JP2005220906A - 第1および第2の軸受に支持される駆動シャフトと一体化したファンを有するターボジェットエンジン - Google Patents

第1および第2の軸受に支持される駆動シャフトと一体化したファンを有するターボジェットエンジン Download PDF

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Abstract

【課題】従来のターボジェットエンジンの欠点を克服する。
【解決手段】本発明は、固定構造体と、第1の軸受6および第2の軸受7に支持される駆動シャフト5と一体化されたファンロータ2とを備えるターボジェットエンジンに関する。本発明は、ターボジェットエンジンが、手段28を備え、該手段28は、ファンロータ2の軸方向保持手段を形成し、かつ/または非常時軸受を形成し、固定構造体の手段32、33と協働し、かつ駆動シャフト5と一体的に搭載されることを特徴とする。特に、ファン2の軸方向保持手段を形成しかつ/または非常時軸受を形成する手段が、保持ディスク28を備え、該保持ディスク28は、駆動シャフト5に搭載され、かつファン2を軸方向に保持するためのフランジ18の停止ディスク33およびフランジ18の長手方向スリーブ32と協働し、非常時軸受を形成する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ジェットエンジンの分野に関し、より詳細には、第1の軸受および第2の軸受によって支持される駆動シャフトと一体化されたファンを有するエンジンに関する。
排気方向における上流側から下流側に、前記ターボジェットエンジンは、ファン、1つ以上のコンプレッサ段、1つ以上のタービン段、および排気管を備える。ファンは、回転させられたときに、ターボジェットエンジンに空気を追いやるブレードを周囲に設けたロータを備える。ファンロータは、エンジンの低圧ロータシャフトにより支持される。ロータは、固定構造体に連結された第2の軸受から特に中間ケーシングまでの上流側にある第1の軸受によって、ジェットエンジンの軸に中心合わせされる。
本記載の残りの部分では、ファンが、ダブルボディエンジンの低圧ロータのシャフトであるコンプレッサシャフトと一体化されて取り付けられる限りにおいて、このシャフトは、単一の用語のコンプレッサシャフトにより指定される。
第1の軸受は、支持片によって支持され、該支持片は、第1の軸受から下流側に向けられ、かつジェットエンジンの固定構造体に取り付けられる、コンプレッサシャフトの周囲のエンクロージャを形成する。第2の軸受は、ジェットエンジンの固定構造体に取り付けられる支持片によって支持される。
ファンブレードが偶然に失われる可能性がある。その結果生じるコンプレッサシャフトの実質的な不均衡が、軸受にかかる負荷や振動を引き起こし、該負荷や振動は、支持片を介してジェットエンジンの固定構造体に伝達され、ジェットエンジンの固定構造体を、損傷する可能性のある。
ジェットエンジンへの広範すぎる損傷のリスクを回避するため、構造体のサイズを大きくするか、あるいは、仏国特許第2752024号で提案されるように、第1の軸受の切り離しシステムを設けることができる。第1の軸受の支持片は、印加された負荷が高すぎる場合に、破損を引き起こす弱化部分を含む、いわゆるせん断ネジ(シャースクリュー)により、ジェットエンジンの構造体に取り付けられる。したがってコンプレッサシャフトに不均衡が発生する場合、第1の軸受に生じた応力が、破断するせん断ネジに伝達されて、第1の軸受の支持片をジェットエンジンの構造体から切り離す。一実施形態によると、第2の軸受の支持体は、切り離しの際に追随する、第1の軸受の支持体に結合される。その結果、不均衡により生じた応力は、これらの支持片によりジェットエンジンの固定構造体にはもはや伝達されなくなる。
しかしながら、軸受の切り離し後、ファンは引き続き回転し、コンプレッサシャフトはその軸を中心に回転できなくなり、ジェットエンジンの固定構造体に損傷を与えるかもしれない重大な変位を被る可能性がある。仏国特許第2752024号は、この場合に、ジェットエンジンの固定構造体に、2つの軸受の支持片を包囲し、かつ軸方向停止装置および非常時軸受として機能するリッジを設けている。
しかし、この場合、非常時軸受は、最初の軸受と径方向に遠く離れ、各種エンジン部品の応力分布を完全に変えてしまう。
