JP3781774B2 - 加圧型ボールベアリングアッセンブリ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンに関するものであり、より詳細には、ガスタービンエンジン用のボールベアリングに関するものである。さらに詳細には、本発明は加圧型ボールベアリングに関するものである。
背景技術
ガスタービンエンジンといったターボ機械は、ファン領域と、圧縮機領域と、燃焼領域と、タービン領域とを有している。シャフトは、上記ファン領域から、上記エンジン領域を通して延びており、軸方向に互いに離間している複数のディスク段を回転させている。上記シャフトは、典型的には、軸方向に離間した２つのベアリングアッセンブリによって支持されており、これらのベアリングアッセンブリは、ベアリング支持ハウジングによってケースに連結されている。２つのボールベアリングアッセンブリを使用することができることが知られており、多くのエンジン設計では、ボールとローラとを組み合わせたベアリングが用いられている。いかなるベアリングアッセンブリであっても、エンジンの運転中には、上記シャフトが極めて高回転速度にある時でも上記シャフトを支持するとともに、上記ベアリングの振動が最低限となるように支持することが要求される。
航空機のガスタービンエンジンの運転中には、上記ベアリングを取り囲むように径方向に離間したベアリングの一つ、あるいは双方の軌道輪(race)には負荷が加えられるのが普通である。上記複数の軌道輪に負荷を加えることで、それぞれのボールをラインに接触させ、上記ベアリングアッセンブリ内で発生してしまう振動を低減するようになっている。上記ベアリングに負荷を加えるため、空気圧を使用することも知られている。しかしながら、空気圧を加えるのは、信頼性が低い。エンジンの運転中に、加えることのできる圧力の大きさが小さすぎて、効果的にベアリングに負荷を与えることができず、上記ベアリングと上記シャフトとを不必要に振動させてしまうこととなり、ひいては航空機の客室に望ましくないノイズを与えることとなるためである。
ベアリング構造体に負荷を加える上記空気圧力法に加えて、米国特許第３，５７４，４２４号、米国特許第４，１５９，８０８号、米国特許第４，２６８，２２０号、米国特許第４，５７８，０１８号、米国特許第５，１０５，２９５号には、別の設計が開示されている。これらの設計があるにも係わらず、高効率エンジンに用いられる最適な特性を付与するべく設計を改善する必要があった。本発明は、この様な工業的要求を満足させるものである。
発明の開示
本発明は、エンジンケース内で互いに軸方向に離間した第一と、第二のボールベアリングアッセンブリとによって支持されたシャフトを有するターボ機械に好適である。この際、各ベアリングアッセンブリは、径方向に離間し、対となったベアリング軌道輪を有し、それらの間には複数のボールベアリングが配設されている。本発明のターボ機械は、上記エンジンケースに固定されたベアリングハウジングを有しており、上流側上記ベアリングアッセンブリの径方向外側ベアリング軌道輪は、上記ハウジングとともに、軸方向に可動となっている。下流側ベアリングアッセンブリの径方向外側ベアリング軌道輪は、軸が回動可能に上記ハウジングに取り付けられている。各ベアリングアッセンブリの径方向内側ベアリング軌道輪は、シャフトに取り付けられている。本発明によれば、力は、軸方向上流側に向かって上流側ベアリングアッセンブリの外側ベアリング軌道輪に加えられるようになっている。この力は、その軌道輪を上記ベアリングアッセンブリ内の各ボールベアリングをそれぞれ上流側に接触させるように移動させる。この力は、また、上記アッセンブリ内の各ボールを、アッセンブリの内側ベアリング軌道輪に接触させるように移動させる。この結果、上記外側ベアリング軌道輪に加えられる力は、各ボールを介して上記内側ベアリング軌道輪へと伝達されることとなる。上記内側ベアリング軌道輪は、上記シャフトに取り付けられているため、上記の力は、上記シャフトへと伝達されるとともに、上記シャフトを上流方向へと押圧することになる。また、下流側ベアリングアッセンブリの内側ベアリング軌道輪は、上記シャフトに取り付けられているため、この力により、そのベアリングアッセンブリ内の内側軌道輪が上流側へと移動して、各ボールと接触する。本発明の方法により、上記ベアリングアッセンブリのうちの一つの外側ベアリング軌道輪へ軸方向の力を加えることで、双方のベアリングアッセンブリの上記ボールベアリングが、それぞれのベアリング軌道輪に接触しつつそのラインに沿って運動することになる。このことによって、上記ベアリングアッセンブリ内と、上記シャフト内での振動を低減させることができる。
