JP4375883B2 - ガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複軸バイパスジェットエンジンにおいては、低圧コンプレッサ並びに低圧タービンを支持するインナシャフトと、高圧コンプレッサ並びに高圧タービンを支持するアウタシャフトとが、同軸上で内外二重に組み合わされた中空軸で構成されている。これの場合、アウタ・インナ両シャフトは、それぞれの前後端を個別の軸受で支持されており、各軸受は、ポンプで圧送された潤滑油を吹き付ける強制潤滑方式によって潤滑されることが一般的である。
【０００３】
この強制潤滑方式においては、アウタ・インナ両シャフトの各前後端に設けられた軸受箱からの滑潤油の漏出を確実に防止するために、コンプレッサで昇圧された空気を軸受箱のオイルシールの外側に導いて軸受箱の外側の気圧を内側よりも高く保つようにしている。
【０００４】
一方、軸受箱の外側へ供給する昇圧空気は、高圧コンプレッサが発生した燃焼室へ供給する高圧空気を流用すると良いが、高圧コンプレッサの前方には吸気ダクトが設けられているので、特に前側軸受箱に対するシールエアの供給路が複雑化しがちであった。
【０００５】
このような不都合に対処するために、遠心式コンプレッサのインペラケーシングの中間部及び外周部背面に昇圧空気の取り出し口を設け、前側軸受箱の前後に位置する各シール部へのシールエアの供給路を互いに別系統とすることにより、シールエア供給路を最短化することが考えられた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、遠心式コンプレッサは流路の位置に応じて空気圧が変化するので、昇圧空気の取り出し口を違えた別系統の供給路で各シール部にシールエアを供給すると、軸受箱の前後でシール圧が不均等となってしまう。そのため、機械的シール手段が破損した場合には、シール圧の低い側へと集中的に潤滑油が吹き出してしまうおそれがあった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の不都合を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、軸受箱へのシールエアの供給路の複雑化を招くことなく、軸受箱の前後のシール圧を均等にすることのできるガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、低圧コンプレッサ（ＬＣ）並びに低圧タービン（ＬＴ）が連結されたインナシャフト（８）と、高圧コンプレッサ（ＨＣ）並びに高圧タービン（ＨＴ）が連結され且つインナシャフトと二重軸の関係をなすアウタシャフト（７）と、インナシャフト並びにアウタシャフトの軸端部を個々に支持するための複数の軸受（５・６）をそれぞれの内部に軸方向に離間配置された複数の軸受箱（２１・２５）と、高圧コンプレッサから取り出した昇圧空気を複数の軸受のうちの一方に併設されたシール部（３１ｂ）へ導入するべく高圧コンプレッサのロータの内周面とアウタシャフトの外周面との間に形成された第１通路（空隙４１）と、高圧コンプレッサから取り出した昇圧空気を複数の軸受のうちの他方に併設されたシール部（３１ａ）へ導入するべく軸受箱内を軸方向に貫通して形成された第２通路（４５）とを有することを特徴とするガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置を提供することとした。
【０００９】
このようにすれば、コンプレッサの一つの位置から取り出したシールエアを、通路の複雑化を招かずに軸受箱の前後のシール部へ導入することができる。
【００１０】
特に、第１の通路と第２の通路とを直列に連接すると共に、第１の通路の出口に第２の通路の断面積より小さな断面積のオリフィス（４４）を設けるものとすれば、両シール部に作用する圧力を均等化できる上、オリフィスで絞られているので一方のシールが破損した場合は両方のシール圧が共に低下することとなり、破損した側に噴出量が集中する傾向を緩和し得る。
【００１１】
また高圧コンプレッサのロータの内周面へ昇圧空気を導入する孔（４０）を、その長軸を周方向に置く長孔とすれば、孔の内周に作用する遠心力による応力が低減されると共に、コンプレッサのロータの回転に伴う旋回流が第１通路へ流入し易くなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明が適用される複軸バイパスジェットエンジンの模式図である。このエンジン１は、互いの間を整流板２で連結されて同軸上に配置されたそれぞれが円筒状をなすアウタケーシング３とインナケーシング４とを有している。また、同心的に組み合わされた中空軸からなり、それぞれが互いに独立した軸受５ｆ・５ｒ・６ｆ・６ｒをもってケーシングの中心部に支持されたアウタシャフト７とインナシャフト８とを有している。
