JP4094400B2

JP4094400B2 - ウィープ・プラグ

Info

Publication number: JP4094400B2
Application number: JP2002305239A
Authority: JP
Inventors: ラモン・テムド; ゲーリー・ポール・モスカリノ; マーティン・リチャード・ブラウン; デュアン・ハワード・アンステッド; ケネス・リー・フィッシャー; クリストファー・リー・スノー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: DE60217049D1; BR0204258A; CA2406479A1; BR0204258B1; CN1414230A; CA2406479C; MY128663A; US6705349B2; DE60217049T2; US20030168117A1; SG107619A1; EP1304514A1; JP2003161113A; RU2305196C2; CN1273723C; EP1304514B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンの軸受を潤滑するために用いられるオイルを回収するためのウィープ・プラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、一般的にコアを含み、該コアは、コアに入る空気を加圧するための圧縮機と、燃料が該加圧された空気と混合され次いで燃焼されて高いエネルギーのガス流を発生させる燃焼器と、該ガス流からエネルギーを取り出して圧縮機を駆動する圧力タービンとを有する。航空機ターボファンエンジンにおいては、コアの下流に設置された低圧タービンが、該ガス流から更にエネルギーを取り出しファンを駆動する。ファンは、エンジンにより発生される主たる推進力を供給する。
【０００３】
エンジン内においては軸受を用いて、エンジンの圧縮機並びに高圧及び低圧タービンの中のステータに対してロータを正確に位置決めし回転可能に支持する。軸受は、オイル溜めと呼ばれるエンジンのオイル濡れ部分内に納められる。
【０００４】
軸受が過熱するのを防止するために、エンジン流路中の高温の空気が軸受のオイル溜めに到達するのを防止するように潤滑オイルが供給され、シールが設けられなければならず、また潤滑オイルの流量は、軸受の高い相対回転速度のために軸受により内部で発生される熱を運び去るのに充分な量でなければならない。
【０００５】
エンジンのオイル溜めをシールするために用いられる方法が原因で、オイル消費が生じる。このシール方法では、空気流れ回路がその流れをオイル溜めの中に入れたりそれから流出させたりすることが必要になる。この流れは、オイルを最終的に含み、このオイルは、適切に分離されオイル溜めに送り戻されない限り回収できない。具体的な１つの構成において、前方エンジンオイル溜めは、前方ファンシャフトを通してまた中央通気管を通してエンジン外に通気される。いったん空気／オイル混合物がオイル溜めを流出すると、それは旋回し、オイルをファンシャフトの内側に付着させる。空気／オイル混合物内に含まれるオイルは、急速に逸出する通気空気により通気孔を通して遠心分離されてオイル溜め中へ還流されることができない場合には、失われる。
【０００６】
一部の設計では、ウィープ孔を用いることによりオイルの回収が可能であるが、このようなウィープ孔は、オイルを再びオイル溜めに入れるための専用の流路を与えることがその機能である通路であり、前方ファンシャフト中に一体に設けられる。ウィープ孔は、一般的に通気流れを導くように設計された孔より直径が小さくかつ長さが長い。しかしながら、他の設計では、ファンシャフトは、通気孔のみを有し、専用のウィープ孔を有していない。ファンシャフトが製造されエンジン内に取り付けられた後に、専用のウィープ孔を有していない設計のファンシャフトにウィープ孔を形成することは途方もなく費用が掛かる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、現存のハードウェアを改造することなく現存のオイル溜め構造体内のオイルを回収する方法に対する必要性がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の必要性は、中央通気通路と該中央通路に平行な１つ又はそれ以上のウィープ通路とを有するウィープ・プラグを提供する本発明により満たされる。
