JPH09504348A - 加圧型ボールベアリングアッセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ガスタービンエンジンといったターボ機械用の加圧型ベアリングアセンブリ（１６、１８）に関するものである。本発明によれば、加圧したオイルによってボールベアリングアッセンブリ（１６）の上記外側ベアリング軌道輪（２０）へと力が加えられる。この力は、上記ボールベアリング（２４）の上記軌道輪を介して、上記ベアリングアッセンブリの上記内側軌道輪（２２）へと伝達される。さらに、この力は、上記エンジンシャフト（１２）を介して軸方向に離間した別のベアリングアセンブリのベアリング（１８）に伝達される。この力は、双方のアッセンブリ（１６、１８）の上記ボール（２４、３０）を、それぞれのベアリング軌道輪（２０、２２、２６、２８）にライン方向に接触するように移動させ、これによって上記アッセンブリの振動が最小限とされている。

Description

【発明の詳細な説明】 加圧型ボールベアリングアッセンブリ 技術分野 本発明は、ガスタービンエンジンに関するものであり、より詳細には、ガスタ ービンエンジン用のボールベアリングに関するものである。さらに詳細には、本 発明は加圧型ボールベアリングに関するものである。 背景技術 ガスタービンエンジンといったターボ機械は、ファン領域と、圧縮機領域と、 燃焼領域と、タービン領域とを有している。シャフトは、上記ファン領域から、 上記エンジン領域を通して延びており、軸方向に互いに離間している複数のディ スク段を回転させている。上記シャフトは、典型的には、軸方向に離間した２つ のベアリングアッセンブリによって支持されており、これらのベアリングアッセ ンブリは、ベアリング支持ハウジングによってケースに連結されている。２つの ボールベアリングアッセンブリを使用することができることが知られており、多 くのエンジン設計では、ボールとローラとを組み合わせたベアリングが用いられ ている。いかなるベアリングアッセンブリであっても、エンジンの運転中には、 上記シャフトが極めて高回転速度にある時でも上記シャフトを支持するとともに 、上記ベアリングの振動が最低限となるように支持することが要求される。 航空機のガスタービンエンジンの運転中には、上記ベアリングを取り囲むよう に径方向に離間したベアリングの一つ、あるいは双方の軌道輪(race)には負荷が 加えられるのが普通である。上記複数の軌道輪に負荷を加えることで、それぞれ のボールをラインに接触させ、上記ベアリングアッセンブリ内で発生してしまう 振動を低減するようになっている。上記ベアリングに負荷を加えるため、空気圧 を使用することも知られている。しかしながら、空気圧を加えるのは、信頼性が 低い。エンジンの運転中に、加えることのできる圧力の大きさが小さすぎて、効 果的にベアリングに負荷を与えることができず、上記ベアリングと上記シャフト とを不必要に振動させてしまうこととなり、ひいては航空機の客室に望ましくな いノイズを与えることとなるためである。 ベアリング構造体に負荷を加える上記空気圧力法に加えて、米国特許第３，５ ７４，４２４号、米国特許第４，１５９，８０８号、米国特許第４，２６８，２ ２０号、米国特許第４，５７８，０１８号、米国特許第５，１０５，２９５号に は、別の設計が開示されている。これらの設計があるにも係わらず、高効率エン ジンに用いられる最適な特性を付与するべく設計を改善する必要があった。本発 明は、この様な工業的要求を満足させるものである。 発明の開示 本発明は、エンジンケース内で互いに軸方向に離間した第一と、第二のボール ベアリングアッセンブリとによって支持されたシャフトを有するターボ機械に好 適である。この際、各ベアリングアッセ ンブリは、径方向に離間し、対となったベアリング軌道輪を有し、それらの間に は複数のボールベアリングが配設されている。本発明のターボ機械は、上記エン ジンケースに固定されたベアリングハウジングを有しており、上流側上記ベアリ ングアッセンブリの径方向外側ベアリング軌道輪は、上記ハウジングとともに、 軸方向に可動となっている。