JP4541170B2 - 第１および第２の軸受により支持される駆動シャフトに固定されるファンを有するターボファンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ターボジェット、特に第１の軸受および第２の軸受により支持される駆動シャフトに固定されるファンを有するターボファンエンジンの分野に関する。

この種のターボジェットは、ガス流の方向に沿って上流側から下流側への順で、ファン、１つまたは複数のコンプレッサ段、１つまたは複数のタービン段、およびガス排出ノズルを備える。ファンは、回転させられるとき、ターボジェット内に空気を運ぶブレードを外周の周りに設けられたロータを備える。ファンロータは、エンジン低圧コンプレッサシャフトにより支持される。ファンロータは、固定構造体、特に中間ケースに接続された第２の軸受の上流側にある第１の軸受により、ターボジェットの中心線の中央に置かれる。

本記載の残りの部分では、ファンは、ツインシャフトエンジン内の低圧ロータシャフトであるコンプレッサシャフトに固定されるため、このシャフトは、単にコンプレッサシャフトと称される。

第１の軸受は、コンプレッサシャフトの周囲のエンクロージャを形成する支持部品により支持され、支持部品は、第１の軸受の下流側に向かって方向付けられ、かつターボジェットの固定構造体に固定される。第２の軸受は、ターボジェットの固定構造体に固定された支持部品により支持される。

ファンブレードは、偶然失われる可能性がある。これは、コンプレッサシャフトへの大きな不均衡な質量を生み出し、この不均衡な質量は、ターボジェットの固定構造体に支持部品を通じて伝達される、軸受に負荷と振動を導入し、結果的に損傷を及ぼす可能性がある。

ターボジェットの過剰な損傷のリスクは、構造体を大きなサイズにする、あるいは仏国特許第２７５２０２４号に記載されるように、第１の軸受に対する分離システムを設けることによって回避することができる。第１の軸受の支持部品は、いわゆるせん断ネジ（シャースクリュー）によりターボジェット構造体に固定され、せん断ネジには、過剰な力が印加されたときに、ネジが破損する弱化部分がある。したがって、不均衡な質量が、コンプレッサシャフトに発生すると、第１の軸受に生じた力は、破損するせん断ネジに伝達され、第１の軸受から支持部品を、したがって、ターボジェット構造体から第１の軸受を分離する。不均衡な質量により生じた力は、この支持部品を通じてターボジェットの固定構造体にはもはや伝達されない。

しかしながら、ファンは回転し続ける。不均衡な質量は、第２の軸受の内側軸受リングと外側軸受リングとの間の変位を招くことがあるコンプレッサシャフトの屈曲を引き起こす。さらに、シャフトの屈曲は、軸受ローラまたはボールに応力を印加する、てこ作用を生じさせる。その結果、第２の軸受はおそらく破損する。

同じ出願人によって発行された仏国特許第２８３１６２４号は、第２の軸受が、シュラウド支持体のリーミングに、径方向隙間を有して取り付けられる手段について記載している。第２の軸受の支持体は、シャフトと平行であり、かつせん断で溶解するネジによって締め付けられる。その結果、第２の軸受を、シュラウド支持体で支持することができる。これによって、摩擦のリスクが低減する。
仏国特許発明第２７５２０２４号明細書 仏国特許発明第２８３１６２４号明細書

本発明は、第１の軸受の分離後、第２の軸受のセンタリング機能を確保し、ローラに過剰な応力を導入することなく、第２の軸受での分離動力学を伴うことを目的とする。

これを達成するため、本発明は、ターボジェットに関し、ターボジェットは、固定構造体と、駆動シャフトに固定されるファンロータとを備え、駆動シャフトは、第１の軸受および第２の軸受により支持され、かつ軸受支持部により固定された前記固定構造体に取り付けられ、第１の軸受は、固定構造体から第１の軸受を分離させることのできる装置により、ターボジェットの固定構造体に取り付けられ、第２の軸受が、ボールジョイントとして機能する連結部により軸受支持部に取り付けられ、ターボジェットは、第１の軸受を分離すべきである場合に、ターボジェットの固定構造体に対する第２の軸受の軸方向変位を可能とする手段をさらに備えることを特徴とする。

