JP2010065682A - 潤滑剤排出構成 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑剤排出構成に関し、外壁を備え且つ潤滑される回転要素を収容するように構成された潤滑剤排出構成を提供する。
【解決手段】外壁１６を有し、且つ、軸１８を中心とする回転のための潤滑される回転要素を収容するように構成されたチャンバ１５に設けられる潤滑剤排出構成が開示される。この排出構成は、壁の実質的にアーチ形の領域に設けられる実質的に細長いチャネルを有し、このチャネルは、入口端部と出口端部との間のチャネルの実質的に全長にわたって開放しており、前記入口端部および前記出口端部は、前記長手方向軸を中心に角度方向に離間している。この排出構成は、ガスタービンエンジン内のベアリングチャンバに使用するのに特に適している。
【選択図】図３

Description

本発明は、潤滑剤排出構成に関し、より詳細には、外壁を備え且つ潤滑される回転要素を収容するように構成された潤滑剤排出構成に関する。本発明の構成は、特に、ギアボックス、クランクケース、またはガスタービンエンジンのベアリングチャンバのようなチャンバに応用することを意図している。

ガスタービンエンジンは、ベアリングチャンバ内に提供される高速ベアリング構成を用いることが知られており、これは、非常に注意深く冷却および潤滑されなければならない。従って、ベアリングは、オイルの形態の液体潤滑剤の連続的な供給により提供され、これはベアリングチャンバから外に導かれ（「排出」され）なければならず、通常、ベアリングに再循環される前に冷却される。オイルは適切にベアリングチャンバから排出されることが重要である。これは、そうしなければ、ベアリングからこぼれたオイルが、ベアリングチャンバが回転したときにチャンバの底にたまるからである。オイルがチャンバの底にたまることにより生じる問題は、ベアリングが部分的にオイルに浸るようになること、熱いオイルが再びベアリングに注入されること（これらの両方は、熱の発生の増加およびオイルの劣化をもたらす）、または、チャンバからのオイルの漏れを含む。

ギアボックス、ベアリングチャンバ、またはクランクケースから潤滑オイルを廃棄する／オイルを冷却するための、従来提案されている構成は、しばしば、オイルをシステムの最下点に移動させるオイルの重力またはモーメントに依存し、ここでオイルを取り除く。これらのタイプの排出構成は、典型的には、オイル戻しシステムの一部を構成する１つまたはそれ以上の排出パイプへの入口または通路を有する。排出構成は、ポンプによりおよび／またはチャンバ内の過圧により駆動されることがある（すなわち、チャンバ内の圧力を、排出パイプの下に流すようにする）。排出構成の容量は、典型的には、チャンバへ供給されるオイルの容積を超えるように設計され、過分な容量は、周囲からチャンバへの空気の供給により形成される。この空気の流れは、チャンバシールからのオイルの損失の発生見込みを減少させることを支援する。

チャンバ内の回転要素が回転するとき、オイルは回転要素からこぼれ、オイルの大部分は、機械的な回転により付与される慣性速度、および被膜が形成されたときに被膜の表面に作用する空気流により引き起こされるせん断効果により、比較的高スピードの被膜（film）の形態でチャンバの壁に捕らえられる。この慣性速度は、オイルの大部分を、高速度および高圧環境での排出システムの近傍に運ぶのに寄与する。重力の効果だけでは、オイルの比較的小さな部分だけが実際に排出システムへ移動させられる。

図１は、知られた排出システムの１つのタイプを示し、このシステムはチャンバ１を有し、チャンバ１は、回転素子２内にチャンバの長手方向軸３を中心に回転するように取り付けられる。使用済みのオイル４は、回転素子２からこぼれ、被膜５を形成し、この被膜は、チャンバの最下点に設けられたオイル溜め７により画定される空間６内に向かって下に流れる。オイル溜めから、オイルは排出パイプ８を介して取り除かれて再循環される。オイル溜めの空間６内で、オイルのモーメントは、壁との衝突を通して、および空間内に既に存在する静止したオイルとのエネルギー交換を通して減少する。

オイル溜め７の捕獲空間６には、蓋９（ときどきウィンデージシールドまたはバッフルと称される）を設けられることがあり、これは、オイル溜め内のオイルが、メインチャンバ内の回転空気流により再び引っ張られるのを防止することを意図しており、これは、オイルの存在時間を減少させ、オイルのはね返りによる回転体上への過度な引きずりを防止する。

この従来技術の構成のこのタイプは、オイル溜めの深さおよび容積の要求は、流入するオイルのエネルギーの増加とともに増加する。この空間は、適切な設計に適合する十分な空間が得られない場合に、特に航空ガスタービンエンジンの場合に制限されることがあり、オイルが排出路に完全には捕獲されないことがあり、この場合、オイルは、メインベアリングチャンバまたはギアボックスに再浸入し得る。回転素子がオイルに浸されることになり、オイルがベアリング内に再注入され、または、オイルがチャンバシールから漏れることになるので、これは望ましくない。

