JP5680258B2 - 歯車減速構成ガスタービンエンジンの可撓性支持構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの歯車減速構成物の可撓性支持構造に関する。

なお、本発明は、２０１２年１月３日に米国で出願された米国特許出願第１３／３４２，５０８号の一部継続出願であり、この一部継続出願は、２０１１年６月８日に米国で出願された仮特許出願第６１／４９４４５３号の優先権を有する。

遊星または星形歯車列を有したエピサイクリック歯車ボックスが、ガスタービンエンジンの小型の設計および効率的な歯車の高減速能力のために、ガスタービンエンジンに用いられ得る。遊星・星形歯車列は、一般に、３つの歯車列構成要素、即ち、中央の太陽歯車と、内周側に歯車の歯を有した外側の輪歯車と、太陽歯車と輪歯車との間に遊星キャリアによって支持され、太陽歯車および輪歯車の双方と噛み合って係合する複数の遊星歯車とを備えている。歯車列構成要素は、共通の長手方向中心軸を共有しており、この長手方向中心軸を中心として、少なくとも２つの構成要素が回転する。エピサイクリック歯車列の利点は、３つの構成要素の１つに回転入力を接続することができることである。他の２つの構成要素の一方は、第３の構成要素が出力として機能することを許容するように他の２つの構成要素に対して静止したままである。

減速用変速機が必要とされるガスタービンエンジンの用途においては、中央の太陽歯車は、一般に、発電装置から回転入力を受け、外側の輪歯車は、一般に、静止したままであり、遊星歯車キャリアは、減速された回転速度でトルクの出力を提供するように太陽歯車と同じ方向に回転する。星形歯車列においては、遊星キャリアは、静止したままであり、出力シャフトが、太陽歯車の方向とは反対の方向に輪歯車によって駆動される。

飛行中には、軽量構造ケースが、エンジンのバックボーンベンディングとして一般に知られているかなりの量の横断方向の変形を生じさせる航空機による荷重および機動による荷重で変形する。この変形により、太陽歯車または遊星歯車の個々の回転軸が、中心軸との平行度を失うことがある。この変形は、歯車列のジャーナル軸受および歯車の歯の噛合部における整列のずれを生じさせることがあり、これにより、整列のずれから効率の損失が生じ、集中応力の増加から潜在的な寿命の低下が生じ得る。

本発明の例示的な実施例に従うガスタービンエンジンが、ファンシャフトと、このファンシャフトを支持するフレームとを備えている。フレームは、フレーム横方向剛性およびフレーム横断方向剛性を画定する。歯車装置が、ファンシャフトを駆動する。可撓性支持部が、歯車装置を少なくとも部分的に支持する。可撓性支持部は、フレーム横方向剛性に対する可撓性支持部横方向剛性と、フレーム横断方向剛性に対する可撓性支持部横断方向剛性とを画定する。歯車装置への入力カップリングが、フレーム横方向剛性に対する入力カップリング横方向剛性と、フレーム横断方向剛性に対する入力カップリング横断方向剛性とを画定する。

これに限定されない他の実施例においては、可撓性支持部横方向剛性は、フレーム横方向剛性よりも小さい。

上記例のこれに限定されない他の実施例においては、可撓性支持部横断方向剛性は、フレーム横断方向剛性よりも小さい。

上記例のこれに限定されない他の実施例においては、可撓性支持部横方向剛性は、フレーム横方向剛性よりも小さく、可撓性支持部横断方向剛性は、フレーム横断方向剛性よりも小さい。

上記例のこれに限定されない他の実施例においては、歯車装置は、歯車噛合部横方向剛性および歯車噛合部横断方向剛性を画定する歯車噛合部を備えている。

本発明の例示的な実施例に従うガスタービンエンジンが、ファンシャフトと、このファンシャフトを支持するフレームとを備えている。歯車装置が、ファンシャフトを駆動する。歯車装置は、歯車噛合部横方向剛性および歯車噛合部横断方向剛性を画定する歯車噛合部を備えている。可撓性支持部が、歯車噛合部横方向剛性に対する可撓性支持部横方向剛性と、歯車噛合部横断方向剛性に対する可撓性支持部横断方向剛性とを画定する。歯車装置への入力カップリングが、歯車噛合部横方向剛性に対する入力カップリング横方向剛性と、歯車噛合部横断方向剛性に対する入力カップリング横断方向剛性とを画定する。