好ましくは、外側軸受リングを備える第２の軸受、すなわち外側リングの外表面は、球状であり、かつ軸受支持部において球状の内部ハウジングに適合する。

本発明の別の特徴によると、ターボジェットは、第１の軸受が分離する場合、ターボジェットの固定構造体に対する第２の軸受の径方向変位を可能とする手段をさらに備える。

この場合、径方向変位を可能とする手段は、好ましくは、軸受支持部をターボジェットの固定構造体に取り付けるためのせん断ネジを備える。

また、好ましくは、第２の軸受は、内側リング、外側リング、および前記内側および外側リング間に搭載されたローラを備え、内側リングと外側リングとの間の軸方向変位が可能にされる。

有利なことに、本発明によるターボジェットは、ファンロータおよび／または予備軸受の軸方向保持を形成し、固定構造体の手段と協働し、かつ駆動シャフトに固定して取り付けられる手段をさらに備える。

また、有利なことに、ターボジェットは、第２の軸受が固定される構造フランジを含み、ロータファンおよび／または予備軸受の軸方向保持を形成する手段が、保持ディスクを備え、該保持ディスクは、駆動シャフトに取り付けられ、かつロータファンおよびリングの長手方向スリーブの軸方向保持のために、リングの停止ディスクと協働して予備軸受を形成する。

また、有利なことに、ロータファンおよび／または予備軸受の軸方向保持を提供する手段が、軸方向の力を駆動シャフトに直接伝達するよう構成される。

この場合、第２の軸受は、有利なことに、内側リング、外側リング、および前記内側および外側リング間に搭載されたローラを備え、保持ディスクは、駆動シャフトの歯を軸方向に支持し、かつ第２の軸受の内側リングの長手方向歯により回転が阻止される径方向歯を備える。

本発明は、第２の軸受が、低圧ロータを支持する軸受であるツインシャフトターボジェットに特に適用可能だが、出願人は、権利範囲をこの適用に限定することを目的としていない。

本発明は、添付図面を参照しつつ、本発明によるターボジェットの好適な実施形態に関する以下の説明を読むとよりよく理解されるだろう。

図１を参照すると、本発明のターボジェットは、ファン２を備え、ロータが、ターボジェットの軸４を中心に径方向に延びるブレード３を備える。ファンシャフト２は、全体的に円柱状のコンプレッサシャフト５に、ブレード３の下流側で固定されている。これは、低圧コンプレッサシャフトである。本記載の残りの部分では、ファンシャフト２とコンプレッサシャフト５のアセンブリを、コンプレッサシャフト５または駆動シャフト５と称する。コンプレッサシャフト５は、第１の軸受６と、第１の軸受６の下流側に配置される第２の軸受７とに支持される。

図２を参照すると、第１の軸受６は、内側リング８と外側リング９を備え、その間にボール１０が搭載される。内側リング８は、コンプレッサシャフト５に固定され、外側リングは、以降、第１の軸受支持体１１と称される軸受１１の支持部分に固定される。ボール１０は、外側リング９に対する、したがって第１の軸受支持体１１に対する、内側リング８、したがってコンプレッサシャフト５の回転を可能にする。

第１の軸受支持体１１は、下流側方向で第１の軸受６から延伸する。第１の軸受支持体は、全体的に円柱状であり、わずかに円錐状である、かつその直径は下流側方向で増大する。第１の軸受支持体は、ターボジェット１の固定構造体のフランジ１８に取り付けられ、特にターボジェットの中間ケースに固定され、かつせん断ネジ１３がねじ込まれる下流側フランジ１２を通り、以下では構造フランジ１８と称される。これらのせん断ネジ１３は、過剰な力が印加されるとき、特に不均衡な質量が、特にブレード３が失われた後にコンプレッサシャフト５にかかるときに破断するような、引張強度の低い弱化部分１３’を備える。

