JP2009002329A - タービンエンジンおよび該タービンエンジン内の軸受荷重を調節する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンにおける軸受荷重を能動的に管理する装置および方法が必要とされている。
【解決手段】エンジン１０は、ノズル出口面積を効果的に変えるために使用される流れ制御装置４１を有する。流れ制御装置４１は、エンジン１０の上流ファン２０によって圧縮されたバイパス流Ｂを軸方向に吐出させるファンノズル出口面積４０を変化させる。バイパス比が高いことにより、バイパス流Ｂによって相当な大きさの推力がもたらされる。一例において、流れ制御装置４１は、ファンノズル出口面積４０に約２０％の変化をもたらす。ファンナセル３４は、該ファンナセル３４の後方部の周りに周方向に配置された複数のヒンジ式のフラップ４２などの部材を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンエンジンの軸受に関し、詳しくは、例えば、ターボファンエンジンにおける軸受荷重の管理に関する。

典型的なターボファンエンジンは、高圧スプールおよび低圧スプールを含む。例えば、ファンが低圧スプールに結合されており、この低圧スプールが低圧圧縮機および低圧タービンを支持する。一例においては、高圧スプールに、高圧圧縮機および高圧タービンが結合されている。低圧スプールおよび高圧スプールは、エンジンコアのハウジング内に、軸受を使って支持されている。一例においては、エンジンコアは、コアナセルに覆われている。

いくつかのターボファンエンジンでは、スラスト軸受と通信する軸受荷重センサを含む。スラスト軸受における軸方向の荷重は、例えば、メンテナンスの目的で記録される。この軸受荷重は、測定された軸受荷重に応答して能動的に管理されていない。

いくつかのターボファンエンジンは、低圧タービンを支持する低圧スプールの一部分と、ファンを支持する低圧スプールの他の部分と、の間に配置された歯車列を含む。このような歯車式のターボファンエンジンにおいては、非歯車式のターボファンエンジンよりも実質的に大きな軸受スラスト荷重が発生する。

タービンエンジンにおける軸受荷重を能動的に管理する装置および方法が必要とされている。

タービンエンジンにタービンを支持するスプールが設けられる。このスプールは、エンジンコア内に配置され、スラスト軸受を含む複数の軸受に支持される。エンジンコアは、コアナセルに覆われる。コアナセルの上流にファンが配置され、スプールに結合される。ファンナセルがファンおよびコアナセルを取り囲み、ファンノズル出口面積を含むバイパス流路を構成する。ファンノズル出口面積を効果的に変えるために、流れ制御装置が構成される。スラスト軸受を監視するようにプログラムされたコントローラが、スラスト軸受に作用する望ましくない荷重に応答して、流れ制御装置に命令する。流れ制御装置でファンノズル出口面積を効果的に変えることにより、軸受スラスト荷重を所望のレベルにするように能動的に管理する。

図１に、歯車式のターボファンエンジン１０を示す。このエンジン１０は航空機にパイロン３８によって支持される。エンジン１０は、軸Ａを中心に回転可能な低圧スプール１４および高圧スプール２４を収容するコアナセル１２を含む。低圧スプール１４は、低圧圧縮機１６および低圧タービン１８を支持する。例えば、低圧スプール１４は、歯車列２２を介してファン２０を駆動する。高圧スプール２４は、高圧圧縮機２６および高圧タービン２８を支持する。高圧圧縮機２６と高圧タービン２８との間に燃焼器３０が配置されている。圧縮機１６，２６からの圧縮空気が燃焼器３０からの燃料と混合され、その燃焼ガスがタービン１８，２８において膨張する。

図示した例においては、エンジン１０は、高バイパス比のターボファンの配置である。一例において、バイパス比は１０：１より大きく、ファンの直径は低圧圧縮機１６の直径より実質的に大きい。低圧タービン１８は、一例において、５：１より大きな圧縮比を有する。歯車列２２は、遊星歯車列であり、一例において、２．５：１より大きな歯車減速比を与える星形歯車列である。上記のパラメータは、想定される歯車式のターボファンエンジンについての一例に過ぎない。すなわち、本発明は、直接駆動ファンを含む他のエンジンにも適用可能である。

