JP2018138805A - スクイズフィルムダンパベアリング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構造で径方向および軸方向の両方向の制振機能を発揮するスクイズフィルムダンパベアリング装置を提供する。
【解決手段】スクイズフィルムダンパベアリング装置は、回転軸１５，４１の外周に嵌合する第１ベアリング１４と、ベアリング保持部材４４および第１ベアリング１４のアウターレース４６間に一対のシールリング５３Ｒ，５３Ｔにより区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間５４とを備える。環状空間５４は、アウターレース４６の外周面に臨む第１空間５５と、アウターレース４６の軸方向端面に臨む第２空間５６とからなるので、第１空間５５のスクイズフィルムで回転軸１５，４１の径方向の振動を制振し、かつ第２空間５６のスクイズフィルムで回転軸１５，４１の軸方向の振動を制振することができ、小型軽量な構造で回転軸１５，４１の径方向および軸方向の振動を共に制振することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体と、前記ベアリング保持部材および前記アウターレース間に一対のシールリングにより区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置に関する。
回転軸の外周にインナーレースを嵌合したボールベアリングのアウターレースをベアリング保持部材にスクイズフィルムを介して支持し、回転軸の径方向の振動をスクイズフィルムにより制振するラジアル型のスクイズフィルムダンパベアリング装置が、下記特許文献１により公知である。
また回転軸の外周に突設したスラストカラーの軸方向両側に一対のスラストプレートを配置するとともに、一対のスラストプレートをそれぞれスクイズフィルムを介して支持台に支持し、回転軸の軸方向の振動をスクイズフィルムにより制振するスラスト型のスクイズフィルムダンパベアリング装置が、下記特許文献２により公知である。
特開平８−９３７７５号公報 特開昭５９−２１２５１４号公報
ところで、従来のスクイズフィルムダンパベアリング装置は、回転軸の径方向の制振機能あるいは軸方向の制振機能の一方だけしか備えていないため、両方向の制振機能を得るにはラジアル型のスクイズフィルムダンパベアリング装置およびスラスト型のスクイズフィルムダンパベアリング装置の両方を設ける必要があり、寸法や重量の増加を招く問題があった。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で径方向および軸方向の両方向の制振機能を発揮するスクイズフィルムダンパベアリング装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に支持されたアウターレースと、前記インナーレースおよび前記アウターレース間に配置された複数の転動体と、前記ベアリング保持部材および前記アウターレース間に一対のシールリングにより区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、前記環状空間は、前記アウターレースの外周面に臨む第１空間と、前記アウターレースの軸方向端面に臨む第２空間とからなることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、一対の前記第２空間が前記アウターレースの軸方向両端面に臨むように区画されることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記第１空間と前記第２空間との間を仕切る中間シールリングを備えることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置が提案される。
なお、実施の形態の低圧系シャフト１５およびスリーブ４１は本発明の回転軸に対応し、実施の形態のボール４７は本発明の転動体に対応する。
請求項１の構成によれば、スクイズフィルムダンパベアリング装置は、回転軸の外周に嵌合するインナーレースと、ベアリング保持部材の内周に支持されたアウターレースと、インナーレースおよびアウターレース間に配置された複数の転動体と、ベアリング保持部材およびアウターレース間に一対のシールリングにより区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間とを備えるので、回転軸の振動に伴ってベアリング保持部材の内周に対してアウターレースが変位すると、ベアリング保持部材の内周およびアウターレースの外周に挟まれた環状空間に構成されたスクイズフィルムがアウターレースの動きに抵抗することで回転軸の振動が制振される。
