JP2018138808A

JP2018138808A - スクイズフィルムダンパベアリング装置

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Publication number: JP2018138808A
Application number: JP2017033476A
Authority: JP
Inventors: 伸一小原; Shinichi Obara; 敦山▲崎▼; Atsushi Yamazaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: US20180245632A1; US10309455B2; JP6934729B2

Abstract

【課題】スクイズフィルムダンパベアリング装置で支持された回転軸が高振動モードに入るのを防止する。【解決手段】スクイズフィルムダンパベアリング装置は、回転軸１５，４１の外周に嵌合するインナーレース４５と、ベアリング保持部材４４の内周に環状空間５４を介して支持されたアウターレース４６と、インナーレースおよびアウターレース間に配置された複数の転動体４７と、環状空間に油路５７を介してオイルを供給してスクイズフィルムを構成するオイル供給源５５とを備える。回転軸の回転数が所定回転数に近付くと共振が発生して高振動モードに入る可能性があるが、油路を開閉する開閉弁５８を備え、回転軸の回転数が所定回転数に達したときに開閉弁を制御し、スクイズフィルムの油圧を変化させて回転軸の振動特性を変化させることで、回転軸の共振周波数をずらして高振動モードに入ることを防止し、これによりベアリング１４の耐久性低下を回避する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に環状空間を介して支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体と、前記環状空間に油路を介してオイルを供給してスクイズフィルムを構成するオイル供給源とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置に関する。

ガスタービンエンジン等の高速回転する回転軸の振動を制振するスクイズフィルムダンパベアリング装置は、例えば下記特許文献１により公知である。

特開２００３−８３３２５号公報

ところで、ガスタービンエンジンの回転軸の回転数が所定回転数に近付くと、回転軸が共振して大きく振動する高振動モードに入る場合がある。これを回避するために、従来は回転軸を支持する複数のベアリングの軸方向距離を変化させたり、回転軸の軸径（剛性）を変化させたりし、回転軸が共振して高振動モードに入る回転数を常用回転数領域から低回転数側あるいは高低回転数側にずらしていた。

しかしながら、回転軸を支持するベアリングの軸方向位置を変化させることは、ベアリングの位置の設計自由度の低下やガスタービンエンジンの寸法の大型化の原因となる問題があり、また回転軸の軸径を変化させることは、回転軸の強度の低下や重量増加の原因となる問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、スクイズフィルムダンパベアリング装置で支持された回転軸が高振動モードに入るのを簡単な構造で確実に防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に環状空間を介して支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体と、前記環状空間に油路を介してオイルを供給してスクイズフィルムを構成するオイル供給源とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、前記油路を開閉する開閉弁を備え、前記回転軸の回転数が所定回転数に達したときに、前記開閉弁を制御して前記スクイズフィルムの油圧を変化させることで、前記回転軸の振動特性を変化させることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に環状空間を介して支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体と、前記環状空間に油路を介してオイルを供給してスクイズフィルムを構成するオイル供給源とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、前記オイルの温度を調整するオイル温度調整手段を備え、前記回転軸の回転数が所定回転数に達したときに、前記オイル温度調整手段で前記オイルの温度を調整して前記回転軸の振動特性を変化させることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。

なお、実施の形態の低圧系シャフト１５およびスリーブ４１は本発明の回転軸に対応し、実施の形態のボール４７は本発明の転動体に対応し、実施の形態のオイルポンプ５５は本発明のオイル供給源に対応し、実施の形態のオイルヒータ６０は本発明のオイル温度調整手段に対応する。

請求項１または請求項２の構成によれば、スクイズフィルムダンパベアリング装置は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に環状空間を介して支持されたアウターレースと、インナーレースおよびアウターレース間に配置された複数の転動体と、環状空間に油路を介してオイルを供給してスクイズフィルムを構成するオイル供給源とを備えるので、回転軸の振動に伴ってベアリング保持部材の内周に対してアウターレースが変位すると、ベアリング保持部材の内周およびアウターレースの外周に挟まれた環状空間に構成されたスクイズフィルムがアウターレースの動きに抵抗することで回転軸の振動が制振される。