【０００９】
本発明及び従来技術に優るその長所は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読めば明らかになるであろう。
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書の冒頭部分に具体的に指摘されまた明確に請求されている。しかしながら、本発明は、添付図面の図と共になされる以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
その中で同一の参照符号は様々な図を通して同じ要素を示している図面を参照すると、図１は全体を符号１０で表すガスタービンエンジンを示し、それには図３〜図８内に詳細に示すような本発明のウィープ・プラグ９０が組み込まれている。エンジン１０は、長手方向の中心線すなわち軸線Ａを有し、該軸線Ａの周りに同心にかつ該軸線に沿って同軸に配置された環状の固定外側ケーシング１４を有する。エンジン１０はガス発生コア１６を含み、該ガス発生コア１６は、エンジン１０の長手方向軸線すなわち中心線Ａの周りに直列の軸流関係で全て同軸に配列された、多段圧縮機１８、燃焼器２０、及び単段又は多段のどちらかである高圧タービン２２から成る。環状の外側駆動シャフト２４が、圧縮機１８及び高圧タービン２２を固定状態で相互接続する。
【００１２】
コア１６は、燃焼ガスを発生するように作動する。圧縮機１８からの加圧された空気は、燃焼器２０中で燃料と混合され点火されて、燃焼ガスを発生する。高圧タービン２２が、これらのガスからある程度の仕事を取り出し、圧縮機１８を駆動する。燃焼ガスの残りは、コア１６から低圧タービン２６中に吐出される。
【００１３】
内側駆動シャフト３８が、後部軸受３２と差動軸受４０によって、また外側の固定ケーシング１４に相互接続された適当な前部軸受４２によって、外側駆動シャフト２４に対して回転できるように取り付けられる。内側駆動シャフト３８は、次に、前方ファンシャフト６２を回転可能に駆動し、前方ファンシャフト６２は、次に前方ファンディスク／ブースタロータ４４を駆動する。ファンブレード４８及びブースタブレード５４が、それらと共に回転するようにファンディスク／ブースタロータ４４に取り付けられる。
【００１４】
図２を参照すると、従来の軸受オイル溜め５８が前部軸受４２の周りに形成されているガスタービンエンジン１０の領域を示す。軸受オイル溜め５８は、一般的に、外側ケーシング１４に相互接続された環状の外側構造体６０と、内側駆動シャフト３８の前方端を前方ファンディスク／ブースタロータ４４に剛体として相互接続する前方ファンシャフト６２とにより形成される。前部軸受４２の環状の内レース４２Aと接続されている前方ファンシャフト６２は、前部軸受４２の環状の外レース４２Ｂに接続されている、軸受オイル溜め５８の環状の固定外側構造体６０に対して内側駆動シャフト３８と共に回転する。
【００１５】
従来の空気及びオイル用ラビリンスシール６４、６６が、前部軸受４２に隣接し、かつ相対回転する環状の外側構造体６０と前方ファンシャフト６２との間に設けられて、軸受オイル溜め５８の前方端をシールする。オイルは、オイル供給導管６８を通して前部軸受４２に対して従ってオイル溜め５８中に圧送される。オイル用ラビリンスシール６６を通してオイルが漏れるのを防止するために、加圧された空気が、空気供給導管７０を通して空気用ラビリンスシール６４に噴射される。
【００１６】
軸受オイル溜め５８に流入する噴射された加圧空気の１部分は、オイル溜め圧力を適当な均衡状態に維持するために、制御された方法でオイル溜め５８から排出されなければならい。しかしながら、加圧空気は、オイル溜め５８内のオイルの粒子と混合された状態になっている。従って、前方ファンシャフト６２は、その厚みを貫通してほぼ半径方向に延びる１つ又はそれ以上の通気孔８４を有する。一般的に、ファンシャフト６２は、その周囲の周りの壁に配置された複数のこれら孔８４を有する。通気孔８４は、オイル溜め５８から通気プレナム７８中への、従って中央通気管８０中への空気の流れのための通路を形成する。カバー７４が、固締具７６で前方ファンシャフト６２に取り付けられる。
【００１７】
