JPS63183227A - ガスタービン機関用スラスト軸受負荷装置 - Google Patents

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】 発明の背景 本発明はガスタービン機関、とくにガスタービン機関の
ロータの一端を支持する玉軸受に一方向スラストを確保
するスラスト軸受負荷装置に関する。

ガスタービンの圧縮機吐出圧力は、ガスタービン機関の
通常運転範囲を通じて低またはアイドリング速度から機
関最高速度まで広い範囲に亘って変化する。この運転条
件の変更はガスタービン機関のロータに加わる軸方向力
に著しい変化を生じる。即ち、高速度運転時に、ロータ
に後向きまたは前向きに著しい軸方向負荷がかかり、そ
れによりロータを支持するスラスト軸受に後向きまたは
前向きの対応軸方向力が生ずる。他方、低またはアイド
リング速度時に、このロータの軸方向力は著しく減少し
、反対向きに転移することがあり、その結果ロータに、
従ってスラスト軸受に加わる力が、後向きから前向きに
またはその反対に変化する時に発生するクロスオーバー
として知られる状態が生ずる。そのようなりロスオーバ
ーは、クロスオーバ一時点で無負荷になった玉軸受がレ
ース内で半径方向に移動自由になるため好ましくない。

スラスト軸受の玉軸受の無負荷状態及びそこで生じる無
負荷玉軸受の半径方向運動によって、ロータの半径方向
運動および／又は軌道運動が可能となる。最も効率的な
ガスタービン機関の運転のため、ロータの動翼先端と周
囲の静止シュラウドの間隙は最小に保持されている。そ
のため、口−タの半径方向運動または軌道運動により、
動翼先端が周囲の構造物に係合し、これらの先端および
周囲の構造物の摩耗を生ずる。この摩耗は圧縮機の動翼
先端間隙を増大し、機関およびこれを使用する航空機の
停止限界（ｓｔａｌｌメａｒｇｉｆｌ）および性能を低
下する。

また無負荷スラスト軸受はロータの軸方向運動を可能に
する。圧縮機動翼先端が傾斜しているため、この軸方向
運動は前述の翼先端と周囲構造物の摩耗から生ずる間隙
の増加を際立たせζそれにより問題を複雑にする。

この問題の一つの解決策として後向きまたは前向きスラ
ストを増加して、きわめて低速およびアイドリング状態
においてさえ、ロータの軸方向力が依然として一定の方
向に加えられ、アイドリングおよび低速度時に適当なス
ラスト負荷を加えてクロスオーバーを防止することであ
る。しかし、この解決策は高速高出力時に過大なスラス
ト負荷が生ずるという別の問題を惹起し、それにより軸
受寿命を短縮した。

本発明は機関の低速運転時に確実にクロスオーバーに対
抗するが、高速運転時にはいかなる過大なスラスト負荷
をも回避する装置を提供する。

したがって、本発明の目的はガスタービン機関のスラス
ト玉軸受に加わる軸方向負荷のクロスオーバーに確実に
対抗し、一方間時に機関が高出力または最高出力で運転
している状態で過大なスラスト負荷を回避するスラスト
軸受負荷装置を提供する。

発明の要約 本発明を実施するに、その−形式として通常のガスター
ビン機関の動作中のロータと静１［一部分または壁との
間の密封空所を利用することが有利である。更に具体的
には、クロスオーバーを防ＩＬするため後向き力を増加
することが望ましい場合では、このような空所は前方壁
より大きい面積の後方壁を持つように選択されて、空所
内に加えられる圧力がロータにまたロータと関連したス
ラスト軸受に対して後向き力を加える。複数個の開口が
圧縮機吐出口より後方の静止壁に設けられ、適当な条件
下で圧縮機吐出空気は空所に流れ込んでロータに後向き
の軸方向の力を加える。開放位置に偏圧されている弁が
各々の開口に設けられ、低速状態で圧縮機吐出空気の一
部は空所に流れロータに後向きの補助的な軸方向力を加
え、このような条件下でクロスオーバーを回避する。一
方、高速状態で圧縮機吐出圧力の増加は弁を開放位置に
偏圧する力に打ち勝って弁を閉鎖し、空所への圧縮機吐
出空気流を停止１−シ、ロータへの前述の補助的軸ｈ゛
向力停止する。本発明の特定の実施例において、各々の
弁は静止壁の対応する開口を取囲むハウジングを備え、
ハウジング内の弁ピストンはハウジング内に設置された
一つ以上の皿ばねにより開放位置に偏圧される。即ち、
本発明によれば、適当な後向きの力がロータ及びスラス
ト軸受に加えられ低速状態におけるクロスオーバーに確
実に対抗する。しかし、補助的軸方向力は高速状態にお
いて停止されこれによりスリスト軸受の過大な負荷は回
避される。前記のように、この要約した実施例はクロス
オーバーを防止するため後向き力を増大することが望ま
れる状態に対して適用しうる。クロスオーバーを防止す
るため前向き力を増大することが必要な状態でも本発明
は同様にａ効であることを理解されたい。この場合に、
空所は後方壁より前方壁を大きくするように選択する。

