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JP6027250B2 - Gas turbine engine having a forward moment arm - Google Patents
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JP6027250B2 - Gas turbine engine having a forward moment arm - Google Patents

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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重心に関する。   The present invention relates to a gas turbine engine, and more particularly to the center of gravity of a gas turbine engine.

本出願は、2012年10月1日に出願された米国仮特許出願第61/708,510号の優先権を主張する。ガスタービンエンジンは、典型的には、ファン部、圧縮機部、燃焼器部、タービン部を含む。圧縮機部に入る空気は、圧縮されて、燃焼部内に送出され、そこで、それは、燃料と混合され、点火され、高速排気ガス流を生成する。高速排気ガス流は、タービン部を通して膨張し、圧縮機およびファン部を駆動する。圧縮機部は、典型的には、低圧および高圧圧縮機を含み、タービン部は、低圧および高圧タービンを含む。   This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 61 / 708,510, filed Oct. 1, 2012. A gas turbine engine typically includes a fan section, a compressor section, a combustor section, and a turbine section. The air entering the compressor section is compressed and delivered into the combustion section where it is mixed with fuel and ignited to produce a high velocity exhaust gas stream. The high velocity exhaust gas stream expands through the turbine section and drives the compressor and fan sections. The compressor section typically includes low and high pressure compressors, and the turbine section includes low and high pressure turbines.

ファン部が、エンジンの全体の推進効率を増大させるように、タービン部とは異なる速度で回転し得るように、エピサイクリックギアアセンブリ等の減速装置は、ファン部を駆動するために利用され得る。そのようなエンジン構造部では、タービン部のうちのいずれかによって駆動されるシャフトは、タービン部とファン部との両方が最適速度のより近くで回転し得るように、低減速度でファン部を駆動するエピサイクリックギアアセンブリへの入力を提供する。   A reduction gear, such as an epicyclic gear assembly, can be utilized to drive the fan section so that the fan section can rotate at a different speed than the turbine section so as to increase the overall propulsion efficiency of the engine. . In such an engine structure, the shaft driven by one of the turbine parts drives the fan part at a reduced speed so that both the turbine part and the fan part can rotate closer to the optimum speed. Provides input to the epicyclic gear assembly.

ガスタービンエンジンの構造はエンジンの総重量に貢献し、平衡点は重心において画定される。ガスタービンエンジンの重心の位置は、どのようにエンジンが取り付けられ、かつどのように周囲のナセル構造体が構成されるかに影響する。エンジンの軸に沿って重心を前方に移動させると、内部モーメントアームが増大し、それによってエンジン搭載構造体にかかる荷重が増大する。エンジンの重心の位置は、材料および部品構成の選択によって影響される。   The structure of the gas turbine engine contributes to the total weight of the engine and the equilibrium point is defined at the center of gravity. The position of the center of gravity of a gas turbine engine affects how the engine is installed and how the surrounding nacelle structure is constructed. Moving the center of gravity forward along the engine axis increases the internal moment arm, thereby increasing the load on the engine mounting structure. The position of the engine's center of gravity is affected by the choice of material and component configuration.

ギア構造部は推進効率を向上させたが、タービンエンジン製造業者は、熱効率、伝達効率、および推進効率の改善を含むエンジン性能のさらなる改善を求め続ける。   While the gear structure has improved propulsion efficiency, turbine engine manufacturers continue to seek further improvements in engine performance, including improvements in thermal efficiency, transmission efficiency, and propulsion efficiency.

本開示の例示的な実施形態に係るガスタービンエンジンは、とりわけ、軸を中心として回転可能である複数のファンブレードであって、それぞれが前縁を含む複数のファンブレードと、後縁を有する最後方タービンブレードを含むタービン部と、軸を中心として複数のファンブレードを回転させるためのタービン部によって駆動されるギア構造部と、を備え、ガスタービンエンジンの重心が、複数のファンブレードの前縁と最後方タービンブレードの後縁との間の全長の約35%〜約75%である、最後方タービンブレードの後縁からの第1の軸方向距離に位置する。   A gas turbine engine according to an exemplary embodiment of the present disclosure includes, among other things, a plurality of fan blades that are rotatable about an axis, each having a plurality of fan blades including a leading edge and a last having a trailing edge. And a gear structure driven by a turbine section for rotating a plurality of fan blades about an axis, wherein the center of gravity of the gas turbine engine has a leading edge of the plurality of fan blades. And a first axial distance from the trailing edge of the rearmost turbine blade that is about 35% to about 75% of the total length between the rearmost blade and the trailing edge of the last turbine blade.

上記ガスタービンエンジンのさらなる実施形態では、重心は実質的に軸に沿って配置される。   In a further embodiment of the gas turbine engine, the center of gravity is disposed substantially along the axis.

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、重心は、エンジン取付構造体と、エンジンカウリング構造体と、ナセル構造体とを含まないガスタービンエンジンを構成する構造の重量を含めて決定される。   In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the center of gravity includes the weight of the structure comprising the gas turbine engine that does not include the engine mounting structure, the engine cowling structure, and the nacelle structure. Determined.

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、重心は、ガスタービンエンジンの動作システム内に収容される流体の重量を含めて決定される。   In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the center of gravity is determined including the weight of fluid contained within the operating system of the gas turbine engine.

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、第1の軸方向距離は、複数のファンブレードの前縁と最後方タービンブレードの後縁との間の全長の約40%〜約70%である。   In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the first axial distance is about 40% to the total length between the leading edge of the plurality of fan blades and the trailing edge of the rearmost turbine blade. About 70%.

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、複数のファンブレードは、ローター上に支持され、ローターおよびファンブレードが、約260.19kg/m 3 約0.0094ポンド/立方インチ約426.27kg/m 3 約0.01540ポンド/立方インチの密度を有する。 In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the plurality of fan blades are supported on a rotor and the rotor and fan blades are about 260.19 kg / m 3 ( about 0.0094 lb / stand). having a density of square inches) to about 426.27kg / m 3 (about 0.01540 lbs / stand side inch).