ここで図３〜図６を参照すると、ウィープ・プラグ９０は、第１の端部９６及び第２の端部９８を有し、その間に延びる軸線９４を形成する単体の本体９２を有する。ほぼ円筒状の中央通路１００が、第１の端部９６から第２の端部９８まで軸方向に本体９２を貫通する。平坦な端面１１８を有するほぼ円形のヘッド１１６が、第１の端部９６に配置される。ヘッド１１６に隣接して、ほぼ環状のフランジ１０４が配置され、該フランジはその横方向に対向する側面に形成された一対の対向する平坦部１０８を有する。環状の溝１１７が、円形のヘッド１１６とフランジ１０４を分離し、プラグ９０を取り外す時に用具を押し当ててこじるための面を提供する。ほぼ円筒形の細長い部分１０２が、フランジ１０４に隣接する近位端１１０と本体９２の第２の端部９８における遠位端１１２との間で延びる。環状の溝１１４が、細長い部分１０２とフランジ１０４の接続部に配置される。リム１０６が、フランジ１０４に配置されて、本体９２の第２の端部９８に向かって軸方向に延びる。リム１０６は、フランジ１０４の対向する平坦部１０８があることによって２つの環状のセクションに分割される。平坦部１０８は、ウィープ・プラグ９０が取り付けられた時、ウィープ・プラグ９０と近くの他の構造体との間に間隙スペースを形成する。
【００１８】
一対のスロット１２２が、細長い部分１０２の対向する側面に形成される。スロット１２２は、細長い部分１０２の遠位端１１２で始まり、細長いセクション９４の長さの一部分にわたって下方に延びる。スロット１２２は、細長い部分１０２を２つのプロング１２４に分割する。プロング１２４の各々は、その遠位端１１２においてプロング１２４の対向する側面に形成された一対のチャンファ面１２０を有する。環状の突出リップ部１２６が、プロング１０８の各々の遠位端１１２から延びる。図示した実施例は２つのスロット１２２を示していが、３つ又はそれ以上のスロット１２２が、細長い部分１０２に形成されて、細長い部分を３つ又はそれ以上のプロング１０８に分割するようにしてもよいことに注目されたい。少なくとも１つのウィープ通路１３０が、細長い部分１０２の外面１２８に形成される。図４及び図５で最もよく分かるように、図示した実施例においては、ウィープ通路１３０は、ほぼ半円形の断面を有する溝の形態をしているが、他の形状を用いることもできる。ウィープ通路は、細長い部分１０２の遠位端に配置された出口１３２を有する。次いで、ウィープ通路は、フランジ１０４に向かって軸方向に延びる。ウィープ通路１３０が環状の溝１１４と交差する位置において、ウィープ通路はコーナー１３４で向きを変えて、それから半径方向外向きに延び、フランジ１０４内に平坦部１０８と整合して配置された入口１３６で終る。
【００１９】
ウィープ・プラグ９０は、オイル溜め５８にゆきわたる約１４９℃（３００°Ｆ）である温度に耐え、かつエンジン潤滑オイルによる侵食に耐えることができる材料で製造される。また、ファンシャフト６２は、その特性が妥協して処理されなければならない寿命制限部品であるので、プラグ９０は、ファンシャフト６２の摩耗を生じるのではなくそれ自体が摩耗する材料で作られなければならない。その上に、エンジン１０全体における余分の重量を避けるためにも、また特にプラグ９０が不適当に取り付けられた場合にファンシャフト６２内に不釣合の問題を起こさないようにするためにも、プラグ９０の重量は、最小限にされるのが好ましい。１つの適当な材料は、米国、１９８９８、デラウェア州ウィルミントンにある、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔｄｅＮｅｍｏｕｒｓａｎｄＣｏｍｐａｎｙから入手可能なＶＥＳＰＥＬポリイミドである。別の適当な材料は、米国、２９６１５、サウスカロライナ州グリーンビル、ＳｕｉｔｅＡ、３ＣａｌｅｄｏｎＣｏｕｒｔにあるＶｉｃｔｒｅｘＵＳＡＩｎｃ．から入手可能なＰＥＥＫポリエーテルエーテルケトンである。一般に、上述の要件を満たす任意の材料を用いることができ、例えばアルミニウム或いは他の比較的軟質の金属も適当な材料となり得る。ウィープ・プラグ９０は、任意の公知の方法、例えば射出成形、機械加工を伴う圧縮成形によるニアネットシェイプ、又は材料の素材片からの機械加工によって形成することができる。
【００２０】
本発明の別の実施形態を図７に示す。ウィープ・プラグ２９０は、ウィープ・プラグ９０と類似しており、細長い部分１０２を含む本体２９２と、リム１０６を有するフランジ１０４と、円形のヘッド１１６とを有する。環状の溝１１４がフランジ１０４と細長い部分１０２との接続部において本体２９２を取り巻く。一対のウィープ通路２９４が、その対向する側面で細長い部分１０２の外面に配置される。この実施形態において、ウィープ通路２９４の入口２９６は、フランジ１０４中には延びていない。フランジ１０４は、本体２９２の周りに完全に延びる。一対の対向するチャネル２９８が、リム１０６内に形成される。チャネル２９８は、リム１０６の表面から凹設され、オイルが溝１１４及びウィープ通路２９４に流れるための追加の区域を形成する。