第２の軸受７は、内側軸受リング１４と外側軸受リング１５を備え、その間にローラ１６が搭載される。後述するように通常の動作状態で、内側リング１４は、コンプレッサシャフト５に固定されて取り付けられ、かつ外側リング１５は、ターボジェット１の固定構造体に固定されて取り付けられる。ローラ１６は、内側リング１４の外周周りに延伸する溝１４ａ内で、ターボジェット１の軸４に平行に取り付けられ、ローラ１６は、当業者にはよく知られているケージ１７により互いに間隔をおいて保持される。ローラは、外側リング１５に対する内側リング１４の回転、したがって、これらのリングを通じたターボジェット１の固定構造体に対するコンプレッサシャフト５の回転を可能にする。

第２の軸受７は、以降、第２の軸受支持体１９と称される、ハウジング２０またはリング２０を備える軸受支持部１９により支持され、軸受支持部１９は、取付フランジ２１が径方向に延びる外周で、第２の軸受７の外側リング１５を締め付け、せん断ネジ２２が構造フランジ１８にねじ込まれる。

第２の軸受７の外側リング１５は、軸方向断面図で見られるように、凸状の球形の外表面２３を備える。この凸状の球面２３は、第２の軸受支持体１９のリング２０の内表面２４の凹状球形に合う。２つの球面、すなわち凸状の面２３と凹状の面２４は協働して、ボールジョイント（２３、２４）を形成する連結部を形成する。ターボジェット１の通常の動作時に、ボールジョイント（２３、２４）を形成する連結部が回転しないように構成される。それから、第２の軸受７の外側リング１５は、第２の軸受支持体１９、したがって、ターボジェット１の固定部分に固定される。ブレード３が失われる場合の挙動を、以下説明する。

第２の軸受７の領域におけるターボジェット１の構成要素の構造を、それらの構成の理解に役立つ図３から図６を参照して、構成要素のアセンブリを記載することによって説明する。

図３を参照すると、コンプレッサシャフト５は、上流側２５と下流側２６で、環状溝２７を形成する、構造フランジ１８に隣接する２つの突出環状部を備える。突出部２６は、径方向の切欠き２６’を備え、それらの間に歯２６”を形成する。歯２６”と切欠き２６’は、好ましくは均一の周方向寸法を有するため、各カテゴリはコンプレッサシャフト５の外周の約半分を延伸する。

図４を参照すると、保持ディスク２８が、コンプレッサシャフト５の環状溝２７に搭載される。この保持ディスク２８は、内側の径方向の縁部周囲に径方向の切欠き２８’と歯２８”を備え、外周の寸法は、コンプレッサシャフト５の切欠き２６’と歯２６”の寸法に相当する。組立の間、保持ディスク２８は、上流側に向かってコンプレッサシャフト５に圧力ばめされ、歯２８”は、それら歯２８”が、コンプレッサシャフト５の上流側２５に向かって突出する環状部の下流側面と接触して停止するまで、コンプレッサシャフト５の切欠き２６’に挿入される。それから、保持ディスク２８は、歯２８”が、コンプレッサシャフト５の歯と軸方向に１列に並ぶまで、ターボジェット１の軸４を中心として回転させられる。この位置で、それらは、コンプレッサシャフト５と保持ディスク２８の切欠き２６’、２８’が軸方向に１列に配列される間、上流側方向２５に突出する環状部の下流側面と、コンプレッサシャフト５の歯２６”の上流側面との間で締め付けられる。

図５を参照すると、第２の軸受７の内側リング１４は、上流部に長手方向の切欠き１４’および歯１４”を備え、その外周寸法は、上述の切欠き２６’、２８’および歯２６”、２８”の外周寸法に相当する。内側リング１４は、コンプレッサシャフト５に圧力ばめされ、歯１４”は、それら歯１４”が、コンプレッサシャフト５の上流側方向２５に向かって突出する環状部の下流側面と接触して停止し、切欠き１４’の横断方向面が、コンプレッサシャフト５の歯２６’と接触して停止するまで、コンプレッサシャフト５と保持ディスク２８の切欠き２６’、２８’に挿入される。したがって、内側リング１４の歯１４”は、保持ディスク２８の回転をさえぎり、このディスクの歯２８”は、コンプレッサシャフト５の歯２６”と軸方向に接触して停止する。