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、ギア構造部は、約6089.58kg/m 3 約0.22ポンド/立方インチ約8303.97kg/m 3 約0.30ポンド/立方インチの密度を有するギアボックスを備える。 In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the gear structure is between about 6022.58 kg / m 3 ( about 0.22 lb / in 3 ) and about 8303.97 kg / m 3 ( about 0). Gearbox with a density of .30 lb / in3 ) .

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、重心は、ガスタービンエンジンの吊り上げ点を通って延びる垂直線と軸との交点に位置し、軸が垂直線に対して垂直である。   In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the center of gravity is located at the intersection of a vertical line and an axis extending through the lifting point of the gas turbine engine, the axis being perpendicular to the vertical line. is there.

本開示の例示的な実施形態に係る別のガスタービンエンジンは、とりわけ、軸を中心として回転可能である複数のファンブレードであって、それぞれが前縁を含む複数のファンブレードと、後縁を有する最後方回転タービンブレードを含むタービン部と、軸を中心として複数のファンブレードを回転させるためのタービン部によって駆動されるギア構造部と、を備え、ターボファンエンジンの内部モーメントアームが、約35%〜約75%である、ターボファンエンジンの重心から最後方回転タービンブレードの後縁までの第1の距離と、複数のファンブレードの前縁と最後方タービンブレードの後縁との間の全長との比率を含む。   Another gas turbine engine according to an exemplary embodiment of the present disclosure includes, among other things, a plurality of fan blades that are rotatable about an axis, each including a plurality of fan blades including a leading edge, and a trailing edge. A turbine section including a last rotating turbine blade having a gear structure driven by the turbine section for rotating a plurality of fan blades about an axis, wherein the internal moment arm of the turbofan engine is about 35 A first distance from the center of gravity of the turbofan engine to the trailing edge of the last rotating turbine blade, and the total length between the leading edges of the plurality of fan blades and the trailing edge of the last turbine blade, from about% to about 75% And the ratio.

上記ガスタービンエンジンの他の実施形態では、比率は約40%〜70%である。   In other embodiments of the gas turbine engine, the ratio is between about 40% and 70%.

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、ギア構造部は、約6089.58kg/m 3 約0.22ポンド/立方インチ約8303.97kg/m 3 約0.30ポンド/立方インチの密度を有するギアボックスを備える。 In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the gear structure is between about 6022.58 kg / m 3 ( about 0.22 lb / in 3 ) and about 8303.97 kg / m 3 ( about 0). Gearbox with a density of .30 lb / in3 ) .

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、複数のファンブレードを支持するローターを含み、ローターおよびファンブレードが、約260.19kg/m 3 約0.0094ポンド/立方インチ約426.27kg/m 3 約0.01540ポンド/立方インチの密度を有する。 In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the rotor includes a rotor that supports a plurality of fan blades, wherein the rotor and fan blades are about 260.19 kg / m 3 ( about 0.0094 pounds per cubic inch). ) To about 426.27 kg / m 3 ( about 0.01540 lb / in 3 ) .

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、重心は、ターボファンエンジンの動作システム内に収容される流体の重量を含めて決定される。   In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the center of gravity is determined including the weight of fluid contained within the operating system of the turbofan engine.

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、重心は、ターボファンエンジンの吊り上げ点を通って延びる垂直線と軸との交点に位置し、軸が垂直線に対して垂直である。   In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the center of gravity is located at the intersection of a vertical line and an axis extending through the lifting point of the turbofan engine, and the axis is perpendicular to the vertical line. is there.

本開示の例示的な実施形態に係るガスタービンエンジンを組み立てる方法は、とりわけ、それぞれが前縁を含む複数のファンブレードを、回転軸を中心として支持することと、回転軸を中心として後縁を有する最後方タービンブレードを含むタービン部を支持することと、軸を中心として複数のファンブレードを回転させるためのタービン部によって駆動されるギア構造部を支持することと、複数のファンブレードの前縁と最後方タービンブレードの後縁との間の全長の約35%〜約75%である、最後方タービンブレードの後縁からの第1の軸方向距離にガスタービンエンジンの重心を配置するためにガスタービンエンジン構造体の構成部品を選択することと、を含む。   A method of assembling a gas turbine engine according to an exemplary embodiment of the present disclosure includes, inter alia, supporting a plurality of fan blades, each including a leading edge, about a rotational axis and a trailing edge about the rotational axis. Supporting a turbine portion including a rearmost turbine blade having, supporting a gear structure driven by a turbine portion for rotating a plurality of fan blades about an axis, and leading edges of the plurality of fan blades To position the center of gravity of the gas turbine engine at a first axial distance from the trailing edge of the rearmost turbine blade that is about 35% to about 75% of the total length between the rear edge of the rearmost turbine blade and the rearmost turbine blade. Selecting components of the gas turbine engine structure.

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、複数のファンブレードをローター上に支持することを含み、ローターおよびファンブレードが、約260.19kg/m 3 約0.0094ポンド/立方インチ約426.27kg/m 3 (約0.01540ポンド/立方インチの密度を有する。 A further embodiment of any of the above turbine engine embodiments includes supporting a plurality of fan blades on a rotor, the rotor and fan blades being about 260.19 kg / m 3 ( about 0.0094 pounds). / Cubic inch ) to about 426.27 kg / m 3 (about 0.01540 pounds / cubic inch ) .

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、ギア構造部を、約6089.58kg/m 3 約0.22ポンド/立方インチ約8303.97kg/m 3 (約0.30ポンド/立方インチの密度を有するギアボックスとして組み立てることを含む。 In any of the further embodiments of the embodiments of the turbine engine, a gear structure, about 6089.58kg / m 3 (about 0.22 lb / stand side inch) to about 8303.97kg / m 3 (about Assembling as a gearbox having a density of 0.30 pounds / cubic inch ) .

