JP2000328905A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービンロータを支持する軸受の劣化を抑制
し、長期に渡り安定して動作するガスタービンエンジン
を提供する。 【解決手段】 複数の軸受に支持されるタービンロータ
５を燃焼ガスによって回転させるガスタービンエンジン
において、タービンロータ５は、回転時に少なくとも一
つの軸受Ｂ３に対してオイル潤滑に必要な負荷を与える
ように重心Ｇを回転軸芯Ｙｍから離して形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼ガスによって
タービンロータを回転させるガスタービンエンジンに関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば航空機に使用されるガスタービン
エンジンは、燃焼ガスによってタービンロータを回転さ
せ、回転力を航空機推進用に利用したり、あるいは直接
高速の燃焼ガスを後方に噴出し、その反作用として推進
力を得るように構成されている。タービンロータは、回
転シャフトがボールベアリングやローラベアリングなど
の複数の軸受によって回転自在に支持されており、回転
シャフトには燃焼ガスを受けるブレードが取り付けられ
ている。

【０００３】タービンロータは、一般に、エンジンに設
置されるにあたって、できるだけバランスの取れた状態
に調整される。バランス状態は、偏心荷重と偏心距離と
の積として示されるアンバランス量（残留アンバランス
量）で表されることが多く、アンバランス量が大きい
と、回転時にタービンロータにたわみが生じて部材が損
傷したり、大きな振動が生じて部材の耐久性が低下す
る。このため、従来、ガスタービンエンジンは、タービ
ンロータのアンバランス量を可能な限りゼロに近づける
ように調整されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ガスタ
ービンエンジンによっては、タービンロータのアンバラ
ンス量がゼロに近づくと、タービンロータを支持する軸
受に、スキッディングと呼ばれる劣化が生じてしまうと
いう問題がある。スキッディングとは、軸受の金属表面
の一部が剥がれてしまう現象で、以下のような過程によ
って生じると考えられている。すなわち、タービンロー
タの軸受内部には、熱膨張を考慮に入れた所定のラジア
ル隙間が設けられていることが多く、アンバランス量が
ゼロに近い状態でタービンロータが高速回転すると、特
定の軸受でのみタービンロータを支持するようになり、
支持していない軸受の内輪が外輪のほぼ中央に浮いた状
態になりやすい。例えば、コンプレッサロータとタービ
ンロータが結合されたロータアセンブリに３つの軸受が
用いられている場合には、ロータアセンブリが、片側の
２つの軸受で支持されて、タービンロータ側の一端が上
述したような浮いた状態となる。すると、この一端側の
軸受に装填されているローラのラジアル方向に与えられ
る力が弱まって潤滑油の巻き込みが不十分となり、軸受
内部全体に潤滑用のオイルが行き渡らなくなってしま
う。そのため、軸受の一部に油膜切れが生じて金属同士
の接触が起こり、金属表面の一部が剥がれてしまうこと
になる。従来、潤滑用オイルの粘性を変えるなどによ
り、こうしたスキッディングの抑制を試みているが、安
定した効果が得られていない。

【０００５】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
ものであり、タービンロータを支持する軸受の劣化を抑
制し、長期に渡り安定して動作するガスタービンエンジ
ンを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、複数の軸受に支持されるタ
ービンロータを燃焼ガスによって回転させるガスタービ
ンエンジンにおいて、タービンロータが、回転時に少な
くとも一つの軸受に対してオイル潤滑に必要な負荷を与
えるように重心を回転軸芯から離して形成されている技
術が採用される。このガスタービンエンジンは、タービ
ンロータが、回転時に軸受に対してオイル潤滑に必要な
負荷を与えるように重心を回転軸芯から離して形成され
ているので、タービンロータを支持する軸受内部に潤滑
油を巻き込むのに十分な負荷がかかり、軸受のローラや
ボールが十分な力を持って回転するようになる。そし
て、軸受内部全体に潤滑用のオイルが行き渡り、軸受内
部で油膜切れが生じにくくなる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明
に係るターボジェットエンジンのタービンロータを示す
モデル図であり、図２は、このターボジェットエンジン
の概略構成を示す縦断面図である。図中、符号１は空気
取入口、２は軸流圧縮機、３は燃焼室、４は燃焼ガス排
出口、５はタービンロータ、６は圧縮機側ロータ、７は
始動電動機を示している。

【０００８】このターボジェットエンジンは、空気取入
口１から取り込んだ空気を、軸流圧縮機２における静翼
１０および動翼１１によって圧縮し、燃焼室３で燃焼さ
せて、燃焼ガスを燃焼ガス排出口４から後方へ噴出し、
その反作用として推進力を得るように構成されている。