好ましい実施例の説明 第１図には、通常のガスタービン機関１０の一部が図示
されている。この機関は全体的に符号１２で示されたロ
ータを備え、ロータ１２は一体の集成体として回転する
ため共通軸によって連結された圧縮機１４およびタービ
ン１６を備えている。

ロータは１９数個の軸受によって回転可能に支持されて
いるが、本発明の目的のため、スラスト軸受１８のみが
図示されている。

ロータは全体的に符号２０で示された静止構造物内で回
転し、静１１−構造物は静止壁２２を備えている。静＋
ｔ＝壁２２は圧縮機１４から吐出される空気の吐出通路
２４の後方に配置されている。

第３図に最もよく示されたように、スラスト軸受はそれ
と一緒に回転するためロータに固定された回転する内側
レース２６とガスタービン機関の静止支持構造物２０に
固定された静止外側レース２８とを備えている。その一
つは３０で示されているが複数の玉軸受が、内側外側レ
ース２６．２８間に設けられる。本発明のこの実施例に
おいては、機関の運転範囲の大部分の間、軸方向力が後
向きにロータ１２によってスラスト軸受およびその中の
玉に加えられる。しかし低速およびアイドリング状態で
は機関はクロスオーバーを抑制することができ、すなわ
ち、スラスト軸受に加えられる力は、後で一層詳細に説
明するように、後向きから前向きに変えられる。

このクロスオーバーを防止するため、本発明は、第１図
にまた第２図に一層詳細に図示されるような、圧縮機吐
出区域２４の後方でガスタービン機関に配置された従来
から在る空所３２を利用する。

空所３２は静止壁２２、ロータ１２の拾遺の一部を１１
１４成する第２の壁３４、後方壁３６及び前方壁３８に
よって形成される。第２図から判るように後方壁３６の
軸方向ピストン面積はその大きい直径のため前方壁３８
の面積より著しく大きい。シール４０．４２は空所３２
の後方部分に形成され、ロータと静市描造物との間にこ
れらの点で密封係合する。別のシール４４がロータと静
止構造物との間で前方壁３８に密封空所３４を完成して
いる。

本発明の特定の好ましい実施例において複数個の開口４
６が空所３２内部への連通のため静止壁２２に設けられ
、これにより区域２４がら空所３２への圧縮機吐出空気
流を生ずる。用いられる開口の個数は所望により変え得
るが、所望ならば、圧縮機吐出空気を空所３２に流入す
るため、適当な条件下では、単一の開口を使用すること
もできる。しかし、好ましい実施例は壁２２の円周に亘
って均一に分布された複数個の開口を利用している。

空所３２への圧縮機吐出空気流を制御するため弁４８が
各開口４６に設けられている。弁が開いている時、圧縮
機吐出空気は開口４６から空所３２へ通される。前記の
ように、空所３２の後方壁３６が前方壁３８より著しく
大きいピストン面積をもっため、開口４６を介して圧縮
機から流入する圧縮空気はロータ１２、従ってスラスト
軸受１８に正味の後向き軸方向力を加える。

６弁４８は開放位置に向って偏圧されるように構成され
ている。即ち、ガスタービン機関の低速およびアイドリ
ング状態において、圧縮機吐出圧力が低い値である時、
弁はこの偏圧力によって開／ｉｋ位置に維持される。し
たがってこのような状態で、壁３６に対する付加的な後
向き力が開口４６を介して流入する圧縮機吐出空気によ
って加えられ、スラスト軸受への力がこれらの状態で前
向きに転移することを阻止してクロスオーバーを防止す
る。しかしながら、機関速度が増加し圧縮機吐出空気の
圧力が対応して増大する時、この圧力は弁４８の偏圧力
を超え弁の内部機ｔ１４は、圧縮機吐出圧力によって、
前記偏圧力に抗してその閉鎖位置に動かされる。即ち、
これらの状態で、圧縮機吐出空気はまったく空所３２に
流入せずその壁３６上の後向きの前記軸方向力は除去さ
れ、そのような市道、高出力運転状態でスラスト軸受へ
の過大な圧力は回避される。

