JPH01121501A

JPH01121501A - 航空機の空気調和装置

Info

Publication number: JPH01121501A
Application number: JP27722587A
Authority: JP
Inventors: Masanao Ando; 昌尚安藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1987-10-31
Filing date: 1987-10-31
Publication date: 1989-05-15
Anticipated expiration: 2014-03-17
Also published as: JP2870749B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はタービン・コンプレッサのようなロータを動圧
気体軸受で軸支する気体駆動の回転機械に関するもので
ある。

［従来の技術］例えば、航空機に搭載される空気調和装置には、第２図
に示すようなブートストラップ方式のタービン・コンプ
レッサが利用されている。すなわち、このシステムでは
エンジンから抽出したブリードエアをプロセス気体とし
て、まずコンプレッサＣ′で断熱圧縮して昇温、昇圧し
、次いで熱交換器Ｈ／Ｅで予冷してからタービンＴで断
熱膨張させて、キャビンに供給する低温空気を生成する
と同時に、タービンＴに得られるタービン動力をロータ
（シャフト）Ｒを介しコンプレッサＣに伝達して、該コ
ンプレッサＣの回転駆動力を得るようにしている。

そして、一般にかかる気体駆動によって高速回転される
回転機械の軸受手段には、ロータを軸受面と非接触に軸
支できる動圧気体軸受が賞月されている。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、動圧気体軸受はロータが高速回転する際の粘
性の作用で周囲の気体を引き込み、軸受面との間に気体
膜を形成してロータを浮上支するものであるが、始動・
停止時はロータが軸受と固体接触して回転されるため、
その際の摩擦問題を解消することが技術的課題の一つと
なる。

このため、固体接触時のロータと軸受との摩擦係数を低
減する見地より、ロータもしくは軸受面に適宜コーティ
ングを施して軸受寿命を延長する工夫が行なわれている
。しかし、単に軸受コーチイブを追加しただけでは、固
体接触により次第にコーティングが摩耗して永続的な保
護効果を期待し得ない。これは、コーティングには通常
ポリイミド等の有機化合物が使用されるのに対し、気体
回転機械の運転中ではその軸受部での発熱が避けられな
いため、コーティングの劣化が促進されコーティング摩
耗が速められることに起因する。

そこで、上記の軸受コーティングと併用して、軸受部に
冷却気体を流して軸受温度の低下を図る方策も採られて
いる。第３図は、前記タービン・コンプレッサの動圧気
体軸受の部分に、この冷却気体流通による軸受冷却機構
を適用した場合の構成具体例を図示している。すなわち
、このものではタービンスクロール７の部分とスラスト
ランナ１１の外周に臨む軸受ハウジング４の内面とを連
通ずる通路２０を設けて、ここからハウジング内面のス
ラスト動圧気体軸受１２の部分とジャーナル動圧気体軸
受１３．１３の部分とに前記熱交換器Ｈ／Ｅで予冷した
プロセス気体（ブリードエア）を図示矢印のように流し
込むようにしている。なお、第３図の各部の符号は、後
述の実施例（第１図）で付されるものと共通に使用され
る。

しかし乍ら、このような冷却気体流通手段を併設しても
、スラスト・ジャーナル動圧気体軸受１２．１３の部分
共に、気体膜を形成する僅かな隙間しかないだめ冷却気
体が流れにくく、むしろコーテイング面以外の通路を流
れることになり、十分な冷却効果が得にくいのが実情で
ある。

［問題点を解決するための手段］本発明は、上述した気体回転機械を軸支する動圧気体軸
受が始動・停止時の固体接触により軸受寿命が害される
という問題点を、その動圧気体軸受を静圧気体軸受とし
て併用することで解決せんとする。

すなわち、気体回転機械のプロセス気体を圧力源として
、動圧気体軸受に該プロセス気体の静圧を導く静圧等通
人系路を設けたことを問題解決手段としている。

［作用］このようにすれば動圧気体軸受にプロセス気体の静圧が
導入され、気体回転機械の始動・停止時にはそれがロー
タと軸受間の接触圧力を打消すように作用し、固体接触
圧を低下して摩擦を軽減する。また、動圧気体軸受がロ
ータ保持力が発生する始動後には、軸受負荷容量の増大
に寄与するものとなる。