図６を参照すると、ローラ１６が、この目的のために設けられた溝１４ａに内側リング１４に取り付けられる。ローラ１６を他に対して所定位置に保持するケージ１７は、図示されていない。第２の軸受支持体１９に取り付けられる第２の軸受７の外側リング１５は、ローラ１６の周りに圧力ばめされる。外側リング１５の内表面１５ａは、軸方向断面図で見られるように、直線であり、長手方向の寸法は、ローラ１６の長手方向の寸法よりも大きい。第２の軸受支持体１９のフランジ２１は、せん断ネジ２２により構造フランジ１８に固定される。

第２の軸受支持体１９のリング２０への第２の軸受７の外側リング１５のアセンブリは、図７を参照して説明するが、ボールジョイント（２３、２４）を形成する連結部を形成する。第２の軸受支持体１９のリング２０は、互いに正反対であり、かつ外周寸法が、第２の軸受７の外側リング１５の長手方向寸法に相当する、２つのアセンブリ切欠き２０’、２０”を備える。外側リング１５の側面は、第２の軸受支え１９に対向するように示され、切欠き２０’、２０”に滑り込む。それから、外表面２３が，第２の軸受支持体１９のリング２０の内表面２４に接触して支え、かつボールジョイント（２３、２４）として機能する連結部を形成するように、９０°回転させられる。

他の構成要素は、第２の軸受７の内側リング１４の下流側でコンプレッサシャフト５に圧力ばめされることができる。たとえばこの場合、図１および図２を参照すると、パワーテークアップシステム２９が、回転する空気シールとともに、コンプレッサシャフト５の運動を通じて他の構成要素を駆動するために設けられる。一旦すべての構成要素が圧力ばめされれば、アセンブリは、固定ナット３１により軸方向に固定される。

図８を参照すると、構造フランジ１８が、中心で穴あけされている。構造フランジは、中央部に長手方向スリーブ３２を含み、停止ディスク３３は、この長手方向スリーブの上流側端で連続的に径方向方向に内側へ延伸し、停止ディスクの内側縁部が、フランジ１８の中央孔を形成する。停止ディスク３３は、保持ディスク２８の上流側面３４が、下流側面３５と接触して支持するように配置される。これらの２つの面３４、３５により形成される接触面３４、３５は、一方ができる限り均等に他方を支持できるように補完的に配置される。本明細書に記載される本発明によるターボジェット１の実施形態では、接触面３４、３５は円錐状である。これらの接触面は、平面、またはより好ましくは球面であってもよい。停止ディスク３３の機能は、後述されるように、コンプレッサシャフト５に固定されるファン２が、前方に引っ張られないように、破損の際にコンプレッサシャフト５を軸方向に阻止することである。

ファン２のブレード３が失われた場合の、本発明によるターボジェット１の動作をより詳細に説明する。

ブレード３の損失は、コンプレッサシャフト５に不均衡な質量を引き起こす。生じた力は、第１の軸受支持体１１を構造フランジ１８に固定するせん断ネジ１３を破損させ、第１の軸受支持体１１をターボジェット１の固定構造体から分離させる。

ボールジョイント（２３、２４）を形成する連結部は、コンプレッサシャフト５のある程度の屈曲量を吸収することができるため、第２の軸受７は、必ずしもターボジェット１の固定構造体から分離されない。このように形成されかつボールジョイント（２３、２４）を形成する連結部が、ターボジェット１の通常の動作中は旋回しないが、コンプレッサシャフト５に不均衡な質量がかかるときに自由に旋回するように、第２の軸受７の外側リング１５が、第２の軸受支持体１９のリング２０に一致することが既に分かっている。したがって、コンプレッサシャフト５の屈曲は、連結部が形成される球面２３、２４により画定される球の中心を中心とした、ボールジョイント（２３、２４）を形成する連結部の回転を引き起こす。

しかしながら、コンプレッサシャフト５の屈曲が、激しすぎる場合、およびこの屈曲が、ボールジョイント（２３、２４）を形成する連結部の単純な回転では吸収され得ない場合、たとえば特に屈曲が、ターボジェット１の軸４に対して相殺される場合、第２の軸受支持体１９を構造フランジ１８に固定するせん断ネジ２２は破損する。この破損は、第２の軸受７とその支持体１９の径方向の変位を可能にする。