本発明の別の特徴及び効果については、図面と、発明を実施するための最良の実施態様をもってより詳細に説明を加える。
【図面の簡単な説明】
図は、ガスタービンエンジンの本発明の上記ベアリング領域を示した断面図である。
発明の最良の実施態様
上述したように、現在のガスタービンエンジンは、上記エンジンの上流端にファン領域を有しており、上記エンジンの軸方向下流端においてタービン領域を有している。上記ファン領域と上記タービン領域との間は、圧縮機領域と、燃焼領域となっている。シャフトは、上記エンジンを通して軸方向に延びている。シャフトを一つだけ有するエンジン設計や、シャフトを二つ以上有するエンジン設計も知られている。本発明は、マルチシャフトエンジンばかりではなく、シングルシャフトエンジンにまで適用できるものである。図に示すように、上記シャフトは、符号１２で示されており、エンジン運転中の回転方向は、符号１３で示される矢印の方向である。
シャフト１２は、二つのベアリングアッセンブリ１６と１８とによって支持されており、図に示されるように、第一のベアリングアッセンブリ１６（上流側ベアリングアッセンブリと呼ぶ場合もある）は、上記第二のベアリングアッセンブリ１８（下流側ベアリングアッセンブリと呼ぶ場合もある）の上流側に離間している。上記各ベアリングアッセンブリ１６と１８とは、通常のボールベアリングタイプのものであり、これらは、径方向に離間した対となったベアリング軌道輪を有しているとともに、それらの間には、周方向に離間した複数のボールベアリングを有している。特に、上記上流側ベアリングアッセンブリ１６は、外側ベアリング軌道輪２０と内側ベアリング軌道輪２２とを有しており、これらが協働して複数のボールベアリング２４を取り囲んでおり、かつ、それらを動作可能な位置に保持している。同様に、下流側ベアリングアッセンブリ１８は、外側ベアリング軌道輪２６と、内側ベアリング軌道輪２８と、複数のベアリング３０とを有している。
上流側ベアリングアッセンブリ１６については、上記内側軌道輪２２は、上記軌道輪２２の内側面３２が上記シャフト１２を回転させるように取り付けられていることが好ましい。上記外側ベアリング軌道輪２０は、上記ベアリング支持ハウジング３６に対して軸方向に可動となっており、従って上記シャフト１２に対しても可動となっている。上記ベアリングアッセンブリ１８については、上記内側ベアリング軌道輪２８は、上記ベアリング軌道輪２８の内側面３８が上記シャフト１２を回転させるように取り付けられていることが好ましい。上記外側ベアリング軌道輪２６の径方向外側面７２は、上記ベアリング支持ハウジング３６に固定されている。このベアリング支持ハウジング３６は、中間ケース４０を介してエンジンケースに取り付けられている。しかしながら本発明の目的のためには、上記ベアリング支持ハウジング３６は、上記エンジンケースに直接取り付けられているか、又は上記ケースにしっかりと取り付けられているその他の支持体に直接取り付けられていても良い。上記エンジンケースはシャフト１２と同軸とされており、上記エンジンの軸は、符号４２によって表されている。
上記ベアリング支持ハウジング３６は、上記ベアリングアッセンブリ１６と１８との間に延びていて、一体構造とされている。上記ハウジング３６は、三つの部分を有している。第一のハウジング部分は、符号４４によって示されており、これは上流側ベアリングアッセンブリ１６の領域にある。第二のハウジング部分は、符号４６で表されており、これは下流側ベアリングアセンブリ１８の領域にある。第三のハウジング部分は、符号４８で表されており、上記中間ケース４０に取り付けられる領域である。
