(57)【要約】【課題】回転軸の振動を効果的に低減することで、この回転軸により装置が損傷されることを抑制することのできる軸受支持構造及びガスタービンを提供する。【解決手段】円筒状に形成されるケーシング７と、円筒状に形成されケーシング７内に収容される軸受部８と、軸受部８により回転自在に支持される回転軸５と、ケーシング７と軸受部８とを連結すると共に、軸受部８側における径方向の反力を低減可能な反力低減手段１３とを備えるので、回転軸がアンバランスになっても、この回転軸により装置が損傷されることを抑制することのできる軸受支持構造及びガスタービンを提供することができる。【選択図】図２
2008019966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状に形成されるケーシングと、
円筒状に形成され前記ケーシング内に収容される軸受部と、
前記軸受部により回転自在に支持される回転軸と、
前記ケーシングと前記軸受部とを連結すると共に、前記軸受部側における径方向の反力を低減可能な反力低減手段とを備えることを特徴とする、
軸受支持構造。
【請求項２】
前記反力低減手段は、前記軸受部周りに円環状に形成され、周方向に径方向より高い剛性又は強度を有することを特徴とする、
請求項１に記載の軸受支持構造。
【請求項３】
前記反力低減手段は、前記回転軸の回転軸線に対して垂直な円盤状に形成される複数のダイヤフラムを有することを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の軸受支持構造。
【請求項４】
前記反力低減手段は、中心軸線が前記回転軸線と平行な円筒状に形成され、隣接する前記複数のダイヤフラムの一端同士を接続する接続部を有することを特徴とする、
請求項３に記載の軸受支持構造。
【請求項５】
前記反力低減手段は、基端が前記ケーシングに固定される第１のダイヤフラムと、基端が前記軸受部に固定されると共に外径が前記第１のダイヤフラムの内径よりも長い前記第２のダイヤフラムと、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとの間に位置し、一端が第１の接続部を介して前記第１のダイヤフラムの先端と接続され、他端が第２の接続部を介して前記第２のダイヤフラムの先端と接続される第３のダイヤフラムとを有することを特徴とする、
請求項４に記載の軸受支持構造。
【請求項６】
前記反力低減手段は、ベローズ構造をなすことを特徴とする、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の軸受支持構造。
【請求項７】
前記反力低減手段は、中心軸線が前記回転軸線と平行な円筒状に形成され、該回転軸線の方向に複数のスリットが形成される梁状部を有することを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の軸受支持構造。
【請求項８】
圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、
前記タービンは、
円筒状に形成される外側ディフューザと、
円筒状に形成され該外側ディフューザの内側に設けられる内側ディフューザと、
円筒状に形成され前記内側ディフューザ内に収容される軸受部と、
前記燃焼ガスの流動方向に対して静翼の下流側に位置する動翼を有し、前記軸受部により回転自在に支持されるタービンロータと、
前記外側ディフューザと前記内側ディフューザとの間に形成され、前記動翼を通過した燃焼ガスを排気ガスとして排出可能な排気ガス流路と、
前記内側ディフューザと前記軸受部とを連結すると共に、前記軸受部側における径方向の反力を低減する反力低減手段とを備えることを特徴とする、
ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシングに軸受を支持する軸受支持構造及び圧縮した圧縮空気に燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスタービンは、例えば、ヘリコプタのターボシャフトエンジンに適用されるものがある。このようなガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されており、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、この回転動力がタービンに連結された出力軸としての回転軸を介してヘリコプタのトランスミッションに出力される。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで回転軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排気車室のディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。
【０００３】
このように構成されるガスタービンでは、一般的には前記回転軸を回転可能に支持する軸受部をケーシングに支持する構造として、ケーシングと軸受部とを支持部材を介して剛接合により連結している。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載されているガスタービンのフレーム構造では、支持部材の半径方向内端を連結し、燃焼排気ガス通路の内壁を構成する外周部と、軸受を支持するためのインナーコーン部と、外周部の前後とインナーコーン部とをそれぞれ連結する前後のインナーウォール部を備え、前後のインナーウォール部の一方を半径方向の変形に対する剛性を低くし、他方を十分な剛性を有するように構成している（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２４６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１に記載されているガスタービンのフレーム構造では、前後のインナーウォール部のいずれか一方が半径方向の変形に対する剛性が低く、他方が十分な剛性を有しているので、剛性の低い方が半径方向に変形することにより、熱応力を低減することができる。しかしながら、例えば、回転軸が異常回転して動翼が破断し、この回転軸がアンバランスになったときに、回転軸が大きく振動し、この振動が軸受部やケーシングに伝達され、このケーシング自体が振動することで軸受やケーシングなどの構造体を損傷、破損させてしまうおそれがある。
