(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンケーシングに納められるとともに、長手方向の軸を備えたタービンエンジン（１０）であって、
インペラー後面およびインペラー先端部（４０）を有するインペラー（２６）を具備し、前記タービンエンジン（１０）中で気体を圧縮するコンプレッサー（１２）と、
前記軸を中心として回転するようにスラストベアリング（２７）に取付けられたシャフトであって、該シャフトとともに回転するように前記インペラー（２６）が固定されたシャフト（２０）と、
前記コンプレッサー（１２）からの圧縮気体と流体的連通関係にある燃焼部（１４）と、
前記エンジンケーシングの内部に設けられるとともに、少なくとも部分的に前記インペラー後面によって画定され、前記インペラー先端部（４０）において前記インペラー先端部（４０）からの圧縮気体と流体連通関係にある空洞部（６４）であって、前記空洞部（６４）内へ流入する前記インペラー先端部（４０）からの気体が前記軸を中心とした接線方向速度を有する、空洞部（６４）と、
を備えるタービンエンジンにおいて、
前記空洞部（６４）と前記燃焼部（１４）とを連通させる抽気孔（８０）を備え、前記空洞部（６４）内における前記インペラー先端部からの気体の前記接線方向速度を低減させるため、前記燃焼部から案内される気体流が前記インペラー先端部からの前記気体の流れと交差するように前記抽気孔（８０）が方向付けられており、
前記空洞部（６４）は、前記インペラー先端部（４０）および前記抽気孔（８０）からの圧縮気体によって与圧され、これにより、前記シャフト（２０）を介して前記スラストベアリング（２７）に荷重をかけるように前記インペラー後面に荷重が加わることを特徴とするタービンエンジン。
【請求項２】
前記空洞部（６４）が前記インペラー先端部（４０）まで延び、
前記抽気孔（８０）が前記インペラー先端部（４０）の近傍に開口している、請求項１に記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項３】
前記インペラー先端部（４０）から前記燃焼部（１４）まで延びる空気ディスフューザーパイプ（３４）を更に具備し、
前記空気ディフューザーパイプ（３４）は、前記コンプレッサー（１２）と前記燃焼部（１４）との間の前記流体的連通関係を提供するとともに、前記インペラー先端部（４０）から前記燃焼部（１４）に向かう前記気体の前記接線方向速度を低減させるように構成されており、
前記抽気孔（８０）は、前記ディフューザーパイプ（３４）から気体を導くように設けられていることを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項４】
前記抽気孔（８０）は、前記燃焼部（１４）から前記空洞部（６４）に至る複数の通路からなる、請求項２に記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項５】
前記通路は、前記インペラー後面に対して、おおよそ直角に延びている、請求項４に記載のタービンエンジン（１０）。
【請求項６】
前記抽気孔（８０）は、前記燃焼部（１４）の高圧領域（５０）から延びている、請求項１に記載のタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明はタービンエンジンに関するものであり、より具体的には、改善されたスラストベアリングの荷重制御装置を有するタービンエンジンに関するものである。
背景技術
