(57)【要約】【課題】  ガスタービン等の高速回転機械において、高速回転軸の両端部に潤滑油を確実に供給でき、外部配管長さを半減させて大幅な軽量化が可能であり、高速回転時の動バランスが容易にとれ、かつエンジンの運用回転域内に入る軸振動を抑制することができる高速回転機械の潤滑油供給装置と２重構造の回転軸を提供する。【解決手段】  高速回転軸２の両端部の軸受の間に高速回転軸を囲み同軸に取り付けられた薄肉の中空円筒管１２と、中空円筒管の軸方向中央部を外側から支持し薄肉の中空円筒管と同期して回転する中央支持機構１４とを備え、中空円筒管１２と高速回転軸２の隙間を通して、軸受の一方から他方に潤滑油を供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転軸の両端部の軸受の間に高速回転軸を囲み同軸に取り付けられた薄肉の中空円筒管と、該中空円筒管の軸方向中央部を外側から支持し高速回転軸と同期して回転する中央支持機構とを備え、
前記中空円筒管と高速回転軸の隙間を通して、軸受の一方から他方に潤滑油を供給する、ことを特徴とする高速回転機械の潤滑油供給装置。
【請求項２】
前記中央支持機構は、高速回転軸と同期して回転するディスクの内方端部に取り付けられ、中空円筒管の中央部外面に接触して支持する中空リング部材である、ことを特徴とする請求項１に記載の高速回転機械の潤滑油供給装置。
【請求項３】
前記中空リング部材は、前記ディスクの内方端部から軸方向に張り出した一体成形部材である、ことを特徴とする請求項２に記載の高速回転機械の潤滑油供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速回転軸の両端部に潤滑油を供給すると共に、軽量化と軸振動の抑制を行う高速回転機械の潤滑油供給装置と２重構造の回転軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービン、等を備え、圧縮機で圧縮された空気により燃焼器で燃料を燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンにより圧縮機を駆動するようになっている。また、２軸ガスタービンエンジンの場合には、更に、タービンの排気ガスにより駆動される低圧タービンと、この低圧タービンにより駆動されるファンを備えている。
【０００３】
上述したガスタービンにおいて、圧縮機とタービンは通常細長いシャフト（以下、連結シャフトと呼ぶ）で直接連結される。この連結シャフトは両端部が軸受で支持され、その危険速度（固有振動数）がエンジンの運用回転域内に入らないように、シャフトの断面二次モーメントや断面積が設定される。
【０００４】
なお、ガスタービンにおける軸振動を抑える手段として、例えば特許文献１が開示されている。
【０００５】
特許文献１の「ガスタービンロータ」は、一方のホイールディスク５６ａのリム部５７ａと隣りのホイールディスク５６ｂのリム部５７ｂとの外径側に離調手段５３を設け、この離調手段５３により、ホイールディスクの質量重量を調整し、使用回転速度から危険速度を離調させ、運転中に発生する軸振動を低く抑えるものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−４５７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧縮機とタービンを連結シャフトで直接連結する場合、連結シャフトの両端部を支持する軸受やその他の機器の潤滑のために、連結シャフトの両端部に潤滑油を供給する必要がある。
しかし、連結シャフトは一般に長く（１〜２ｍ）、両端部の潤滑油供給箇所は、前後に離れているため、それぞれに潤滑油の供給ラインと戻りラインを設けると、外部配管長さが長くなり、重量が過大となるばかりでなく、配管系統が複雑化する問題点があった。
【０００８】
また、この問題を解決するために、連結シャフトの両端部の一方から潤滑油を供給し、エンジン内部で一方から他方に潤滑油を移送させ、他方から潤滑油を戻すようにできれば、供給ラインと戻りラインがそれぞれ１本で足り、外部配管長さが半減し、大幅な軽量化が可能である。
しかし、この場合、一方から他方に内部で潤滑油を移送させる構造が複雑となりやすく、かつ高速回転する連結シャフトを介在するため、高速回転時の動バランスがとりにくく、かつエンジンの運用回転域内に入る軸振動が発生しやすい問題点があった。
【０００９】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ガスタービン等の高速回転機械において、高速回転軸の両端部に潤滑油を確実に供給でき、外部配管長さを半減させて大幅な軽量化が可能であり、高速回転時の動バランスが容易にとれ、かつエンジンの運用回転域内に入る軸振動を抑制することができる高速回転機械の潤滑油供給装置と２重構造の回転軸を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、高速回転軸の両端部の軸受の間に高速回転軸を囲み同軸に取り付けられた薄肉の中空円筒管と、該中空円筒管の軸方向中央部を外側から支持し薄肉の中空円筒管と同期して回転する中央支持機構とを備え、前記中空円筒管と高速回転軸の隙間を通して、軸受の一方から他方に潤滑油を供給する、ことを特徴とする高速回転機械の潤滑油供給装置が提供される。