【０００７】
そこで本発明は、回転軸の振動を効果的に低減することで、この回転軸により装置が損傷されることを抑制することのできる軸受支持構造及びガスタービン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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による軸受支持構造は、円筒状に形成されるケーシングと、円筒状に形成され前記ケーシング内に収容される軸受部と、前記軸受部により回転自在に支持される回転軸と、前記ケーシングと前記軸受部とを連結すると共に、前記軸受部側における径方向の反力を低減可能な反力低減手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明による軸受支持構造では、前記反力低減手段は、前記軸受部周りに円環状に形成され、周方向に径方向より高い剛性又は強度を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明による軸受支持構造では、前記反力低減手段は、前記回転軸の回転軸線に対して垂直な円盤状に形成される複数のダイヤフラムを有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明による軸受支持構造では、前記反力低減手段は、中心軸線が前記回転軸線と平行な円筒状に形成され、隣接する前記複数のダイヤフラムの一端同士を接続する接続部を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明による軸受支持構造では、前記反力低減手段は、基端が前記ケーシングに固定される第１のダイヤフラムと、基端が前記軸受部に固定されると共に外径が前記第１のダイヤフラムの内径よりも長い第２のダイヤフラムと、前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとの間に位置し、一端が第１の接続部を介して前記第１のダイヤフラムの先端と接続され、他端が第２の接続部を介して前記第２のダイヤフラムの先端と接続される第３のダイヤフラムとを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明による軸受支持構造では、前記反力低減手段は、ベローズ構造をなすことを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係る発明による軸受支持構造では、前記反力低減手段は、中心軸線が前記回転軸線と平行な円筒状に形成され、該回転軸線の方向に複数のスリットが形成される梁状部を有することを特徴とする。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項８に係る発明によるガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、前記タービンは、円筒状に形成される外側ディフューザと、円筒状に形成され該外側ディフューザの内側に設けられる内側ディフューザと、円筒状に形成され前記内側ディフューザ内に収容される軸受部と、前記燃焼ガスの流動方向に対して静翼の下流側に位置する動翼を有し、前記軸受部により回転自在に支持されるタービンロータと、前記外側ディフューザと前記内側ディフューザとの間に形成され、前記動翼を通過した燃焼ガスを排気ガスとして排出可能な排気ガス流路と、前記内側ディフューザと前記軸受部とを連結すると共に、前記軸受部側における径方向の反力を低減可能な反力低減手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明による軸受支持構造によれば、円筒状に形成されるケーシングと、円筒状に形成されケーシング内に収容される軸受部と、軸受部により回転自在に支持される回転軸と、ケーシングと軸受部とを連結すると共に、前記軸受部側における径方向の反力を低減可能な反力低減手段とを備える。
【００１７】
したがって、ケーシングは軸受部を収容し、軸受部はケーシング内で回転軸を回転自在に支持し、この軸受部とケーシングとは反力低減手段により連結されるので、回転軸がアンバランスになり、この回転軸に大きな振動が発生した場合でも、この反力低減手段により軸受部側における径方向の反力が低減されることから、回転軸の振動により装置が損傷されることを抑制することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明による軸受支持構造によれば、反力低減手段は、軸受部周りに円環状に形成され、周方向に径方向より高い剛性又は強度を有する。したがって、軸受部周りに円環状に、かつ、周方向に径方向より高い剛性又は強度を有して形成される反力低減手段により、ケーシングと軸受部との連結部分において周方向に対する高いねじれ剛性又は強度を確保することができるので、例えば、軸受部がスティックした際でも、この軸受部を介したねじれ力に抗することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明による軸受支持構造によれば、反力低減手段は、回転軸の回転軸線に対して垂直な円盤状に形成される複数のダイヤフラムを有する。