航空機用のターボジェットエンジンまたはターボファンエンジンとして用いられるようなタービンエンジンは、通常、前方から後方に向かって、すなわちエンジンの気流流れ方向に沿って、ファン、コンプレッサー、およびタービンの各部からなっており、全体はハウジングに納められている。これらの回転ファン、コンプレッサー、およびタービンからなるエンジン部分は、１個または２個以上の同軸シャフトに軸方向に架装されて、エンジンの中心軸を中心として回転する。シャフトは少なくとも２個のベアリングアセンブリーによって支持されている。これらベアリングアセンブリーはシャフト、したがってファン、コンプレッサー、およびタービンが回転できるようにしている。エンジンの気流流れ方向の中で最前部のベアリングアセンブリーは、またケースの中のシャフトの軸方向の動きを防止しており、“スラストベアリングアセンブリー”と呼ばれる。スラストベアリングアセンブリーは、通常、狭い許容誤差で加工されてはいるが、ハウジングの中のベアリングボールとベアリングレースの間には小さな遊びが存在する。この遊びは、エンジンの作動中に騒音と振動を発生するので、好ましくない。
この遊びの多くは、ベアリングに前向きの荷重をかけることによってなくすことができる。このような前向きの荷重はシャフトを通じてベアリングに伝達される。荷重をかけるには例えば、コンプレッサーからの圧縮気体によってコンプレッサー部の後部に前向きの力をかけ、これによってシャフトに前向きの力をかけてもよい。しかしながら、エンジンの寸法上の制約およびコンプレッサー部の性能要求に起因して、従来のエンジンにおいてかけられる前向きの力は、スラストベアリングに適当な力をかけてベアリングアセンブリーの遊びを減らし、それによる騒音と振動を低減するのに、必ずしも＋分ではない。
この問題に対する一つの解決法は、エンジンのコンプレッサー部の後部に、シャフト上に架装された、回転するバランスピストンを設けることであった。これについては後により詳細に説明する。このバランスピストンはエンジンの高圧領域と低圧領域の間に位置している。ピストンにかかる差圧はシャフトに、したがってスラストベアリングに前向きの力をかける。しかしながら、このバランスピストンは、高価でかつ重要な、エンジンの回転部品である。ピストンは小さければ小さいほど良く、さらに言えばピストンを省略できることがもっとも望ましい。
発明の概要
本発明はスラストベアリングにかかる前向き荷重の制御装置が改善され、バランスピストンを用いる必要性を軽減または除去できるような、改良されたタービンエンジンの設計を提供する。
本発明の一態様によれば、エンジンケーシングに納められたタービンエンジンが提供され、前記タービンエンジンは長手方向の軸を有し、該タービンエンジンが：インペラー後面とインペラー先端部を有するインペラーを具備する、タービンエンジン中で気体を圧縮するためのコンプレッサーと；スラストベアリングに架装されて前記軸を中心として回転し、かつインペラーがその上に固定されてそれと共に回転するシャフトと；コンプレッサーからの圧縮気体と流体的連通関係にある燃焼部と；エンジンケーシングの内部に設けられ、少なくとも部分的にインペラー後面で画定され、インペラー先端部においてインペラー先端部からの圧縮気体と流体的連通関係にある空洞部と、を具備し、インペラー先端部からの気体が空洞部中で軸の周りの接線方向速度を有するタービンエンジンであって、抽気が空洞部と燃焼部との間で流体的連通関係にあり、該抽気が燃焼部の気体流を案内して、空洞部中のインペラー先端部気体の接線方向速度を低減するように適合されており、空洞部はインペラー先端部および抽気からの圧縮気体によって与圧され、よってインペラー後面に荷重をかけ、シャフトを通じてスラストベアリングに荷重をかけることを特徴とする。
好ましくは、空洞部がインペラー先端部まで伸び、抽気がインペラー先端部の近傍に開口している。
また、タービンエンジンは、好ましくはインペラー先端部から燃焼部まで伸びる空気ディフューザーパイプを更に具備し、該空気ディフューザーパイプがコンプレッサーと燃焼部との間の流体的連通関係を提供し、空気ディフューザーパイプがインペラー先端部から燃焼部に入る気体の接線方向速度を低減するように適合されており、かつ抽気がディフューザーパイプからの気体と連通関係にある。
さらにまた、抽気は好ましくは燃焼部から空洞部に至る、一般的にインペラー後面に対して直角に伸びる複数の通路からなっている。