上記タービンエンジンの実施形態のうちのいずれかのさらなる実施形態では、複数のファンブレードの前縁と最後方タービンブレードの後縁との間の全長の約40%〜70%の範囲内に重心を配置するために、ガスタービンエンジンの構成部品を選択することを含む。   In a further embodiment of any of the above turbine engine embodiments, the center of gravity is within a range of about 40% to 70% of the total length between the leading edge of the plurality of fan blades and the trailing edge of the rearmost turbine blade. Selecting components of the gas turbine engine for deployment.

異なる例が図解に示された特定の構成要素を有するが、本開示の実施形態は、それらの特定の組み合わせに限定されるものではない。例のうちの1つからの構成要素または特徴のうちのいくつかを、例のうちの別の1つからの構成要素または特徴と組み合わせて用い得る。   Although different examples have particular components illustrated in the illustration, embodiments of the present disclosure are not limited to those particular combinations. Some of the components or features from one of the examples may be used in combination with the components or features from another of the examples.

本明細書に開示されるこれらおよび他の特徴は、以下の明細書および図面から最も理解され得、そのうち、以下は簡単な説明である。   These and other features disclosed herein can be best understood from the following specification and drawings, of which the following is a brief description.

ガスタービンエンジンの例の重心の概略図である。1 is a schematic view of the center of gravity of an example gas turbine engine. FIG. ガスタービンエンジンの例の重心の概略図である。1 is a schematic view of the center of gravity of an example gas turbine engine. FIG.

図1は、ファン部22、圧縮機部24、燃焼器部26、およびタービン部28を含むガスタービンエンジン20の例を概略的に図解する。代替のエンジンは、他のシステムまたは特徴のうちのオーグメンタ部(図示せず)を含み得る。ファン部22が、空気をバイパス流路Bに沿って送る一方、圧縮機部24は、空気をコア流路Cに沿って吸い込み、そこでは空気が圧縮され、燃焼器部26に連通される。燃焼器部26において、空気は燃料と混合され、点火され、タービン部28を通って膨張する高圧排気ガス流を生成し、タービン部28では、エネルギーは抽出され、利用され、ファン部22および圧縮機部24を駆動する。   FIG. 1 schematically illustrates an example of a gas turbine engine 20 that includes a fan section 22, a compressor section 24, a combustor section 26, and a turbine section 28. An alternative engine may include an augmentor (not shown) of other systems or features. While the fan section 22 sends air along the bypass flow path B, the compressor section 24 sucks air along the core flow path C where the air is compressed and communicated to the combustor section 26. In the combustor section 26, the air is mixed with fuel, ignited and produces a high pressure exhaust gas stream that expands through the turbine section 28, where energy is extracted and utilized, the fan section 22 and the compression. The machine part 24 is driven.

開示された非限定的な実施形態がターボファンガスタービンエンジンを描写するが、教示が他の種類のタービンエンジンに適用され得るように、本明細書に記載された概念が、ターボファンとの使用に限定されない、ことが理解されるべきである。例えば、教示は、共通の軸を中心として3軸が同心状に回転する3軸構造体を含むタービンエンジンに適用可能であり、このようなタービンエンジンは、低圧タービンにギアボックスを介してファンを駆動することを可能にさせる低スプール、中圧タービンに圧縮機部の第1の圧縮機を駆動することを可能にさせる中間スプール、および高圧タービンに圧縮機部の高圧圧縮機を駆動することを可能にさせる高スプールを含む。   Although the disclosed non-limiting embodiments depict a turbofan gas turbine engine, the concepts described herein can be used with turbofans so that the teachings can be applied to other types of turbine engines. It should be understood that this is not a limitation. For example, the teachings can be applied to a turbine engine that includes a three-shaft structure in which three axes rotate concentrically about a common axis, and such turbine engines provide a fan to a low-pressure turbine via a gear box. A low spool that allows driving, an intermediate spool that allows an intermediate pressure turbine to drive a first compressor of the compressor section, and a high pressure turbine that drives a high pressure compressor of the compressor section. Includes a high spool to allow.

エンジン20の例は、概して、いくつかの軸受けシステム38を介して、エンジンの静止構造体36に対してエンジンの長手方向中心軸Aを中心にした回転のために取り付けられた、低速スプール30および高速スプール32を含む。様々な位置における様々な軸受けシステム38が、代替的または追加的に提供され得る、ことが理解されるべきである。   An example of the engine 20 generally includes a low speed spool 30 attached for rotation about the engine's longitudinal central axis A to the stationary structure 36 of the engine via several bearing systems 38. A high speed spool 32 is included. It should be understood that various bearing systems 38 at various locations may be provided alternatively or additionally.

低速スプール30は、概して、ファン42と低圧(または第1の)圧縮機部44とを低圧(または第1の)タービン部46に接続する内側シャフト40を含む。内側シャフト40は、ギア構造部48等の変速装置を介してファン42を駆動し、低速スプール30よりも遅い速度でファン42を駆動する。高速スプール32は、高圧(または第2の)圧縮機部52と高圧(または第2の)タービン部54とを相互に接続する外側シャフト50を含む。内側シャフト40と外側シャフト50は、同心であり、エンジンの長手方向中心軸Aを中心として軸受けシステム38を介して回転する。   The low speed spool 30 generally includes an inner shaft 40 that connects the fan 42 and the low pressure (or first) compressor section 44 to the low pressure (or first) turbine section 46. The inner shaft 40 drives the fan 42 via a transmission such as the gear structure 48, and drives the fan 42 at a speed slower than that of the low speed spool 30. The high speed spool 32 includes an outer shaft 50 that interconnects a high pressure (or second) compressor section 52 and a high pressure (or second) turbine section 54. The inner shaft 40 and the outer shaft 50 are concentric and rotate through a bearing system 38 about a longitudinal central axis A of the engine.