［実施例］以下、第１図に示す一実施例を参照して本発明を具体的
に説明する。

この実施例は、既述の従来例と同じく気体回転機械とし
て、空調装置等に組込まれるブートストラップ式のター
ビン・コンプレッサに用いられる動圧気体軸受を適用対
象に例示したものである。

そこで先ず、システムの概要を説明すると、ラジアルコ
ンプレッサ（インペラ）１とラジアルタービン（ホイー
ル）２とを軸受ハウジング４を挟みロータ（シャフト）
３の両端に同軸結合している。

コンプレッサ１は、上流側から人口部１ａに流入される
プロセス気体（ブリードエア）を断熱圧縮し、デイフユ
ーザ５を通して昇温、昇圧したプロセス気体を外周のコ
ンプレッ、サスクロール６に吐出する。またタービン２
は、外周のタービンスクロール７からノズル８を通して
流入されるプロセス気体を断熱膨張し、出口部２ａから
降温、降圧したプロセス気体を下流側に吐出する。そし
て、コンプレッサスクロール６とタービンスクロール７
とは、熱交換器を途中に介設した図外の気体通路で連通
され、コンプレッサ１で昇温された高圧のプロセス気体
を予冷してからタービン２に導入するようにしている。

前記ロータ３は、コンプレッサ１とタービン２とを連結
している両端部とジャーナル部の中間部とにラビリンス
シール９．９及び１０を設けている。また、コンプレッ
サ１の近傍に鍔状に突出するスラストランナ１１を一体
に突設している。そして、このスラストランナ１１両側
と対向するハウジング４の内面４ｂとの隙間に対をなす
スラスト動圧気体軸受（フォイル軸受）１２．１２を、
また、そのジャーナル部と外周のハウジングの内面４ａ
との隙間に一対のジャーナル動圧気体軸受（フォイル軸
受）１３．１３を設けている。

しかして、かかる動圧気体軸受１２．１３を用いるター
ビンΦコンプレッサに、それらを静圧気体軸受としても
機能させるため、前記プロセス気体を圧力源として、該
プロセス気体のもつ静圧を導く静圧導通系路を軸受ハウ
ジング４内に追加し設置している。この静圧導通系路は
、前記タービンスクロール７からプロセス気体を軸受ハ
ウジング４の内面４ａに導く供給孔１４と、ロータ３の
内部（スラストランナ１１の内部を含む）に設けた中空
の分配室１５と、スラスト・ジャーナル動圧気体軸受１
２．１３の部分からプロセス気体を系外に流出させる排
気孔１６とからなっている。

すなわち、供給孔１４はタービンスクロール７からハウ
ジング内面４ａのジャーナル動圧気体軸受１３．１３の
間に位置するシール１０の部分にプロセス気体を導き、
さらにジャーナル部に開口する通気口１７を通して、ロ
ータ３内の分配室１５にプロセス気体を供給する。また
、ロータ３に内設された分配室１５は、各動圧気体軸受
の設置場所に対応して複数の給気口１８を開口している
。

さらに軸受ハウジング４内に穿設される排気孔１６は、
一端が集束してタービン出口部２ａに開口し、他端が分
岐してスラスト又はジャーナル動圧気体軸受近傍のハウ
ジング内面４ａ、４ｂに開通する複数本の排気通路１６
ａ〜１６ｆからなっている。

以上のような静圧導通系路を追加したものであれば、ロ
ータ３を軸支するスラスト動圧気体軸受１２とジャーナ
ル動圧気体軸受１３．１３とに、プロセス気体を圧力源
とした静圧気体軸受としての機能を営ませることができ
る。すなわち、−各動圧気体軸受の部分には、前記静圧
導通系路（供給孔１４、分配室１５、排気孔１６等）を
通してタービン入口側からプロセス気体が図示矢印のよ
うに均一に流通され、一定の静圧が付与される。この際
、各軸受の周囲圧力はシール９．９及び１０と、各部に
開通している一排気孔１６とによって、等しくタービン
出口部２ａの圧力に保たれる。

