JP2013100817A - ギアボックス、および空気とオイルの混合物からオイルを除去する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 前与圧コンポーネントを備えたギアボックスディオイラを提供する。
【解決手段】 ギアボックスが、外部源から空気とオイルの混合物を受け入れるように構成されたインレットと、ディオイラと、を含む。ディオイラは、インレット流路およびアウトレット流路を含んだシャフトであって、共にそのシャフト内部に形成されかつ互いに離間されたインレット流路およびアウトレット流路を含んだシャフトと、シャフトの一部に連結されかつそのシャフトの一部を包囲する分離ユニットであって、インレットおよびアウトレットを含んだ分離ユニットと、シャフトに連結された前与圧コンポーネントであって、空気とオイルの混合物を加圧して加圧混合物を形成し、その加圧混合物を分離ユニットのインレットに供給する前与圧コンポーネントと、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明はギアボックスに関し、特にギアボックスのディオイラ部に関する。

航空機用の一般的なガスタービンエンジンは、ギアボックスへの連結部を介して他のシャフトを駆動するためのシャフトに連結されている。空気がギアボックスハウジングを通流するに従い、一定量のオイルが必然的に空気中に同伴されるようになる。例えば、タービン内のベアリングコンパートメントはギアボックスへと通気されておりギアボックス内の空気中のオイル量を増加させる。多くの理由により、この空気がギアボックスから通気される前にこの空気からオイルを分離することが望ましい。

空気からオイルを分離するように、ギアボックス内にディオイラが含まれる。一般に、ディオイラは、遠心力を利用して軽い空気から重いオイルを分離する分離ユニットを含む。場合によっては、ディオイラは、分離ユニットが取り付けられるとともに清浄な空気を環境に排出するアウトレットを含んだシャフトを備える。

エンジンがギアボックス中のコンポーネント（例えば、ディオイラ）を駆動するとき、大気圧を上回る圧力がギアボックス内に形成され、ギアボックス内の高速回転ギアにより、ギアボックス自体からのオイルがチャンバ内の空気に同伴されてしまう可能性がある。上述したように、エンジンの高圧セクション（例えば、圧縮機およびタービン）からベアリングコンパートメント内に漏入した空気によりベアリングコンパートメントからもオイルが流入する。また、エンジン潤滑油がベアリングコンパートメントから圧縮機またはタービンの低圧セクションへと吹き込まれるのを防ぐべく、シール部への圧力による力のバランスの維持を促進するように、ギアボックスおよびベアリングコンパートメント内の圧力を最小限に抑えることが望ましい。従って一般にディオイラ、特に分離ユニットに亘る低い圧力低下（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）が通常は望ましく、これはこの圧力低下がベアリングコンパートメントとギアボックスの圧力を上方に偏らせるためである。すなわち、分離ユニットに亘って大きい圧力低下が生じた場合、空気を流入させるようにギアボックス内の圧力を上昇させる必要がある。また分離ユニットのサイズ（エンベロープ）および重量を最小限に抑えることが有利である。しかしながら、所望の圧力低下性能を達成するために、多くの場合、その大きさが、所望の空気とオイルとの分離を得るのに必要なサイズを超えて拡大される。

一実施例によれば、外部源から空気とオイルの混合物を受け入れるように構成されたインレットと、ディオイラと、を含んだギアボックスを開示する。ディオイラは、この実施例では、インレット流路およびアウトレット流路を含んだシャフトであって、共にそのシャフト内部に形成されかつ互いに離間されたインレット流路およびアウトレット流路を含んだシャフトと、シャフトの一部に連結されかつそのシャフトの一部を包囲する分離ユニットであって、インレットおよびアウトレットを含んだ分離ユニットと、シャフトに連結された前与圧コンポーネントであって、空気とオイルの混合物を加圧して加圧混合物を形成し、その加圧混合物を分離ユニットのインレットに供給する前与圧コンポーネントと、を含む。

