(57)【要約】【課題】  高い推力対タービン体積比を有するギア付きターボファンエンジンを提供する。【解決手段】  ガスタービンエンジンタービンは、高圧スプールとして高圧圧縮機とともに中心軸を中心として第１の方向に回転するように構成される高圧タービンと、低圧スプールとして低圧圧縮機とともに中心軸を中心として第１の方向に回転するように構成される低圧タービンと、を有する。出力密度は、約１．５以上かつ約５．５ｌｂｆ／立方インチ以下である。ファンは変速機構を介して低圧スプールに接続され、かつ第１の方向に回転する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧スプールとして高圧圧縮機とともに中心軸を中心として第１の方向に回転するように構成される高圧タービンと、
前記中心軸を中心として前記第１の方向に回転するように構成される低圧タービンと、
ギア減速機を介して前記低圧タービンに接続され、かつ前記第１の方向に回転するファンと、
を備えたガスタービンエンジンであって、
前記エンジンにより提供される推力の、前記高圧タービン及び前記低圧タービンの両方を含むタービン部の体積に対する比が、１．５以上かつ５．５ｌｂｆ／ｉｎ3以下であるように前記エンジンが構成され、
前記推力が、海面高度離陸定格静止推力である、ガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記高圧タービンの下流のガスが前記低圧タービンに到達するときにそのガスを導くように、ガイドベーンが、前記低圧タービンの第１の段の上流に位置付けられる、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
中間タービンフレームが前記高圧タービンを支持する、請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記ガイドベーンが、前記中間タービンフレームと前記低圧タービンとの中間に位置付けられる、請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
中間タービン部が存在し、前記中間タービン部が圧縮機ロータを駆動する、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記ギア減速機が、前記ファンと前記低圧タービンによって駆動される圧縮機ロータとの間に位置付けられる、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記ギア減速機が、前記低圧タービンと前記低圧タービンによって駆動される圧縮機ロータとの間に位置付けられる、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年４月２日に出願された米国仮出願第６１／６１９，１３３号の優先権を主張する、２０１２年４月１２日に出願された米国出願第１３／４４５，０９５号の一部継続出願である。
【０００２】
本出願は、低圧スプールならびに高圧スプールが互いに対して同じ方向に回転する、ギア付きターボファンガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンは既知であり、典型的には、空気を圧縮部内ならびにバイパス空気としてその外側に送り、推進力を提供するファンを含む。圧縮機内の空気は燃焼部に送られ、そこでその空気は燃料と混合されて燃焼される。この燃焼の生成物は、下流に移動してタービンロータ上を通過し、それらを駆動して回転させる。典型的には、低圧ならびに高圧圧縮機、及び低圧ならびに高圧タービンが存在する。
【０００４】
高圧タービンは、典型的には、高スプールとしての高圧圧縮機を駆動し、低圧タービンは、低圧圧縮機ならびにファンを駆動する。元来、ファンならびに低圧圧縮機は、共通の速度で駆動されていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近になってギア減速機が低圧スプールに設けられており、それによって、ファンならびに低圧圧縮機が異なる速度で回転できる。効率性損失を制限するために、より小型のタービンを有するより効率的なエンジンを有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
