(57)【要約】【課題】ターボ機械のシャフトを案内する軸受のための支持体を提供する。【解決手段】ケーシング（３２）に固定される、ターボ機械（１０）のシャフト（２４）を案内する軸受（２８）のための支持体（５６）であって、印加される負荷が閾値より小さい時に最初の形状を保持し、印加される負荷が少なくとも閾値に等しくなる時に変形し、エネルギーを吸収する形状記憶材料からなる環状部（５８）を備え、この環状部（５８）は、印加される負荷が閾値より小さい値に戻る時に、少なくともほぼ最初の形状に戻ることが可能であることを特徴とする。【選択図】図２
2009174532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械（１０）のシャフト（２４）を案内する軸受（２８）のための支持体（５６）であって、印加される負荷σが閾値σ０より小さい時に最初の形状を保持し、印加される負荷σが少なくとも閾値σ０に等しくなる時に変形し、エネルギーを吸収する形状記憶材料からなる環状部（５８）を備え、この環状部（５８）が、印加される負荷σが閾値σ０より小さい値に戻る時に、少なくともほぼ最初の形状に戻ることが可能であることを特徴とする、軸受支持体（５６）。
【請求項２】
印加される負荷σが閾値σ０より小さい時に、形状記憶環状部（５８）を加熱して、この環状部（５８）をその最初の形状に戻させる制御された手段（６２、７０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項３】
加熱手段が、高温空気を形状記憶環状部（５８）の方に向けて搬送する手段（６２、７０）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項４】
高温空気を形状記憶環状部（５８）の方へ案内する手段（６２、７０）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項５】
案内手段が、形状記憶環状部（５８）の周囲に取り付けられたシートメタルデフレクタ（６２）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項６】
形状記憶材料が、印加される負荷σが閾値σ０より小さい時にオーステナイト相であり、印加される負荷σが少なくとも閾値σ０に等しくなる時に弾性変形を伴うマルテンサイト相に変化する超弾性タイプの材料であることを特徴とする、請求項１に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項７】
形状記憶環状部（５８）が、支持体（５６）の上流側端部（３６）と下流側端部（６０）とを互いに連結することを特徴とする、請求項１に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項８】
形状記憶環状部が、ターボ機械の軸（２６）周りに均一に分布した薄い長手方向のブレード（５８）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項９】
薄いブレード（５８）の両端部が、支持体（５６）の末端部（３６、６０）にろう付けまたは溶接されることを特徴とする、請求項８に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項１０】
形状記憶環状部（５８）の内側で径方向に位置決めされる環状封止エンベロープ（７０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の軸受支持体（５６）。
【請求項１１】
ケーシング（３２）に固定される支持体（４０、５２、５６）により支持される上流側軸受（２８）と下流側軸受（３０）で案内されるシャフト（２４）を備えるターボ機械（１０）であって、支持体の少なくとも１つが、請求項１に記載の軸受支持体（５６）であることを特徴とする、ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機バイパスターボジェットエンジンなどのターボ機械のロータのシャフトを案内する軸受のための支持体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボジェットエンジンのファンブレードは、例えば、鳥または氷の塊などの異物の吸い込みにより、損傷される場合がある。