第一のハウジング部分４４は、薄い金属壁５０によって画成されており、この金属壁５０は、対となり、僅かに離間した平行な足５２と５４とを形成しており、これらは、ともに、シャフト１２に平行にされている。上記平行の足５２と５４のそれぞれの長さは、ほぼ等しくされている。径方向内側の上記足５４は、セグメント５６を有しており、このセグメント５６は、上記ベアリングアッセンブリ１６から下流側に向かって延びている。また、セグメント５８は、上記ベアリングアッセンブリ１６から上流に向かって延びている。上記内側の足５４は、また、セグメント５６の下流側端においてＬ型の曲がり６０を有しており、このＬ型の曲がりは、軸方向に可動にピストン６２上に配置されて、上記ベアリング２４にオイルを供給するためのオイルリザーバ６４を画成している。図に示されているように、上記ピストン６２は、上記ベアリングケース２０に近接している。上記リザーバ６４は、上記リザーバ６４から、上記ベアリング軌道輪２２まで延びたチャネル（図示せず）を通ってボールベアリング２４と連通している。上記リザーバ６４は、また、上記ベアリング軌道輪外面６３と上記ハウジング内面６５との間にギャップを形成するようになっている。オイルシールリングは、６７として示されている。オイルは、オイルライン６６を通じて上記リザーバ６４に供給される。このオイルラインは、チューブ６１と、上記ハウジング３６内の延長部７１を通して延びている。オイルライン６６は、またチューブ６９（一部を示してある）を通して延びており、上記ベアリング３０をも潤滑させている。上記上流側ベアリングアセンブリ１６の前方では、上記内側の足５４が上記外側の足５２に、ヘアピンタイプの曲がり手段６８によって連結されている。外側の足５２は、上記内側の足５４に平行とされている。上記ベアリングアッセンブリ１６の下流の地点でかつ、平行とされた足５２、５４の下流側で上記ハウジング３６の第一の部分４４は、上記中間ケース４０とエンジンケースと、に向かって径方向外側に延びている。
上記ベアリングハウジング３６の第二の部分４６は、上記下流側ベアリングアッセンブリ１８に近接して配設されている。上記第二の部分４６は、壁７０によって画成されているとともに、上記アッセンブリ１８に取り付けられている。上記壁７０は、上記ベアリングアッセンブリ１８の径方向外側から軸方向上流側に向かって延びているとともに、上記エンジンケースと中間ケース４０とに向かって延びている。特に、上記壁７０は、上記外側軌道輪２６にボルト７４によって取り付けられており、このボルトは、壁７０と軌道輪２６とにある複数のボルトホール（図示せず）を通っている。
第三のハウジング部分４８は、厚い金属壁８０を有していて、この壁８０は、上記ケース４０からみて軸方向に上流側へと延びているとともに、径方向内側に向かって延びている。第３のベアリングハウジング部分４８は、ボルト７５によって上記中間ケース４０に取り付けられており、これらの複数のボルト７５は、複数のボルトホール（図示せず）を通して、径方向に延びた上記ハウジング部分４８のランド部分７６に延びている。上記ランド７６は、上記中間ケース４０の径方向に延びた面８２に接している。上記第三の部分４８は、軸方向に延びた舌８３を有していて、この舌は、上記中間ケース４０上において軸方向に延びた面８６に接している面８４を有している。
上記第一のハウジング部分４４と、第二とのハウジング部分４６と、第三のハウジング部分４８とは、軸方向の間の位置で、かつ、上記第一のベアリングアッセンブリ１６と上記第二のベアリングアッセンブリ１８の径方向外側の位置で突き合わされて、互いに連結されている。上記ハウジング３６は、周知の金属細工技術によって製造されていることが好ましく、上記第一のハウジング部分４４は、シート金属（sheet metal）と精密部品とを互いに溶接して、組み合わせたものとされていることが好ましい。上記第二と第三のハウジング部分４６、４８は、一体とされた鋳造物か又は精密金属部品であることが好ましい。上記第一のハウジング部分４４は、上記第二と上記第三の部分４６と４８とに溶接又はその他の通常の連結方法を用いて連結されている。ハウジング３６を製造するための材料としては、チタンが好適である。
