JP7445453B2 - ガスタービンエンジン - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関する。
ガスタービンエンジンは、圧縮機とタービンを連結する回転シャフトを備えている。回転シャフトのタービン側の部分には、回転シャフトを受けるベアリング（リアベアリング）が取り付けられている（特許文献１等参照）。
特開２０１９－２３７６号公報
リアベアリングは、燃焼ガスが近くを通過するため高温になりやすく、構成品のうち特にボールやローラなどの転動体を保持するケージが焼き付きやすい。そのため、リアベアリングにケージレスのベアリングを採用することが考えられる。ただし、転動体がローラであるローラベアリングではケージを省略することは構造上不可能であり、ケージレスのベアリングは必然的にボールベアリングとなる。
ここで、リアベアリングのアウターレースが固定されるハウジングは、インナーレースが固定される回転シャフトよりも熱伸びが大きい。そのため、ガスタービンエンジンの運転が始まるとアウターレースとインナーレースに軸方向の位置ずれが生じてしまう。そして、ボールベアリングをリアベアリングに採用した場合には、この位置ずれを吸収できないおそれがある。
そこで、本発明は、焼付きが生じにくいケージレスのボールベアリングをリアベアリングに採用可能なガスタービンエンジンを提供することを目的としている。
本発明の一態様に係るガスタービンエンジンは、取り入れた空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気に燃料を噴霧して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスのエネルギによって回転駆動されるタービンと、前記圧縮機と前記タービンを連結する回転シャフトと、インナーレース、アウターレース、及び、ボールを有する、ケージレスのボールベアリングであって、前記回転シャフトのタービン側の部分にインナーレースが固定されたリアベアリングと、前記リアベアリングが取り付けられるハウジングと、前記リアベアリングと前記ハウジングの間に介在し、前記リアベアリングのアウターレースを前記ハウジングに対して軸方向に移動可能に保持するリアベアリング保持部材と、を備えている。
この構成では、リアベアリングのアウターレースが、ハウジングに対して軸方向に移動可能に保持される。そのため、熱伸びによってハウジングと回転シャフトに軸方向の位置ずれが発生したとしても、リアベアリングにおいてアウターレースとインナーレースに大きな位置ずれは生じない。よって、上記の構成によれば、ケージレスのボールベアリングをリアベアリングに採用することができる。
本発明によれば、焼付きが生じにくいケージレスのボールベアリングをリアベアリングに採用可能なガスタービンエンジンを提供することができる。
図１は、ガスタービンエンジンの概略図である。 図２は、フロントベアリング及びその周辺を軸方向から見た図である。 図３は、リアベアリング及びその周辺を軸方向から見た図である。 図４は、変形例におけるリアベアリング及びその周辺を軸方向から見た図である。
以下、実施形態に係るガスタービンエンジン（以下、単に「エンジン」と称する）１００について説明する。図１は、エンジン１００の概略図である。なお、以下では、図１の紙面左方を「前方」と称し、図１の紙面右方を「後方」と称する。
本実施形態のエンジン１００は前方から空気を取り込んで、後方に燃焼ガスを排出する。エンジン１００は、１軸式のガスタービンエンジンであってもよく、２軸式のガスタービンエンジンであってもよい。図１に示すように、エンジン１００は、圧縮機１０と、燃焼器１１と、タービン１２と、回転シャフト１３と、フロントベアリング１４と、リアベアリング１５と、ハウジング１６と、潤滑装置１７と、リアベアリング保持部材１８と、を備えている。これらの構成要素について順に説明する。
圧縮機１０は、取り入れた空気を圧縮する部分である。圧縮機１０は、前方から取り入れた空気を圧縮して後方に送り出す軸流式であってもよく、圧縮した空気を半径方向外方に送り出す遠心式であってもよく、これらを組み合わせてもよい。圧縮機１０で圧縮された空気は、圧縮機１０の下流に位置する燃焼器１１に供給される。
燃焼器１１は、圧縮機１０で圧縮された空気に燃料を噴霧して燃焼させる部分である。エンジン１００で使用する燃料は特に限定されず、燃焼器１１の形式も特に限定されない。燃焼器１１では燃料が燃焼することで高温高圧の燃焼ガスが発生し、この燃焼ガスは燃焼器１１の下流に位置するタービン１２に供給される。
