(57)【要約】【課題】十分な運転効率を確保することができる回転体支持装置を提供する。【解決手段】圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の運転状態に基づいて隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量を取得し、取得した隙間量に基づいて軸受４６を径方向に移動させる。従って、高速回転による影響や飛行荷重の影響や燃焼ガスの温度の影響など、種々の運転状態による影響を考慮して圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の径方向の変形量を予測することによって、隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの中心軸線周りの隙間量を取得する。そして、隙間量が中心軸線周りに不均一な場合は、圧電素子２を伸縮させて軸受４６を移動させることにより積極的にシャフト３３の傾きを修正し、隙間量が均一となるように圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２を位置調整する。これによって、隙間量の調整を行うことを可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内で回転する回転体のシャフトを支持する軸受に対して設けられ、前記軸受を径方向に移動可能に支持する圧電素子と、
前記回転体の運転状態に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする回転体支持装置。
【請求項２】
ケーシング内で回転する回転体のシャフトを支持する軸受に対して設けられ、前記軸受を軸方向に移動可能に支持する圧電素子と、
前記回転体の運転状態に基づいて、前記圧電素子に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする回転体支持装置。
【請求項３】
前記電圧制御手段は、前記回転体の回転速度に基づいて電圧を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の回転体支持装置。
【請求項４】
前記電圧制御手段は、前記回転体に作用する荷重に基づいて電圧を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の回転体支持装置。
【請求項５】
前記回転体は、ガスタービンのロータであり、
前記電圧制御手段は、前記ロータに供給される燃焼ガスの温度に基づいて電圧を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の回転体支持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンなどに用いられる回転体支持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転体支持装置として、例えば特開平１１−１３１５４５号公報に記載されるように、タービンなどの回転体のシャフトを支持する転がり軸受の外周側に空間を形成し、この空間に給油して油膜圧力による油膜ダンパーを形成することによって、回転体の振動を抑制するものが知られている。
【特許文献１】特開平１１−１３１５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような回転体支持装置にあっては、油膜ダンパーのための空間の影響によって軸受が芯ずれを発生してしまい、回転体とケーシングとの間の隙間量が不均一となる可能性があった。また、高速回転による影響や飛行荷重による影響など、種々の運転状態の影響によって回転体が移動・変形してしまい、隙間量が更に不均一となる可能性があった。以上によって、運転効率が低下してしまい、特にガスタービンとして用いた場合はインペラとケーシングとの間の隙間量が大きくなりすぎることによって運転効率すなわち燃料消費率が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、十分な運転効率を確保することができる回転体支持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】
【０００５】
本発明に係る回転体支持装置は、ケーシング内で回転する回転体のシャフトを支持する軸受に対して設けられ、軸受を径方向に移動可能に支持する圧電素子と、回転体の運転状態に基づいて、圧電素子に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
このような回転体支持装置では、回転体の運転状態に基づいて圧電素子に印加する電圧を制御することにより、軸受を径方向に移動させることができる。例えば高速回転による影響や飛行荷重の影響や燃焼ガスの温度の影響など、回転体の種々の運転状態による影響によって、回転体は径方向に移動・変形する。従って、これらの運転状態に基づいて変位や変形量を予測することによって回転体とケーシングとの間の隙間量を予測することができる。そして、径方向の隙間量が中心軸線周りに不均一な場合は、圧電素子を伸縮させて軸受を移動させることによって積極的にシャフトの傾きを修正し、隙間量が均一となるように回転体を位置調整することができる。これによって、隙間量の調整を行うことが可能となり、十分な運転効率を確保することができる。
