JP2012031995A - ジャーナル空気軸受およびジャーナル空気軸受の設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ジャーナル空気軸受（１０）の圧力を均衡化させる。
【解決手段】エアサイクルマシン（３０）の回転シャフト（２６）のための例示的なジャーナル空気軸受（１０）は、回転シャフト（２６）を収容するように設けられたトップフォイル（１４）と、トップフォイル（１４）の径方向外側に位置する中間フォイル（１８）と、を含む。ジャーナルスリーブ（３４）が、中間フォイル（１８）の径方向外側に設けられている。トップフォイル（１４）と中間フォイル（１８）は、トップフォイル（１４）の径方向内側の第１の位置と、中間フォイル（１８）の径方向外側の第２の位置との間で流体を連通させるように設けられた開口部を定める。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体力学式流体フィルムジャーナル軸受またはフォイル軸受とも呼ばれるジャーナル空気軸受に関する。

周知のように、ジャーナル空気軸受は、航空機のエアサイクルマシンのシャフトなどの回転する構成要素を支持する。典型的なジャーナル空気軸受装置は、トップフォイル、中間フォイルおよびバンプフォイルを含む。これらのフォイルは、ジャーナルスリーブに収容され、回転する構成要素の周りに巻き付けられている。トップフォイルは、他のフォイルよりも回転する構成要素に近接する。ジャーナル空気軸受は、空気などの流体を使用して回転中に構成要素を支持する。構成要素の回転時には、トップフォイルと回転する構成要素との間に、ほぼあるいは全く接触がない。

ジャーナル空気軸受には、構成要素の回転軸に対して径方向に延在する成形されたキーを含むものがある。成形キーは、ジャーナルスリーブのスロットに受け入れられる。成形キーは、スロットの端部に接触して構成要素に対するフォイルの回転を制限する。回転時に構成要素を支持する流体は、成形キーに設けられたクリアランスを通って連通する。構成要素を支持する流体は、回転時に加圧される。流体の圧力は、スロットに対する周方向位置によって変化する。圧力の変化によって、構成要素が不安定になるおそれがある。従来技術では、流体の圧力は、典型的に成形キーから約１８０°の位置で最大になる。

エアサイクルマシンの回転シャフトのための例示的なジャーナル空気軸受は、回転シャフトを収容するように設けられたトップフォイルと、トップフォイルの径方向外側に位置する中間フォイルと、を含む。ジャーナルスリーブが、中間フォイルの径方向外側に設けられている。トップフォイルと中間フォイルは、トップフォイルの径方向内側の第１の位置と、中間フォイルの径方向外側の第２の位置と、の間で流体を連通させるように設けられた開口部を定める。

例示的なジャーナル空気軸受装置のフォイル装置は、回転シャフトに面するように設けられた内側面を有するトップフォイルと、トップフォイルの外側面に向かって径方向内側に付勢されるように設けられた中間フォイルと、を含む。トップフォイルは、互いに周方向に離間された中断部を内側面に含む。これらの中断部は、トップフォイルと回転シャフトとの間における流体圧力の増大を減少させるように設けられている。

ジャーナル軸受をエアサイクルマシンに設置する例示的な方法は、回転シャフトとフォイル軸受との間の流体を加圧し、圧力を第１の位置で解放するとともに、圧力を第２の位置で解放することを含む。第２の位置は、第１の位置から周方向に離間されている。

開示された実施例の上述および他の特徴は、以下の実施形態および以下に簡単に説明する図面により最もよく理解される。

エアサイクルマシンの回転シャフトを支持する例示的なジャーナル空気軸受装置の説明図である。 図１のジャーナル空気軸受装置のトップフォイルと中間フォイルを巻き付けられていない状態で示す平面図である。 図２のトップフォイルと中間フォイルの円筒状の取り外された状態を示す斜視図である。 図２のトップフォイルと中間フォイルの円筒状の取り外された状態を示す別の斜視図である。 図１のジャーナル空気軸受装置の円筒状の取り外された状態を示す斜視図である。 別の例示的なジャーナル空気軸受装置を示す説明図である。