特徴的な実施形態では、ガスタービンエンジンのタービンが、高圧スプールとして高圧圧縮機とともに、中心軸を中心として第１の方向に回転するように構成される高圧タービンを備える。低圧タービンは、前記中心軸を中心として前記第１の方向に回転するように構成される。ファンは、ギア減速機を介して前記低圧タービンに接続され、かつ前記第１の方向に回転する。前記エンジンは、約１．５以上かつ約５．５ｌｂｆ／ｉｎ3以下の、前記エンジンから提供される推力対、前記高圧タービンならびに前記低圧タービンの両方を含むタービン部の体積比を有する。前記推力は海面高度離陸定格静止推力である。
【０００７】
先の実施形態に従う別の実施形態では、前記高圧タービンの下流のガスが前記低圧タービンに到達したときにそのガスを導くように、ガイドベーンが、前記低圧タービン内の第１の段の上流に位置づけられる。
【０００８】
先の実施形態のいずれかに従う別の実施形態では、中間タービンフレームは前記高圧タービンを支持する。
【０００９】
先の実施形態のいずれかに従う別の実施形態では、前記ガイドベーンは、前記中間タービンフレームと前記低圧タービンとの中間に位置付けられる。
【００１０】
先の実施形態のいずれかに従う別の実施形態では、中間タービン部が存在し、前記中間タービン部は圧縮機ロータを駆動する。
【００１１】
先の実施形態のいずれかに従う別の実施形態では、前記ギア減速機は、前記ファンと前記低圧タービンによって駆動される圧縮機ロータとの中間に位置付けられる。
【００１２】
先の実施形態のいずれかに従う別の実施形態では、前記ギア減速機は、前記低圧タービンと前記低圧タービンによって駆動される圧縮機ロータとの中間に位置付けられる。
【００１３】
それらの特徴及び他の特徴は、以下の図面及び明細書から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】ガスタービンエンジンを概略的に示す図である。
【図２】エンジンの一種の回転特徴を概略的に示す図である。
【図３】タービン部の体積部の詳細を示す図である。
【図４】別の実施形態を示す図である。
【図５】さらに別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、ガスタービンエンジン２０を概略的に示す。ガスタービンエンジン２０は、一般に、ファン部２２、圧縮機部２４、燃焼器部２６、及びタービン部２８を組み込む２スプールターボファンとして、本明細書中で開示される。代替のエンジンは、他のシステムもしくは特徴の中で、例えば、３スプール、オーグメンタ部、またはセクションの異なる配置を含み得る。ファン部２２はバイパス流路Ｂに沿って空気を駆動する一方、圧縮機部２４はコア流路Ｃに沿って空気を駆動し、その空気を圧縮して燃焼器部２６内へ通気させ、次いで、タービン部２８に通して膨張させる。開示される非限定実施形態ではターボファンガスタービンエンジンとして示されるが、本教示は他の種類のタービンエンジンにも適用可能であるため、本明細書中に記載の思想はターボファンの使用に限定されるものではないことを、理解されたい。本適用を目的として、速度もしくは圧力に適用される用語「低い」ならびに「高い」は、相対語となる。「高い」速度ならびに圧力は、「低い」スプール、圧縮機、もしくはタービンに関連付けられるものよりも高いが、「低い」速度及び／または圧力は、実際には「高い」ものであってもよい。
【００１６】
エンジン２０は一般に、いくつかの軸受システム３８を介してエンジン静的構造３６に対するエンジン中心長手方向軸Ａを中心として回転するために装着される、低速スプール３０及び高速スプール３２を含む。様々な位置の様々な軸受システム３８を、代替としてまたは追加で提供できることを理解されたい。
【００１７】
