JP2010038155A - 動的インペラオイルシール - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用の回転シールを提供する。
【解決手段】本回転シール（５４）は、（ａ）環状のシール本体と、（ｂ）シール本体によって支持されかつ回転シール接触面の２分の１を形成するようになったシーリング構成要素（６０、６２）と、（ｃ）シール本体によって支持されかつ複数の半径方向内向きに延びるインペラブレード（７４）を含むインペラ（６４）とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジン軸受サンプに関し、より具体的には、軸受サンプ内のオイル流の制御に関する。

ガスタービンエンジンは、通常は転動体タイプである幾つかの軸受内で回転するように取付けられた１つ又はそれ以上のシャフトを含む。軸受は、「サンプ」と呼ばれるエンクロージャ内に収容されており、エンクロージャは、加圧されかつ潤滑及び冷却のためにオイル流が供給される。殆どの場合において、サンプの境界の１つは、エンジンの回転構成要素とエンジンの固定構造との間の動的シールであることになる。

炭素シールのような多くの動的シールは、一次シーリング表面を通過したオイル漏洩を阻止する二次シールを必要とする。螺旋状ネジ及び噛合い回転表面を含む「ウインドバック」と呼ばれる装置が、しばしば用いられる。回転表面によって生じたウィンデージは、オイルミストを接触面から離れるように押しのけて、螺旋状ネジ内に蓄積したあらゆるオイルをネジ溝を通して密封空洞内に戻す。空気せん断によって発生したウィンデージの軸方向成分は、オイルミストを離れた状態に保つ駆動力として作用する。ウィンデージの接線方向成分は、螺旋状ネジの底部に集積したオイルを密封空洞内に押し戻す。ウィンデージは、シャフト回転の二次的効果であり、その有効性は、シャフト速度と回転及び固定部品間の半径方向ギャップとに強く依存する。

従来技術のウインドバックでは、歯間の溝は同一直径であり、オイル排出を可能にする軸方向又は接線方向角が存在しない。ネジのピッチは、直径に比べて相対的に小さく、従って軸方向ウィンデージ効果は制限される。さらに、ネジ根元部に集積したオイルは、ネジ周辺部の全長を通って移動しなければならない。シャフト軸線が水平である場合には、集積したオイルは、重力に打ち勝ってオイル湿潤空洞に戻らなければならない。ウィンデージが、オイルをネジの周辺部の周り全体で駆動してオイル湿潤空洞に戻すのに十分でないような条件下では、オイル漏洩が発生するおそれがある。ウィンデージ有効性は通常、予測するのが困難である。オイル／空気ミストが二次シールを通過する場合には、一次シールの性能が脅かされる。

従来技術のこれらの及び他の欠点は、本発明によって解決され、本発明は、遠心力を用いてオイルミストをシール接触面から離れるように移動させるインペラを組入れた回転シールを提供する。

１つの態様によると、ガスタービンエンジン用の回転シールは、（ａ）環状のシール本体と、（ｂ）シール本体によって支持されかつ回転シール接触面の２分の１を形成するようになったシーリング構成要素と、（ｃ）シール本体によって支持されかつ複数の半径方向内向きに延びるインペラブレードを含むインペラとを含む。

本発明の別の態様によると、ガスタービン用の軸受組立体は、（ａ）湿潤空洞内に収容された転動体軸受と、（ｂ）湿潤空洞と乾燥空洞との間の境界の一部分を形成した固定構成要素と、（ｃ）固定構成要素に隣接して配置され、湿潤空洞と乾燥空洞との間の境界の一部分を形成しかつ外固定構成要素と協働して該湿潤及び乾燥空洞間に回転シール接触面を形成した回転構成要素と、（ｄ）回転構成要素によって支持されかつオイルをシール接触面から離れるように湿潤空洞に向けて移動させるようになった複数の半径方向に延びるインペラブレードを備えたインペラとを含む。