環状空間は、アウターレースの外周面に臨む第１空間と、アウターレースの軸方向端面に臨む第２空間とからなるので、第１空間のスクイズフィルムで回転軸の径方向の振動を制振し、かつ第２空間のスクイズフィルムで回転軸の軸方向の振動を制振することができ、小型軽量な構造で回転軸の径方向および軸方向の振動を共に制振することができる。
また請求項２の構成によれば、一対の第２空間がアウターレースの軸方向両端面に臨むように区画されるので、スクイズフィルムによる軸方向の制振効果を一層効果的に発揮させることができる。
また請求項３の構成によれば、第１空間と第２空間との間を仕切る中間シールリングを備えるので、第１空間および第２空間にそれぞれ別系統のオイルを供給することで、径方向の制振性能および軸方向の制振性能を別個に調整することができる。
ガスタービンエンジンの全体構造を示す図。（第１の実施の形態） 図１の２部拡大図。（第１の実施の形態） 図３に対応する図。（第２の実施の形態） 図３に対応する図。（第３の実施の形態）
第１の実施の形態
以下、図１および図２に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１に示すように、本発明が適用される航空機用のガスタービンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。
低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。
低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。
高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼室２９が配置されており、逆流燃焼室２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼室２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。
高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３３と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。
従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃料ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼室２９に供給することで、スタータモータを停止させてもガスタービンエンジンの運転が継続される。
ガスタービンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼室２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。
次に、図２に基づいて前記後部第１ベアリング１４の周辺の構造を説明する。
低圧タービンホイール３６を支持するためのスリーブ４１が低圧系シャフト１５の外周にスプライン嵌合４２しており、低圧系シャフト１５の軸端外周に第１ナット部材４３を螺合してスリーブ４１を図２の左側に押圧し、低圧系シャフト１５の外周に形成した段部１５ａにスリーブ４１の内周に形成した段部４１ａを押し付けることで、低圧系シャフト１５にスリーブ４１が締結される。
後部第１ベアリング１４は、スリーブ４１の外周に嵌合するインナーレース４５と、インナーケーシング１２に設けられたベアリング保持部材４４の内周に嵌合するアウターレース４６と、インナーレース４５およびアウターレース４６間に配置された複数のボール４７…と、ボール４７…を周方向に等間隔で保持するリテーナ４８とを備える。ベアリング保持部材４４とアウターレース４６とはボルト４９…でインナーケーシング１２に締結され、インナーレース４５はスリーブ４１の端部外周に螺合する第２ナット部材５０で図２の左側に付勢され、スリーブ４１の外周に形成した段部４１ｂに押し付けられて締結される。
アウターレース４６は、軸方向に延びる複数のスリット状の切欠き４６ｂ…と、複数の切欠き４６ｂ…間に挟まれて軸方向に延びる複数の棒状のバネ部４６ｃ…とを備えており、従ってボール４７…を保持するアウターレース４６の本体部はインナーケーシング１２に対して径方向および軸方向に移動可能にフローティング支持される。
第１ナット部材４３および第２ナット部材５０のネジの方向は相互に逆方向に設定される。すなわち、第１ナット部材４３が右ネジである場合には第２ナット部材５０は左ネジであり、第１ナット部材４３が左ネジである場合には第２ナット部材５０は右ネジである。第１ナット部材４３の端部外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第１溝部４３ａ…が周方向に等間隔で形成されるとともに、第２ナット部材５０の外周には、図２の軸方向右側に開放する複数の第２溝部５０ａ…が周方向に等間隔で形成される。