図１を参照すると、例示的なジャーナル空気軸受装置１０は、トップフォイル１４、中間フォイル１８およびバンプフォイル２２を含む。例示的なジャーナル空気軸受装置１０は、エアサイクルマシン３０のシャフト２６を回転可能に支持している。他の例では、ジャーナル空気軸受１０は、ターボ圧縮機、機室空気圧縮機、ラム空気ファンなどの他の航空機補機で使用される。

軸受装置１０とシャフト２６は、ジャーナルスリーブ３４に収容される。成形されたキー３８が、シャフト２６に対して径方向に延在する。成形キー３８は、ハウジングボア３６に収容されるジャーナルスリーブ３４に画成されたスロット４２に受け入れられる。Ｏリングが、ハウジングボア３６内でジャーナルスリーブ３４を保持するために使用される。シャフト２６が回転すると、成形キー３８がスロット４２と接触し、軸受装置１０がシャフト２６と共に回転するのを防ぐ。

この例では、トップフォイル１４と中間フォイル１８は、第１の端部４４と第２の端部４５とを有する単一片である。成形キー３８は、トップフォイル１４と中間フォイル１８とを連結する。他の例では、トップフォイル１４は中間フォイル１８とは別に設けられる。

設置状態では、トップフォイル１４と中間フォイルは、それぞれシャフト２６の周りに巻き付けられる。バンプフォイル２２もシャフト２６の周りに巻き付けられる。バンプフォイル２２は、トップフォイル１４と中間フォイル１８の径方向外側に位置する。バンプフォイル２２は、中間フォイル１８をトップフォイル１４に向かって付勢し、シャフト２６に対する中間フォイル１８およびトップフォイル１４の位置を保持する。

この例では、空気などの冷却流体が、バンプフォイル２２と中間フォイル１８との間に定められたチャネル４６を通って連通する。冷却流体は、さらに、バンプフォイル２２とジャーナルスリーブ３４の間に定められたチャネル５０を通って連通する。チャネル４６，５０を通って連通する冷却流体は、軸受装置１０から熱エネルギを取り除く。

流体は、間隙５２を通ってトップフォイル１４とシャフト２６の間の領域に連通する。シャフト２６の回転により、空気などの流体がトップフォイル１４とシャフト２６の間の領域で加圧される。加圧された流体は、シャフト２６から径方向に離れるようにトップフォイル１４を付勢する。これにより、シャフト２６は、トップフォイル１４とシャフト２６との間の加圧空気に支持された状態で回転する。シャフト２６が運転速度で回転しているときには、トップフォイル１４とシャフト２６との間に、ほぼあるいは全く接触がない。シャフト２６は、エアサイクルマシン３０の運転時に回転する。

図１を引き続き参照しつつ、図２〜図５を参照すると、複数のスロット５４がトップフォイル１４に設けられており、複数のボア５８が中間フォイル１８に設けられている。トップフォイル１４と中間フォイル１８がシャフト２６の周りに巻き付けられると、スロット５４はボア５８と周方向で一致する。

スロット５４とボア５８は、トップフォイル１４とシャフト２６の間の流体をチャネル４６に連通させる通路を提供する。このように流体をシャフトから離れるように連通させることにより、トップフォイル１４とシャフト２６との間の圧力がいくらか解放される。

スロット５４とボア５８によって提供される連絡通路は、チャネル４６と周方向で一致し、シャフト２６とトップフォイル１４の間の流体をチャネル４６に容易に連通させる。

例示的な軸受装置１０に関連して、３つの圧力プロファイルつまり圧力降下がある。成形キー３８がそのうち１つの圧力プロファイルを定める。スロット５４の群とボア５８の群が他の２つの圧力プロファイルを定める。

この例では、スロット５４の群およびボア５８の群の一方が、成形キー３８から時計回りで周方向に１２０°離間されている。また、スロット５４の群およびボア５８の群の他方が、成形キー３８から半時計回りで周方向に１２０°離間されている。３つの圧力プロファイルを周方向に分散させることにより、シャフト２６にかかる力が均衡化されてシャフト２６の偏心変位が減少する。他の例では、スロット５４およびボア５８の追加の群が使用される。このような例では、スロット５４およびボア５８のそれぞれの群は、互いから周方向に９０°あるいは７２°離間させることができる。