【０００９】燃焼室３の内側に配されるタービンロータ
５は、全体重量が例えば約３０ｋｇで、回転自在なロー
タシャフト１２と、ロータシャフト１２の燃焼ガス排出
口４側に配設されるディスク１３と、ディスク１３の周
面に放射状に立設される翼形状のブレード１４とを主体
に構成されている。ロータシャフト１２の空気取入口１
側の一端は、圧縮機側ロータ６の一端と同一軸線上に連
結されていて、また、圧縮機側ロータ６の他端は、始動
電動機７に接続されている。これらにより、タービンロ
ータ５は、燃焼室３からの燃焼ガスをブレード１４に受
けることによって例えば最大約 12000ｒｐｍで回転し、
圧縮機側ロータ６を介して、軸流圧縮機２における動翼
１１を回転させるようになっている。

【００１０】また、ロータシャフト１２および圧縮機側
ロータ６は、互いに連結された状態で、３つの軸受Ｂ
１，Ｂ２，Ｂ３によって回転自在に支持されている。こ
こでは、軸受Ｂ１が空気取入口１側に、軸受Ｂ３が燃焼
ガス排出口４側に、そして軸受Ｂ２が軸受Ｂ１および軸
受Ｂ３との中間に、それぞれ配されている。

【００１１】軸受Ｂ１は、ボールベアリングであって、
圧縮機側ロータ６を軸方向に位置決めするように、２つ
隣接して取り付けられている。また、軸受Ｂ２および軸
受Ｂ３は、ローラベアリングであって、ロータシャフト
１２および圧縮機側ロータ６の軸方向の熱膨張を逃がす
ために、内輪と外輪とが軸方向にある程度ずれるように
構成されている。また、軸受Ｂ１、Ｂ２及びＢ３は、回
転時の熱膨張を逃がすためにラジアル隙間を有してい
る。さらに、軸受Ｂ３は、燃焼室３からの熱による半径
方向の熱膨張を吸収するために、内部に所定量のラジア
ル隙間を有するように構成されている（例えば、合計の
ラジアル隙間が７０〜１００μｍ）。また、各軸受Ｂ
１，Ｂ２，Ｂ３には、潤滑用のオイルが図示しないノズ
ルなどから供給され、軸受Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３が回転する
ことによってオイルが軸受内部全体に行き渡るようにな
っている。

【００１２】タービンロータ５はさらに、回転時に軸受
Ｂ３に対してオイル潤滑に必要な負荷を与えるように重
心Ｇを回転軸芯Ｙｍから離して形成されている。ここで
は、タービンロータ５のアンバランス量が、重心Ｇの偏
りを距離で表す偏重心距離ｅによって定められている。
回転体のアンバランス量は、一般に、回転体の静的な残
留アンバランス量Ｕとして、偏心荷重ｗと偏心距離ｒ
（回転軸芯Ｙｍから偏心荷重ｗまでの距離）との積（Ｕ
＝ｗ・ｒ）で測定される。そして、偏重心距離ｅ（回転
軸芯Ｙｍから重心Ｇまでの距離）は、この残留アンバラ
ンス量Ｕを回転体の重量Ｗで除したもの（ｅ＝ｗ・ｒ／
Ｗ）である。

【００１３】本実施形態のターボジェットエンジンで
は、タービンロータ５の回転時に、タービンロータ５に
大きな振動（ハイ・バイブレーション）が生じない範囲
内で、かつ、軸受Ｂ３内部に荷重（負荷）が作用して、
軸受Ｂ３内部全体に潤滑オイルが行き渡るように、偏重
心距離ｅが、ｅ＝１０〜１２μｍ に予め定められてい
る。そして、タービンロータ５の調整は、この偏重心距
離ｅから残留アンバランス量Ｕを導き出し、その残留ア
ンバランス量Ｕに基づいて行われている。ここでは、タ
ービンロータ５の重量は、約３０ｋｇであるので、残留
アンバランス量Ｕは次のように導かれる。 Ｕ＝ｅ・Ｗ＝１０〜１２μｍ・３００００ｇ＝３０〜３
６ｇｃｍ すなわち、タービンロータ５は、残留アンバランス量
Ｕ＝３０〜３６ｇｃｍになるように調整されている。