本発明の好ましい実施例に使用される弁の詳細は第４図
に図示されている。第５図に示された好ましい実施例に
おいて、弁は二つの半部５２，５４から形成されたハウ
ジング５０を備えるポペット弁である。各々のハウジン
グ半部５２．５４は二つ以上の留め具によって静ＩＬ壁
２２に固定され、留め具の一つは各ハウジング半部に対
して５６で示されている。留め具５６は静止壁２２の開
口に螺着された通常の小ねじとすることができる。二つ
以上のそのような留め具が各ハウジング１′、部に対し
て設けられハウジングが分解されるまでには最少二つの
留め具が破壊しなければならないことは確実である。ハ
ウジングを一層効果的に静止壁２２に着座させるため、
また弁の着座または機関冷却通路に影響する周囲のごみ
のような汚染物のハウジング３２または空所３２の内部
への侵入を減少するため、静止壁２２に係合するハウジ
ングの表面は凹所５８を備えるように形成され、その中
に封市ガスケットが収容される。

ハウジング５０はその内部に棚６２を備え、棚はハウジ
ングの頂部および底部から離れている。

棚６２は圧縮機吐出空気を通ず多数の通路６４および弁
棒を収容する中央通路６６を備えている。

弁ピストン６８はハウジング５０内に取付けられ開口４
６を通る空気流を制御する。弁ピストンは、開口４６を
閉鎖するため静止壁２２」−の弁座７１に係合する下方
着座要素７０を備えるように形成される。弁ピストン６
８はさらに下方部分７０から離れ中央弁棒７４によって
それに連結された上方部分７２を備え、弁棒７４はハウ
ジングの棚６２の前述の中央通路６６内に収容されてい
る。弁要素の」１１１部分７２は、矢印７８により示す
ような、圧縮機吐出空気が通る開口を備えている。

弁ピストン６８を開放位置に偏圧するため、複数個の偏
圧要素８０がハウジングの棚６２と弁ピストン６８の上
方部分７２との間に介在されている。本発明の好ましい
実施例である第４図に示された特定の形式において、こ
れらの要素８０は永久変形せずに圧縮機吐出空気の温度
に耐え得る高温用金属板から作られた皿ばねである。低
温用に対しては皿ばねの代わりにコイルばねを使用する
ことができる。図示の実施例において、４個のそのよう
な皿ばねが弁ピストン６８に偏圧力を加えるために使用
されているが、それより多いかまたは少ない個数を所望
の偏圧力の大きさに従って使用することができる。非弾
性的平座金８２が皿ばね８０と弁ピストン６８の上方部
分７２との間に設けられている。

■ｌばねと非弾性的平座金の組合せで標準寸法のハウジ
ングと標弗寸法ピストンとを使用しながら弁の動作特性
に融通性を導入することが可能になる。即ち、好ましい
実施例の場合のように、このような弁が１９数個使用さ
れると、いくつかの弁ピストンに加えられる偏圧力は、
使用される皿ばねの数および剛さを増減することにより
変更することができる。例えば第４図に示された一つ以
上の皿ばねを除去することによってｉｌｌ　Ｊｌｌ　Ｆ
＋７能になる付加的空間が、ｊ１４座金８２を必要な個
数加えることにより充填される。

第４図から判るように皿ばねは弁要素６８を開放位置へ
上向けに押圧して、圧縮機吐出圧力が低い値の時に機関
の低速およびアイドリング状態で空所３２への圧縮機吐
出空気の流入通路を生ずる。

反対に、圧縮機吐出圧力が高い値となる機関の高速度運
転で、弁ピストン６８に加えられるこの圧力は、皿ばね
８０によって加えられる偏圧力に打ち勝って弁ピストン
６８を閉鎖位置に押し付け、空所３２への圧縮機吐出空
気流を阻止する。

