JPH06599Y2 - ガスタービンの軸受冷却装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、ガスタービンに関し、特に、高温雰囲気下の
回転軸を回転支持するフォイル軸受等の気体軸受の冷却
装置に関する。

〈従来の技術〉 この種のガスタービンにおける軸受冷却装置としては、
例えば第５図に示すようなものがある〔1979年発行 SA
E Technical Paper Series(Foil Type Bearings for th
e Chrysler Automotive Gas Turbine Engine Program-D
evelopment and Operational Experiences-Stanley Gra
y(Mechanical Technology Inc.）等参照〕。

即ち、この図において、タービンロータ１とコンプレッ
サインペラ２とが共通の回転軸３の両端部に取り付けら
れる。回転軸３の外周面にはスリーブ４が嵌合取付され
ている。軸受ハウジング５の前記タービンロータ１側の
端部内周面にはフォイルタイプの気体軸受６が嵌合取付
されており、該気体軸受６によって前記スリーブ４のタ
ービンロータ１側の端部が非接触状態に回転支持され
る。

又、スリーブ４のコンプレッサインペラ２側の端部はス
ラスト軸受７とジャーナル軸受８によって回転支持され
る。これらの軸受７，８は夫々図示しない油路から供給
されるオイルにより潤滑される。前記軸受ハウジング５
には、気体軸受６の潤滑かつ冷却用の空気供給通路９が
形成されている。この空気はコンプレッサから吐出され
る高圧空気の一部を抽気して使用する。そして、空気供
給通路９を介して供給される空気は空気キャビティ１０
に溜められた後、スリーブ４と気体軸受６間の微小な隙
間からなる軸受面を潤滑かつ冷却した後、軸シール１１
の隙間からタービンロータ１側へと至る。

尚、図中、１２は軸シール、１３は高温ガスをタービン
に導くタービンスクロールである。

〈考案が解決しようとする課題〉 ところで、上述のような従来のガスタービンの軸受冷却
装置にあっては、主としてスリーブ４と気体軸受６との
微小な隙間からなる軸受面の潤滑に用いられる空気によ
って気体軸受６の冷却を行うようにしており、気体軸受
６とスリーブ４間の微小隙間を通過する空気流量によっ
て冷却能力が定まってしまう。

しかし、放散する熱量が小さく、流入熱量が格段に多い
ガスタービンの場合は、上記の空気流量によって定まる
冷却能力では不十分であり、気体軸受温度の上昇を来し
て、材料劣化、永久熱変形を来し、気体軸受６の信頼
性、耐久性を損なうため、頻繁な点検、交換を必要と
し、維持費の多大な増大を招くという問題点があった。
又、タービン等の主要高温部品をセラミック化し、サイ
クル最高温度を更に高めて、ガスタービンの熱効率を向
上することも不可能であった。

そこで、本考案は以上のような従来の問題点に鑑み、気
体軸受の冷却にヒートパイプを使用するようにし、特
に、このヒートパイプの冷却能力をより向上する方策を
施すことにより、放散する熱量が小さく、流入熱量が格
段に多いガスタービンにおける気体軸受の冷却に有効な
装置を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 このため、本考案のガスタービンの軸受冷却装置は、ヒ
ートパイプの受熱端を回転軸を回転支持する気体軸受に
嵌入し、放熱端を軸受周りに配設される軸受ハウジング
の内部空間に露出配置させる一方、回転軸支持用の他の
軸受へ供給するオイルの一部を前記ヒートパイプの放熱
端の冷却に供すべくジェット状にして該放熱端に供給す
るオイルジェット供給装置を設けたを設けた構成とす
る。

〈作用〉 かかる構成において、ヒートパイプは、受熱端において
液体を蒸発させることによって熱を吸収し、放熱端で気
体を凝縮させることで放熱させる作用を奏するので、気
体軸受は冷却される。

ここで、オイルジェットがヒートパイプの放熱端に噴き
付けられることによって、該放熱端において熱が回収さ
れる。このオイルジェットは流速が大であるので、熱伝
達係数が大きく、オイルは空気に比して熱伝導率や比熱
が高いので、空気冷却に比べて多量の熱を回収できる。

従って、ヒートパイプによる気体軸受の冷却効果が大幅
に増大し、該気体軸受の温度を大幅に低下させることが
できる。

〈実施例〉 以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。

尚、第１図〜第３図において、第５図と同一要素のもの
には同一符号を付して説明を簡単にする。

本考案の一実施例を示す第１図において、タービンロー
タ１とコンプレッサインペラ２とが両端部に取り付けら
れた回転軸３の外周面にはスリーブ４が嵌合取付され、
フォイルタイプの気体軸受６によって前記スリーブ４の
タービンロータ１側の端部が非接触状態に回転支持され
た構成については、従来と同様である。

