JP2007224912A - スーパーコア油だめ通気圧力制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力で油漏れを制御する方法及び装置を提供する。
【解決手段】 ガスタービンエンジンの軸受油だめ加圧を制御する方法及びガスタービンエンジンの軸受油だめ空洞部に対する能動空気圧制御装置は、あらゆる動作条件において、ガスタービンの軸受油だめ空洞部（１１２）から油だめ通気口（２００）を通る連続する空気流れを維持するために、前記油だめ空洞部（１１２）からの空気流れを制御自在に制限するか又は能動的に通気することにより、前記油だめ空洞部（１１２）における油だめ加圧を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、あらゆる動作条件中の軸受油だめの内部の空気圧の制御に関する。

ガスタービンエンジンは、通常、回転自在の軸を支持する少なくとも１つの軸受アセンブリを含む。各軸受アセンブリは、油だめの中に収納される。油だめは、供給ポンプから潤滑油を供給され、潤滑油は、洗浄及び冷却のために、潤滑油供給系統に戻される前に油／空気分離器及び熱交換系統を介して油だめから掃気され且つ搬送される。油だめからの油漏れを制御するために、いくつかのガスタービンエンジンは、周囲ラビリンスシールによって密封された加圧空洞部の中に収納された軸受油だめを採用する。油漏れを最小限にするために、加圧空洞部は、加圧された空気を供給される。本出願の譲受人により販売されているLMS100などのいくつかの航空機用ガスタービンエンジンの場合、油だめから潤滑油が漏れ出すのを防止するため及び高出力動作中であり且つそれに対応して吸込み圧力が高いときの油の消費を防止するために、通気油だめ圧力の制御が必要とされる。

例えば、２００２年１０月２９日にPrzytulski他に対し発行され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第６，４７０，６６６Ｂ１号公報（特許文献１）に示されるようないくつかの従来のガスタービンエンジンにおいては、低出力動作中又はアイドリング動作中の油漏れを防止するように、油だめ加圧空洞部の内部の空気圧を低下するために、油だめ排気系統が採用される。ガスタービンの出力レベルが上がったため、高出力で油漏れを制御するための装置が必要とされる。
米国特許第６，４７０，６６６Ｂ１号公報

本発明のひとつは、あらゆる動作条件において、油だめ空洞部から油だめ通気口を通る連続する空気流れを維持するために、油だめ空洞部からの空気流れを制御自在に制限するか又は能動的に通気することにより、ガスタービンの軸受油だめにおける油だめ加圧を制御する方法及び装置である。

図１は、ガスタービンエンジン１０を示した概略図である。ガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。低圧圧縮機１２は、第１の軸２４により低圧タービン２０に結合され、高圧圧縮機１４は、第２の軸２２により高圧タービン１８に結合される。複数の軸受アセンブリは、第１の軸２４及び第２の軸２２を長手方向軸２６に関して同心に回転するように回転自在に支持する。各軸受アセンブリは、油だめの中に収納される。各々の油だめの内部の空気圧の制御は、準アイドリング運転から最大出力までのあらゆる回転速度の間に、適切な軸受潤滑を維持することを助ける。「アイドリング」は、ガスタービンが安定モードで動作する最小の回転動作速度と規定される。例えば、LMS100エンジンの場合の「アイドリング」速度は、約６，０００〜７，０００ｒｐｍの範囲の回転速度であり、他のガスタービンエンジンの場合には、約２，５００〜６，５００ｒｐｍの範囲になるであろう。「準アイドリング」は、アイドリング速度以下又はエンジンが単独で安定動作を維持できる最小の回転速度以下のエンジン回転速度であり、この場合、例えば、エンジンを冷却するため及び点火前にエンジンチェックアウトを実行するために使用される始動モータが回転し続けることが要求される。最大出力は、最高速度及び最高出力であり、LMS100の場合、約１０，４００〜１０，６００ｒｐｍである。各油だめは、それぞれ対応する油だめ通気管３４、３６及び３８を通し、空気管４０及び４２を経て通気される。油だめ通気管３４、３６及び３８は、それぞれの油だめを歯車箱３２により駆動される圧力制御系統３０に接続する対応する調整自在の弁３５、３７、３９により制御される。それぞれの油だめ通気管３４、３６及び３８を通る空気流れの制御を実行し、油の消費を最小限にするために、各々の弁３５、３７及び３９は、適切な設定位置に個別に作動されてもよい。

