JP4705750B2 - シャフトの臨界速度を変化させる方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に回転シャフトに関し、より具体的には回転シャフトの臨界速度を制御する方法に関する。

例えばガスタービンエンジンのような大部分の種類の機械においては、高レベルの振動をもたらす可能性があるために、回転シャフトを臨界速度で、特に第１曲げモードで作動させることは許容できない。この要求のために、機械の設計に関する相当の制約及び妥協が加えられることが多い。

従来技術のターボファンエンジンは、シャフトの長さに対して、シャフトの曲げ臨界がシャフトの最大動作速度を上回るようにするのに十分なシャフト直径を用いる。シャフトの臨海速度を制御する他の方法は、シャフトの有効振動長さを減少させ、同じく臨海速度が動作範囲を上回るために境界条件が十分に剛体であるように多数のシャフト軸受を用いることを含む。例えばガスタービンエンジンの低圧シャフト又はパワーシャフトの場合のように、問題のシャフトが別のシャフトを通して同軸に動作する場合には、内側シャフトの長さ及び直径が外側シャフト及び取り巻く「コアエンジン」構造によって拘束されることになるので、こうした設計的解決手段を用いることには妥協を伴う。

限られた動作速度範囲（通常、最大ＲＰＭの８５％から１００％）を有することが多いターボシャフト・エンジンのような幾つかの場合においては、振動が破壊レベルに達しないようにすれば臨界速度を過渡的に超えることは許容できる。他の装置の内側シャフト、例えばターボファンエンジン内側シャフトは、幅広い速度範囲（通常、最大ＲＰＭの２５％から１００％）にわたって動作するものであり、これに応じて、シャフトの臨界速度を定める実用上の「過渡的」ウィンドウがないので、シャフトの臨界速度が最大動作ＲＰＭを上回るように定めることが必要とされる。「コアエンジン」の構造が、最小シャフト長さ及び最大シャフト直径を制限するので、実現可能なターボファンの設計を達成することは可能ではなく、或いは内側シャフトの要求事項が、「コアエンジン」に関し作動寿命及び重量についての不利な条件を課す可能性がある。

ガスタービンエンジンにおいてシャフトの端部支持条件を変化させるために、能動型軸受を用いることが知られている。これは、シャフトの臨界速度を変化させ、臨界速度を接近する動作速度から離すように動かすか又はこれを「跳び越す」ことを可能にするものである。しかしながら、従来技術の能動型軸受の設計は、シャフトの臨界速度において得ることができる変化の量を制限するシャフトの有効長さを変化させるものではない。
米国特許ＲＥ３６２７０号明細書 米国特許４７３７６５５号明細書 米国特許４８６７６５５号明細書 米国特許４９８３０５１号明細書 米国特許５１１０２５７号明細書 米国特許５３７４１２９号明細書 米国特許５６０３５７４号明細書

従って、シャフトの臨界速度を変化させる改善された方法に対する必要性がある。

固定構造体に対して相対的に回転運動するように支持された第１シャフトと、該シャフトの前端部に配置された前部軸受と、該シャフトの後端部に配置された後部軸受と、該前部軸受と該後部軸受との間に配置された少なくとも１つの能動型軸受と、該能動型軸受の支持剛性を変化させる手段とを含む、シャフトの臨界速度を変化させるシステムを提供する本発明により、上述の必要性に対処される。

本発明及び従来技術を上回る利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読むと明らかになるであろう。

本発明としてみなされる主題は、本明細書の冒頭部分に具体的に示され、明示的に特許請求されている。しかしながら、本発明は、添付図面と併せて以下の説明を参照することにより最もよく理解することができる。