そして、気体軸受６の冷却用のヒートパイプ14が設けら
れている。このヒートパイプ１４の受熱端（蒸発部）１
５は前記気体軸受６の一部に嵌入され、放熱端（凝縮
部）１６は軸受ハウジング５の内部空間に露出配置され
る。一方、回転軸支持用の他の軸受即ち、スラスト軸受
７とジャーナル軸受８へ供給するオイルの一部を前記ヒ
ートパイプ１４の放熱端１６の冷却に供すべくジェット
状にして該放熱端１６に供給するオイルジェット供給装
置が設けられる。

ここで、軸シール１２とスラスト軸受７，ジャーナル軸
受８間のスリーブ４外周面と軸受ハウジング５内周面と
の間には環状のオイルキャビティ１７が形成されてお
り、該オイルキャビティ１７と連接するべく軸受ハウジ
ング５内周面に形成された凹溝部１８と連通する。この
凹溝部１８の内面に形成された開口１９から軸受ハウジ
ング５内を経て該軸受ハウジング５と気体軸受６との嵌
合面を貫通し、更に気体軸受６内に至るヒートパイプ１
４の取付孔２０が設けられている。ヒートパイプ１４先
端の受熱端１５は気体軸受６の取付孔２０ａに圧入され
て密着される。ヒートパイプ14の中間部位は軸受ハウジ
ング５の取付孔２０ｂに該孔２０ｂ内周面と所定の空隙
を有するように挿入される。ヒートパイプ１４の放熱端
１６は前記凹溝部１８内空間に露出配置される。ヒート
パイプ１４の放熱端１６の基部にはフランジ部２１が成
形されており、該フランジ部２１は前記開口１９の外端
面にＯリング２２を介して圧接された状態で凹溝部１８
内面に装着されたＣリング２３により固定される。

軸受ハウジング５には、スラスト軸受７とジャーナル軸
受８へオイルを供給する通路の一部から分岐して、オイ
ルの一部を凹溝部１８内空間に導くオイルジェット供給
装置としてのオイルジェット供給孔２４が形成されてお
り、前記ヒートパイプ１４の放熱端１６にオイルジェッ
トを噴き付け供給するように構成されている。

かかる構成において、ヒートパイプ１４は、受熱端１５
において液体を蒸発させることによって熱を吸収し、放
熱端１６で気体を凝縮させることで放熱させる作用を奏
するので、気体軸受６は冷却される。

ここで、オイルジェットがヒートパイプ１４の放熱端１
６に噴き付け供給されることによって、該放熱端１６に
おいて熱が回収される。このオイルジェットは流速が大
であるので、熱伝達係数が大きく、オイルは空気に比し
て熱伝導率や比熱が高いので、空気冷却に比べて多量の
熱を回収できる。

従って、ヒートパイプ１４による気体軸受６の冷却効果
が大幅に増大し、該気体軸受６の温度を大幅に低下させ
ることができる。

この結果、気体軸受６の材料劣化、永久熱変形を防止で
き、気体軸受６の信頼性、耐久性を向上でき、頻繁な点
検、交換が不要となるので、維持費の低減が図れる。

更に、タービン等の主要高温部品をセラミック化し、サ
イクル最高温度を更に高めて、ガスタービンの熱効率を
向上することも可能となる。

尚、オイルジェットの流量、流速は、サイクル最高温度
及び気体軸受温度に応じて、前記オイルジェット供給孔
２４径やオイル圧力を変化させることで最適なものに設
定すれば良い。この場合、ガスタービンオイルは、例え
ば３００℃程度の温度下でも熱劣化しないので、充分実
用に耐えうる設計が可能である。

本実施例においては、ヒートパイプ１４の中間部位と軸
受ハウジング５の取付孔２０ｂ内周面との間に所定の空
隙を設けるようにしたから、ヒートパイプ１４が軸受ハ
ウジング５の熱を回収するのを極力防止できる。又、ヒ
ートパイプ１４の放熱端１６の基部に設けたフランジ部
２１を開口19の外端面にＯリング２２を介して圧接させ
てあるので、凹溝部１８内のオイルがヒートパイプ１４
の受熱端１５側に漏れることがない。

ヒートパイプ１４は上述した実施例のように、一本でも
能力的に充分であるが、軸受ハウジング５の大きさ、サ
イクル最高温度のレベル、更には、気体軸受の周方向温
度分布が無視し得ない場合には、同じ要領で気体軸受の
周方向に複数配置すると良い。

この実施例を第２図に示す。

この実施例では、ヒートパイプ２５，２６を２本とし、
回転軸３を中心として１８０°の角度離間させて配置し
てある。ヒートパイプ２５，２６の構造並びに固定方
法、オイルジェットの噴き付け方法等は、第１図の実施
例と同様である。