本発明の運転は第５図に示された線図から一層よく理解
することができる。図示のようにロータの後向き負荷は
機関速度が低下するに従って線８４に沿って徐々に減少
する。機関速度がさらに低下するとき状態が変化しない
で続く場合、負荷は破線８６に沿って継続し８８で示さ
れたクロスオーバ一点において後向き負荷から前向き負
荷に変化する。しかし、本発明によれば、状態が９０の
点に達するとき弁ピストン６８は１１旧ｆね８０によっ
て加えられる偏圧力によって開放位置に動かされる。こ
れで圧縮機吐出空気が空所３２に流れ付加的軸方向力を
後向きにロータ１２に加え、後向き負荷は線９２に沿っ
て増加し負荷がクロスオーバ一点８８に達するのを防止
する。

６弁によって加えられる偏圧力は使用する皿ばねの個数
および剛さを変えることによって変更することができる
。即ち、所望ならば、いくつかの弁を他の弁より一層少
ない皿ばね、従って一層小さい偏圧力をもつように構成
することができる。

そのような配置によって機関速度が低下する時に大きい
偏圧力を何する弁が第１に開き、ついで小さい偏圧力を
Ｈする弁が開く。即ち、弁は機関速度が低下する時に、
同時にというよりむしろ連続的に開くように設置される
。再び第５図を参照すると、使用された複数個の弁の中
のいくつかは９０で示された点において開くように高い
偏圧力をもつように構成され、スラスト軸受に補助的な
後向き負６：ｉ力の最用の増加を生ずる。弁の第２グル
ープは少ない偏圧力をもつように（Ｒ成され、これらの
弁は第５図に９４で示された点において開放され、一層
多くの圧縮機圧出空気および一層大きい圧力を空所３２
内に導入して、線９６に沿う後向き負荷を一層増加する
。

即ち、本発明は設計上かなりの程度の融通性を生ずる。

好ましくは、複数個の弁が静止壁２２の周りに円周方向
に一様に分布され圧縮型吐出空気を複数の個所で空所３
２へ通す。これらの全ての弁は同時に開くように構成さ
れ、即ち全ての弁は同じ偏圧力をもつように構成される
。あるいは、いくつかの弁の偏圧力を他の弁の偏圧力よ
り一層大きくし、そこで弁または弁グループは上述のよ
うに連続的に開、く。史に、ある状態のもとでは静止壁
２２にｌドーの開口及びＩ［１−の制御弁を使用するこ
とができる。同様に、特殊なポペット弁構造が図示しか
つ説明され、これは本発明の好ましい形式ではあるが、
所望ならば、他の形式の弁も圧縮機吐出空気の空所３２
への流れを制御するため使用し得ることは明らかである
。説明を簡１１１にするため本発明は付加的後向き力が
クロスオーバーを防止するため加えられる状態に対して
適用されるものとして記載されたが、この明細書ですで
に指摘したように本発明は、クロスオーバーを防止する
ため付加的前向き力を加えることが必要である状態に対
しても、同様に適用しうるものである。