タービン１２は、燃焼器１１で発生した燃焼ガスのエネルギによって回転駆動される。タービン１２は、前方から燃焼ガスが流入して後方に向かって流れる軸流式であってもよく、燃焼ガスが半径方向外方に向かって流れる遠心式であってもよく、これらを組み合わせてもよい。
回転シャフト１３は、圧縮機１０とタービン１２を連結する部材である。回転シャフト１３はエンジン１００の軸方向（前後方向）に延びている。本実施形態の回転シャフト１３は一体に形成されているが、複数のシャフトを連結して形成されていてもよい。
フロントベアリング１４は、回転シャフト１３の圧縮機１０側の部分に取り付けられたベアリングである。本実施形態のフロントベアリング１４は、圧縮機１０よりも前方に位置している。ただし、フロントベアリング１４の軸方向位置は、圧縮機１０の軸方向位置と重複していてもよい。つまり、フロントベアリング１４は圧縮機１０の半径方向内側に位置していてもよい。空気の流れを基準とすると、フロントベアリング１４は燃焼器１１よりも上流側の部分の周辺に位置し、フロントベアリング１４の周囲には圧縮機１０が取り入れた空気が流れている。そのため、フロントベアリング１４は、周囲に燃焼ガスが流れる後述のリアベアリング１５に比べて高温になりにくい。
図２は、フロントベアリング１４及びその周辺を軸方向から見た図である。図２に示すように、フロントベアリング１４は、インナーレース２７、アウターレース２８、及び、ボール２９を有し、内部でボール２９を保持するケージを有しないケージレスのボールベアリングである。なお、フロントベアリング１４は、ケージを有していてもよく、ローラベアリングであってもよい。ただし、ローラベアリングではケージを省略することは構造上不可能であり、ケージレスのベアリングは必然的にボールベアリングとなる。
さらに、本実施形態のフロントベアリング１４は、インナーレース２７、アウターレース２８、及び、ボール２９がセラミックス製であるセラミックベアリングであるか、又は、インナーレース２７、及び、アウターレース２８が金属製であり、ボール２９がセラミックス製であるハイブリッドベアリングである。ただし、インナーレース２７、アウターレース２８、及び、ボール２９の全てが金属製であってもよい。
フロントベアリング１４は、インナーレース２７が回転シャフト１３に固定されており、アウターレース２８がハウジング１６（フロントハウジング２３）に固定されている。そのため、フロントベアリング１４は、回転シャフト１３及びハウジング１６に対して、軸方向に移動することができない。つまり、回転シャフト１３とハウジング１６は、フロントベアリング１４に対応する部分が基準点となり、当該基準点において軸方向の位置ずれは生じない。
リアベアリング１５は、回転シャフト１３のタービン１２側の部分に取り付けられたベアリングである。図１に示すように、本実施形態のリアベアリング１５は、タービン１２よりも後方に位置している。ただし、リアベアリング１５の軸方向位置は、タービン１２の軸方向位置と重複していてもよい。つまり、リアベアリング１５はタービン１２の半径方向内側に位置していてもよい。燃焼ガスの流れを基準とすると、リアベアリング１５は燃焼器１１よりも下流側の部分の周辺に位置し、リアベアリング１５の周囲には燃焼ガスが流れている。そのため、リアベアリング１５は高温になりやすい。
図３は、リアベアリング１５及びその周辺を軸方向から見た図である。図３に示すように、リアベアリング１５は、インナーレース３１、アウターレース３２、及び、ボール３３を有し、ボール３３を保持するケージを有しないケージレスのボールベアリングである。ケージを省略することで、ケージの焼き付きがなくなり、リアベアリング１５全体としての焼き付きを抑制することができる。
さらに、本実施形態のリアベアリング１５は、インナーレース３１、アウターレース３２、及び、ボール３３がセラミックス製であるセラミックベアリングであるか、又は、インナーレース３１、及び、アウターレース３２が金属製であり、ボール３３がセラミックス製であるハイブリッドベアリングである。なお、インナーレース３１、アウターレース３２、及び、ボール３３の全てが金属性であってもよい。ただし、リアベアリング１５をセラミックベアリング又はハイブリッドベアリングとすることで、リアベアリング１５の焼き付きをより一層抑制することができる。
なお、本実施形態に係るエンジン１００では、フロントベアリング１４及びリアベアリング１５によって回転シャフト１３を支持しているが、エンジン１００はこれらのベアリングに加えて回転シャフト１３を支持する別のベアリングを備えていてもよい。つまり、エンジン１００は、３つ以上のベアリングを備えていてもよい。