したがって、回転軸線に対して垂直な円盤状に形成される複数のダイヤフラムが面外に曲がって変形することにより、ケーシング及び軸受部における径方向の反力を低減することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明による軸受支持構造によれば、反力低減手段は、中心軸線が回転軸線と平行な円筒状に形成され、隣接する複数のダイヤフラムの一端同士を接続する接続部を有する。したがって、隣接する複数のダイヤフラムは接続部により互いに間隔をあけて平行に接続されるので、反力低減手段全体の径方向に対する剛性を高めることがなく、軸受部側における径方向の反力をより効果的に低減することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明による軸受支持構造によれば、反力低減手段は、基端がケーシングに固定される第１のダイヤフラムと、基端が軸受部に固定されると共に外径が第１のダイヤフラムの内径よりも長い第２のダイヤフラムと、第１のダイヤフラムと第２のダイヤフラムとの間に位置し、一端が第１の接続部を介して第１のダイヤフラムの先端と接続され、他端が第２の接続部を介して第２のダイヤフラムの先端と接続される第３のダイヤフラムとを有する。したがって、軸受部とケーシングとが第１のダイヤフラム、第２のダイヤフラム及び第３のダイヤフラムを介して連結され、さらに、第２のダイヤフラムの外径が第１のダイヤフラムの内径よりも長いことから、この第１のダイヤフラム、第２のダイヤフラム及び第３のダイヤフラムは軸方向に層をなして設けられることになり、また、第１の接続部により第１のダイヤフラムの先端と第３のダイヤフラムの一端とが、第２の接続部により第２のダイヤフラムの先端と第３のダイヤフラムの他端とが接続されるので、反力低減手段全体における柔らかい部分を増加させることができ、よって、反力低減手段の剛性が低下し、ばね定数が低減され、これにより、軸方向に対する接続部の長さを短くしても、軸受部側における径方向の反力を十分に低減することができる。さらに、軸方向に対する接続部の長さを短くすることができるので、反力低減手段を設置する位置の軸方向のスペースが狭い場合でもこの軸受支持構造を適用することができる。また、第１のダイヤフラム、第２のダイヤフラム及び第３のダイヤフラムを軸方向に対して一部が重なるように配置することから、反力低減手段の径方向の長さも短くすることができるので、反力低減手段を設置する位置の径方向のスペースが狭い場合でもこの軸受支持構造を適用することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明による軸受支持構造によれば、反力低減手段は、ベローズ構造をなす。したがって、回転軸線に対して垂直な円盤状に形成される多数のダイヤフラムが面外に曲がって変形するので、軸受部側における径方向の反力を低減することができると共に、反力低減手段が軸方向に伸縮することで軸方向の反力も効果的に低減することができる。
【００２３】
請求項７に係る発明による軸受支持構造によれば、反力低減手段は、中心軸線が回転軸線と平行な円筒状に形成され、該回転軸線の方向に複数のスリットが形成される梁状部を有する。したがって、回転軸線の方向に形成される複数のスリットにより、中心軸線が回転軸線と平行な円筒状に形成される梁状部の剛性が低下され、径方向に対して柔らかい構造となるので、この反力低減手段により軸受部側における径方向の反力を低減することができる。
【００２４】
請求項８に係る発明によるガスタービンによれば、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、タービンは、円筒状に形成される外側ディフューザと、円筒状に形成され該外側ディフューザの内側に設けられる内側ディフューザと、円筒状に形成され内側ディフューザ内に収容される軸受部と、燃焼ガスの流動方向に対して静翼の下流側に位置する動翼を有し、軸受部により回転自在に支持されるタービンロータと、外側ディフューザと内側ディフューザとの間に形成され、動翼を通過した燃焼ガスを排気ガスとして排出可能な排気ガス流路と、内側ディフューザと軸受部とを連結すると共に、軸受部側における径方向の反力を低減可能な反力低減手段とを備える。
【００２５】
したがって、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給し、静翼を通過した燃焼ガスが動翼にあたり、この動翼が設けられているタービンロータを回転し、回転動力を得る。動翼を通過した燃焼ガスは外側ディフューザと内側ディフューザによって形成される排気ガス流路を介して排気ガスとして装置外に排出される。この間、タービンロータを回転自在に支持する軸受部は、反力低減手段を介してこの内側ディフューザ内に連結されるので、タービンロータがアンバランスになり、このタービンロータに大きな振動が発生した場合でも、この反力低減手段により軸受部側における径方向の反力が低減されることから、回転軸としてのタービンロータの振動により装置が損傷されることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る軸受支持構造及びガスタービンの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２７】
図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンとしてのターボシャフトエンジンの模式的断面図、図２は、本発明の実施例１に係るターボシャフトエンジンの反力低減手段としての軸受フレームの部分断面図である。本実施例では本発明に係る軸受支持構造をガスタービンとしてのターボシャフトエンジン１に適用して説明する。本図に示すターボシャフトエンジン１は、例えば、ヘリコプタ用のエンジンとして用いられる。
【００２８】
