JPH0475373B2 - - Google Patents

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JPH0475373B2
JPH0475373B2 JP59086082A JP8608284A JPH0475373B2 JP H0475373 B2 JPH0475373 B2 JP H0475373B2 JP 59086082 A JP59086082 A JP 59086082A JP 8608284 A JP8608284 A JP 8608284A JP H0475373 B2 JPH0475373 B2 JP H0475373B2
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02C7/16—Cooling of plants characterised by cooling medium
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    • F02C7/185—Cooling means for reducing the temperature of the cooling air or gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C27/00—Elastic or yielding bearings or bearing supports, for exclusively rotary movement
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C19/24—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for radial load mainly
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、航空機を推進駆動するためのガスタ
ービンパワープラントに係り、更に詳細にはパワ
ープラントの高温部に近接して装着された軸受を
熱的に緩衝するための装置に係る。
近年当技術分野に於ては比推力燃料消費量
（TSFC）の高いパワープラントを設計し開発し
製造する多大な努力が払われている。かかる目的
を達成するためには、エンジンの運転包囲線の少
なくとも一部に於て従来達成されていた温度より
も高い温度にてエンジンを運転することが望まし
い。かくして高温度にて運転されるエンジンに於
ては、回転要素を支持するフレーム間軸受が従来
よりも高温且高圧の環境内に配置される。
軸受が比較的高温の環境中に配置されることに
加えて、軸受コンパートメント外の圧力も高くな
つてきている。かかる条件、即ち高温且高圧の環
境及び軸受コンパートメントが加圧されることの
結果として、火災や構成要素の劣化を発生させる
ような不適当な条件が軸受コンパートメントに創
成される。
従来よりかかる公知のエンジンに於ては軸受の
ためのバツフア装置が設けられているが、かかる
バツフア装置は軸受を囲繞し又はこれに間近に近
接して設けられたキヤビテイ内へ低温且遥かに低
圧の空気及び／又は同一の圧力にて低温の空気を
流すものである。かかる公知のバツフアシステム
を十分に機能させるためには、軸受コンパートメ
ントに隣接したシールに於て十分に低い圧力を発
生させるべく、エンジンの低圧領域へ空気を連続
的に流す必要がある。またバツフアシステムによ
つては過剰の空気を機外へ排出させる必要があ
る。かかる過剰の空気が機外へ排出されるか又は
高圧タービンを迂回して低圧領域へ導かれるかに
拘らず、かかる要領にて空気を使用することによ
りエンジン性能が全体として低下する。かかる従
来のバツフアシステムに於て適正な圧力を得るた
めには、シールを使用することによつて圧力降下
を発生させる必要があり、実際にはこれらのシー
ルはラビリンスシールである。従つてこれらのシ
ールが常に摩耗することにより圧力降下弁、引い
ては空気の流れに有害な影響が及ぼされる。
かくしてこれら従来より公知のバツフアシステ
ムに於いては、軸受コンパートメントの外面を熱
的に緩衝するためには多量の空気が必要であり、
バツフア空気をエンジンの低圧領域又はバツフア
システム外へ排出させなければならず、圧力低減
用のシールが必要であるという欠点がある。
本発明は燃焼セクシヨンに隣接してハウジング
内に収容された軸受に対し高圧且低温の空気バツ
フアゾーンを設けることにより、上述の如き種々
の問題を解決せんとするものである。本願発明者
等は、軸受冷却／潤滑装置に於て発生するオイル
と空気との混合気の発火点よりも低い温度に冷却
された高温のコンプレツサ空気を軸受コンパート
メントのシールに近接した領域に導くことによ
り、軸受の領域に於て不用意に火災が生じる虞れ
を低減する好ましい環境を形成し得ることを見出
した。バツフア空気の圧力は高温の周囲空気より
も僅かに高く、従つてシールが正常に機能しない
場合にも高温の空気が軸受コンパートメント内へ
流入することはない。本発明によれば、冷却され
たコンプレツサ抽気空気が軸受コンパートメント
のカーボンシールに近接して形成されたバツフア
ゾーンへ導かれる。バツフアゾーンは回転シヤフ
トとこれより半径方向に隔置され且これに対し平
行に配置された静止環状部材との間に郭定された
細長い環状空間により郭定されている。静止環状
部材は端部にて開口しており、これによりバツフ
アゾーン内へその両端間にて導入された空気流は
軸線方向に何れかの方向へ流れる（この場合両開