同じ参照符号が種々の図面を通して同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明の臨界速度修正システムを組み込む例示的なターボファンエンジン１０を示す。エンジン１０は、長手方向軸１２に沿って直列配置された、ファン１４と圧縮機１８と燃焼器２０と高圧タービン２２と低圧タービン２４とを含む幾つかの部品を有する。低圧タービン２４は、ファン１４を駆動するファンシャフト３０にスプライン嵌合された低圧タービン（ＬＰＴ）シャフト２６を駆動する。高圧タービン２２は、ＬＰＴシャフト２６と同軸に取り付けられ、該ＬＰＴシャフト２６を囲むコアシャフト２８を介して圧縮機１８を駆動する。

ＬＰＴシャフト２６は、長さＬＬ及び直径Ｄ１を有し、通常は回転要素（例えば、ボール又はローラ）軸受の組み合わせである複数の軸受内に取り付けられる。図示される実施例において、ＬＰＴシャフト２６の前端部３２は、前部軸受３４、及び該前部軸受３４から軸方向に離間して配置された第１の能動型軸受３６によって支持され、一方、ＬＰＴシャフト２６の後端部３８は、後部軸受４０、及び該後部軸受４０から軸方向に離間して配置された第２の能動型軸受４２によって支持される。軸受の各々は、エンジン１０の固定構造体に取り付けられた外レースと、ＬＰＴシャフト２６を支持する内レースとを有する。ここで説明された実施例は、２つの能動型軸受３６及び４２を有するシステムからなるが、本発明は、１つだけの能動型軸受又は２つよりも多い能動型軸受を有するシステムにも同様に適用可能である。コアシャフト２８は、その前端部４４と後端部４６間で測定され、ＬＰＴシャフト２６の長さＬＬよりも短い長さＬＣと、該ＬＰＴシャフト２６の直径Ｄ１より大きい直径Ｄ２とを有する。コアシャフト２８は、複数の軸受内に回転可能に取り付けられる。

図２は、エンジン１０の前部の一部分をより詳細に示す。前部支持構造体４８は、エンジン１０の主な荷重を支持する構造体である、ファンフレーム５２に取り付けられた全体的に環状の幾つかの部品５０を含む。複数のファンブレード５６を支持するファンディスク５４がファンシャフト３０に取り付けられ、該ファンシャフト３０は、例えば周知の種類のスプライン接合部によってＬＰＴシャフト２６に取り付けられる。ファンシャフト３０及びＬＰＴシャフト２６を単一の一体部品内に組み込むこともできる。ファンシャフト３０及びＬＰＴシャフト２６の前端部３２は、前部軸受３４及び第１の能動型軸受３６によって支持される。本発明の目的のために、ＬＰＴシャフト２６の有効長さＬ（以下に説明される）は、前部軸受３４と第１の能動型軸受３６との間のファンシャフト３０の部分を含むとみなされる。前部軸受３４は、前部支持構造体４８とファンシャフト３０との間に取り付けられる。図示される実施例において、前部軸受３４はボール軸受である。この前部軸受３４は、前部支持構造体４８に取り付けられた外レース６０と、ファンシャフト３０に取り付けられた内レース６２とを含む。複数のボール６４が、外レース６０と内レース６２との間に配置され、図示のように、これらをケージ６６によって拘束し分離させることができる。前部軸受３４は一定の支持剛性を有し、つまり、該剛性は、軸受のハードウェア及び前部支持構造体４８の可撓性と物理的構成とによって定められる。エンジン作動中にこの剛性を意図的に変化させることはない。

