JP6781071B2

JP6781071B2 - スクイズフィルムダンパベアリング装置

Info

Publication number: JP6781071B2
Application number: JP2017033474A
Authority: JP
Inventors: 恵輔高岡
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: US10132351B2; JP2018138806A; US20180245630A1

Description

本発明は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体と、前記アウターレースの外周の軸方向両端部に設けられて前記ベアリング保持部材の内周に弾発的に当接する一対のシールリングと、前記アウターレースの外周、前記ベアリング保持部材の内周および前記一対のシールリング間に区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間と、前記一対のシールリングに挟まれた前記ベアリング保持部材の内周に形成された環状の調整溝とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置に関する。

ガスタービンエンジン等の高速回転する回転軸の振動を制振するスクイズフィルムダンパベアリング装置は、例えば下記特許文献１により公知である。

特開２００３−８３３２５号公報

かかるスクイズフィルムダンパベアリング装置の振動減衰性能は、スクイズフィルムのランド幅に大きく依存することが知られている。スクイズフィルムのランド幅とは、可動壁であるベアリングのアウターレースの外周と固定壁であるベアリング保持部材の内周とに挟まれた環状空間において、ベアリング保持部材の内周がアウターレースの外周にスクイズフィルムを構成する微小な隙間を介して対向するランド部の軸方向幅である。

ランド幅を調整するために、ベアリング保持部材の内周には環状の調整溝が形成されており、調整溝の軸方向幅を大きくすることでランド幅を減少させることができ、調整溝の軸方向幅を小さくすることでランド幅を増加させることができる。

ところで、アウターレースの外周にはベアリング保持部材の内周に当接して環状空間を区画する一対のシールリングが装着されている。そのため、予めシールリングを装着したアウターレースをベアリング保持部材の内周に組み付けるとき、あるいはベアリング保持部材の内周から取り外すとき、自己の弾性で径方向外側に広がろうとするシールリングが調整溝の軸方向端部に引っかかってしまい、アウターレースの組み付けや取り外しが困難になる問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、スクイズフィルムダンパベアリング装置において、シールリングを有するアウターレースのベアリング保持部材に対する組み付け性を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体と、前記アウターレースの外周の軸方向両端部に設けられて前記ベアリング保持部材の内周に弾発的に当接する一対のシールリングと、前記アウターレースの外周、前記ベアリング保持部材の内周および前記一対のシールリング間に区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間と、前記一対のシールリングに挟まれた前記ベアリング保持部材の内周に形成された環状の調整溝とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、前記調整溝の径方向深さは、該調整溝の軸方向中央側から少なくとも軸方向一端側に向かってゼロまで漸減することを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。

なお、実施の形態の低圧系シャフト１５およびスリーブ４１は本発明の回転軸に対応し、実施の形態のボール４７は本発明の転動体に対応する。

請求項１の構成によれば、スクイズフィルムダンパベアリング装置は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に支持されたアウターレースと、インナーレースおよびアウターレース間に配置された複数の転動体と、アウターレースの外周の軸方向両端部に設けられてベアリング保持部材の内周に弾発的に当接する一対のシールリングと、アウターレースの外周、ベアリング保持部材の内周および一対のシールリング間に区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間と、一対のシールリングに挟まれたベアリング保持部材の内周に形成された環状の調整溝とを備えるので、回転軸の振動に伴ってベアリング保持部材の内周に対してアウターレースが変位すると、ベアリング保持部材の内周およびアウターレースの外周に挟まれた環状空間に構成されたスクイズフィルムがアウターレースの動きに抵抗することで回転軸の振動が制振され、しかも調整溝によりベアリング保持部材のランド幅を調整してスクイズフィルムの減衰性能を調整することができる。

また調整溝の径方向深さは、該調整溝の軸方向中央側から少なくとも軸方向一端側に向かってゼロまで漸減するので、外周にシールリングを有するアウターレースをベアリング保持部材の内周に対して組み付けるときや取り外すときに、シールリングが調整溝の軸方向端部に引っかかるのを防止して作業性を高めることができる。

ガスタービンエンジンの全体構造を示す図。（第１の実施の形態）図１の２部拡大図。（第１の実施の形態）アウターレースの組み付け時および取り外し時の作用説明図。（第１の実施の形態）図２の要部に対応する図。（第２の実施の形態）図２の要部に対応する図。（第３の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図３に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、本発明が適用される航空機用のガスタービンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。

低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。

高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。

高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。

従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃料ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもガスタービンエンジンの運転が継続される。

ガスタービンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。

次に、図２に基づいて前記後部第１ベアリング１４の周辺の構造を説明する。

低圧タービンホイール３６を支持するためのスリーブ４１が低圧系シャフト１５の外周にスプライン嵌合４２しており、低圧系シャフト１５の軸端外周に第１ナット部材４３を螺合してスリーブ４１を図２の左側に押圧し、低圧系シャフト１５の外周に形成した段部１５ａにスリーブ４１の内周に形成した段部４１ａを押し付けることで、低圧系シャフト１５にスリーブ４１が締結される。