低速スプール３０は一般に、ファン４２、低圧圧縮機４４、及び低圧タービン４６と相互接続する内側シャフト４０を含む。内側シャフト４０は、ギア付き構造物４８を通じてファン４２に接続され、ファン４２を低速スプール３０よりも低い速度で駆動する。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２及び高圧タービン５４と相互接続する外側シャフト５０を含む。構成要素の速度ならびに圧力の両方に関連する用語「高い」ならびに「低い」は、互いに関連するものであり、絶対値には関連しない。燃焼器５６は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に配置される。エンジン静的構造３６の中間タービンフレーム５７は一般に、高圧タービン５４と低圧タービン４６との間に配置される。中間タービンフレーム５７は、タービン部２８内の軸受システム３８をさらに支持する。内側シャフト４０及び外側シャフト５０は同心であり、かつ軸受システム３８を介して、それらの長手方向軸と共線であるエンジン中心長手方向軸Ａを中心として回転する。
【００１８】
コア空気流Ｃは、低圧圧縮機４４、続いて高圧圧縮機５２によって圧縮されて混合され、燃焼器５６内の燃料で燃焼され、次いで、高圧タービン５４及び低圧タービン４６上で膨張する。中間タービンフレーム５７は、コア空気流路内にあり、入口ステータベーンとして動作し、気流の向きを変えて低圧タービンの第１のブレードに適切に供給するエアフォイル５９を含む。タービン４６ならびに５４は、膨張に応じて、それぞれの低速スプール３０及び高速スプール３２を回転駆動させる。
【００１９】
エンジン２０はバイパス空気流Ｂを有し、一実施例では、高バイパスギア付き航空機エンジンである。バイパス比は、バイパスダクト内に送られる空気量をコア気流内に送られる量で除算したものとして定義され得る。さらなる実施例では、エンジン２０のバイパス比は約６（６）より大きく、例示的な実施形態では１０（１０）より大きく、ギア付き構造物４８は遊星ギアシステムまたは他のギアシステム等の遊星ギアトレインであり、ギア減速比が約２．３より大きく、低圧タービン４６は、約５より大きい圧力比を有する。開示される一実施形態では、エンジン２０のバイパス比は約１０（１０：１）より大きく、ファン直径は低圧圧縮機４４ならびに低圧タービン４６の直径よりもさらに大きく、その低圧タービンが約５：１より大きい圧力比を有する。低圧タービン４６の圧力比は、排気ノズル前の低圧タービン４６の出口の圧力に関連する、低圧タービン４６の入口前で測定される全圧である。ギア付き構造物４８は、ファンを低スプールと同じ方向に回転させる遊星ギア配置であってよい。しかしながら、上述のパラメータはギア付き構造物エンジンの一実施形態の例示的なものに過ぎず、本発明は直接駆動ターボファンを含む他のガスタービンエンジンにも適用可能であることを、理解されたい。
【００２０】
最大量の推力が、高バイパス比に起因するバイパス気流Ｂによって提供される。エンジン２０のファン部２２は、特定の飛行条件、典型的には、約０．８マッハかつ約３５，０００フィートでの巡航用に設計されている。エンジンが「バケット巡航推力当たり燃料消費率（「ＴＳＦＣ」）」としても知られる最善の燃料消費状態にある、０．８マッハかつ３５，０００フィートの飛行条件は、１時間ごとに燃焼される燃料のｌｂｍを、エンジンがその最小点で生成する推力のｌｂｆで除算した業界基準パラメータである。「低ファン圧力比」は、ファン出口ガイドベーン（「ＦＥＧＶ」）システム前の、ファンブレードのみにわたる圧力比である。一非限定実施形態に従って本明細書中に開示される、低ファン圧力比は、約１．４５未満である。「低修正ファン先端速度」は、実際のファン先端速度、フィート／秒を、業界基準温度補正値［（Ｔｒａｍ  ｄｅｇ  Ｒ）／５１８．７）＾０．５］で除算したものである。一非限定実施形態に従って本明細書中に開示される、「低修正ファン先端速度」は、同じ巡航点で約１１５０フィート／秒未満である。
【００２１】