回転軸の回転数が所定回転数に近付くと共振が発生して高振動モードに入る可能性があるが、請求項１の構成によれば、油路を開閉する開閉弁を備え、回転軸の回転数が所定回転数に達したときに開閉弁を制御し、スクイズフィルムの油圧を変化させて回転軸の振動特性を変化させることで、回転軸の共振周波数をずらして高振動モードに入ることを防止し、これによりベアリングの耐久性低下を回避することができる。

回転軸の回転数が所定回転数に近付くと共振が発生して高振動モードに入る可能性があるが、請求項２の構成によれば、オイルの温度を調整するオイル温度調整手段を備え、回転軸の回転数が所定回転数に達したときにオイル温度調整手段でオイルの温度を調整し、オイルの粘性を変化させて回転軸の振動特性を変化させることで、回転軸の共振周波数をずらして高振動モードに入ることを防止し、これによりベアリングの耐久性低下を回避することができる。

ガスタービンエンジンの全体構造を示す図。（第１の実施の形態）図１の２部拡大図。（第１の実施の形態）図２に対応する図。（第２の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１および図２に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、本発明が適用される航空機用のガスタービンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。

低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。

高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。

高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。

従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃料ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもガスタービンエンジンの運転が継続される。

ガスタービンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。

次に、図２に基づいて前記後部第１ベアリング１４の周辺の構造を説明する。

低圧タービンホイール３６を支持するためのスリーブ４１が低圧系シャフト１５の外周にスプライン嵌合４２しており、低圧系シャフト１５の軸端外周に第１ナット部材４３を螺合してスリーブ４１を図２の左側に押圧し、低圧系シャフト１５の外周に形成した段部１５ａにスリーブ４１の内周に形成した段部４１ａを押し付けることで、低圧系シャフト１５にスリーブ４１が締結される。

後部第１ベアリング１４は、スリーブ４１の外周に嵌合するインナーレース４５と、インナーケーシング１２に設けられたベアリング保持部材４４の内周に嵌合するアウターレース４６と、インナーレース４５およびアウターレース４６間に配置された複数のボール４７…と、ボール４７…を周方向に所定間隔で保持するリテーナ４８とを備える。ベアリング保持部材４４とアウターレース４６とはボルト４９…でインナーケーシング１２に締結され、インナーレース４５はスリーブ４１の端部外周に螺合する第２ナット部材５０で図２の左側に付勢され、スリーブ４１の外周に形成した段部４１ｂに押し付けられて締結される。

アウターレース４６は、軸方向に延びる複数のスリット状の切欠き４６ｂ…と、複数の切欠き４６ｂ…間に挟まれて軸方向に延びる複数の棒状のバネ部４６ｃ…とを備えており、従ってボール４７…を保持するアウターレース４６の本体部はインナーケーシング１２に対して移動可能にフローティング支持される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０のネジの方向は相互に逆方向に設定される。すなわち、第１ナット部材４３が右ネジである場合には第２ナット部材５０は左ネジであり、第１ナット部材４３が左ネジである場合には第２ナット部材５０は右ネジである。第１ナット部材４３の端部外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第１溝部４３ａ…が周方向に等間隔で形成されるとともに、第２ナット部材５０の外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第２溝部５０ａ…が周方向に等間隔で形成される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０間に配置される環状の連結部材５１は、円周方向に１８０゜間隔で配置されて第１ナット部材４３の第１溝部４３ａ…に係合可能な２個の第１突起部５１ａ，５１ａと、円周方向に１２０゜間隔で配置されて第２ナット部材５０の第２溝部５０ａ…に係合可能な３個の第２突起部５１ｂ…とを備える。