第１の能動型軸受３６が、前部支持構造体４８とファンシャフト３０との間に取り付けられ、前部軸受３４から軸方向に離間して配置される。一般的には、第１の能動型軸受３６は、前部軸受３４とコアシャフト２８の前端部４４との間に取り付けられる。図示される実施例において、第１の能動型軸受３６はローラ軸受である。第１の能動型軸受３６は、前部支持構造体４８に取り付けられた外レース６８と、ファンシャフト３０の後端部３１に取り付けられた内レース７０とを含む。複数のローラ７２が、外レース６８と内レース７０との間に配置され、図示のように、これらをケージ７４によって拘束し分離させることができる。第１の能動型軸受３６は可変の支持剛性を有し、つまり、該剛性は、軸受のハードウェア及び前部支持構造体４８の可撓性と物理的構成とによって定められるだけでなく、エンジン作動中に該剛性を意図的に変化させるように用いることができる第１の可変剛性支持手段７６によっても定められる。以下により詳細に説明されるように他の手段を用いることもできるが、図示される実施例においては、第１の可変剛性支持手段７６は、制御ユニット８２（図１を参照）からの信号に応答して、流体供給手段８０により第１の導管７８を通して変動するオイルの流れが供給される流体フィルムダンパを含む。

図３は、エンジンの後部の一部分をより詳細に示す。後部支持構造体８４は、エンジン１０の主な荷重を支持する構造体である、タービン後部フレーム８８に取り付けられた全体的に環状の幾つかの部品８６を含む。複数の低圧タービンディスク９２を支持する低圧タービンロータ９０が、ＬＰＴシャフト２６に取り付けられる。ＬＰＴシャフト２６の後端部は、後部軸受４０及び第２の能動型軸受４２によって支持される。後部軸受４０は、後部支持構造体８４とＬＰＴシャフト２６との間に、該ＬＰＴシャフト２６の後端部３８の最も近く取り付けられる。図示される実施例において、後部軸受４０はローラ軸受である。後部軸受４０は、後部支持構造体８４に取り付けられた外レース９４と、ＬＰＴシャフト２６に取り付けられた内レース９６とを含む。複数のローラ９８が、外レース９４と内レース９６との間に配置され、図示のように、これらをケージ１００によって拘束し分離させることができる。後部軸受４０は一定の支持剛性を有し、つまり、該剛性は、軸受のハードウェア及び後部支持構造体８４の可撓性と物理的構成とによって定められる。エンジン作動中にこの剛性を意図的に変化させることはない。

第２の能動型軸受４２が、後部支持構造体８４とＬＰＴシャフト２６との間に取り付けられ、後部軸受４０から軸方向に離間して配置される。一般的には、第２の能動型軸受４２は、後部軸受４０とコアシャフト２８の後端部４６との間に取り付けられる。図示される実施例において、第２の能動型軸受４２はローラ軸受である。第２の能動型軸受４２は、後部支持構造体８４に取り付けられた外レース１０２と、ＬＰＴシャフト２６の後端部３８に取り付けられた内レース１０４とを含む。複数のローラ１０６が、外レース１０２と内レース１０４との間に配置され、図示のように、これらをケージ１０８によって拘束し分離させることができる。第２の能動型軸受４２は可変の支持剛性を有し、つまり、該剛性は、軸受のハードウェア及び後部支持構造体８４の可撓性と物理的構成とによって定められるだけではなく、エンジン作動中に該剛性を意図的に変化させるように用いることができる第２の可変剛性支持手段１１０によっても定められる。以下により詳細に説明されるように他の手段を用いることもできるが、図示される実施例においては、第２の可変剛性支持手段１１０は、制御ユニット８２（図１を参照）からの信号に応答して、流体供給手段８０により第２の導管１１２を通して変動するオイルの流れが供給される流体フィルムダンパを含む。

軸受と周囲の構造体との間の剛性を選択的に変化させることができるどのような周知の手段を用いても、上述の能動型軸受に可変支持剛性を与えることができる。適切な手段の一実施例は、周知の種類の１つ又はそれ以上の磁気軸受要素を選択的に活性化又は非活性化させて、第１の能動型軸受に作用する磁力を加え及び取り除き、これにより剛性を変化させる磁気軸受である。別の周知の種類の磁気軸受は、可撓性のエンクロージャ内に入れられたレオロジー流体に磁場を選択的に加え、流体の剛性を変化させるものである。