最も好ましくは、抽気は燃焼部の高圧領域から伸びている。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施例を図示する図面は次の通りである。
第１図は代表的なタービンエンジン（既知）の側面図である。
第２図は第１図の一部の拡大断面図である。
第３図は本発明の一態様による代表的なタービンエンジンの一部の断面図である。
第４図はタービンエンジンの一部の接線方向空気速度の特性のグラフである。
第５図はタービンエンジンの一部の圧力特性のグラフである。
好ましい実施例の詳細な説明
第１図は代表的なガスタービンエンジン１０を図示している。このエンジン１０はファン部１１とエンジン中核部とからなり、エンジン中核部は流れの順にコンプレッサー部１２；燃焼部１４；タービン部１６；および排出部１８を具備しており、これらすべてはハウジング１９の内部に架装されている。
タービン部１６およびコンプレッサー部１２は多段になっている。タービン部１６中の少なくとも一つのタービンは、シャフト２０によって、コンプレッサー部１２の最終段に回転可能に連結されている。シャフト２０は、その後部近傍においてローラーベアリングアセンブリー２２によって支持され、その前部近傍においてスラストベアリングアセンブリー２４によって支持されている。スラストベアリングアセンブリー２４は、ハウジング２５とスラストベアリング２７とからなっている。
第２図は、代表的なタービンエンジンの、コンプレッサー部１２の後部付近と燃焼部１４の前部付近を断面図として示している。コンプレッサー部１２の最終段は回転インペラー２６であり、これは燃焼部１４と流体的連通関係にある。
燃焼部１４は、その内外を燃焼器ケース２８、およびディフューザーアセンブリー３２の一部をなすディフューザーケース３０で形成されている。ディフューザーアセンブリー３２は、さらにデイフューザーパイプ３４と熱遮蔽３６および熱遮蔽サポート３８を具備している。
ディフューザーパイプ３４は燃焼部１４の中にあり、インペラー２６の先端部４０と燃焼部１４との間に流体的連通関係を提供している。さらに、燃焼部１４の内部にはエンジンハウジング１９にケースサポート４８で架装された燃焼器ライナー４４があって、燃焼室４６を画定している。燃焼室４６は、燃焼部１４の高圧（“Ｐ３”）領域５０と流体的連通関係にある。燃焼室４６は、また燃料ノズル５２とも流体的連通関係にある。
インペラー２６は、シャフト２０の最外部に架装されており、エンジンの中心軸を中心として回転する。スタブシャフト６６はインペラー２６とともに回転する。ハウジング５５とローラーベアリング５４からなるローラーベアリングアセンブリー２２がシャフト２０の後部を支持している。カーボンシール５６ａおよび５６ｂがアセンブリー５２をシールしている。またバランスピストン６２がシャフト２０に架装されており、これとともに回転する。
ディフューザーケース３０の底部と、インペラー２６の後部外面と、ローラーベアリングハウジング５５の前部カバー５７とがインペラー後部空洞部６４（“ＩＲＣ”）を画定している。ＩＲＣ６４は、ラビリンスシール７０とブラシシール６８でシールされている。ブラシシール６８は、ベアリングハウジング５５の後部から延びており、バランスピストン６２の直前にある空洞部７２をシールする。空洞部７２は、シャフト２０に隣接する低圧領域６９と流体的連通関係にある。
作動時には、ファン部１１が空気をエンジン１０に誘引し、空気はファン部１１からコンプレッサー部１２へと通過し、ここで多段コンプレッサーによって圧縮される。圧縮の最後の段階はインペラー２６である。高圧の空気はインペラー２６の先端部から出ていく。この高圧空気の大部分はディフューザーパイプ３４によって燃焼部１４に導かれる。ここで大部分のＰ３空気は室４６に入り、ノズル５２からの燃料と混合されて燃やされる。しかしながら、一部のＰ３圧縮空気は、インペラー２６の先端部４０とディフューザーケース３０の間のシールされていない隙間７６を通ってＩＲＣ６４へ抽気する。