【０００７】
また、本発明に係る回転体支持装置は、ケーシング内で回転する回転体のシャフトを支持する軸受に対して設けられ、軸受を軸方向に移動可能に支持する圧電素子と、回転体の運転状態に基づいて、圧電素子に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような回転体支持装置では、回転体の運転状態に基づいて圧電素子に印加する電圧を制御することにより、軸受を軸方向に移動させることができる。例えば高速回転による影響や飛行荷重の影響や燃焼ガスの温度の影響など、回転体の種々の運転状態による影響によって、回転体は軸方向に移動・変形する。従って、これらの運転状態に基づいて変位や変形量を予測することによって隙間量を予測することができる。そして、隙間量が軸方向に大きくなりすぎた場合や小さくなりすぎた場合は、圧電素子を伸縮させて軸受を移動させることによって、積極的にシャフトの軸方向の位置合わせを行い、所望の隙間量が得られるように回転体を位置調整することができる。これによって、隙間量の調整を行うことが可能となり、十分な運転効率を確保することができる。
【０００９】
本発明に係る回転体支持装置において、電圧制御手段は、回転体の回転速度に基づいて電圧を制御することが好ましい。回転体が高速回転する場合は、芯ずれなどの影響によって回転体の位置が変化し隙間量が変化してしまう。従って、回転速度に基づいて回転体の変位を予測することによって、正確に隙間量を予測して電圧を制御することができる。
【００１０】
本発明に係る回転体支持装置において、電圧制御手段は、回転体に作用する荷重に基づいて電圧を制御することが好ましい。例えば回転体に飛行荷重などの荷重が作用する場合は、回転体の位置が変化し隙間量が変化してしまう。従って、作用する荷重に基づいて回転体の変位を予測することによって、正確に隙間量を予測して電圧を制御することができる。
【００１１】
本発明に係る回転体支持装置において、回転体は、ガスタービンのロータであり、電圧制御手段は、ロータに供給される燃焼ガスの温度に基づいて電圧を制御することが好ましい。ガスタービンにおいては、ロータに供給される燃焼ガスの温度によってロータやケーシングが熱変形し、隙間量が変化してしまう。従って、燃焼ガスの温度に基づいて変形量を予測することによって、正確に隙間量を予測して電圧を制御することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転体の十分な運転効率を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係る回転体支持装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態においては、ガスタービン３０の空気Ａの吸気側、すなわち図１及び図２における紙面左側を「前側」とし、ガスタービン３０の燃焼ガスＧの排気側、すなわち図１及び図２における紙面右側を「後側」として、「前」「後」の語を用いる。
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る回転体支持装置のブロック構成を示した図であり、図２は圧電素子と軸受の拡大斜視図である。
【００１５】
図１に示すように、回転体支持装置１は、例えば航空用に用いられるガスタービン３０に対して設けられ、ガスタービン３０の圧縮ロータ（回転体）３１とタービンロータ（回転体）３２の回転を支持するものである。本実施形態に適用されるガスタービン３０は、シャフト３３に取り付けられた圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２と、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２を収容すると共に空気Ａや燃焼ガスＧの流路を形成するケーシング３４，３５とを備えている。このガスタービン３０は、吸気流路から取り込んだ空気Ａを圧縮ロータ３１で加速させると共に燃焼室（不図示）で燃焼させ、発生した高温高圧の燃焼ガスＧでタービンロータ３２を回転させて回転力を得るものである。
【００１６】
圧縮ロータ３１はボス３６に複数のブレード３７を設けることで構成されており、このボス３６とブレード３７は、前側から後側向かって径が広がるようにその断面形状が湾曲している。ブレード３７とケーシング３４との間の径方向の隙間３９ａの大きさは、０．１〜０．５ｍｍ程度とされ、軸方向の隙間３９ｂの大きさは０．３〜１．２ｍｍ程度とされている。また、タービンロータ３２はボス４１に複数のブレード４２を設けることで構成されており、このボス４１とブレード４２は、前側から後側へ向かって径が狭まるようにその断面形状が湾曲している。ブレード４２とケーシング３４との間の径方向の隙間４３ａの大きさは、０．３〜０．７ｍｍ程度とされ、軸方向の隙間４３ｂの大きさは０．３〜１．５ｍｍ程度とされている。
【００１７】
圧縮ロータ３１とタービンロータ３２のシャフト３３は、ケーシング３５に取り付けられた転がり軸受などの軸受４６，４７によって、前後二箇所で回転可能に支持されている。
【００１８】