さらに、長手方向の変位は、第２の軸受７の外側リング１５の内表面１５ａ上でローラ１６が軸方向に滑動することによって可能となる。第２の軸受の長手方向寸法は、ローラ１６の長手方向寸法より大きい。

したがって、本発明によると、径方向、長手方向、および角度方向の変位は、第２の軸受７で可能となるため、第１の軸受６の分離動力学は、ローラ１６に余分な応力を導入せずに第２の軸受７で可能とされる。部品の移動は阻害されない。回転は、第１の軸受支持体の取付点１３の上に位置する回転中心を中心として起こる。

しかしながら、ローラ１６が破損した場合、保持ディスク２８の外側径方向面３６が、フランジ１８の長手方向スリーブ３２の内表面３７と接触して停止する。このように、ディスクとスリーブは、予備の軸受としての役割を果たす。この機能が、このディスク２８とこのスリーブ３２にとって必要である場合、保持ディスク２８の外表面３６と長手方向スリーブ３２の内表面３７との間の径方向距離を、それに応じて寸法決定することができる。

しかし、上述の様々な安全装置にもかかわらず、コンプレッサシャフト５が破損することがありえる。最終的な安全装置は、これを可能にするために備えられる。コンプレッサシャフト５が破損すれば、ファン２の回転がファンと、ファンに固定されたコンプレッサシャフト５とを前方方向に引っ張る。保持ディスク２８の上流側面３４は、ターボジェット１の固定構造体に固定された停止ディスク３３の下流側面に接触して止まる。したがって、コンプレッサシャフト５（または、コンプレッサシャフト５が固定されるタービンシャフト）が破損した場合、停止ディスク３３は、ファン２の軸方向停止機能として働く。保持ディスク２８の接触面３４と停止ディスク３３の接触面３５とにとっての球面形状の利点は、この場合に非常に明らかである。それは、接触時に、構造フランジ１８に対するコンプレッサシャフト５の傾きに関係なく、均一な接触を可能とする。

接触以降、力は、これらの力をコンプレッサシャフト５の歯２６”に伝える歯２８”に、したがってコンプレッサシャフト５に、保持ディスク２８を通じて伝達される。よって、コンプレッサシャフト５上の保持ディスク２８および第２の軸受７の内側リング１４の構成のために、ファン２の軸方向保持のための停止ディスク３３における力は、固定ナット３１に伝達されない。仮に伝達された場合、固定ナット３１の破損が、コンプレッサシャフト５の周りに圧力ばめされた各種構成要素の滑動、およびファン２とコンプレッサシャフト５の前方方向への排出を引き起こすため、破滅的な結果となる。その代わりに、これらの力は、コンプレッサシャフト５に伝達される。

したがって、本発明による装置は、コンプレッサシャフト５、したがってファンシャフト２が、第２の軸受７の固定ナット３１の保持力を伝達せずに、第２の軸受７で軸方向に保持されることを確保する手段を提供する。

本発明の好適な実施形態の軸方向断面側面図である。 ボックスＣに含まれる図１の領域の拡大図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフトと構造フランジとの斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフト、構造フランジ、および保持リングの分解斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフト、構造フランジ、保持リング、および第２の軸受の内側リングの分解斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態のコンプレッサシャフト、構造フランジ、保持リング、第２の軸受の内側リング、第２の軸受支持体の分解斜視背面図である。 本発明の好適な実施形態の第２の軸受の支持体の外側リングのアセンブリを示す概略的な斜視図である。 本発明の好適な実施形態の構造フランジの斜視図である。 コンプレッサシャフト破損後の、本発明の好適な実施形態における第２の軸受による概略的な断面側面図である。