下流側ベアリングアッセンブリの径方向外側ベアリ ング軌道輪は、軸が回動可能に上記ハウジングに取り付けられている。各ベアリ ングアッセンブリの径方向内側ベアリング軌道輪は、シャフトに取り付けられて いる。本発明によれば、力は、軸方向上流側に向かって上流側ベアリングアッセ ンブリの外側ベアリング軌道輪に加えられるようになっている。この力は、その 軌道輪を上記ベアリングアッセンブリ内の各ボールベアリングをそれぞれ上流側 に接触させるように移動させる。この力は、また、上記アッセンブリ内の各ボー ルを、アッセンブリの内側ベアリング軌道輪に接触させるように移動させる。こ の結果、上記外側ベアリング軌道輪に加えられる力は、各ボールを介して上記内 側ベアリング軌道輪へと伝達されることとなる。上記内側ベアリング軌道輪は、 上記シャフトに取り付けられているため、上記の力は、上記シャフトへと伝達さ れるとともに、上記シャフトを上流方向へと押圧することになる。また、下流側 ベアリングアッセンブリの内側ベアリング軌道輪は、上記シャフトに取り付けら れているため、この力により、そのベアリングアッセンブリ内の内側軌道輪が上 流側へと移動して、各ボールと接触する。本発明の方法により、上記ベアリング アッセンブリのうちの一つの外側ベアリング軌道輪へ軸方向の力を加えることで 、 双方のベアリングアッセンブリの上記ボールベアリングが、それぞれのベアリン グ軌道輸に接触しつつそのラインに沿って運動することになる。このことによっ て、上記ベアリングアッセンブリ内と、上記シャフト内での振動を低減させるこ とができる。 本発明の別の特徴及び効果については、図面と、発明を実施するための最良の 実施態様をもってより詳細に説明を加える。 図面の簡単な説明 図は、ガスタービンエンジンの本発明の上記ベアリング領域を示した断面図で ある。 発明の最良の実施態様 上述したように、現在のガスタービンエンジンは、上記エンジンの上流端にフ ァン領域を有しており、上記エンジンの軸方向下流端においてタービン領域を有 している。上記ファン領域と上記タービン領域との間は、圧縮機領域と、燃焼領 域となっている。シャフトは、上記エンジンを通して軸方向に延びている。シャ フトを一つだけ有するエンジン設計や、シャフトを二つ以上有するエンジン設計 も知られている。本発明は、マルチシャフトエンジンばかりではなく、シングル シャフトエンジンにまで適用できるものである。図に示すように、上記シャフト は、符号１２で示されており、エンジン運転中の回転方向は、符号１３で示され る矢印の方向である。 シャフト１２は、二つのベアリングアッセンブリ１６と１８とによって支持さ れており、図に示されるように、第一のベアリングア ッセンブリ１６（上流側ベアリングアッセンブリと呼ぶ場合もある）は、上記第 二のベアリングアッセンブリ１８（下流側ベアリングアッセンブリと呼ぶ場合も ある）の上流側に離間している。上記各ベアリングアッセンブリ１６と１８とは 、通常のボールベアリングタイプのものであり、これらは、径方向に離間した対 となったベアリング軌道輪を有しているとともに、それらの間には、周方向に離 間した複数のボールベアリングを有している。特に、上記上流側ベアリングアッ センブリ１６は、外側ベアリング軌道輪２０と内側ベアリング軌道輪２２とを有 しており、これらが協働して複数のボールベアリング２４を取り囲んでおり、か つ、それらを動作可能な位置に保持している。同様に、下流側ベアリングアッセ ンブリ１８は、外側ベアリング軌道輪２６と、内側ベアリング軌道輪２８と、複 数のベアリング３０とを有している。 上流側ベアリングアッセンブリ１６については、上記内側軌道輪２２は、上記 軌道輪２２の内側面３２が上記シャフト１２を回転させるように取り付けられて いることが好ましい。上記外側ベアリング軌道輪２０は、上記ベアリング支持ハ ウジング３６に対して軸方向に可動となっており、従って上記シャフト１２に対 しても可動となっている。上記ベアリングアッセンブリ１８については、上記内 側ベアリング軌道輪２８は、上記ベアリング軌道輪２８の内側面３８が上記シャ フト１２を回転させるように取り付けられていることが好ましい。