説明

中間タービンフレーム

【課題】ガスタービンエンジンの少なくとも1つのマウントに接続された中間タービンフレームは、第1の軸受からの第1の負荷および第2の軸受からの第2の負荷をマウントに伝達する。
【解決手段】中間タービンフレーム(12)は、負荷伝達ユニット(22)と、負荷伝達ユニット(22)内に回転可能に配置されたトルクボックス(24)と、複数の支柱(26)と、を備える。負荷伝達ユニット(22)は、第1の係止要素(38)を備え、第1の負荷および第2の負荷を結合負荷へと組み合わせる。トルクボックス(24)は、負荷伝達ユニット(22)の第1の係止要素(38)と係止可能な第2の係止要素(42)を有する。複数の支柱(26)は、トルクボックス(24)とマウント(16)との間に接続され、トルクボックス(24)からの結合負荷をマウント(16)に伝達する。

【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の分野に関する。特に、本発明は、ジェットタービンエンジン用の中間タービンフレームに関する。
【背景技術】
【0002】
ターボファンは、ジェット機のような航空機に一般的に用いられるガスタービンエンジンの一種である。ターボファンは、通常、高圧圧縮機および低圧圧縮機と、高圧タービンおよび低圧タービンと、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)に接続され、高圧システムとして共に機能する。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)に接続され、低圧システムとして共に機能する。低圧回転シャフトは、高圧回転シャフト内に収容されてファンに接続され、これによって、HPC、HPT、LPC、LPT、高圧回転シャフトおよび低圧回転シャフトは、同軸に配列される。
【0003】
外気が、ファン、LPCおよびHPCによってジェットタービンエンジンに取り込まれ、これによって、システム内に取り込まれた空気の圧力が、増大する。次に、高圧空気は、燃焼器に入り、燃料を燃焼し、排気ガスを放出する。HPTは、燃料を用いて、高圧回転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、燃焼器内に生じた排気を用いて、低圧回転シャフトを回転させ、空気を継続的にシステム内に送り込むようにファンに動力を供給する。ファンによって取り込まれた空気は、HPTおよびLPTをバイパスし、ジェット機を前方に推進させるエンジンの推力を増大させるようにも働く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
高圧システムおよび低圧システムを支持するために、軸受が、高圧システムおよび低圧システムによって生じた負荷を分配するのを促進するように、ジェットタービンエンジン内に配置される。これらの軸受は、軸受支持構造体によって、HPTとLPTとの間に配置された中間タービンフレームを収容するエンジンケーシングに接続される。軸受支持構造体は、例えば、軸受コーンである。軸受支持構造体からの負荷は、中間タービンフレームを介して、エンジンケーシングに伝達される。エンジンケーシングの重量を軽減させることによって、ジェットタービンエンジンおよびジェット機自体の効率を著しく増大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つのマウントに接続された中間タービンフレームは、第1の軸受からの第1の負荷および第2の軸受から第2の負荷を該マウントに伝達する。中間タービンフレームは、負荷伝達ユニットと、負荷伝達ユニット内に回転可能に配置されたトルクボックスと、複数の支柱と、を備える。負荷伝達ユニットは、第1の係止要素を有し、かつ第1の負荷および第2の負荷を組み合わせて結合負荷とする。トルクボックスは、負荷伝達ユニットの第1の係止要素と係合可能な第2の係止要素を有する。複数の支柱は、トルクボックスとマウントとの間に接続され、結合負荷をトルクボックスからマウントに伝達する。第1の係止要素および第2の係止要素は、リブまたは溝の少なくとも一方である。
【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の軸中心線の周りの該エンジン10の中間部分の部分断面図を示している。ガスタービンエンジン10は、一般的に、中間タービンフレーム12と、エンジンケーシング14と、マウント16と、第1の軸受18と、第2の軸受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、第1の軸受18および第2の軸受20からの負荷を、この中間タービンフレーム12を介して、エンジンケーシング14に効率的に伝達するように、設計されている。中間タービンフレーム12は、ガスタービンエンジン10内において剛性駆動体として機能する回転可能な組込み式のセグメント構造を有する。
【0007】