空気流は、コアナセル１２およびファン２０を取り囲むファンナセル３４に流入する。ファン２０は、コアナセル１２に覆われたエンジンコア１７の中へ空気を導く。この空気は、当技術分野において周知のように、タービン１８，２８を駆動するために使用される。タービン１８，２８において膨張した後、排気Ｅは、コアナセル１２とテールコーン３２との間に設けられた通路を通して、エンジンコア１７およびコアナセル１２から排出される。

コアナセル１２は、支持構造３６によってファンナセル３４の内部に支持されている。この支持構造３６は、上部分岐部および下部分岐部と一般に呼ばれる。コアナセル１２とファンナセル３４との間に、概ね環状のバイパス流路３９が設けられている。図１に示す例は、高バイパス流の構成であり、ファンナセル３４に流入する空気流の約８０％がコアナセル１２をバイパスする。バイパス流路３９内のバイパス流Ｂは、ファンノズル出口面積４０を通してファンナセル３４から排出される。

図１に示すエンジン１０においては、高バイパス比により、バイパス流Ｂによって相当な大きさの推力が与えられる。推力は、密度、速度および面積の関数である。バイパス流Ｂによってもたらされる推力の大きさおよび方向を変化させるように、１つまたは複数のこれらのパラメータを操作することができる。一例においては、エンジン１０は、ファンノズル出口面積４０に関連する構造を含み、バイパス流Ｂによってもたらされる推力を操作するために物理的面積および幾何学的形状を変化させる。しかし、ノズル出口面積は、構造上の変化以外によっても効果的に変えることができ、例えば、境界層を変えることにより流速を変化させられることを理解されたい。さらに、ノズル出口面積を効果的に変えるために使用される装置は、物理的にファンナセル３４の出口付近の位置に制限されず、他の適当な位置においてバイパス流Ｂの流れを変えることを含むことを理解されたい。

エンジン１０は、ノズル出口面積を効果的に変えるために使用される流れ制御装置４１を有する。一例において、流れ制御装置４１は、エンジン１０の上流ファン２０によって圧縮されたバイパス流Ｂを軸方向に吐出させるファンノズル出口面積４０を提供する。高バイパス比であることにより、バイパス流Ｂによって相当に大きな推力がもたらされる。エンジン１０のファン２０は、特定の飛行条件、例えば、マッハ０．８（０．８Ｍ）、高度３５，０００フィート（１０，６６８ｍ）における典型的な巡航に対して設計されている。一例において、流れ制御装置４１は、ファンノズル出口面積４０に約２０％の変化をもたらす。

一例において、ファンナセル３４は、該ファンナセル３４の後方部の周りに周方向に配置された複数のヒンジ式のフラップ４２（１つ図示されている）などの部材を含む。

図２に概略的に示すフラップ４２は、ピボットＰを中心として揺動することができる。フラップ４２は、例えば、アクチュエータ４６を利用して、単独で、および／またはグループとして、角度を変えるように動作させることができる。代替的に、ファンナセル上の部材が、ファンナセル３４の後方部の周りに周方向に配置された複数の可動式カウリングとして設けられる。これらのカウリングは、ファンノズル出口面積４０を変えるように、概ね軸方向に動くことができる。

図２は、アクチュエータ４６と通信するコントローラ５０を示し、アクチュエータ４６は、図示例では、開位置と閉位置との間でフラップ４２を操作する。フラップの位置を調節することにより、コアナセル１２および／またはファンナセル３４を通流する流れ特性を変化させる。このようにして、流れ制御装置４１は、低圧スプール１４についての軸方向の推進荷重を能動的に管理することができる。

一例においては、低圧スプール１４は、低圧圧縮機１６および低圧タービン１８を支持する第１の部分１４ａを含む。歯車列２２は、第１の部分１４ａと、ファン２０を支持する第２の部分１４ｂと、を相互接続する。概略的に示される第１の部分１４ａは、ジャーナル軸受４８およびスラスト軸受４９によって支持されている。エンジン１０の運転中に、第１の低圧スプール部分１４ａによって軸Ａに沿ってスラスト軸受４９に働くスラスト荷重を測定するために、スラスト軸受４９に付随してスラスト荷重センサ５４が設けられている。