もう一つの実施例によれば、空気とオイルの混合物からオイルを除去する方法を開示する。その方法は、その混合物を、前与圧コンポーネントを通して通流させて、空気とオイルの混合物の圧力を第１の圧力レベルから、第１の圧力レベルよりも高い第２の圧力レベルへと上昇させることと；第２の圧力レベルの空気とオイルの混合物をシャフトに連結された回転分離ユニットに供給して、排気を生成するように混合物からオイルの一部または全てを除去することと；を含む。

本発明と見なされる対象は、明細書の末尾にある請求項に特定して指摘されるとともに明確にクレームされる。本発明の上記のおよびその他の特徴、利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかである。

ギアボックスに連結されたエンジンの側断面図。 ギアボックスの部分的な断面を示す上面図 一実施例の外部ハウジングによって取り囲まれたブレードアセンブリの断面図。 一実施例の外部ハウジングによって取り囲まれたブレードアセンブリの断面図。

図１を参照すると、簡略化されたタービン１０がギアボックス１２に連結されて示される。タービン１０により空気が概ね矢印Ａによって示される方向に送られてスラストを生じさせる。より詳細には、タービン１０は空気をタービン１０へと送り込むファン１１を含む。次いで空気が連続して低圧圧縮機１４および高圧圧縮機１６によって圧縮される。次いで圧縮空気が燃焼器１８内で燃料と混合され燃焼されて、高温ガス流を発生させ、高圧タービン２０内で膨張されて、スプール２２を回転させる。スプール２２により、高圧圧縮機１６に回転力がもたらされる。中心シャフト２６を回転させて例えばファン１１および低圧圧縮機１４に回転エネルギーを供給するように、高温ガス流がまた低圧タービン２４を駆動する。図１に示すタービン１０は例示の目的で提示したものであり、ここでの教示はあらゆる種類のエンジンまたは任意のその他の回転エネルギー源に取り付けられたギアボックスに適応されうることを理解されたい。

周知のように中心シャフト２６および／またはスプール２２が一つ以上のベアリングコンパートメント３０に連結される。タービン１０からの加圧空気（矢印Ｂで示す）がベアリングコンパートメント３０に流入して、内部に含まれるオイルをギアボックス１２へと放出させる。これを受けて、一つ以上の空気／流体流路３４がベアリングコンパートメント３０をギアボックス１２に連結する。ギアボックス１２はまた、スプール２２または中心シャフト２６に連関した、ギアボックス１２に回転エネルギーを供給するシャフト（図示せず）を含みうることが当業者にとって理解されるであろう。この回転エネルギーは例えばギアボックス１２中に含まれるディオイラ４０を駆動するように用いられる。通常、ディオイラ４０は、矢印Ｃによって示されるように、空気がギアボックス１２から放出されるに従い、ギアボックス１２中の空気に同伴されたオイルをその空気から除去する。

図２は、一実施例のギアボックス１２の部分的な断面を示す上面図である。この実施例では、ギアボックス１２は、このギアボックス１２の外側境界を形成するシェル５０を含む。シェル５０は、空気−オイル混合物５４が流入するインレット５２を含む。空気−オイル混合物５４は、例えば図１に示す空気／流体流路３４を介してベアリングコンパートメント３０から受け入れられる。無論、空気−オイル混合物５４は任意の位置から受け入れられ、ベアリングコンパートメント３０から流入し始めるものに限定されるものではない。実際には、一実施例では、空気とオイルの混合物は単純にギアボックス１２中にみられるオイルとともに生じる。混合物５４を空気−オイル混合物と呼ぶが、これは空気とあらゆる種類の流体との混合物であってもよいことを理解されたい。一実施例では、インレット５２は、ベアリングコンパートメント３０に直接連結された外部パイプから混合物５４を直接受け入れる。

前述のように、ギアボックス１２は、空気−オイル混合物５４から一部または全てのオイルを除去し、矢印Ｃで示すように環境に排出する清浄な空気を放出する。図示しないが、ギアボックス１２はタービン１０に連関し、タービン１０から回転エネルギーを受ける。回転エネルギーはディオイラ４０を駆動するように用いられる。より詳細には、ディオイラ４０はその回転エネルギーによって駆動されるシャフト４１を含む。シャフト４１は、その内部に形成されたアウトレット流路４２を含み、その流路を通して清浄な空気（矢印Ｃ）が排出される。分離ユニット５８がシャフト４１に連結されて、ギアボックス１２内の位置からアウトレット流路４２への通路を提供する。分離ユニット５８は、内部に配置された金属またはその他の形態などの分離媒体（ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｍｅｄｉａ）６０を含みうる。