回転体支持装置１は、前側の軸受４６に対して設けられて軸受４６を径方向に移動可能に支持する複数の圧電素子２と、圧電素子２を制御する制御部３とを備えて構成されている。
【００１９】
圧電素子２は、印加された電圧に応じて伸縮すると共に、外部から付与された荷重を電圧に変換する素子であり、例えばピエゾ素子などが用いられる。この圧電素子２は、軸受４６の外周をカバーするフランジ付カバーリング４の周面壁に、均一な間隔で３個固定されており、それぞれの伸縮方向の一端部が軸受４６の外周面と当接している（図２参照）。圧電素子２は、制御部３から電圧を印加され、それぞれ異なる長さに伸縮することによって、軸受４６の径方向の位置合わせを行うことができる。また、シャフト３３の振動で反力が付与された場合は、圧縮時に発生した電力を抵抗器などで放熱し、振動エネルギーを減衰させることによって、振動抑制手段として機能することもできる。
【００２０】
制御部３は、回転体支持装置１の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばＣＰＵを主体として構成され、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などを備えている。この制御部３は、運転状態取得部６と、隙間量取得部７と、電圧制御部８とを備えて構成されている。
【００２１】
運転状態取得部６は、ガスタービン３０の圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の運転状態を取得する機能を有している。ここで、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２とケーシング３４との間の隙間量は、ガスタービン３０の運転状態の種々の影響によって減少及び増加する。例えば、回転速度が大きくなったときは芯ずれが生じることによって圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２が傾斜する場合がある。また、ガスタービン３０と搭載する航空機の操舵操作によって圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２に横方向に押し付けられるような飛行荷重が作用する場合がある。更に、燃焼ガスが高温になることによってシャフト３３、圧縮ロータ３１、タービンロータ３２及びケーシング３４が熱変形する場合もある。従って、運転状態取得部６は、ガスタービン３０の運転制御装置からの情報やシャフト３３に設けられたセンサなどから回転速度を取得し、航空機の移動速度や操舵状況などから算出することによってガスタービン３０の圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２に作用する飛行荷重を取得し、燃焼室の温度などから燃焼ガスの温度を取得する。
【００２２】
隙間量取得部７は、運転状態取得部６で取得した運転状態に基づいて隙間量を取得する機能を有している。具体的には、隙間量取得部７は、取得した回転速度、飛行荷重及び燃焼ガスの温度に基づいて演算を行うことにより、あるいは予めストックされたデータを参照することによって圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の変位や熱変形を予測し、中心軸線の全周に亘る隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量を取得する。
【００２３】
電圧制御部８は、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の運転状態に基づいて、すなわち、隙間量取得部７で取得された隙間量に基づいて、各圧電素子２に印加する電圧を制御する機能を有している。電圧制御部８は、具体的には、シャフト３３に傾斜が発生し、又は、圧縮ロータ３１やタービンロータ３２が変形することによって隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量が不均一となっていた場合は、各圧電素子２に印加する電圧を制御して軸受４６を移動させる。このように、軸受４６の位置を調整することにより圧縮ロータ３１やタービンロータ３２の位置調整を行い、隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量を均一とする。なお、圧電素子２は、軸受４７を支点としてシャフト３３を傾斜させることによって、圧縮ロータ３１やタービンロータ３２の位置調整を行うことができる。
【００２４】
次に、図３を参照して、本実施形態に係る回転体支持装置１の動作について説明する。
【００２５】
図３は、本実施形態に係る回転体支持装置１の制御部３における処理を示すフローチャートである。この処理は、ガスタービン３０の運転中に、所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００２６】