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。一例では、高圧タービン54は、二段高圧タービン54を提供するための少なくとも2つの段を含む。別の例では、高圧タービン54は、単一の段のみを含む。本明細書で用いられる「高圧」圧縮機またはタービンは、対応する「低圧」圧縮機またはタービンよりも高い圧力を経験する。   The combustor 56 is disposed between the high-pressure compressor 52 and the high-pressure turbine 54. In one example, high pressure turbine 54 includes at least two stages for providing a two-stage high pressure turbine 54. In another example, the high pressure turbine 54 includes only a single stage. As used herein, a “high pressure” compressor or turbine experiences a higher pressure than the corresponding “low pressure” compressor or turbine.

低圧タービン46の例は、約5よりも大きい圧力比を有する。低圧タービン46の例の圧力比は、排気ノズルより前において低圧タービン46の出口で測定された圧力に関連して低圧タービン46の入口より前で測定される。   The example low pressure turbine 46 has a pressure ratio greater than about 5. The pressure ratio of the example low pressure turbine 46 is measured before the inlet of the low pressure turbine 46 in relation to the pressure measured at the outlet of the low pressure turbine 46 before the exhaust nozzle.

エンジンの静止構造体36の中間タービンフレーム58は、概して、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58は、低圧タービン46に入る空気流を設定するとともに、タービン部28内で軸受けシステム38をさらに支持する。   The intermediate turbine frame 58 of the stationary engine structure 36 is generally disposed between the high pressure turbine 54 and the low pressure turbine 46. The intermediate turbine frame 58 sets the air flow entering the low pressure turbine 46 and further supports the bearing system 38 within the turbine section 28.

コア流路Cを通る空気流は、低圧圧縮機44によって、次に高圧圧縮機52によって圧縮され、燃料と混合され、燃焼器56内で点火され、高圧タービン54および低圧タービン46を通ってその後膨張される高速排気ガスを生成する。中間タービンフレーム58は、コア空気流路内にあり、かつ低圧タービン46のための入口ガイドベーンとして機能するベーン60を含む。低圧タービン46のための入口ガイドベーンとして、中間タービンフレーム58のベーン60を利用することにより、中間タービンフレーム58の軸方向長さを増大させることなく、低圧タービン46の長さが減少する。低圧タービン46内のベーンの数を削減または除去することは、タービン部28の軸方向の長さを短くする。したがって、ガスタービンエンジン20が小型化され、より高い動力密度が達成され得る。   The air flow through the core channel C is compressed by the low pressure compressor 44 and then by the high pressure compressor 52, mixed with fuel, ignited in the combustor 56, and then through the high pressure turbine 54 and the low pressure turbine 46. Generates high-speed exhaust gas that is expanded. The intermediate turbine frame 58 includes a vane 60 that is in the core air flow path and functions as an inlet guide vane for the low pressure turbine 46. Utilizing the vane 60 of the intermediate turbine frame 58 as an inlet guide vane for the low pressure turbine 46 reduces the length of the low pressure turbine 46 without increasing the axial length of the intermediate turbine frame 58. Reducing or eliminating the number of vanes in the low pressure turbine 46 reduces the axial length of the turbine section 28. Therefore, the gas turbine engine 20 can be miniaturized and a higher power density can be achieved.

一例における開示されたガスタービンエンジン20は、高バイパスギア付き航空機エンジンである。さらなる例では、ガスタービンエンジン20は、約6(6)よりも大きいバイパス比を含み、実施形態例では約10(10)よりも大きい。ギア構造部48の例は、約2.3よりも大きいギア減速比を有する、遊星ギアシステム、星ギアシステム、または他の公知のギアシステム等のエピサイクリックギア列である。   The disclosed gas turbine engine 20 in one example is an aircraft engine with a high bypass gear. In a further example, the gas turbine engine 20 includes a bypass ratio that is greater than about 6 (6), and in an example embodiment is greater than about 10 (10). An example of gear structure 48 is an epicyclic gear train, such as a planetary gear system, a star gear system, or other known gear system, having a gear reduction ratio greater than about 2.3.

開示された一実施形態では、ガスタービンエンジン20は、約10(10:1)を超えるバイパス比を含み、ファン直径は、低圧圧縮機44の外径よりもかなり大きい。しかし、上記のパラメータが、ギア構造部を含むガスタービンエンジンの一実施形態の単なる例示であり、かつ本開示が、他のガスタービンエンジンに適用可能である、ことが理解されるべきである。   In one disclosed embodiment, the gas turbine engine 20 includes a bypass ratio greater than about 10 (10: 1) and the fan diameter is significantly larger than the outer diameter of the low pressure compressor 44. However, it should be understood that the above parameters are merely exemplary of one embodiment of a gas turbine engine that includes a gear structure, and that the present disclosure is applicable to other gas turbine engines.

スラストのかなりの量は、高バイパス比に起因するバイパス流Bによって提供される。エンジン20のファン部22は、典型的には、約0.8マッハおよび約35,000フィートの巡航の特定の飛行条件のために設計される。「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、0.8マッハおよび35,000フィートの飛行条件におけるエンジンの最高の燃費は、エンジンがその最小点で生産するスラストのポンド力(lbf)で割った、燃焼されている時間あたりの燃料のポンド質量(lbm)の産業標準パラメータである。   A significant amount of thrust is provided by the bypass flow B due to the high bypass ratio. The fan section 22 of the engine 20 is typically designed for specific flight conditions of about 0.8 Mach and about 35,000 feet of cruise. The engine's highest fuel economy at 0.8 Mach and 35,000 feet flight conditions, also known as "Fuel consumption per bucket cruise thrust" ("TSFC"), is the pound of thrust that the engine produces at its lowest point. The industry standard parameter of pounds of fuel (lbm) per hour burned divided by force (lbf).

「低ファン圧力比」は、ファン出口ガイドベーン(「FEGV」)システムなしの、単独のファンブレード前後の圧力比である。非限定的な一実施形態に従って本明細書に開示されるような低ファン圧力比は、約1.50未満である。別の非限定的な実施形態では、低ファン圧力比は約1.45未満である。   “Low fan pressure ratio” is the pressure ratio before and after a single fan blade without a fan outlet guide vane (“FEGV”) system. The low fan pressure ratio as disclosed herein in accordance with one non-limiting embodiment is less than about 1.50. In another non-limiting embodiment, the low fan pressure ratio is less than about 1.45.