複数のボア５８は、異なる直径を有するボアを含む。この例では、比較的大きいボアの直径は約０．１０５インチ（２．６７ｍｍ）であり、比較的小さいボアの直径は約０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）である。すなわち、比較的大きいボアの直径は、比較的小さいボアの直径の約２倍である。

この例では、複数のスロット５４は、それぞれ約０．０６０インチ（１．５２ｍｍ）の幅を有し、約０．４１０インチ（１０．４１ｍｍ）の長さを有する。複数のスロット５４は、シャフト２６の回転軸Ｘと整列しており、トップフォイル１４の端部から約０．１５０インチ（３．８１ｍｍ）離間されている。

この例では、複数のスロット５４に含まれる各々のスロットは、複数のボア５８に含まれる単一の比較的大きいボアおよび２つの比較的小さいボアと周方向で一致している。単一の比較的大きいボアは、軸方向で２つの比較的小さいボアの間に位置する。比較的大きいボアの直径はスロットの幅よりも大きいので、比較的大きいボアはスロットの両端部と重なる。比較的小さいボアは、直径がスロットの幅よりも小さく、かつスロット内で周方向に中心づけられているので、スロットの両端部とは重ならない。

スロット５４およびボア５８は、開口部または中断部の一種として示されているが、他の種類の開口部を使用してチャネル４６への流体連絡通路を提供することもできる。さらに、他の例は、トップフォイル１４と中間フォイル１８の両方を貫通しない特徴部を含みうる。例えば、図６を参照すると、中断部６２はトップフォイル１４ａのみに設けられており、中間フォイル１８ａには開口部が設けられていない。中断部６２は、シャフト２６とトップフォイル１４ａの間の圧力を解放するが、チャネル４６への連絡通路の一部を構成しない。中断部６２は、圧力降下を提供し、シャフト２６とトップフォイル１４ａの間の流体の流れを撹拌する。

例示的な中断部６２は、十分に圧力を解放するように（図１〜図５の）スロット５４の３倍の幅を有する。他の例は、スロット５４の２倍の幅を有する中断部など、異なる幅を有する中断部６２を含む。中間フォイル１８ａに開口部が設けられていない場合には、中断部６２は十分に圧力を解放するように典型的にスロット５４よりも広い幅を有する必要がある。

この例では、トップフォイル１４ａの径方向に延びる端部６６が中断部６２を定めている。端部６６は、中断部６２に流入する流体の流れを制御するために丸くなっている。

例示的な中断部６２は、トップフォイル１４ａの内側面７０から外側面７４まで延びる。他の例では、中断部６２はトップフォイル１４ａの全体を通って延びない。

上述の説明は例示的なものであり、限定的なものではない。当業者に明らかとなる開示された実施例の変更および改良は、本開示内容の趣旨から必ずしも逸脱するものではない。よって、本開示内容に与えられる法的保護の範囲は、以下の請求項の検討によってのみ判断される。

１０…ジャーナル空気軸受装置
１４…トップフォイル
１８…中間フォイル
２２…バンプフォイル
２６…シャフト
３０…エアサイクルマシン
３４…ジャーナルスリーブ
３６…ハウジングボア
３８…成形キー
４２…スロット
４４…第１の端部
４５…第２の端部
４６，５０…チャネル
５２…間隙

Claims (20)