連結部材５１を第２ナット部材５０に係止するリングスプリング５２は、平坦な弾性金属板を略２回転に亙って環状に巻いたもので、その外周部が第２ナット部材５０の端部内周に形成した段部５０ｂ…に係合可能である。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０はネジの方向が相互に逆になっているため、第１ナット部材４３が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第２ナット部材５０を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが阻止され、逆に第２ナット部材５０が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第１ナット部材４３を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが同時に阻止される。

低圧系シャフト１５の後部を支持する後部第１ベアリング１４はスクイズフィルムダンパベアリングを構成するもので、そのアウターレース４６の外周に形成された一対のシールリング溝４６ａ，４６ａにそれぞれシールリング５３，５３が嵌合する。シールリング５３，５３は自己の弾性で径方向外側に拡開してベアリング保持部材４４の内周に弾発的に当接し、アウターレース４６の外周、ベアリング保持部材４４の内周および一対のシールリング５３，５３間に所定の径方向隙間を有する環状空間５４が区画される。よって、ベアリング保持部材４４に対してアウターレース４６は前記隙間の範囲内で径方向に相対移動可能であり、その際にシールリング５３，５３はシールリング溝４６ａ，４６ａ内で弾性変形することで、ベアリング保持部材４４の内周に対して当接状態に維持される。

オイルポンプ５５がオイルタンク５６から汲み上げたオイルは、インナーケーシング１２およびベアリング保持部材４４の内部に形成された油路５７を介して環状空間５４に供給される。インナーケーシング１２の内部の油路５７には電磁弁よりなる開閉弁５８が配置され、開閉弁５８が閉弁すると油路５７が閉塞され、オイルポンプ５５から環状空間５４へのオイルの供給が遮断される。

マイクロコンピュータよりなる電子制御ユニットＵは、回転数検出手段５９で検出した低圧系シャフト１５の回転数、すなわちスリーブ４１の回転数に基づいて、開閉弁５８を開閉制御する。

次に、上記構成を備えた本発明の第１の実施の形態の作用を説明する。

オイルポンプ５５からインナーケーシング１２およびベアリング保持部材４４の油路５７を介して環状空間５４にオイルが供給されると、環状空間５４にオイルの薄膜よりなるスクイズフィルムが構成される。ガスタービンエンジンの運転中に低圧系シャフト１５が径方向に振動すると、その振動は低圧系シャフト１５に一体に固定されたスリーブ４１にインナーレース４５を支持された後部第１ベアリング１４のアウターレース４６に伝達される。

このとき、後部第１ベアリング１４のアウターレース４６はバネ部４６ｃ…が弾性変形することで径方向の振動が許容されるため、アウターレース４６の径方向の振動に応じて環状空間５４の径方向隙間の大きさが増減し、環状空間５４内のスクイズフィルムの粘性を有するオイルの流動および圧縮により発生する抵抗力でアウターレース４６が制振され、これにより低圧系シャフト１５の振動を抑制することができる。

スクイズフィルムが制振効果を発揮すると、振動エネルギーを吸収したオイルは発熱して温度上昇するが、温度上昇したオイルがシールリング５３，５３の合い口から逐次排出されて新たなオイルがオイルポンプ５５から供給されることで、スクイズフィルムの制振機能が維持される。

ところで、ガスタービンエンジンの低圧系シャフト１５の常用回転数領域のうち、例えば所定の高回転数領域では、低圧系シャフト１５が共振して大きく振動する高振動モードに入る場合がある。この高振動モードでは低圧系シャフト１５が激しく振動するため、通常のスクイズフィルムの制振力では振動を抑制することが困難になる。