作動中、ギアボックス１２のシェル５０内部の空気−オイル混合物５４および任意のその他の空気／流体混合物がディオイラ４０の分離ユニット５８のインレットポート５６に引き込まれる。このように引き込まれる空気をここではインレット流６４と呼ぶ。分離媒体６０により、インレット流６４内のオイル粒子が付着する表面が提供される。オイルの液滴が合体してその液体が分離ユニット５８の外径６６に遠心的に飛ばされ、ここで、矢印７２で示すように、オイルが排出口７０を通過してギアボックス１２へと戻される。セパレータユニット５８の少なくとも一部によって囲まれた一つ以上の内部通路４３を通して、空気がシャフト４１の外部からアウトレット流路４２へと通流する。

ギアボックス１２の内側からアウトレット流路４２への圧力低下は流れの幾何学的形態（ｆｌｏｗ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）および分離ユニット５８の回転速度に依存する。特に、圧力低下に影響を及ぼす幾何学的因子は、流速を最小限に抑え（大きい流量範囲）、流れの方向や流路の範囲を漸進的に変化させるものである。これにより流路における乱流を防止する。幾何学的形態に関連する圧力低下を減少させることは、通常、分離ユニット５８がより大きくより重く作られることを意味する。速度に関連する圧力低下は、２つのことによって決まる。オイルが受ける遠心加速度に反して空気をアウトレット流路４２へと径方向内側に移動させる（矢印８０）ように遠心圧力低下（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）が必要とされる。圧力低下の２つ目の要素は、インレット流６４を分離ユニット５８の回転速度まで加速させることに関連する流量損失によって決まる。圧力低下のこの２つ目の要素（例えば、流量損失）は、通常、遠心圧力低下よりも大きいことが実験によって示されている。従って、一実施例では、インレット流６４の回転速度を分離ユニット５８の回転速度に一致させることにより全システム圧力低下を最小限に抑えることが有利である。それらの速度を「同期」させることにより、分離ユニット５８に亘る圧力低下が低減される。

例えば、３つのケースを考察する。第１のケースでは、分離ユニット５８は固定されている。この場合、インレット流６４が分離ユニット５８に流入するための加速（例えば、圧力）は必要としないかほとんど必要としない。第２のケースでは、分離ユニット５８は回転しており、インレット流６４は回転するように固定（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）される。この場合、インレット流６４は分離ユニット５８の回転速度に一致するように加速される必要がある。この加速のエネルギーはインレット流の圧力から生じ、分離ユニット５８内部の流れの圧力はやや下がる。これにより分離ユニット５８に亘る圧力低下は増大する。こうした圧力低下は一般に分離ユニット５８のサイズを大きくすることによって克服される。第３のケースでは、インレット流６４がシャフト４１を中心として分離ユニット５８が回転するのと同じ速度でまたはほぼ同じ速度で回転すると仮定する。この場合、追加のエネルギー（例えば、圧力）を必要としない。

一実施例では、インレット流６４の圧力は、前与圧コンポーネント（ｐｒｅ−ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）９０により、インレット流が分離ユニット５８を通過することができるように必要な圧力に整合される。概して、前与圧コンポーネント９０は、ギアボックス１２の内部９４に存在する空気−オイル混合物９２を引き込み、かつ、その出力（インレット流６４）が、上述したように、インレット流６４を強制的に分離ユニット５８に通すために必要な圧力またはその圧力付近となるように、空気−オイル混合物９２の圧力を上昇させる。この圧力上昇により、分離ユニット５８のサイズを大きくすることなく、または内部圧力を増加させることなく、第２のケースで述べた状況が克服されるという効果がある。

さらに、一実施例では、前与圧コンポーネント９０がインレット流６４に回転運動を与えて、この回転運動を分離ユニット５８の回転速度に一致させる、または分離ユニット５８の回転速度に近づくようにさせる。換言すれば、前与圧コンポーネント９０は前述の第３のケースに近づけるように利用される。

