及び半径方向内向きに延びる。ディスクアーム２５０は、前方に延びて後方に「Ｃ」字形に湾曲する前方部分２５６と、ほぼ軸方向後方に延びる後方部分２５８とを有する。後方部分２５８は、例えば、ボルト締め又はスプライン継手を用いて共に回転するよう前方ファンシャフト２２８に結合される。ディスクアーム２５０の湾曲部分の追加の弓状長さは、前方ファンシャフト２２８の柔軟性を更に高めて調整する可能性を提供する。或いは、追加の湾曲及び弓状長さは、ディスクアーム２５０の代わりに前方ファンシャフト２２８に組み込むこともできる。その上、本明細書で説明されるファンシャフトの何れもが、全て又は部分的にファンディスクと一体化することができる。
【００２２】
作動時には、本明細書で説明される前方ファンシャフト設計により、ファンロータは、コアに加わる曲げ荷重を制限しながら、ブレード切り離し事象後に安全に回転することが可能になる。これは、どのような特定のエンジン長又は軸受位置要件を必要とすることなく達成することができる。
【００２３】
以上、ガスタービンエンジンの荷重低減装置について説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく種々の修正形態を実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２４】
１１２  ファン
１２８  前方ファンシャフト
１３０  後方ファンシャフト
１３２  第１軸受
１３８  ファンディスク
１３９  中央アパーチャ
１４０  ファンブレード
１４２  前端
１４４  後端
１４６  構造支持フレーム
１４８  環状フューズ
１５０  ディスクアーム
１５２  テーパー付き後方部分
１５４  ほぼ円筒形の軸方向部分
１５６  フランジ
【図１】
2012233474.tif 000003
【図２】
2012233474.tif 000004
【図３】
2012233474.tif 000005
【外国語明細書】
2012233474000001.pdf