上記外側ベア リング軌道輪２６の径方向外側面７２は、上記ベアリング支持ハウジング３６に 固定されている。このベアリング支持ハウジング３６は、中間ケース４０を介し てエンジンケー スに取り付けられている。しかしながら本発明の目的のためには、上記ベアリン グ支持ハウジング３６は、上記エンジンケースに直接取り付けられているか、又 は上記ケースにしっかりと取り付けられているその他の支持体に直接取り付けら れていても良い。上記エンジンケースはシャフト１２と同軸とされており、上記 エンジンの軸は、符号４２によって表されている。 上記ベアリング支持ハウジング３６は、上記ベアリングアッセンブリ１６と１ ８との間に延びていて、一体構造とされている。上記ハウジング３６は、三つの 部分を有している。第一のハウジング部分は、符号４４によって示されており、 これは上流側ベアリングアッセンブリ１６の領域にある。第二のハウジング部分 は、符号４６で表されており、これは下流側ベアリングアセンブリ１８の領域に ある。第三のハウジング部分は、符号４８で表されており、上記中間ケース４０ に取り付けられる領域である。 第一のハウジング部分４４は、薄い金属壁５０によって画成されており、この 金属壁５０は、対となり、僅かに離間した平行な足５２と５４とを形成しており 、これらは、ともに、シャフト１２に平行にされている。上記平行の足５２と５ ４のそれぞれの長さは、ほぼ等しくされている。径方向内側の上記足５４は、セ グメント５６を有しており、このセグメント５６は、上記ベアリングアッセンブ リ１６から下流側に向かって延びている。また、セグメント５８は、上記ベアリ ングアッセンブリ１６から上流に向かって延びている。上記内側の足５４は、ま た、セグメント５６の下流側端においてＬ型の曲がり６０を有しており、このＬ 型の曲がりは、軸方向に可動 にピストン６２上に配置されて、上記ベアリング２４にオイルを供給するための オイルリザーバ６４を画成している。図に示されているように、上記ピストン６ ２は、上記ベアリングケース２０に近接している。上記リザーバ６４は、上記リ ザーバ６４から、上記ベアリング軌道輪２２まで延びたチャネル（図示せず）を 通ってボールベアリング２４と連通している。上記リザーバ６４は、また、上記 ベアリング軌道輪外面６３と上記ハウジング内面６５との間にギャップを形成す るようになっている。オイルシールリングは、６７として示されている。オイル は、オイルライン６６を通じて上記リザーバ６４に供給される。このオイルライ ンは、チューブ６１と、上記ハウジング３６内の延長部７１を通して延びている 。オイルライン６６は、またチューブ６９（一部を示してある）を通して延びて おり、上記ベアリング３０をも潤滑させている。上記上流側ベアリングアセンブ リ１６の前方では、上記内側の足５４が上記外側の足５２に、ヘアピンタイプの 曲がり手段６８によって連結されている。外側の足５２は、上記内側の足５４に 平行とされている。上記ベアリングアッセンブリ１６の下流の地点でかつ、平行 とされた足５２、５４の下流側で上記ハウジング３６の第一の部分４４は、上記 中間ケース４０とエンジンケースと、に向かって径方向外側に延びている。 上記ベアリングハウジング３６の第二の部分４６は、上記下流側ベアリングア ッセンブリ１８に近接して配設されている。上記第二の部分４６は、壁７０によ って画成されているとともに、上記アッセンブリ１８に取り付けられている。上 記壁７０は、上記ベアリン グアッセンブリ１８の径方向外側から軸方向上流側に向かって延びているととも に、上記エンジンケースと中間ケース４０とに向かって延びている。特に、上記 壁７０は、上記外側軌道輪２６にボルト７４によって取り付けられており、この ボルトは、壁７０と軌道輪２６とにある複数のボルトホール（図示せず）を通っ ている。 第三のハウジング部分４８は、厚い金属壁８０を有していて、この壁８０は、 上記ケース４０からみて軸方向に上流側へと延びているとともに、径方向内側に 向かって延びている。