上記例のこれに限定されない他の実施例においては、可撓性支持部横方向剛性は、歯車噛合部横方向剛性よりも小さい。

上記例のこれに限定されない他の実施例においては、可撓性支持部横断方向剛性は、歯車噛合部横断方向剛性よりも小さい。

上記例のこれに限定されない他の実施例においては、可撓性支持部横方向剛性は、歯車噛合部横方向剛性よりも小さく、可撓性支持部横断方向剛性は、歯車噛合部横断方向剛性よりも小さい。

上記例のこれに限定されない他の実施例においては、フレームは、フレーム横方向剛性およびフレーム横断方向剛性を画定する。

これに限定されない本発明の実施例の以下の発明を実施するための形態により、種々の特徴が当業者に明らかになるであろう。発明を実施するための形態に付随する図が以下に簡潔に説明される。

ガスタービンエンジンの概略的な断面図である。 ファン駆動歯車装置（ＦＤＧＳ）を示したガスタービンエンジンのセクションの拡大した断面図である。 ファン駆動歯車装置のこれに限定されない一実施例の可撓性取付配置を示した概略図である。 ファン駆動歯車装置のこれに限定されない他の実施例の可撓性取付配置を示した概略図である。 星形装置のファン駆動歯車装置のこれに限定されない他の実施例の可撓性取付配置を示した概略図である。 遊星装置のファン駆動歯車装置のこれに限定されない他の実施例の可撓性取付配置を示した概略図である。 星形装置のファン駆動歯車装置のこれに限定されない他の実施例の可撓性取付配置を示した概略図である。 遊星装置のファン駆動歯車装置のこれに限定されない他の実施例の可撓性取付配置を示した概略図である。

図１には、ガスタービンエンジン２０が概略的に示されている。ここで、ガスタービンエンジン２０は、一般に、ファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６およびタービンセクション２８を組み込んでなる２−スプールターボファンとして開示されている。代替的なエンジンが、他のシステムや特徴部の間にオグメンタセクション（図示せず）を備え得る。ファンセクション２２は、バイパス流路に沿って空気を移動させ、圧縮機セクション２４は、圧縮のためにコア流路に沿って空気を移動させてから、この空気を燃焼器セクション２６へと通流させ、そして、この空気は、タービンセクション２８を通して膨張する。これに限定されない本発明の実施例においてターボファンガスタービンエンジンとして図示したが、他の形式のタービンエンジン、例えば、３−スプール構成ガスタービンエンジンおよびオープンロータ式（ダクトを伴わないファン）エンジンに教示が適用され得るので、本明細書で説明した概念はターボファンと共に用いることに限定されないことを理解されたい。

エンジン２０は、一般に、低速スプール３０および高速スプール３２を備えており、低速スプール３０および高速スプール３２は、エンジン静止構造体３６に対しエンジン長手方向中心軸Ａを中心に回転するように種々の軸受装置３８Ａ〜３８Ｃによって取り付けられている。代替的または付加的に、様々な配置で種々の軸受装置３８を設けることができることを理解されたい。

低速スプール３０は、一般に、ファン４２、低圧圧縮機４４および低圧タービン４６を相互接続する内側シャフト４０を備えている。内側シャフト４０は、低速スプール３０よりも低速でファン４２を駆動するように歯車減速構成物４８を介してファン４２に接続されている。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４とを相互接続する外側シャフト５０を備えている。燃焼器５６が、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に配置される。内側シャフト４０および外側シャフト５０は同心であり、これらのシャフトの長手方向軸と同一直線上にあるエンジン長手方向中心軸Ａを中心に回転する。

コア空気流が、低圧圧縮機４４によって加圧されてから高圧圧縮機５２によってさらに加圧され、燃焼器５６において燃料と混合されてから燃焼され、そして、燃焼ガスが、高圧タービン５４および低圧タービン４６にわたって膨張する。タービンセクション４６，５４は、これらを通過する空気流の膨張に応答して低速スプール３０および高速スプール３２の各々を回転させる。

図２を参照すると、歯車減速構成物４８は、一般に、入力カップリング６２を介して（概略的に示した）低速スプール３０によって駆動されるファン駆動歯車装置（ＦＤＧＳ）６０を備えている。入力カップリング６２は、低速スプール３０から歯車減速構成物４８へとトルクを伝達するとともに、低速スプール３０と歯車減速構成物４８との間の振動および他の過渡物の分離を容易にする。これに限定されない本発明の実施例においては、ファン駆動歯車装置６０は、エピサイクリック歯車装置を備えることができ、エピサイクリック歯車装置は、例えば、星形装置または遊星装置とされ得る。