ターボシャフトエンジン１は、図１に示すように、圧縮機２と燃焼器３とタービン４により構成され、このタービン４に図示しない出力軸が連結される。この圧縮機２は、空気を取り込む空気取入口２ａを有し、圧縮機車室内に複数の静翼と動翼が交互に配設されてなる。燃焼器３は、圧縮機２で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナーで点火することで燃焼可能となっている。タービン４は、コンプレッサタービン４ａと、コンプレッサタービン４ａの下流に位置するパワータービン４ｂとを含んで構成される。さらに、タービン４は、タービン車室内に複数の静翼１６（図２参照）と動翼１７（図２参照）が交互に配設され、タービンロータ５及びパワータービン４ｂの下流に位置する排気室６を備える。後述する反力低減手段としての軸受フレーム１３は、パワータービン４ｂと排気室６の間に位置する。タービンロータ５は、圧縮機２、燃焼器３、タービン４の中心部を貫通するように位置しており、排気室６側の端部が排気室側軸受部８（図２参照）により回転自在に支持される一方、圧縮機２側の端部が圧縮機側軸受部（不図示）により回転自在に支持される。そして、このタービンロータ５は、タービン４の動翼１７が連結されると共に、圧縮機２側に図示しない出力軸が連結される。
【００２９】
したがって、圧縮機２の空気取入口２ａから取り込まれた空気が、複数の静翼と動翼を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器３にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器３で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン４を構成する複数の静翼１６と動翼１７を通過することでタービンロータ５を駆動回転し、このタービンロータ５に連結された出力軸を駆動する一方、排気ガスは排気室６のディフューザ７（図２参照）を通過して静圧に変換されてから後方に放出される。
【００３０】
タービン４は、さらに具体的には、図２に示すように、ディフューザ７（軸受支持構造のケーシングに相当）をなす外側ディフューザ７ａ及び内側ディフューザ７ｂと、内側ディフューザ７ｂ内に収容される軸受部としての軸受部８（軸受支持構造の軸受部に相当）、軸受部８により回転自在に支持されるタービンロータ５（軸受支持構造の回転軸に相当）を備える。
【００３１】
外側ディフューザ７ａ及び内側ディフューザ７ｂは、ともに円筒形に形成され、この円筒形の中心軸線がほぼ一致するようにストラット９により連結され、その間に円環状の燃焼ガス流路１０ａ及び排気ガス流路１０ｂを形成する。燃焼ガス流路１０ａは、排気ガス流路１０ｂの上流側に位置し、この燃焼ガス流路１０ａには、静翼１６が周方向に均等に間隔をあけて固定される。燃焼ガス流路１０ａと排気ガス流路１０ｂとは静翼１６、静翼１６の下流側に位置する動翼１７を挟んで連通され、燃焼ガス流路１０ａは、燃焼ガスを静翼１６、動翼１７に導入し、排気ガス流路１０ｂは、動翼１７を通過した燃焼ガスを排気ガスとして排出する。
【００３２】
軸受部８は、ベアリング１１と、このベアリング１１を収容するベアリングケース１２を備える。ベアリングケース１２は、円筒状に形成され、その外周側において反力低減手段としての軸受フレーム１３（軸受支持構造の反力低減手段に相当）によって内側ディフューザ７ｂと連結される。さらに、ベアリングケース１２は、その内周側、すなわち、中空部分にベアリング１１を保持し、このベアリング１１は、内側ディフューザ７ｂ内でタービンロータ５を回転自在に支持する。
【００３３】
タービンロータ５は、円筒形に形成され回転軸線１４ａを中心に回転可能なシャフト１４と、このシャフト１４に固定されるディスク１５を有する。ディスク１５は、円盤状に形成され、このディスク１５の外周部に上述した複数の動翼１７が周方向に均等に間隔をあけて固定される。複数の動翼１７は、燃焼ガスの流動方向に対して上述した複数の静翼１６と対向するようにその下流側に位置している。
【００３４】
また、タービン４は、軸受部８に潤滑油を供給する潤滑油供給管１８を備える。潤滑油供給管１８は、外側ディフューザ７ａの外側からストラット９の内側を通って軸受部８の近傍まで延設される。潤滑油供給管１８は、潤滑油を軸受部８に供給し、軸受部８は、この潤滑油により潤滑されると共に冷却される。
【００３５】
ところで、このように構成されたタービン４では、例えば、タービンロータ５が異常回転して動翼１７が破断し、このタービンロータ５がアンバランスになったときに、このタービンロータ５が大きく振動し、この振動が軸受部８やディフューザ７に伝達され、このディフューザ７自体が振動することで軸受部８やディフューザ７、潤滑油供給管１８などの構造体を損傷、破損させてしまうおそれがある。
【００３６】
そこで、本実施例のターボシャフトエンジン１では、内側ディフューザ７ｂとベアリングケース１２とを連結する軸受フレーム１３を軸受部８側における径方向の反力を低減するように径方向の剛性を低くして構成することで、タービンロータ５がアンバランスになり、このタービンロータ５に大きな振動が発生した場合でも、この振動により装置が損傷されることを抑制するようにしている。ここで、軸受部８側における径方向の反力とは、回転軸線１４ａに対して直交する方向に対する反力である。同様に、径方向の剛性とは、回転軸線１４ａに対して直交する方向に対する剛性である。
【００３７】
すなわち、軸受部８を支持する軸受フレーム１３は、径方向の剛性を低くして柔構造をなすように構成することで、この軸受フレーム１３が径方向に対して弾性変形することにより、軸受部８が内側ディフューザ７ｂに対して相対的に変位することができるようになり、例えば、剛構造により構成する場合のようにタービンロータ５のアンバランス力（回転軸線のぶれによる振動等）としての反力を全部受けてしまうことがなくなり、この軸受フレーム１３によりこの反力を低減することで装置全体に対して伝達される反力が低減される。