第３のベアリングハウジング部分４８は、ボルト７５によ って上記中間ケース４０に取り付けられており、これらの複数のボルト７５は、 複数のボルトホール（図示せず）を通して、径方向に延びた上記ハウジング部分 ４８のランド部分７６に延びている。上記ランド７６は、上記中間ケース４０の 径方向に延びた面８２に接している。上記第三の部分４８は、軸方向に延びた舌 ８３を有していて、この舌は、上記中間ケース４０上において軸方向に延びた面 ８６に接している面８４を有している。 上記第一のハウジング部分４４と、第二とのハウジング部分４６と、第三のハ ウジング部分４８とは、軸方向の間の位置で、かつ、上記第一のベアリングアッ センブリ１６と上記第二のベアリングアッセンブリ１８の径方向外側の位置で突 き合わされて、互いに連結されている。上記ハウジング３６は、周知の金属細工 技術によって製造されていることが好ましく、上記第一のハウジング部分４４は 、シート金属（sheet metal）と精密部品とを互いに溶接して、組み合わせたも のとされていることが好ましい。上記第二と第三のハウ ジング部分４６、４８は、一体とされた鋳造物か又は精密金属部品であることが 好ましい。上記第一のハウジング部分４４は、上記第二と上記第三の部分４６と ４８とに溶接又はその他の通常の連結方法を用いて連結されている。ハウジング ３６を製造するための材料としては、チタンが好適である。 上記内側ベアリング軌道輪２２は、上記シャフト１２上で軸方向に延びたショ ルダ８８と、上記ベアリング軌道輪２２の上流側のカーボンシールアッセンブリ ９０とによって、上記シャフト１２へ軸方向に保持されている。上記カーボンシ ールアッセンブリ９０は、ファンディスク(fan disk)（図示せず）によって上記 シャフト１２に保持されている。また、このカーボンシールアッセンブリ９０は 、径方向に延びたドッグ９１によってハウジング３６に保持されており、さらに このドッグ９１はハウジング３６にあるスロット９３を通されている。上述した ように、上記外側軌道輪２０は、上記ハウジング３６に対して軸方向にスライド 可能となっていて、上記軌道輪２０と上記ハウジング３６の上記内側の足５４の 間のギャップにはオイルが供給されるようになっており、このオイルによって潤 滑されることになる。ドッグとスロットとの配置を用いることによって、上記軌 道輪２０と上記ハウジング３６との間が可動とされている。特に、上記軌道輪２ ０のドッグ９４は、カーボンシールアウタレース(outer race)９８のスロット９ ６を通して延びている。上記第二のベアリングアッセンブリ１８は、上記内側ベ アリング軌道輪２８の下流側において、上記シャフト１２上に径方向に延びたシ ョルダ９２と、上記ベアリング軌道輪２８の上流側において上記シャ フト１２に取り付けられたロックナットアッセンブリ９９とによって、軸方向に 上記シャフト１２に固定されている。 上述したように、上記エンジンにおいて ベアリングアッセンブリが果たす役割は、極めて高い回転速度においても、振動 を少なくして上記シャフトを回転させることである。本発明は、上記ベアリング 軌道輪をそれぞれそれらに対応したボールベアリングにしっかりと接触させるよ うに、エンジン運転中に上記各ベアリング軌道輪に力を加えることによって、こ のような振動を最小化させるものである。このことは、上記ベアリングアッセン ブリ１６、１８と上記シャフト１２、及び上記ベアリングハウジング３６とを、 上記のように配置することによって達成される。上述したように、上記２つのベ アリングアッセンブリ１６と１８のそれぞれの径方向内側の軌道輪２２と１８は 、上記シャフト１２に取り付けられている。上記ベアリングアセンブリ１６の上 記径方向外側の軌道輪２０は、上記ハウジング３６とシャフト１２とに対して軸 方向に可動とされているとともに、上記ベアリングアッセンブリ１８の径方向外 側の軌道輪２６は、上記ハウジング３６に取り付けられている。上記ベアリング 軌道輪２０に加えられている軸方向の力は、上記ベアリングアッセンブリ１６と １８のそれぞれの上記複数のボール２４と上記複数のボール３０とに対して軸方 向の力を加えることとなる。