第１ナット部材４３および第２ナット部材５０間に配置される環状の連結部材５１は、円周方向に１８０゜間隔で配置されて第１ナット部材４３の第１溝部４３ａ…に係合可能な２個の第１突起部５１ａ，５１ａと、円周方向に１２０゜間隔で配置されて第２ナット部材５０の第２溝部５０ａ…に係合可能な３個の第２突起部５１ｂ…とを備える。
連結部材５１を第２ナット部材５０に係止するリングスプリング５２は、平坦な弾性金属板を略２回転に亙って環状に巻いたもので、その外周部が第２ナット部材５０の端部内周に形成した段部５０ｂ…に係合可能である。
第１ナット部材４３および第２ナット部材５０はネジの方向が相互に逆になっているため、第１ナット部材４３が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第２ナット部材５０を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが阻止され、逆に第２ナット部材５０が弛む方向に回転しようとすると、その回転は連結部材５１を介して第１ナット部材４３を締め込む方向に作用するため、第１ナット部材４３および第２ナット部材５０の両方の弛みが同時に阻止される。
低圧系シャフト１５の後部を支持する後部第１ベアリング１４はスクイズフィルムダンパベアリングを構成するもので、アウターレース４６の外周に形成されたシールリング溝４６ａにシールリング５３Ｒが嵌合するとともに、アウターレース４６の軸方向一端面に形成されたシールリング溝４６ｄにシールリング５３Ｔが嵌合する。
シールリング５３Ｒは自己の弾性で径方向外側に拡開してベアリング保持部材４４の内周に弾発的に当接し、アウターレース４６の外周およびベアリング保持部材４４の内周間に所定の径方向隙間を有する環状の第１空間５５が区画される。またベアリング保持部材４４の軸方向一端面にはエンドプレート５８がボルト５９…で固定されており、シールリング５３Ｔはシールリング溝４６ｄの底部に配置した複数のスプリング６０…でエンドプレート５８の軸方向内面に当接する方向に付勢される。その結果、アウターレース４６の軸方向一端面とエンドプレート５８の軸方向内面との間に所定の軸方向隙間を有する環状の第２空間５６が区画される。第１空間５５および第２空間５６は相互に連通して本発明の環状空間５４を構成する。
よってベアリング保持部材４４に対してアウターレース４６は前記隙間の範囲内で径方向に相対移動可能であり、その際にシールリング５３Ｒはシールリング溝４６ａ内で弾性変形することで、ベアリング保持部材４４の内周に対して当接状態に維持される。またベアリング保持部材４４に対してアウターレース４６は前記隙間の範囲内で軸方向に相対移動可能であり、その際にスプリング６０…がシールリング溝４６ｄ内で弾性変形することで、シールリング５３Ｔはエンドプレート５８の軸方向内面に対して当接状態に維持される。そして図示せぬオイルポンプが汲み上げたオイルが、ベアリング保持部材４４の内部に形成された油路５７を介して環状空間５４に供給される。
次に、上記構成を備えた本発明の第１の実施の形態の作用を説明する。
図示せぬオイルポンプからベアリング保持部材４４の油路５７を介して環状空間５４にオイルが供給されると、環状空間５４の第１空間５５および第２空間５６にオイルの薄膜よりなるスクイズフィルムが構成される。ガスタービンエンジンの運転中に低圧系シャフト１５が径方向および軸方向に振動すると、その振動は低圧系シャフト１５に一体に固定されたスリーブ４１にインナーレース４５を支持された後部第１ベアリング１４のアウターレース４６に伝達される。
このとき、後部第１ベアリング１４のアウターレース４６はバネ部４６ｃ…が弾性変形することで径方向および軸方向の振動が許容されるため、アウターレース４６の径方向の振動に応じて第１空間５５の径方向隙間の大きさが増減し、第１空間５５内のスクイズフィルムの粘性を有するオイルの流動および圧縮により発生する抵抗力でアウターレース４６が制振され、これにより低圧系シャフト１５の径方向の振動を抑制することができる。またアウターレース４６の軸方向の振動に応じて第２空間５６の軸方向隙間の大きさが増減し、第２空間５６内のスクイズフィルムの粘性を有するオイルの流動および圧縮により発生する抵抗力でアウターレース４６が制振され、これにより低圧系シャフト１５の軸方向の振動を抑制することができる。
スクイズフィルムが制振効果を発揮すると、振動エネルギーを吸収したオイルは発熱して温度上昇するが、温度上昇したオイルがシールリング５３Ｒ，５３Ｔの合い口から逐次排出されて新たなオイルがオイルポンプから供給されることで、スクイズフィルムの制振機能が維持される。
以上のように、本実施の形態によれば、スクイズフィルムを構成する環状空間５４が、アウターレース４６の外周面に臨む第１空間５５と、アウターレース４６の軸方向端面に臨む第２空間５６とからなるので、第１空間５５のスクイズフィルムで低圧系シャフト１５の径方向の振動を制振し、かつ第２空間５６のスクイズフィルムで低圧系シャフト１５の軸方向の振動を制振することができ、小型軽量な構造で低圧系シャフト１５の径方向および軸方向の振動を共に制振することができる。