【００１４】このように構成されたターボジェットエン
ジンの作用についてさらに説明する。本実施形態のよう
に軸受Ｂ３に所定のラジアル隙間が設けられている場
合、残留アンバランス量Ｕがゼロに近い状態でタービン
ロータ５が高速回転すると、一般には、ロータシャフト
１２が軸受Ｂ１および軸受Ｂ２の２つによって片持ち状
態に支持されて、軸受Ｂ３の内輪が外輪のほぼ中央に浮
いた状態になりやすい。本実施形態では、回転時に軸受
Ｂ３に対してオイル潤滑に必要な負荷を与えるように、
タービンロータ５が、偏重心距離ｅに基づいて、重心Ｇ
を回転軸芯Ｙｍから離して形成されているので、タービ
ンロータ５を支持する軸受Ｂ３内部に負荷がかかり、軸
受Ｂ３内部のローラやボールが十分な力を持って回転す
る。そのため、軸受Ｂ３内部全体に潤滑用のオイルが行
き渡り、軸受Ｂ３内部で油膜切れが生じにくい。したが
って、油膜切れによって生じる軸受Ｂ３の劣化（スキッ
ディング）を抑制することができ、長期に渡り安定して
動作するようになる。

【００１５】また、偏重心距離ｅは、タービンロータ５
の重量Ｗを変数として扱うことが可能であるので、ほぼ
同じ支持構造のタービンロータ５を有するガスタービン
エンジンであれば、タービンロータ５の重量Ｗの違いに
よらず、基準値として他のエンジンに適用することが可
能である。また、軸受の数が異なるなど、支持構造の異
なる場合でも、偏重心距離ｅを用いてタービンロータ５
を形成することで、容易にスキッディングを抑制するよ
うな設計・調整を行うことができる。さらに、本実施形
態では、回転力を伝達するロータが、圧縮機側ロータ６
とタービンロータ５とを連結した２軸構造となっている
が、本発明は、ロータが１軸で構成される場合にも適用
される。１軸の場合は、偏重心距離ｅ＝１２〜１５μｍ
となることが一例として確認されている。

【００１６】続いて、本発明の実施例について説明す
る。上述した実施形態で示したターボジェットエンジン
について、運転試験を行って、ＳＯＡＰ（Spectrometri
c Oil Analysis Program）および振動をモニタリングし
た。また、これに先立って同一のエンジンにて行われた
試験において、タービンロータ５の残留アンバランス量
Ｕ＝５ｇｃｍ のとき、ＳＯＡＰ分析で軸受Ｂ３からＦ
ｅ成分が多く検出されている。本試験においては、ター
ビンロータ５を残留アンバランス量 Ｕ＝約３５ｇｃｍ
に調整し、１サイクル２．５時間×６サイクル、合計１
５時間の運転試験を４回実施した。なお、ＳＯＡＰ分析
は、軸受の摩耗を予知診断するために、潤滑オイルな
ど、油中に含まれる金属摩耗粒子のモニタリングを行う
ものである。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１は、軸受Ｂ３のＳＯＡＰ分析結果を示
している。この表に示すように、各試験（１〜４回目）
とも、１〜６サイクル後において、ＳＯＡＰ値のＦｅ成
分は安定して１ｐｐｍ以下であり問題ない。これより、
残留アンバランス量 Ｕ＝３５ｇｃｍ において、軸受Ｂ
３にスキッディングが発生する可能性が低いことが分か
る。

【００１９】

【表２】

【００２０】表２に示すように、タービン部（タービン
ロータ５）の振動は、運転速度最大時（約 12000ｒｐ
ｍ）においても、安定して１ｍｉｌ以下である。これ
は、残留アンバランス量 Ｕ＝５ｇｃｍ で先立って試験
された際の振動値と比較しても有意差がない値である。
したがって、残留アンバランス量 Ｕ＝３５ｇｃｍ にお
いて、振動によるエンジンの損傷の恐れが低いことが分
かる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
以下の効果を得ることができる。請求項１に係るガスタ
ービンエンジンは、タービンロータが、回転時に軸受に
対してオイル潤滑に必要な負荷を与えるように重心を回
転軸芯から離して形成されているので、タービンロータ
を支持する軸受内部に十分な負荷がかかり、軸受のロー
ラやボールが十分な力を持って回転するようになる。そ
のため、軸受内部全体に潤滑用のオイルが行き渡り、軸
受内部で油膜切れが生じにくくなる。したがって、油膜
切れによって生じる軸受の劣化を抑制することができ、
長期に渡り安定して動作するようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一実施形態のタービンロータの
モデル図である。

【図２】 本発明に係る一実施形態を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ 軸受 ｅ 偏重心距離 Ｇ 重心 ｒ 偏心距離 Ｕ 残留アンバランス量 ｗ 偏心荷重 Ｗ 重量 Ｙｍ 回転軸芯 ５ タービンロータ ６ 圧縮機側ロータ １２ ロータシャフト １３ ディスク １４ ブレード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の軸受に支持されるタービンロータ
   を燃焼ガスによって回転させるガスタービンエンジンに
   おいて、 前記タービンロータは、回転時に少なくとも一つの前記
   軸受に対してオイル潤滑に必要な負荷を与えるように重
   心を回転軸芯から離して形成されていることを特徴とす
   るガスタービンエンジン。