【０００３】
一般に、ファンは、このような吸い込みの影響に耐え、場合によってはより低速で作動し続けるように十分堅牢である。
【０００４】
しかし、異物の吸い込みは１つまたは複数のファンブレードを破損させる場合がある。このことが、少なくともエンジンが大気中を移動した結果、空転速度や自転速度、つまり自由回転速度に減速される間、エンジンを停止させるのに必要な大きなアンバランスを生じさせる傾向があり、ターボジェットエンジンの構造物に相当な循環力を受けさせる可能性がある。
【０００５】
ターボジェットエンジンの構造物に移されるアンバランス力を避けるために、ファンを担持する低圧圧縮機シャフトがステータから外されることが提案されてきた。
【０００６】
このシャフトは、ステータにより支持される２つの軸受により略径方向に案内される。第１の軸受は、上流側軸受またはスラスト軸受としても知られていることがあり、シャフトの上流側端部に位置決めされ、ターボジェットエンジンの中間ケーシングに連結される環状支持体により支持される転がりボール軸受を備えるが、第２の軸受は、通常下流側軸受として知られており、第１の軸受の下流側に位置決めされる転がりローラ軸受を備える。
【０００７】
上流側軸受を外し、この軸受の支持体を中間ケーシングに連結する「破断」ねじを備える装置と同様に、所定の負荷を超える負荷が印加された時に支持体を変形させるように設計された局所歪を有する軸受支持体を備える他の装置が提案されてきたが、提案された他の装置は、特定の負荷の条件で曲がることを目的とした波形軸受支持体を含む。上流側軸受の領域に「破断」ピンを備える装置も、提案されてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上流側軸受がステータから外された時に、上流側軸受は低圧圧縮機シャフトをセンタリングすることができなくなり、自転速度に達した後、アンバランスから生じた負荷がそれほど大きくなくても、その後これらの負荷は基本的に下流側軸受により担持され、したがって、下流側軸受を破損させてしまうリスクがある。
【０００９】
この欠点を避けるために、例えば、この下流側軸受を破損しないで、シャフトが中心から外れるように連接される支持体に下流側軸受が取り付けられる装置が提案されたが、これらの装置は、ターボジェットエンジンの性能を不利にする質量の増加につながる。
【００１０】
さらに、知られている装置に関しては、低圧圧縮機シャフトが破損すれば、その上流側部は、上流側軸受により軸方向に保持されなくなり、したがって、ターボジェットエンジンを危険にさらすことになりかねない。
【００１１】
本発明の特定の目的は、これらの問題に対する簡単で経済的で効果的な解決策を提供し、同時に上述の欠点を避けることである。
【００１２】
本発明の特定の目的は、ターボジェットエンジンが自転速度に達するとすぐに、低圧圧縮機シャフトをその案内軸受のうちの１つが外された時点で再びセンタリングされるようにして、他方の案内軸受が破損されるのを防ぎ、ターボジェットエンジンの構造物を保護することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このために、本発明は、ターボジェットエンジンなどのターボ機械のシャフトを案内する軸受のための支持体を提案するものである。前記支持体は、印加される負荷が閾値より小さい時に最初の形状を保持し、印加される負荷が少なくとも閾値に等しくなる時に変形してエネルギーを吸収する形状記憶材料からなる環状部を備え、前記環状部は、印加される負荷が閾値より小さくなる時には、少なくともほぼ最初の形状に戻ることが可能であることを特徴とする。
【００１４】
形状記憶環状部は、シャフトが所定の閾値を越える負荷を軸受に伝えている時に、変形により、ケーシングから環状部が支持する軸受を外して、これらの負荷により生成される機械的エネルギーを吸収し、これらの負荷がケーシングに伝わるのを防ぎ、したがって、負荷がターボジェットエンジンの構造物全体に伝わるのを防ぐ。
【００１５】
これらの負荷は、典型的には、ターボ機械のファンを損傷する鳥や氷の塊などの異物の吸い込みにより生じるアンバランス負荷である。
【００１６】