入力カップリング６２は、歯車スプライン６６によってファン駆動歯車装置６０の太陽歯車６８へと連結されるインタフェーススプライン６４を備えることができる。太陽歯車６８は、複数の遊星歯車７０と噛み合い、これらの複数の遊星歯車７０については、図示した遊星歯車７０を代表的なものとして示してある。各遊星歯車７０は、各遊星ジャーナル軸受７５によって遊星キャリア７２において回転可能に取り付けられている。太陽歯車６８の回転運動によって、各遊星歯車７０は、各長手方向軸Ｐを中心に回転する。

また、各遊星歯車７０は、回転する輪歯車７４と噛み合い、該輪歯車７４は、ファンシャフト７６に機械的に接続される。遊星歯車７０が、回転する輪歯車７４および回転する太陽歯車６８の双方と噛み合うので、遊星歯車７０は、該遊星歯車７０の専用の軸を中心に回転し、これにより、輪歯車７４は、エンジン軸Ａを中心に回転する。輪歯車７４の回転が、ファンシャフト７６を介してファン４２（図１）へと伝達され、これにより、ファン４２は、低速スプール３０よりも低速で駆動する。説明した歯車減速構成物４８は、これに限定されない一実施例であり、種々の他の歯車減速構成物が、本発明から恩恵を受けることになることを理解されたい。

図３を参照すると、可撓性支持部７８が、静止構造体３６に対してファン駆動歯車装置６０Ａを少なくとも部分的に支持するように遊星キャリア７２を支持している。ここで、静止構造体３６は、例えば、ファン駆動歯車装置６０Ａと静止構造体３６との間の振動および他の過渡物の分離を容易にする前方側中央ボディである。種々のガスタービンエンジンケース構造体が、代替的または付加的に、静止構造体および可撓性支持部７８を提供することができることを理解されたい。本明細書で用いられる「横方向」という用語は、回転軸Ａに対して垂直方向を説明するものであり、「横断方向」という用語は、ファン駆動歯車装置６０にかかり得る変形を吸収するための回転軸Ａに対する曲げによる回動移動を説明するものである。静止構造体３６は、「Ｋ−フレーム」と一般に呼ばれる第１および第１．５の軸受支持静止構造体８２をさらに備えることができ、Ｋ−フレームは、第１番目の軸受装置３８Ａおよび第１．５番目の軸受装置３８Ｂを支持する。特に、Ｋ−フレーム軸受支持部は、これに限定されない実施例において、参照される要素として（図３でＫ_フレームとして示した）横方向剛性と、（図３でＫ_フレーム ^曲げとして示した）横断方向剛性とを画定する。

これに限定されない本発明の実施例において、可撓性支持部７８および入力カップリング６２の双方の横方向剛性（ＫＦＳ、ＫＩＣ）は、横方向剛性（Ｋ_フレーム）の約１１％よりもそれぞれ小さい。つまり、ファン駆動歯車装置６０全体の横方向剛性は、上記横方向剛性の関係によって制御される。代替的に、またはこの関係に加えて、可撓性支持部７８および入力カップリング６２の双方の横断方向剛性が、横断方向剛性（Ｋ_フレーム ^曲げ）の約１１％よりもそれぞれ小さい。つまり、ファン駆動歯車装置６０全体の横断方向剛性は、上記横断方向剛性の関係によって制御される。

図４を参照すると、これに限定されない他の実施例において、ファン駆動歯車装置６０Ｂは、回転可能に取り付けられた輪歯車７４’を支持する可撓性支持部７８’を備えている。一般に図３の星形装置構成物に従う概略的に示した遊星装置において、ファンシャフト７６’が、遊星キャリア７２’によって駆動される。

図５を参照すると、（星形装置構成物の）ファン駆動歯車装置６０Ｃ自体の横方向剛性の関係が概略的に示されている。入力カップリング６２の横方向剛性（ＫＩＣ）、可撓性支持部７８の横方向剛性（ＫＦＳ）、輪歯車７４の横方向剛性（ＫＲＧ）および遊星ジャーナル軸受７５の横方向剛性（ＫＪＢ）が、ファン駆動歯車装置６０の歯車噛合部横方向剛性（ＫＧＭ）に対して制御される。