一例では、前与圧コンポーネント９０はシャフト４１に連結される。この実施例では、シャフト４１は、このシャフト４１内に形成されたインレット流路９７に空気−オイル混合物９２を流入させるシャフトインレット９６を含む。シャフトインレット９６は、アウトレット流路４２から分離されるとともに、アウトレット流路４２とは流体連通していない。一実施例では、シャフトインレット９６はシャフト４１の片側の端部に配置されるとともに、アウトレット流路４２はシャフト４１の反対側の端部に配置される。

前与圧コンポーネント９０は、外部ハウジング１００を含む。外部ハウジング１００は、一実施例では図２に示すように、渦形または渦巻形を形成する断面を有する。無論、システムの必要条件に応じて、外部ハウジング１００はその他の断面形状を呈してもよい。例えば、一実施例では、外部ハウジング１００は実質的に円形の断面を有する。

外部ハウジング１００は、その内部で回転するとともにシャフト４１に取り付けられたブレードアセンブリ１０２を包囲する。以下に詳細に示すように、ブレードアセンブリ１０２は一つまたは複数のブレード１０３を含む。一実施例では、ブレードアセンブリ１０２は、矢印１０６で示すようにブレード１０２の回転により空気−オイル混合物９２をインレット流路９７から外部ハウジング１００へと引き込むインレット１０４を含む。より詳細には、ブレードアセンブリ１０２が回転するに従い、ブレード１０３が空気−オイル混合物９２と相互作用する。この相互作用により、空気−オイル混合物９２を外部ハウジング１００の外周１１０に向かって加速させる。この加速により、空気−オイル混合物９２の圧力を上昇させる。図２では、圧力上昇された空気−オイル混合物が矢印１１２で示される。一例では、空気−オイル混合物１１２の圧力は分離ユニット５８を通した圧力低下またはその圧力低下付近である。

図２の破線で示すように、外部ハウジング１００はまた、空気−オイル混合物１１２をインレットポート５６に供給してインレット流６４とするための連結流路１２０を含む。このように、インレット流６４は、内部９４の圧力を上昇させる必要なく、分離ユニット５８を通流させることのできる圧力となる。一実施例では、矢印１１２の方向は、分離ユニット５８の回転方向と同一または同様の方向である。したがって、空気−オイル混合物１１２を形成するように空気−オイル混合物９２に加える必要のある圧力量が最小限に抑えられる。

図３Ａ，３Ｂは、図２に示す外部ハウジング１００およびブレードアセンブリ１０２の断面の２つの異なる実施例を示す。図３Ａ，３Ｂでは、ブレードアセンブリ１０２は矢印１３８で示すように時計回りに回転する。双方の場合では、ブレードアセンブリ１０２は複数の径方向に延在するブレード１０３を含む。ブレード１０３は異なる形状を有してもよい。例えば、図３Ａではブレード１０３は湾曲しており、図３Ｂではブレードは直線状である。一実施例では、ブレード１０３は基部１３８に支持される。無論、ブレードは、一実施例ではブレードアセンブリ１０２の内径１３７に単独で取り付けられうる。

上述したように、空気−オイル混合物９２は、ブレードアセンブリ１０２の内径１３７のインレット１０４（図２）を通して流入する。次いで混合物が遠心力により外部ハウジング１００の外壁１１０に向かって外側に吹き飛ばされる。図示の実施例では、ブレード１０３または基部１３８の外縁と、外壁１１０との間の距離は、開始地点１５６から、その開始地点１５６を時計回りに移動させた別の地点までを計測したとき、増加する。これは距離１５０および距離１５２によって示されており、距離１５２は、距離１５０に比べて大きく、かつ、開始地点１５６から離れている。ブレード１０３との相互作用により混合物は加圧され、外部ハウジング１００を出て、連結流路１２０、そして最終的に分離ユニット５８（図２）へと供給される。