「低補正ファン先端速度」は、[(トラム°R)/(518.7°R)]0.5の産業標準温度補正値によって割られたフィート/秒の実ファン先端速度である。非限定的な一実施形態に従って本明細書に開示されるような「低補正ファン先端速度」は、約1150フィート/秒未満である。   “Low correction fan tip speed” is the actual fan tip speed in feet / second divided by the industry standard temperature correction value of [(Tram ° R) / (518.7 ° R)] 0.5. The “low correction fan tip speed” as disclosed herein in accordance with one non-limiting embodiment is less than about 1150 feet / second.

ガスタービンエンジンの例は、非限定的な一実施形態において約26未満のファンブレードを含むファン42を含む。別の非限定的な実施形態では、ファン部22は、約20未満のファンブレードを含む。また、開示される一実施形態では、低圧タービン46は、概略的に34で示されるわずか約6つのタービンローターを含む。別の非限定的な例の実施形態では、低圧タービン46は、約3つのタービンローターを含む。ファンブレード42の数と低圧タービンローターの数との比は、約3.3〜約8.6である。低圧タービン46の例は、ファン部22を回転させるための駆動力を提供し、したがって低圧タービン46内のタービンローター34の数とファン部22内のブレード42の数との関係は、増大された動力伝達効率を有するガスタービンエンジン20の例を開示する。   An example gas turbine engine includes a fan 42 that in one non-limiting embodiment includes less than about 26 fan blades. In another non-limiting embodiment, the fan portion 22 includes less than about 20 fan blades. Also, in one disclosed embodiment, the low pressure turbine 46 includes only about six turbine rotors, indicated generally at 34. In another non-limiting example embodiment, the low pressure turbine 46 includes approximately three turbine rotors. The ratio of the number of fan blades 42 to the number of low pressure turbine rotors is about 3.3 to about 8.6. The example of the low pressure turbine 46 provides the driving force to rotate the fan section 22 and thus the relationship between the number of turbine rotors 34 in the low pressure turbine 46 and the number of blades 42 in the fan section 22 has been increased. An example of a gas turbine engine 20 having power transmission efficiency is disclosed.

図1を引き続き参照して、図2を参照すると、62で示される重心は、軸Aに沿って配置されたエンジンの中心線まで軸方向に移動されている。重心62は、エンジン20の前方端と後方端との間の第1の距離XCGに位置する。開示された実施例では、前方端は、ファンブレード42の前縁66であり、後方端は、最後方回転タービンブレード70の後縁68である。全長XLは、前縁66と後縁68との間で画定される。 With continued reference to FIG. 1 and with reference to FIG. 2, the center of gravity indicated at 62 has been moved axially to the engine centerline located along axis A. The center of gravity 62 is located at a first distance XCG between the front end and the rear end of the engine 20. In the disclosed embodiment, the forward end is the leading edge 66 of the fan blade 42 and the trailing end is the trailing edge 68 of the rearmost rotating turbine blade 70. A total length X L is defined between the leading edge 66 and the trailing edge 68.

軸Aに沿った重心62の位置は、第1の距離XCGに配置され、機体上にエンジンを支持するための構成に影響を与え、したがって、エンジン製造者および航空機設計者にとって関心事である。 The position of the center of gravity 62 along axis A is located at a first distance XCG and affects the configuration for supporting the engine on the fuselage and is therefore of interest to engine manufacturers and aircraft designers. .

開示された実施例では、64で概略的に示される取付構造体は、ガスタービンエンジン20の例を機体(図示せず)上に支持する。取付構造体64の位置が、それぞれのエンジンの用途に対して変動し得、そのような変動が、本開示の企図の範囲内であることが、理解されるべきである。   In the disclosed embodiment, a mounting structure shown schematically at 64 supports an example of a gas turbine engine 20 on a fuselage (not shown). It should be understood that the position of the mounting structure 64 may vary for each engine application, and such variations are within the scope of the present disclosure.

ガスタービンエンジン20の例は、ファン駆動タービンとは異なる速度でファン部22を駆動するためのギア構造部48を含む。この例では、ファン駆動タービンは、低圧タービン46である。   The example gas turbine engine 20 includes a gear structure 48 for driving the fan portion 22 at a different speed than the fan driven turbine. In this example, the fan driven turbine is a low pressure turbine 46.

材料および部品構成の選択は、エンジン20の総重量をその重量の配分と共に定め、重心62の位置を決定する。ファン部22およびギア構造部48等の構造は、圧縮機部24およびタービン部28と共に、エンジン20の総重量だけでなく、重心62の位置を決定する重量の配分を定める。   The selection of material and component configuration determines the total weight of the engine 20 along with its weight distribution and determines the position of the center of gravity 62. Structures such as fan section 22 and gear structure section 48 together with compressor section 24 and turbine section 28 define a weight distribution that determines the position of center of gravity 62 as well as the total weight of engine 20.

ギア構造部48は、ファン部22と共に、エンジン20内の前方に位置した構造であり、それ故、材料の選択および構造の構成は、重心62の位置に影響を与える。また、ガスタービンエンジン構造体内の多くの構造は、重心62の位置付けおよび位置を考慮に入れて、かつ部分的に決定する。   The gear structure 48 is a structure located in front of the engine 20 together with the fan part 22. Therefore, the selection of materials and the configuration of the structure influence the position of the center of gravity 62. Also, many structures within the gas turbine engine structure take into account and partially determine the location and position of the center of gravity 62.