最後に、第2の軸受は、場合によっては、第1の軸受の切り離し後のコンプレッサシャフトの維持を確保することができるため、標準に最も近い構成にジェットエンジンを維持することが常に好まれる際、必ずしも両軸受を系統的に同時に切り離す必要はない。
仏国特許発明第2752024号明細書
本発明は、これらの欠点を克服することを目指す。
この目的のため、本発明は、ターボジェットエンジンに関し、該ターボジェットエンジンは、固定構造体と、第1の軸受および第2の軸受に支持される駆動シャフトと一体化されたファンロータとを備え、ターボジェットエンジンは、手段を含み、該手段は、ファンロータの軸方向保持手段を形成しかつ/または非常時軸受を形成し、固定構造体の手段と協働し、かつ駆動シャフトと一体的に搭載されることを特徴とする。
好ましくは、ジェットエンジンは、第2の軸受が固定される構造フランジを備えるため、ファンの軸方向保持手段を形成しかつ/または非常時軸受を形成する手段が、保持ディスクを備え、該保持ディスクは、駆動シャフトに搭載され、かつファンを軸方向に保持するためのフランジの停止ディスクおよびフランジの長手方向スリーブと協働し、非常時軸受を形成する。
さらに好ましくは、ファンの軸方向保持手段を形成しかつ/または非常時軸受を形成する手段が、駆動シャフトに直接軸方向応力を伝達するように構成される。ファンの軸方向保持時に、これが当てはまらない場合、軸受の支持片に生じる応力が、第2の軸受の支持片に沿って広がり、かつコンプレッサシャフトの第2の軸受の固定ナットの破損を招く可能性がある。このような破損は、コンプレッサシャフトの第2の軸受の軸方向保持を無効にするであろう。ファンは引き続き回転するため、コンプレッサシャフトを前方に駆動させ、軸方向に保持されていない第2の軸受で、かつこの点に取り付けられた他の構成要素上を滑動させる。その結果、ファンは、破滅的な結果を招くジェットエンジンの外部に追い出される。
有利なことに、第2の軸受は、内側リングと、外側リングと、および前記内側および外側リングの間に搭載されるローラとを備え、保持ディスクは、駆動シャフトの歯を軸方向に支持し、かつ第2の軸受の内側リングの長手方向歯により回転が固定される径方向の歯を備える。
本発明は、添付の図面を参照しつつ、以下の本発明のターボジェットエンジンの好適な実施形態の記載により、さらに容易に理解されるだろう。
図1を参照すると、本発明のターボジェットエンジンは、ファン2を備え、ファン2のロータが、ジェットエンジンの軸4を中心に径方向に延びるブレード3を有する。ファンシャフト2は、ブレード3から下流側で、全体的に円柱状のコンプレッサシャフト5に固定される。これは低圧コンプレッサシャフトである。本記載の残りの部分では、ファンシャフト2とコンプレッサシャフト5のアセンブリは、コンプレッサシャフト5または駆動シャフト5として称される。コンプレッサシャフトは、第1の軸受6と、第1の軸受6の下流側に配置される第2の軸受7とによって支持される。
図2を参照すると、第1の軸受が、内側リング8と外側リング9を備え、内側リング8と外側リング9との間に、玉軸受10が搭載されている。内側リング8は、コンプレッサシャフト5と一体的に搭載され、外側リングは、軸受支持片11(以下、第1の軸受支持体11と称する)と一体的に搭載される。玉軸受10は、外側リング9に対して、したがって第1の軸受支持体11に対して、内側リング8、したがってコンプレッサシャフト5の回転を可能にする。
第1の軸受支持体11は、下流側方向で第1の軸受6から延伸し、全体的には円柱状であり、わずかに円錐状であって、下流側方向に向かって直径が増加していく。特にエンジンの中間ケーシングと一体的なジェットエンジン1の固定構造体のフランジ18(以下、構造フランジ18と称する)に、せん断ネジ13がねじ込まれる下流側クランプ12によって搭載される。これらのせん断ネジ13は、応力が高くなりすぎるとき、特にブレードが失われた後にコンプレッサシャフト5に不均衡が生じるときに、破断を招く引張り力に対して低抵抗の弱化部13’を備える。
第2の軸受7は、内側リング14と外側リング15を備え、その内側リングと外側リングとの間にローラ16が搭載される。内側リング14は、コンプレッサシャフト5と一体的に搭載され、外側リング15は、後述するように通常動作のときにジェットエンジン1の固定構造体と一体的に搭載される。ローラ16は、内側リング14の周囲を延伸するチャネル14a内で、ジェットエンジン1の軸4に平行に搭載され、当業者にはよく知られているリテーナ17により互いに離れて保持される。それらのローラは、外側リング15に対して内側リング14の回転を可能にし、それによって、ジェットエンジン1の固定構造体に対してコンプレッサシャフト5の回転を可能にする。