排出構成の他の知られたタイプの構成は、図２に概ね示される設計の範囲内であり、これは、軸３を中心とする回転のためのベアリング上に支持された水平シャフト２を取り囲む円筒形のベアリングチャンバ１を通る垂直断面を示している。この構成において、チャンバの底にスクープ１０が設けられ、スクープ１０はチャンバの内壁の概ね接線方向に配置される開口１１を備える。スクープ１０は、特定の方向から排出路に近づくオイル被膜５を収容するように意図している。

スクープ開口１１（チャンバの底死点（bottom-dead-center, BDC）のところまたはその付近に位置決めされる）に近づく流れは、「主流れ」（図２において概略的に矢印１２により示される）として設計され、シャフトおよびベアリングの回転により駆動される。開口１１に入らなかったオイルは効率的に除かれず、上述のような望ましくない結果を導く可能性がある。スクープ開口１１を過ぎ且つ上死点（top-dead-center, TDC）の前の角度位置で回転要素から投げ飛ばされ、ＴＤＣを通過する（ＴＤＣを通過することで図示されている時計回り方向の「主流れ」に寄与する）のに十分なエネルギーを持たないオイルは、図２で概略的に符号１３で示される「反対の」流れに寄与する。このオイルの反対の流れは、重力の効果によりつぶれて、「反対」方向からスクープに近づくことになる。半径方向の速度成分を特徴付ける使用済みオイルの第２の流れは、チャンバの端部壁上でも存在するかもしれない。しかし、多くの場合、この第２の流れは、チャンバのオイル流れの小さな割合でだけ生じ、問題は小さい。

いくつかの状況において、回転要素により引き起こされる空気流れは、内実質的なオイルの容積が効率的に反対流れシステム内でトラップされるほどに（通常、底死点から最初の６０°の範囲内）、反対に流れるオイル１３の表面に十分な表面せん断力を付与し、チャンバ内の望ましくない長いオイルの存在時間を導くことがある。これは特に、高温度環境で望ましくなく、オイルが熱的に劣化する可能性を存在時間とともに増加させる。

この性質により、図２に示すタイプのスクープ排出は、方向性をもってしまい（すなわち通常、主流れ１２に整合する）、それゆえ、反対流れ１３の捕獲にあまり適合的でなく、効率的に「シャットアウト」されプール１４に集められ、スクープに入ることができない。

スクープタイプ構成の他の重要な不利益は、高速度用途におけるオイル被膜が、（有意な表面張力および粘性効果にもかかわらず）超臨界流体流れ（すなわち、フルード数が１より大きい浅水流）のようにふるまうことである。開口１１に入る高速被膜は、たとえば方向に変化により、または、流れ面積の変化により生じる、任意の反対方向に作用する圧力勾配により、強く、不安定で、スクープ自身により引き起こされる水力学的ジャンプタイプの波を通して、過度に減速の影響を受けやすい。このタイプの強い波は、不安定な乱流のふるまいのため、および被膜厚さの大きく急激な増加の特徴のため、望ましくなく、これはしばしば空気の引きずりを伴う（効率的に被膜の密度を減少させて、それにより「かさ」を大きくする）。

実験を通じて、図２のスクープタイプ構成において、内部減速を備える超音速吸気の不始動に類似するプロセスが生じることが分かった。波動システムにより、二相流れは最初はスクープ内で形成されるがスクープ内で減速し、スクープ内で内部減速プロセスが注意深く制御されない場合、波動システムは開口１１の後ろに移動し、チャンバ内に入る傾向があることが分かった。

超音速吸気に類似する場合において、衝撃波または等エントロピー圧縮波の組み合わせを介する制御された内部減速を達成する技術はよく知られている。しかし、超臨界二相流のための内部減速システムの設計は、いまだ問題がある。オイル減速波がスクープの外へ移動する場合、スクープは結果として生じる波をのみ込むのに十分な高さではなく、主流れ１２に近づく一部はスクープ開口に捕獲されずに、「反対」流れにさらに寄与し、上述のような望ましくない効果を発生させ得る。さらに、結果として生じる大きなスクープ寸法は、チャンバ／ギアボックス内の空気の流れに強い乱流を発生させ、ウィンデージ熱生成レベルへの効果をもたらし得る。

米国特許出願ＵＳ２００６／００３７３０２号明細書は、スクープタイプ構成の修正された形態を開示しており、穴が空いた蓋が、主流れと反対流れが排出パイプに入る前の混合される領域の上に設けられている。この穴の空いた蓋の意図は、反対流れが排出パイプに入ることを許容することであり、またそのため、この穴の空いた蓋は、波の捕獲を支援するために主流れをスクープから分離することができない。さらに、この蓋の穴は規則的に間隔が開いた穴であり、概ね、高温度用途において望ましくない。高温度用途では、局所的なオイル劣化物が形成されうる再循環領域の発生を促進し得る。