この開示された例では、例えば、ジャーナル軸受け、潤滑ジェット、およびエピサイクリック構成部品の周りのガッタ等のギア構造部48の構成部品は、ギア構造部48の総重量を定め、かつそれによって重心62の定義を考慮に入れる軽量化および軸方向の小型化を提供するように選択される。開示された一例では、ギア構造部の重量は、ギア構造部の全体の大きさまたは体積を重量に関連付けるための密度として記載される。この例では、ギア構造部の例は、約6089.58kg/m 3 約0.22ポンド/立方インチ約8303.97kg/m 3 約0.30ポンド/立方インチの密度を有するギアボックスである。ギアボックスのパーツ密度は、重心62の位置に影響を与える1つの考慮の対象である。 In this disclosed example, components of the gear structure 48 such as, for example, journal bearings, lubrication jets, and gutta around the epicyclic component define the total weight of the gear structure 48 and thereby the center of gravity. It is chosen to provide light weight and axial miniaturization taking into account 62 definitions. In one disclosed example, the weight of the gear structure is described as a density to relate the overall size or volume of the gear structure to the weight. In this example, the example gear structure has a density of about 6089.58 kg / m 3 ( about 0.22 lb / in 3 ) to about 8303.97 kg / m 3 ( about 0.30 lb / in 3 ). It is a gear box. Gearbox part density is one consideration that affects the position of the center of gravity 62.

さらに、ファン部22は、エンジンの例の最前方構成部品のうちの1つで、したがって、また、完成したエンジン22における重心62の最終位置に重要な影響を与える。したがって、ファン部22を構成する部品の選択は、推進効率の観点からだけでなく、ガスタービンエンジン20の全体構造に関しても考慮される。   Further, the fan section 22 is one of the foremost components of the engine example, and therefore also has a significant impact on the final position of the center of gravity 62 in the finished engine 22. Therefore, selection of the parts constituting the fan unit 22 is considered not only from the viewpoint of propulsion efficiency but also with respect to the overall structure of the gas turbine engine 20.

開示された例では、ファン部22は、軸Aを中心とする回転のために複数のファンブレード42を支持するローター72を含む。軸受け38の周囲に径方向に折り返されるローター72の配置は、重量の利点を提供し、それによって、エンジンの重心62を修正し、かつ位置付けるための別の手段を提供する。また、軸受け38は、重心62の位置にさらに影響を与えるために追加の重量を加えることなく、ファン部の構造に有益な影響をさらに提供する円錐ころローラー軸受けを含み得る。   In the disclosed example, fan portion 22 includes a rotor 72 that supports a plurality of fan blades 42 for rotation about axis A. The arrangement of the rotor 72 radially folded around the bearing 38 provides a weight advantage, thereby providing another means for modifying and positioning the engine's center of gravity 62. The bearing 38 may also include a tapered roller roller bearing that further provides a beneficial effect on the structure of the fan portion without adding additional weight to further affect the position of the center of gravity 62.

ファンローターの密度は、重心62の位置にさらに対応かつそれを達成する軽量構造体を利用するように、さらに選択され得る。この例では、ローター72を含むファン部22、および複数のファンブレードは、合わせて約260.19kg/m 3 約0.0094ポンド/立方インチ約426.27kg/m 3 約0.01540ポンド/立方インチの範囲内の密度を提供する。 The density of the fan rotor may be further selected to utilize a lightweight structure that further corresponds to and achieves the position of the center of gravity 62. In this example, the fan unit 22 and a plurality of fan blades, comprising a rotor 72, together about 260.19kg / m 3 (about 0.0094 lbs / square inch) to about 426.27kg / m 3 (about 0. providing density in the range of 01,540 lbs / cubic inch).

さらに、ファン収容ケース16は、ブレード42を収容する必要があり、複合材料から製造されて重量を減らし、重心62の位置を決定する選択である。   Furthermore, the fan housing case 16 needs to house the blades 42 and is a choice that is manufactured from composite material to reduce weight and determine the position of the center of gravity 62.

これらおよび他の構成パラメータおよび材料選択オプションを利用して、ギア付きターボファンエンジンの例は、エンジンの重心62の位置の尺度である内部モーメントアームを有する。内部モーメントアームの例は、次の関係に従うエンジン20の長さの約40%〜70%の範囲内である。   Utilizing these and other configuration parameters and material selection options, the example geared turbofan engine has an internal moment arm that is a measure of the position of the engine's center of gravity 62. Examples of internal moment arms are in the range of about 40% to 70% of the length of the engine 20 according to the following relationship:

内部モーメントアームMAは次のように定義される。   The internal moment arm MA is defined as follows.

Figure 0006027250
Figure 0006027250

この例では、MA=XCG/XLである。 In this example, a MA = X CG / X L.

したがって、ギア付きターボファンガスタービンエンジンにおいて、重心62の位置は、上記式によるモーメントアームに関連づけられ、ファンブレード42の前縁66と最後方回転タービンブレード70の後縁68との間の全長XLの約35%〜約75%の範囲内にある。別の開示された実施形態では、エンジン20の例に対するモーメントアームMAの例は、ファンブレード42の前縁66と最後方回転タービンブレード70の後縁68との間の全長XLの約40%〜約70%の範囲内にある。 Thus, in a geared turbofan gas turbine engine, the position of the center of gravity 62 is related to the moment arm according to the above equation and the total length X between the leading edge 66 of the fan blade 42 and the trailing edge 68 of the rearmost rotating turbine blade 70. Within about 35% to about 75% of L. In another disclosed embodiment, an example of a moment arm MA for example of the engine 20 is about 40% of the total length X L between the trailing edge 68 of the leading edge 66 and rearwardmost rotary turbine blades 70 of the fan blades 42 In the range of ~ 70%.

開示されたギア付きガスタービンエンジンにおける重心62の位置は、先行技術の直接駆動タービンエンジンよりも約30%だけ長くなる。以下の表1は、ギア付きターボファンエンジンのモーメントアームMAのさらなる開示された実施形態の例を含む。

Figure 0006027250
The position of the center of gravity 62 in the disclosed geared gas turbine engine is approximately 30% longer than in prior art direct drive turbine engines. Table 1 below includes examples of further disclosed embodiments of the moment arm MA of a geared turbofan engine.
Figure 0006027250

開示されたモーメントアームMAは、ファンブレード72の前縁66と低圧タービン46内の最後の回転タービンブレード70の後縁68との間で測定されたエンジンの長さXL(図1)のパーセントとして重心62の位置を表す。 The disclosed moment arm MA is a percentage of the engine length X L (FIG. 1) measured between the leading edge 66 of the fan blade 72 and the trailing edge 68 of the last rotating turbine blade 70 in the low pressure turbine 46. Represents the position of the center of gravity 62.