当業者が考えつくこのような変形その他は、本発明の範
囲内に在りかつ添付の特許請求の範囲によってカバーさ
れるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、簡Ｉｌｌ化のため機関の完全な詳細を図示し
てないが、本発明の各要素を示すガスタービン機関の上
半分の断面図。 第２図は本発明の各要素間の関係をさらに詳しく示すた
めの第１図の右側断面の一部の拡大図。 第３図はスラスト軸受を示す、第１図に示されたガスタ
ービン機関の左側最端部の著しく拡大した図。 第４図は本発明に使用される制御弁の拡大図。 第５図は種々の状態におけるロータ負荷を示す線図。 主な符号の説明 １０ニガスタービン機関、１２；ロータ、１４：圧縮機
、１６：タービン、 １８ニスラスト軸受、２０：静＋Ｌ構造物、２２：静１
１−壁、２４：吐出通路、３２：空所、５０；ハウジン
グ、５２．５４：ハウジング半部、５６：留め具、５８
：凹所、６２　：　１１１１１゜６４：通路、６６：中
央通路、６８：弁要素、７０：下方座着要素（下方部分
）、 ７２：上方部分、７４：弁棒、８０：皿ばね、８２：非
弾性的平座金。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、静止壁および圧縮機とタービンとを有するロータを
   備えたガスタービン機関において、（ａ）スラスト玉軸
   受を有し、前記ロータを回転運動可能に取付ける手段と
   を含み、であって、（ｂ）前記機関は前記ロータの一部
   と前記静止壁との間に少なくとも１つの密閉空所を備え
   、（ｃ）前記空所が、一方の壁が他方の壁より大きい面
   積を有する後方壁及び前方壁を備え、（ｄ）前記静止壁
   は前記圧縮機の後方に開口を有して、前記圧縮機の吐出
   空気流を前記空所に流す通路として前記スラスト軸受の
   負荷を増大し、さらに （ｅ）圧縮機の吐出圧力に応答して前記凹所への圧縮機
   の吐出空気流を制御し前記機関の通常運転範囲に亘って
   前記スラスト軸受に確実に一方向負荷を加える手段とを
   含むスラスト軸受負荷装置。 ２、圧縮機の吐出空気を前記空所へ流す複数個の通路と
   する前記静止壁の複数個の開口と、前記開口を通る前記
   空所への圧縮機の吐出空気流を制御する複数個の前記手
   段とを含む、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、前記開口を通る圧縮機の吐出空気流を制御する前記
   手段が弁を有し、該弁が弁を開放位置に偏圧する手段を
   有し、該弁は前記圧縮機吐出圧力が前記偏圧手段によっ
   て加えられる力をこえる時に閉鎖位置に動かされる特許
   請求の範囲第１項記載の装置。 ４、前記偏圧装置がばねを有する特許請求の範囲第３項
   記載の装置。 ５、前記ばねが皿ばねである特許請求の範囲第４項記載
   の装置。 ６、前記弁が、 （ａ）ハウジングと、 （ｂ）前記ハウジングを前記開口を囲む静止壁に固定す
   る手段と、 （ｃ）前記開口に弁座を設ける手段と、 （ｄ）前記弁座に係合するよう位置決めされ前記ハウジ
   ング内で開放および閉鎖位置間を移動可能な弁ピストン
   と、 （ｅ）前記ハウジング内に設けられ前記弁ピストンに係
   合して前記弁ピストンを開放位置に偏圧するばねとを含
   む特許請求の範囲第３項記載の装置。 ７、前記ハウジングが、前記弁要素および前記ばねの組
   立てを容易にするため二つの補完的な半部より作られて
   いる特許請求の範囲第６項記載の装置。 ８、各々の前記ハウジング半部用の前記固定する手段が
   前記静止壁に係合する少くとも二つの留め具を有し、少
   くとも二つ以上の留め具が破損しない限り前記ハウジン
   グが分解されない特許請求の範囲第７項記載の装置。 ９、前記ばねが皿ばねである特許請求の範囲第６項記載
   の装置。 １０、前記ハウジングが所定の高さを有し、複数の皿ば
   ねが使用され、前記偏圧力が非弾性的平座金を一つ以上
   の前記皿ばねと置換えることにより変更される特許請求
   の範囲第９項記載の装置。 １１、各々の前記開口を通る吐出空気流を制御する前記
   手段が、 （ａ）ハウジングと、 （ｂ）各々の前記ハウジングを前記開口の対応する一つ
   を囲む前記静止壁に固定する手段と、（ｃ）各々の前記
   開口に弁座を設ける手段と、（ｄ）各々の前記弁座と係
   合するよう位置決めされ、対応するハウジング内で開放
   および閉鎖位置間で移動可能な弁ピストンとを有し、 （ｅ）前記ハウジングが同じ所定の高さを有し、更に （ｆ）各々の前記ハウジング内で、対応する弁ピストン
   を開放位置に向って偏圧するように積み重ねて配置され
   た複数個の平座金及び複数個の皿ばねとを含み、 （ｇ）各々の前記ハウジング内の前記平座金の個数及び
   前記皿ばねの個数が前記ばねおよびワッシャの各々の前
   記積み重ねに対して略同じ高さを維持しながら対応する
   弁要素への偏圧力を変えるため変更され、 （ｈ）こうして前記複数個の開口を制御する前記弁が同
   じ標準部品を使用しながら段階的に前記スラスト軸受負
   荷を変更するように異なる時間に開閉するよう配置され
   た特許請求の範囲第２項記載の装置。 １２、前記静止壁に係合する前記ハウジングの面が該面
   に凹所を備えるように形成され、封止ガスケットが前記
   凹所内に配置された特許請求の範囲第６項記載の装置。