【００３８】
具体的には、軸受フレーム１３は、図２に示すように、全体として軸受部８周りに円環状に形成される。軸受フレーム１３は、３枚のダイヤフラムとして金属製の第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０及び第３のダイヤフラム２３と、これらを接続する金属製の第１の接続部２１と第２の接続部２２を有する。第１のダイヤフラム１９は、基端が内側ディフューザ７ｂの内周面に接続され、第２のダイヤフラム２０は、基端がベアリングケース１２の外周面に接続され、第３のダイヤフラム２３は、第２のダイヤフラム２０に対して第１のダイヤフラム１９の反対側に設けられる。第１の接続部２１は、第１のダイヤフラム１９の先端と第３のダイヤフラム２３の一端とを接続し、第２の接続部２２は、第３のダイヤフラム２３の他端と第２のダイヤフラム２０の先端とを接続する。
【００３９】
第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０、第３のダイヤフラム２３は、回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成される。ここで、第２のダイヤフラム２０は、その外径ｒ２が第１のダイヤフラム１９の内径ｒ１よりも小さくなるように形成され、第３のダイヤフラム２３は、その内径が第２のダイヤフラム２０の外径ｒ２と等しく、その外径が第１のダイヤフラム１９の内径ｒ１に等しくなるように形成される。そして、第１の接続部２１、第２の接続部２２は、中心軸線が回転軸線１４ａと平行な円筒状に形成される。第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０及び第３のダイヤフラム２３は、剛性が低く、すなわち、ばね力が弱く、柔らかい。一方、第１の接続部２１、第２の接続部２２、は、第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０よりも剛性が高い。これにより、軸受フレーム１３は、全体として周方向に高い剛性及び強度を有することとなり、内側ディフューザ７ｂとベアリングケース１２との連結部分において周方向に対する高いねじれ剛性及び強度を確保することができる。そして、第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０、第３のダイヤフラム２３の剛性及び第１のダイヤフラム１９と第３のダイヤフラム２３との間隔、すなわち、第１の接続部２１の軸方向に対する長さ、第２のダイヤフラム２０と第３のダイヤフラム２３との間隔、すなわち、第２の接続部２２の軸方向に対する長さをそれぞれ調整することで、軸受フレーム１３全体の径方向に対する剛性を調整することができる。つまり、第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０、第３のダイヤフラム２３の剛性を低くするとともに、第１の接続部２１、第２の接続部２２の軸方向に対する長さを長くすることで、軸受フレーム１３全体の径方向に対するばね定数が低下され、剛性が低下される。
【００４０】
上記のように構成されるターボシャフトエンジン１では、タービンロータ５は、この動翼１７が全て存在している状態において回転体としてバランスが良い。そして、例えば、このタービンロータ５が異常回転し、動翼１７が破断した場合、このタービンロータ５は、回転体としてアンバランスになり、回転軸線１４ａがぶれて径方向に大きく振動してしまうおそれがある。このとき、この振動が軸受部８を介して径方向から第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０、第３のダイヤフラム２３に加わると、各第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０、第３のダイヤフラム２３は、ばね力が弱く、柔らかく形成されていることから、タービンロータ５の回転軸線１４ａがぶれて径方向に大きく振動し、軸受部８を径方向に大きく振動させても、面外の方向、すなわち、回転軸線１４ａ方向に大きく撓んで曲がることでこの反力を低減する。つまり、軸受フレーム１３により軸受部８を内側ディフューザ７ｂに対して相対的に変位しやすくすることで、タービンロータ５の振動が緩衝され、装置全体に対して伝達される反力が低減される。
【００４１】
以上で説明した本発明の実施例１に係るターボシャフトエンジン１によれば、圧縮機２で圧縮した圧縮空気に燃焼器３で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービン４に供給することで回転動力を得る。さらに、タービン４は、円筒状に形成される外側ディフューザ７ａと、円筒状に形成され該外側ディフューザ７ａの内側に設けられる内側ディフューザ７ｂと、円筒状に形成され内側ディフューザ７ｂ内に収容される軸受部８と、燃焼ガスの流動方向に対して静翼１６の下流側に位置する動翼１７を有し、軸受部８により回転自在に支持されるタービンロータ５と、外側ディフューザ７ａと内側ディフューザ７ｂとの間に形成され、動翼１７を通過した燃焼ガスを排気ガスとして排出可能な排気ガス流路１０ｂと、内側ディフューザ７ｂと軸受部８とを連結すると共に、軸受部８側における径方向の反力を低減可能な軸受フレーム１３とを備える。
【００４２】
したがって、圧縮機２で圧縮した圧縮空気に燃焼器３で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給し、静翼１６を通過した燃焼ガスが動翼１７にあたり、この動翼１７が設けられているタービンロータ５を回転し、回転動力を得る。動翼１７を通過した燃焼ガスは外側ディフューザ７ａと内側ディフューザ７ｂによって形成される排気ガス流路１０ｂを介して排気ガスとして装置外に排出される。この間、タービンロータ５を回転自在に支持する軸受部８は、軸受フレーム１３を介してこの内側ディフューザ７ｂ内に連結されるので、例えば、タービンロータ５が異常回転して動翼１７が破断しこのタービンロータ５がアンバランスになり、大きな振動が発生した場合でも、この軸受フレーム１３により軸受部８側における径方向の反力が低減されることから、タービンロータ５の振動により装置が損傷されることを抑制することができる。