口端の一方に配置された半径方向シールへ向けて
流れることが好ましい。）。
一つの好ましい実施例に於ては、バツフアゾー
ンには一対のカーボンシールに関連するバツフア
ゾーンのそれぞれに設けられた少なくとも一つの
導管（二つの導管が好ましい）により空気が供給
される。他の一つの実施例に於ては、軸受コンパ
ートメントは覆いにより覆われており、これによ
りバツフアゾーンへ空気を供給する環状通路が郭
定されており、該通路は軸受コンパートメントの
表面全体を冷却する。第二のアウタシユラウドが
環状通路を囲繞することによつて熱シールドを構
成しており、密閉された空気の断熱手段を与える
べく両端にて閉じられている。
本発明によれば、軸受コンパートメントを熱的
に緩衝すべくコンプレツサより抽気される空気は
エンジンの性能を損わないような要領にてエンジ
ンの下流側部分に於て使用される。
軸受コンパートメントへ導かれるコンプレツサ
空気はバーナの環境と接触した際に或る程度加熱
されるが、それでもその空気は高温の高圧タービ
ンロータを有効に冷却し得るほど低温である。ま
たかかる空気の圧力は高圧タービンの環境に於け
る圧力に匹敵し得るほど高いので、その空気はエ
ンジンの高温部分を擦つて流れるよう導かれる。
高圧タービンロータを冷却するためにタンジエン
シヤル・オンボード・インジエクタ（TOBI）が
使用されたエンジンに於ては、本発明を採用する
ことにより、本発明を採用しない場合に比して
TOBI空気を低減することができる。またTOBI
空気に比してバツフアシステムよりの空気の温度
が低いので、高圧タービンを冷却するために使用
される冷却空気の使用量を大きく節減することが
できる。TOBIの詳細な説明については、1973年
10月30日付にてW.M.Brown及びW.A.Graceに付
与され本願出願人に譲渡された米国特許第
3768921号を参照されたい。
本発明の目的は、軸受コンパートメントに近接
する高温の環境より軸受コンパートメントを断熱
すべく、軸受コンパートメントを熱的に緩衝する
手段をガスタービンエンジンに設けることであ
る。本発明の一つの特徴は、コンプレツサよりの
高圧の空気を先ず熱交換器に通して冷却した後、
その空気を軸受コンパートメントのシールを囲繞
するよう供給することである。本発明の他の一つ
の特徴は、軸受コンパートメントに近接して設け
られ開口端を有するバツフアゾーンにあり、該バ
ツフアゾーンはシールの作動不良の際にバツフア
空気と共に周囲空気を軸受コンパートメント内へ
導入するよう構成されており、この場合周囲空気
はバツフア空気との混合により発火点以下に冷却
されるので軸受及びその構成要素に悪影響を与え
ることはない。本発明の更に他の一つの特徴は、
ラビリンスシールを使用することなく、またラビ
リンスシールを使用することに伴なう悪条件を生
じることなく熱的緩衝が行われることである。
本発明に於ては、比較的高圧のバツフア空気が
コンパートメントのカーボンシールに必要とされ
る量よりも多量に流され、これにより高温の周囲
空気がカーボンシールを経て流入することが阻止
される。エンジンが運転されると間隙が増大する
ナイフエツジ型のラビリンスシールは必要ではな
いので、本発明のバツフアシステムはシールの摩
耗に影響されず、従つて一般のエンジンの作動の
悪化により発生し得る火災に対して安定性が一層
高められる。
本発明の更に他の一つの特徴は、高圧タービン
を冷却するために高圧且低温のバツフア空気を使
用することであり、これによりエンジンの運転性
能を犠牲にすることなく冷却の目的で使用される
コンプレツサ空気を有効に使用することができ
る。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。
添付の第１図及び第２図に於て、符号１０にて
全体的に示された典型的なフアンジエツトエンジ
ンはフアンセクシヨンと、コンプレツサセクシヨ
ンと、バーナセクシヨンと、タービンセクシヨン
と、排気セクシヨンとを有している。簡明化及び
便宜の目的で、ガスタービンエンジンの詳細な点
は省略されているが、かかるエンジンの詳細な点
については本願出願人であるユナイテツド・テク
ノロジーズ・コーポレイシヨンの一つのデイビジ
ヨンであるPratt ＆ Whitney Aircraftにより
製造されているJT−9Dエンジンを参照された
い。
かかるパワープラント（ガスタービンエンジ
ン）は軸流型のコンプレツサ段及びタービン段を
有するツインスプールを含んでおり、各組のコン
プレツサ段及びタービン段はシヤフトにより互い
に接続されている。バーナセクシヨンはタービン
を駆動し推進用の推力を発生させるに十分なエネ
ルギを発生させるべく、コンプレツサセクシヨン
とタービンセクシヨンとの間に配置されている。
第２図に詳細に示されている如く、高圧スプー
ル、即ちガス発生器（図示せず）は符号１４にて
全体的に示されたローラ軸受により適宜に支持さ
れたシヤフト１２よりなつている。軸受１４は良
く知られており、シヤフト１２に近接して装着さ
れたインナリング１６と、アウタリング１８と、
複数個のローラ２０と、ケージ２２とよりなつて
おり、図示の実施例に於ては流体ダンパ２６によ
り囲繞されている。流体ダンパ及び軸受は環状の
支持部材３０に支持され且これに接続されてお
り、支持部材３０は軸受ハウジング３６及び３
６′のフランジ３２と３４との間に支持されてい
る。軸受ハウジング３６及び３６′は軸受１４を
収容している。かかる軸受及び流体ダンパの構造
の詳細については、1982年７月６日付にてD.H.