第2の軸受7は、軸受支持片19(以下、第2の軸受支持体19と称する)により支持され、第2の軸受支持体は、第2の軸受7の外側リング15をきつく包囲し、その周囲で、固定クランプ21が径方向に延び、せん断ネジ22により構造フランジ18にねじ込まれる、ハウジング20またはリング20を備える。
第2の軸受7の外側リング15は、軸方向断面で見たとき、凸状の球形の外表面23を備える。この凸状の球形面23は、凹状の球形をした第2の軸受支持体19のリング20の内表面24に合う。2つの球形面である、凸状の球形面23と凹状の球形面24は、それらの間で、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部を構成する。それらは、ジェットエンジン1の通常動作の下で、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部が回転しないように構成される。第2の軸受7の外側リング15は、第2の軸受支持体19に対して、したがってジェットエンジン1の固定部品に対して固定される。ブレード3が失われた場合の挙動を、以下にさらに説明する。
第2の軸受7の領域におけるジェットエンジン1の構成要素の構造を、それらの構成の理解に寄与する図3から図6を参照して、それらの要素の搭載を記載することにより説明する。
図3を参照すると、構造フランジ18の上のコンプレッサシャフト5は、環状溝27を形成する2つの突出環状部、すなわち上流側の突出環状部25と下流側の突出環状部26を備える。突出部26は、径方向の切欠き26’を備えることによって、それら切欠きの間に歯26”を形成する。歯26”と切欠き26’は、好ましくは均等な外周サイズであるため、概して、それぞれがコンプレッサシャフト5の外周の半分を超えて延伸する。
図4を参照すると、保持ディスク28は、コンプレッサシャフト5の環状溝27に搭載される。保持ディスク28は、内側の径方向縁部に、外周の寸法が、コンプレッサシャフト5の切欠き26’と歯26”の外周の寸法に相当する、切欠き28’と径方向の歯28”を備える。搭載するとき、保持ディスク28は、上流側方向にコンプレッサシャフト5に装着され、歯28”は、それらの歯28”が、コンプレッサシャフト5の上流側の突出環状部25の下流側面に当接するまで、コンプレッサシャフト5の切欠き26’に挿入される。その後、保持ディスク28は、その歯28”が、コンプレッサシャフト5の歯と軸方向に一列に並ぶまで、ジェットエンジン1の軸4を中心に回転する。この位置で、それら歯28”は、上流側の突出環状部25の下流側面と、コンプレッサシャフト5の歯26”の上流側面との間で包囲され、コンプレッサシャフト5と保持ディスク28の切欠き26’、28’は、軸方向に一列に並ぶ。
図5を参照すると、第2の軸受7の内側リング14は、その上流側部に、外周の寸法が、上述した切欠き26’、28’および歯26”、28”の外周の寸法に相当する、切欠き14’と長手方向方向の歯14”とを備える。内側リング14は、コンプレッサシャフト5に装着され、歯14”は、それら歯14”が、コンプレッサシャフト5の上流側の突出環状部25の下流側面と、コンプレッサシャフト5の歯26”に当接する切欠き14’の横断方向面に当接するまで、コンプレッサシャフト5および保持ディスク28の切欠き26’、28’に挿入される。したがって、内側リング14の歯14”は、歯28”が、コンプレッサシャフト5の歯26”に軸方向に当接する保持ディスク28の回転を固定する。
図6を参照すると、ローラ16が、内側リング14で、この目的のために設けられたチャネル14a内に搭載される。それらローラ16をともに保持するリテーナ17は、図示されていない。第2の軸受支持体19に搭載された第2の軸受7の外側リング15は、ローラ16の周りに装着される。外側リング15の内表面15aは、軸方向断面から見て、ローラ16より大きな長手方向の寸法を有する直線を成す。第2の軸受支持体19のクランプ21は、せん断ネジ22を介して構造フランジ18に固定される。