図2を参照すると、複雑な計算が、任意のエンジンの重心62の物理的位置を決定するために用いられ得るが、任意のエンジンにおいてこの位置を決定する別の手段がある。エンジンの中心線または軸Aが、吊り上げ点74を通って軸Aと交差する垂直線76に対して垂直であるとき、エンジン20上に位置する吊り上げ点74は、軸方向で重心62に位置する。したがって、重心62は、一例では、単一の吊り上げ点74で支持されたときに、垂直線76がエンジンの中心線すなわち軸Aと直角に交差する点として決定され得る。   Referring to FIG. 2, complex calculations can be used to determine the physical location of the center of gravity 62 of any engine, but there are other means of determining this location in any engine. When the engine centerline or axis A is perpendicular to a vertical line 76 that intersects the axis A through the lift point 74, the lift point 74 located on the engine 20 is positioned at the center of gravity 62 in the axial direction. . Thus, the center of gravity 62 can be determined, as an example, as the point where the vertical line 76 intersects the engine centerline or axis A at right angles when supported by a single lifting point 74.

実際の重心62は、局所的に取り付けられた付属部品に起因して軸Aから若干ずれ得るが、エンジンの重心62の例は、エンジンの中心線または軸Aに沿って考えられる。   The actual center of gravity 62 may be slightly offset from axis A due to locally attached accessories, but an example of engine center of gravity 62 is considered along the engine centerline or axis A.

開示された重心62は、ターボファンエンジン20の動作システム内に収容される流体を含む。しかし、重心の例は、重力62の位置にはほとんど影響を及ぼさないであろう機体に由来するもの等、例えば、典型的なチューブ、ブラケット、およびハーネス等のいくつかの構造を含まない。また、重心62の例は、エンジンマウント、ファンカウル、逆スラスト装置、入口、ノズル、およびプラグを含まないベアエンジンのみのために決定される。換言すれば、重心62の例は、エンジン取付構造体、エンジンカウリング構造体、ナセル構造体などのガスタービンエンジンを構成する構造の重量を含めて決定されない。   The disclosed center of gravity 62 includes fluid contained within the operating system of the turbofan engine 20. However, examples of centroids do not include some structures such as those from a fuselage that would have little effect on the position of gravity 62, such as typical tubes, brackets, and harnesses. Also, the example of the center of gravity 62 is determined only for the bare engine that does not include the engine mount, fan cowl, reverse thrust device, inlet, nozzle, and plug. In other words, the example of the center of gravity 62 is not determined including the weight of the structure constituting the gas turbine engine such as the engine mounting structure, the engine cowling structure, and the nacelle structure.

したがって、ファン部およびギア構造部等の構造の材料および設計の選択によって、重心62は、推進効率を向上させ、かつ取付構造体要件を低減するために、構造的に望ましい位置に位置し得る。   Thus, through selection of structural materials and designs such as fan and gear structure, the center of gravity 62 can be located at a structurally desirable location to improve propulsion efficiency and reduce mounting structure requirements.

本発明の一実施形態が開示されたが、当業者は、ある一定の修正が本開示の範囲内に入るであろうことを認識するであろう。そのため、以下の特許請求の範囲は、本開示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。   While one embodiment of the invention has been disclosed, those skilled in the art will recognize that certain modifications will fall within the scope of the disclosure. As such, the following claims should be studied to determine the scope and content of this disclosure.

Claims (12)