図２は、一般に図１のエンジン２０の特徴を有し得る、エンジン１２０の詳細を示す。ファン１２２は、高圧圧縮機１２６の上流である、低圧圧縮機１２４の上流に位置付けられる。燃焼器１２８は、高圧圧縮機１２６の下流に位置付けられる。中間タービンフレーム１４２は、高圧タービン１３０の下流端部に位置付けられ得て、概略的に示される軸受１３８を支持して、高圧タービン１３０の後端部ならびに高圧スプール１３２を支持する。低圧タービン１３４は、中間タービンフレーム１４２の下流に位置付けられる。低スプール１３６は、低圧タービン１３４によって駆動されて、低圧圧縮機１２４を駆動する。変速機構４８によって、ファン１２２が、低圧圧縮機１３４とは異なる速度で回転する。本発明の実施形態では、変速機構での速度入力対出力比は、２．３：１以上かつ最大１３：１以下である。また、ギアによっても、ファン１２２が、低圧圧縮機１２４に対して同じ方向に回転する。上述のように、遊星ギア配置を利用して、ファン１２２を、低圧圧縮機１２４に対して同じ方向（“−”）に回転させることができる。本実施形態では、ファンは一般に２６個未満のブレードを有し、低圧タービンは少なくとも３つの段かつ最大６つの段を有する。高圧タービンは一般に、示されるように、１つまたは２つの段を有する。
【００２２】
本特定の実施形態では、低圧圧縮機１２４及び低圧タービン１３４は一方向（“−”）に回転し、高圧タービン１３０及び高圧圧縮機１２６は、ファン１２２が回転する方向と同じ方向（“−”）に回転する。
【００２３】
支柱１４０は、低圧圧縮機１２４と高圧圧縮機１２６との間に示される。支柱１４０はガス流路をまたがり、エアフォイル形状もしくは少なくとも流線形状を有する。低圧圧縮機１２４の出口のブレードと、支柱１４０ならびに可変ベーンと、さらに高圧圧縮機１２６の第１のブレードとの組み合わせは一般に、支柱１４０として示される構造内に包含される。
【００２４】
圧縮機部１２４ならびに１２６は同じ方向に回転するため、構成要素１４０として示されるいくつかのエアフォイルは、空気気流の向きをあまり変えないことが求められる。
【００２５】
以下で説明するように、タービン部にはかなり反った羽根が備えられるため、２つのタービン部の間ではあまり向きを変えないことが求められる。圧縮機が逆圧力勾配を用いて気流を押し込むのに対し、タービンは好ましい圧力勾配を有するので、このエンジン構造物全体は、示される組み合わせによって利点が得られる。
【００２６】
かなり反った入口ガイドベーン１４３は、中間タービンフレーム１４２と、低圧タービン１３４内の最上流ロータと、の中間の位置に位置付けられる。ベーン１４３は、燃焼生成物が低圧タービン１３４の第１のロータに接近するとき、燃焼生成物を高圧タービン１３０の下流に適切に導く必要がある。低圧タービンの全体的な大きさを縮小するには、気流が低圧タービン部の第１の段に最初に到達するとき、気流が適切に導かれることが望ましい。
【００２７】
上述の特徴によって、高圧ならびに低圧タービンの両方を含む、従来技術に対するより小型のタービン部体積が実現する。材料の範囲を選択することができる。一実施例として、より高価かつ新種の設計材料を使用して、低圧タービンを形成するための材料を変えることによって、体積を減少させることができる、または代替として、より安価な材料を使用することができる。３つの例示的な実施形態では、低圧タービンの第１の回転ブレードは、一方向に凝固した鋳造ブレード、単結晶鋳造ブレード、または中空の内部冷却ブレードであってよい。３つの全ての実施形態は、低圧タービン速度を上昇させることによって、タービン体積を従来技術のものよりも劇的に小さくなるように変えることになる。さらに、効率性が高いブレード冷却を利用して、より小型のタービン部をさらに提供することができる。
【００２８】
小型のタービン部により、タービン部全体の体積によって除算される、生成されるポンドフォースの推力として定義され得る出力密度を最適化することができる。タービン部の体積は、高圧タービン内の第１のタービンベーンの入口から低圧タービンの最終回転エアフォイルの出口までによって画定することができ、かつ立方インチで表すことができる。エンジンの定格海面高度離陸条件での静止推力は、タービン部体積で除算されると、出力密度として定義される。海面高度離陸定格静止推力をｌｂｓフォースで定義できる一方で、体積は、高圧タービン内の第１のタービンベーンの環状入口から、低圧タービン内の最終ロータ部の下流端部の環状出口までの体積である。最大推力は、一般的に、海水面でのターボファンによって生成される定格静止推力として定義される、海面離陸推力（Sea Level Takeoff Thrust）「ＳＬＴＯ推力」であってよい。
【００２９】
