JP2017506299A - ターボマシンのベアリングハウジング - Google Patents

Abstract

本発明は、固定壁（９）、回転シャフト（５）、前記壁と前記シャフトとの間の第１および第２のシール（１０；２０）と、前記シャフト（５）に近接する開口（１９ａ）を介して空気が供給される、固定壁（９）とステータ要素（１９）との間のチャンバ（Ｃｕｐ）と、を備えるターボマシンのベアリングハウジング（Ｅ）に関する。ハウジングは、空気を案内する手段（３０）が、ガイド手段を出る空気の少なくとも一部分が第１のシール（１０）とシャフトとの間を通るように、ハウジングの外部のハウジングの壁（９）の表面に沿って配置され、前記ガイド手段には、シャフトから径方向に離れている空気流入口によって空気が供給され、空気流入口からの空気が、前記シャフトにおけるよりも高圧であることによって特徴付けられる。

Description

本発明の分野はタービンエンジンの分野であり、具体的には、航空機の推進力のためのガスタービンエンジンの分野である。本発明は、タービンエンジンの回転要素と固定要素との間のシーリング部材の各境界における圧力のバランス、具体的にはロータのシャフトを支持するベアリングの領域における圧力のバランス、および、前記ベアリングが収容されるエンクロージャのシーリングに関する。

航空機用のタービンエンジンは通常、ガスの流れる方向の上流から下流に向かって、ファン、たとえば低圧（ＬＰ）圧縮機および高圧（ＨＰ）圧縮機である１つまたは複数の圧縮機段、燃焼チャンバ、たとえば高圧タービンおよび低圧タービンである１つまたは複数のタービン段、ならびにガス排気パイプを備えている。タービンは各圧縮機に対応するものとすることができ、２つの圧縮機がシャフトによって連結され、こうして、たとえば高圧（ＨＰ）本体および低圧（ＬＰ）本体を形成する。

シャフトは、エンクロージャ内に収容されたベアリングにより、上流側と下流側で支持される。エンクロージャは、シャフトおよびベアリングをエンジンの他の部分から保護する。したがって、エンクロージャは、エンジンの回転部材と、前記部材を支持する固定部品との間か、そうでなければ、ＨＰシャフトに堅固に接続されたピボットピン、およびＬＰシャフトなどの、異なる回転速度で回転する２つの回転部品の間に介在されるローラベアリングを含んでいる。ベアリングは、オイルによって潤滑および冷却される。オイルは回転部品によって吹き付けられ、浮遊した小滴のミストをそこに形成する。これらエンクロージャは、エンジンの固定の構造の壁のみならず、回転要素によっても、形成および境界が画定される。シーリング手段は、固定部品と可動部品とが結合する領域に設けられる。前記手段は、空気がこの手段を通って流れることを許容しなければならず、これは、エンクロージャを加圧することと、できるだけ多くのオイルを前記エンクロージャ内に保持することを目的としている。この理由は、オイルエンクロージャの固定要素と回転要素の間のシーリングが、特に扱いにくい問題であるためである。

シーリングは一般に、ラビリンスシールを使用することで達成される。このラビリンスシールは、最も単純で、最も強固で、かつ、最も広く利用されている、タービンエンジンのための解決策である。そのようなシールは、第１に、回転部品に堅固に接続されたナイフエッジシール、または薄いリブ、そして第２に、ナイフエッジシールに対向して配置され、固定部品に堅固に接続されたアブレイダブル材料を備えている。この場合、ローラベアリングがすぐ近くにあるため、ナイフエッジシールがアブレイダブル材料をえぐらず、前記アブレイダブル材料を形成する材料のチップを形成することのないように、ナイフエッジシールとアブレイダブル材料との間にクリアランスが必要となる。ローラベアリングは、それらローラベアリングに損傷を生じるおそれのある金属粒子の影響を受けやすい。各ナイフエッジシールは、前記シールに対面するアブレイダブル材料と協同して圧力を低下させ、また、これら圧力損失の合計が、要求されるシーリングを確実にする。本出願人の名前での特許出願である仏国特許出願第１２６１６９４号明細書に記載されているようなブラシシールなど、他のシーリング技術もまた可能である。この文献では、エンジンの速度とは無関係の、シールを通る漏出流量を制御するために、ラビリンスシールがブラシシールと関連付けられている。本出願人の名前での仏国特許出願公開第２９２９３２５号明細書は、ベアリングエンクロージャに関し、その中で、速度に従うのと同様に、エンクロージャ内の圧力をチェックすることによって、漏出流量をチェックすることができる。この特許出願では、分割されたラジアルタイプのシールが言及されている。このタイプのシールをタービンエンジンに適用することは、本出願人の名前での特許出願、欧州特許出願公開第３８７，１２２号明細書に記載されている。

