説明

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

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】ギアボックスに連結されたエンジンの側断面図。
【図2】ギアボックスの部分的な断面を示す上面図
【図3A】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3B】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。
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【符号の説明】
【0025】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1】
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【図2】
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【図3A】
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【図3B】
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【公開番号】特開2013−100817(P2013−100817A)
【公開日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−245017(P2012−245017)
【出願日】平成24年11月7日(2012.11.7)
【出願人】(500107762)ハミルトン・サンドストランド・コーポレイション (165)
【氏名又は名称原語表記】HAMILTON SUNDSTRAND CORPORATION
【住所又は居所原語表記】One Hamilton Road, Windsor Locks, CT 06096−1010, U.S.A.
【Fターム(参考)】