エンジンが停止した時点で、ターボジェットエンジンがシャフトにより伝えられる負荷が小さい自転速度に達するとすぐに、環状部はほぼ最初の形状にもどり、したがって、再度軸受がシャフトをセンタリングできるようにする。
【００１７】
さらに、軸受は、外された時でも確実にシャフトの上流側端部を軸方向に保持することができる。
【００１８】
本発明の別の特徴によれば、軸受支持体は、印加される負荷が閾値より小さい時に、形状記憶環状部を加熱して、形状記憶環状部をその最初の形状に戻させる制御された手段を備える。
【００１９】
加熱手段は、特に、以下のシナリオに適合される。それによれば、形状記憶材料は「単動（ｓｉｎｇｌｅ−ａｃｔｉｎｇ）」式の材料であり、最初は、軸受支持体を外すことができるようにほぼ負荷の影響下で変形し、それにより機械的エネルギーを吸収できるマルテンサイト状態であり、その後、形状記憶材料をほぼ最初の形状に等しい記憶した形状に戻すために、加熱手段により形状記憶材料がオーステナイト相に切り替える命令で切り替えられ、その結果、軸受支持体が最初の形状に戻り、再度シャフトをセンタリングすることができる。
【００２０】
有利には、加熱手段は、高温空気を形状記憶環状部の方に向けて搬送する手段を備える。
【００２１】
例えば、高温空気は、ターボジェットエンジンの高圧圧縮機から取り出され得る。
【００２２】
本発明による軸受支持体は、有利には、高温空気を形状記憶環状部の方へ案内する手段を備え、これらの手段は、例えば、形状記憶環状部の周囲に取り付けられるシートメタルデフレクタを備える。
【００２３】
「単動」式の材料の場合、シートメタルデフレクタにより、形状記憶材料のオーステナイト相への遷移を誘発する高温空気をより良好に案内できるようになる。
【００２４】
代替形態として、形状記憶材料は、印加される負荷が閾値より小さい時にオーステナイト相であり、印加される負荷が少なくとも閾値に等しくなる時に弾性変形を伴うマルテンサイト相に変化する超弾性式の材料である。
【００２５】
これは、超弾性式の形状記憶材料の変形する実質的な能力が軸受支持体の環状部を加熱する手段を用いる必要性を避けるのに有効に使用されるということである。
【００２６】
２つの代替形態のうちのいずれが選択されるかは、機械的エネルギーを吸収する種々の形状記憶材料のそれぞれの能力に基づいて決められてもよい。
【００２７】
本発明の別の特徴によれば、形状記憶環状部は、支持体の上流側端部と下流側端部とを互いに連結し、好適にはターボ機械の軸周りに均一に分布する長手方向の薄いブレードを備える。
【００２８】
このような薄いブレードは、形状記憶部品の市場では比較的一般的で、予め記憶された形状に戻る優れた能力を有する。
【００２９】
本発明の別の特徴によれば、薄いブレードの両端部は、支持体の端部にろう付けまたは溶接される。
【００３０】
本発明による軸受支持体は、有利には、形状記憶環状部の内側に径方向に位置決めされた環状封止エンベロープを備える。
【００３１】
この環状封止エンベロープは、形状記憶環状部が上述したタイプの長手方向の薄いブレードを備える場合に、軸受間の空間を封止し、その空間からオイルが漏れ出すのを防ぐために特に役立つ。
【００３２】
エンベロープはさらに高温空気を形状記憶環状部の方へ案内する手段を構成し、このことは、形状記憶材料が「単動」式の材料である場合に特に有益である。
【００３３】
本発明はさらに、ケーシングに固定される支持体により支持される上流側軸受および下流側軸受に案内されるシャフトを備えるターボ機械であって、支持体の少なくとも１つは、上述したタイプの軸受支持体であることを特徴とするターボ機械に関する。
【００３４】
本発明は、添付図面を参照して非限定的な例として示された以下の説明を読むことにより、より良く理解され、さらにその詳細や利点、特徴もより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】知られているタイプのターボ機械の軸方向断面における部分概略図である。
【図２】本発明によるターボ機械の軸方向断面における拡大した部分概略図である。
【図３】図２のターボ機械の部分概略斜視図である。