この隙間７６からの抽気空気はＩＲＣ６４を与圧する。ＩＲＣの与圧は、インペラー２６の後部とディフューザーケース３０に力をかける。インペラー２６の後部に働く力は、その反動として、シャフト２０に、したがってスラストベアリング２７に前向きの力をかける。理論的には、ベアリングアセンブリー２４の遊びを減らして騒音と振動を低減するために、ＩＲＣ６４中の圧力がインペラー２６の後部に、したがってスラストベアリング２７に十分な前向きの圧力をかけるように、インペラー２６の後部に十分な表面積を与えてエンジンを設計することは可能である。しかしながら、実際上は、インペラー２６およびエンジン１０の寸法と重量、およびコンプレッサー部１２の出力空気の圧力が問題となる。したがって、ＩＲＣ６４内部の相対圧力およびインペラー２６の後面の表面積は、スラストベアリング２７に十分な前向きの荷重を与えるには不十分であることが多い。そこで、以下に述べるように、バランスピストン６２によって追加の前向き荷重が、シャフト２０およびスラストベアリング２７に与えられる。
高圧空気はＩＲＣ６４の後部６５から外へ漏出される。これがバランスピストン６２の後側の空洞部７３を与圧する。バランスピストン６２の反対側にある空洞部７２は、シャフト２０の近傍の低圧領域６９と流体的連通関係にある。したがって空洞部７２は空洞部７３より低圧であり、これによってバランスピストン６２の両側には差圧が発生する。この差圧は、ピストン６２、シャフト２０およびスラストベアリング２７に、前向きの力を発生させる。バランスピストン６２の寸法およびその両側の差圧は、インペラー２６の後面の不十分な前向きの力を補償して、スラストベアリング２７に必要な前向きの力を与えるように、選択される。
通常の“離陸”条件においては、スラストベアリングには約２８００ポンド（１２．４５４ｋＮ）の前向き荷重がかかるが、このうち約２０００ポンド（８．８９６ｋＮ）はバランスピストン６２によって与えられる。前述したようにこのバランスピストンは回転するので、エンジンの重要な部品である。
ＩＲＣ６４中に抽気する与圧のための空気はインペラー２６の先端部から発散されるので、圧縮空気がＩＲＣ６４に入るときにインペラー２６の回転方向にかなりの接線方向速度、あるいは“旋回流”を有している。この接線方向速度は空気がＩＲＣ６４の中で半径方向内側に移動するにつれて変化する。第４図の実線は、第２図のエンジンのＩＲＣ６４内部の、半径方向の各点における空気の接線方向速度と、その点におけるインペラーの接線方向速度との比（“Ｋファクター”とも呼ばれる）のシミュレーションを示している。
“旋回流”の結果として、空気の静圧は半径方向内側に向かって減少する。これによって、ＩＲＣ６４内部には半径方向の圧力勾配が発生する。この圧力勾配は、ＩＲＣ６４中の平均圧力を、したがってインペラー２６に働く前向きの力を著しく減少させる。第５図中の実線は、第１図と第２図のエンジンについて、インペラー先端部４０からの各距離における、インペラー２６に働く静圧のこのような減少を示している。
本発明において、ＩＲＣ６４中の空気の“旋回流”を低減することによってＩＲＣ中の平均静圧が著しく増加することが認められた。これによってスラストベアリング２７に十分な前向きの荷重を与えることができるので、バランスピストン６２の必要寸法が小さくなり、さらには全くこれを省略することができる。
第３図は、ジェットエンジンの一部を断面図として示したものであるが、このエンジンは高圧空気の一部を、インペラー２６の先端部近傍において、エンジン１０の燃焼部１４からＩＲＣ６４中に抽気するように改良されている。
前述したように、インペラー２６を出ていく空気の大部分はディフューザーパイプ３４によって燃焼部１４に案内される。ディフューザーパイプ３４はインペラー２６から燃焼部１４に入る空気の接線方向速度を、したがって“旋回流”を、著しく減少させる。したがって、燃焼部１４の高圧空気領域５０中のＰ３空気は、ほとんど“無旋回流”である。インペラー２６の先端の近くで、高圧空気を燃焼部１４からＩＲＣ６４へ抽気することによって、ＩＲＣ６４内部の空気の旋回流、ひいては、この旋回流によって生じる圧力勾配が著しく減少する。
