JP2005180427A - ガスタービンエンジン用の分岐式排油システム - Google Patents

Abstract

【課題】 油漏れを伴わず、しかも全ての運転条件で、高い周方向流速および両媒体間に著しい速度差を持つ二相空気／油混合物を効率よく、コンパクトな高速軸受けコンパートメント内で軸方向または半径方向流動方向へと導く排油システムを提供する。
【解決手段】 排油システムは接線方向排油スクープおよびそれに隣接する沈降エリアを備え、それらは、油を油流路内に供給しかつ油溜めへ戻すダクトと別個につながる。シールドが、界面せん断のために集まった液体油を少なくとも部分的にシールドするため沈降エリア上に設けられる。複数の開口がシールドを貫通して配され、油がシールドを経てダクト内に流入することを可能にする。排油スクープは仕切りを形成し、これはダクトを第１の部分と第２の部分とに分ける。第１の部分は接線方向スクープによって捕らえられた上流側空気／油混合物を処理し、一方、第２の部分は沈降エリア内に集められた油を受ける。
【選択図】 図３

Description

本発明はガスタービンエンジン用の油システムに関し、さらに詳しくは排油システムに関する。

ガスタービンエンジンは、潤滑および冷却のため連続的給油を必要とする高速軸受けを採用する。最適性能のため、油流は適切に軸受け内に導かれかつそこから出て行かねばならない。軸受けからの油の除去すなわち排油の失敗は、油流が不十分な場合と同様、軸受けに対して有害である。なぜなら、軸受け内の排出されなかった油の攪拌は、急速に過熱につながる可能性があるからである。

従来型の潤滑システムでは、油は圧力下で軸受けの回転要素に供給され、その後、重力またはそのエネルギーによってリザーバへと戻る。戻り流を実現する一つの効果的な方法は、開放された、直線状の、そして非制限の、軸受けから油溜めに戻る流路を維持することである。これには、しばしば、軸受け内の周方向流路から出口パイプへと、空気／油混合物の向きを変える必要があり、この出口パイプはそこに軸方向または半径方向に配置される。

渦を巻く軸受けコンパートメントの二相空気／油混合物の向きを周方向流路方向から軸方向または半径方向出口パイプ流動方向へと変えるため、現在の排油システムでは、接線方向スクープを使用するが、これは、出口パイプにつながる一体化された９０度ベンドへと変化する。９０度ベンドのための最小限の長さ要求により、従来型の排油ポートは下死点（ＢＤＣ）の数度上流に配置された取入れ面を持つ。取入れ面の下流の軸受けコンパートメント空隙へ供給される油は、取入れ面に到達するため、コンパートメントの周りを界面せん断力によって運ばれる必要がある。さもなければ、油は空隙内に集まり始めてしまう。前者は、通常、高出力セッティングにおいて生じ、一方、後者は、通常、モータリング(motoring)、空転(windmilling)、またはアイドリングなどの低出力セッティングにおいて生じる。接線方向スクープによって捕らえられなかった、集まった油の排出を可能にするため、ドレインは、通常、接線方向スクープ／ベンド装置に、ＢＤＣにおいて一体化される。

特定のコンパートメント油溜め寸法および中程度の回転速度では有効であるが、エンジンコアサイズ制約がさらに厳しく、そして速度が増大するとき、従来型排油ポート装置の不具合が出始める。特に、油溜め領域のサイズが減少するとき、コンパートメントシールと集められた油溜まりの自由表面との間の距離が減少する。分離状態が悪化すると、油漏れの可能性が増大することになる。さらに、ガス／液体界面に作用する界面せん断がＢＤＣにおいてドレインから離れるよう油を追いやる。その後、油はＢＤＣにおける下流にて再循環領域を形成することになる。油再循環領域はシールを汚染しがちであり、これは最終的には、コンパートメントからの油漏れにつながる可能性がある。

したがって、油漏れを伴わず、しかも全ての運転条件で、高い周方向流速および両媒体間に著しい速度差を持つ二相空気／油混合物を効率よく、コンパクトな高速軸受けコンパートメント内で軸方向または半径方向流動方向へと導く排油システムを提供することが望ましい。

本発明による排油システムは、接線方向排油スクープおよびそれに隣接する沈降(settling)エリアを提供する。これらは、油を油流路内に供給しかつ油溜めに戻すダクトと別個につながる。沈降エリアは、エンジンの回転軸線周りに規定される回転方向に関して排油スクープの下流にある。

シールドが、集まった液体油を界面せん断からシールドするため沈降エリアの上方に設けられる。複数の開口がシールドを貫通して配され、油がシールドを経てダクト内に流入することを可能にする。

排油スクープは仕切りを形成し、これはダクトを第１の部分と第２の部分とに分ける。ダクトはハウジングの下死点に配置され、かつ仕切りは概してダクトを二つに分けるが、これに代えて特定の方向に偏倚されてもよい。第１の部分は、接線方向スクープによって捕らえられた上流側空気／油混合物を処理するのに十分なものであり、一方、第２の部分は、沈降エリアに集められた油を受ける。