【００１４】
アウタシャフト７には、その前側に高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９が、そして後側に逆流燃焼室１０のノズルＮに隣接配置された高圧タービンＨＴのタービンホイール１１が、それぞれ一体的に結合されている。
【００１５】
インナシャフト８には、その前端にフロントファン１２が、フロントファン１２の後方に低圧軸流コンプレッサＬＣの動翼を構成するコンプレッサホイール１３が、そして後端に燃焼ガスの噴射ダクト１４中に低圧タービンＬＴの動翼を置いた一対のタービンホイール１５ａ・１５ｂが、それぞれ一体的に結合されている。
【００１６】
フロントファン１２の中心には、ノーズコーン１６が設けられ、フロントファン１２の後方には、アウタケーシング３の内周面にその外端を結合させた静翼１７が配置されている。
【００１７】
インナケーシング４の前端部内周には、低圧軸流コンプレッサＬＣの静翼１８が配置されている。そしてその後方には、フロントファン１２が吸入し、かつ低圧軸流コンプレッサＬＣが予圧した空気を高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込むための吸入ダクト１９と、これに連続する高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラケーシング２０とが形成されている。また吸入ダクト１９の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の前端側を支持する軸受５ｆ・６ｆの軸受箱２１が結合されている。
【００１８】
フロントファン１２が吸入した空気は、その一部が上記のように低圧軸流コンプレッサＬＣを経て高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込まれる。そしてその残りの比較的低速かつ大量の空気は、アウタケーシング３とインナケーシング４との間に形成されたバイパスダクト２２から後方へ噴射され、低速域での主たる推力となる。
【００１９】
高圧遠心コンプレッサＨＣの外周部には、ディフューザ２３が結合されており、その直後に設けられた逆流燃焼室１０へ高圧の空気を送り込むようになっている。
【００２０】
逆流燃焼室１０では、その後端面に設けられた燃料噴射ノズル２４から噴射された燃料とディフューザ２３から送り込まれた高圧空気とを混合して燃焼させる。そして後方を向くノズルＮから噴射ダクト１４を経て大気中へ噴射する燃焼ガスにより、高速域での主たる推力を得る。
【００２１】
なお、噴射ダクト１４の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の後端側を支持する軸受５ｒ・６ｒの軸受箱２５が結合されている。
【００２２】
このエンジン１のアウタシャフト７には、図示されていないギア機構を介してスタータモータ２６の出力軸が連結されている。このスタータモータ２６を駆動すると、高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９がアウタシャフト７と共に駆動され、高圧空気が逆流燃焼室１０へ送り込まれる。この高圧空気と燃料とを混合して燃焼させると、その燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンＨＴのタービンホイール１１並びに低圧タービンＬＴのタービンホイール１５ａ・１５ｂが駆動される。この高圧タービンホイール１１の回転力で高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９が、そして低圧タービンホイール１５ａ・１５ｂの回転力でフロントファン１２及び低圧軸流コンプレッサＬＣのコンプレッサホイール１３が、それぞれ駆動される。そして燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンホイール１１並びに低圧タービンホイール１５ａ・１５ｂが駆動されると、燃料供給量と吸入空気量との自己フィードバック的釣り合いに応じて定まる状態でエンジン１が回転を継続することとなる。
【００２３】
図２に詳細に示したように、前側軸受箱２１には、アウタシャフト７の前端側を支持する軸受５ｆ並びにインナシャフト８の前端側を支持する軸受６ｆの支持部が、軸方向に適宜な間隔をおいて形成されている。また図３に詳細に示したように、後側軸受箱２５には、アウタシャフト７の後端側を支持する軸受５ｒ並びにインナシャフト８の後端側を支持する軸受６ｒの支持部が、軸方向に適宜な間隔をおいて形成されている。
【００２４】