【図４】本発明の作動状態を示す熱機械的変形の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１は、ブレード１６を担持するディスク１４の形状を成し、低圧圧縮機１８の上流側に装着されるファン１２を備える航空機バイパスターボジェットエンジン１０を示す図である。ディスク１４は、周知の方法で、ターボジェットエンジンの軸２６周りのファン１２の回転を駆動するための低圧圧縮機のシャフト２４の上流側端部のフランジ２２に環状フランジ２０により連結される。
【００３７】
シャフト２４は、中間ケーシング３２により支持される２つの軸受２８、３０により、径方向に案内され、軸方向に保持される。
【００３８】
シャフト２４の上流側端部近くに位置決めされる第１の軸受２８は、一般に「スラスト軸受」または「上流側軸受」と呼ばれるが、原則的には、ボール３８が自由に通る略円環状キャビティを画定する径方向内側環状ケージ３４および径方向外側環状ケージ３６の形状を成す転がりボール軸受を備える。
【００３９】
径方向外側環状ケージ３６は、軸受支持体４０を形成する略環状またはやや円錐台状のエンベロープの上流側端部に連結され、その下流側端部には、中間ケーシング３２に連結される部品４６にねじ４４で固定された環状フランジ４２を有する。
【００４０】
第２の軸受３０は、第１の軸受２８の下流側に位置決めされ、原則的には、ローラ５０を担持する径方向内側環状リング４８の形状を成し、ローラ５０上に径方向外側環状リング５２が載った転がりローラ軸受を備える。
【００４１】
径方向外側環状リング５２は、中間ケーシング３２に取り付けるためのフランジ５４を有する。
【００４２】
作動時に、軸受２８、３０は、低圧圧縮機シャフト２４を径方向にセンタリングし、軸方向に保持する。特に、シャフトの上流側端部で軸方向に保持する軸受２８を、このシャフトが離すべきである。
【００４３】
ファンを損傷し、例えば、異物をターボジェットエンジンに吸い込んだ結果生じるファンブレードの損失などのアンバランスをもたらす事故の場合には、軸受２８、３０は、相当な循環力を受け、この力のかなりの割合を中間ケーシング３２に伝える。
【００４４】
事故が発生するとすぐに、エンジンがほぼ停止されるが、それでもターボジェットエンジンが自転速度、つまり、大気中を移動した結果、ターボジェットエンジンが自由に回転する速度に達するのに一定の時間がかかる。
【００４５】
この時間の間、ファン１２に最も接近しており、そのため大部分のアンバランス力を受ける上流側軸受２８は、損傷されるリスクおよび連結される中間ケーシング３２、ひいてはターボジェットエンジンの構造物全体を損傷するリスクがある。
【００４６】
したがって、上流側軸受２８を保護し、アンバランス力からターボジェットエンジンの構造物を守るために、この上流側軸受２８と中間ケーシング３２とが外れるようにすること、すなわち、低圧ロータのシャフト２４により中間ケーシングに伝えられる力を最小限に抑えることは有益である。
【００４７】
しかし、ターボジェットエンジンが自転速度に達する時、アンバランス負荷が自由回転の条件下ではより小さくても、長期的に見て下流側軸受３０を損傷する傾向があるので、下流側軸受３０が単独で全てのアンバランス負荷に耐えることにならないように、シャフトをセンタリングする手段が再度利用可能であることが望ましい。
【００４８】
この要求を満たすために、本発明は、上流側軸受に印加される負荷が大きすぎる時に上流側軸受２８が外れるようにし、印加される負荷が十分に低減された時に最初の形状に近い形状に戻ることができるようにして、上流側軸受２８が再度シャフト２４をセンタリングし、軸方向に保持するように働くために、ターボ機械１０の上流側軸受支持体４０を変形可能な軸受支持体と置き換えることを提案する。
【００４９】
図２および図３に示されるように、符番５６で表されるこの新しい上流側軸受支持体は、薄いブレード５８の形状を成す環状またはやや円錐台状の部分を備え、例えば、これらブレードのうち１０枚は、ターボジェットエンジンの軸周りに均一に分布し、上流側軸受２８の径方向外側ケージを担持する軸受支持体５６の上流側端部３６を、中間ケーシング３２に連結される部品４６に取り付けるためのフランジ４２を担持する下流側端部６０に連結する。これらの薄いブレードは、例えば、軸受支持体５６の両端部３６、６０に溶接またはろう付けされる。
【００５０】
第１の実施形態では、薄いブレード５８は、一般的にはニチノールとして知られているニッケルとチタンとの合金などの「単動」式の形状記憶材料からなる。
