JP2870749B2 - 航空機の空気調和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はタービンとコンプレッサとをロータで連結し
そのロータを動圧気体軸受で軸支する気体駆動の回転機
械を具備する航空機用の空気調和装置に関するものであ
る。 ［従来の技術］ 航空機に搭載される空気調和装置には、第２図に示す
ようなブートストラップ方式のタービン・コンプレッサ
が利用されている。すなわち、このシステムではエンジ
ンから抽出したブリードエアを、まずコンプレッサＣで
断熱圧縮して昇温、昇圧し、次いで熱交換器H/Eで予冷
してからタービンＴで断熱膨張させて、キャビンに供給
する低温空気を生成すると同時に、タービンＴに得られ
るタービン動力をロータ（シャフト）Ｒを介しコンプレ
ッサＣに伝達して、該コンプレッサＣの回転駆動力を得
るようにしている。 そして、一般にかかる気体駆動によって高速回転され
る回転機械の軸受手段には、ロータを軸受面と非接触に
軸支できる動圧気体軸受が賞用されている。 ［発明が解決しようとする問題点］ ところで、動圧気体軸受はロータが高速回転する際の
粘性の作用で周囲の気体を引き込み、軸受面との間に気
体膜を形成してロータを浮上支するものであるか、始動
・停止時はロータが軸受と固体接触して回転されるた
め、その際の摩擦問題を解消することが技術的課題の一
つとなる。 このため、固体接触時のロータと軸受との摩擦係数を
低減する見地より、ロータもしくは軸受面に適宜コーテ
ィングを施して軸受寿命を延長する工夫か行なわれてい
る。しかし、単に軸受コーティングを追加しただけで
は、固体接触により次第にコーティングが摩耗して永続
的な保護効果を期待し得ない。これは、コーティングに
は通常ポリイミド等の有機化合物が使用されるのに対
し、気体回転機械の運転中ではその軸受部での発熱が避
けられないため、コーティングの劣化が促進されコーテ
ィング摩耗が速められることに起因する。 そこで、上記の軸受コーティングと併用して、軸受部
に冷却気体を流して軸受温度の低下を図る方策も採られ
ている。第３図は、前記タービン・コンプレッサの動圧
気体軸受の部分に、この冷却気体流通による軸受冷却機
構を適用した場合の構成具体例を図示している。すなわ
ち、このものではタービンスクロール７の部分とスラス
トランナ11の外周に臨む軸受ハウジング４の内面とを連
通する通路20を設けて、ここからハウジング内面のスラ
スト動圧気体軸受12の部分とジャーナル動圧気体軸受1
3、13の部分とに前記熱交換器H/Eで予冷したブリードエ
アを図示矢印のように流し込むようにしている。なお、
第３図の各部の符号は、後述の実施例（第１図）で付さ
れるものと共通に使用される。 しかし乍ら、このような冷却気体流通手段を併設して
も、スラスト・ジャーナル動圧気体軸受12、13の部分共
に、気体膜を形成する僅かな隙間しかないため冷却気体
が流れにくく、むしろコーティング面以外の通路を流れ
ることになり、十分な冷却効果が得にくいのが実情であ
る。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上述した気体回転機械を軸支する動圧気体
軸受が始動・停止時の固体接触により軸受寿命が害され
るという問題点を、その動圧気体軸受を静圧気体軸受と
して併用することで解決せんとする。 すなわち、エンジンから抽出したブリードエアを圧力
源として、気体回転機械の動圧気体軸受に順次ブリード
エアを導入し且つ排気しながら該動圧気体軸受にブリー
ドエアの静圧を導く静圧導通系路を設けたことを問題解
決手段としている。 ［作用］ このようにすれば動圧気体軸受にブリードエアの静圧
が導入され、気体回転機械の始動・停止時にはそれがロ
ータと軸受間の接触圧力を打消すように作用し、固体接
触圧を低下して摩擦を軽減する。特に、本発明はブリー
ドエアの導入と排気を並行して行うことで該ブリードエ
アを代謝させながら動圧気体軸受に静圧を導くので、ブ
リードエアの保有する冷熱が次々と動圧気体軸受に持ち
込まれ、高い効率で軸コーティング面に対する冷却が可
能となる。また、動圧気体軸受がロータ保持力が発生す