ベアリングエンクロージャは通常、シャフトに沿って２つのシールを備えており、一方のシールはエンクロージャに包含されたベアリングの上流にあり、他方のシールは前記ベアリングの下流にある。しかし、ベアリングエンクロージャによっては、１つまたは複数の追加のシールを備える場合があり、また、エンクロージャ自体が複数のベアリングを備える場合がある。上述のように、エンジンの作動中に、エンクロージャに含まれるオイルが離脱し、エンジンの他の部材を汚染することを防止するために、これらシールには、各シールの外部からエンクロージャの内部に流れるガスが通される。このガスは、加圧空気源、より具体的には圧縮機を発生源とする空気である。

エンクロージャは、外気と連通し、大気圧に近い圧力に維持することができる。エンクロージャの内側のベアリングは、エンクロージャから絶えず摘出され、オイルセパレータ内で分離されるオイルのミストに浸される。

エンクロージャは、外気と直接連通せず、オイルを分離しないようにすることもできる。エンジンの低い点である６時の位置に配置され、回収ポートに接続された、オイルを回収するためのポンプがオイルおよびエンクロージャからの空気を回収し、こうして、オイルエンクロージャのシールを通る空気の流入口を形成する。有利には、ポンプの流量はエンクロージャ内へ入るオイルの流量よりも大であり、これによりベアリングの潤滑が可能になる。この場合、上流と下流の２つのシールの領域においてオイルを保持するために、これら２つのシールを通して空気を流すことが重要である。また、オイルエンクロージャの２つのシールを通って空気が流れるように、２つのシールの上流の圧力のバランスをとることが必要である。この圧力のバランスにより、一方のシールを他方のシールよりも優先し、したがって、他方のシールのシーリング性能を損なう、一方を優先するようなルート（ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ ｒｏｕｔｅ）は形成されない。

本発明は、シールの上流の圧力を増大させることにより、エンクロージャの２つのシールの外部の圧力のバランスをとることの問題を解決することを目的としている。このシールの上流の圧力レベルは、２つのシールの内の低い方の圧力レベルである。

既知の装置によれば、圧縮機から来る、専らシールを加圧するための空気が、ベアリングエンクロージャが位置するチャンバに入り、シャフトの近くに位置する開口を通り、次いで、ベアリングエンクロージャの外面に沿って径方向に、次いで軸方向に、適切な通路を通って、下流シールを供給するために下流側チャンバまで案内される。この加圧空気流の圧力レベルの分析により、空気流入開口と、径方向のより外側の位置の領域との間に圧力勾配があることが示されている。この圧力勾配は、ベアリングエンクロージャの上流シールの上流に位置するこのチャンバ内での再圧縮渦が原因である。「再圧縮渦」との表現は、回転流れが存在する場合に、径方向のギャップを圧力差と結びつける現象を示している。この場合、流れがタービンエンジンのシャフトの回転により押しやられるため、この流れは回転流れになる。圧縮機から来る加圧空気の流れがシャフトの領域に径方向に配置された開口を通ってチャンバ内に導入されると、チャンバ内に入るための開口の半径よりも大である半径の位置に環状排気ダクトが配置されている限り、シャフトの回転により、径方向に渦を巻く、この空気の回転を生じる。この渦を巻く動きは、通気空気流に径方向の圧力勾配を生じる。