1. 回転シャフトを収容するように設けられたトップフォイルと、
   トップフォイルの径方向外側に位置する中間フォイルと、
   中間フォイルの径方向外側に位置するジャーナルスリーブと、を有し、
   トップフォイルと中間フォイルとが、トップフォイルの径方向内側の第１の位置と、中間フォイルの径方向外側の第２の位置と、の間で流体を連通させるように設けられた開口部を定めていることを特徴とするエアサイクルマシンの回転シャフト用のジャーナル空気軸受。
2. ジャーナルスリーブの径方向内側に位置し、トップフォイルの少なくとも一部分を回転シャフトの外側面に対して付勢するように設けられたバンプフォイルを含むことを特徴とする請求項１記載のジャーナル空気軸受。
3. 前記開口部は、バンプフォイルと中間フォイルとの間に定められるキャビティに流体を連通させるように設けられており、前記キャビティは、回転シャフトの回転軸と整列する方向に冷却空気を連通させるように設けられていることを特徴とする請求項２記載のジャーナル空気軸受。
4. 前記開口部は、トップフォイルを中間フォイルに連結する成形キーから周方向に離間されており、この成形キーは、径方向に延在するとともに回転軸に対するトップフォイルの回転を防止するように設けられていることを特徴とする請求項１記載のジャーナル空気軸受。
5. 回転シャフトは、航空機のエアサイクルマシンに設けられていることを特徴とする請求項１記載のジャーナル空気軸受。
6. トップフォイルは、中間フォイルと連結されていることを特徴とする請求項１記載のジャーナル空気軸受。
7. 前記開口部は、トップフォイルに設けられ、中間フォイルに設けられた少なくとも１つのボアと周方向で一致する第１のスロットと、トップフォイルに設けられ、中間フォイルに設けられた少なくとも１つのボアと周方向で一致する第２のスロットと、を含むことを特徴とする請求項１記載のジャーナル空気軸受。
8. 回転シャフトに面するように設けられた内側面を有するトップフォイルと、
   トップフォイルの外側面に向かって径方向内側に付勢されるように設けられた中間フォイルと、を有し、
   トップフォイルは、内側面に複数の中断部を含み、これらの中断部は互いに周方向に離間しているとともに、トップフォイルと回転シャフトとの間における流体圧力の増大を減少させるように設けられていることを特徴とするジャーナル空気軸受のフォイル装置。
9. トップフォイルを中間フォイルに連結する成形キーを含み、この成形キーは、回転シャフトに対するジャーナル空気軸受フォイルの回転を制限するように設けられていることを特徴とする請求項８記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
10. 少なくとも１つの中断部は、成形キーから周方向に離間されていることを特徴とする請求項９記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
11. 少なくとも１つの中断部は、成形キーから周方向に１２０°離間された第１の開口部の配列と、第１の開口部から１２０°離間された第２の開口部の配列と、を含むことを特徴とする請求項９記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
12. 前記複数の中断部は、回転シャフトの回転軸と整列する少なくとも１つのスロットを含むことを特徴とする請求項８記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
13. ジャーナル空気軸受は、流体フィルムジャーナル空気軸受であることを特徴とする請求項８記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
14. 前記複数の中断部は、前記内側面から前記外側面に延びる少なくとも１つの流体連絡通路の一部を構成することを特徴とする請求項８記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
15. 前記少なくとも１つの流体連絡通路は、回転シャフトの回転軸と整列するようにトップフォイルに設けられた少なくとも１つのスロットと、中間フォイルに設けられた少なくとも１つのボアと、を含むことを特徴とする請求項１４記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
16. 前記少なくとも１つのボアは、第１のボアの群と第２のボアの群とを含み、第１のボアの群および第２のボアの群は、少なくとも１つの第１のボアと複数の第２のボアとをそれぞれ含み、第１のボアは第２のボアよりも直径が大きいことを特徴とする請求項１５記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
17. 第１のボアの直径は前記スロットの幅よりも大きく、第２のボアの直径は前記スロットの幅よりも小さいことを特徴とする請求項１６記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
18. 第１のボアの群と第２のボアの群とは、２つの第２のボアの間で軸方向に配置された１つの第１のボアをそれぞれ含むことを特徴とする請求項１６記載のジャーナル空気軸受のフォイル装置。
19. エアサイクルマシンの回転シャフトにジャーナル空気軸受のトップフォイルを設け、トップフォイルは開口部を含み、
    トップフォイルの径方向外側に中間フォイルを設け、中間フォイルは開口部を含み、
    トップフォイルと中間フォイルの径方向外側にバンプフォイルを巻き付けて、バンプフォイルと中間フォイルとの間にチャネルを形成し、
    トップフォイルの開口部と中間フォイルの開口部を通って、回転シャフトと前記チャネルとの間で流体を連通させる通路を定めることを含むことを特徴とするエアサイクルマシンへのジャーナル空気軸受の設置方法。
20. 径方向に延在するとともに回転シャフトに対するトップフォイルの回転を防止するように設けられた成形キーによって、トップフォイルを中間フォイルに連結し、
    成形キーを使用して、トップフォイルの開口部と中間フォイルの開口部とを周方向で一致させることをさらに含むことを特徴とする請求項１９記載のジャーナル空気軸受の設置方法。