可変の支持剛性を与える別の適切な手段は、流体フィルムダンパである。例えば、１つの周知の種類の軸受取り付け台において、軸受の外レースは可撓性の金属の「回転かご」によって支持され、該かごには、長手方向の複数のばね要素が組み込まれており、このばね要素は、オイルのような制動流体で自在に満たし及び空にすることができる粘性の流体フィルムダンパと並行して作用する。

可変の支持剛性を与える更に別の適切な手段は、例えば、制御可能な機械的手段を用いることによって軸受の剛性を機械的に制御し、該軸受のばね要素の影響を修正することである。

本発明のシステムの制御を既存の制御ユニット８２に組み込むことができ、例えば、周知の全自動デジタル式エンジン制御（ＦＡＤＥＣ）を用いて、流体供給手段８０（図１を参照）の作動を制御することができる。流体供給手段８０は、可変剛性支持手段７６及び１１０に圧力を供給するポンプを含むことができ、或いは、一定の加圧流体の流れを供給して、能動型軸受３６及び４２のすぐ近くに取り付けられた弁（図示せず）を制御し、次いで、この流体の流れを該可変剛性支持手段７６及び１１０に送ることができる。以下により詳細に説明されるように、制御ユニット８２は、変動するＬＰＴシャフト速度Ｎ１に応答して、流体供給手段８０の作動を予めプログラムされた方法で制御する。

次に本発明の動作について更に詳細に説明する。シャフトの第１の曲げ臨界速度Ｆｎを計算するための基本方程式は、

である。

ここで、Ｃはシャフトの端部境界条件の関数、Ｌはシャフトの長さ、ｇは重力加速度、Ｅはシャフト材料の弾性係数、Ｉはシャフトの断面慣性モーメント、ｗはシャフトの単位長さ当たりの重さである。方程式（１）の考察から分かるように、能動型軸受３６及び４２の１つ又は両方の支持剛性が低い値（例えば、ゼロ近く）まで低下した場合には、端部境界条件Ｃが変化することになるだけでなく、能動型軸受の影響がないためにシャフトの有効長さＬも変化することになり、よってシャフトの臨界速度が変化する。例として、図示されたＬＰＴシャフト２６について、能動型軸受３６及び４２の両方が同時に活性化又は非活性化された状態にあると仮定すると、両方の軸受が非活性化された（すなわち、各剛性が低下された）場合には、Ｃの値を約２．３：１の係数だけ低下させることができると共に、図１の修正された有効長さＬ１’によって示されるように基準線の有効長さＬ１を約２７％だけ増加させることができる。これにより、基準線の臨界速度Ｆｎ₀の約２８％である修正値Ｆｎ₁まで臨海速度を変化させることが可能になる。

システムの動作の実施例が、図４及び図５に示される。図４において、ＬＰＴシャフト２６の速度Ｎ１は、時間ｔの関数としてプロットされる。図４は、時間の経過と共にＮ１が増加する加速条件を示す。例えば第１の曲げ臨界速度のようなＬＰＴシャフト２６の臨界速度Ｆｎ₀が、水平方向の線として示される。例えば能動型軸受３６又は４２の１つ又は両方が活性化された（すなわち、剛性が加えられた）基準線の条件のもとでは、シャフト速度Ｎ１は、Ａで表された点における臨界速度Ｆｎ₀と一致する。この動作条件において、ＬＰＴシャフト２６は、深刻な損傷又は破壊をもたらす場合がある大きな振動、撓み、及び応力を受ける。しかしながら、上述のように、長期にわたってこの速度でＬＰＴシャフト２６を動作させることは必要、又は望ましいことである。従って、本発明において、シャフト速度Ｎ１が基準線の臨界速度Ｆｎ₀に近づくと、例えば、剛性を低い値、すなわちできる限りゼロ近くまで低下させることによって、可変剛性支持手段７６及び１１０の１つ又は両方の支持剛性が修正される。これにより、臨界速度は、線Ｆｎ₁によって示される修正値まで低下させられる。Δで示された臨界速度の変化量は、シャフトの端部条件Ｃ及び有効シャフト長さＬの変化量によって制御される。この条件においては、実際のシャフト速度は、もはや臨界速度と一致しない。

