JP2005201446A - 二重補剛体を有する軸受け支持体 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な液圧応用設備によって管理されなければならない流体の使用を必要としない解決方法を提供する。
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの軸受け１４によって支持される回転シャフト１５およびフレーム１０を有し、かつ少なくとも２つの異なる作動スピードで作動し得る、ガスタービンエンジンのような回転エンジンのための軸受け１４支持体１１、１２に関するものであって、組み合わせられた異なる剛性を有する少なくとも２つの機械的支持構造体１１、１２を備え、これらの異なる剛性のうちの１つで軸受け１４を支持することを特徴としている。本発明は、このように導入される剛性力が、エンジンシャフトの不平衡質量によって生成される励起力に直接的に対抗し得るから、機械構造体の使用が、いかなる液圧機器の存在をも回避するという利点を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転するエンジンシャフトのための軸受け支持体に関する。本発明は、特に、ガスタービンエンジンに関する。

現在では、エンジンシャフトのためのローラ、オイルおよびガス軸受け、ならびに構造体の寿命は、そのフレーム、伝動シャフト、軸受け、および支持体を含むエンジンアセンブリの振動特性に非常に強く依存している。

振動励起の主原因は、製造の不完全性によって常に存在する、エンジンシャフトの機械的な不平衡質量に依存している。その後に、エンジンアセンブリに作用する主振動周波数は、ほぼエンジン回転周波数となる。

上述されたこのアセンブリの各部分の振動応答は、増大するので、構造体の軸受けおよび要素は、ますます応力を受け、疲労による影響を一層受けて、その結果それらの寿命は短くされる。

これらの振動は、非常に激しいノイズの害をも誘起する。

これらの振動の振幅を低減する１つの手段は、回転周波数に対する共振周波数を適合させるべく構成された軸受け支持体を提供することからなる。例えば、軸受け支持体は、それらの主共振周波数が、エンジン作動スピードに対応する回転周波数から非常にかけ離れたものとなるように構成される。

しかしながら、いくつかの場合においては、エンジンが、異なるスピード、例えば２つのスピード、すなわち低スピードと高スピードで使用され得る。

この問題を克服すべく、種々の解決方法が提案されてきている。

例えば、米国特許第５４３３５８４号は、シャフトを両端で支持する２つの軸受けのための支持体を開示しており、支持体は、２つの軸受けの各々において異なる剛性を有するべく配置されており、２つの剛性の組み合わせは、軸受けのうちの１つを通して正常な作動スピードにおける振動を制限し、且つ異常な不平衡質量または同様のタイプの他の同様な異常な事象には、他の軸受けで抵抗する手段を提供する。

この解決方法は、２つの軸受けのうちの一方が、上述された問題の結果として異常な振動レベルによって、依然として影響を受けるから、満足すべきものではない。

米国特許第５１１０２５７号および仏国特許第２４３９３３１号の文献は、粘性制動を用いる解決方法を提案しており、流体が、エンジンの運転中に支持体の制動を修正して、それゆえ現在のタイプの運転の間にアセンブリの振動応答を適合させるべく、エンジンスピードに応じて制御され、上述された不都合を回避する。
米国特許第５４３３５８４号明細書 米国特許第５１１０２５７号明細書 仏国特許発明第２４３９３３１号明細書

この解決方法は、特別な液圧機器によって管理されなければならない流体の使用を必要とするために、複雑であり、そのことはまた粘性制動にも限定される。

本発明によれば、少なくとも１つの軸受けによって支持される回転シャフトおよびフレームを有し、かつ少なくとも２つの異なる作動スピードで作動し得る、ガスタービンエンジンのような回転エンジンのための軸受け支持体が提案され、軸受けを低い剛性および高い剛性のうちの１つで支持するように組み合わせられた、低い剛性を有する少なくとも１つの機械的支持構造体と、高い剛性を有する支持構造体とを備え、低い剛性を有する支持構造体は、エンジンが、決定された回転周波数よりも低いスピードで作動しているときに、高い剛性を有する支持構造体と結合され、且つエンジンが、回転周波数よりも高いスピードで作動しているときに、高い剛性を有する支持構造体から結合が解かれることを特徴とする。

機械構造体の使用は、このように導入される剛性力が、エンジンシャフトの不平衡質量によって生成される励起力に直接的に対抗し得るから、いかなる液圧機器の存在をも回避する。

低い剛性を有する支持構造体は、軸受けを支持し、且つ高い剛性を有する支持構造体は、エンジンが２つのスピードの一方で、例えば低いエンジン回転スピードで作動しているときに、シャフト不平衡質量に抗すべく、低い剛性を有する支持構造体を支持する。

軸受け支持体は、高い剛性を有する支持構造体を、エンジンが２つのスピードのいずれか、例えば高いエンジン回転スピードで作動しているときに、低い剛性を有する支持構造体から分離させるべく構成されており、低い剛性を有する構造体は、シャフト不平衡質量によって生成される振動励起をフィルタリングする。