これら前側軸受箱２１におけるアウタシャフト７の前端側軸受５ｆの後方並びにインナシャフト８の前端側軸受６ｆの前方に隣接する部位と、後側軸受箱２５におけるアウタシャフト７の後端側軸受５ｒの前方並びにインナシャフト８の後端側軸受６ｒの後方に隣接する部位とには、各軸受に供給された潤滑油が軸受箱外へ漏出することを防止するためのフローティング・リング・シール３１ａ〜３１ｄが設けられている。また、前後各軸受箱２１・２５の各前後端とインナ・アウタ各シャフト７・８の実質的な外周面との間には、ラビリンスシール３２ａ〜３２ｄが設けられている。
【００２５】
アウタシャフト７の前端部には、前側軸受５ｆのインナレース並びにスタータ用ベベルギア３３が結合されると共に、インペラホイール９の軸方向前端部がスプライン結合している。
【００２６】
インペラホイール９の背面の軸心部には、カービックカプリング３４ａ・３４ｂをその両端に備えた中空連結軸３５を介してタービンホイール１１の前面の軸心部が連結されている。そしてタービンホイール１１の背面の軸心部は、アウタシャフト７後端の軸受支持部に隣接して嵌着されたラビリンスシール３２ｃを備えたカラー３６に対し、カービックカプリング３４ｃを介して結合されている。
【００２７】
上記のインペラホイール９、中空連結軸３５、タービンホイール１１、カラー３６、およびアウタシャフト７後端の軸受５ｒのインナレースを、この順にアウタシャフト７に取り付けてベアリングナット３７を締め込むことにより、アウタシャフト７に適宜な初期張力が加えられる。
【００２８】
インペラホイール９の背面には、バックプレート３８で仕切られたインペラ背面室３９が画成されており、高圧遠心コンプレッサＨＣの吐出圧がこのインペラ背面室３９に作用するようになっている。
【００２９】
中空連結軸３５には、円周方向に長軸をおく長孔４０が開けてあり、インペラホイール９の軸心部内周面とアウタシャウト７の外周面との間の空隙４１とインペラ背面室３９との間を連通させるようになっている。なお、中空連結軸３５に設ける孔４０を上記の如き長孔とすることにより、その内周縁に作用する遠心力による応力を低減でき、インペラホイール９の回転に伴う旋回流が中空連結軸３５の内側へ流入し易くなり、しかも開口面積が同一ならば軸方向寸法が小さくなるのでカービックカプリング３４ａ部から長孔４０の縁までの距離を大きくすることができるため、カービックカプリング３４ａ部の強度に影響を及ぼさずに済む。
【００３０】
インペラホイール９のスプライン嵌合部には軸方向溝４２が設けられ、インペラホイール９の軸心部前端に配設されたラビリンスシール３２ｂを備えたカラー４３には、前側軸受箱２１の後部内側に連通するオリフィス４４が設けられている。
【００３１】
前側軸受箱２１内には、適宜な円周を概ね等分割する位置に、軸受箱２１の前後を相互に連通させる通路４５が複数設けられている。この通路４５の断面積は、上記のオリフィス４４の断面積に比して十分に大きくされている。
【００３２】
さて、高圧遠心コンプレッサＨＣにより昇圧された高圧空気は、その大部分がディフューザ２３を通して逆流燃焼室１０がおかれた高圧室４６に流入し、その残りの一部がインペラホイール９の外周からインペラ背面室３９に流入する。そして、インペラ背面室３９を臨む中空連結軸３５の長孔４０からインペラホイール９の軸心部内周面とアウタシャウト７の外周面との間に連なる空隙４１に流入し、更に、軸方向溝４２およびオリフィス４４を経て、前側軸受箱２１内のアウタシャフト支持軸受５ｆの後方に位置するフローティング・リング・シール３１ｂの装着部に流入する。これに続いて、前側軸受箱２１の前後を連通する通路４５を経て前側軸受箱２１内のインナシャフト支持軸受６ｆの前方に位置するフローティング・リング・シール３１ａの装着部に流入する。
【００３３】
なお、インペラ背面室３９と高圧室４６との間の隔壁には、背圧調整用オリフィス５４が設けられており、インペラ背面室３９へ高圧室４６から高圧空気を補充することにより、軸全体の圧力バランスに大きな影響を及ぼすインペラ背面室３９の内圧を適正に保っている。
【００３４】
このようにして、前側軸受箱２１内の前後に位置するフローティング・リング・シール３１ａ・３１ｂの装着部に流入した高圧空気により、前側軸受箱２１の外圧が内圧より高く保たれ、前側軸受箱２１内の潤滑油が漏出することが防止される。なお、このシール圧は、ラビリンスシール３２ａ・３２ｂで封止されている。
【００３５】
上記は前側軸受箱２１へのシールエアの供給経路についてのみ説明したが、これは後側軸受箱２５についても同様に実施可能であり、その場合は、図３に示したように、カラー３６におけるアウタシャフト７の後端部支持軸受５ｒの前方に配設されたフローティング・リング・シール３１ｃとこれに隣接するラビリンスシール３２ｃとの間の部分にオリフィス４７を設けると共に、インナシャフト８の後端部支持軸受６ｒの後方に配設されたフローティング・リング・シール３１ｄとこれに隣接するラビリンスシール３２ｄとの間の部分に連通する通路４８を、後側軸受箱２５の適所に設ければ良い。