仏国特許出願第１２６１６９４号明細書 仏国特許出願公開第２９２９３２５号明細書 欧州特許出願公開第３８７，１２２号明細書

本発明は、この圧力勾配を利用して、第１のシールの上流の十分な圧力レベルと、エンクロージャの２つのシールの外部の各圧力間のバランスとを正確に確実にするために、シールの領域よりも高圧の空気を回収する。あらゆる漏出を防止するための、２つのシールを通る空気の十分な流量が、こうして確実となる。

本発明によれば、固定壁と、回転シャフトと、前記壁と前記シャフトとの間の第１および第２のシールと、固定壁とステータ要素との間のチャンバと、を備えるタービンエンジンのベアリングエンクロージャは、空気を案内する手段が、ガイド手段を出る空気の少なくとも一部分が第１のシールを通るような方式で、エンクロージャの外部のエンクロージャの固定壁の表面の一部分に沿って配置され、前記ガイド手段には、シャフトから径方向に離れているチャンバの空気流入口を通して空気が供給され、空気流入口からの空気が、シャフトの領域におけるよりも高圧であることを特徴とする。

したがって、第１のシールの領域における圧力を制御するための手段が、２つのシールの領域のそれぞれの圧力のバランスがとられるような方式で与えられる。

有利な一実施形態によれば、ベアリングエンクロージャの壁に関する限りでは、径方向に方向付けられた部分を備え、ガイド手段が、エンクロージャの前記壁部と並行に径方向に配置された、たとえば単一のシートの形態のガイドプレートを備える。より詳細には、第１のシールが、エンクロージャのフランジに固定されたプレートによって支持されているため、また、エンクロージャの壁部が前記支持部によって形成されるため、前記ガイドプレートは、エンクロージャの壁に取り付けられ、たとえば、シールの支持部とともにフランジにボルトで締結される。

好ましくは、シートの形態のガイドプレートが、シャフトとの間の小さいクリアランスを画定する。これは、プレートとエンクロージャの壁との間を案内される空気が過剰に上流側チャンバに戻ることを防止するためである。空気は、シャフトの領域のシールを通過することが意図されている。

ベアリングエンクロージャの壁に沿う圧力を回復することは、前記デバイスの出力において、径方向の成分に対して低い接線方向の速度成分で、空気を径方向に案内するように構成されたデバイスを備えるガイド手段を使用することでさらに向上される。空気の回転を低減することにより、ガイド手段に沿う圧力低下が抑制される。

有利には、この空気の流れの接線方向の速度成分は、放射状のオリフィス、具体的には細長い形状のオリフィスによって貫通されるか、流れを径方向に方向付けるフィンを備えるリング、そうでなければ、ハニカム構造のリングを配置することによって低減される。

本発明は特に、第１のシールが分割されたラジアルシールであるエンクロージャに適用される。このタイプのシールは非常に効果的である。第２のシールは、ラビリンスシールとすることができる。

本発明による解決策は、特に、径方向に離れた空気流入口が渦圧縮領域に対応する場合に適用される。

最後に、本発明は、より詳細には、ベアリングエンクロージャの上流に環状チャンバを有する、本発明に係るベアリングエンクロージャを備えるタービンエンジンに関する。前記チャンバは、シャフトに近い供給開口を通して空気が供給され、シャフトから径方向に離れた環状ダクトの形態の空気排出開口を備える。したがって、上流側チャンバの空気供給開口と、上流側チャンバの空気排出開口との間には、径方向のギャップが存在する。径方向に離れた、第１のシールを加圧するための空気を案内する手段の空気流入口は、前記空気排出開口に近接して配置される。

タービンエンジンは、第２のシールを加圧するための空気が、上流の環状チャンバの前記排出開口から供給される、ベアリングエンクロージャの下流の環状チャンバをも備える。シールを加圧するための空気の一部は、第２のシールを通って前記ベアリングエンクロージャ内に入る。