ボールジョイント(23、24)を形成する接合部を形成するように、第2の軸受支持体19のリング20に第2の軸受7の外側リング15を搭載することを、図7を参照して説明する。第2の軸受支持体19のリング20は、2つの搭載切欠き20’、20”を備え、該2つの搭載切欠き20’、20”は、正反対であり、かつ外周の寸法が、第2の軸受7の外側リング15の長手方向寸法に相当する。外側リング15は、第2の軸受19の対面する側で示され、これらの切欠き20’、20”に滑り込む。それから、外表面23が、第2の軸受支持体19のリング20の内表面24を支持するように、90°回転させられることによって、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部を形成する。
その他の構成要素は、第2の軸受7の内側リング14から下流側のコンプレッサシャフト5に装着することができる。たとえば、この場合、図1および図2を参照すると、移動捕捉装置29が、いわゆるラビリンスジョイント30と一緒に、コンプレッサシャフト5の移動により他の要素を駆動するために設けられる。一旦すべての構成要素が装着されれば、アセンブリは、固定ナット31により軸方向に固定される。
図8を参照すると、構造フランジ18が、中心に穴あけされている。中央部に、構造フランジ18は、長手方向スリーブ32を備え、長手方向スリーブ32の上流側端部で、停止ディスク33が、連続的にかつ径方向内側へ延伸し、長手方向スリーブ32の内側端部が、フランジ18の中央孔を形成する。停止ディスク33は、保持ディスク28の上流側面34が、下流側面35を支持できるように構成される。これら2つの面34、35により形成される支持面34、35は、一方の他方に対する支持が、できる限り均一になるように補完しあう方法で配置される。本発明のターボジェットエンジン1に関して本明細書で記載される実施形態では、支持面34、35は、円錐状である。これらの支持面は、平面状、または有利なことに球面状であってもよい。停止ディスク33の機能は、破断の際にコンプレッサシャフト5を軸方向に遮断することであるため、それと一体的に設けられたファン2は、後述するように前方へ駆動されない。
ファン2のブレード3が失われた場合の本発明のターボジェットエンジン1の機能を、より詳細に説明する。
ブレード3の損失は、コンプレッサシャフト5の不均衡を招く。それによって生じた応力は、第1の軸受支持体11を構造フランジ18に固定するせん断ネジ13の破損と、ジェットエンジン1の固定構造体からのこの軸受支持体11の切り離しを引き起こす。
その後、第2の軸受7は、必ずしもジェットエンジン1の固定構造体から切り離されるとは限らず、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部が、コンプレッサシャフト5の屈曲を吸収することができる。ボールジョイント(23、24)を形成する接合部が、ジェットエンジン1の通常の動作下には回転しないが、コンプレッサシャフト5の不均衡時には回転することができるように、第2の軸受支持体19のリング20の第2の軸受7の外側リング15が調整されることが分かった。したがって、コンプレッサシャフト5の屈曲が、この球を形成する球面23、24により画定される球面の中心を中心とした、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部の回転を引き起こす。
しかしながら、コンプレッサシャフト5の屈曲が、広範すぎる場合、あるいはこの屈曲が、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部の単純な回転では吸収不可能である場合、特に屈曲がジェットエンジン1の軸4に対して偏心している場合、第2の軸受支持体19を構造フランジ18に固定するせん断ネジ22は破断する。この破損は、第2の軸受7とその支持体19の径方向の移動を可能にする。また、長手方向寸法がローラ16の長手方向寸法よりも長い、第2の軸受7の外側リング15の内表面15a上でローラ16を軸方向に滑動させることによって、長手方向方向の移動が可能になる。
したがって、本発明によると、径方向、長手方向方向、および角度方向の運動が、第2の軸受7で可能にされるため、第1の軸受6の切り離し運動学が、ローラ16にかかる余剰の応力を発現させずに第2の軸受7で許容される。部品の移動は、阻害されない。