【００２１】
図８は、前方ファンシャフト６２内に取り付けられたウィープ・プラグ９０のより詳細な図を示す。ウィープ・プラグ９０は、半径方向内方から通気孔８４内に取り付けられる。チャンファ面１２０は、ウィープ・プラグ９０の本体９２を通気孔８４と整合させるのを助ける。取り付けられていない状態では、リップ部１２６の外端縁を横切る幅Ｗ（図４）は、通気孔８４の直径Ｄ（図２）よりも僅かに大きい。ウィープ・プラグ９０が取り付けられるとき、スロット１２２があるためにプロング１２４が内向きに僅かに曲がることができる。ウィープ・プラグ９０が完全に嵌め込まれて、リップ部１２６が通気孔８４の半径方向外端縁を通り過ぎると、プロングはその最初の位置に戻り、通気孔８４の半径方向外端縁３０２に当接し、ウィープ・プラグ９０を通気孔８４内に保持する。運転中に、ウィープ・プラグ９０は、前方ファンシャフト６２と共に回転するので半径方向外向きに移動する傾向になる。このことにより、フランジ１０４のリム１０６を通気孔８４の半径方向内端縁３００に当接させて、ウィープ・プラグ９０を通気通路内に保持する。
【００２２】
運転中に、空気／オイル混合物は、図８にＢと標記された矢印により示されるように、ウィープ・プラグ９０の中央通路１００を通してオイル溜め５８を流出する。図示した実施例において、ウィープ・プラグ９０の長さＬは、約３０．５ｍｍ（１．２ｉｎ．）であり、また中央通路の直径ｃは約８．８ｍｍ（０．３５ｉｎ．）であり、結果として長さ対直径比が約３．５になる。その後、混合物は旋回し、オイルを前方ファンシャフト６２の内側に付着させる。空気／オイル混合物に含まれるオイルは、矢印Ｃにより示すように、ウィープ通路１３０の入口１３６中に流れ込み、ウィープ通路１３０の長さに沿って流れ、次いで出口１３２を通ってオイル溜め５８中に流れ込み、そこでオイルが回収されることができる。図示した実施例において、ウィープ通路１３０は、約２１ｍｍ（０．８３ｉｎ．）の長さｌ及び約０．７６ｍｍ（０．０３ｉｎ．）の幅Ｗを有しており、結果として長さ対直径比が約２８になる。このより大きいＬ／Ｄ比のために、ウィープ・プラグ９０が無い場合と同じように、空気溜め５８の流れに影響されることなく、オイルがウィープ通路１３０を上方に流れることができる。更に、ウィープ・プラグ９０の細長い部分１０２の直径ｄは、通気孔８４の直径Ｄに対して通気孔８４とプラグ本体９２との間に間隙を残すように選定され、オイルが、通気空気を逃がすことにより取り去られることなく、それを通して遠心分離される追加の環状空間を作り出すことができる。図示した実施例の直径方向間隙は、約０．１７７mm（０．００７ｉｎ．）である。
【００２３】
本明細書中に開示したウィープ・プラグ９０は、明白なオイル消費の利益をもたらし、かつ実施するのが簡単でもある。ウィープ・プラグ９０は、エンジンをほとんど分解することなく、エンジンが航空機にまだ搭載されている間に使用中のエンジンに組み付けることが可能である。１つの具体的な実施例において、合計２２個の孔の前部ファンシャフト中に４つのプラグを組み付けた結果、エンジン全体のオイル消費量が約８％の減少となった。プラグ９０の最適数は、各特定の用途によって変化するであろう。プラグの数が少なすぎれば、オイルの消費を減少させる利点は実現されないであろう。用いられるプラグの数が多すぎれば、通気孔８４を通しての流れを過度に制限し、オイル溜めの加圧均衡状態を狂わせる可能性がある。取り付け可能な２０個の孔に１２個のプラグを使用した場合、エンジンシステムの加圧特性に最小限の影響を及ぼすだけで、オイル消費の最適な減少が得られることを、別の可能な構成の分析結果が示した。例えば１０個のような少ない数のプラグを用いるか、又は１つおきの孔に１つのプラグのような少ない数を用いるかして、取り付けを単純化することもまた望ましい。
【００２４】
以上は、中央通気通路と１つ又はそれ以上のウィープ通路とを有するウィープ・プラグを説明したものである。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載されるような本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく変更可能である。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウィープ・プラグを組み込んだガスタービンエンジンの軸方向縦断面図。