他の特徴および利点が、図面を参照して、本発明の非限定的な実施形態の、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は、従来技術に係る、バイパスタービンエンジンの概略軸方向半断面図である。 図２は、従来技術に係る、ベアリングエンクロージャの概略軸方向断面図である。 図３は、本発明のデバイスが取り付けられた、図２のベアリングエンクロージャを示す図である。 図４は、本発明のデバイスを取り付ける例を示す図である。

図１を参照すると、ファンＳ、低圧（ＬＰ）圧縮機１ａ、高圧（ＨＰ）圧縮機１ｂ、燃焼チャンバ１ｃ、高圧（ＨＰ）タービン１ｄ、および低圧（ＬＰ）タービン１ｅを慣習的に備える従来技術のタービンエンジン１を見て取ることができる。高圧コンプレッサ１ｂと高圧タービン１ｄとは、高圧シャフト４によって接続されており、高圧コンプレッサ１ｂ、高圧タービン１ｄ、およびシャフトはともに、高圧（ＨＰ）側本体を形成する。低圧コンプレッサ１ａと低圧タービン１ｅとは、低圧シャフト５によって接続されており、低圧コンプレッサ１ａ、低圧タービン１ｅ、およびシャフトはともに、低圧（ＬＰ）側本体を形成する。これら各本体は、上流に位置する本体のローラベアリングを支持するための中間ケース２、および下流に位置する本体のローラベアリングを支持するための排気ケース３と呼ばれる、固定された各構造部品によって保持されている。

本体の潤滑を確保するために、これらローラベアリングはエンクロージャ内に包含されている。エンクロージャはほぼ液密であり、中間ケース２と排気ケース３とにそれぞれ接続された固定壁と、高圧シャフトと低圧シャフトとにそれぞれ接続された可動要素とを並置することによって形成される。したがって、タービンエンジンは通常、中間ケース２に関連する上流側エンクロージャＥ１と、排気ケース３に関連する下流側エンクロージャＥ２とを備えている。前述のように、これらエンクロージャは、様々な部材を潤滑させるためのオイルを含む雰囲気に浸され、加圧目的のために、制御された流量で空気がエンクロージャを通過する。

図２は、従来技術の構成に係る、エンクロージャ内のベアリングを示している。この場合、リアベアリングが、排気ケース、およびリアベアリングのエンクロージャＥ２に関連する。

ＬＰシャフト５の下流側端部はローラベアリング７によって支持され、ローラベアリング７の固定リング７ａは、エンジンの排気ケースに堅固に接続されたベアリング支持部９に取り付けられている。ローラベアリングは、不図示の手段によって提供されるオイルのミストに浸される。ベアリング支持部９は、シャフトとともに、ベアリング７を包むエンクロージャＥ２を提供するように設計されている。ベアリング支持部は、固定壁９を形成する。ベアリングの上流では、第１のシール１０が、固定壁９とシャフト５との間を確実にシールしている。ベアリング７の下流では、第２のシール２０が、支持部とシャフト５との間を確実にシールしている。この場合、第１のシールは分割されたラジアルシールであり、第２のシールはラビリンスシールである。ベアリング支持部９は、上流に壁部１６を備え、この壁部１６はシャフト５に対して垂直に延びる。

第２のシールであるラビリンスシール２０は、アブレイダブル材料で形成された要素と協同するナイフエッジシールを備えている。第１のシール用などのツイストが、オイルを導く。このオイルは、シールに対して蓄積され、エンクロージャに向かって戻る傾向がある。