【００５１】
最初にマルテンサイト相である形状記憶材料は、薄いブレード５８に、変形する優れた能力を付与し、加熱された時にオーステナイト相に変化して記憶した形状に戻る可能性を付与する。
【００５２】
図４を参照して、本発明の操作に関して、より詳細には、形状記憶材料の「一方向（ｏｎｅ−ｗａｙ）」記憶効果の使用に関して以下の段落で詳細に説明するように、軸受支持体５６が変形した後に、その最初の形状に戻るために、薄いブレードは、オーステナイト相では、変形前の最初の形状と同じ形状をとるように予め準備される。
【００５３】
薄いブレード５８を加熱するために、ターボジェットエンジン１０は、薄いブレードを形成する形状記憶材料のオーステナイト相遷移温度より高温の空気を薄いブレードの方に方向づけるための手段を備え、この高温空気は、例えば、低圧圧縮機１８の下流側に配置される高圧圧縮機から取り出されることが可能である。
【００５４】
これらの手段は、原則的に、薄いブレード５８を囲む略円筒状のシートメタルエンベロープの形状を成すデフレクタ６２を備え、デフレクタの下流側端部には、軸受支持体５６のフランジ４２に取り付けるための環状フランジ６４を有する。
【００５５】
高温空気を案内するためのダクト６６は、下流側のデフレクタ６２の円錐台状部６８内に形成され、フランジ４２内に形成される開口部に面して位置決めされて、高温空気が上流側の方向に流れるようにする。
【００５６】
軸受間の空間、すなわち上流側軸受２８と下流側軸受３０と軸受支持体５６との間の体積を封止するために、軸受支持体５６のブレード状構造を考えれば、エラストマーなどの可撓性材料製の円筒状エンベロープが、エプロン７０を形成するように軸受支持体５６の上流側端部３６と下流側端部６０とを互いに接合する。
【００５７】
このエプロン７０は、軸受支持体の内側で径方向に位置決めされ、必要に応じて、高温空気を薄いブレード５８近くに保つ。
【００５８】
図４は、上述したようにターボジェットエンジンの作動時の形状記憶材料の薄いブレードの変形εをブレードに印加された機械的応力σと温度Ｔの関数として示した図である。
【００５９】
薄いブレード５８の準備過程で、薄いブレードが高温のオーステナイト相にある時、通常の形状の軸受支持体５６に対応する形状にされる。この状態は、図４のＡ０で示されている。その後、薄いブレードを図４の状態Ｍ０に終わる遷移７２で、変形させずにマルテンサイト相に変化させるために、薄いブレードは応力を全く印加されないで冷却される。
【００６０】
通常の作動時に、薄いブレード５８は、ほぼこの状態Ｍ０にあるので、上流側軸受２８は、低圧圧縮機シャフト２４をセンタリングし、軸方向に保持する機能を実行する。薄いブレードに印加される機械的応力σが閾値σ０より小さい限り、ブレードの剛性は比較的高いままで、変形εは比較的低い値ε０を超えないので、ブレードは正確にシャフト２４の上流側部を案内できる。
【００６１】
例えば、異物を吸い込んだ結果、ファンが損傷を受けると、特に、ブレードの損失がある場合、かなりのアンバランス力がシャフト２４を案内する軸受に、とりわけファンに最も接近した上流側軸受２８に伝えられる。
【００６２】
次に、薄いブレード５８に印加される機械的応力が閾値σ０を超える。これは、図４の曲線７４で示されるように、薄いブレードの剛性が急に低下し、同時に機械的エネルギーを吸収する能力が増大することを意味する。
【００６３】
その後、上流側軸受２８に伝えられた力は、薄いブレード５８の変形により散逸され、したがって、この力はこの軸受２８が連結される中間ケーシング３２へは伝わらない。
【００６４】
印加される負荷の影響を受けて、薄いブレードは点Ｍｄで示される外された状態になる。
【００６５】
同時に、エンジンは自動制御システムにより、または航空機パイロットの命令で停止され、したがって、エンジンの速度は、大気中を航空機が移動することにより生じる自転速度まで徐々に低減される。つまりアンバランス負荷も低減されることになる。
【００６６】
応力のこの変化は、図４の曲線７６で示され、印加される負荷がほぼ０に戻る特別な場合に対応する。
【００６７】
負荷がかなり低減され、航空機の構造物への危険がなくなるとすぐに、自動制御システムまたはパイロットが、ターボジェットエンジン高圧圧縮機から取り出された高温空気が薄いブレードに送られるように命令を出す。