ガスタービンエンジンであって、
軸を中心として回転可能である複数のファンブレードであって、それぞれが前縁を含む複数のファンブレードと、
後縁を有する最後方タービンブレードを含むタービン部と、
前記軸を中心として前記複数のファンブレードを回転させるように前記タービン部によって駆動されるギア構造部と、を備え、
前記ガスタービンエンジンの重心が、前記最後方タービンブレードの前記後縁から第1の軸方向距離に位置し、この第1の軸方向距離は、前記複数のファンブレードの前記前縁と前記最後方タービンブレードの前記後縁との間の全長の35%〜75%であ
前記複数のファンブレードが、ローター上に支持され、前記ローターおよびファンブレードが、260.19kg/m 3 〜426.27kg/m 3 の密度を有し、
前記ギア構造部が、6089.58kg/m 3 〜8303.97kg/m 3 の密度を有するギアボックスを備える、ガスタービンエンジン。
A gas turbine engine,
A plurality of fan blades rotatable about an axis, each of which includes a leading edge;
A turbine section including a rearmost turbine blade having a trailing edge;
A gear structure that is driven by the turbine to rotate the plurality of fan blades about the axis, and
A center of gravity of the gas turbine engine is located at a first axial distance from the trailing edge of the rearmost turbine blade, the first axial distance being determined by the front edge and the rearmost edge of the plurality of fan blades. are three 5% to 7 5% der of the total length between the trailing edge of the turbine blade,
The plurality of fan blades are supported on a rotor, the rotor and the fan blades having a density of 260.19 kg / m 3 to 426.27 kg / m 3 ;
The gear structure comprises a gearbox having a density of 6089.58kg / m 3 ~8303.97kg / m 3 , the gas turbine engine.
前記重心が実質的に前記軸に沿って配置される、請求項1に記載のガスタービンエンジン。   The gas turbine engine of claim 1, wherein the center of gravity is disposed substantially along the axis. 前記重心が、エンジン取付構造体と、エンジンカウリング構造体と、ナセル構造体とを含まない前記ガスタービンエンジンを構成する構造の重量を含めて決定される、請求項1に記載のガスタービンエンジン。   The gas turbine engine according to claim 1, wherein the center of gravity is determined including a weight of a structure constituting the gas turbine engine not including an engine mounting structure, an engine cowling structure, and a nacelle structure. 前記重心が、前記ガスタービンエンジンの動作システム内に収容される流体の重量を含めて決定される、請求項3に記載のガスタービンエンジン。   The gas turbine engine of claim 3, wherein the center of gravity is determined including a weight of fluid contained within an operating system of the gas turbine engine. 前記第1の軸方向距離が、前記複数のファンブレードの前記前縁と前記最後方タービンブレードの前記後縁との間の前記全長の40%〜70%である、請求項1に記載のガスタービンエンジン。 The first axial distance is 40 % to 70 % of the total length between the leading edge of the plurality of fan blades and the trailing edge of the rearmost turbine blade. Gas turbine engine. 前記重心が、前記ガスタービンエンジンの吊り上げ点を通って延びる垂直線と前記軸との交点に位置し、前記軸が前記垂直線に対して垂直である、請求項1に記載のガスタービンエンジン。   The gas turbine engine of claim 1, wherein the center of gravity is located at the intersection of a vertical line extending through a lifting point of the gas turbine engine and the axis, the axis being perpendicular to the vertical line. ターボファンエンジンであって、
軸を中心として回転可能である複数のファンブレードであって、それぞれが前縁を含む複数のファンブレードと、
後縁を有する最後方回転タービンブレードを含むタービン部と、
前記軸を中心として前記複数のファンブレードを回転させるように前記タービン部によって駆動されるギア構造部と、を備え、
前記ターボファンエンジンの内部モーメントアームが、前記複数のファンブレードの前記前縁と前記最後方タービンブレードの前記後縁との間の全長に対する、前記ターボファンエンジンの重心から前記最後方回転タービンブレードの前記後縁までの第1の距離の比率であり、この比率は35%〜75%であ
前記ギア構造部が、6089.58kg/m 3 〜8303.97kg/m 3 の密度を有するギアボックスを備え、
前記複数のファンブレードを支持するローターを含み、前記ローターおよびファンブレードが、260.19kg/m 3 〜426.27kg/m 3 の密度を有する、ターボファンエンジン。
A turbofan engine,
A plurality of fan blades rotatable about an axis, each of which includes a leading edge;
A turbine section including a rearmost rotating turbine blade having a trailing edge;
A gear structure that is driven by the turbine to rotate the plurality of fan blades about the axis, and
An internal moment arm of the turbofan engine from a center of gravity of the turbofan engine relative to a total length between the leading edge of the plurality of fan blades and the trailing edge of the rearmost turbine blade; is the ratio of the first distance to the trailing edge, Ri this ratio is 35% to 7 5% der,
The gear structure comprises a gear box having a density of 6089.58 kg / m 3 to 8303.97 kg / m 3 ;
A turbofan engine comprising a rotor supporting the plurality of fan blades, wherein the rotor and fan blades have a density of 260.19 kg / m 3 to 426.27 kg / m 3 .
前記比率が40%〜70%である、請求項に記載のターボファンエンジン。 The turbofan engine according to claim 7 , wherein the ratio is 40 % to 70%. 前記重心が、前記ターボファンエンジンの動作システム内に収容される流体の重量を含めて決定される、請求項に記載のターボファンエンジン。 The turbofan engine according to claim 7 , wherein the center of gravity is determined including a weight of fluid contained in an operating system of the turbofan engine. 前記重心が、前記ターボファンエンジンの吊り上げ点を通って延びる垂直線と前記軸との交点に位置し、前記軸が前記垂直線に対して垂直である、請求項に記載のターボファンエンジン。 The turbofan engine according to claim 7 , wherein the center of gravity is located at an intersection of a vertical line extending through a lifting point of the turbofan engine and the axis, and the axis is perpendicular to the vertical line. ガスタービンエンジンを組み立てる方法であって、
それぞれが前縁を含む複数のファンブレードを、回転軸を中心として支持することと、
前記回転軸を中心として後縁を有する最後方タービンブレードを含むタービン部を支持することと、
前記軸を中心として前記複数のファンブレードを回転させるように前記タービン部によって駆動されるギア構造部を支持することと、
前記最後方タービンブレードの前記後縁から第1の軸方向距離に前記ガスタービンエンジンの重心を配置するように前記ガスタービンエンジン構造体の構成部品を選択することと、を含み、前記第1の軸方向距離は、前記複数のファンブレードの前記前縁と前記最後方タービンブレードの前記後縁との間の全長の35%〜75%であ
前記複数のファンブレードをローター上に支持することを含み、前記ローターおよびファンブレードが、260.19kg/m 3 〜426.27kg/m 3 の密度を有し、
ギア構造部を、6089.58kg/m 3 〜8303.97kg/m 3 の密度を有するギアボックスとして組み立てることを含む、方法。
A method of assembling a gas turbine engine comprising:
Supporting a plurality of fan blades each including a leading edge about a rotational axis;
Supporting a turbine portion including a rearmost turbine blade having a trailing edge about the rotational axis;
Supporting a gear structure driven by the turbine to rotate the plurality of fan blades about the axis;
Selecting a component of the gas turbine engine structure to place a center of gravity of the gas turbine engine at a first axial distance from the trailing edge of the rearmost turbine blade; and axial distance, are three 5% to 7 5% der of the total length between the trailing edge of the said leading edge of said plurality of fan blades rearmost turbine blades,
Supporting the plurality of fan blades on a rotor, the rotor and fan blades having a density of 260.19 kg / m 3 to 426.27 kg / m 3 ;
Assembling the gear structure as a gear box having a density of 6089.58 kg / m 3 to 8303.97 kg / m 3 .
前記複数のファンブレードの前記前縁と前記最後方タービンブレードの前記後縁との間の全長の40%〜70%の範囲内に前記重心を配置するように、前記ガスタービンエンジンの構成部品を選択することを含む、請求項11に記載の方法。 The gas turbine engine is configured to place the center of gravity within a range of 40 % to 70 % of a total length between the leading edge of the plurality of fan blades and the trailing edge of the rearmost turbine blade. The method of claim 11 , comprising selecting a part.
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