都合の良いことに、低い剛性を有する支持構造体は、それをより柔軟にさせるべくスクワラルケージ（ｓｑｕｉｒｒｅｌ ｃａｇｅ）の形態としている。

他の特徴によれば、少なくとも３つの異なる作動スピードで作動するエンジンのための支持体は、組み合わせられた異なる剛性を有する少なくとも３つの支持機械構造体を備え、異なる剛性のうちの１つで軸受けを支持する。

本発明はさらに、他の構造体よりもむしろ１つの構造体を作動させる手段を制御するためのサーボ制御システムに関し、上記手段は、エンジンのおよび／またはエンジンが取り付けられた航空機の制御コンピュータを通してシャフトスピードまたは振動振幅に応じて制御される。

本発明は、本発明の好ましい実施形態および添付図面に従った、軸受け支持体の以下の記述を読んだ後は、よりよく理解されるであろう。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、図２Ａは、図２Ｂに示される方向Ａに沿った断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示される方向Ｂに沿った断面図であり、回転エンジンは、フレーム１０、および作動時にエンジンのＯ軸のまわりで回転するシャフト１５を備えている。

シャフトは、軸受け１４、この場合はボールベアリングによって適正位置に保持され、軸受け支持体１４は、一方の外側構造体１１が、他方の内側構造体１２を取り囲んでいる、２つの同軸の支持構造体からなる。それらは、両方ともフレーム１０に向かってほぼ円錐形の形状をなしている。支持体の内側構造体１２は、以下に説明される通り、フレーム１０と軸受け１４のところで、２つの構造体が組み合わせられるように、軸受け１４に近接して円筒状をなしている。

内側支持構造体１２は、フレーム１０と軸受け１４とに結合されている。これは、低剛性にて結合されまたは可撓性がある。

それは、さらに可撓性を持たせるために、いわゆるスクワラルケージ形態１３に構成されても良い。

外側支持構造体１１は、内側構造体よりもかなり剛性が高く、そして場合によってはその内側面にリブが形成されていても良い。リブは図示されていない。

これらの支持構造体の振動特性は、図１に示されるそれらの周波数応答スペクトルの図に概略的に示されている。それらは、対応する剛性に応じており、そして本明細書に説明される装置におけるそれらの使用方法は、以下に説明される。

この最終構造体１１は、フレーム１０に近接する端部において、フレームおよび可撓性支持構造体１２での回転においてスライド自在に設置されている。それは、Ｏ軸の周りで、手動または電気的機械的制御の作用のもとにおいて、図示されておらず且つ当業者には知られている適切な在来の手段、例えばレバー、電気モータ、液圧または空気圧ジャッキによって、２つの回転方向に回転可能である。

その軸受け１４に近接する端部において、支持構造体１１は、結合された支持構造体１２のまわりで径方向の歯１６（この場合、この最終構造体１２に４個の歯が固定されている）によって限定された弧に沿って回転し得る。歯１６は、回転の軸に垂直な構造体１１のフランジの内面に形成された４個のハウジング１７と協働する。ハウジングは、２つの部分１７Ａおよび１７Ｂを有し、そのために底部は、軸から異なる距離を有する。

図３Ａおよび図３Ｂに図解された位置において、歯１６は、それらの頂点とハウジングの底部との間に、径方向のクリアランスＪを存して部分１７Ａ内に配置される。このクリアランスは、回転シャフトの不平衡質量効果よりも大きい。

ハウジングの部分１７Ｂは、さらに小さな直径を有する。歯１６は、正確に形状を一致させて、径方向のクリアランスなしに、同時にハウジング内に挿入されても良い。

歯１６が、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、部分１７Ｂ内に配置されるとき、支持構造体１１および１２は、軸受けに近接して結合される。他方では、これらの構造体は、図３Ａおよび図３Ｂにおけるこの位置にて結合が解かれる。

図１に示す概略図を参照すると、それらの異なる剛性に起因して、構造体１１および１２は、周波数ｆでシャフトの回転によって生成される振動励起に対するそれらの応答が、可撓性構造体についてＳ１、Ｓ２の曲線、および剛性構造体についてＲ１、Ｒ２の曲線によって表現され得るような、振動特性を有している。

これら２つの曲線によって図解される共振Ｍ_ＳおよびＭ_Ｒは、明確に分離されており、２つの曲線は、同時に２つの構造体についての低振動応答振幅によって特徴付けられる回転周波数ｆｐに対応する点Ｍ_Ｐにおいて交差する。周波数ｆｐよりも低い周波数において、剛性構造体１１は、有意な応答を有していない（Ｒ１）。より高い周波数において、可撓性構造体は、シャフト１５の励起をフィルタリングし、重要な応答が存在しない（Ｓ２）けれども、逆に応答Ｓ１およびＲ２は高い。

外側支持構造体１１が、上述の制御を用いて図３Ｂにおける第１の方向２２に回転すべく、機械的に回転について制御されるとき、それは図２Ａおよび図２Ｂに示される高い剛性位置に移動する。したがって、低い剛性を有する支持構造体１２が、軸受け１４を支持し、高い剛性を有する支持構造体１１が、低い剛性を有する支持構造体を支持する。

