JP6311640B2 - Air bearings for rotating shafts with axial heat drop - Google Patents
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Description
本発明は、空気を潤滑材とする空気軸受に係り、特に軸線方向に熱落差のある回転軸のための空気軸受に係る。 The present invention relates to an air bearing using air as a lubricant, and more particularly to an air bearing for a rotary shaft having a heat drop in the axial direction.
ガスタービンに於けるコンプレッサとタービンを直結する回転軸をその中間部にて空気を潤滑材とする空気軸受により支持する構造が、下記の特許文献1に記載されている。この特許文献の図4、図5、図6、図7に示された実施例では、空気はタービンに近い側の一端よりコンプレッサに近い側の他端へ向けて流され、図8の実施例では、空気はコンプレッサに近い側の一端よりタービンに近い側の他端へ向けて流されているが、いずれの実施例についても、空気軸受内に於ける空気流路の詳細は言及されておらずまた図示されてもいない。 A structure in which a rotary shaft directly connecting a compressor and a turbine in a gas turbine is supported by an air bearing using air as a lubricant at an intermediate portion thereof is described in Patent Document 1 below. In the embodiments shown in FIGS. 4, 5, 6, and 7 of this patent document, air is flowed from one end close to the turbine toward the other end close to the compressor. In this example, air is flowed from one end closer to the compressor to the other end closer to the turbine. However, in each of the examples, details of the air flow path in the air bearing are not mentioned. Also not shown.
ガスタービンに於けるコンプレッサとタービンを直結する回転軸をその中間部にて軸受により支持する場合、回転軸はガスタービンの暖機後の運転中にはタービンを支持する一端部よりコンプレッサを支持する他端部に亙って軸線方向にかなり大きな熱落差を呈するので、ガスタービンの冷温始動時から始まる全運転域に亙って軸受部に於ける回転軸と軸受スリーブの間のクリアランスを可及的にて定常化して軸受性能を向上させるには、ガスタービンの運転中、軸受のタービンに近い側をコンプレッサに近い側より強く冷却する必要がある。 When a rotary shaft that directly connects a compressor and a turbine in a gas turbine is supported by a bearing at an intermediate portion thereof, the rotary shaft supports the compressor from one end portion that supports the turbine during operation after the gas turbine is warmed up. A fairly large heat drop is exhibited in the axial direction over the other end, so that the clearance between the rotating shaft and the bearing sleeve in the bearing is possible over the entire operating range starting from the cold start of the gas turbine. Therefore, in order to stabilize and improve the bearing performance, it is necessary to cool the side near the turbine of the bearing more strongly than the side near the compressor during the operation of the gas turbine.
本発明は、上記の事項に着目し、ガスタービンに於けるコンプレッサとタービンを直結する回転軸をその中間部にて支持する空気軸受を、ガスタービンの冷温始動時から始まる全運転域に亙って軸受部に於ける回転軸と軸受スリーブの間のクリアランスを可及的にて定常化する構造にて提供することを課題としている。 The present invention pays attention to the above-mentioned matters, and an air bearing that supports a rotating shaft directly connecting a compressor and a turbine in a gas turbine at an intermediate portion thereof is provided in the entire operation region starting from the cold start of the gas turbine. It is an object of the present invention to provide a structure in which the clearance between the rotating shaft and the bearing sleeve in the bearing portion is made as steady as possible.
上記の課題を解決すべく、本発明は、ガスタービンに於けるコンプレッサとタービンを直結する回転軸をその中間部にて支持する空気軸受にして、前記回転軸を周りから受ける軸受スリーブと、該軸受スリーブを周りから複数の放射状リブを介して支持する筒状ハウジングとを有し、前記軸受スリーブと前記筒状ハウジングの間の環状空間を前記複数の放射状リブにて仕切った複数の空気流路が前記コンプレッサに近い側の一端より前記タービンに近い側の他端まで延在しており、前記放射状リブは前記一端より前記他端へ向けて厚みが減じられていることを特徴とする空気軸受を提案するものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides an air bearing that supports a rotating shaft that directly connects a compressor and a turbine in a gas turbine at an intermediate portion thereof, and a bearing sleeve that receives the rotating shaft from the surroundings, A plurality of air flow paths having a cylindrical housing that supports the bearing sleeve from the periphery via a plurality of radial ribs, and an annular space between the bearing sleeve and the cylindrical housing is partitioned by the plurality of radial ribs. Is extended from one end close to the compressor to the other end close to the turbine, and the radial ribs are reduced in thickness from the one end toward the other end. This is a proposal.