上記内側ベアリング軌道輪２２は、上記シャフト１２上で軸方向に延びたショルダ８８と、上記ベアリング軌道輪２２の上流側のカーボンシールアッセンブリ９０とによって、上記シャフト１２へ軸方向に保持されている。上記カーボンシールアッセンブリ９０は、ファンディスク(fan disk)（図示せず）によって上記シャフト１２に保持されている。また、このカーボンシールアッセンブリ９０は、径方向に延びたドッグ９１によってハウジング３６に保持されており、さらにこのドッグ９１はハウジング３６にあるスロット９３を通されている。上述したように、上記外側軌道輪２０は、上記ハウジング３６に対して軸方向にスライド可能となっていて、上記軌道輪２０と上記ハウジング３６の上記内側の足５４の間のギャップにはオイルが供給されるようになっており、このオイルによって潤滑されることになる。ドッグとスロットとの配置を用いることによって、上記軌道輪２０と上記ハウジング３６との間が可動とされている。特に、上記軌道輪２０のドッグ９４は、カーボンシールアウタレース(outer race)９８のスロット９６を通して延びている。上記第二のベアリングアッセンブリ１８は、上記内側ベアリング軌道輪２８の下流側において、上記シャフト１２上に径方向に延びたショルダ９２と、上記ベアリング軌道輪２８の上流側において上記シャフト１２に取り付けられたロックナットアッセンブリ９９とによって、軸方向に上記シャフト１２に固定されている。上述したように、上記エンジンにおいてベアリングアッセンブリが果たす役割は、極めて高い回転速度においても、振動を少なくして上記シャフトを回転させることである。本発明は、上記ベアリング軌道輪をそれぞれそれらに対応したボールベアリングにしっかりと接触させるように、エンジン運転中に上記各ベアリング軌道輪に力を加えることによって、このような振動を最小化させるものである。このことは、上記ベアリングアッセンブリ１６、１８と上記シャフト１２、及び上記ベアリングハウジング３６とを、上記のように配置することによって達成される。上述したように、上記２つのベアリングアッセンブリ１６と１８のそれぞれの径方向内側の軌道輪２２と１８は、上記シャフト１２に取り付けられている。上記ベアリングアセンブリ１６の上記径方向外側の軌道輪２０は、上記ハウジング３６とシャフト１２とに対して軸方向に可動とされているとともに、上記ベアリングアッセンブリ１８の径方向外側の軌道輪２６は、上記ハウジング３６に取り付けられている。上記ベアリング軌道輪２０に加えられている軸方向の力は、上記ベアリングアッセンブリ１６と１８のそれぞれの上記複数のボール２４と上記複数のボール３０とに対して軸方向の力を加えることとなる。特に、本発明に従えば、上記第一のベアリングアッセンブリ１６の上記ベアリング軌道輪２０と２２とは、それぞれの複数のボールベアリング２４と接触してラインに沿って運動する。また、同様に、上記下流側ベアリングアッセンブリ１８の上記複数のベアリング軌道輪２６と２８とは、それぞれのボールベアリング３０と接触しながらラインに沿って運動する。上記したような密着は、加圧したオイルを、上記オイルリザーバ６４に供給することによって達成されている。上記リザーバ６４内の加圧されたオイルは、ピストン６２の面１００に対して上流方向に力を加えることとなり、この力は、上記外側軌道輪２０に伝えられて、上記軌道輪２０を上流方向へと移動させることとなる。上記軌道輪２０が上流側へと移動するにつれて、ボールベアリング２４と接触し、これらのボールベアリング２４をその内側軌道輪２２と接触させる。従って、上記ピストン６２により上記外側軌道輪２０に力が加えられる結果、上記軌道輪２０は、上記複数のボールベアリング２４に接触するとともに、上記複数のボールベアリング２４は、上記内側軌道輪２２にも接触することになる。上記外側軌道輪２０から上記内側軌道輪２２への力の伝達は、符号１０２で示したラインに沿って起こる。