中間タービンフレーム12は、ガスタービンエンジン10のエンジンケーシング14内に収容され、エンジンケーシング14と、第1の軸受18および第2の軸受20とに接続される。エンジンケーシング14は、中間タービンフレーム12を周囲の環境から保護すると共に、中間タービンフレーム12からの負荷をマウント16に伝達する。中間タービンフレーム12のこの設計によれば、中間タービンフレーム12を軽量化すると共に、製造を容易にし、組立中に、中間タービンフレーム12をエンジンケーシング14内に組み込むことができる。
【0008】
第1の軸受18および第2の軸受20は、それぞれ、中間タービンフレーム12の下方において、ガスタービンエンジン10の前端および後端に配置される。第1の軸受18および第2の軸受20は、ガスタービンエンジン10内に配置された高圧ロータおよび低圧ロータからのスラスト負荷、垂直張力、側方ジャイロ負荷および振動負荷を支持する。第1の軸受および第2の軸受20によって支持された全ての負荷が、中間タービンフレーム12を介して、エンジンケーシング14およびマウント16に伝達される。第2の軸受20は、典型的には、第1の軸受18よりも大きい負荷を支持するように設計される。従って、中間タービンフレーム12は、第2の軸受20が極限状況下にある場合を想定した剛性および構造的な適用性が確保されるように設計される。
【0009】
図2および図3は、それぞれ、中間タービンフレーム12の斜視図および分解図を示している。以下、これらの図を互いに関連させて説明する。中間タービンフレーム12は、セグメント化されたリング構造を有し、一般的に、負荷伝達ユニット22と、複数のトルクボックス24と、複数の支柱26と、を備える。中間タービンフレームの各セグメントは、1つの支柱26を負荷伝達ユニット22に接続する1つのトルクボックス24を備える。(図1に示される)第1の軸受18および第2の軸受20は、それぞれ、(図4に示される)第1の軸受コーン28および第2の軸受コーン30によって、中間タービンフレーム12の負荷伝達ユニット22に接続される。第1の軸受コーン28および第2の軸受コーン30は、連続的に回転する高圧ロータおよび低圧ロータに対して静止している。中間タービンフレーム12は、セグメント化されているので、トルクボックス24および支柱26を負荷伝達ユニット22とは別に製造することができ、これによって、製造を簡素化することができる。
【0010】
負荷伝達ユニット22は、U字状であり、かつ第1軸受コーン28からの負荷と第2軸受コーン30からの負荷を結合する。第1の軸受コーン28および第2の軸受コーン30は、(図1に示される)第1の軸受18からの負荷および第2の軸受20からの負荷を負荷伝達ユニット22に伝達する。負荷が結合された後、負荷伝達ユニット22は、この結合負荷をトルクボックス24に伝達する。トルクボックス24は、負荷伝達ユニット22内において調整可能かつ回転可能であり、これによって、第1の軸受18からの負荷および第2軸受20からの負荷をトルクボックス24および支柱26に効率的に伝達することができる。
【0011】
各トルクボックス24は、シェル構造を有し、負荷伝達ユニット22と支柱26との間に配置される。トルクボックス24は、負荷伝達ユニット22から結合負荷または結合トルクを受け、その結合負荷をトルクボックス24の周囲に沿って該トルクボックスから延びる支柱26に伝達する。
【0012】
中間タービンフレーム12の支柱26は、トルクボックス24から延び、第1の軸受コーン28および第2の軸受コーン30から負荷伝達ユニット22およびトルクボックス24を介して伝達された負荷を、エンジンケーシング14に伝達する。支柱26の各々は、トルクボックス24に接続される第1の端32と、エンジンケーシング14に接続される第2の端34と、を有する。負荷は、負荷伝達ユニット22からトルクボックス24および支柱26を介して、エンジンケーシング14に伝達される。一実施形態では、9本の支柱が、トルクボックス24の周囲に沿って略40°の間隔で離間して配置される。他の実施形態では、12本の支柱が、トルクボックス24の周囲に沿って略30°の間隔で離間して配置される。図2および図3は、トルクボックス24に対して直交する支柱26を示しているが、支柱26は、本発明の意図された範囲から逸脱することなく、トルクボックス24に対して傾斜してもよい。
【0013】
図4は、(図2および図3に示される)中間タービンフレーム12の負荷伝達ユニット22の斜視図を示している。負荷伝達ユニット22は、U字状であり、かつ第1の軸受コーン28および第2の軸受コーン30に接続されている。第1の軸受コーン28からの負荷および第2の軸受コーン30からの負荷は、均等化されて、負荷伝達ユニット22のU字形のベースにおいて負荷伝達ユニット22内に導かれ、これにより負荷は効率的に伝わる。図4から分かるように、負荷伝達ユニット22は、周方向の接触リブまたは接触リップ36と、中間タービンフレーム12の周りに軸方向に延びる複数の均一に離間した係止リブまたは係止リップ38とを有する。図4は、1つの周方向接触リブ36を有する負荷伝達ユニット22を示しているが、負荷伝達ユニット22は、本発明の意図される範囲から逸脱することなく、複数の周方向接触リブ36を有してもよい。