かくて、かかる静圧−併用の動圧気体軸受１２．１．３
．１３によりロータ３を軸支するタービン・コンプレッ
サであると、システムの始動・停止時−には、静圧気体
軸受の静圧がロータ３と軸受との間の接触圧力を打消す
ように作用し、固体接触圧を低下して両者の摩擦を軽減
する。この際、タービン入口側のプロセス気体の圧力は
通常左程高くないため、当該静圧気体軸受によりロータ
３を完全に浮上支できるとは限らないけれども、接触圧
力即ち摩擦力の低下には確実に奏効するものとなる。

また、始動後にはロータ３の自転数の上昇に伴い気体膜
を形成して動圧気体軸受１２．１３．１３が十分なロー
タ保持力を発生することになるが、このときにはタービ
ン入口側でのプロセス気体の圧力も増大するため、各軸
受には動圧に静圧が重畳されて、スラスト及びジャーナ
ル軸受負荷容量に著しい増大を見る効果を得る。

そして、各軸受部分に軸受コーティングを施している場
合には、プロセス気体が該コーティング冷却してコーテ
ィングを保護する効果が高められることにもなる。すな
わち、タービン入口側から導入されるプロセス気体は熱
交換器を経由して相当低い温度にまで予冷されており、
この低温空気が各給気口１８からコーティング表面を直
接冷却して各排気通路１６ａ−１６ｆから排気されるこ
とになるため、その冷却効率が増大される。

なお、このシステムでは静圧気体軸受の圧力源としてプ
ロセス気体を用いるため、所要の静圧導通系路を設ける
だけで、別個に圧力源等を用意する必要がない。

本発明は、以上に詳述した実施例を基本に、以下に述べ
る様々の変形実施態様を採ることが可能である。

まず、静圧気体軸受に静圧を導くプロセス気体の供給位
置は、タービン入口側に限らず、例えばコンプレッサ出
口側等、システムの一部であれば任意に変更し得る。同
様に、軸受ハウジング内の静圧気体軸受に対する静圧供
給位置も、図示例に限らず、例えばスラストランナの外
周やコンプレッサのシャフト連結部（この場合シールは
不要である）等であってもよい。

また、排気孔の出口はタービン出口部に限らず、大気開
放やシステムの他の部分であってもよい。

そして、ロータ（シャフト）に設けるスラストランナの
位置や軸受の構成も、図示例に特定されない。静圧気体
軸受の形式としては、図示例の他、オリフィス絞り、表
面絞り等の形式を採用することができる。また、動圧気
体軸受の形式についても、ティルティングパッド、フォ
イル、スパイラルグループ等の諸形式を任意に選択する
ことができる。

なお以上は、気体回転機械としてブートストラップ方式
のタービン・コンプレッサを例に説明したものであるが
、本発明は勿論そのような方式のタービン・コンプレッ
サに適用を限るものではないし、本質的には動圧気体軸
受で軸支して気体サイクルを営ませる気体回転機械一般
に適用可能なものである。

［発明の効果コ以上の通り、本発明の静圧併用動圧気体軸受を用いた気
体回転機械では、始動・停止時のロータ・軸受間の接触
圧力を減少して軸受寿命を延長できること、また定常運
転時には軸受の負荷容量を有効に増大できること、さら
に軸受コーテイング面の冷却効果を増大して的確なコー
ティング保護を行なえること等の効果を発現するものと
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すタービン・コンプレッ
サシステムの断面図である。第２図は空調用タービンΦ
コンプレッサの気体サイクルを示すシステム図であり、
第３図はタービン・コンプレッサシステムの従来改良例
を示す断面図である。１・・・コンプレッサ２・・・タービン３・・・ロータ（シャフト）４・・・軸受ハウジング９・・・シール１０・・・シール１１・・・スラストランナ１２・・・静圧併用スラスト動圧気体軸受１３・・・静
圧併用ジャーナル動圧気体軸受１４・・・供給孔１５・・・分配室１６・・・排気孔１７・・・通気口１８・・・給気口

Claims

【特許請求の範囲】

ロータを動圧気体軸受で軸支する気体回転機械において
、前記気体回転機械のプロセス気体を圧力源として、前
記動圧気体軸受に該プロセス気体の静圧を導く静圧導通
系路を設けたことを特徴とする静圧併用動圧気体軸受を
用いた気体回転機械。