この位置においては、支持構造体１１および１２は、完全に結合され、軸受け支持体アセンブリの剛性特性が、周波数応答Ｒ１を与える外側支持構造体１１である、より剛性的な構造体の特性によって決定される。この位置は、軸受け支持体が、回転シャフトの不平衡質量によって生成される周波数励起に抗するように、エンジンが低スピードで作動しているときに制御される。

外側支持構造体１１が、図２Ｂにおける第２の方向２１に回転すべく、機械的に回転に制御されているとき、上述の制御を用いて、図３Ａおよび図３Ｂに示される低い剛性位置に移動する。

この位置において、支持構造体１１および１２は、軸受けにて結合が解かれ、そして軸受け支持アセンブリの剛性特性が、周波数応答Ｒ２を与える内側支持構造体１２である、より可撓性のある構造体の特性によって決定される。この位置は、回転シャフトの不平衡質量によって生成される振動励起を、軸受け支持体がフィルタリングするように、エンジンが高スピードで作動しているときに制御される。

したがって、軸受け支持体の全体的な振動特性の適応を最適化するために、外側構造体１１は、エンジンスピードが回転周波数ｆｐよりも低いときに、第２の方向２１への回転について、かつこの回転周波数よりも高いときに第１の方向２２への回転について、機械的に制御される。

エンジンアセンブリのグローバルな周波数応答は、それについての共通の最大値が、エンジン軸受け支持体を構築する２つの構造体１１および１２の周波数応答をあらわす曲線の交差点Ｍ_Ｐによってあらわされる、２つの曲線分岐Ｒ１およびＳ２からなる周波数曲線によってあらわされ、この最大値は、これら２つの構造体の周波数応答をあらわす２つの曲線の最大値Ｍ_ＳおよびＭ_Ｒよりもかなり少ない。

図１は、エンジンロータの振動励起下における支持構造体の周波数応答図である。 支持構造体が結合されている、軸受けおよび本発明に従ったその支持体の長手方向断面図を示している。 支持構造体が結合されている、軸受けおよび本発明に従ったその支持体の断面図を示している。 支持構造体の結合が解かれている、軸受けおよび本発明に従ったその支持体の長手方向断面図を示している。 支持構造体の結合が解かれている、軸受けおよび本発明に従ったその支持体の断面図を示している。

符号の説明

１０ フレーム
１１ 外側剛性支持構造体
１２ 内側可撓性支持構造体
１４ 軸受け
１５ シャフト
１６ 歯
１７ ハウジング

Claims (7)

1. 少なくとも１つの軸受け（１４）によって支持される回転シャフト（１５）およびフレーム（１０）を有し、かつ少なくとも２つの異なる作動スピードで作動し得る、ガスタービンエンジンのような回転エンジンのための軸受け（１４）支持体（１１、１２）であって、軸受け（１４）を低い剛性および高い剛性のうちの１つで支持するように組み合わせされた、低い剛性を有する少なくとも１つの機械的支持構造体（１２）と、高い剛性を有する１つの支持構造体（１１）とを備え、低い剛性を有する支持構造体（１２）は、エンジンが、決定された回転周波数（ｆｐ）よりも低いスピード（ｆ）で作動しているときに、高い剛性を有する支持構造体（１１）と結合され、且つエンジンが、回転周波数（ｆｐ）よりも高いスピード（ｆ）で作動しているときに、高い剛性を有する支持構造体（１１）から結合が解かれることを特徴とする、支持体。
2. 低い剛性を有する支持構造体（１２）が、径方向の歯（１６）を備え、高い剛性を有する支持構造体（１１）が、歯（１６）と協働するハウジング（１７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の支持体。
3. ハウジング（１７）は、低い剛性を有する支持構造体（１１）と高い剛性を有する支持構造体（１２）とが相互に対して結合するように、歯（１６）と協働する部分（１７Ｂ）を備える、請求項２に記載の支持体。
4. ハウジング（１７）が、高い剛性を有する支持構造体（１１）を低い剛性を有する支持構造体（１２）から結合を解くための径方向クリアランス（Ｊ）を有して歯（１６）と協働する部分（１７Ａ）を備え、該クリアランスは、回転シャフトの不平衡質量効果よりも大きい、請求項３に記載の支持体。
5. 低い剛性を有する支持構造体（１２）が、スクワラルケージ（１３）の形態をとっていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の支持体。
6. 少なくとも３つの異なる作動スピードで作動するエンジンのために、組み合わされた異なる剛性を有する少なくとも３つの支持機械構造体を備え、異なる剛性のうちの１つで軸受け（１４）を支持する、請求項１から５のいずれか一項に記載の支持体。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の軸受け支持体における、他の構造体よりもむしろ１つの構造体を作動させる手段を制御するためのサーボ制御システムであって、前記手段は、エンジンおよび／またはエンジンが取り付けられた航空機の制御コンピュータを介して、シャフトスピードまたは振動振幅に応じて制御される、システム。

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