図５は、時間の経過と共にＮ１が減少する減速条件を示すことを除けば、この図５は図４と概ね同じである。ＬＰＴシャフト２６の修正された臨界速度Ｆｎ₁が、水平方向の実線で示される。この修正された臨界速度Ｆｎ₁が変化しない場合には、シャフト速度Ｎ１は、Ｂで表された点における修正された臨界速度Ｆｎ₁と一致することになる。この条件において、ＬＰＴシャフト２６は、深刻な損傷又は破壊をもたらす場合がある大きな振動、撓み、及び応力を受ける。従って、シャフト速度Ｎ１が修正された第１の曲げ臨界速度Ｆｎ₁に近づくと、可変剛性支持手段７６及び１１０の１つ又は両方の支持剛性は変化して修正されていない（より硬い）値に戻る。これにより、臨界速度は、水平方向の点線で示される基準線の値Ｆｎ₀まで増加する。更に、実際のシャフト速度は、臨界速度と一致しない。

以上、固定構造体に対して相対的に回転運動するように支持された第１のシャフトと、該シャフトの前端部に配置された前部軸受と、該シャフトの後端部に配置された後部軸受と、該前部軸受と該後部軸受との間に配置された少なくとも１つの能動型軸受と、該能動型軸受の支持剛性を変化させる手段とを含む、シャフトの臨界速度を変化させるシステムについて説明した。本発明の特定の実施形態について説明したが、添付の特許請求の範囲に定められた本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を行い得ることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に示される参照符号は、本発明の範囲を限定するためではなく、本発明を容易に理解するように意図されたものである。

本発明に従って構成されたガスタービンエンジンの概略的な断面図。 図１のガスタービンエンジンの前部の拡大図。 図１のガスタービンエンジンの後部の拡大図。 エンジンの加速中の本発明のシステムの動作を示す概略的なグラフ。 エンジンの減速中の本発明のシステムの動作を示す概略的なグラフ。

符号の説明

２６ 第１のシャフト
２８ 第２のシャフト
３４ 前部軸受
３６ 第１の能動型軸受
４０ 後部軸受
４２ 第２の能動型軸受
４８ 前部支持構造体
７６ 可変剛性支持手段
８０ 流体供給手段
８２ 制御ユニット
８４ 後部支持構造体
１１０ 可変剛性支持手段

Claims (8)