図２は、潤滑系統２８と共に使用される油だめ排気系統９０を示した概略図である。油だめ排気系統９０は、油加圧空洞部８０からの空気流れにより加圧される油だめ油空洞部４４を含む。空洞部油だめ通気口７０は、付属駆動装置又は歯車箱３２により駆動される空気／油分離器９２の取入れ口９５に通気管８２により接続される。空気／油分離器９２は、各油だめ油空洞部４４から空気と、それに付随する潤滑油との混合物を受け取る。分離器の排気口９６は、調整自在の弁９１が組み込まれたパイプ９３を経て、送風機９４の取入れ口９８に結合される。送風機９４は、出力端１００において通気系統１０２へ空気を排出する。この空気は、エンジン排気ガス流れに取り入れられてもよい。以下に更に詳細に説明されるように、アイドリング動作中又は準アイドリング動作中、調整自在の弁９１は開放位置に設定され、油の漏れを最小限に抑えるように、ラビリンスシールにおいて正圧を維持するために、送風機９４の動作が開始される。最大出力動作を含めたアイドリング回転速度を超える出力動作の間には、調整自在の弁９１は部分閉鎖位置に設定され、空気／油分離器９２に入る空気流れが加圧空気流れにより追い出されるように、送風機９４の動作は停止される。

図３、図４及び図５は、軸受アセンブリ油だめ通気圧力制御システムの一例を示した概略図である。軸受アセンブリ１１０、１２０及び１３０は、回転子軸１４１を回転自在に支持する。ブースタ出力端５４は、支柱１３４の内部の流路及び開口部１３５を通して、空気空洞部１４０と流体連通するように結合される。空気空洞部１４０は、開口部１３６及び導管１４２を介して油だめ加圧空洞部１３８に接続される。油だめ加圧空洞部１３８は、ラビリンスシール１４６を介して油だめ空洞部チャンバ１１４と流体連通し、矢印１４９により示されるような、油だめ加圧空洞部１３８の外側のエンジン内部空洞１５０への漏れによる油の消費を最小限にするために、ラビリンスシール１４８により密封される。軸受アセンブリ１１０は、油だめ空洞部１１２により取り囲まれている。油だめ空洞部１１２は、開口部１１５を通して油だめ空洞部チャンバ１１６と流体連通する油だめ空洞部チャンバ１１４を具備する。油だめ空洞部チャンバ１１６は、開口部１１７を通して油だめ空洞部チャンバ１１８と流体連通している。軸受アセンブリ１２０は、油だめ空洞部１２２により取り囲まれている。油だめ空洞部１２２は、図４に拡大して示されるように、チャンバ壁１５４を貫通する開口部１５２を通して流体連通する油だめ空洞部チャンバ１１８及び１２４を具備する。軸受アセンブリ１３０は、油だめ空洞部１３２により取り囲まれている。油だめ空洞部１３２は、図５に拡大して示されるように、ハウジング壁１８６を貫通する開口部１８４を通して流体連通する油だめ空洞部チャンバ１２６及び１２８を具備する。支柱１３４を貫通するブースタ空気流路は、開口部１６２を通して空気空洞部１６０と流体連通すると共に、開口部１６４を通して油だめ加圧空洞部１６６と流体連通する。矢印１６５により示されるようなエンジンタービン内部空洞１６８への漏れを防止するために、油だめ加圧空洞部１６６は、ラビリンスシール１７０により密封される。また、油だめ加圧空洞部１６６は、ラビリンスシール１７２を介して油だめ空洞部チャンバ１２８と流体連通するように接続される。油だめ加圧空洞部１６６は、矢印１７７により示されるような加圧空気を、開口部１７８を通して油だめ加圧空洞部１８０に供給する。矢印１８２により示されるように、油だめ加圧空洞部１８０は、加圧空気の流れをラビリンスシール１７６へ搬送する。