しかしながら、本実施の形態によれば、回転数検出手段５９で検出した低圧系シャフト１５の回転数が所定の高回転数領域に達すると、電子制御ユニットＵがオイルポンプ５５および環状空間５４間の油路５７に配置された開閉弁５８を閉弁制御することで、環状空間５４のスクイズフィルムに対する油圧の供給を遮断する。これにより、スクイズフィルムの特性が変化して低圧系シャフト１５の共振周波数がずれることで、低圧系シャフト１５に共振が発生することが防止され、共振による後部第１ベアリング１４の耐久性低下を回避することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、低圧系シャフト１５のスリーブ４１を支持する後部第１ベアリング１４の軸方向位置を変化させたり、低圧系シャフト１５の軸径を変化させたりせずに高振動モードの発生を防止できるので、ガスタービンエンジンの設計自由度の低下や寸法の大型化を回避するとともに、後部第１ベアリング１４の強度の低下や重量の増加を回避することができる。

第２の実施の形態

次に、図３に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第２の実施の形態は、第１の実施の形態の開閉弁５８に代えて、オイルを加熱して温度上昇させるオイルヒータ６０を設けたものである。電子制御ユニットＵは、回転数検出手段５９で検出した低圧系シャフト１５の回転数が所定の高回転数領域に達すると、オイルヒータ６０を作動させてオイルを加熱するとともに、温度検出手段６１で検出したオイルの温度が所定温度になるようにオイルヒータ６０の作動をフィードバック制御する。

このようにして環状空間５４のスクイズフィルムのオイルの温度が変化するとオイルの粘性が変化し、スクイズフィルムの特性が変化して低圧系シャフト１５の共振周波数がずれることで、低圧系シャフト１５に共振が発生することが防止される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の適用対象は実施の形態のガスタービンエンジンの後部第１ベアリング１４に限定されず、ガスタービンエンジンの他のベアリングに適用することも可能であり、ガスタービンエンジン以外の任意の用途のベアリングに適用することも可能である。

また第１の実施の形態の開閉弁５８は油路５７を開閉するものであるが、開閉弁５８は油路５７を絞るものであって良い。

また実施の形態の後部第１ベアリング１４はボールベアリングであるが、ローラベアリングやニードルベアリングのような他種のベアリングであっても良い。

１５低圧系シャフト（回転軸）
４１スリーブ（回転軸）
４４ベアリング保持部材
４５インナーレース
４６アウターレース
４７ボール（転動体）
５４環状空間
５５オイルポンプ（オイル供給源）
５７油路
５８開閉弁
６０オイルヒータ（オイル温度調整手段）

Claims

回転軸（１５，４１）の外周に嵌合するインナーレース（４５）と、ベアリング保持部材（４４）の内周に環状空間（５４）を介して支持されたアウターレース（４６）と、前記インナーレース（４５）および前記アウターレース（４６）間に配置された複数の転動体（４７）と、前記環状空間（５４）に油路（５７）を介してオイルを供給してスクイズフィルムを構成するオイル供給源（５５）とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、
前記油路（５７）を開閉する開閉弁（５８）を備え、前記回転軸（１５，４１）の回転数が所定回転数に達したときに、前記開閉弁（５８）を制御して前記スクイズフィルムの油圧を変化させることで、前記回転軸（１５，４１）の振動特性を変化させることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置。
回転軸（１５，４１）の外周に嵌合するインナーレース（４５）と、ベアリング保持部材（４４）の内周に環状空間（５４）を介して支持されたアウターレース（４６）と、前記インナーレース（４５）および前記アウターレース（４６）間に配置された複数の転動体（４７）と、前記環状空間（５４）に油路（５７）を介してオイルを供給してスクイズフィルムを構成するオイル供給源（５５）とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、
前記オイルの温度を調整するオイル温度調整手段（６０）を備え、前記回転軸（１５，４１）の回転数が所定回転数に達したときに、前記オイル温度調整手段（６０）で前記オイルの温度を調整することで、前記スクイズフィルムのオイルの粘性を変化させて前記回転軸（１５，４１）の振動特性を変化させることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置。