【００１１】
上記本発明の構成によれば、中央支持機構を備え、中空円筒管の軸方向中央部を外側から支持し薄肉の中空円筒管と同期して回転するので、中空円筒管の共振点をエンジンの運用回転域から回避させることができる。
また、中空円筒管と高速回転軸の隙間を通して、軸受の一方から他方に潤滑油を供給するので、供給ラインと戻りラインがそれぞれ１本で足り、外部配管長さを半減し、大幅なエンジンの軽量化が可能となる。
更に、薄肉の中空円筒管は、高速回転軸に同軸に取り付けられるので、高速回転時の動バランスが容易にとれる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記中央支持機構は、高速回転軸と同期して回転するディスクの内方端部に取り付けられ、中空円筒管の中央部外面に接触して支持するリング部材である。
【００１３】
この構成により、ディスク（圧縮機ディスク又はタービンディスク）が、高速回転軸と同期して回転するので、その内方端部にリング部材を取り付けるだけで、軽量の中央支持機構を構成することができる。
また、リング部材を軸対称に形成するだけで、高速回転時の動バランスが容易にとれる。
【００１４】
前記リング部材は、前記ディスクの内方端部から軸方向に張り出した部材であることが好ましい。
この構成により、リング部材を例えばディスクと一体に製作、組立、分解ができ、高速回転時の動バランスが容易にとれ、組立・分解が容易となる。
【００１５】
また、本発明によれば、外側回転軸の内側で内側回転軸が回転する２重構造の回転軸であって、外側回転軸の固有振動数を調整するため、ディスクボア部から張出した部材で外側回転軸を支持する、ことを特徴とする２重構造の回転軸が提供される。
この構成により、例えば高圧系（高圧圧縮機、高圧タービン）の回転軸の内側に、低圧系（ファン、低圧圧縮機、低圧タービン）の回転軸が設けられているようなガスタービンエンジンの外側回転軸の固有振動数を調整することができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように、本発明は、回転部であるディスクに支持機構を付加し、中空円筒管の軸方向中央部を支持することにより、共振点を運用回転域から回避させるものであり、中空円筒管と高速回転軸の隙間を通して軸受の一方から他方に潤滑油を供給する共通サンプ化が可能になることで、エンジンの軽量化に寄与できると共に、軸振動共振点を十分に回避した中空円筒管の設計が可能になった。
【００１７】
すなわち、本発明の高速回転機械の潤滑油供給装置と２重構造の回転軸は、ガスタービン等の高速回転機械において、高速回転軸の両端部に潤滑油を確実に供給でき、外部配管長さを半減させて大幅な軽量化が可能であり、高速回転時の動バランスが容易にとれ、かつエンジンの運用回転域内に入る軸振動を抑制することができる、等の優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の潤滑油供給装置を備えた高速回転機械の部分構成図である。この図は、ガスタービンの圧縮機部分の半断面図であり、１は回転中心、２は圧縮機とタービンを連結する連結シャフト、３は圧縮機ディスク、４は圧縮機動翼、５は圧縮機静翼、６はケーシングである。以下、連結シャフトを「高速回転軸」、圧縮機ディスクを単に「ディスク」と呼ぶ。
【００２０】
図１において、本発明の潤滑油供給装置は、薄肉の中空円筒管１２と中央支持機構１４を備える。
【００２１】
中空円筒管１２は、高速回転軸２の両端部の軸受（図示せず）の間に高速回転軸２を囲み同軸に取り付けられている。中空円筒管１２の両端部は、図示しないシール材を介して水密に高速回転軸２又は軸受部材に取り付けられ、図に破線の矢印で示すように、中空円筒管１２と高速回転軸２の隙間を通して、軸受の一方から他方に潤滑油を供給できるようになっている。なお、この流れは、圧縮機側（図で左）からタービン側（図で右）に向かうのが好ましいが、逆であってもよい。
【００２２】
中空円筒管１２は、高速回転軸２との間に隙間を形成する機能を有するのみであり、潤滑油の圧力に耐える範囲で可能な限り薄肉であるのが好ましく、例えば１〜３ｍｍ程度であるのがよい。
【００２３】
また、中空円筒管１２は、その軸方向中央部に外側から支持するための支持部１２ａを有する。この支持部１２ａは、中空円筒管１２の外方に膨らんだ中空円筒形であり、外周面が回転中心１と同軸に形成されている。この支持部１２ａは、中空円筒管１２と一体に形成されているのが好ましいが、別部品であってもよい。
【００２４】
中央支持機構１４は、中空円筒管１２の軸方向中央部を外側から支持し、高速回転軸２と同期して回転する機能を有する。
中央支持機構１４は、この例では、高速回転軸と同期して回転するディスク３の内方端部に取り付けられた中空リング部材であり、その内周面が支持部１２ａと同軸の円筒面であり、中空円筒管１２の中央部外面に接触して支持するようになっている。
また、この例では、中空リング部材は、ディスク３の内方端部から軸方向に張り出して一体に成形されている。
【００２５】