アイドリングを超えるエンジンの動作中、エンジンブースタ出力端５４から支柱１３４の内部の流路を通り、矢印１３３により示されるように開口部１３５を通って空洞部１４０に入り、矢印１３７により示されるように開口部１３６及び導管１４２を通過し、前方油だめ空洞部チャンバ１１６の油だめ壁１４４に沿って進み、矢印１４５により示されるように空気空洞部１４０から油だめ加圧空洞部１３８に入るように供給される加圧空気により、油だめ空洞部１１２は加圧される。圧縮空気は、矢印１４７により示されるようにラビリンスシール１４６を通って流れ、油だめ空洞部チャンバ１１４、続いて油だめ空洞部チャンバ１１６に入り、矢印１１３により示されるように開口部１１５を通り、矢印１１９により示されるように開口部１１７を通って油だめ空洞部チャンバ１１８に入る。

油だめ空洞部１２２は、油だめ空洞部チャンバ１１８に流入し、矢印１５１により示されるようにチャンバ壁１５４を貫通する開口部１５２を経て油だめ空洞部チャンバ１２４に入る空気流れにより加圧される。矢印１８２により示されるように油だめ加圧空洞部１８０を通って流れる加圧空気は、図４の矢印１７９により示されるように、ラビリンスシール１７６を通って油だめ空洞部チャンバ１２４にも入る。

矢印１６１により示されるように支柱１３４の内部の流路を通り、開口部１６２を通って流れる矢印５５により示されるブースタ空気流れは、空気空洞部１６０を加圧し、矢印１８８により示されるように開口部１６４を通して油だめ加圧空洞部１６６を加圧する。油だめ加圧空洞部１６６からの空気流れは、図５の矢印１７４により示されるように、ラビリンスシール１７２を通して油だめ空洞部チャンバ１２８に加圧空気を供給する。油だめ加圧空洞部１６６は、矢印１７７により示されるように開口部１７８を経て、矢印１７９により示されるようにラビリンスシール１７６を介して油だめ空洞部チャンバ１２４と流体連通するように接続された油だめ加圧空洞部１８０を介し、更に、矢印１９０により示されるように開口部１８４を通して、油だめ空洞部チャンバ１２６に加圧空気を供給する。矢印１９２により示されるように、油だめ空洞部チャンバ１２６は、油だめ空洞部チャンバ１２４へ通気される。

互いに接続された油だめ空洞部１１２及び１２２から矢印１１３、１１９及び１５１により示される経路に沿って油だめ空洞部チャンバ１２４に入り、矢印１９２により示される油だめ空洞部１３２から油だめ空洞部チャンバ１２４に入る空気流れは、図２に示されるような油だめ空気排気系統と流体連通する油だめ通気管２００を介して、油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２を油だめ圧力制御システムに接続する。