ハウジング１６は、図１に示すように、エンジン１００の外郭を形成するアウターハウジング２１と、アウターハウジング２１の内側に位置するインナーハウジング２２と、を有している。アウターハウジング２１及びインナーハウジング２２は、空気及び燃焼ガスの流路を形成している。さらに、インナーハウジング２２は、圧縮機１０よりも前方に位置する中空状のフロントハウジング２３と、タービン１２よりも後方に位置する中空状のリアハウジング２４を有している。なお、アウターハウジング２１とインナーハウジング２２は、それらの間で半径方向に延びる支柱又は静翼によって連結されている。
また、ハウジング１６の材料と回転シャフト１３の材料は異なる。そのため、ハウジング１６と回転シャフト１３は熱膨張率が異なり、ハウジング１６と回転シャフト１３とでは熱伸びによる軸方向寸法の変化量が異なる。そのため、エンジン１００が始動すると回転シャフト１３とハウジング１６に軸方向の位置ずれが生じる。つまり、エンジン１００の運転前において回転シャフト１３とハウジング１６の互いに同じ軸方向位置に位置していた部分が、エンジン１００の運転後において互いに異なる軸方向位置に位置することになる。上記の位置ずれは、基準点であるフロントベアリング１４に対応する部分から離れるに従って大きくなる。なお、ハウジング１６と回転シャフト１３の材料が同じだとしても、両者の温度が異なれば、熱伸びによる軸方向の位置ずれは生じる。
潤滑装置１７は、フロントベアリング１４及びリアベアリング１５に潤滑油を供給する装置である。本実施形態の潤滑装置１７は、フロントベアリング１４及びリアベアリング１５に使い捨ての潤滑油を噴射する非循環式の潤滑装置である。具体的には、潤滑装置１７は、圧縮機１０から抽気した圧縮空気に潤滑油を混合して、フロントベアリング１４及びリアベアリング１５に噴射する。なお、潤滑装置１７は、圧縮空気と混合せずに潤滑油を噴射してもよく、使用した潤滑油を回収して再利用する循環式であってもよい。
本実施形態の潤滑装置１７は潤滑油を循環させる機構を設ける必要がないため安価に製造することができる一方、循環式の潤滑装置に比べて各ベアリング１４、１５に供給できる潤滑油の量は少ない。そのため、本実施形態では潤滑油によって各ベアリング１４、１５を冷却する冷却能力は限られており、特に温度が高くなるリアベアリング１５では焼き付きが生じやすくなる。ただし、上記のとおり、本実施形態のリアベアリング１５として、ハイブリッドベアリング、かつ、ケージレスのボールベアリングを採用することで、リアベアリング１５の焼き付きを抑制している。ただし、ボールベアリングはローラベアリングに比べてインナーレースとアウターレースの軸方向の位置ずれに起因して破損が生じやすいという問題がある。
また、リアベアリング１５に供給される潤滑油の量が少ないと、リアベアリング１５の半径方向における振動減衰効果が得られないという問題も生じうる。つまり、リアベアリング１５に十分な量の潤滑油が共有される場合、リアベアリング１５とハウジング１６の間に潤滑油が侵入し、潤滑油がスクイーズフィルムダンパとして機能するが、リアベアリング１５に供給される潤滑油の量が少ないとスクイーズフィルムダンパの効果が期待できない。これらの問題を解決すべく、本実施形態に係るエンジン１００は、リアベアリング保持部材１８を備えている。
リアベアリング保持部材１８は、リアベアリング１５とハウジング１６の間に介在し、リアベアリング１５を保持する部材である。本実施形態のリアベアリング保持部材１８は、金属製の板材で形成されている。図３に示すように、リアベアリング保持部材１８は、軸方向から見て多角形である筒状の形状を有している。リアベアリング保持部材１８はハウジング１６に内接しており、リアベアリング１５に外接している。つまり、リアベアリング保持部材１８の多角形の頂点にあたる部分はハウジング１６に接触しており、隣接する頂点の中間に位置する部分がリアベアリング１５のアウターレース３２に接触している。
リアベアリング保持部材１８は、ハウジング１６に固定されている。また、リアベアリング保持部材１８は、リアベアリング１５のアウターレース３２を保持している。より具体的には、リアベアリング保持部材１８は、リアベアリング１５のアウターレース２８を軸方向に摺動可能に保持している。そのため、熱伸びによってハウジング１６と回転シャフト１３に軸方向の位置ずれが発生したとしても、リアベアリング１５のアウターレース３２はハウジング１６に対して軸方向に移動し、リアベアリング１５のアウターレース３２とインナーレース３１に大きな位置ずれは生じない。これにより、リアベアリング１５の破損を回避することができる。
また、リアベアリング保持部材１８は弾性変形し、ハウジング１６との摩擦等により、リアベアリング１５を保持する部分（リアベアリング１５と接触する部分）がハウジング１６に対して半径方向に減衰しながら移動する。すなわち、リアベアリング保持部材１８は、リアベアリング１５をハウジング１６に対して半径方向に減衰させながら移動可能に保持する。したがって、リアベアリング保持部材１８は、リアベアリング１５の半径方向における振動を減衰させるダンパとして機能する。