タービン部の体積Ｖは、図３から最もよく理解することができる。図示のように、フレーム１４２及びベーン１４３は、高圧タービン部１３０と低圧タービン部１３４との中間に存在する。体積Ｖは破線によって示され、内周部Ｉから外周部Ｏまで延在する。内周は、ロータの流路のみならず、ベーンの内側プラットフォーム流路によってもいくらか画定される。外周は、ステータベーン、及び流路に沿った外側空気密閉構造によって画定される。体積は、高圧タービン１３０の始めのベーン４００の最上流端部、典型的にはその前縁から、低圧タービン部１３４内の最終回転エアフォイルの最下流端４０１まで延在するものである。これは、典型的には、そのエアフォイルの後縁である。
【００３０】
開示されるガスタービンエンジン内の出力密度は、従来技術のものよりもかなり高い。タービン部、全エンジン駆動システム、及び本出願で説明される構造物を組み込む８つの例示的なエンジンを以下に示し、かつそれらを以下の表Ｉで見出すことができる。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
したがって、実施形態では、出力密度は、約１．５ｌｂｆ／ｉｎ3以上であろう。より狭義には、出力密度は、約２．０ｌｂｆ／ｉｎ3以上であろう。
【００３３】
さらにより狭義には、出力密度は、約３．０ｌｂｆ／ｉｎ3以上であろう。
【００３４】
より狭義には、出力密度は、約４．０ｌｂｆ／ｉｎ3以上である。より狭義には、出力密度は、約４．５ｌｂｆ／ｉｎ3以上である。さらにより狭義には、出力密度は、約４．７５ｌｂｆ／ｉｎ3以上である。さらにより狭義には、出力密度は、約５．０ｌｂｆ／ｉｎ3以上である。
【００３５】
また、実施形態では、出力密度は、約５．５ｌｂｆ／ｉｎ3以下である。
【００３６】
特定の従来のエンジンは、１．５超、さらに３．２超の出力密度を有しているが、そのようなエンジンは直接駆動エンジンであり、ギア減速機と関連付けられていない。特に、ＰＷ４０９０として知られるエンジンの出力密度は、約１．９２ｌｂｆ／ｉｎ3であり、一方Ｖ２５００として知られるエンジンの出力密度は、３．２７ｌｂｆ／ｉｎ3の出力密度を有した。
【００３７】
したがって、開示される構造物で作製されるとともに、本出願で説明されるタービン部を含み、かつ本出願の特許請求の範囲内の修正形態を有するエンジンによって、非常に効率性が高い動作、及びそれらの信頼性能に対する燃料効率性の向上ならびに軽量化がもたらされる。
【００３８】
図４は、シャフト２０６を駆動し、次いで、ファンロータ２０２を駆動するファン駆動タービン２０８が存在する実施形態２００を示す。ギア減速機２０４を、ファン駆動タービン２０８とファンロータ２０２との間に位置付けることができる。このギア減速機２０４は、以上に開示されるギア減速機のように構造化され、かつ動作し得る。圧縮機ロータ２１０は中間圧力タービン２１２によって駆動され、第２の段の圧縮機ロータ２１４はタービンロータ２１６によって駆動される。燃焼部２１８は、圧縮機ロータ２１４とタービン部２１６との中間に位置付けられる。
【００３９】
図５は、ファンロータ３０２及び第１の段の圧縮機３０４が共通の速度で回転する、さらに別の実施形態３００を示す。（以上に開示されるように構造化される）ギア減速機３０６は、圧縮機ロータ３０４と、低圧タービン部によって駆動されるシャフト３０８との中間に存在する。
【００４０】
以上に開示される密度特徴を用いて、図４もしくは５のエンジンを使用することができる。
【００４１】
本発明の実施形態が開示されているが、当業者は、特定の修正形態が本出願の範囲内のものであることを認識するであろう。その理由から、以下の特許請求の範囲を検討して、本発明の真の範囲ならびに内容を決定すべきである。
【符号の説明】
【００４２】
４８…ギア付き構造物
１２０…エンジン
１２２…ファン
１２４…低圧圧縮機
１２６…高圧圧縮機
１２８…燃焼器
１３０…高圧タービン
１３２…高圧スプール
１３４…低圧タービン
１３６…低スプール
１３８…軸受
１４０…支柱
１４２…中間タービンフレーム
１４３…入口ガイドベーン
４００…ベーン
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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