上述した構成により、連結シャフト（高速回転軸２）の両端部の一方から潤滑油を供給し、エンジン内部で一方から他方に潤滑油を移送させ、他方から潤滑油を戻すようにできる。従って、供給ラインと戻りラインがそれぞれ１本で足り、外部配管長さが半減し、大幅な軽量化が可能となる。
【００２６】
次に、上述した構造における中空円筒管１２の危険速度について検討する。
高速回転軸２や中空円筒管１２は、まっすぐな一様断面のはりであり、断面が左右対称であるとみなすことができる。この場合、はりの横振動が対称面内で生ずるとすると、自由振動の運動方程式は、数１の（１）式で表される。ここで、ｔは時間、ｘははりの長手方向にとった座標、ｕははりの横変位、Ｅははりの材料の縦弾性係数、Ｉははりの断面二次モーメント、Ａははりの断面積、ρははりの材料の密度である。
この運動方程式からはりの横振動の固有振動数ｆ（Ｈｚ）は、数１の（２）式で表される。ここで、ｌははりの長さ、λは境界条件及び振動モードによって定まる無次元の係数である。
【００２７】
【数１】
2005054738.tif 000003
【００２８】
表１は、両端が回転可能に支持された場合の無次元係数λの例であり、１、２、３次振動の場合に、無次元係数λはそれぞれ、π、２π、３πであることが、理論的に求められている。
【００２９】
【表１】
2005054738.tif 000004
【実施例１】
【００３０】
上述した数１の（２）式から、高速回転軸２、中空円筒管１２、及び中間部で支持した中空円筒管１２の危険速度（固有振動数）を求めることができる。このうち、高速回転軸２の危険速度は、エンジンの運用回転域内に入らないように、断面二次モーメントや断面積が設定されているので、ここでは省略する。
【００３１】
表２は、中空円筒管のみ（Ｃａｓｅ１）と、これを中間部で支持した場合（Ｃａｓｅ２）の近似計算例である。また、図２は、この計算例に基づき作製したキャンベル線図である。なお、この例では、危険速度が問題となる１次振動数のみを対象としている。
【表２】
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【００３２】
図２において、横軸はロータ回転数であり、縦軸は固有振動数である。また、図中の斜めの直線Ａは高速回転軸２を示し、２本の縦線Ｂ，Ｃは、エンジン負荷が「アイドリング」と「最大」の場合を示している。また、２本の横線Ｄ，Ｅは、Ｃａｓｅ１とＣａｓｅ２（本発明）の場合を示している。
【００３３】
表２及び図２から、薄肉（ｔ＝１ｍｍ）の中空円筒管１２をＬ（ｌ）＝１ｍの支持スパンで支持した場合には、１次モードの固有振動数が高速回転軸２の運用回転域に完全に入ってしまい、そのままでは共振は避けられないことがわかる。
これに対して、本発明の場合（Ｃａｓｅ２）、中空円筒管１２をＬ（ｌ）＝０．７ｍの中間位置で支持するだけで、１次モードの固有振動数が上昇し、高速回転軸２の運用回転域を確実に回避することができることがわかる。
【００３４】
上述したように本発明の構成によれば、中央支持機構１４を備え、中空円筒管１２の軸方向中央部を外側から支持し高速回転軸２と同期して回転するので、中空円筒管１２の共振点をエンジンの運用回転域から容易に回避させることができる。
また、中空円筒管１２と高速回転軸２の隙間を通して、軸受の一方から他方に潤滑油を供給するので、供給ラインと戻りラインがそれぞれ１本で足り、外部配管長さを半減し、大幅なエンジンの軽量化が可能となる。
更に、薄肉の中空円筒管１２は、高速回転軸２に同軸に取り付けられるので、高速回転時の動バランスが容易にとれる。
【００３５】
また、ディスク３（圧縮機ディスク又はタービンディスク）が、高速回転軸２と同期して回転するので、その内方端部に中空リング部材１４を取り付けるだけで、軽量の中央支持機構を構成することができる。また、中空リング部材１４を軸対称に形成するだけで、高速回転時の動バランスが容易にとれる。
【００３６】
更に中空リング部材１４を、ディスク３の内方端部から軸方向に張り出して一体成形した構成により、中空リング部材１４をディスク３と一体に製作、組立、分解ができるので、高速回転時の動バランスが容易にとれ、組立・分解が容易となる。
【００３７】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、本発明は、ガスタービンに限定されず、高速回転軸を有する圧縮機、タービン、その他の高速回転機械に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の潤滑油供給装置を備えた高速回転機械の部分構成図である。
【図２】本発明の実施例を示すキャンベル線図である。
【図３】特許文献１の「ガスタービンロータ」の模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  回転中心、２  高速回転軸（連結シャフト）、
３  ディスク（圧縮機ディスク）、４  圧縮機動翼、
５  圧縮機静翼、６  ケーシング、
１２  中空円筒管、１２ａ  支持部、
１４  中央支持機構（中空リング部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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