後部第１ベアリング１４は、スリーブ４１の外周に嵌合するインナーレース４５と、インナーケーシング１２に設けられたベアリング保持部材４４の内周に嵌合するアウターレース４６と、インナーレース４５およびアウターレース４６間に配置された複数のボール４７…と、ボール４７…を周方向に等間隔で保持するリテーナ４８とを備える。ベアリング保持部材４４とアウターレース４６とはボルト４９…でインナーケーシング１２に締結され、インナーレース４５はスリーブ４１の端部外周に螺合する第２ナット部材５０で図２の左側に付勢され、スリーブ４１の外周に形成した段部４１ｂに押し付けられて締結される。

アウターレース４６は、軸方向に延びる複数のスリット状の切欠き４６ｂ…と、複数の切欠き４６ｂ…間に挟まれて軸方向に延びる複数の棒状のバネ部４６ｃ…とを備えており、従ってボール４７…を保持するアウターレース４６の本体部はインナーケーシング１２に対して移動可能にフローティング支持される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０のネジの方向は相互に逆方向に設定される。すなわち、第１ナット部材４３が右ネジである場合には第２ナット部材５０は左ネジであり、第１ナット部材４３が左ネジである場合には第２ナット部材５０は右ネジである。第１ナット部材４３の端部外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第１溝部４３ａ…が周方向に等間隔で形成されるとともに、第２ナット部材５０の外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第２溝部５０ａ…が周方向に等間隔で形成される。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０間に配置される環状の連結部材５１は、円周方向に１８０゜間隔で配置されて第１ナット部材４３の第１溝部４３ａ…に係合可能な２個の第１突起部５１ａ，５１ａと、円周方向に１２０゜間隔で配置されて第２ナット部材５０の第２溝部５０ａ…に係合可能な３個の第２突起部５１ｂ…とを備える。

連結部材５１を第２ナット部材５０に係止するリングスプリング５２は、平坦な弾性金属板を略２回転に亙って環状に巻いたもので、その外周部が第２ナット部材５０の端部内周に形成した段部５０ｂ…に係合可能である。

第１ナット部材４３および第２ナット部材５０はネジの方向が相互に逆になっているため、第１ナット部材４３が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第２ナット部材５０を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが阻止され、逆に第２ナット部材５０が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第１ナット部材４３を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが同時に阻止される。

低圧系シャフト１５の後部を支持する後部第１ベアリング１４はスクイズフィルムダンパベアリングを構成するもので、そのアウターレース４６の外周に形成された一対のシールリング溝４６ａ，４６ａにそれぞれシールリング５３，５３が嵌合する。シールリング５３，５３は自己の弾性で径方向外側に拡開してベアリング保持部材４４の内周に弾発的に当接し、アウターレース４６の外周、ベアリング保持部材４４の内周および一対のシールリング５３，５３間に所定の径方向隙間を有する環状空間５４が区画される。

よって、ベアリング保持部材４４に対してアウターレース４６は前記隙間の範囲内で径方向に相対移動可能であり、その際にシールリング５３，５３はシールリング溝４６ａ，４６ａ内で弾性変形することで、ベアリング保持部材４４の内周に対して当接状態に維持される。そして図示せぬオイルポンプが汲み上げたオイルが、ベアリング保持部材４４の内部に形成された油路５７を介して環状空間５４に供給される。

さらに一対のシールリング５３，５３に挟まれたベアリング保持部材４４の内周には環状の調整溝４４ａが形成される。調整溝４４ａは断面が二等辺三角形であり、油路５７に連通する軸方向中央部において径方向深さが最も深く、そこから軸方向両側に向かって径方向深さがゼロまで漸減する。ベアリング保持部材４４の内周において、調整溝４４ａの軸方向両端と一対のシールリング５３，５３とに挟まれた部分がスクイズフィルムのランド部４４ｂ，４４ｂを構成しており、調整溝４４ａの軸方向の溝幅が大きくなるとランド幅Ｗが減少し、調整溝４４ａの軸方向の溝幅が小さくなるとランド幅Ｗが増加する。

次に、上記構成を備えた本発明の第１の実施の形態の作用を説明する。

図示せぬオイルポンプからベアリング保持部材４４の油路５７を介して環状空間５４にオイルが供給されると、環状空間５４にオイルの薄膜よりなるスクイズフィルムが構成される。ガスタービンエンジンの運転中に低圧系シャフト１５が径方向に振動すると、その振動は低圧系シャフト１５に一体に固定されたスリーブ４１にインナーレース４５を支持された後部第１ベアリング１４のアウターレース４６に伝達される。

このとき、後部第１ベアリング１４のアウターレース４６はバネ部４６ｃ…が弾性変形することで径方向の振動が許容されるため、アウターレース４６の径方向の振動に応じて環状空間５４の径方向隙間の大きさが増減し、環状空間５４内のスクイズフィルムの粘性を有するオイルの流動および圧縮により発生する抵抗力でアウターレース４６が制振され、これにより低圧系シャフト１５の振動を抑制することができる。