これに限定されない本発明の実施例においては、横方向剛性（ＫＧＭ）は、太陽歯車６８と複数の遊星歯車７０との間の歯車噛合部によって画定され得る。ファン駆動歯車装置６０の横方向剛性（ＫＧＭ）は、参照される要素であり、静止構造体８２’は、ファンシャフト７６を堅固に支持する。つまり、ファンシャフト７６は、軸受装置３８Ａ，３８Ｂ上に支持されており、軸受装置３８Ａ，３８Ｂは、静止構造体８２’によって実質的に堅固に支持されている。横方向剛性（ＫＪＢ）は、例えば、遊星ジャーナル軸受７５の剛性によって機械的に画定され得るものであり、輪歯車７４の横方向剛性（ＫＲＧ）は、例えば、輪歯車ウィング７４Ｌ，７４Ｒ（図２）の外径によって機械的に画定され得る。

これに限定されない本発明の実施例においては、輪歯車７４の横方向剛性（ＫＲＧ）は、歯車噛合部横方向剛性（ＫＧＭ）の約１２％よりも小さく、可撓性支持部７８の横方向剛性（ＫＦＳ）は、歯車噛合部横方向剛性（ＫＧＭ）の約８％よりも小さく、遊星ジャーナル軸受７５の横方向剛性（ＫＪＢ）は、歯車噛合部横方向剛性（ＫＧＭ）以下であり、入力カップリング６２の横方向剛性（ＫＩＣ）は、歯車噛合部横方向剛性（ＫＧＭ）の約５％よりも小さい。

図６を参照すると、これに限定されない他の実施例においては、一般に図５の星形装置構成物に従う遊星歯車装置構成物のファン駆動歯車装置６０Ｄ自体の横方向剛性の関係が概略的に示されている。

上記の横方向剛性の関係の組み合わせも用いられ得ることを理解されたい。構造的構成要素の各々の横方向剛性は、決定することが比較的困難なフィルム剛性およびスプライン剛性よりも容易に計測され得る。

設計荷重の下でシャフトの整列のずれを吸収するように可撓性を持たせて取り付けることにより、ファン駆動歯車装置の設計荷重が、１７％よりも多く減少し、これにより、エンジンの重量全体が減少する。可撓性を持たせた取付により、システムの寿命および信頼性を向上させる整列が容易となる。可撓性支持部および入力カップリングの横方向の可撓性により、ファン駆動歯車装置が、機動中にファンシャフトを用いて実質的に「浮く」。これにより、（ａ）ファンシャフト、入力カップリングおよび可撓性支持部のトルクの伝達が機動中に一定のままとなり、（ｂ）（潜在的に歯車の整列をずらし、歯に損傷を及ぼし得る）機動により生じるファンシャフトの横方向の荷重が、第１および第１．５の軸受支持Ｋ−フレームを通して主に作用し、（ｃ）可撓性支持部および入力カップリングの双方が、ファン駆動歯車装置へと小量の横方向荷重を伝達する。スプライン、歯車の歯の剛性、ジャーナル軸受および輪歯車の帯が、機動中に歯車の歯にかかる応力の変化を最小化するように特に設計される。ファン駆動歯車装置への他の接続部は、可撓性取付部（タービンカップリングやケース可撓性取付部）である。これらの取付部のばね率は、分析によって決定され、エンジンの機動による荷重を歯車から切り離す調整・飛行試験において証明されてきた。さらに、遊星ジャーナル軸受のばね率は、システムの可撓性を維持するように制御され得る。

図７は、図５と同様のものであるが、図７には、（星形装置構成物の）ファン駆動歯車装置６０Ｃの横断方向剛性の関係が示されている。入力カップリング６２の横断方向剛性（ＫＩＣ^曲げ）、可撓性支持部７８の横断方向剛性（ＫＦＳ^曲げ）、輪歯車７４の横断方向剛性（ＫＲＧ^曲げ）および遊星ジャーナル軸受７５の横断方向剛性（ＫＪＢ^曲げ）が、ファン駆動歯車装置６０の歯車噛合部横断方向剛性（ＫＧＭ^曲げ）に対して制御される。

これに限定されない本発明の実施例においては、剛性（ＫＧＭ^曲げ）は、太陽歯車６８と複数の遊星歯車７０との間の歯車噛合部によって画定され得る。ファン駆動歯車装置６０の横断方向剛性（ＫＧＭ^曲げ）は、参照される要素であり、静止構造体８２’は、ファンシャフト７６を堅固に支持する。つまり、ファンシャフト７６は、軸受装置３８Ａ，３８Ｂ上に支持されており、軸受装置３８Ａ，３８Ｂは、静止構造体８２’によって実質的に堅固に支持されている。横断方向剛性（ＫＪＢ^曲げ）は、例えば、遊星ジャーナル軸受７５の剛性によって機械的に画定され得るものであり、輪歯車７４の横断方向剛性（ＫＲＧ^曲げ）は、例えば、輪歯車ウィング７４Ｌ,７４Ｒ（図２）の外径によって機械的に画定され得る。