矢印は、シールを加圧するための空気の循環を示している。圧縮機からの空気Ｆ１は、シャフト５に近い開口１９ａを通り、エンクロージャＥ２の上流側の壁と、シートなどのステータ要素１９との間に形成されたチャンバＣｕｐに入る。この空気は、シャフト５の回転の結果、前記チャンバ内で渦を巻く。この空気は渦圧縮、または再圧縮渦を経て、そして、Ｆ２の一部は、シャフトから離れており、エンクロージャＥ２とシート１９との間に設けられた環状ダクトによって形成された排出開口１９ｂを通って排出される。圧力は、前記シールを通ってオイルが漏出することを防止するように、前記チャンバＣｕｐ内のＦ１０の空気の一部が第１のシール１０を通ってベアリングエンクロージャ内に入るように定められる。空気Ｆ２はルートＦ３、次いでＦ４を通り、第２のベアリングシール２０側の下流側チャンバＣｄｏｗｎに入る。Ｆ２０の空気の一部はシール２０を通過する。空気の圧力は、上述のようにＦ１からＦ２に向かうにつれて上昇し、次いで、２つのチャンバＣｕｐとＣｄｏｗｎとの間の回路における圧力低下の結果として、Ｆ３からＦ４に向かうにつれて低下する。この構成では、第１のシール１０のすぐ上流側のＡにおける圧力は、Ｆ３およびＦ４における圧力低下にかかわらず、依然として、第２のシールのちょうど流入口のＢにおける圧力より低いままであることに留意されたい。

Ｂにおける圧力は、オイルがラビリンスシール２０を通して漏出することを防止するために、エンクロージャ内で優勢である圧力に関して十分なレベルである。

しかし、Ａにおいて圧力が不足しているために、シール１０を通してオイルが漏出する。

Ｆ１の入力とＦ２の上流側チャンバＣｕｐの出力との間に圧力勾配があることが観測されたことを考慮して、圧力Ｆ２の領域とシール１０の流入口Ａとの間のシールを加圧するために空気を案内する手段が、本発明に従って追加されている。

図３は、本発明の構成を示している。シート３０は、スペーサ３２を介在させて、ベアリング支持部９の壁部１６上に取り付けられている。このシート３０は、シャフト５と、チャンバＣｕｐの環状出力ダクト１９ｂとの間に径方向に延びる、空気を案内する前記手段を形成する通路を画定する。小さいクリアランスＪがシャフト５とシート３０との間に存在する。この構成の結果として、この通路内の空気は、圧力が失われる部分に近いＦ２において優勢である圧力であり、この通路内に、中心に向かう空気の流れが形成される。この中心に向かう空気の流れは、Ｆ１およびベアリングエンクロージャ内における圧力レベルが低いため、シール１０およびクリアランスＪを通過する。クリアランスＪを確実に、可能な限り狭くする結果として、空気の流れがシール１０を通過する。

第１のシールの上流の圧力が増大することに加え、シートは、どの径方向高さにおいてもチャンバＣｕｐ内で生じ得る圧力変動を除去する利点をも有する。これら望ましくない圧力変動は、ケースの形状によって、および、渦の力によって発生し得る。シールの上流で得られた圧力は、この手段により、シールの環境の変化の影響をわずかに受けるのみである。

圧力の回復は、中心に向かう空気の流れを調整することによってさらに向上する。このことは、中心に向かう空気の流れの接線方向の速度成分を相殺するか、少なくとも減殺する調整手段によって可能になる。これら流れ調整手段は、たとえば適切に方向付けられたオリフィスであり、たとえば細長い形状を有し、スペーサ３２内に形成される。オリフィスの代わりに、径方向フィン、または任意の他の手段、たとえばハニカム構造のリングを設けることができる。

図４は、分割されたラジアルシールについて行われる取付けの例を示している。シール１０は、欧州特許出願公開第３８７，１２２号明細書に記載の実施形態に従い、たとえばグラファイトで形成された、分割されたリング１２を備え、この分割されたリング１２の各分割部分は、弾性リングによって強固に接続され、環状シール支持板１６の溝の中に収容される。各分割部分は、シャフトの表面上に形成された環状のトラックに対して支持されている。シール支持板１６は、ベアリングエンクロージャの上流部分を形成する。シール支持板１６は、シャフトを横断する平面上で延び、ベアリング支持部９の上流フランジ１８にボルトで締結されている。同様に知られているように、ツイスト１４がシールの下流側に配置されている。このツイスト１４の機能は、シールに対して蓄積されるオイルを集め、このオイルをエンクロージャに向けて案内することである。