特に、本発明に従えば、上記第一のベアリングアッ センブリ１６の上記ベアリング軌道輪２０と２２とは、それぞれの複数のボール ベアリング２４と接触してラインに沿って運動する。また、同様に、上記下流側 ベアリングアッセンブリ１８の上記複数のベアリング軌道輪２６と２８とは、そ れ ぞれのボールベアリング３０と接触しながらラインに沿って運動する。上記した ような密着は、加圧したオイルを、上記オイルリザーバ６４に供給することによ って達成されている。上記リザーバ６４内の加圧されたオイルは、ピストン６２ の面１００に対して上流方向に力を加えることとなり、この力は、上記外側軌道 輪２０に伝えられて、上記軌道輪２０を上流方向へと移動させることとなる。上 記軌道輪２０が上流側へと移動するにつれて、ボールベアリング２４と接触し、 これらのボールベアリング２４をその内側軌道輪２２と接触させる。従って、上 記ピストン６２により上記外側軌道輪２０に力が加えられる結果、上記軌道輪２ ０は、上記複数のボールベアリング２４に接触するとともに、上記複数のボール ベアリング２４は、上記内側軌道輪２２にも接触することになる。上記外側軌道 輪２０から上記内側軌道輪２２への力の伝達は、符号１０２で示したラインに沿 って起こる。 上記内側軌道輪２２は、上記シャフト１２に取り付けられており、上記ライン １０２に沿って作用している力は上記シャフト１２に伝達されるため、上記シャ フト１２は、上流方向へと動くこととなる。加えて、上記下流側ベアリング１８ の上記内側軌道輪２８は、上記シャフト１２に取り付けられており、上記シャフ ト１２が上流方向へと動くにつれて、上記内側軌道輪２８も移動する。上記内側 軌道輪２８が上流側へと移動するにつれて、上記内側軌道輪は上記複数のボール ベアリング３０に接触するとともに、上記ベアリング３０を上記内側軌道輪２６ と接触するように移動させる。従って、ピストン６２によって、上記外側軌道輪 ２０に力が加えられる結果、上 記シャフト１２は上流方向へと移動し、上記内側軌道輪２８は上記ボールベアリ ング３０に接触するとともに、上記複数のベアリング３０は、上記内側軌道輪２ ６に接触する。上記内側軌道輪２８から上記外側軌道輪２６への力の伝達は、符 号１０４によって示されるラインにほぼ沿って発生する。 上記軌道輪２０と２２、２６と２８のそれぞれの運動は、上記したように、そ れぞれのボールベアリング２４と３０とが、ラインに接触するように動くもとの なる。これによって上記ベアリングアッセンブリ１６と１８の振動が最低限に抑 えられる。上記方法と上記装置とを使用することによって、振動によるエネルギ ー損失が抑えられ、上記エンジンをより効率的に運転させることができる。上記 ピストン６２によって加えられる力の大きさは、上記エンジンの上記潤滑制御シ ステムによって加えらている圧力と、上記ピストン６２のサイズとによって制御 することができる。 本発明の好適な実施例では、上記下流側ベアリングアセンブリ１８は、上記ベ アリングハウジング３６に固定されており、また、上記上流側ベアリングアッセ ンブリ１６は、上記ハウジング３６に対して軸方向に自由に運動するようになっ ている。当業者によって知られている他のベアリングハウジング設計に対しても 、本発明の加圧型ベアリングアッセンブリを適用することができる。さらに、上 記上流側ベアリングアッセンブリ１６の上記外側ベアリング軌道輪２０がスライ ドするように配設させることが好ましいが、上記外側ベアリング軌道輪２０を軸 方向に移動させるため別の設計も用いることができる。 本発明は、好適な実施例をもって開示し説明を行ってきたが、当業者によれば 、形状及び細部にわたって、本発明の趣旨及び範囲内で種々の変更を行うことが できることは明白である。例えば、本発明のベアリング支持ハウジングは、マル チシャフトターボ機械と同様にシングルシャフトターボ機械にも使用することが できる。本発明は、航空宇宙分野の他、航空機、ヘリコプタといった航空機を駆 動させるためのエンジンにも利用できる。