それゆえ本発明は、油漏れを伴わず、しかも全ての運転条件で、高い周方向流速および両媒体間に著しい速度差を持つ二相空気／油混合物を効率よく、コンパクトな高速軸受けコンパートメント内で軸方向または半径方向流動方向へと導く排油システムを提供する。

本発明のさまざまな特徴および利点は、目下の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者には明白になるであろう。

図１はガスタービンエンジン１０の全体概略断面図を示す。ガスタービンエンジン１０はエンジン中心線Ａを中心として形成され、この中心線Ａの周りをさまざまなエンジン部分が回転する。概してエンジン１０は、ファン部分１２、低圧コンプレッサー部分１４、高圧コンプレッサー部分１６、燃焼器部分１８、高圧タービン部分２０、低圧タービン部分２２を具備する。図示した実施形態には特定の配置を開示したが、他の配置でも本発明から利益を得るであろうことを理解すべきである。

上記部分は、さまざまな高速軸受けによって支持されたメインシャフト２４の周りに取り付けられている。ある軸受け２７は中間軸受けコンパートメント２８内に配置されている。軸受け２７およびコンパートメント２８は油によって潤滑および冷却されるが、油はジェットを経て供給されかつその後排油システムによって集められる。このシステムは、油を、流路２９（図２）を経て油溜めへ戻す。さまざまな軸受けシステムが本発明から利益を得るであろうことを理解すべきである。

図２を参照すると、中間軸受けコンパートメント２８のシール３０，３２は、コンパートメント前部３４およびコンパートメント後部３６からの油漏れを抑止する。空気流および油流は軸受けコンパートメント２８内で混ざり合い、そしてエンジン回転軸線Ａの周りに流動パターンを作り出す。油流パターンは概して以下のように作用する。油微粒子は内部軸受けコンパートメント仕切りに沿って集合し、そして空気バルブを含む液体仕切り薄膜(film)を形成する。回転するメインシャフト２４と液体油薄膜との間の半径方向空間では、空気と散乱油微粒子との混合物が、液体油薄膜がコンパートメント仕切りに沿って流れるのよりも高い速度で円周方向に渦を巻く。その結果、油薄膜流は、空気／油薄膜界面で高いせん断応力にさらされる。軸受けコンパートメント２８内での薄膜厚みおよび速度分布は、界面せん断と重力の重畳効果との程度によって決められる。

コンパートメント機能、すなわち油漏れのリスクを伴わず低温および低発熱を実現するため、空気流および油流は排油システム３８へ排出されるが、これは流路２９を経て油溜めとつながる。さまざまな従来型の油噴射ジェットおよびブリーザ(breather)システムが本発明と共に利用可能であることを理解すべきである。

図３を参照すると、排油システム３８はハウジング４０内に形成されており、このハウジング４０は中間軸受けコンパートメント２８（図２）の一部を形成する。図示された実施形態では円筒形ハウジングが開示されているが、排油システムに役立つさまざまなハウジング形状が本発明から利益を得るであろうことを理解すべきである。

排油システム３８は概して排油スクープ４２およびそれに隣接する沈降エリア４４を備える。排油スクープ４２および沈降エリア４４はダクト４６と別々につながり（図４にも示される）、このダクト４６が油を流路２９に供給する。好ましくは、沈降エリア４４は、回転軸線Ａの周りに規定される回転方向Ｒに関して排油スクープ４２の下流にある。すなわち、沈降エリア４４は、いっそう液体状である油を集めるため排油スクープ４２の反対側にある（図４）。さまざまなバッフル４３などを、油混合物の方向に助けるためスクープ４２から追加的に延在させてもよい。

好ましくは、界面せん断のために集まった液体油を少なくとも部分的にシールドするため、シールド４８が沈降エリア４４の上方に取り付けられる。複数の開口５０がシールド４８を貫通して配されており、油がシールド４８を経てダクト４６に流入することを可能にする。これに代えて、シールド４８はハウジングに直接鋳造形成されることを理解すべきである。

図５を参照すると、排油スクープ４２は仕切り５１を形成し、この仕切り５１はダクト４６を第１の部分５２と第２の部分５４とに分ける（図６にも示される）。好ましくは、ダクト４６はハウジング４０の下死点（ＢＤＣ）に配置され、そして仕切り５１は概してダクト４６を二分する。これに代えて、予期される二相空気／油混合物の流動状況に応じて、短い滞留時間で、かつ再循環ゾーンおよびホットスポットを伴わずに、効率よい動作をもたらすため、仕切り５１を特定の方向に偏倚させてもよい。

相対位置的な用語、たとえば「前方」、「後方」、「上側」、「下側」、「上方」、「下方」などは、乗り物の通常の運転姿勢に関連するものであることを理解すべきであり、それ以外の限定と考えるべきではない。

特定のステップシーケンスを図示し、説明し、特許請求したが、別に指示しない限り、ステップはいかなる順序で実施されても、分離されても、あるいは組み合わされてもよく、そして依然として本発明から利益を得るであろうことを理解すべきである。