Hibnerに付与された米国特許第4337983号及び
1983年５月31日付にてP.F.Brown，Jr.等に付与
された米国特許第4385788号（これら何れの米国
特許も本願出願人に譲渡された）を参照された
い。
以上の説明より明らかである如く、軸受１４は
シヤフト１２を囲繞するハウジング３６により郭
定されたキヤビテイ、即ちコンパートメント３８
内に収容されている。コンパートメント３８の両
端は適当なカーボンシール４０及び４０′により
シールされており、カーボンシール４０及び４
０′はそれぞれシールプレート４２及び４２′の表
面に対しばね（図示せず）により押付けられてい
る。カーボンシールの構造は良く知られており、
その適当な構造の一例が1961年７月18日付にて
Shevchenko等に付与され本願出願人に譲渡され
た米国特許第2992842号に開示されている。
周知の如く、コンパートメント３８は軸受を潤
滑し冷却する作用をなすオイルの流れに連続的に
曝され、オイルはハウジング３６の底部に装着さ
れた復帰導管４４を経て戻される。
かかる構造に於ては、軸受ハウジングは部分的
に示されたデイフユーザケース４６に支持されて
おり、デイフユーザケースはバーナライナ（図示
せず）を囲繞しており、該バーナライナと共働し
てバーナライナを囲繞し且被包するキヤビテイ４
９を郭定している。軸受コンパートメント３８は
バーナに対し半径方向内方に配置されており、ま
た軸受コンパートメントを囲繞する既に加熱され
たコンプレツサ吐出空気に曝されるので、或る運
転条件下に於ては、エンジンのかかる領域は非常
に高い温度になる傾向を有している。
かかる過剰な熱より軸受コンパートメント３８
を断熱する一つの方法は、ハウジング３６の周り
を適当な材料よりなる断熱覆い５０（部分的に図
示されている）にて包むことである。
上述の如き断熱方法に加えて、又はその代替手
段として、カーボンシールの内側にバツフアゾー
ンが配置されている。このバツフアゾーンにはコ
ンプレツサより抽気された低温の高圧空気が供給
される。この空気の温度は軸受コンパートメント
を囲繞する周囲空気よりも低温且高圧である。か
かるシステムによれば通常の運転条件下に於て高
温の空気が軸受コンパートメント内へ流入するこ
とが阻止されるが、シールに不用意な漏洩が生じ
た場合にも、高温の周囲空気がバツフアゾーンの
低温の空気と混合されない状態にて軸受コンパー
トメント内へ流入することは阻止される。第２図
に示された実施例に於ては、比較的低温の加圧さ
れた空気が、軸受１４の図にて左側に於てはシヤ
フト１２とシール支持構造体５２とシールプレー
ト４２との間の空間を充填すべく、また軸受１４
の図にて右側に於てはスリーブ５６とシール支持
構造体５２′とシールプレート４２′との間の空間
を充填すべく、導管６０及び６２によりカーボン
シールの内周側の環状空間４８及び４８′内へ導
入される。第２図に於ては軸受１４の両側にそれ
ぞれ一つの供給導管しか図示されていないが、軸
受の両側にそれぞれ一つ以上の導管が設けられて
良く、図示の実施例に於ては二つの導管が180°互
に隔置されていることが好ましい。
導管６０及び６２はそれぞれアウタチユーブ６
６及び６４内に同心に装着されており、アウタチ
ユーブ６６及び６４は導管６０及び６２を断熱
し、バツフアゾーンへ流れる空気の温度を適正な
温度レベルに維持する作用をなす。第１図より解
る如く、比較的低温の加圧された空気はコンプレ
ツサセクシヨン内の適当な位置より抽気され、導
管６８を経てエンジンの外部へ導かれ、フアン熱
交換器７０を経て流れ、導管６９を経てエンジン
の内部に戻され、マニホルド７２（第２図参照）
を経て導管６０及び６２へ導かれる。
第２図に示されている如く、シヤフト１２を囲
繞する実質的に環状室でありカーボンシール４０
及び４０′を横切る漏洩経路を与えるバツフアゾ
ーン４８及び４８′へ供給される空気は、カーボ
ンシールより離れた点に於て導入される。バツフ
アゾーン４８及び４８′は両端にて開いた室であ
り、バツフア空気はカーボンシールを経て又は間
隙８０及び８０′を経て流出し得る。しかしバツ
フア空気の圧力が適正に選定されるので、この空
気の極く一部は常にカーボンシールへ向けて流
れ、この空気の残りの部分は間隙８０及び８０′