上記の如く、ガスタービンに於けるコンプレッサとタービンを直結する回転軸をその中間部にて支持する空気軸受が、前記回転軸を周りから受ける軸受スリーブと、該軸受スリーブを周りから複数の放射状リブを介して支持する筒状ハウジングとを有し、前記軸受スリーブと前記筒状ハウジングの間の環状空間を前記複数の放射状リブにて仕切った複数の空気流路が前記コンプレッサに近い側の一端より前記タービンに近い側の他端まで延在しており、前記放射状リブは前記一端より前記他端へ向けて厚みが減じられていれば、前記複数の放射状リブの間にあって前記空気流路に露呈される前記軸受スリーブの壁面の面積が前記一端より前記他端へ向けて増大することにより前記軸受スリーブが前記一端より前記他端へ向けてより強く冷却されることと、前記放射状リブがその厚みを前記一端より前記他端へ向けて減じられることにより該一端より該他端へ向かうに連れて前記空気流路を流れる空気流によってより強く冷却されることにより、前記軸受スリーブが前記回転軸より受ける熱の量が該軸受スリーブの前記コンプレッサに近い側の一端より前記タービンに近い側の他端へ向けて増大しても、該熱により前記軸受スリーブに生じる熱変形の両端間に於ける差は抑制される。 As described above, the air bearing that supports the rotary shaft directly connecting the compressor and turbine in the gas turbine at the intermediate portion thereof has a bearing sleeve that receives the rotary shaft from the periphery, and a plurality of radial ribs from the periphery of the bearing sleeve. A plurality of air flow paths that are formed by partitioning an annular space between the bearing sleeve and the cylindrical housing with the plurality of radial ribs. If the radial rib extends to the other end closer to the turbine and the thickness of the radial rib is reduced from the one end toward the other end, the radial rib is exposed to the air flow path between the plurality of radial ribs. As the area of the wall surface of the bearing sleeve increases from the one end toward the other end, the bearing sleeve is cooled more strongly from the one end toward the other end. And the radial ribs are cooled more strongly by the air flow flowing through the air flow path from the one end toward the other end by reducing the thickness from the one end toward the other end. As a result, even if the amount of heat received by the bearing sleeve from the rotating shaft increases from one end of the bearing sleeve closer to the compressor to the other end closer to the turbine, the heat is applied to the bearing sleeve by the heat. The difference between the two ends of the resulting thermal deformation is suppressed.
図1に本発明に関与する要部が概略図にて示されたガスタービン於いて、1はコンプレッサ、2はタービンであり、両者は回転軸3により直結され、該回転軸はその中間部にて空気軸受4により支持されている。
FIG. 1 is a gas turbine in which the main parts related to the present invention are schematically shown. In FIG. 1, 1 is a compressor, 2 is a turbine, both are directly connected by a rotating
空気軸受4は、その軸線を通る縦断面が図2の図Aに示され、またそのタービン2に近い側の端面が図2の図Bに示されている構造のものであり、回転軸3を周りから受ける軸受スリーブ10と、該軸受スリーブを周りから複数の放射状リブ12を介して支持する筒状ハウジング14とを有し、軸受スリーブ10と筒状ハウジング14の間の環状空間を複数の放射状リブ12にて仕切った複数の空気流路16がコンプレッサに近い側の一端4cよりタービンに近い側の他端4tまで延在している。図示の実施例では、放射状リブ12は8個設けられており、いずれの放射状リブも、図2の図Cに示す如く、コンプレッサに近い側の一端4cよりタービンに近い側の他端4tへ向けて厚みが減じられている。
The air bearing 4 has a structure in which a longitudinal section passing through the axis thereof is shown in FIG. 2A and an end surface close to the turbine 2 is shown in FIG. And a
空気流路16には、図には示されていない適当な冷却空気循環手段により、冷却空気が一端4cの側から導入され、他端4tの側から排出されるようになっている。この場合、放射状リブ12がコンプレッサに近い側の一端4cよりタービンに近い側の他端4tへ向けて厚みが減じられていることにより、空気流路16に露呈される軸受スリーブ10の壁面の面積は一端4cより他端4tへ向けて増大しているので、空気流路16内に流される冷却空気によって軸受スリーブ10は一端4cより他端4tへ向けてより強く冷却される。また放射状リブ12がその厚みを一端4cより他端4tへ向けて減じられていることにより、空気流路16を流れる空気流が放射状リブ12に及ぼす冷却効果は一端4cより他端4tへ向かうに連れて増大し、放射状リブ12は一端4cより他端4tへ向かうに連れて空気流路16を流れる空気流によってより強く冷却される。これら2つの一端4cより他端4tへ向かう冷却効果の変化により、ガスタービンの暖機後の運転中に軸受スリーブ10が回転軸3より受ける熱の量が軸受スリーブのコンプレッサに近い側の一端4cよりタービンに近い側の他端4tへ向けて増大しても、該熱により軸受スリーブ10に生じる熱変形の両端間に於ける差は抑制される。
Cooling air is introduced into the
以上に説明した実施例について、本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。 It will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made to the embodiments described above within the scope of the present invention.
1…コンプレッサ、2…タービン、3…回転軸、4…空気軸受、4c…空気軸受の一端、4t…空気軸受の他端、10…軸受スリーブ、12…放射状リブ、14…筒状ハウジング、16…空気流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Compressor, 2 ... Turbine, 3 ... Rotary shaft, 4 ... Air bearing, 4c ... One end of an air bearing, 4t ... The other end of an air bearing, 10 ... Bearing sleeve, 12 ... Radial rib, 14 ... Cylindrical housing, 16 ... Air flow path
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