上記説明は、制限による規定というよりもむしろ代表的なものである。上記内容に鑑みれば本発明のさまざまな変更および変化が可能である。本発明の好ましい実施形態について開示したが、普通の当業者であれば、本発明の範囲内である程度の変更が可能であることを認識するであろう。それゆえ、特許請求の範囲内で、本発明は、具体的に説明されたもの以外にも実施可能であることを理解すべきである。この理由から、特許請求の範囲は本発明の真の範囲および内容を特定するために検討されるべきである。

本発明と共に使用するための代表的なガスタービンエンジンの実施形態の全体概略断面図である。 図１に示す中間軸受けコンパートメントの全体概略断面図である。 概ね図２の線３−３に沿って取った、本発明の排油システムを備えたハウジング部分の後部拡大斜視図である。 図３に示すシールド構成要素を省略した状態でのハウジング部分の後部拡大斜視図である。 本発明の排油システムを備えたハウジング部分の前部拡大斜視図である。 図５の線６−６に沿って取った、排油システムからの油ダクトの断面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン部分
１４ 低圧コンプレッサー部分
１６ 高圧コンプレッサー部分
１８ 燃焼器部分
２０ 高圧タービン部分
２２ 低圧タービン部分
２４ メインシャフト
２７ 軸受け
２８ 中間軸受けコンパートメント
２９ 流路
３０，３２ シール
３４ コンパートメント前部
３６ コンパートメント後部
３８ 排油システム
４０ ハウジング
４２ 排油スクープ
４３ バッフル
４４ 沈降エリア
４６ ダクト
４８ シールド
５０ 開口
５１ 仕切り
５２ 第１の部分
５４ 第２の部分

Claims (18)

1. ダクトを備えたハウジングと、
   前記ハウジング内の排油スクープであって、前記ダクトの第１の部分と連通する排油スクープと、
   前記排油スクープに隣接する前記ハウジング内の沈降エリアであって、前記ダクトの第２の部分と連通する沈降エリアと、を具備してなることを特徴とする軸受けコンパートメント。
2. 前記ダクト内に少なくとも部分的に配置された仕切りをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の軸受けコンパートメント。
3. 前記排油スクープが前記仕切りを形成することを特徴とする請求項２に記載の軸受けコンパートメント。
4. 前記仕切りは前記ダクトを二股に分けることを特徴とする請求項２に記載の軸受けコンパートメント。
5. 前記沈降エリアは、回転軸線を中心として規定される回転方向に関して前記排油スクープの下流にあることを特徴とする請求項１に記載の軸受けコンパートメント。
6. 前記ダクトは前記回転軸線とおおむね平行であることを特徴とする請求項１に記載の軸受けコンパートメント。
7. 前記ダクトは油溜めにつながることを特徴とする請求項１に記載の軸受けコンパートメント。
8. 少なくとも部分的に前記沈降エリアを覆うシールドをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の軸受けコンパートメント。
9. 少なくとも部分的に前記沈降エリアを覆うシールドをさらに具備し、前記シールドはそれを貫通する複数の開口を具備することを特徴とする請求項１に記載の軸受けコンパートメント。
10. ガスタービンエンジン用の排油システムであって、
    回転軸線の周囲に形成されるハウジングであって、ダクトを具備するハウジングと、
    前記ハウジング内の排油スクープであって、前記ダクトの第１の部分と連通し、前記ダクトの前記第１の部分を形成する仕切りを具備する排油スクープと、
    前記排油スクープに隣接する前記ハウジング内の沈降エリアであって、前記仕切りと反対側の前記ダクトの第２の部分と連通する沈降エリアと、
    少なくとも部分的に前記沈降エリアを覆うシールドと、を具備してなることを特徴とする排油システム。
11. 前記ハウジングは、ガスタービンエンジンの中間軸受けコンパートメントに配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の排油システム。
12. 前記沈降エリアは、前記回転軸線を中心として規定される回転方向に関して前記排油スクープの下流にあることを特徴とする請求項１０に記載の排油システム。
13. 前記ダクトは前記回転軸線とおおむね平行であることを特徴とする請求項１０に記載の排油システム。
14. 前記ダクトは前記ハウジングの下死点に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の排油システム。
15. 前記回転軸線は前記ガスタービンエンジンの中心線からなることを特徴とする請求項１０に記載の排油システム。
16. ガスタービンエンジン内における排油方法であって、
    （１）排油スクープ内に空気‐油混合物を集めるステップと、
    （２）前記空気‐油混合物を前記排油スクープからダクトの第１の部分へ移送するステップと、
    （３）前記排油スクープに隣接する沈降エリアに沈降した空気‐油混合物を集めるステップであって、前記沈降エリアはエンジン中心線の周りに規定される回転方向に関して前記排油スクープの下流側にあるステップと、
    （４）前記空気‐油混合物を前記沈降エリアから前記ダクトの第２の部分へ移送するステップと、を具備することを特徴とする方法。
17. 界面せん断から前記沈降エリアをシールドするステップをさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記沈降エリアに流動開口を設けるステップをさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
    

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