図６は、アイドリング速度を超えるあらゆる回転速度の間の油消費を回避するように、油だめ空洞部１１２、１２２、１３２の加圧を制御するために使用される能動制御方式を示したブロック図である。ブースタ出力端５４からの空気流れにより供給される空気圧は、油だめ加圧空洞部１３８、１６６及び１８０の内部の空気圧を上昇させ、空気と混入する油との混合物を、油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２を通し、油だめ空洞部チャンバ１２４及び油だめ通気管２００を介して、空気／油分離器９２へ強制的に流す。空気／油分離器９２は、混合物から油を除去し、油タンク８６並びに油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２に油を戻す。通常、油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２の内側の圧力は、ラビリンスシール１４６、１７６及び１７２を通る空気流れにより駆動される最大出力において１８〜２４ｐｓｉａ（１２４〜１６５ｋＰａ）（絶対圧）であり、図６に示されるように、この値は、油だめ加圧空洞部１３８においては、約４２ｐｓｉａ（２９０ｋＰａ）まで加圧され、油だめ加圧空洞部１６６及び１８０においては、約３３ｐｓｉａ（２２８ｋＰａ）まで加圧されるであろう。このように空気圧が上昇すると、油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２を通る空気流れは加速され、空気／油分離器９２に向かって流れる混入油の量が増加する。過剰な油消費を回避するためには、大容量の空気／油分離器及び油タンクが必要になり、その結果、エンジン系統は著しく大型になり、重量も増すと考えられる。空気／油分離器９２に向かう空気流れを制御するために、調整自在の弁９１は部分閉鎖位置に設定され、送風機９４の動作は停止される。これにより、油だめ空洞部チャンバ１２４の内部の空気圧は約２４．７ゲージｐｓｉ（１７０ ．３ｋＰａ）（ゲージ圧）に保持され、空気及び油の流れは、軸受アセンブリ１１０、１２０及び１３０への再循環のために油を除去し、油タンク８６へ油を送り出すように空気／油分離器９２により容易に処理できる量に制限される。

図７は、ガスタービンエンジンがアイドリング動作中又は準アイドリング動作中であるときに、油だめ空洞部１１２、１２２、１３２の加圧を制御するために使用される能動制御方式を示したブロック図である。図示されるように、油だめ加圧空洞部１３８、１６６及び１８０の内部の空気圧はほぼ大気圧であり、油だめ空洞部１１２、１２２、１３２から油だめ通気管２００を通り、空気／油分離器９２に向かう連続流れを維持するには不適切である。アイドリング動作中又は準アイドリング動作中、ラビリンスシール１４６、１７６及び１７２を通る最小限必要な空気流れを維持するために、調整自在の弁９１は完全開放位置に設定され、送風機９４が作動される。油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２の内側の圧力を約１４．０ｐｓｉ（９６．５ｋＰａ）まで低下するために、送風機９４は、通気管を通して空気流れを抜き取り、空気と油との混合物を空気／油分離器９２へ送り出す。空気／油分離器９２は、混合物から油を除去し、油は、油タンク８６を経て油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２に戻される。

図３、図６及び図７は、３つの油だめ空洞部１１２、１２２及び１３２を有するシステムを概略的に示すが、上述の油だめ加圧システムは、１つの軸受アセンブリ又は多数の軸受アセンブリを取り囲む単一の油だめ空洞部の加圧を制御する目的でも採用可能であり、あるいは各軸受アセンブリを個別に制御できるように、軸受アセンブリを分離するために別個に制御され且つ個別に接続される弁を含む複数の別個の通気管と組み合わせても使用可能であることを理解すべきである。図１は、油だめ通気管３４、３６及び３８を通る空気流れが、それぞれ対応する調整自在の弁３５、３７及び３９により別個に制御されるような油だめ潤滑系統を示す。あらゆる動作条件において、それぞれの油だめ通気管３４、３６及び３８を通る所定の空気流れが空気／油分離器への油／空気流れを維持できるように、それぞれの油だめ通気管３４、３６及び３８における流れを他の通気管とは異なる流量に制限するために、各々の調整自在の弁３５、３７及び３９は、独自の設定位置に設定されてもよい。動作条件によっては、調整自在の弁のうち１つ３５、３７又は３９が送風機の動作を停止した状態で流れ制限設定位置に設定され、別の調整自在の弁は送風機が動作した状態で完全開放位置に設定されてもよい。制御自在の送風機と弁との組み合わせにより、各軸受アセンブリ又は軸受アセンブリの組み合わせに対して実行される圧力制御に融通性があるため、軸受アセンブリ潤滑系統は最大限に保護される。

本発明を種々の特定の実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で変形を伴って本発明を実施できることは、当業者には明らかなことであろう。