ＩＲＣ６４を通る空気の流量を第２図の実施例と同様に保つために、孔９０の寸法が調整される。ＩＲＣ６４を通る全空気流量は第２図の実施例と同じなので、ＩＲＣ６４への高圧空気の抽気量にしたがって、ＩＲＣ６４へのインペラー先端の抽気量は減らされる。
燃焼室１４からＩＲＣ６４への抽気は、熱遮蔽３６の前側のディフューザーケース３０に開けられた、小さな抽気用通路または孔８０によって達成されてもよい。抽気は、抽気からの気体が、ＩＲＣ６４中のインペラー先端部４０からの気体の接線方向速度を低減するように構成されている。燃焼部１４からＩＲＣ６４へのＰ３空気の抽気量は、孔の寸法、位置および数によって決定され、これによって、スラストベアリング２７の負荷に対する抽気の効果が調整される。抽気孔８０の最良の位置は、図示されるようにインペラー先端部４０の近傍である。
好ましくは、抽気孔８０はインペラー後面に対して一般的に直角に伸びている。
第４図のグラフ中の点線はインペラー２６の先端から２％の距離に設けた抽気孔８０の、第３図の実施例のＩＲＣ６４の半径上の各点におけるＫファクター（説明上述）に対する効果のシミュレーシーョンを示している。このようなＩＲＣ６４の先端部４０の近傍における接線方向速度の低減は、ＩＲＣ６４中の圧力勾配を低減し、これがＩＲＣ６４中の半径上の各点における圧力の全体的な増加をもたらす。第５図のグラフ中の点線はさらに、第３図の実施例のＩＲＣ６４の半径上の各点において、インペラー２６後面にもたらされる静圧増加のシミュレーションを示している。
ＩＲＣ６４中の、全体として増加した圧力は、結果として、インペラー２６後部、シャフト２０およびスラストベアリング２７に働く前向きの力を増大する。シミュレーションは、第３図のように改修された代表的エンジンにおいて、インペラー２６後面にかかる前向きの荷重が約１３００ポンド（第２図のエンジンに比較して）増加することを示している。この結果、第３図に示されるように、バランスピストン６２（第２図）を省略することができ、なおかつ、スラストベアリング２７に約２１００ポンドという、十分な前向きの荷重をかけることができ、それは満足すべきものである。
これに加えて、今やＩＲＣ６４全体の圧力が上がっているので、領域８８（第３図）（第２図の空洞部７３に相当）の空気圧は抽気８０がない場合よりも高い。このために高圧タービンディスク８６に開ける孔９０の寸法を小さくしても、孔９０を通る空気の流量を第２図の未改修のエンジンと同等に保つことができる。これによってタービンディスク８６の寿命が増加する。空洞部８８中の圧力の増加によってラビリンスシール８７のクリアランスを広げることができ、したがってこのシールが磨耗しにくくなる。さらにまた、抽気孔８０の寸法を調整することによってスラスト荷重を制御することができるので便利である。
バランスピストンを省略することによって、エンジン１０の重要な回転部品が除去される。
本発明はここに記載した図面に限定されるものではなく、これらの図面は単に本発明を実施するための好ましい実施例を説明するものであり、形状、寸法、部品配列および作動の詳細を変更することは容易であることは理解されるであろう。本発明を上述した代表的なエンジン以外の、既存のエンジン設計を改修するために応用することは容易である。本発明は、請求範囲によって画定される本発明の主旨と範囲から逸脱しない限り、全てのこのような変更を包含するものである。
【図１】
0004041542.tif 000002
【図２】
0004041542.tif 000003
【図３】
0004041542.tif 000004
【図４】
0004041542.tif 000005
【図５】
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