これに限定されない本発明の実施例においては、輪歯車７４の横断方向剛性（ＫＲＧ^曲げ）は、歯車噛合部横断方向剛性（ＫＧＭ^曲げ）の約１２％よりも小さく、可撓性支持部７８の横断方向剛性（ＫＦＳ^曲げ）は、歯車噛合部横断方向剛性（ＫＧＭ^曲げ）の約８％よりも小さく、遊星ジャーナル軸受７５の横断方向剛性（ＫＪＢ^曲げ）は、歯車噛合部横断方向剛性（ＫＧＭ^曲げ）以下であり、入力カップリング６２の横断方向剛性（ＫＩＣ^曲げ）は、歯車噛合部横断方向剛性（ＫＧＭ^曲げ）の約５％よりも小さい。

図８は、図６と同様のものであるが、図８には、遊星歯車装置構成物のファン駆動歯車装置６０Ｄの横断方向剛性の関係が示されている。

「前方」、「後方」、「上方」、「下方」、「上」、「下」等の相対的な位置に関する用語は、車両の通常の動作姿勢についてのものであり、他に限定されるものとみなすべきではないことを理解されたい。

同様の符号が、種々の図全体を通して、対応したまたは同様の構成要素を特定することを理解されたい。また、図示した実施例においては、特定の構成要素の配置が開示されているが、他の配置が、本発明から恩恵を受けることになることを理解されたい。

特定のステップの順序が示され、説明され、特許請求されているが、特に指示がない限り、ステップが、いかなる順序で実施され、分離され、または組み合わせられ、本発明から恩恵を受けたままとなることを理解されたい。

上記の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。これらに限定されない種々の実施例が、本明細書に開示されているが、当業者であれば、上記の教示に鑑みて、種々の修正および変更が添付の特許請求の範囲内に属することになることを理解するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲内において、本発明は、特に説明したこととは異なって実施され得ることを理解されたい。この理由のために、添付の特許請求の範囲が、真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (10)

1. ファンシャフトと、
   フレーム横方向剛性およびフレーム横断方向剛性を画定する、前記ファンシャフトを支持するフレームと、
   前記ファンシャフトを駆動する歯車装置と、
   前記フレーム横方向剛性に対する可撓性支持部横方向剛性と、前記フレーム横断方向剛性に対する可撓性支持部横断方向剛性とを画定する、前記歯車装置を少なくとも部分的に支持する可撓性支持部と、
   前記フレーム横方向剛性に対する入力カップリング横方向剛性と、前記フレーム横断方向剛性に対する入力カップリング横断方向剛性とを画定する、前記歯車装置への入力カップリングと、
   を備えたガスタービンエンジン。
2. 前記可撓性支持部横方向剛性は、前記フレーム横方向剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 前記可撓性支持部横断方向剛性は、前記フレーム横断方向剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記可撓性支持部横方向剛性は、前記フレーム横方向剛性よりも小さく、前記可撓性支持部横断方向剛性は、前記フレーム横断方向剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記歯車装置は、歯車噛合部横方向剛性および歯車噛合部横断方向剛性を画定する歯車噛合部を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
6. ファンシャフトと、
   前記ファンシャフトを支持するフレームと、
   歯車噛合部横方向剛性および歯車噛合部横断方向剛性を画定する歯車噛合部を有するとともに、前記ファンシャフトを駆動する歯車装置と、
   前記歯車噛合部横方向剛性に対する可撓性支持部横方向剛性と、前記歯車噛合部横断方向剛性に対する可撓性支持部横断方向剛性とを画定する、前記歯車装置を少なくとも部分的に支持する可撓性支持部と、
   前記歯車噛合部横方向剛性に対する入力カップリング横方向剛性と、前記歯車噛合部横断方向剛性に対する入力カップリング横断方向剛性とを画定する、前記歯車装置への入力カップリングと、
   を備えたガスタービンエンジン。
7. 前記可撓性支持部横方向剛性は、前記歯車噛合部横方向剛性よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記可撓性支持部横断方向剛性は、前記歯車噛合部横断方向剛性よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
9. 前記可撓性支持部横方向剛性は、前記歯車噛合部横方向剛性よりも小さく、前記可撓性支持部横断方向剛性は、前記歯車噛合部横断方向剛性よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
10. 前記フレームは、フレーム横方向剛性およびフレーム横断方向剛性を画定することを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。

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