本発明は、添付図面の図と関連させて行った以下の説明を参照することによって、最もよく理解することができる。

本発明の態様によって構成した回転オイルシールを組入れたガスタービンエンジンの上半分断面図。 図１のガスタービンエンジンの軸受区画の拡大図。 図２に示す回転シールの断面斜視図。 図３の一部分の拡大図。 図３のインペラの別の断面斜視図。 図３に示すインペラの内部の一部分の拡大図。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１０を示している。エンジン１０は、長手方向軸線１１を有し、まとめて「低圧系統」と呼ばれる、ファン１２と、低圧圧縮機すなわち「ブースタ」１４と、低圧タービン（「ＬＰＴ」）１６とを含む。ＬＰＴ１６は、「ＬＰシャフト」とも呼ばれる内側シャフト１８を介してファン１２及びブースタ１４を駆動する。エンジン１０はまた、まとめて「ガス発生器」又は「コア」と呼ばれる、高圧圧縮機（「ＨＰＣ」）２０と、燃焼器２２と、高圧タービン（「ＨＰＴ」）２４とを含む。ＨＰＴ２４は、「ＨＰシャフト」とも呼ばれる外側シャフト２６を介してＨＰＣ２０を駆動する。高圧及び低圧系統は共に、公知の方法で一次すなわちコア流れ並びにファン流れすなわちバイパス流れを発生させるように作動可能である。図示したエンジン１０は、高バイパス式ターボファンエンジンであるが、本明細書に記載した原理は、ターボプロップ、ターボジェット及びターボシャフトエンジン並びにその他の車両用又は設置用途で用いるタービンエンジンにも同様に適用可能である。

内側及び外側シャフト１８及び２６は、幾つかの転動体軸受内で回転するように取付けられる。軸受は、「サンプ」と呼ばれるエンジン１０の収納部分内に設置される。図２は、エンジン１０の後方サンプ２８をより詳細に示している。外側シャフト２６の後方端部３０は、その位置及びタイプを示す「＃４Ｒ軸受」と呼ばれる軸受３２によって支持される。軸受３２の外輪３４は、エンジン１０の環状の固定フレーム部材３６に取付けられる。フレーム部材３６は、ほぼ半径方向に延びる本体部分３８を有する。固定シールアーム４０が、本体部分３８から軸方向後方に延びる。固定シールアーム４０の遠位端部は、半径方向外向きに延びる多数の環状のシール歯４２と、最遠位端における環状のシーリング表面４４とを含む。

内側シャフト１８の後方端部４６は、外側シャフト２６の後方に延び、転動体軸受５０によってエンジンの後部フレーム構造４８内で回転するように取付けられる。内側シャフト１８は、該内側シャフト１８からほぼ半径方向外向きに延びるディスク５２を有する。ディスク５２は、内側シャフト１８とＬＰタービン１６（図１参照）との間で延び、かつＬＰタービン１６と内側シャフト１８との間でトルクを伝達する。

回転シール５４が、ディスク５２から軸方向前方に延びる。回転シール５４は、前方及び後方端部５６及び５８を備えたほぼ円錐台形本体を有し、その回転軸線は、エンジン１０の回転軸線と一致している。回転シール５４の前方端部５６は、半径方向内側向きシールポケット６０を含み、シールポケット６０は、ブレイダブルフェノール樹脂、金属ハニカム構造、炭素シール又はブラシシールのような公知のタイプのコンプライアントシール材料６２を内蔵することができる。シールポケット６０の直ぐ後方には、以下により詳細に説明するインペラ６４が設けられる。環状かつほぼ円錐形の内側シールアーム６６が、インペラ６４の後方のポイントから軸方向前方に延びる。断面図で分かるように、回転シール５４の前方端部５６と内側シールアーム６６とは、その軸方向位置が固定シールアーム４０に重なっている。

回転シール５４の前方端部は、その軸方向位置が固定シールアーム４０の後方端部に重なり、かつシールポケット６０は、その軸方向位置がシール歯４２と整列して、それらが協働して回転かつ非接触シール接触面６８を形成するようになる。シーリング構成要素の構造は、逆にすることができる、例えば回転シール５４が、半径方向に延びるシール歯を含むと同時に固定シールアーム４０がシールポケットを含むことができることに注目されたい。インペラ６４は、固定シールアーム４０の環状のシーリング表面４４に隣接して配置される。