1. 前端部と後端部と第１の直径と第１の長さとを有し、固定構造体に対して相対的に回転運動するように支持された第１のシャフト（２６）と、
   前記第１のシャフトの前端部に配置された前部軸受（３４）と、
   前記第１のシャフトの後端部に配置された後部軸受（４０）と、
   前記前部軸受（３４）と前記後部軸受（４０）との間に配置された第１の能動型軸受（３６）と、
   前記第１の直径より大きい第２の直径と前記第１の長さより短い第２の長さとを有し、前記第１のシャフト（２６）と同軸に取り付けられた前端部と後端部とを有する第２のシャフト（２８）と、
   前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性を変化させる手段と、を備え、
   前記第１の能動型軸受（３６）が、前記前部軸受（３４）と前記第２のシャフト（２８）の前記前端部との間に配置されており、
   前記第１の能動型軸受（３６）が前記第１のシャフト（２６）に支持剛性を加えている状態で該第１のシャフト（２６）の回転速度が増加して該第１のシャフトの第１の曲げ臨界速度（Ｆｎ _０ ）に近づいたとき、前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性をゼロ近くまで低下させ、
   前記第１の能動型軸受（３６）が前記第１のシャフト（２６）に支持剛性を加えていない状態で該第１のシャフト（２６）の回転速度が減少して該第１のシャフトの第２の曲げ臨界速度（Ｆｎ _１ ）に近づいたとき、前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性を増加させ前記第１のシャフト（２６）の曲げ臨界速度を前記第１の曲げ臨界速度（Ｆｎ _０ ）まで増加させる
   ことを特徴とする、シャフトの臨界速度を変化させるシステム。
2. 前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性を変化させる手段が、該第１の能動型軸受（３６）と前記固定構造体との間に配置された第１の流体フィルムダンパと、流体を前記第１の流体フィルムダンパに選択的に供給する手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のシャフトの臨界速度を変化させるシステム。
3. 前記第１の能動型軸受（３６）と前記後部軸受（４０）との間に配置された第２の能動型軸受（４２）と、
   前記第２の能動型軸受（４２）の支持剛性を変化させる手段と、
   を更に備える請求項１に記載のシャフトの臨界速度を変化させるシステム。
4. 前記第２の能動型軸受（４２）の支持剛性を変化させる手段が、該第２の能動型軸受（４２）と前記固定構造体との間に配置された第２の流体フィルムダンパと、流体を該第２の流体フィルムダンパに選択的に供給する手段とを備えることを特徴とする請求項３に記載のシャフトの臨界速度を変化させるシステム。
5. 前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性を変化させる手段が、該第１の能動型軸受（３６）と前記固定構造体との間に配置された第１の流体フィルムダンパと、流体を前記第１の流体フィルムダンパに選択的に供給する手段とを備えることを特徴とする請求項４に記載のシャフトの臨界速度を変化させるシステム。
6. シャフトの臨界速度を変化させる方法であって、
   固定構造体に対して相対的に回転運動するように支持された、前端部と後端部とを有する第１のシャフトを設け、
   前記第１の直径より大きい第２の直径と前記第１の長さより短い第２の長さとを有し、前記第１のシャフト（２６）と同軸に取り付けられた前端部と後端部とを有する第２のシャフト（２８）を設け、
   前記第１のシャフトの前端部に配置された前部軸受（３４）を設け、
   前記第１のシャフトの後端部に配置された後部軸受（４０）を設け、
   前記前部軸受（３４）と前記後部軸受（４０）との間に配置された第１の能動型軸受（３６）を設け、
   前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性を変化させる、
   ことを含み、
   前記第１の能動型軸受（３６）が前記第１のシャフト（２６）に支持剛性を加えている状態で該第１のシャフト（２６）の回転速度が増加して該第１のシャフトの第１の曲げ臨界速度（Ｆｎ _０ ）に近づいたとき、前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性をゼロ近くまで低下させ、
   前記第１の能動型軸受（３６）が前記第１のシャフト（２６）に支持剛性を加えていない状態で該第１のシャフト（２６）の回転速度が減少して該第１のシャフトの第２の曲げ臨界速度（Ｆｎ _１ ）に近づいたとき、前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性を増加させ前記第１のシャフト（２６）の曲げ臨界速度を前記第１の曲げ臨界速度（Ｆｎ _０ ）まで増加させることを特徴とする請求項１２に記載のシャフトの臨界速度を変化させる
   ことを特徴とする、シャフトの臨界速度を変化させる方法。
7. 前記第１の能動型軸受（３６）の支持剛性を変化させる手段が、該第１の能動型軸受（３６）と前記固定構造体との間に配置された第１の流体フィルムダンパと、流体を前記第１の流体フィルムダンパに選択的に供給する手段とを備えることを特徴とする請求項６に記載のシャフトの臨界速度を変化させる方法。
8. 前記第１の能動型軸受（３６）と前記後部軸受（４０）との間に配置された第２の能動型軸受（４２）を設け、
   前記第２の能動型軸受（４２）の支持剛性を変化させる手段を設ける、
   ことを更に含む請求項６に記載のシャフトの臨界速度を変化させる方法。

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