【0014】
図5Aおよび図5Bは、それぞれ、(図2および図3に示される)中間タービンフレーム12のトルクボックス24の拡大底面図および拡大斜視図を示している。以下、これらの図を互いに関連して説明する。各トルクボックス24は、U字状であり、かつ負荷伝達ユニット22からの結合負荷を支柱26に伝達する。各トルクボックス24のU字形は、(図2および図3に示される)エンジンケーシング14に対して周方向における局部的な補剛材として作用し、局部的な膜曲げ(membrane−bending)剛性を増大させ、これによって、支柱26からエンジンケーシング14への局部的な応力再分配および局部的な応力伝達を可能にする。図5Aおよび図5Bから分かるように、トルクボックス24は、U字形のベースに沿った周方向の接触溝40と、トルクボックス24の各端における軸方向の係止溝42と、を有する。接触溝40および係止溝42は、それぞれ、負荷伝達ユニット22の接触リブ36および係止リブ38と係合可能である。図5Aおよび図5Bは、1つの周方向接触溝40を有するトルクボックス24を示しているが、トルクボックス24は、本発明の意図された範囲から逸脱することなく、複数の周方向接触溝40を有してもよい。
【0015】
図6は、中間タービンフレーム12の代替的実施形態の拡大分解図を示している。図4,図5A,図5Bと関連して前述したように、負荷伝達ユニット22は、複数の接触リブ36を有してもよく、トルクボックス24は、複数の接触溝40を有してもよい。負荷伝達ユニット22およびトルクボックス24は、それぞれ、任意の数の接触リブ36および任意の数の接触溝40を有してもよい。しかし、負荷伝達ユニット22に対するトルクボックス24の適切な係合を確実にするために、少なくとも接触溝40の数は、接触リブ36の数と同じでなければならない。
【0016】
図7は、中間タービンフレーム12の1つのセグメントの断面図である。作動時に、第1の軸受18からの負荷および第2の軸受20からの負荷は、それぞれ、第1の軸受コーン28および第2の軸受コーン30を介して伝達され、負荷伝達ユニット22において結合される。トルクボックス24は、最初、負荷伝達ユニット22の接触リブ36がトルクボックス24の接触溝40と係合し、負荷伝達ユニット22の係止リブ38がトルクボックス24の係止溝42と係合するように、負荷伝達ユニット22内に配置される。接触リブ36および接触溝40は、係止機構および垂直負荷伝達機構として機能する。適所に配置されると、中間タービンフレーム12のセグメントの前後の回転運動が、係止リブ38および係止溝42の連結ジョイントの係合によって得られる軸方向のジョイントによって阻止される。この係止リブ38および係止溝42の連結ジョイントによって、トルクボックス24は、アイドル、温度変化、または圧力変化によるトルク変化が生じるまで、適所に係止して維持される。これらの変化によって、構成部品が、膨張または屈曲し、元の幾何学的な形状に対してずれを生じることがある。これによって、トルクボックス24の係止溝42が係止リブ38から離脱し、その結果、負荷伝達ユニット22内におけるトルクボックスの周方向の運動が生じることがある。
【0017】
前述したように、トルクボックス24は、接触リブ36および接触溝40の係止機構によって、軸方向において移動することができないが、周方向において負荷伝達ユニット22に対して調整可能および回転可能である。第1の軸受コーン28からのトルク負荷および第2の軸受コーン30からのトルク負荷は、接触リブ36と接触溝40の連結ジョイントおよび係止リブ38と係止溝42の連結ジョイントによって、負荷伝達ユニット22からトルクボックス24に伝達される。中間タービンフレーム12は、セグメント化設計されているので、接続チューブまたは接続トンネルを形成するために、係止リブ38および係止溝42は、係合されねばならない。中間タービンフレーム12は、負荷を負荷伝達ユニット22からトルクボックス24に伝達するために、この接続管形状を有していなければならない。
【0018】
トルクボックス24が負荷伝達ユニット22に対して周方向に移動することができるので、第1の軸受コーン18および第2の軸受コーン20から負荷伝達ユニット22およびトルクボックス24への負荷伝達は、調整可能であり、従って、常に均等化される。接触リブ36が接触溝40と係合し、係止リブ38が係止溝42と係合すると、これらの連結ジョイントによって、負荷伝達ユニット22からトルクボックス24への均一な負荷伝達が確実に得られる。中間タービンフレーム12が、(図4,図5A,図5Bに示されるような)単一の接触リブ36および単一の接触溝40を有する場合、中間タービンフレーム12は、負荷伝達ユニット22からトルクボックス24への単一の負荷点伝達を確保することができる。中間タービンフレーム12が(図6に示されるような)複数の接触リブ36および複数の対応する接触溝40を有する場合、中間タービンフレーム12は、負荷伝達ユニット22に沿った種々の方向からトルクボックス24への複数の負荷点を有する。トルクボックス24は、負荷伝達ユニット22内において移動することができるので、負荷伝達ユニット22とトルクボックス24との間の運動を可能にし、特定の負荷集中点への最適な負荷伝達を確実にするという機械的な利点が得られる。