符号の説明

１ ターボジェット
２ ファンシャフト
３ ブレード
４ 軸
５ コンプレッサシャフト
６ 第１の軸受
７ 第２の軸受
８ 内側リング
９ 外側リング
１０ ボール
１１ 第１の軸受支持体
１２ 下流側フランジ
１３、２２ せん断ネジ
１３’ 弱化部分
１４ 内側軸受リング
１４ａ 溝
１５ 外側軸受リング
１６ ローラ
１７ ケージ
１８ 構造フランジ
１９ 第２の軸受支持体
２０ ハウジング
２１ 取付フランジ
２３ 外表面
２４ 内表面
２５ 上流側突出環状部
２６ 下流側突出環状部
２７ 環状溝
２６ 突出部
２６’、２８’ 切欠き
２６”、２８” 歯
２８ 保持ディスク
３１ 固定ナット
３２ 長手方向スリーブ
３３ 停止ディスク
３４ 上流側面
３５ 下流側面

Claims (10)

1. 固定構造体と、駆動シャフト（５）に固定されたファンロータ（２）とを備えるターボファンエンジンであって、前記駆動シャフト（５）が、第１の軸受（６）と第２の軸受（７）に支持され、かつ軸受支持部（１１、１９）により固定された前記固定構造体に取り付けられ、第１の軸受（６）が、第１の軸受を固定構造体から分離することを可能とする装置（１３）により、ターボファンエンジンの固定構造体に取り付けられ、第２の軸受（７）が、ボールジョイント（２３、２４）として働く連結部により軸受支持部（１９）に取り付けられ、前記ターボファンエンジンが、第１の軸受（６）を分離すべきである場合に、ターボファンエンジンの固定構造体に対する第２の軸受（７）の軸方向変位を可能とする手段をさらに備えることを特徴とする、ターボファンエンジン。
2. 第２の軸受（７）が、外側リング（１５）を備え、外側リング（１５）の外表面（２３）が、球状であり、軸受支持部（１９）において球状の内部ハウジング（２０）に適合する、請求項１に記載のターボファンエンジン。
3. 第１の軸受（６）が分離される場合に、ターボファンエンジンの固定構造体に対する第２の軸受（７）の径方向の変位を可能とする手段（２２）をさらに備える、請求項１または２に記載のターボファンエンジン。
4. 径方向の変位を可能とする手段が、軸受支持部（１９）のターボファンエンジンの固定構造体への取付のためのせん断ネジ（２２）を備える、請求項３に記載のターボファンエンジン。
5. 第２の軸受（７）が、内側リング（１４）と、外側リング（１５）と、前記内側および外側リング（１４、１５）間に搭載されたローラ（１６）とを備え、軸方向変位が、内側リング（１４）と外側リング（１５）間で可能とされる、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボファンエンジン。
6. 駆動シャフト（５）に固定して取り付けられ、固定構造体の手段（３２、３３）と協働してファンロータ（２）の軸方向保持および／または予備軸受を形成する手段（２８）をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボファンエンジン。
7. ファンロータ（２）の軸方向保持および／または予備軸受を形成する手段が、軸方向の力を駆動シャフト（５）に直接伝達するように構成されている、請求項６に記載のターボファンエンジン。
8. 第２の軸受（７）が固定される構造フランジ（１８）を備え、ファンロータ（２）の軸方向保持および／または予備軸受を形成する手段が、保持ディスク（２８）を備え、該保持ディスク（２８）は、駆動シャフト（５）に取り付けられ、構造フランジ（１８）の停止ディスクとして働くディスク（３３）と協働してファンロータ（２）の軸方向保持を形成すると共に、構造フランジ（１８）の長手方向スリーブ（３２）と協働して予備軸受を形成する、請求項６または７に記載のターボファンエンジン。
9. 第２の軸受（７）が、内側リング（１４）と、外側リング（１５）と、前記内側および外側リング（１４、１５）間に搭載されたローラ（１６）とを備え、保持ディスク（２８）は、駆動シャフト（５）の歯（２６”）を軸方向に支持し、かつ第２の軸受（７）の内側リング（１４）内の長手方向歯（１４”）により回転を阻止される径方向の歯（２８”）を備える、請求項８に記載のターボファンエンジン。
10. 前記ターボファンエンジンは、ファンが低圧ロータシャフトに固定されたツインシャフトエンジンであり、第２の軸受（７）が低圧ロータシャフトを支持する軸受である、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボファンエンジン。

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