を経てバツフアゾーン４８及び４８′外へ流出す
る。カーボンシールにより必要とされる空気の量
は通常の運転中にバツフアゾーンへ供給される空
気の量に比して少ない。過剰の空気は間隙８０を
経て流出する。シールに孔が開いたりカーボンシ
ールが損傷したりした場合には、全てのバツフア
空気及び高温の周囲空気の一部はコンパートメン
ト３８内へ流入するが、その場合にも大きな火災
が発生したり重大な故障が発生したりすることは
ない。通常の運転条件下に於ける過剰の空気は高
圧タービンブレードへ空気を供給するために使用
される。ブレードを冷却するために例えば
TOBIを経て一般に使用される空気が低減され、
バツフアゾーンよりの過剰の空気が比較的低温
であることによりTOBI空気を更に低減すること
が可能であるので、ブレードが過剰に冷却される
ことはない。本発明によればエンジンの性能を向
上させることができる。
第３図は本発明の他の一つの実施例を示してお
り、第３図に於て第２図に示された部材と実質的
に同一の部材には同一の符号が付されている。こ
の実施例に於ては、ハウジングに収容された軸受
コンパートメント３８は実質的にその左右両側に
於て、環状室８８及び８８′を郭定すべくハウジ
ングより隔置されたシート金属シース８６及び８
６′にて閉ざされている。第二の左右のシース９
０及び９０′がユニツト全体を収容しており、シ
ース８６及び８６′より隔置されており、それら
の間に環状空間９２及び９２′を郭定している。
環状空間９２及び９２′は両端にて閉ざされてお
り、軸受コンパートメントのための断熱覆いとし
て作用するデツドスペースを与えている。このこ
とによりコンパートメントを囲繞する比較的高温
の空気より軸受コンパートメント内のオイルへ熱
が伝達されることが抑制される。
第２図に示されたシステムの場合と同様、第３
図に示されたシステムは熱交換器より高圧且低温
の空気を受け、その空気は環状空間８８及び８
８′へ空気を供給するためのマニホルドとして作
用する導管９６内へ供給され、環状空間８８及び
８８′よりバツフアゾーン４８及び４８′へ供給さ
れる。また第２図に示されたシステムの場合と同
様、バツフアゾーン４８及び４８′は端部にて開
口しており、バツフア空気を保持するためにラビ
リンスシールを必要とせず、高温の周囲空気がカ
ーボンシールの近傍を汚染することを防止するも
のである。
バツフアゾーンの空気の圧力を軸受コンパート
メントを囲繞する周囲空気よりも高い値に維持す
ることにより、比較的高温の周囲空気が軸受コン
パートメント内へ漏洩することがバツフアゾーン
内の高圧且低温の空気によつて防止される。この
ことにより軸受コンパートメント内のオイルが高
温の空気と混合し有害な条件を発生する可能性が
排除される。
高圧の空気、例えばコンプレツサの吐出端に於
ける空気の一部を使用し、その空気をそれがバツ
フアゾーン内へ導入される前に冷却することによ
り、システムは適正な圧力及び温度の空気にて充
足される。
冷却及び熱的緩衝作用を維持すべく加圧されて
いない低温の空気を連続的に供給し軸受上を流れ
る多量の空気に依存する従来のバツフアシステム
とは対照的に、少量の抽気空気を使用するという
利点に加えて、上述のシステムによれば以下の如
き他の利点（これらに限定されるものではない）
が得られる。
上述のシステムによれば、カーボンシールを漏
洩する空気の温度を大きく低下させることにより
軸受コンパートメントの火災の可能性が低減され
る。
軸受コンパートメントを熱的に緩衝すべく高圧
の低温空気が供給され、このバツフア空気の温度
はコンプレツサより直接導き出される空気よりも
或る与えられた圧力レベルに於て低温である。
軸受コンパートメントを安全に作動させ得るコ
ンパートメントの周囲圧力が増大される。
カーボンシールが損傷した場合にもコンパート
メント内のオイルの火災を防止するに十分なほど
低温のバツフア空気が供給される。
通常の運転条件下に於ては、高圧タービンのブ
レードを冷却するために過剰のバツフア空気を使
用することができる。この低温の空気により
TOBIの如き他の源より必要とされる空気の流量
が低減され、エンジン性能が増大される。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。