【0019】
次いで、トルクボックス24は、結合負荷を支柱26に伝達し、支柱26は、この結合負荷をエンジンケーシング14に伝達する。負荷伝達ユニット22およびトルクボックス24の両方がU字形に設計されているので、中間タービンフレーム12およびエンジンケーシング14を介して、負荷をマウント16に効率的に伝達することができる。U字構造が有益なのは、負荷伝達ユニット22およびトルクボックス24のシェル構造の膜曲げ効率(membrane bending efficiency)によって、中間タービンフレーム12の全重量を軽減させることができる点である。加えて、負荷伝達ユニット22およびトルクボックス24の各々がU字形状を有するので、支柱26は、第1の軸受コーン18および第2の軸受コーン20からエンジンケーシング14への負荷伝達の効率を低下させることなく、トルクボックス24に対して傾斜させることもでき、あるいは直交させることもできる。トルクボックス24が負荷伝達ユニット22内において適所に係止されると、支柱26は、エンジンケーシング14と直交し、負荷をトルクボックス24からエンジンケーシング14に効率的に伝達する。
【0020】
中間タービンフレームは、第1軸受および第2軸受からの負荷を1対のエンジンマウントに効率的に分配するセグメント化されたリング構造を有する。中間タービンフレームは、負荷伝達ユニットと、複数のトルクボックスと、複数の支柱と、を備える。トルクボックスは、負荷伝達ユニット内において調整可能かつ回転可能である。中間タービンフレームの負荷伝達ユニットは、U字状であり、かつ第1の軸受からの負荷と第2の軸受からの負荷を結合し、次いで、結合負荷を同じようにU字状の複数のトルクボックスに伝達する。負荷伝達ユニットは、周方向接触リブおよび複数の均等に離間した軸方向係止リブを有し、これらの接触リブおよび係止リブは、それぞれ、トルクボックスの周方向接触溝および軸方向係止溝と係合可能である。リブおよび溝は、係合されると、負荷伝達ユニット内におけるトルクボックスの軸方向の運動および周方向回転を妨げるジョイントを形成する。また、これらのジョイントは、第1の軸受からの負荷および第2の軸受からの負荷を負荷伝達ユニットからトルクボックスに効率的に伝達する垂直負荷伝達ユニットとして機能する。次いで、トルクボックスからの負荷は、複数の支柱を介して、エンジンケーシングに伝達される。
【0021】
本発明を好ましい実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および細部に関する変更がなされてもよいことを認めるだろう。例えば、図示の実施形態では、溝40,42がトルクボックス24に設けられ、リブ36,38が負荷伝達ユニット22に設けられているが、これらの溝およびリブの位置は、逆であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】ガスタービンエンジンの中間部の部分断面図である。
【図2】中間タービンフレームの斜視図である。
【図3】中間タービンフレームの分解斜視図である。
【図4】中間タービンフレームの負荷伝達ユニットの斜視図である。
【図5A】中間タービンフレームのトルクボックスの拡大斜視図である。
【図5B】中間タービンフレームのトルクボックスの拡大底面図である。
【図6】中間タービンフレームの代替的実施形態の拡大分解図である。
【図7】中間タービンフレームの断面図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の軸受からの第1の負荷および第2の軸受からの第2の負荷をガスタービンエンジンの少なくとも1つのマウントに伝達させるために、前記マウントに接続された中間タービンフレームであって、
前記第1の負荷および前記第2の負荷を結合負荷へと組み合わせるとともに、第1の係止要素を有する負荷伝達ユニットと、
前記負荷伝達ユニット内に回転可能に配置され、前記負荷伝達ユニットの前記第1の係止要素と係合可能な第2の係止要素を有するトルクボックスと、
前記結合負荷を前記トルクボックスから前記マウントに伝達させるために、前記トルクボックスと前記マウントとの間に接続された複数の支柱と、
を備え、
前記第1の係止要素は、リブまたは溝の少なくとも一方であり、前記第2の係止要素は、リブおよび溝の少なくとも一方であることを特徴とする中間タービンフレーム。
【請求項2】
前記負荷伝達ユニットは、U字状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3】
前記トルクボックスが、U字状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4】
前記負荷伝達ユニットが、複数の第1の係止要素を有し、前記トルクボックスが、複数の第2の係止要素を有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5】