スラスト荷重センサ５４は、コントローラ５０と通信する。コントローラ５０は、スラスト軸受荷重を監視し、その値をメモリ５６に記録する。コントローラ５０は、運転中にファンノズル出口面積４０を効果的に変えるようにアクチュエータ４６に命令してフラップ４２を操作し、スラスト軸受４９に作用する軸方向の荷重が望ましくないスラスト荷重のレベルに届かないようにする。一例においては、速度センサ５２もコントローラ５０と通信し、低圧スプール１４に関する回転速度の情報を与える。一例においては、ファンノズル出口面積４０を増加させスラスト軸受４９に作用するスラスト荷重を減少させることにより、磨耗を減らして寿命を長くする。しかし、いくつかの運転条件においては、スラスト荷重を減少させるためにファンノズル出口面積４０を減少させることがあることを理解されたい。

好ましい実施の形態を開示したが、当業者であれば、本発明の特許請求の範囲を逸脱することなく、いくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。

一例としての歯車式のターボファンエンジンの断面図。 軸受荷重を管理するために使用される一例としての流れ制御装置の概略図。

Claims (18)

1. 軸受と、
   ノズル出口面積を有するナセルと、
   前記ノズル出口面積を効果的に変えるように構成された流れ制御装置と、
   前記軸受を監視し、前記軸受に作用する望ましくない荷重に応答して前記流れ制御装置に命令するようにプログラムされたコントローラと、
   を備えるタービンエンジン。
2. 前記軸受が、タービンを備えたスプールを支持し、前記ナセルが前記タービンを取り囲むコアナセルであり、前記コアナセルの上流に配置されたファンが前記スプールに結合され、前記ファンのナセルが前記ファンおよび前記コアナセルを取り囲んで、ファンノズル出口面積を有するバイパス流路を形成することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
3. 前記スプールが低圧スプールであり、前記タービンが低圧タービンであることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン。
4. 前記低圧スプールが、前記低圧タービンを支持する第１の部分と、前記ファンを支持する第２の部分と、を含み、前記低圧スプールの前記第１の部分と前記第２の部分とを相互接続する歯車列が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン。
5. 前記低圧スプールが低圧圧縮機を支持し、前記低圧スプールと同軸状の高圧スプールが高圧タービンを支持することを特徴とする請求項３に記載のタービンエンジン。
6. 前記流れ制御装置が、前記ノズル出口面積を物理的に変えるように、開位置と閉位置との間で可動な部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
7. 前記流れ制御装置が、前記ノズル出口面積を効果的に変えるように部材を操作するアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
8. 前記軸受がスラスト軸受であり、前記望ましくない荷重は、前記スプールによってもたらされる軸方向の望ましくないスラスト荷重であることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン。
9. 前記コントローラが荷重データを獲得するようにプログラムされ、前記荷重データを保存するのに適合したメモリを備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
10. タービンエンジンの内の軸受荷重を調節する方法であって、
    軸受荷重を測定するステップと、
    前記軸受荷重から望ましくない軸受荷重を検出するステップと、
    所望の軸受荷重を維持するために、前記望ましくない軸受荷重に応答して有効ノズル出口面積を変えるステップと、
    を含む方法。
11. 回転スプールを備え、前記軸受荷重が前記回転スプールに関連したスラスト軸受荷重であることを含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記回転スプールにタービンが支持されることを含む請求項１１に記載の方法。
13. 歯車列を介して前記回転スプールにファンが結合されることを含む請求項１１に記載の方法。
14. 前記ノズル出口面積を効果的に変えるようにアクチュエータに命令するステップを含む請求項１０に記載の方法。
15. 前記アクチュエータに命令するステップが、ピボットを中心としてフラップを揺動させることを含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記アクチュエータに命令するステップが、軸方向に沿ってカウリングを動かすことを含む請求項１４に記載の方法。
17. 前記ノズル出口面積を変えるステップが、前記ノズル出口面積を物理的に変えることを含む請求項１０に記載の方法。
18. 前記ノズル出口面積が、ファンとコアナセルとの間に配置されたバイパス流路の出口にあることを含む請求項１７に記載の方法。

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