このようにヒートパイプ２５，２６を複数設けることに
より、気体軸受６の温度の不均一を改善できると共に、
冷却能力を向上できる。

このようにヒートパイプ１を複数設けた構成を更に発展
させた実施例を第３図に示す。

この実施例においては、気体軸受とヒートパイプとを一
体化してなる構成体３３が設けられている。

即ち、気体軸受の本体は内部に周方向に連なる空間を有
する中空環状体２７により構成される。

この中空環状体２７は、外周面が円錐体の周面形状に形
成されかつ内周面が円筒体の周面形状に形成された筒状
部２８と、内・外両周面が夫々円錐体の周面形状に形成
された筒状部２９と、内・外両周面が夫々円筒体の周面
形状に形成された筒状部３０と、を連接した構成であ
る。そして、筒状部２８内周面とスリーブ４外周面との
間に微小な隙間からなる軸受面が形成され、筒状部３０
が軸受ハウジング５内空間に露出配置される放熱端とな
る。

中空環状体２７の内面には、ヒートパイプに用いるウィ
ック３１が予め接着或いは機械的な結合手段によって接
合されており、ウィック３１が構成する空間には熱媒体
３２が封入されている。

この気体軸受とヒートパイプとの一体化構成体３３の製
作に当たっては、中空環状体２７を夫々複数の機械加工
品又はプレス加工品からなる分割体により構成し、これ
らの分割体に夫々ウィック３１を接合した後、各分割体
同士をろう付けや溶接等で一体に接合すば良い。出来上
がった気体軸受とヒートパイプとの一体化構成体３３は
ろう付け等で軸受ハウジング５に固着する。

以上の構成では、気体軸受自体がヒートパイプの放熱部
となるため、熱の吸収量が第１図及び第２図の実施例に
比べて更に多く、又、温度分布の偏りもないという利点
がある。

従って、冷却効果を格段に高めることができる。

特に、かかる構成のものでは、セラミックガスタービン
のように、サイクル最高温度が一般のものよりはるかに
高いものに有効である。

この実施例において、オイルジェットは基本的には第３
図の矢印ａで示すように一方向で良く、特に、第４図に
示すように、放熱端となる筒状部３０周りに沿ってオイ
ルが重力流下するようなオイルジェット供給方向とすれ
ば、放熱端となる筒状部３０をまんべんなく冷却でき
る。但し、オイル温度が上がり過ぎる場合には、オイル
ジェットを複数の方向から供給するのが好ましい。

尚、従来、気体加速機械の構成部品の冷却にヒートパイ
プを使用するようにした技術として、実開昭５９−１４
８４３９号公報記載のターボチャージャーのシール部冷
却装置があるが、このものでは、ヒートパイプの放熱端
の冷却に空気を供する構成であるから、放散する熱量が
小さく、流入熱量が格段に多いガスタービンの気体軸受
を冷却するには、能力的に問題があり、不適当である。

〈考案の効果〉 以上説明したように、本考案のガスタービンの軸受冷却
装置によれば、気体軸受の冷却にヒートパイプを使用す
るようにし、特に、このヒートパイプの冷却能力をより
向上する方策として、回転軸支持用の他の軸受へ供給す
るオイルの一部を前記ヒートパイプの放熱端の冷却に供
すべくジェット状にして該放熱端に供給する構成を採用
したから、放散する熱量が小さく、流入熱量が格段に多
いガスタービンにおける気体軸受を効果的に冷却するこ
とができ、気体軸受の温度を大幅に低下させることがで
き、もって気体軸受の材料劣化、永久熱変形を防止で
き、気体軸受の信頼性、耐久性を向上でき、頻繁な点
検、交換が不要となるので、維持費の低減が図れる。更
に、タービン等の主要高温部品をセラミック化し、サイ
クル最高温度を更に高めて、ガスタービンの熱効率を向
上することも可能となる等の利点を有する実用的効果大
なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るガスタービンの軸受冷却装置の一
実施例を示す断面図、第２図及び第３図は夫々他の実施
例を示す断面図、第４図は第３図中Ｘ矢視図、第５図は
従来のガスタービンの軸受冷却装置の一例を示す断面図
である。 ３…回転軸 ５…軸受ハウジング ６…気体軸受
１４，２５，２６…ヒートパイプ １５…受熱端
１６…放熱端 ２０…取付孔 ２４…オイルジェ
ット供給孔 ２７…中空環状体 ３１…ウィック
３２…熱媒体

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸を気体軸受により回転支持してなる
   ガスタービンにおいて、ヒートパイプの受熱端を前記気
   体軸受に嵌入し、放熱端を軸受周りに配設される軸受ハ
   ウジングの内部空間に露出配置させる一方、回転軸支持
   用の他の軸受へ供給するオイルの一部を前記ヒートパイ
   プの放熱端の冷却に供すべくジェット状にして該放熱端
   に供給するオイルジェット供給装置を設けたことを特徴
   とするガスタービンの軸受冷却装置。