なお、リアベアリング保持部材１８は、図３に示す構成に限定されない。例えば、リアベアリング保持部材１８は、図４に示すような構成であってもよい。図４は、変形例におけるリアベアリング保持部材１８及びその周辺を軸方向から見た図である。変形例におけるリアベアリング保持部材１８は、複数の弾性部材３４を有している。各弾性部材３４は、いわゆるコイルスプリングであって、リアベアリング１５の周方向に等間隔で配置されている。各弾性部材３４はリアベアリング１５とハウジング１６の間に位置し、両端部がそれぞれリアベアリング１５のアウターレース３２とハウジング１６に固定されている。つまり、各弾性部材３４は、リアベアリング１５のアウターレース３２とハウジング１６を連結している。
また、弾性部材３４は、リアベアリング１５の軸方向及び半径方向に弾性変形可能に形成されている。そのため、弾性部材３４のリアベアリング１５に連結された部分は、ハウジング１６に対して軸方向に移動可能である。ただし、この構成は、図３に示す構成に比べて半径方向の振動減衰効果が小さいため、振動減衰効果の観点からは図３に示す構成の方が望ましい。さらに、リアベアリング保持部材１８は、図３及び図４に示す構成以外の構成を備えていてもよい。例えば、リアベアリング１５の軸方向に弾性変形する部材と半径方向に弾性変形する部材を組み合わせて、リアベアリング保持部材１８を構成してもよい。
以上のとおり、本実施形態に係るガスタービンエンジンは、取り入れた空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された空気に燃料を噴霧して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスのエネルギによって回転駆動されるタービンと、前記圧縮機と前記タービンを連結する回転シャフトと、インナーレース、アウターレース、及び、ボールを有する、ケージレスのボールベアリングであって、前記回転シャフトのタービン側の部分にインナーレースが固定されたリアベアリングと、前記リアベアリングが取り付けられるハウジングと、前記リアベアリングと前記ハウジングの間に介在し、前記リアベアリングのアウターレースを前記ハウジングに対して軸方向に移動可能に保持するリアベアリング保持部材と、を備えている。
このように、本実施形態に係るガスタービンエンジンでは、リアベアリングのアウターレースが、ハウジングに対して軸方向に移動可能に保持されている。そのため、熱伸びによってハウジングと回転シャフトに軸方向の位置ずれが発生したとしても、リアベアリングにおいてアウターレースとインナーレースに大きな位置ずれは生じず、リアベアリングの破損を回避することができる。よって、本実施形態に係るガスタービンエンジンによれば、焼付きが生じにくいケージレスのボールベアリングをリアベアリングに採用することができる。
また、本実施形態に係るガスタービンエンジンは、インナーレース、アウターレース、及び、ボールを有し、インナーレースが前記回転シャフトの圧縮機側の部分に固定され、アウターレースが前記ハウジングに対して軸方向に移動不能に前記ハウジングに固定されたフロントベアリングを備えている。
このように、本実施形態に係るガスタービンエンジンでは、リアベアリングがハウジングに対して軸方向に移動可能であるが、フロントベアリングをハウジングに対して軸方向に移動不能に固定することで、回転シャフトを安定して保持することができる。
また、本実施形態に係るガスタービンエンジンでは、前記リアベアリング保持部材は、前記リアベアリングが前記ハウジングに対して半径方向に移動できるように前記リアベアリングのアウターレースを保持している。
そのため、リアベアリング保持部材は、リアベアリングが振動等によって半径方向に移動してもリアベアリングを保持することができる。
また、本実施形態に係るガスタービンエンジンでは、前記リアベアリング保持部材は、前記リアベアリングのアウターレースを保持する部分が前記ハウジングに対して半径方向に減衰しながら移動できるように構成されている。
この構成によれば、リアベアリング保持部材は、リアベアリングをハウジングに対して軸方向及び半径方向の両方向に移動可能に保持することができる。その結果、ガスタービンエンジンの運転時におけるリアベアリングの破損を防ぐことができるとともに、リアベアリングの半径方向における振動を減衰させることができる。