【００４３】
さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係るターボシャフトエンジン１によれば、軸受フレーム１３は、軸受部８周りに円環状に形成され、周方向に径方向より高い剛性及び強度を有する。したがって、軸受部８周りに円環状に、かつ、周方向に径方向より高い剛性及び強度を有して形成される軸受フレーム１３により、内側ディフューザ７ｂとベアリングケース１２との連結部分において周方向に対する高いねじれ剛性及び強度を確保することができるので、例えば、ベアリング１１がスティックし、タービンロータ５がベアリングケース１２ごと回転しようとしても、このベアリングケース１２を介したねじれ力に抗することができる。
【００４４】
さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係るターボシャフトエンジン１によれば、軸受フレーム１３は、タービンロータ５の回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成される複数のダイヤフラムとしての第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０及び第３のダイヤフラム２３を有する。したがって、回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成される第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０及び第３のダイヤフラム２３が面外に曲がって変形することにより、軸受部８側における径方向の反力を効果的に低減することができる。
【００４５】
さらに、以上で説明した本発明の実施例１に係るターボシャフトエンジン１によれば、軸受フレーム１３は、中心軸線が回転軸線１４ａと平行な円筒状に形成され、隣接する第１のダイヤフラム１９と第３のダイヤフラム２３の一端同士を接続する第１の接続部２１と、第３のダイヤフラム２３と第２のダイヤフラム２０の一端同士を接続する第２の接続部２２を有する。したがって、第１のダイヤフラム１９と第３のダイヤフラム２３とは第１の接続部２１により、第３のダイヤフラム２３と第２のダイヤフラム２０とは第２の接続部２２により互いに間隔をあけて平行に接続されるので、軸受フレーム１３全体の径方向に対する剛性を高めることがなく、周方向に対する剛性及び強度を確保しつつ、軸受部８側における径方向の反力をより効果的に低減することができる。
【実施例２】
【００４６】
図３は、本発明の実施例２に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの部分断面図である。実施例２に係るターボシャフトエンジン２０１は、実施例１に係るターボシャフトエンジン１と略同様の構成であるが、反力低減手段としての軸受フレーム２１３において実施例１のダイヤフラムよりも内外径比の大きいダイヤフラムを用いている点で実施例１に係るターボシャフトエンジン１とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００４７】
ターボシャフトエンジン２０１の軸受フレーム２１３は、３枚のダイヤフラム、すなわち、第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３を有し、これらが第１の接続部２２１、第２の接続部２２２により接続されることで形成される。第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３は、回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成され、剛性が低く、ばね力が弱い一方、第１の接続部２２１、第２の接続部２２２は、中心軸線が回転軸線１４ａと平行な円筒状に形成され、剛性が高い。
【００４８】
第１のダイヤフラム２１９は、基端が内側ディフューザ７ｂの内周面に固定され、第２のダイヤフラム２２０は、基端がベアリングケース１２の外周面に固定されると共に外径ｒ２が第１のダイヤフラム２１９の内径ｒ１よりも長く設定される。第３のダイヤフラム２２３は、第１のダイヤフラム２１９と第２のダイヤフラム２２０との間に位置する。そして、第３のダイヤフラム２２３は、一端（図中ベアリングケース１２側の端部）が第１の接続部２２１を介して第１のダイヤフラム２１９の先端と接続される一方、他端（図中内側ディフューザ７ｂの端部）が第２の接続部２２２を介して第２のダイヤフラム２２０の先端と接続される。すなわち、軸受フレーム２１３は、第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３が軸方向（回転軸線１４ａ方向）に層をなすようにして形成される。つまり、第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３は、それぞれ実施例１の第１のダイヤフラム１９、第２のダイヤフラム２０及び第３のダイヤフラム２３よりも内外径比（外径／内径）が大きくなるように設定され、環状部分の径方向に対する長さが長くなるので、第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３自体の回転変位を大きくすることが可能となり、これにより、第１のダイヤフラム２１９と第３のダイヤフラム２２３との間隔、第３のダイヤフラム２２３と第２のダイヤフラム２２０との間隔、すなわち、第１の接続部２２１、第２の接続部２２２の軸方向に対する長さを短くしつつ、軸受フレーム１３全体の径方向に対するばね定数が低下され、剛性が低下される。