【００６８】
遷移温度Ｔｔより高い温度を受けると、薄いブレードは曲線７８に沿ってオーステナイト相に変化し、記憶効果で最初の形状に戻り、その結果、低圧圧縮機シャフト２４を再センタリングする。
【００６９】
したがって、本発明により提案される軸受支持体５６は、低圧圧縮機シャフト２４により伝えられる負荷が大きすぎると、上流側軸受２８と中間ケーシング３２との間を外せるようにし、同時に負荷が許容レベルまで小さい値に戻るとすぐに、このシャフトを再センタリングする可能性をもたらす。
【００７０】
薄いブレードの形状記憶材料は、通常の作動条件下では、薄いブレードは、印加される負荷に関わらず薄いブレードの剛性がほぼ一定であるマルテンサイト相の弾性範囲にとどまり、印加される負荷がターボジェットエンジンに危険を及ぼす傾向のある閾値σ０を超えるとすぐに、この弾性範囲から離れるように選択される。形状記憶材料は、さらに、上述した弾性範囲で、その剛性で軸受支持体５６の全体の可撓性要件を満たすことができるように選択される。
【００７１】
軸受支持体５６を備える装置、デフレクタ６２およびエプロン７０はさらに、ターボジェットエンジンの質量をあまり増大させず、部品の数が限られているという利点がある。
【００７２】
第２の実施形態では、本発明による軸受支持体５６は、一方向形状記憶効果を使用するのではなく、薄いブレード５８が製造される形状記憶材料の超弾性効果により機能してもよい。
【００７３】
この実施形態では、形状記憶材料は、ターボジェットエンジンの通常の作動温度ではオーステナイト相であるように選択される。
【００７４】
軸受支持体５６に印加されるアンバランス力により、形状記憶材料は応力を受けてマルテンサイト相に移る。マルテンサイト相では、形状記憶材料は非常に大きな弾性変形能力を有する。
【００７５】
印加された負荷がなくなる、または十分に低減されるとすぐに、形状記憶材料はオーステナイトの弾性範囲に戻り、最初の形状に戻る。
【００７６】
本発明のこの第２の実施形態は、形状記憶材料を加熱する手段を必要としないという利点があり、したがって、上述した第１の実施形態よりも実施するのは簡単であることがわかる。
【００７７】
しかし、どの変形例が選択されるかは、原則的には、形状記憶材料の種々のタイプのコストや利用可能性によって決まる。
【符号の説明】
【００７８】
１０  ターボジェットエンジン
１２  ファン
１４  ディスク
１６  ブレード
１８  低圧圧縮機
２０、４２、６４  環状フランジ
２２、５４  フランジ
２４  シャフト
２６  ターボジェットエンジンの軸
２８  上流側軸受
３０  下流側軸受
３２  中間ケーシング
３４、３６  環状ケージ
３８  ボール
４０、５６  軸受支持体
４４  ねじ
４６  中間ケーシングに連結される部品
４８、５２  環状リング
５０  ローラ
５８  薄いブレード、環状部
６０  下流側端部
６２  デフレクタ
６６  ダクト
６８  円錐台状部
７０  エプロン、環状封止エンベロープ
【図１】
2009174532.tif 000003
【図２】
2009174532.tif 000004
【図３】
2009174532.tif 000005
【図４】
2009174532.tif 000006
【外国語明細書】
2009174532.tif 000007
2009174532.tif 000008
2009174532.tif 000009
2009174532.tif 000010
2009174532.tif 000011
2009174532.tif 000012
2009174532.tif 000013
2009174532.tif 000014
2009174532.tif 000015
2009174532.tif 000016
2009174532.tif 000017
2009174532.tif 000018
2009174532.tif 000019
2009174532.tif 000020
2009174532.tif 000021
2009174532.tif 000022
2009174532.tif 000023
2009174532.tif 000024
2009174532.tif 000025
2009174532.tif 000026