油だめ排気系統を有するガスタービンエンジンの一例を示した概略図である。 油だめ排気装置の一例を示した概略図である。 ガスタービンエンジンの油だめ通気圧力制御システムの一例を示した概略横断面図である。 通気圧力制御システムを組み込んだ軸受油だめの一例を示した概略拡大横断面図である。 通気圧力制御方式を取り入れた軸受油だめの第２の例を示した概略拡大横断面図である。 油だめ通気圧力制御システムの第１の動作の例を示したブロック図である。 油だめ通気圧力制御システムの第２の動作の例を示したブロック図である。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン、１４…高圧圧縮機、１８…高圧タービン、３０…圧力制御システム、３４…油だめ通気管、３５…弁、３６…油だめ通気管、３７…弁、３８…油だめ通気管、３９…弁、５４…エンジンブースタ出力端、７０…油だめ空洞部通気口、８６…油タンク、９１…調整自在の弁、９２…空気／油分離器、９４…送風機、１１０…軸受アセンブリ、１１２…油だめ空洞部、１２０…軸受アセンブリ、１２２…油だめ空洞部、１３０…軸受アセンブリ、１３２…油だめ空洞部、１３８…油だめ加圧空洞部、１４１…回転子軸、１６６…油だめ加圧空洞部、１８０…油だめ加圧空洞部、２００…油だめ通気管

Claims (10)