【００４９】
以上で説明した本発明の実施例２に係るターボシャフトエンジン２０１によれば、軸受フレーム２１３は、基端が内側ディフューザ７ｂに固定される第１のダイヤフラム２１９と、基端がベアリングケース１２に固定されると共に外径が第１のダイヤフラム２１９の内径よりも長い第２のダイヤフラム２２０と、第１のダイヤフラム２１９と第２のダイヤフラム２２０との間に位置し、一端が第１の接続部２２１を介して第１のダイヤフラム２１９の先端と接続され、他端が第２の接続部２２２を介して第２のダイヤフラム２２０の先端と接続される第３のダイヤフラム２２３とを有する。
【００５０】
したがって、内側ディフューザ７ｂとベアリングケース１２とが第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３を介して連結され、さらに、第２のダイヤフラム２２０の外径ｒ２が第１のダイヤフラム２１９の内径ｒ１よりも長いことから、この第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３は軸方向に層をなして設けられ、また、第１の接続部２２１により第１のダイヤフラム２１９の先端と第３のダイヤフラム２２３の一端とが、第２の接続部２２２により第２のダイヤフラム２２０の先端と第３のダイヤフラム２２３の他端とが接続されるので、軸受フレーム２１３全体における柔らかい部分を増加させることができ、軸受フレーム２１３の剛性が低下し、ばね定数が低減され、これにより、軸方向に対する接続部、すなわち、第１の接続部２２１、第２の接続部２２２の長さを短くしても、軸受部８側における径方向の反力を十分に低減することができる。さらに、タービンロータ５の軸方向に対する接続部の長さを短くすることができるので、軸受フレーム２１３を設置する位置の軸方向のスペースが狭い場合でもこの軸受支持構造を適用することができる。また、第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３を軸方向に対して一部が重なるように配置することから、軸受フレーム２１３の径方向の長さも短くすることができるので、軸受フレーム２１３を設置する位置の径方向のスペースが狭い場合でもこの軸受支持構造を適用することができる。
【実施例３】
【００５１】
図４は、本発明の実施例３に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの部分断面図である。実施例３に係るターボシャフトエンジン３０１は、実施例２に係るターボシャフトエンジン２０１と略同様の構成であるが、反力低減手段としての軸受フレーム３１３がベローズ構造をなす点で実施例２に係るターボシャフトエンジン２０１とは異なる。その他、実施例２と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００５２】
ターボシャフトエンジン３０１の軸受フレーム３１３は、回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成され、剛性が低く、ばね力が弱いダイヤフラム３１９を多数有しており、これら隣接する多数のダイヤフラム３１９がそれぞれ接続部３２１を介して接続されることで軸方向に蛇腹状のベローズ構造をなす。多数のダイヤフラム３１９は、それぞれ内径ｒ１及び外径ｒ２がほぼ等しい。各ダイヤフラム３１９は、実施例２の第１のダイヤフラム２１９、第２のダイヤフラム２２０及び第３のダイヤフラム２２３と比較して内外径比が小さく、環状部分の径方向に対する長さが短いため、剛性は実施例２の場合と比較して低くはないが、実施例２に係るターボシャフトエンジン２０１の軸受フレーム２１３よりも、ダイヤフラム３１９の枚数をさらに増やすことにより、軸受フレーム３１３全体の剛性を低くしている。
【００５３】
以上で説明した本発明の実施例３に係るターボシャフトエンジン３０１によれば、軸受フレーム３１３は、ベローズ構造をなす。したがって、回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成される多数のダイヤフラム３１９が面外に曲がって変形するので、軸受部８側における径方向の反力を低減することができると共に、軸受フレーム３１３自体が軸方向に伸縮することで軸方向の反力も効果的に低減することができる。なお、上述した他の実施例においても軸受フレーム自体が軸方向に多少伸縮することはできるので軸方向の反力を低減することはできる。
【実施例４】
【００５４】
図５は、本発明の実施例４に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの部分断面図、図６は、本発明の実施例４に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの模式的斜視図である。実施例４に係るターボシャフトエンジン４０１は、実施例１に係るターボシャフトエンジン１と略同様の構成であるが、反力低減手段としての軸受フレーム４１３がダイヤフラムを備えない構造である点で実施例１に係るターボシャフトエンジン１とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。
【００５５】
ターボシャフトエンジン４０１の軸受フレーム４１３は、中心軸線が回転軸線１４ａと平行な円筒状に形成される梁状部４２４と、ベアリングケース１２に固定される軸受部側固定部４２６、内側ディフューザ７ｂに固定されるディフューザ側固定部４２７とを有する。軸受部側固定部４２６、ディフューザ側固定部４２７は共に金属により高い剛性を有するように形成される。
【００５６】