図３に示すように、回転体支持装置１は、回転速度取得処理から処理を開始する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理は、運転状態取得部６で実行され、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の回転速度を取得する処理である。Ｓ１０の処理が終了すると、飛行荷重取得処理へ移行し（Ｓ１２）、更に燃焼ガス温度取得処理へ移行する（Ｓ１４）。飛行荷重取得処理及び燃焼ガス温度取得処理は、運転状態取得部６において、それぞれ実行され、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２に作用する飛行荷重を取得し、燃焼ガスの温度を取得する処理である。Ｓ１４の処理が終了すると、隙間量取得処理へ移行する（Ｓ１６）。
【００２７】
Ｓ１６の処理は、隙間量取得部７で実行され、Ｓ１０〜Ｓ１４で取得した回転速度、飛行荷重及び燃焼ガスの温度に基づいて、隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量を取得する処理である。Ｓ１６の処理が終了すると、隙間量判定処理へ移行する（Ｓ１８）。
【００２８】
Ｓ１８の処理は、隙間量取得部７で実行され、Ｓ１６で取得した隙間量が不均一となっているか否かを判定する処理である。具体的には、中心軸線周りの全周に亘って隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの大きさを参照し、予め設定した閾値を下回っている部分、あるいは上回っている部分が一箇所でもある場合は、隙間量が不均一であると判定する。Ｓ１８の処理において、隙間量が不均一であると判定された場合は、電圧制御処理へ移行する（Ｓ２０）。
【００２９】
Ｓ２０の処理は、Ｓ１８における判定結果に基づいて、隙間量が全周に亘って均一となるように、圧電素子２に印加する電圧を制御する処理である。例えば、芯ずれなどによって図１における紙面上側における隙間３９ａ，４３ａが小さくなり、紙面下側における隙間３９ａ，４３ａが大きくなった場合、各圧電素子２を伸縮させて軸受４６を紙面上側へ移動させ、軸受４７を支点としてシャフト３３を下方へ傾斜させることによって隙間３９ａ，４３ａを全周に亘って均一とすることができる。Ｓ２０の処理が終了したら、図３の処理は終了し、再びＳ１０の処理へ戻る。
【００３０】
一方、Ｓ１８の処理で隙間量が均一であると判定された場合は、図３の処理は終了し、再びＳ１０の処理へ戻る。
【００３１】
次に、本実施形態に係る回転体支持装置１の作用・効果について説明する。
【００３２】
まず、従来の回転体支持装置について説明する。図４は、従来の回転体支持装置のブロック構成図を示す図である。図４に示すように、従来の回転体支持装置５０は、軸受４６の外周側に設けられた空間に油圧供給装置５１から給油を行うことで、油膜ダンパー５２を形成している。このような回転体支持装置５０にあっては、油膜ダンパー５２を形成するための空間の影響によって軸受４６が芯ずれを発生してしまい、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２とケーシング３４との間の隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂが中心軸線周りに不均一となる可能性がある。また、高速回転による影響や飛行荷重による影響など、種々の運転状態の影響により圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２が移動・変形してしまい、隙間量が更に不均一となる可能性がある。以上によって、ブレード３７，４２とケーシング３４との間の隙間量が一部で大きくなりすぎることにより、空気Ａや燃焼ガスＧがブレード３７，４２に作用することなく隙間を通過してしまい、運転効率すなわち燃料消費率が低下してしまうという問題が生じる。また、隙間が小さくなりすぎることによって、ブレード３７，４２とケーシング３４が接触してしまい、運転効率が低下してしまうという問題も生じる。特に、油膜ダンパー５２を適用した場合は、エンジンが始動してから油圧供給装置５１が起動し、油膜ダンパー５２が機能するまでの間に時間がかかるため、始動時において振動を十分に減衰させることができないという問題を生じる。
【００３３】
一方、本実施形態に係る回転体支持装置１では、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の運転状態に基づいて隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量を取得し、取得した隙間量に基づいて軸受４６を径方向に移動させることができる。従って、高速回転による影響や飛行荷重の影響や燃焼ガスの温度の影響など、種々の運転状態による影響を考慮して圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の径方向の変位や変形量を予測することによって、隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの中心軸線周りの隙間量を予測することができる。そして、隙間量が中心軸線周りに不均一な場合は、圧電素子２を伸縮させて軸受４６を移動させることにより積極的にシャフト３３の傾きを修正し、隙間量が均一となるように圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２を位置調整することができる。これによって、隙間量の調整を行うことが可能となり、十分な運転効率を確保することができる。