スクイズフィルムが制振効果を発揮すると、振動エネルギーを吸収したオイルは発熱して温度上昇するが、温度上昇したオイルがシールリング５３，５３の合い口から逐次排出されて新たなオイルがオイルポンプから供給されることで、スクイズフィルムの制振機能が維持される。

スクイズフィルムの油膜剛性や油膜減衰はランド幅Ｗに依存するため、調整溝４４ａの軸方向の溝幅を調整してランド幅Ｗを変化させることで、スクイズフィルムの制振性能を任意に調整することができる。

図３は、予めシールリング５３，５３を装着したアウターレース４６をベアリング保持部材４４に組み付けたり取り外したりするときの作用を説明するものである。

図３（Ａ），（Ｂ）は調整溝４４ａの断面が矩形状である比較例を示すもので、図３（Ａ）に示すように、アウターレース４６を図中右側に移動させてベアリング保持部材４４の内周に組み付けるとき、右側のシールリング５３が調整溝４４ａの右側の角部に引っ掛かってしまい、それ以上アウターレース４６を挿入できなくなる問題がある。また図３（Ｂ）に示すように、アウターレース４６を図中左側に移動させてベアリング保持部材４４の内周から取り外すとき、右側のシールリング５３が調整溝４４ａの左側の角部に引っ掛かってしまい、それ以上アウターレース４６を引き抜けなくなる問題がある。

図３（Ｃ），（Ｄ）は調整溝４４ａの断面が三角形状である実施の形態を示すもので、図３（Ｃ）に示すように、アウターレース４６を図中右側に移動させてベアリング保持部材４４の内周に組み付けるとき、右側のシールリング５３が調整溝４４ａの右側の斜面に沿って滑ることで引っ掛かりが防止され、アウターレース４６を支障なく組み付けることが可能になって作業性が向上する。また図３（Ｄ）に示すように、アウターレース４６を図中左側に移動させてベアリング保持部材４４の内周から取り外すとき、右側のシールリング５３が調整溝４４ａの左側の斜面に沿って滑ることで引っ掛かりが防止され、アウターレース４６を支障なく取り外すことが可能になって作業性が向上する。

アウターレース４６の組み付け方向および取り外し方向が図３の例と逆であっても、調整溝４４ａの断面が三角形状であるため、アウターレース４６を支障なく組み付けたり取り外したりすることができる。

第２の実施の形態

図４は本発明の第２の実施の形態を示すもので、上述した第１の実施の形態の調整溝４４ａの断面が三角形状であるのに対し、第２の実施の形態の調整溝４４ａの断面は円弧状である。この実施の形態によっても、調整溝４４ａの径方向の深さが軸方向中央部において最も深く、そこから軸方向両側に向かってゼロまで漸減するため、第１の実施の形態と同様の作用効果を達成することができる。

第３の実施の形態

図５は本発明の第３の実施の形態を示すもので、調整溝４４ａの断面が台形状であり、調整溝４４ａの軸方向一端側では径方向の深さがゼロまで漸減し、調整溝４４ａの軸方向他端側には角部が形成される。

この実施の形態では、アウターレース４６を図中右側から左側に移動させて組み付けおよび取り外しを行うと、シールリング５３が調整溝４４ａの角部に引っ掛かってしまうが、アウターレース４６を図中左側から右側に移動させて組み付けおよび取り外しを行えば、シールリング５３が調整溝４４ａの斜面を滑って引っ掛かりが防止されるため、アウターレース４６を支障なく組み付けたり取り外したりすることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の適用対象は実施の形態のガスタービンエンジンの後部第１ベアリング１４に限定されず、ガスタービンエンジンの他のベアリングに適用することも可能であり、ガスタービンエンジン以外の任意の用途のベアリングに適用することも可能である。

また実施の形態の後部第１ベアリング１４はボールベアリングであるが、ローラベアリングやニードルベアリングのような他種のベアリングであっても良い。

１５低圧系シャフト（回転軸）
４１スリーブ（回転軸）
４４ベアリング保持部材
４４ａ調整溝
４５インナーレース
４６アウターレース
４７ボール（転動体）
５３シールリング
５４環状空間

Claims

回転軸（１５，４１）の外周に嵌合するインナーレース（４５）と、ベアリング保持部材（４４）の内周に支持されたアウターレース（４６）と、前記インナーレース（４５）および前記アウターレース（４６）間に配置された複数の転動体（４７）と、前記アウターレース（４６）の外周の軸方向両端部に設けられて前記ベアリング保持部材（４４）の内周に弾発的に当接する一対のシールリング（５３）と、前記アウターレース（４６）の外周、前記ベアリング保持部材（４４）の内周および前記一対のシールリング（５３）間に区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間（５４）と、前記一対のシールリング（５３）に挟まれた前記ベアリング保持部材（４４）の内周に形成された環状の調整溝（４４ａ）とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、
前記調整溝（４４ａ）の径方向深さは、該調整溝（４４ａ）の軸方向中央側から少なくとも軸方向一端側に向かってゼロまで漸減することを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置。