軸受部側固定部４２６は、回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成され基端がベアリングケース１２の外周面に固定され、一方、ディフューザ側固定部４２７は、回転軸線１４ａに対して垂直な円盤状に形成され基端が内側ディフューザ７ｂの内周面に固定される。梁状部４２４は、軸受部側固定部４２６の先端とディフューザ側固定部４２７の先端とを接続する。さらに、梁状部４２４は、図６に示すように、回転軸線１４ａの方向に複数のスリット４２５が形成される。すなわち、梁状部４２４は、回転軸線１４ａに平行な複数の梁のような形状となり、径方向に対する剛性を低下させることができるようになる。これにより、軸受フレーム４１３に対して径方向に反力が加わった場合、この梁状部４２４が径方向に変位することで、反力が低減される。また、上述した潤滑油供給管１８は、この複数のスリット４２５のうちの１つを通って軸受部８に潤滑油を供給することもできる。
【００５７】
なお、本実施例のターボシャフトエンジン４０１では、梁状部４２４にスリット４２５を形成したので、軸受部側固定部４２６の燃焼ガスの流動方向上流側に円盤状の遮蔽版４２８を設けている。遮蔽版４２８は、ベアリングケース１２の外周面と内側ディフューザ７ｂの内周面との間を塞ぐように固定され、内側ディフューザ７ｂ内排気側の低圧部へのガスの逆流を防止している。なお、この遮蔽版４２８は、軸受部８を支持するものではないので高い剛性は必要なく、軸受フレーム４１３の径方向への変形に伴って追従する部材を用いるので、反力の低減の妨げになることはない。
【００５８】
以上で説明した本発明の実施例４に係るターボシャフトエンジン４０１によれば、軸受フレーム４１３、中心軸線が回転軸線１４ａと平行な円筒状に形成され、該回転軸線１４ａの方向に複数のスリット４２５が形成される梁状部４２４を有し、潤滑油供給管１８は、スリット４２５を通って潤滑油を供給する。したがって、回転軸線１４ａの方向に形成される複数のスリット４２５により、中心軸線が回転軸線１４ａと平行な円筒状に形成される梁状部４２４の剛性が低下され、径方向に対して柔らかい構造となるので、この軸受フレーム４１３により軸受部８側における径方向の反力を低減することができると共に、複数のスリット４２５を通じて潤滑油供給管１８を設けることができ、これにより軸受部８に潤滑油を供給することができるので、潤滑油供給管１８を設けるスペースを他に設ける必要がなく、軸受フレーム４１３と潤滑油供給管１８との干渉も考慮する必要がないことから、タービン４を小型化することができる。
【００５９】
なお、上述した本発明の実施例に係るガスタービン、軸受支持構造は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、ガスタービン、軸受支持構造をヘリコプタ用のターボシャフトエンジンに適用するものとして説明したが、ターボジェットエンジン、ターボファンエンジン、ターボプロップエンジン等に用いても良い。また、航空用のガスタービンではなく、産業用のガスタービンに用いても良い。また、以上の説明では、本発明の軸受支持構造のケーシングは、外側ディフューザ７ａ、内側ディフューザ７ｂ及びストラット９を含んで構成され、反力低減手段としての軸受フレーム１３、２１３、３１３、４１３は、内側ディフューザ７ｂに接続するものとして説明したが、ケーシングを筒状の部材単体で構成し、この部材に反力低減手段を接続するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る軸受支持構造及びガスタービンは、回転軸を回転可能に支持する軸受部とケーシングとを径方向の反力を低減可能に連結することで、回転軸の振動を効果的に低減し、この回転軸の振動により装置が損傷されることを抑制するものであり、回転軸を有する種々の装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例１に係るターボシャフトエンジンの模式的断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの部分断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの部分断面図である。
【図４】本発明の実施例３に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの部分断面図である。
【図５】本発明の実施例４に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの部分断面図である。
【図６】本発明の実施例４に係るターボシャフトエンジンの軸受フレームの模式的斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
１、２０１、３０１、４０１    ターボシャフトエンジン（ガスタービン）
２    圧縮機
３    燃焼器
４    タービン
５    タービンロータ（回転軸）
６    排気室
７    ディフューザ（ケーシング）
７ａ    外側ディフューザ
７ｂ    内側ディフューザ
８    軸受部
１０ａ    燃焼ガス流路
１０ｂ    排気ガス流路
１１    ベアリング
１２    ベアリングケース
１３、２１３、３１３、４１３    軸受フレーム（反力低減手段）
１４ａ    回転軸線
１６    静翼
１７    動翼
１８    潤滑油供給管
１９、２０、２３、２１９、２２０、２２３、３１９    ダイヤフラム
２１、２２、２２１、２２２、３２１    接続部
４２４    梁状部
４２５    スリット
４２８    遮蔽版
【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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