しかし、ローラ16が破断すれば、保持ディスク28は、径方向の外表面36を介して、フランジ18の長手方向スリーブ32の内表面37に当接することができる。これらは、非常時軸受としての役割を果たす。この機能が、ディスク28とスリーブ32に関して求められる場合、保持ディスク28の外表面36と長手方向スリーブ32の内表面37との間の径方向の距離は、それ相応にサイズを設定できる。
しかしながら、コンプレッサシャフト5の破損は、上述の様々な安全装置にもかかわらず、発生する場合がある。したがって、最終的な安全システムが設けられる。コンプレッサシャフト5が破損した場合、ファン2の回転が、ファンを、それと一体的に設けられたコンプレッサシャフト5とともに前方へ駆動させる。その後、保持ディスク28の上流側面34が、ジェットエンジン1の固定構造体と一体的の停止ディスク33の下流側面35に当接する。したがって、停止ディスク33は、コンプレッサシャフト5(または、コンプレッサシャフト5と一体的なタービンシャフト)が破損した場合に、ファン2を軸方向に停止させる役割を果たす。保持ディスク28と停止ディスク33それぞれの2つの支持面34、35の球形の利点が、ここで明白になる。その利点は、接触時に、構造フランジに対するコンプレッサシャフト5の傾きに関係なく、均一な接触を可能にする。
接触以降、応力は、保持ディスク28により、コンプレッサシャフト5の歯26”に、したがってコンプレッサシャフト5に応力を伝える歯28”に伝達される。したがって、保持ディスク28とコンプレッサシャフト5の第2の軸受7の内側リング14の構成によって、停止ディスク33によるファン2の軸方向保持によって引き起こされる応力は、固定ナット31に伝達されない。固定ナット31の破損は、コンプレッサシャフト5の周囲に装着された各種構成要素の滑動と、ファン2およびコンプレッサシャフト5の前方への排出を招くため、応力が固定ナットに伝達されれば破滅的な結果となるだろう。しかし反対に、これらの応力は、コンプレッサシャフト5に伝達される。
本発明の装置では、したがって、コンプレッサシャフトの軸方向保持、したがって第2の軸受7の固定ナット31への保持応力を伝達することなく、第2の軸受7でのファン2の軸方向保持を確保することができる。
本発明による非常時支持装置およびジェットエンジンの軸方向保持は、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部の機能が補完的であるため、ボールジョイント(23、24)を形成する接合部と組み合わせて説明する。
明らかに、保持ディスク28と停止ディスク33を有し、接触応力が固定ナット31には伝達されずコンプレッサシャフト5に直接伝達されるように構成された本発明の装置は、これら2つの軸受6、7の種類に関係なく、2つの軸受6、7に支持されるコンプレッサシャフト5を備えるいかなる種類のジェットエンジンにも適用することができる。
たとえば、図10では、上述したジェットエンジン1に実際上類似するターボジェットエンジン41を見ることができる。特に、そのターボジェットエンジンは、第1の軸受46と第2の軸受47により支持される駆動シャフト45を備える。第1の軸受46は、上述のフランジ18と類似のフランジ418に取り付けられた支持片411により支持される。フランジ418はその中央部に、長手方向スリーブ432をさらに備え、長手方向スリーブ418の上流側端部が、連続してかつ径方向に内側へ延伸する停止ディスク433であり、長手方向スリーブ432の内側の縁部が、フランジ418の中央孔を形成する。
第2の軸受47は、上述の内側リング14に類似の内側リング414と、外側リング415とを備え、その内側リング414と外側リング415との間に、ローラ416が搭載される。外側リング415は、その外周に、フランジ418に固定される固定クランプ421を備える。上述の保持ディスク28に類似の保持ディスク428が、同様に駆動シャフト45に搭載される。
ここで保持ディスク428は、長手方向スリーブ432の外表面436と内表面437との径方向の距離がかなり短くなるように構成されるため、保持ディスク428と長手方向スリーブ432との非常時支持機能を、適切に確保することができる。したがって、ローラ416が破断する場合、保持ディスク428の外表面436は、径方向の変位があまり大きくなりすぎずに、非常時支持の役割を果たすため、長手方向スリーブ432の内表面437と当接する。