上記内側軌道輪２２は、上記シャフト１２に取り付けられており、上記ライン１０２に沿って作用している力は上記シャフト１２に伝達されるため、上記シャフト１２は、上流方向へと動くこととなる。加えて、上記下流側ベアリング１８の上記内側軌道輪２８は、上記シャフト１２に取り付けられており、上記シャフト１２が上流方向へと動くにつれて、上記内側軌道輪２８も移動する。上記内側軌道輪２８が上流側へと移動するにつれて、上記内側軌道輪は上記複数のボールベアリング３０に接触するとともに、上記ベアリング３０を上記内側軌道輪２６と接触するように移動させる。従って、ピストン６２によって、上記外側軌道輪２０に力が加えられる結果、上記シャフト１２は上流方向へと移動し、上記内側軌道輪２８は上記ボールベアリング３０に接触するとともに、上記複数のベアリング３０は、上記内側軌道輪２６に接触する。上記内側軌道輪２８から上記外側軌道輪２６への力の伝達は、符号１０４によって示されるラインにほぼ沿って発生する。
上記軌道輪２０と２２、２６と２８のそれぞれの運動は、上記したように、それぞれのボールベアリング２４と３０とが、ラインに接触するように動くもとのなる。これによって上記ベアリングアッセンブリ１６と１８の振動が最低限に抑えられる。上記方法と上記装置とを使用することによって、振動によるエネルギー損失が抑えられ、上記エンジンをより効率的に運転させることができる。上記ピストン６２によって加えられる力の大きさは、上記エンジンの上記潤滑制御システムによって加えらている圧力と、上記ピストン６２のサイズとによって制御することができる。
本発明の好適な実施例では、上記下流側ベアリングアセンブリ１８は、上記ベアリングハウジング３６に固定されており、また、上記上流側ベアリングアッセンブリ１６は、上記ハウジング３６に対して軸方向に自由に運動するようになっている。当業者によって知られている他のベアリングハウジング設計に対しても、本発明の加圧型ベアリングアッセンブリを適用することができる。さらに、上記上流側ベアリングアッセンブリ１６の上記外側ベアリング軌道輪２０がスライドするように配設させることが好ましいが、上記外側ベアリング軌道輪２０を軸方向に移動させるため別の設計も用いることができる。
本発明は、好適な実施例をもって開示し説明を行ってきたが、当業者によれば、形状及び細部にわたって、本発明の趣旨及び範囲内で種々の変更を行うことができることは明白である。例えば、本発明のベアリング支持ハウジングは、マルチシャフトターボ機械と同様にシングルシャフトターボ機械にも使用することができる。本発明は、航空宇宙分野の他、航空機、ヘリコプタといった航空機を駆動させるためのエンジンにも利用できる。上記ハウジングは、チタン、その他の金属合金から形成されることが好ましいが、複合材料といった非金属材料から形成されていてもよい。

Claims (4)

1. 回転軸（４２）と、油圧を発生させるための潤滑制御システムと、エンジンケース（４０）内において軸方向に互いに離間した第一のベアリングアッセンブリ（１６）と、第２のベアリングアッセンブリ（１８）と、によって軸支されたシャフト（１２）と、このエンジンケース（４０）に取り付けられたベアリングハウジング（３６）と、を備えてなるターボ機械であり、このターボ機械は、さらに互いに径方向に離間し、複数のボールベアリング（２４，３０）が間隙に嵌入されている対となったベアリング軌道輪（２０，２２，２６，２８）を備えたベアリングアッセンブリ（１６，１８）を有しており、かつ、対となった各ベアリングアッセンブリの径方向内側ベアリング軌道輪（２２，２８）が前記シャフト（１２）に取り付けられ、かつ、第２の前記ベアリングアッセンブリ（１８）の径方向外側ベアリング軌道輪（２６）は、前記ベアリングハウジング（３６）に対して固定されているとともに、第１の前記ベアリングアッセンブリ（１６）の径方向外側ベアリング軌道輪（２０）は、前記ベアリングハウジング（３６）に対して軸方向に可動とされ、前記第一のベアリングアッセンブリ（１６）の外側ベアリング軌道輪（２０）に対して軸方向に力を加える手段を有している構成であって、このターボ機械の前記各ベアリングアセンブリ（１６，１８）に対して軸方向に負荷を加える方法において、