る始動後には、軸受負荷容量の増大に寄与するものとな
る。 ［実施例］ 以下、第１図に示す一実施例を参照して本発明を具体
的に説明する。 この実施例に係る航空機の空調装置は、タービンとコ
ンプレッサとをロータで連結しそのロータを動圧気体軸
受で軸支して気体回転機械を構成するとともに、該ター
ビンと該コンプレッサとの間をブートストラップ回路で
接続してエンジンから抽出したブリードエアを調温調圧
するようにしたものである。 そこで先ず、システムの概要を説明すると、ラジアル
コンプレッサ（インペラ）１とラジアルタービン（ホィ
ール）２とを軸受ハウジング４を挟みロータ（シャフ
ト）３の両端に同軸結合している。 コンプレッサ１は、上流側から入口部1aに流入される
ブリードエアを断熱圧縮し、ディフューザ５を通して昇
温、昇圧したブリードエアを外周のコンプレッサスクロ
ール６に吐出する。またタービン２は、外周のタービン
スクロール７からノズル８を通して流入されるブリード
エアを断熱膨張し、出口部2aから降温、降圧したブリー
ドエアを下流側に吐出する。そして、コンプレッサスク
ロール６とタービンスクロール７とは、熱交換器を途中
に介設した図外の気体通路で連通され、コンプレッサ１
で昇温された高圧のブリードエアを予冷してからタービ
ン２に導入するようにしている。 前記ロータ３は、コンプレッサ１とタービン２とを連
結している両端部とジャーナル部の中間部とにラビリン
スシール９、９及び10を設けている。また、コンプレッ
サ１の近傍に鍔状に突出するスラストランナ11を一体に
突設している。そして、このスラストランナ11両側と対
向するハウジング４の内面4bとの隙間に対をなすスラス
ト動圧気体軸受（フォイル軸受）12、12を、また、その
ジャーナル部と外周のハウジングの内面4aとの隙間に一
対のジャーナル動圧気体軸受（フォイル軸受）13、13を
設けている。 しかして、かかる動圧気体軸受12、13を用いるタービ
ン・コンプレッサに、それらを静圧気体軸受としても機
能させるため、前記ブリードエアを圧力源として、該ブ
リードエアのもつ静圧を導く静圧導通系路を軸受ハウジ
ング４内に追加し設置している。この静圧導通系路は、
前記タービンスクロール７からブリードエアを軸受ハウ
ジング４の内面4aに導く供給孔14と、ロータ３の内部
（スラストランナ11の内部を含む）に設けた中空の分配
室15と、スラスト・ジャーナル動圧気体軸受12、13の部
分からブリードエアを系外に流出させる排気孔16とから
なっている。 すなわち、供給孔14はタービンスクロール７からハウ
ジング内面4aのジャーナル動圧気体軸受13、13の間に位
置するシール10の部分にブリードエアを導き、さらにジ
ャーナル部に開口する通気口17を通して、ロータ３内の
分配室15にブリードエアを供給する。また、ロータ３に
内設された分配室15は、各動圧気体軸受の設置場所に対
応して複数の給気口18を開口している。さらに軸受ハウ
ジング４内に穿設される排気孔16は、一端が集束してタ
ービン出口部2aに開口し、他端が分岐してスラスト又は
ジャーナル動圧気体軸受近傍のハウジング内面4a、4bに
開通する複数本の排気通路16a〜16fからなっている。 以上のような静圧導通系路を追加したものであれば、
ロータ３を軸支するスラスト動圧気体軸受12とジャーナ
ル動圧気体軸受13、13とに、ブリードエアを圧力源とし
た静圧気体軸受としての機能を営ませることができる。
すなわち、各動圧気体軸受の部分には、前記静圧導通系
路（供給孔14、分配室15、排気孔16等）を通してタービ
ン入口側からブリードエアが図示矢印のように均一に流
通され、一定の静圧が付与される。この際、各軸受の周
囲圧力はシール９、９及び10と、各部に開通している排
気孔16とによって、等しくタービン出口部2aの圧力に保
たれる。 かくて、かかる静圧併用の動圧気体軸受12、13、13に
よりロータ３を軸支するタービン・コンプレッサである
と、システムの始動・停止時には、静圧気体軸受の静圧
がロータ３と軸受との間の接触圧力を打消すように作用
し、固体接触圧を低下して両者の摩擦を軽減する。この
際、タービン入口側のブリードエアの圧力は通常左程高