本発明の解決策により、空気の渦運動によって発生する圧力が回復されて、第１のシールの流入口における圧力を調整する。この圧力は、下流の第２のシールの流入口で圧力差を低減するか、ほぼ相殺さえするように調整され、こうして、ベアリングエンクロージャの境界における圧力のバランスをとる。

有利には、この解決策は、圧力のバランスが渦の強さに依存しないが、むしろ、上流と下流の２つのチャンバ間の通路での圧力低下のみに依存するため、強固である。したがって、ガイドデバイスの圧力低下を調整し、こうして、ほぼ完璧に圧力のバランスをとることが可能である。

本発明は、ツインスプールエンジンの低圧シャフトのベアリングエンクロージャの上流シールのすぐ上流で、圧力レベルが調整される場合について説明してきた。しかし、本発明はこの用途に限定されない。この用途は、ベアリングエンクロージャのシールの領域における圧力を調整することが必要であり、近くに圧力源、具体的には、再圧縮渦による圧力源がある、あらゆる場面と置き換えることが可能である。

Claims (10)

1. 固定壁（９）と、回転シャフト（５）と、前記壁と前記シャフトとの間の第１および第２のシール（１０；２０）と、前記シャフト（５）に近い開口（１９ａ）を通して空気が供給される、固定壁（９）とステータ要素（１９）との間のチャンバ（Ｃｕｐ）と、を備え、空気を案内する手段（３０）が、ガイド手段を出る空気の少なくとも一部分が第１のシール（１０）を通るような方式で、エンクロージャの外部のエンクロージャの壁（９）の表面に沿って配置され、前記ガイド手段には、シャフトから径方向に離れているチャンバ（Ｃｕｐ）の空気流入口を通して空気が供給され、空気流入口からの空気が、前記シャフト（５）の領域におけるよりも高圧である、タービンエンジンのベアリングエンクロージャ。
2. エンクロージャのガイド手段が、エンクロージャの固定壁（９）に沿うとともに、固定壁（９）から離れて、径方向に配置されたプレート（３０）を備える、請求項１に記載のエンクロージャ。
3. エンクロージャのプレート（３０）が、プレート（３０）とエンクロージャの固定壁（９）との間を案内される空気の一部が、第１のシール（１０）を通って方向付けられる、シャフト（５）とともにクリアランス（Ｊ）を画定する、請求項２に記載のエンクロージャ。
4. エンクロージャのガイド手段が、径方向の成分に対して低い接線方向の速度成分で、空気が径方向に流れるようにガイドするように構成されたデバイスを備える、請求項１に記載のエンクロージャ。
5. エンクロージャの前記デバイスには、放射状のオリフィスによって貫通したリングの形態のスペーサ（３２）によって形成されるか、そうでなければ、ハニカム構造またはフィンが設けられる、請求項４に記載のエンクロージャ。
6. エンクロージャの第１のシール（１０）が、分割されたラジアルシールである、請求項１に記載のエンクロージャ。
7. 第２のシール（２０）、具体的には、ラビリンスシールを備える、請求項１に記載のエンクロージャ。
8. エンクロージャの、径方向に離れた空気流入口が、チャンバ（Ｃｕｐ）の渦圧縮領域に対応する、請求項１に記載のエンクロージャ。
9. シャフト（５）に近接する開口（１９ａ）を通して空気が供給される、エンクロージャ（Ｅ）の上流の環状チャンバ（Ｃｕｐ）を有し、シャフトから径方向に離れた排出開口（１９ｂ）であって、前記径方向に離れた空気流入口が前記排出開口に近接して配置される排出開口（１９ｂ）を有する、請求項１に記載のベアリングエンクロージャを備えるタービンエンジン。
10. 上流の環状チャンバ（Ｃｕｐ）の前記排出開口（１９ｂ）から空気が供給される、エンクロージャ（Ｅ）の下流の環状チャンバ（Ｃｄｏｗｎ）を備え、空気の一部が前記エンクロージャ（Ｅ）に入る、請求項９に記載のタービンエンジン。

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