外側シャフト２６、内側シャフト１８、ディスク５２、固定シールアーム４０及び回転シール５４はまとまって、「湿潤」空洞すなわち「注油」空洞７０を形成する。作動中に、軸受３２は、潤滑及び冷却を行うためにジェット、供給管路又はオリフィスから公知の方法でオイルを供給される。オイル供給と軸受３２との相互作用により、湿潤空洞７０内にオイルミストが形成される。湿潤空洞７０は加圧されているので、空気流は、図２に「Ｌ」とマークした矢印で示すように漏洩経路に沿ってシール接触面６８を通過してオイルミストを輸送する傾向にある。この状況は、シール接触面６８に隣接する「乾燥」空洞７２の空気圧が相対的に低い時に、低エンジン作動速度において悪化する。この漏洩により、費用、安全及び公害の見地から望ましくないオイル損失が生じる。インペラ６４の機能は、この漏洩を減少させ又は防止することである。

図３〜図６は、回転シール５４をより詳細に示している。例示を明確にするために、図３〜図６には内側シールアーム６６を示していない。インペラ６４は、溝７６によって分離されたインペラブレード７４のリングを含む。インペラブレード７４は、回転シール５４の回転軸線に対して角度「Ａ」（図６参照）で配向され、かつ図４で分かるように半径方向から測定して角度「Ｂ」で配向される（すなわち、インペラブレードは、接線方向に「傾斜している」）。インペラブレード７４の角度は、全ての作動条件、すなわち回転シール５４の全ての速度及びシール接触面６８にわたる全ての予測空気圧勾配において空気／オイル混合物をシール接触面６８から離れた状態に保つ適正な軸方向駆動力を保証するように最適化することができる。この図示した実施例では、角度Ａは約４５度であり、また角度Ｂは約２０度である。必要に応じて、インペラブレード７４には、翼断面形状を与えることができる。インペラブレード７４間の溝７６は、一連の半径方向発散形の螺旋形経路を形成する。図４を参照すると、インペラブレード７４の後方端縁部における溝７６の半径方向深さ「Ｄ１」は、該インペラブレード７４の前方端縁部における溝７６の深さ「Ｄ２」より大きい。寸法Ｄ１及びＤ２はまた、インペラブレード７４の半径方向スパンとして概念化することができる。この軸方向発散形チャネル構成により、インペラブレード７４の根元部７８に集積されたオイルは、遠心力によって駆動されかつ湿潤空洞７０に向かって後方に送られる。

従来技術のウインドバックシールと比較して、駆動力としての遠心力は、空気せん断によって発生するウィンデージよりも非常に強い。この遠心力はまた、オイル排出に抗するおそれがあるオイルへの重力効果よりも非常に強い。さらに、溝７６の各々はその後方端部において開放しているので、ウインドバックに比べてより大きなオイル排出用の開放面積が得られる。従って、インペラ６４は、従来型のウインドバックよりも極めて容易にオイルを排出するのを可能にすることができる。比較計算流体力学（ＣＦＤ）分析によると、本発明のインペラ６４の場合には、オイル漏洩流が大幅に低下することを示した。

特定の軸受及びシール構成に関して本発明を説明してきたが、インペラ６４は、オイル漏洩を防止するのが望ましいエンジン内のあらゆるサンプ又は位置で用いることができることに注目されたい。

前述の説明は、ガスタービンエンジン用の動的インペラを備えたオイルシールを説明している。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに、それらに対する様々な修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態の前述の説明は、限定の目的ではなく単に例示の目的のみで行っているものであり、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。

１０ ガスタービンエンジン
１１ 長手方向軸線
１２ ファン
１４ ブースタ
１６ 低圧タービン（ＬＰＴ）
１８ 内側シャフト
２０ 高圧圧縮機（ＨＰＣ）
２２ 燃焼器
２４ 高圧タービン（ＨＰＴ）
２６ 外側シャフト
２８ 後方サンプ
３０ 外側シャフトの後方端部
３２ 軸受
３４ 外輪
３６ フレーム部材
３８ 本体部分
４０ 固定シールアーム
４２ シール歯
４４ シーリング表面
４６ 内側シャフトの後方端部
４８ 後部フレーム構造
５０ 転動体軸受
５２ ディスク
５４ 回転シール
５６ 回転シールの前方端部
５８ 回転シールの後方端部
６０ シールポケット
６２ コンプライアントシール材料
６４ インペラ
６６ 内側シールアーム
６８ シール接触面
７０ 湿潤空洞
７２ 乾燥空洞
７４ インペラブレード
７６ 溝
７８ インペラブレードの根元部
Ａ 回転軸線に対するインペラブレードの角度
Ｂ 半径方向から測定したインペラブレードの角度角度
Ｄ１ インペラブレード後方端縁部における溝の半径方向深さ
Ｄ２ インペラブレード前方端縁部における溝の半径方向深さ
Ｌ 漏洩経路