【００３４】
また、この回転体支持装置１では、圧電素子２でシャフト３３の振動を減衰させることもでき、油膜ダンパー５２のように起動時から除振機能を発揮するまでの間に時間がかからないので、エンジンの始動時においても振動を十分に減衰させることができる。
【００３５】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る回転体支持装置について説明する。第２の実施形態に係る回転体支持装置６０は、軸受４６を軸方向に移動可能とする圧電素子６１を備えている点で、第１の実施形態に係る回転体支持装置１と主に相違している。
【００３６】
図５に示すように、回転体支持装置６０は、電圧を印加されることによって、軸方向に伸縮する複数の圧電素子６１を備えている。この圧電素子６１は、軸受４６に取り付けられたフランジ付カバーリング６２のフランジ部６２ａにボルト６３を介して３個固定されており、それぞれの伸縮方向の一端部がフランジ部６２ａの座面に当接している。ボルト６３は、ケーシング３５の壁面に螺着されているため、伸縮する圧電素子６１の他端部を移動不能に支持することができる。なお、航空機の運転中においては、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２には常に後方から前方へ向かう飛行荷重が作用するため、圧電素子６１は常に圧縮力のみが付与された状態となり、航空機の移動速度などによって圧縮力が変動する。
【００３７】
本実施形態に係る回転体支持装置６０では、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の運転状態に基づいて隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量を取得し、取得した隙間量に基づいて軸受４６を軸方向に移動させることができる。従って、高速回転による影響や飛行荷重の影響や燃焼ガスの温度の影響など、圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の種々の運転状態による影響を考慮して圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２の軸方向の変位や変形量を予測することによって、隙間３９ａ，３９ｂ，４３ａ，４３ｂの隙間量を予測することができる。特に、飛行荷重によって圧縮ロータ３１及びタービンロータ３２が全体的に前側へ移動してしまい、隙間３９ｂの隙間量が全体的に小さくなりすぎると共に隙間４３ｂの隙間量が全体的に大きくなりすぎた場合は、全ての圧電素子２を伸張させることによって、適切な隙間量を確保することができる。これによって、隙間量の調整を行うことが可能となり、十分な運転効率を確保することができる。
【００３８】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００３９】
例えば、本実施形態においては、圧電素子２及び圧電素子６１はそれぞれ３個設けられているが、４個以上設けてもよい。また、圧電素子６１は、軸受４６の前側のみに設けられているが、軸受４６を挟むようにして後側に設けられていてもよい。
【００４０】
また、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせて、軸受４６を径方向及び軸方向の両方に移動可能な構成としてもよい。
【００４１】
また、本実施形態においては、運転状態取得部６で運転状態に基づき隙間量取得部７で隙間量を取得した後、その隙間量に基づいて電圧制御部８で電圧の制御を行っているが、隙間取得部で隙間量を取得するステップを介さずに、運転状態取得部で取得した運転状態から、予め設定しておいたデータなどと照らし合わせ、あるいは算出することによって印加すべき電圧を取得し、直ちに電圧の制御を行ってもよい。
【００４２】
また、本発明においては、ガスタービンに適用しているが、これに限定されず、ケーシング内で回転する回転体を有するものであれば何であっても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る回転体支持装置のブロック構成を示した図である。
【図２】図１に示される圧電素子と軸受の拡大斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る回転体支持装置の制御部における処理を示すフローチャートである。
【図４】従来の回転体支持装置のブロック構成を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る回転体支持装置のブロック構成を示した図である。
【図６】図５に示される圧電素子と軸受の拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１，６０…回転体支持装置、２，６１…圧電素子、８…電圧制御部（電圧制御手段）、３０…ガスタービン、３１…圧縮ロータ（回転体）、３２…タービンロータ（回転体）、３３…シャフト、３４，３５…ケーシング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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