複数のトルクボックスをさらに備え、前記複数のトルクボックスの各々が、前記負荷伝達ユニットの前記第1の係止要素と係合可能な第2の係止要素を有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】
前記負荷伝達ユニットの前記第1の係止要素および前記トルクボックスの前記第2の係止要素が、係止機構および垂直負荷伝達機構として機能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7】
前記中間タービンフレームが、セグメント化されたリング構造を有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8】
前記トルクボックスが、前記負荷伝達ユニットからの前記結合負荷を前記複数の支柱に伝達することを特徴とする請求項6に記載の中間タービンフレーム。
【請求項9】
第1の負荷および第2の負荷をエンジンケーシングに伝達する多方向負荷伝達機能を有する中間タービンフレームであって、
前記第1の負荷および前記第2の負荷を結合するとともに、第1の係止要素を有する負荷伝達構造体と、
前記負荷構造体からの結合負荷を伝達するとともに、前記負荷伝達構造体の前記第1の係止要素と係合する第2の係止要素を有する調整可能なトルクボックスと、
前記調整可能なトルクボックスを前記エンジンケーシングに接続する複数の支柱と、
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10】
前記負荷伝達構造体および調整可能なトルクボックスが、U字状であることを特徴とする請求項9に記載の中間タービンフレーム。
【請求項11】
前記第1の係止要素が、リブまたは溝の少なくとも一方であり、前記第2の係止要素が、リブまたは溝の少なくとも一方であることを特徴とする請求項9に記載の中間タービンフレーム。
【請求項12】
前記負荷伝達構造体が、複数の第1の係止要素を有し、前記調整可能なトルクボックスが、前記負荷伝達構造体の前記複数の第1の係止要素と係合する複数の第2の係止要素を有することを特徴とする請求項9に記載の中間タービンフレーム。
【請求項13】
前記中間タービンフレームが、セグメント化されたリング構造を有することを特徴とする請求項9に記載の中間タービンフレーム。
【請求項14】
前記負荷伝達構造体の前記第1の係止要素および前記調整可能なトルクボックスの前記第2の係止要素が、係止機構および負荷伝達機構として機能することを特徴とする請求項10に記載の中間タービンフレーム。
【請求項15】
エンジンケーシング内に収容され、第1の軸受からの第1の負荷および第2の軸受からの第2の負荷を結合して、前記エンジンケーシングへと伝達する中間タービンフレームであって、
前記第1の負荷および前記第2の負荷を結合し、かつ吸収する第1の係止要素を有する負荷伝達構造体と、
前記負荷伝達構造体の前記第1の係止要素と係合する第2の係止要素を有するトルクボックスと、
第1の端および第2の端を有する少なくとも1つの支柱であって、前記支柱の前記第1の端は、前記トルクボックスに接続され、前記支柱の前記第2の端は、前記エンジンケーシングに接続され、前記支柱は、前記第1の負荷および前記第2の負荷を前記エンジンケーシングに伝達する、少なくとも1つの支柱と、
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16】
前記負荷伝達構造体が、複数の第1の係止要素を有し、前記トルクボックスが、前記負荷伝達構造体の前記複数の第1の係止要素と係合する複数の第2の係止要素を有することを特徴とする請求項15に記載の中間タービンフレーム。
【請求項17】
前記負荷伝達構造体および前記トルクボックスが、U字状であることを特徴とする請求項15に記載の中間タービンフレーム。
【請求項18】
前記第1の係止要素が、リブまたは溝の少なくとも一方であり、前記第2の係止要素が、リブおよび溝の少なくとも一方であることを特徴とする請求項15に記載の中間タービンフレーム。
【請求項19】
前記負荷伝達構造体の前記第1の係止要素および前記トルクボックスの前記第2の係止要素が、係止機構および負荷伝達機構として機能することを特徴とする請求項15に記載の中間タービンフレーム。
【請求項20】
前記トルクボックスが、前記負荷伝達構造体内において調整可能であることを特徴とする請求項15に記載の中間タービンフレーム。

【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5A】
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【図5B】
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【図6】
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【図7】
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