上記ハウジングは、チタン、その他の 金属合金から形成されることが好ましいが、複合材料といった非金属材料から形 成されていてもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 回転軸を有し、エンジンケース内において軸方向に互いに離間した上流側 のベアリングアッセンブリと下流側のベアリングアッセンブリとによって軸支さ れたシャフトと、このエンジンケースに取り付けられたベアリングハウジングと 、を備えてなるターボ機械であり、このターボ機械は、さらに互いに径方向に離 間し、複数のボールベアリングが間隙に嵌入されている対となったベアリング軌 道輪を備えたベアリングアッセンブリを有しており、かつ、対となった各ベアリ ングアッセンブリの径方向内側ベアリング軌道輪が前記シャフトに取り付けられ 、かつ上流側の前記ベアリングアッセンブリの径方向外側ベアリング軌道輪は、 前記ベアリングハウジングに対して軸方向に可動にされているとともに、下流側 のベアリングアッセンブリの径方向外側ベアリング軌道輪は、前記ベアリングハ ウジングに取り付けられた構成を有し、このターボ機械の前記各ベアリングアセ ンブリに対して軸方向に負荷を加える方法において、 前記上流側ベアリングアッセンブリの外側軌道輪に対して軸方向に力を加え、 この外側軌道輪を上流方向へと移動させて、その対応するボールに接触させ、か つ、前記ボールを対応する内側軌道輪と接触するように移動させて、前記外側軌 道輪から前記内側軌道輪へと上記の力が伝達されるようにするステップと、 前記シャフトが軸方向上流側に移動するように、前記上流側ベアリングアッセ ンブリの内側軌道輪から前記シャフトへとこの力が伝達するように作用させるス テップであって、この力を伝達するステ ップにより、前記下流側ベアリングの前記内側軌道輪を動かして、各対応するボ ールをその下流側ベアリングの外側軌道輪に接触させ、前記の力を、前記シャフ トから前記内側軌道輪、及び前記内側軌道輪から前記下流側ベアリングの外側軌 道輪にまで伝達するステップと、を有することを特徴とする、各ベアリングアッ センブリに軸方向の負荷を加えるための方法。 ２． エンジンケース内で軸方向に互いに離間した上流側のベアリングアッセン ブリと下流側のベアリングアッセンブリによって軸支されたシャフトであって、 それぞれのベアリングアッセンブリは、径方向に離間し、対となったベアリング 軌道輪と、各ベアリング軌道輪の間に嵌入された複数のボールベアリングと、を 備えたシャフトと、 前記エンジンケースに取り付けられたベアリングハウジングであって、前記上 流側ベアリングアッセンブリの径方向外側ベアリング軌道輪は、前記ベアリング ハウジングに対して軸方向に可動とされており、前記下流側ベアリングアッセン ブリの前記径方向外側ベアリング軌道輪は、軸が回転するように前記ベアリング ハウジングに取り付けられ、かつ、各ベアリングアッセンブリの前記径方向内側 ベアリング軌道輪は、前記シャフトに取り付けられていて、前記上流側ベアリン グアッセンブリの前記外側ベアリング軌道輪に対して軸方向上流側へと力を加え ると、前記上流側外側ベアリング軌道輪をそのボールと接触させるとともに、こ れらのボールがその対応する上流側内側ベアリング軌道輪に接触することによっ て、前記シャ フトを、前記下流側ベアリングアッセンブリの内側ベアリング軌道輪とともに前 記上流側へと移動させ、前記下流側内側ベアリング軌道輪を、そのボールと接触 させることで下流側外側ベアリング軌道輪に前記力を伝達するようになっている ベアリングハウジングと、 前記上流側ベアリングアッセンブリの前記外側ベアリング軌道輪に軸方向上流 側に向かって力を加えるための手段と、を有していることを特徴とするターボ機 械。 ３． 前記上流側ベアリングアッセンブリの前記外側ベアリング軌道輪に力を加 えるための前記手段は、前記外側ベアリング軌道輪に近接した可動なピストンに 対して、加圧されたオイルを供給する手段を有していることを特徴とする請求項 ２に記載のターボ機械。 ４． 前記ベアリングハウジングは、前記各ベアリングアッセンブリの間に延び 、かつ、一体構造とされていることを特徴とする請求項２に記載のターボ機械。