1. ガスタービンエンジンの軸受油だめ加圧を制御する方法において、
   エンジンブースタ出力端（５４）から、軸受アセンブリ（１１０）を取り囲む少なくとも１つの油だめ空洞部（１１２）と流体連通する油だめ加圧空洞部（１３８）に加圧空気を供給することと；
   あらゆる動作条件において前記油だめ空洞部（１１２）から油だめ通気口（７０）を介して連続する空気流れを維持するために、前記油だめ空洞部（１１２）からの空気流れを制御自在に通気することと
   を含む方法。
2. 空気流れを制御自在に通気することは、
   低出力動作中、前記少なくとも１つの油だめ空洞部（１１２）から、前記油だめ空洞部（１１２）と流体連通する油だめ通気管（２００）を通して、送風機（９４）により空気を能動的に抜き取ることと；
   高出力動作中、前記少なくとも１つの油だめ空洞部（１１２）から、前記油だめ空洞部（１１２）と流体連通する前記油だめ通気管を通る空気流れを制限することとを含む請求項１記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの油だめ空洞部（１１２）から空気流れを能動的に抜き取ることは、
   前記送風機（９４）を作動することと；
   前記油だめ通気管（２００）内部の調整自在の弁（９１）を開放位置に設定することとを含む請求項２記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの油だめ空洞部（１１２）からの空気流れを制限することは、
   前記送風機（９４）の動作を停止することと；
   前記調整自在の弁（９１）を部分閉鎖位置に設定することとを含む請求項３記載の方法。
5. 各々が少なくとも１つの軸受アセンブリ（１１０、１２０、１３０）を取り囲む複数の油だめ加圧空洞部（１３８、１６６、１８０）に圧縮空気を供給することと；
   各々の前記油だめ空洞部（１１２、１２２、１３２）からの連続する空気流れを維持するために、前記油だめ加圧空洞部（１３８、１６６、１８０）の各々からの空気流れを別個に制御自在に通気することとを含む請求項１記載の方法。
6. 低出力動作中、第１の油だめ空洞部（１１２）から、前記第１の油だめ空洞部（１１２）と流体連通する第１の通気管（３４）を通して、第１の送風機（９４）により空気流れを能動的に抜き取ることと；
   高出力動作中、前記第１の油だめ空洞部（１１２）から、前記第１の油だめ空洞部（１１２）と流体連通する前記第１の通気管（３４）を通る空気流れを制限することと；
   低出力動作中、第２の油だめ空洞部（１２２）から、前記第２の油だめ空洞部（１２２）と流体連通する第２の通気管（３６）を通して、第２の送風機により空気流れを能動的に抜き取ることと；
   高出力動作中、前記第２の油だめ空洞部（１２２）から、前記第２の油だめ空洞部（１２２）と流体連通する前記第２の通気管（３６）を通る空気流れを制限することとを含む請求項５記載の方法。
7. 低出力動作中、第１の油だめ空洞部（１２２）から、前記第１の油だめ空洞部と流体連通する第１の通気管（３４）を通して、第１の送風機（９４）により空気流れを能動的に抜き取ることと；
   高出力動作中、前記第１の油だめ空洞部から、前記第１の油だめ空洞部と流体連通する前記第１の通気管（３４）を通る空気流れを制限することと；
   低出力動作中、第２の油だめ空洞部（１２２）から、前記第２の油だめ空洞部（１２２）と流体連通する第２の通気管（３６）を通して、前記第１の送風機（９４）により空気流れを能動的に抜き取ることと；
   高出力動作中、前記第２の油だめ空洞部（１２２）から、前記第２の油だめ空洞部（１２２）と流体連通する前記第２の通気管（３６）を通る空気流れを制限することとを含む請求項５記載の方法。
8. ガスタービンエンジンの軸受油だめ空洞部に対する能動空気圧制御装置において、
   回転自在の出力タービン（１８）と回転自在の圧縮機（１４）とを結合する回転自在の軸（１４１）を支持する軸受アセンブリ（１１０）と；
   前記軸受アセンブリ（１１０）を取り囲む油だめ空洞部（１１２）と；
   加圧空気の供給源であるエンジンブースタ出力端（５４）と流体連通し且つ前記油だめ空洞部（１１２）と流体連通する油だめ加圧空洞部（１３８）と；
   前記油だめ空洞部（１１２）及び空気／油分離器（９２）と流体連通する油だめ通気管（２００）と；
   前記油だめ通気管にある調整自在の弁（９１）と；
   前記油だめ通気管（２００）を介して前記油だめ空洞部（１１２）と流体連通する制御自在の送風機（９４）とを具備する装置。
9. 前記回転自在の軸を支持する複数の軸受アセンブリ（１１０、１２０、１３０）と；
   各々が前記軸受アセンブリ（１１０、１２０、１３０）のうち対応する１つの軸受アセンブリを取り囲み且つ前記油だめ通気管と流体連通する複数の油だめ空洞部と；
   各々が前記エンジンブースタ出力端（５４）と流体連通し且つ各々が前記油だめ空洞部のうち対応する１つの油だめ空洞部と流体連通する複数の油だめ加圧空洞部（１３８、１６６、１８０）とを更に具備する請求項８記載の装置。
10. ガスタービンエンジンの複数の軸受油だめ空洞部に対する能動空気圧制御装置において、
    回転自在の出力タービン（１８）と回転自在の圧縮機（１４）とを結合する回転自在の軸（１４１）を支持する複数の軸受アセンブリ（１１０、１２０、１３０）と；
    各々が前記軸受アセンブリ（１１０、１２０、１３０）のうち対応する１つの軸受アセンブリを取り囲む複数の油だめ空洞部（１１２、１２２、１３２）と；
    各々が圧縮空気の供給源であるエンジンブースタ出力端（５４）と流体連通し且つ各々が前記油だめ空洞部（１１２、１２２、１３２）のうち対応する１つの油だめ空洞部と流体連通する複数の油だめ加圧空洞部（１３８、１６６、１８０）と；
    各々が前記油だめ空洞部（１１２、１２２、１３２）のうち対応する１つの油だめ空洞部と流体連通し、各々が別個に制御自在である調整自在の弁（３５、３７、３９）を含む複数の油だめ通気管（３４、３６、３８）と；
    各々が前記油だめ通気管（３４、３６、３８）のうち対応する１つの油だめ通気管と流体連通するように結合された複数の空気／油分離器（９２）と；
    各々が前記油だめ通気管（３４、３６、３８）のうち対応する１つの油だめ通気管と流体連通する複数の制御自在の送風機（９４）とを具備する装置。

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