Claims (14)

1. ガスタービンエンジン用の回転シール（５４）であって、
   （ａ）環状のシール本体と、
   （ｂ）前記シール本体によって支持されかつ回転シール接触面の２分の１を形成するようになったシーリング構成要素（６０、６２）と、
   （ｃ）前記シール本体によって支持されかつ複数の半径方向内向きに延びるインペラブレード（７４）を含むインペラ（６４）と、
   を含む回転シール（５４）。
2. 前記インペラブレード（７４）が、複数の半径方向発散形経路を形成した溝によって分離される、請求項１記載の回転シール（５４）。
3. 前記インペラブレード（７４）の各々が、前記シール本体の長手方向軸線に対して非垂直かつ非平行な角度で配向される、請求項１又は２記載の回転シール（５４）。
4. 前記インペラブレード（７４）の各々が、前記シール本体の半径方向に対して非垂直かつ非平行な角度で配向される、請求項１又は２記載の回転シール（５４）。
5. 前記シーリング構成要素（６０、６２）が、アブレイダブル材料を内蔵する環状のシールポケットである、請求項１乃至４のいずれか1項記載の回転シール（５４）。
6. 前記本体が、前方及び後方端部を有し、
   前記シーリング構成要素（６０、６２）が、前記前方端部に配置され、また
   前記インペラ（６４）が、前記シーリング構成要素（６０、６２）に隣接して配置される、
   請求項１乃至５のいずれか1項記載の回転シール（５４）。
7. ガスタービン用の軸受組立体であって、
   （ａ）湿潤空洞（７０）内に収容された転動体軸受と、
   （ｂ）前記湿潤空洞（７０）と乾燥空洞（７２）との間の境界の一部分を形成した固定構成要素と、
   （ｃ）前記固定構成要素に隣接して配置され、前記湿潤空洞（７０）と前記乾燥空洞（７２）との間の境界の一部分を形成しかつ前記外固定構成要素と協働して前記湿潤及び乾燥空洞間に回転シール接触面を形成した回転構成要素と、
   （ｄ）前記回転構成要素によって支持されかつオイルを前記シール接触面から離れるように前記湿潤空洞（７０）に向けて移動させるようになった複数の半径方向に延びるインペラブレード（７４）を備えたインペラ（６４）と、を含む
   軸受組立体。
8. 前記インペラブレード（７４）が、複数の半径方向発散形経路を形成した溝によって分離される、請求項７記載の軸受組立体。
9. 前記固定構成要素が、環状のシールアームである、請求項７又は８記載の軸受組立体。
10. 前記回転構成要素が、環状の回転シール（５４）であり、
    前記環状の回転シール（５４）が、
    （ａ）環状のシール本体と、
    （ｂ）前記シール本体によって支持されかつ前記回転シール接触面の２分の１を形成するようになったシーリング構成要素（６０、６２）と、を含む、
    請求項７又は８記載の軸受組立体。
11. 前記インペラブレード（７４）の各々が、前記回転構成要素の長手方向軸線に対して非垂直かつ非平行な角度で配向される、請求項７乃至１０のいずれか1項記載の軸受組立体。
12. 前記インペラブレード（７４）の各々が、前記回転構成要素の半径方向に対して非垂直かつ非平行な角度で配向される、請求項７乃至１０のいずれか1項記載の軸受組立体。
13. 前記シーリング構成要素（６０、６２）が、アブレイダブル材料を内蔵する環状のシールポケットである、請求項１０乃至１２のいずれか1項記載の軸受組立体。
14. 前記回転構成要素が、前方及び後方端部を有し、
    前記シーリング構成要素（６０、６２）が、前記前方端部に配置され、また
    前記インペラ（６４）が、前記シーリング構成要素（６０、６２）に隣接して配置される、
    請求項１０乃至１３のいずれか1項記載の軸受組立体。

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