また低圧系シャフト１５にはフロントファン１９、低圧コンプレッサ２２および低圧タービン３２からのスラスト荷重が作用するため、そのスラスト荷重を直接インナーケーシング１２で支持すると大きな摩擦力が発生してしまい、低圧系シャフト１５が振動したときにアウターレース４６の径方向の動きが阻害されてしまい、第１空間５５のスクイズフィルムが有効な制振機能を発揮できなくなる可能性がある。
しかしながら、本実施の形態によれば、低圧系シャフト１５のスラスト荷重がアウターレース４６に臨む第２空間５６のスクイズフィルムにより支持されるので、アウターレース４６に作用する径方向の摩擦力が低減され、第１空間５５のスクイズフィルムが有効な制振機能を発揮することができる。
第２の実施の形態
次に、図３に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。
第２の実施の形態は、アウターレース４６がベアリング保持部材４４およびインナーケーシング１２から切り離されて完全にフローティング支持されており、アウターレース４６の軸方向他端面に、ベアリング保持部材４４の内周から径方向内向きに突設したフランジ４４ａが対向する。すなわち、アウターレース４６の軸方向両端面に、それぞれシールリング５３Ｔ，５３Ｔでシールされた一対の環状の第２空間５６，５６が区画され、第１の実施の形態のアウターレース４６の外周のシールリング５３Ｒは廃止される。
この実施の形態によれば、第１の実施の形態の作用効果に加えて、アウターレース４６の軸方向両側にそれぞれスクイズフィルムが構成されることで、低圧系シャフト１５の軸方向振動の制振効果が一層高められる。
第３の実施の形態
次に、図４に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。
第３の実施の形態は第１の実施の形態の変形であって、第１空間５５および第２空間５６の境界に近いアウターレース４６の外周に中間シールリング６１を設けたものである。従って、第１空間５５はシールリング５３Ｒおよび中間シールリング６１により区画され、そこには油路５７Ｒを介してオイルが供給され、また第２空間５６はシールリング５３Ｔおよび中間シールリング６１により区画され、そこには油路５７Ｔを介してオイルが供給される。
本実施の形態によれば、第１空間５５および第２空間５６に供給されるオイルの圧力や温度を別個に制御することにより、第１空間５５のスクイズフィルムによる径方向の制振力および第２空間５６のスクイズフィルムによる軸方向の制振力を独立に調整することができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、本発明の適用対象は実施の形態のガスタービンエンジンの後部第１ベアリング１４に限定されず、ガスタービンエンジンの他のベアリングに適用することも可能であり、ガスタービンエンジン以外の任意の用途のベアリングに適用することも可能である。
また実施の形態の後部第１ベアリング１４はボールベアリングであるが、ローラベアリングやニードルベアリングのような他種のベアリングであっても良い。
１５ 低圧系シャフト（回転軸）
４１ スリーブ（回転軸）
４４ ベアリング保持部材
４５ インナーレース
４６ アウターレース
４７ ボール（転動体）
５３Ｒ シールリング
５３Ｔ シールリング
５４ 環状空間
５５ 第１空間
５６ 第２空間
６１ 中間シールリング

Claims (3)

  1. 回転軸（１５，４１）の外周に嵌合するインナーレース（４５）と、ベアリング保持部材（４４）の内周に支持されたアウターレース（４６）と、前記インナーレース（４５）および前記アウターレース（４６）間に配置された複数の転動体（４７）と、前記ベアリング保持部材（４４）および前記アウターレース（４６）間に一対のシールリング（５３Ｒ，５３Ｔ）により区画されてスクイズフィルムを構成する環状空間（５４）とを備えるスクイズフィルムダンパベアリング装置であって、
    前記環状空間（５４）は、前記アウターレース（４６）の外周面に臨む第１空間（５５）と、前記アウターレース（４６）の軸方向端面に臨む第２空間（５６）とからなることを特徴とするスクイズフィルムダンパベアリング装置。
  2. 一対の前記第２空間（５６）が前記アウターレース（４６）の軸方向両端面に臨むように区画されることを特徴とする、請求項１に記載のスクイズフィルムダンパベアリング装置。
  3. 前記第１空間（５５）と前記第２空間（５６）との間を仕切る中間シールリング（６１）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のスクイズフィルムダンパベアリング装置。
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