限られた数の実施例のみに関して本発明を詳述したが、本発明はこうした開示の実施例に限定されないことが容易に理解できるであろう。むしろ本発明は、本明細書中に記載された任意の数の変形例、変更、置換、もしくは同等の配置だけでなく、本発明の真意およびその範囲に応じた任意の数の変形例、変更、置換、もしくは同等の配置を含むように変更しうる。さらに、本発明の種々の実施例について記載したが、当然のことながら、本発明の態様は記載の実施例の一部だけを含んでもよい。したがって、本発明は上述の記載に限定されるものではなく、付記の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１２…ギアボックス
４０…ディオイラ
４１…シャフト
４２…アウトレット流路
５２…インレット
５４…空気−オイル混合物
５６…インレットポート
５８…分離ユニット
９０…前与圧コンポーネント
９７…インレット流路
１０２…ブレードアセンブリ
１０３…ブレード

Claims (15)

1. 外部源から空気とオイルの混合物を受け入れるように構成されたインレットと、ディオイラと、を備えたギアボックスであって、
   前記ディオイラが、
   インレット流路およびアウトレット流路を含んだシャフトであって、共に前記シャフト内部に形成されかつ互いに離間された、インレット流路と、アウトレット流路と、を含んだシャフトと、
   前記シャフトの一部に連結され、かつ、該シャフトの一部を包囲する分離ユニットであって、インレットおよびアウトレットを含んだ分離ユニットと、
   前記シャフトに連結された前与圧コンポーネントであって、前記空気とオイルの混合物を加圧して加圧混合物を形成し、その加圧混合物を前記分離ユニットの前記インレットに供給する前与圧コンポーネントと、
   を備えた、ギアボックス。
2. 前記シャフトが、該シャフトの外部を該シャフト内部と流体連通させる一つ以上の内部通路を含むことを特徴とする請求項１に記載のギアボックス。
3. 前記分離ユニットが、前記一つ以上の内部通路を取り囲むとともに、該内部通路に流入する前の空気からオイルを除去し、かつ、その空気を前記一つ以上の内部通路に案内する役割を果たすことを特徴とする請求項２に記載のギアボックス。
4. 前記前与圧コンポーネントが前記インレット流路から前記空気とオイルの混合物を受け入れることができるように、前記前与圧コンポーネントが、前記インレット流路の少なくとも一部を取り囲むように配置されることを特徴とする請求項１に記載のギアボックス。
5. 前記シャフトが、前記空気とオイルの混合物をシャフト内部から前記前与圧コンポーネントへと通流させる通路を含むことを特徴とする請求項４に記載のギアボックス。
6. 前記前与圧コンポーネントが、複数のブレードを取り囲む外部ハウジングを含むことを特徴とする請求項４に記載のギアボックス。
7. 前記複数のブレードのうちの一つまたは複数が湾曲するとともに、径方向外側に延在することを特徴とする請求項６に記載のギアボックス。
8. 前記複数のブレードのうちの一つまたは複数が平坦であるとともに、径方向外側に延在することを特徴とする請求項６に記載のギアボックス。
9. 前記外部ハウジングが、螺旋状の外部壁を有することを特徴とする請求項６に記載のギアボックス。
10. 前記外部源が、タービンエンジンのベアリングコンパートメントであることを特徴とする請求項１に記載のギアボックス。
11. 空気とオイルの混合物からオイルを除去する方法であって、
    前記混合物を、前与圧コンポーネントを通して通流させて、前記空気とオイルの混合物の圧力を第１の圧力レベルから、第１の圧力レベルよりも高い第２の圧力レベルへと上昇させ、
    前記第２の圧力レベルの前記空気とオイルの混合物をシャフトに連結された回転分離ユニットに供給して、排気を生成するように前記混合物からオイルの一部または全てを除去することを備えた方法。
12. 前記排気を環境に排出させる前記シャフトのアウトレット部に、前記排気を通流させることをさらに特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記混合物を、前与圧コンポーネントを通して通流させるステップが、
    前記シャフトの内部に設けられるとともに前記シャフトのアウトレット部から離間された該シャフトのインレット部から、前記混合物を受け入れることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記混合物を、前与圧コンポーネントを通して通流させるステップが、
    前記混合物を、前記前与圧コンポーネントの外部ハウジング内で回転する複数のブレードと相互作用させることをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記外部ハウジングが、螺旋状の外部壁を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。

Images