【００３６】
前後の軸受箱２１・２５の内側は、アウタシャフト７の内周面とインナシャフト８の外周面との間に形成された空隙４９を介して互いに連通しており、各軸受５ｆ・５ｒ・６ｆ・６ｒを潤滑した潤滑油の一部および各フローティング・リング・シール３１ａ〜３１ｄから侵入したシールエアは、例えばアウタシャフト７の軸端に設けられたベベルギア３３に噛み合う駆動用ベベルギアの軸に沿って設けられたドレン孔（図示せず）を介してスタータモータ２６に連結されたギアボックスＧＢに導かれ、ギアボックスＧＢ内に設けられた油分分離装置（図示せず）で油分を除去した上でバイパスダクト２２から大気中に放出される。
【００３７】
他方、高圧室４６に流入した高圧空気の一部は、高圧タービンＨＴのタービンホイール１１の前面に対向配置されたシュラウド５０で案内されてタービンホイール１１のディスク部５１の前面に沿って流れる。ここで図４に示すように、タービンホイール１１のディスク部５１の外周部には、クリスマスツリー部５２を介してタービンブレード５３が結合されており、上記の空気流により、ディスク部５１とタービンブレード５３との結合部の前面側が冷却される。
【００３８】
一方、カラー３６には、中空連結軸３５に設けられたのと同様な長孔５５が開けてあり、中空連結軸３５並びに高圧タービンＨＴの軸心部内周面とアウタシャウト７の外周面との間の空隙４１に流入した高圧空気が、高圧タービンＨＴのタービンホイール１１の後方へ吹き抜けるようになっている。これにより、ディスク部５１とタービンブレード５３との結合部の背面側が冷却される。
【００３９】
ディスク部５１とタービンブレード５３との結合部を冷却した空気は、ディスク部５１の前後面に対向配置されたシュラウド５０・５６に案内され、逆流燃焼室１０のノズルＮから噴出する燃焼ガスに引かれて噴射ダクト１４から排出される。
【００４０】
【発明の効果】
このように本発明によれば、コンプレッサの１つの部位から取り出した高圧空気を、軸受箱の前後にまたがるシール空間に対して均一圧で充填できるので、シールエア供給路の複雑化を招かずに軸受箱前後のシール圧を均等化する上に大きな効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたジェットエンジンの模式図
【図２】図１に示したジェットエンジンの高圧コンプレッサ及び高圧タービンの部分的拡大断面図
【図３】図１に示したジェットエンジンの低圧タービン側の部分的拡大断面図
【図４】高圧タービンの部分的斜視図
【符号の説明】
ＬＣ 低圧コンプレッサ
ＬＴ 低圧タービン
ＨＣ 高圧コンプレッサ
ＨＴ 高圧タービン
５ｆ・５ｒ・６ｆ・６ｒ 軸受
７ アウタシャフト
８ インナシャフト
２１ 前側軸受箱
２５ 後側軸受箱
３１ａ〜３１ｄ シール
４０ 昇圧空気の導入孔
４１ 空隙（第１通路）
４４ オリフィス
４５ 通路（第２の）
５５ 空隙

Claims (3)

1. 低圧コンプレッサ並びに低圧タービンが連結されたインナシャフトと、高圧コンプレッサ並びに高圧タービンが連結され且つ前記インナシャフトと二重軸の関係をなすアウタシャフトと、前記インナシャフト並びに前記アウタシャフトの軸端部を個々に支持するための複数の軸受をそれぞれの内部に軸方向に離間配置された複数の軸受箱とを有するガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置であって、
   前記高圧コンプレッサから取り出した昇圧空気を前記複数の軸受のうちの一方に併設されたシール部へ導入するべく前記高圧コンプレッサのロータの内周面と前記アウタシャフトの外周面との間に形成された第１通路と、
   前記高圧コンプレッサから取り出した昇圧空気を前記複数の軸受のうちの他方に併設されたシール部へ導入するべく前記軸受箱内を軸方向に貫通して形成された第２通路とを有することを特徴とするガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置。
2. 前記第１の通路と前記第２の通路とが直列に連接されると共に、前記第１の通路の出口に前記第２の通路の断面積より小さな断面積のオリフィスが設けられることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置。
3. 前記高圧コンプレッサのロータの内周面へ昇圧空気を導入する孔が、その長軸を周方向に置く長孔であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンの軸受へのシールエア供給装置。

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