くないため、当該静圧気体軸受によりロータ３を完全に
浮上支できるとは限らないけれども、接触圧力即ち摩擦
力の低下には確実に奏功するものとなる。 また、始動後にはロータ３の回転数の上昇に伴い気体
膜を形成して動圧気体軸受12、13、13が十分なロータ保
持力を発生することになるが、このときにはタービン入
口側でのブリードエアの圧力も増大するため、各軸受に
は動圧に静圧が重畳されて、スラスト及びジャーナル軸
受負荷容量に著しい増大を見る効果を得る。 そして、各軸受部分に軸受コーティングを施している
場合には、ブリードエアが該コーティング冷却してコー
ティングを保護する効果が高められることにもなる。す
なわち、タービン入口側から導入されるブリードエアは
熱交換器を経由して相当低い温度にまで予冷されてお
り、この低温空気が各給気口18からコーティング表面を
直接冷却して各排気通路16a〜16fから排気されることに
なるため、その冷却効率が増大される。 なお、このシステムでは静圧気体軸受の圧力源として
ブリードエアを用いるため、所要の静圧導通系路を設け
るだけで、別個に圧力源等を用意する必要がない。 本発明は、以上に詳述した実施例を基本に、以下に述
べる様々の変形実施態様を採ることか可能である。 まず、静圧気体軸受に静圧を導くブリードエアの供給
位置は、タービン入口側に限らず、例えばコンプレッサ
出口側等、システムの一部であれば任意に変更し得る。
同様に、軸受ハウジング内の静圧気体軸受に対する静圧
供給位置も、図示例に限らず、例えばスラストランナの
外周やコンプレッサのシャフト連結部（この場合シール
は不要である）等であってもよい。 また、排気孔の出口はタービン出口部に限らず、大気
開放やシステムの他の部分であってもよい。 そして、ロータ（シャフト）に設けるスラストランナ
の位置や軸受の構成も、図示例に特定されない。静圧気
体軸受の形式としては、図示例の他、オリフィス絞り、
表面絞り等の形式を採用することができる。また、動圧
気体軸受の形式についても、ティルティングパッド、フ
ォイル、スパイラルグループ等の諸形式を任意に選択す
ることができる。 ［発明の効果］ 以上の通り、本発明の航空機の空気調和装置に係る静
圧併用動圧気体軸受を用いた気体回転機械では、エンジ
ンから調温調圧のために抽出、導入したブリードエアを
圧力源として動圧気体軸受に導入し且つ排気しながらブ
リードエアの静圧を導く静圧導通経路を設けているの
で、別途に圧力源を設けなくてもよいこと、始動・停止
時のロータ・軸受間の接触圧力を減少して軸受寿命を延
長できること、また定常運転時には軸受の負荷容量を有
効に増大できること、さらに軸受コーティング面の冷却
効果を増大して的確なコーティング保護を行なえること
等の効果を発現するものとなる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示すタービン・コンプレッ
サシステムの断面図である。第２図は空調用タービン・
コンプレッサの気体サイクルを示すシステム図であり、
第３図はタービン・コンプレッサシステムの従来改良例
を示す断面図である。 １……コンプレッサ ２……タービン ３……ロータ（シャフト） ４……軸受ハウジング ９……シール 10ーシール 11……スラストランナ 12……静圧併用スラスト動圧気体軸受 13……静圧併用ジャーナル動圧気体軸受 14……供給孔 15……分配室 16……排気孔 17……通気口 18……給気口

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．タービンとコンプレッサとをロータで連結しそのロ
   ータを動圧気体軸受で軸支して気体回転機械を構成する
   とともに、該タービンと該コンプレッサとの間をブート
   ストラップ回路で接続してエンジンから抽出したブリー
   ドエアを調温調圧するようにした航空機の空気調和装置
   において、前記ブリードエアを圧力源とし、前記気体回
   転機械の動圧気体軸受に順次ブリードエアを導入し且つ
   排気しながら該動圧気体軸受にブリードエアの静圧を導
   く静圧導通系路を設けて静圧併用動圧気体軸受として機
   能させたことを特徴とする航空機の空気調和装置。