上述したように、コンプレッサシャフト45の破損の際には、保持ディスク428の上流側面434が、コンプレッサシャフト45の破損の際に、ファンの軸方向停止装置としての役割を果たす、停止ディスク433の下流側面435と当接する。上述したように、含まれる2つの支持面434、435は、平面、横断、円錐、または球の形状を取ることができる。
本発明の好適な実施形態の軸方向断面図である。 スペースC内に含まれる図1の領域の拡大図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフトと構造フランジの斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフト、構造フランジ、および保持リングの分解斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフト、構造フランジ、保持リング、および第2の軸受の内側リングの分解斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフト、構造フランジ、保持リング、第2の軸受の内側リング、および第2の軸受の支持体の分解斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態の第2の軸受の支持体の外側リングの搭載を示す概略斜視図である。 本発明の好適な実施形態の構造フランジの斜視図である。 コンプレッサシャフトの破損後の、本発明の好適な実施形態の第2の軸受の概略側面断面図である。 本発明の別の実施形態の断面図である。
符号の説明
1 ジェットエンジン
2 ファンシャフト
3 ブレード
4 軸
5 コンプレッサシャフト
6、46 第1の軸受
7、47 第2の軸受
8、14、414 内側リング
9、15、415 外側リング
10 玉軸受
11、19 軸受支持片
13、22 せん断ネジ
13’ 弱化部
14’、20’、20”、26’、28’ 切欠き
14”、26”、28” 歯
14a チャネル
16、416 ローラ
17 リテーナ
18 構造フランジ
20 ハウジング
21、421 固定クランプ
23、436 外表面
24、437 内表面
25 上流側突出環状部
26 下流側突出環状部
27 環状溝
28、428 保持ディスク
29 移動捕捉装置
30 ラビリンスジョイント
31 固定ナット
32、432 長手方向スリーブ
33、433 停止ディスク
34、35 支持面
41 ターボジェットエンジン
45 駆動シャフト
411 支持片
418 フランジ
434 上流側面
435 下流側面

Claims (4)

  1. 固定構造体と、第1の軸受(6)および第2の軸受(7)に支持される駆動シャフト(5)と一体化されたファンロータ(2)とを備えるターボジェットエンジンであって、ターボジェットエンジンが、手段(28)を備え、該手段(28)が、ファンロータ(2)の軸方向保持手段を形成しかつ/または非常時軸受を形成し、固定構造体の手段(32、33)と協働し、かつ駆動シャフト(5)と一体的に搭載されることを特徴とする、ターボジェットエンジン。
  2. 第2の軸受(7)が固定される構造フランジ(18)を備え、ファン(2)の軸方向保持手段を形成しかつ/または非常時軸受を形成する手段が、保持ディスク(28)を備え、該保持ディスク(28)が、駆動シャフト(5)に搭載され、ファン(2)を軸方向に保持するためのフランジ(18)の停止ディスク(33)およびフランジ(18)の長手方向スリーブ(32)と協働し、非常時軸受を形成する、請求項1に記載のターボジェットエンジン。
  3. ファン(2)の軸方向保持手段を形成しかつ/または非常時軸受を形成する手段が、駆動シャフト(5)に直接軸方向応力を伝達するように構成される、請求項1または2に記載のターボジェットエンジン。
  4. 第2の軸受が、内側リング(14)と、外側リング(15)と、前記内側および外側リング(14、15)の間に搭載されるローラ(16)とを備え、保持ディスク(28)が、駆動シャフト(5)の歯(26”)を軸方向に支持し、かつ第2の軸受(7)の内側リング(14)の長手方向歯(14”)により回転が固定される径方向の歯(28”)を備える、請求項3に記載のターボジェットエンジン。
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