【図２】図１の鎖線で示す区画２−２で囲まれたエンジンの領域の部分拡大図。
【図３】本発明のウィープ・プラグの斜視図。
【図４】本発明のウィープ・プラグの端面図。
【図５】図４のウィープ・プラグの側面図。
【図６】図５の線６―６沿いに取った断面図。
【図７】本発明の別の実施形態により構成されたウィープ・プラグの斜視図。
【図８】本発明のウィープ・プラグがその中に取り付けられたガスタービンエンジンのファンの前方シャフトの１部の断面図。
【符号の説明】
３８内側駆動シャフト
４２前部軸受
４４前方ファンディスク／ブースタロータ
５８軸受オイル溜め
６０環状の外側構造体
６２前方ファンシャフト
６４、６６ラビリンスシール
６８オイル供給導管
７０空気供給導管
７４カバー
７８通気プレナム
８０中央通気管
８４通気孔

Claims

第１の端部（９６）及び第２の端部（９８）と、長手方向の軸線（９４）と、内面及び外面を有し、該内面が中央通路（１００）を形成するする壁と、を有するほぼ円筒形の本体（９２）と、
前記第１の端部（９６）に隣接して配置されたフランジ（１０４）と、
前記壁の外面（１２８）に配置され、前記フランジ（１０４）から前記第２の端部（９８）まで延びる少なくとも１つのほぼ軸線方向のウィープ通路（１３０）と、
を含むことを特徴とするウィープ・プラグ（９０）。
長手方向の軸線（９４）と、中央通路（１００）を形成する壁とを有するほぼ円筒形の本体（９２）と、
前記壁内に配置され、前記軸線（９４）にほぼ平行に延びる少なくとも１つのウィープ通路（１３０）と、
を含むことを特徴とするウィープ・プラグ（９０）。
該ウィープ・プラグの第１の端部（９６）に配置されたほぼ環状のフランジ（１０４）を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載のウィープ・プラグ（９０）。
該ウィープ・プラグの第２の端部（９８）において前記壁の外面（１２８）から半径方向外向きに延びる少なくとも１つのほぼ環状のリップ部（１２６）を更に含むことを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のウィープ・プラグ（９０）。
該ウィープ・プラグ（９０）の第２の端部（９８）において前記壁内に配置され、該壁の１部分を少なくとも２つの軸線方向に延びるプロング（１２４）に分割する少なくとも２つのほぼ軸線方向のスロット（１２２）を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載のウィープ・プラグ（９０）。
前記プロング（１２４）の各々は、前記第２の端部（９８）において該プロングの対向する側面上に形成された一対のチャンファ面（１２０）を有することを特徴とする、請求項５に記載のウィープ・プラグ（９０）。
該ウィープ・プラグ（９０）の第１の端部（９６）に形成され、ほぼ環状の溝により前記フランジ（１０４）から分離されたほぼ円形のヘッド（１１６）を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載のウィープ・プラグ（９０）。
該ウィープ・プラグ（９０）は、ポリマーを含むことを特徴とする、請求項４に記載のウィープ・プラグ（９０）。
前記フランジ（１０４）は、該ウィープ・プラグ（９０）の第２の端部（９８）の方に向いたほぼ環状のリムを含み、また対向するチャネル（２９８）を形成ように前記リム中に形成された一対の凹みを更に含んでおり、前記チャネル（２９８）は前記長手方向の軸線（９４）にほぼ垂直に延びていることを特徴とする、請求項４に記載のウィープ・プラグ（９０）。
前記フランジ（１０４）は、該フランジ（１０４）の対向する側面上に配置された一対の平坦部（１０８）を形成するように、該フランジ（１０４）内に形成された凹みを有しており、前記平坦部（１０８）は前記長手方向の軸線（９４）にほぼ平行に延びていることを特徴とする、請求項４に記載のウィープ・プラグ（９０）。
前記中央通路（１００）は第１の長さ対直径比を有し、また前記ウィープ通路（１３０）は第２の長さ対直径比を有しており、該第２の長さ対直径比は、前記第１の長さ対直径比より大きいことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のウィープ・プラグ（９０）。