【図面の簡単な説明】
第１図はバツフア空気として戻される前にコン
プレツサ空気を冷却するために使用される熱交換
器を有するガスタービンエンジンを示す解図的斜
視図である。第２図は本発明の一つの実施例を示
す拡大部分断面図である。第３図は本発明の他の
一つの実施例を示す拡大部分断面図である。 １０……フアンジエツトエンジン、１２……シ
ヤフト、１４……ローラ軸受、１６……インナリ
ング、１８……アウタリング、２０……ローラ、
２２……ケージ、２６……流体ダンパ、３０……
支持部材、３０，３４……フランジ、３６，３
６′……軸受ハウジング、３８……軸受コンパー
トメント、４０，４０′……カーボンシール、４
２，４２′……シールプレート、４４……復帰導
管、４６……デイフユーザケース、４８，４８′
……バツフアゾーン、４９……キヤビテイ、５０
……断熱覆い、５２，５２′……シール支持構造
体、５６……スリーブ、６０，６２……導管、６
４，６６……アウタチユーブ、６８，６９……導
管、７０……熱交換器、７２……マニホルド、８
０，８０′……間隙、８６，８６′……シース、８
８，８８′……環状室、９０，９０′……シース、
９２，９２′……環状空間、９６……導管。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ コンプレツサと、タービンと、前記コンプレ
    ツサと前記タービンとを接続するシヤフトと、エ
    ンジンの高温空気の環境中にて前記タービンと前
    記コンプレツサとを接続する前記シヤフトを支持
    する軸受と、前記軸受を収容し前記シヤフトを囲
    繞する軸受コンパートメントと、前記シヤフトに
    間近に近接し前記シヤフトを囲繞し前記軸受コン
    パートメントの両端に装着されたカーボンシール
    と、バツフア空気を受入れるべく前記シール装置
    に隣接して前記シヤフトを囲繞するバツフアゾー
    ンを形成し端部にて開口した室を郭定する壁と、
    前記コンプレツサより抽出された空気源と、前記
    空気源からバツフア空気が前記バツフアゾーンの
    各々に導入される前に前記バツフア空気を冷却す
    べく前記エンジンの外部の位置にて熱交換器を通
    過するよう前記バツフア空気を導く流体接続手段
    と、を有し、前記バツフア空気は前記環境中の前
    記高温空気の圧力より高い圧力にあり、通常は前
    記バツフア空気の極く一部のみが前記シール装置
    を経て前記軸受コンパートメント内へ漏洩すると
    共に残りの前記バツフア空気が前記端部にて開口
    した室の各々から流出し冷却の目的で前記タービ
    ンに向うよう構成されており、前記シール装置の
    損傷の際には通常前記端部にて開口した室から流
    出する前記バツフア空気が前記軸受コンパートメ
    ント内へ流入するよう構成されていることを特徴
    とするガスタービンエンジン。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のガスタービン
    エンジンであつて、前記流体接続手段が、前記軸
    受コンパートメントから隔置され前記軸受コンパ
    ートメントを取囲むシースを含み、これによりバ
    ツフア空気を受入れるための環状通路を郭定して
    おり、前記バツフア空気が前記室内に導入される
    前に先ず前記軸受コンパートメントの外壁に沿つ
    て流れるよう構成されているガスタービンエンジ
    ン。
JP59086082A 1983-05-31 1984-04-27 ガスタ−ビンエンジン Granted JPS59226236A (ja)

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DE3482915D1 (de) 1990-09-13
JPS59226236A (ja) 1984-12-19
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EP0127562A2 (en) 1984-12-05

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