また、本実施形態の変形例に係るガスタービンエンジンでは．前記リアベアリング保持部材は、前記ハウジングに対して軸方向及び半径方向に弾性変形可能な弾性部材を有し、当該弾性部材を介して前記リアベアリングを保持している。
この構成であっても、リアベアリング保持部材は、リアベアリングをハウジングに対して軸方向及び半径方向の両方向に移動可能に保持することができる。その結果、ガスタービンエンジンの運転時におけるリアベアリングの破損を防ぐことができる。
また、本実施形態に係るガスタービンエンジンでは、前記リアベアリングは、インナーレース、アウターレース、及び、ボールがセラミックス製であるセラミックベアリング、又は、インナーレース、及び、アウターレースが金属製であり、ボールがセラミックス製であるハイブリッドベアリングである。
このようにリアベアリングをセラミックベアリング又はハイブリッドベアリングとすることで、リアベアリングの焼き付きを一層抑制することができる。
また、本実施形態に係るガスタービンエンジンは、前記リアベアリングに潤滑油を噴射する非循環式の潤滑装置を備えている。
このように、潤滑装置が非循環式の場合は、潤滑装置の製造コストを抑えることができる。また、潤滑装置が非循環式の場合は、リアベアリングに供給する潤滑油の量が少なくなることで種々の問題が生じやすくなるが、ガスタービンエンジンが上記のリアベアリング保持部材を備えるため、これらの問題を解決することができる。
１０ 圧縮機
１１ 燃焼器
１２ タービン
１３ 回転シャフト
１４ フロントベアリング
１５ リアベアリング
１６ ハウジング
１７ 潤滑装置
１８ リアベアリング保持部材
３１ アウターレース
３２ インナーレース
３３ ボール
３４ 弾性部材
１００ ガスタービンエンジン（エンジン）

Claims (7)

  1. 取り入れた空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機で圧縮された空気に燃料を噴霧して燃焼させる燃焼器と、
    前記燃焼器で発生した燃焼ガスのエネルギによって回転駆動されるタービンと、
    前記圧縮機と前記タービンを連結する回転シャフトと、
    インナーレース、アウターレース、及び、ボールを有する、ケージレスのボールベアリングであって、前記回転シャフトのタービン側の部分にインナーレースが固定されたリアベアリングと、
    前記リアベアリングが取り付けられるハウジングと、
    前記リアベアリングと前記ハウジングの間に介在し、前記ハウジングに固定されたリアベアリング保持部材であって、前記リアベアリングのアウターレースを当該リアベアリング保持部材に対して軸方向に移動可能に保持することにより、前記リアベアリングのアウターレースを前記ハウジングに対して軸方向に移動可能に保持するリアベアリング保持部材と、を備え、
    前記リアベアリング保持部材は、前記ハウジングよりも半径方向内側に位置し、半径方向に弾性変形可能に形成されているガスタービンエンジン。
  2. インナーレース、アウターレース、及び、ボールを有し、インナーレースが前記回転シャフトの圧縮機側の部分に固定され、アウターレースが前記ハウジングに対して軸方向に移動不能に前記ハウジングに固定されたフロントベアリングを備えている、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
  3. 前記リアベアリング保持部材は、前記リアベアリングが前記ハウジングに対して半径方向に移動できるように前記リアベアリングのアウターレースを保持している、請求項１又は２に記載のガスタービンエンジン。
  4. 前記リアベアリング保持部材は、前記リアベアリングのアウターレースを保持する部分が前記ハウジングに対して半径方向に減衰しながら移動できるように構成されている、請求項３に記載のガスタービンエンジン。
  5. 前記リアベアリング保持部材は、前記ハウジングに対して軸方向及び半径方向に弾性変形可能な弾性部材を有し、当該弾性部材を介して前記リアベアリングを保持している、請求項３に記載のガスタービンエンジン。
  6. 前記リアベアリングは、インナーレース、アウターレース、及び、ボールがセラミックス製であるセラミックベアリング、又は、インナーレース、及び、アウターレースが金属製であり、ボールがセラミックス製であるハイブリッドベアリングである、請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載のガスタービンエンジン。
  7. 前記リアベアリングに潤滑油を噴射する非循環式の潤滑装置を備えている、請求項１乃至６のうちいずれか一の項に記載のガスタービンエンジン。
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