   前記第一のベアリングアッセンブリ（１６）の外側軌道輪（２０）に対して軸方向に油圧を加え、前記第１のベアリングアッセンブリ（１６）の外側軌道輪（２０）を軸方向へと移動させて、その対応するボール（２４）に接触させ、かつ、前記ボール（２４）を対応する内側軌道輪（２２）と接触するように移動させて、前記第一のベアリングアッセンブリ（１６）の前記外側軌道輪（２０）から前記内側軌道輪（２２）へと上記の力が伝達されるようにするステップと、
   前記シャフト（１２）が前記軸方向に移動するように、前記第１のベアリングアッセンブリ（１６）の内側軌道輪（２２）から前記シャフト（１２）へと、この力が伝達するように作用させるステップであって、この力を伝達するステップにより、前記第二のベアリング（１８）の前記内側軌道輪（２８）を動かして、それぞれ対応するボール（３０）に接触させ、かつ、前記ボール（３０）をその外側軌道輪（２６）に接触させて、前記の力を、前記シャフト（１２）から前記内側軌道輪（２８）及び、前記内側軌道輪（２８）から前記第二のベアリングアッセンブリ（１８）の外側軌道輪（２６）にまで伝達するステップと、を有することを特徴とする、各ベアリングアッセンブリに軸方向の負荷を加えるための方法。
2. 回転軸（４２）と、エンジンケース（４０）と、エンジンケース（４０）内で軸方向に互いに離間した第１のベアリングアッセンブリと第２のベアリングアッセンブリ（１６，１８）によって軸支されたシャフト（１２）であって、それぞれのベアリングアッセンブリ（１６，１８）は、径方向に離間し、対となったベアリング軌道輪（２０，２２，２６，２８）と、各ベアリング軌道輪の間に嵌入された複数のボールベアリング（２４，３０）と、を備えたシャフト（１２）と、を有しており、かつ、
   前記エンジンケース（４０）に取り付けられたベアリングハウジング（３６）であって、前記第二のベアリングアッセンブリ（１８）の径方向外側ベアリング軌道輪（２６）は、前記ベアリングハウジング（３６）に回転可能に取り付けられており、かつ、各ベアリングアッセンブリ（１６，１８）の前記径方向内側ベアリング軌道輪（２２，２８）は、前記シャフト（１２）に取り付けられていて、
   前記第１のベアリングアッセンブリの前記外側ベアリング軌道輪（２０）、前記ハウジング（３６）に対して軸方向に可動とされており、
   さらに前記第１のベアリングアッセンブリ（１６）の前記外側ベアリング軌道輪（２０）に対して軸方向へと力を加える手段を有していて、
   前記第１のベアリングアッセンブリ（１６）の前記外側ベアリング軌道輪（２０）に対して軸方向へと力を加えると、前記第１のベアリングアッセンブリ（１６）の前記第１の外側ベアリング軌道輪（２０）を、そのボール（２４）と接触させるとともに、これらのボールがその対応する第１の内側ベアリング軌道輪（２２）に接触することによって、前記シャフト（１２）を、前記第２のベアリングアッセンブリ（１８）の内側ベアリング軌道輪（２８）とともに前記軸方向へと移動させ、前記第２の内側ベアリング軌道輪（２８）を、そのボール（３０）と接触させることで第２の外側ベアリング軌道輪（２６）に前記力を伝達するようになっているベアリングハウジングと、を有していることを特徴とするターボ機械。
3. 前記第一のベアリングアッセンブリ（１６）の前記外側ベアリング軌道輪（２０）に力を加えるための前記手段は、前記外側ベアリング軌道輪（２０）に近接した可動なピストン（６２）に対して、加圧されたオイルを供給する手段を有していることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械。
4. 前記ベアリングハウジング（３６）は、前記各ベアリングアッセンブリ（１６，１８）の間に延び、かつ、一体構造とされていることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械。

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