それゆえ、本発明の目的は、改良された潤滑剤排出システムを提供することである。従って、本発明の第１の側面は、チャンバ上の潤滑剤排出構成を提供し、チャンバは、外壁を有し、軸を中心に回転する潤滑される回転要素を収容するように構成される。この排出構成は、壁の実質的にアーチ領域に設けられる実質的に細長いチャネルを有し、このチャネルは、入口端部と出口端部との間の実質的に全体の長さにわたってチャンバに対して開いており、この入口端部と出口端部は、軸の周りに角度方向に隔てられる。

好ましい構成において、チャネルの入口端部は、チャンバ内の回転要素の回転方向に関して出口端部の前にある。

好ましくは、入口端部および出口端部は、角度方向に５０°から１００°隔てられる。

チャネルは好ましくは軸に実質的に平行な方向に測って幅方向にテーパーが設けられており、出口端部に向かって狭くなる。

一実施形態において、入口端部におけるチャネルの幅は、チャンバの長さに実質的に等しく、一方、他の実施形態において、入口端部におけるチャネルの幅はチャンバの長さよりも小さい。

チャネルは好ましくは実質的に凹状の側壁を備える。

凹状の側壁は、入口端部および出口端部のところで曲率ゼロの領域を備えるように構成してもよい。

凹状の側壁は、コサインプロファイルを備えるように構成してもよい。

好ましい実施形態において、チャネルの出口端部のところの凹状の側壁の接線は、チャネルの入口端部のところの凹状の側壁の接線に対して約３０°の角度をなす。

チャネルは、実質的に凸状の側壁を備えてもよく、好ましい構成において、この凸状の側壁は、チャネルの一方の側に沿って設けられ、凸状の側壁は、チャネルの反対側に沿って設けられる。

好ましくは、チャネルの出口端部はチャネルの入口端部に対して側方にずれている。

好ましい構成において、チャネルの深さは、軸に対して実質的に半径方向に測って、入口端部から出口端部へチャネルに沿って移動するにつれて増加する。

出口端部の領域におけるチャネル深さの、入口端部の領域におけるチャネル深さに対する比は、好ましくは約４である。

ある実施形態において、チャネルは、底部表面を備えるように構成され、この底部表面は、チャンバ壁の隣接する領域に対して鋭角の形成するようにバンクが設けられている。

チャネルにバンクが設けられるところの底部表面における角度は、好ましくは、チャネルの長さに沿って変化する。

好ましい実施形態において、バンク角度は、チャネルの入口端部および出口端部のところでゼロになる傾向がある。

好ましくは、チャネルの出口端部は、チャンバ壁に設けられた漏斗凹部に直接的に流体接続され、漏斗凹部は、実質的に半径方向外側に向いた、排出パイプに流体接続するための漏斗出口を備える。

好ましい構成において、漏斗凹部はチャンバに対して開いている。

随意選択で、漏斗出口はチャネルの出口端部に対して側方にずれている。

好ましくは、漏斗凹部は、実質的に円形ボウルの形態である。

好ましい構成において、ボウルの最大直径は、漏斗出口の直径の約３倍である。

本発明の他の側面によれば、上述の構成の潤滑剤排出構成を備えるチャンバを有するガスタービンエンジンが提供される。

このようなガスタービンエンジンの１つにおいて、チャンバは、チャンバの軸を中心とする反対回転のために取り付けられた潤滑される１対の回転要素を収容し、潤滑剤排出構成は、一対のチャネルを有し、各チャネルは、それぞれの回転要素に関連付けられ、各チャネルは、チャネルの入口端部が、各回転要素の回転方向に関してチャネルの出口端部よりも前にあるように方向付けられる。

本発明の他の側面によれば、ガスタービンエンジンのためのベアリングチャンバが提供される。このベアリングチャンバは、軸を中心とする回転のために潤滑されるベアリングを収容するように構成され、ベアリングチャンバは、潤滑剤排出構成を有し、潤滑剤排出構成は、ベアリングチャンバに直接的に流体連通する渦巻きチャンバを有し、渦巻きチャンバは、ベアリングチャンバから軸方向に外側に延び且つ排出パイプへの流体接続のための出口を有し、この出口は、軸に対して実質的に半径方向に延び且つベアリングチャンバから軸方向にずれている。

本発明をより容易に理解できるように、また、本発明のさらなる特徴を理解できるように、本発明の実施形態が例として添付図面とともに以下に説明される。添付図面は以下の通りである。

（上述された）従来技術によるオイル排出構成を含むチャンバの断面図である。 （上述された）他の従来技術によるオイル排出構成を含むチャンバの断面図である。 本発明による潤滑剤排出構成を含むチャンバの概略断面図である。 図３の点Ａと点Ｂとの間を延びる排出チャネルを示す展開図である。 概ね図４に類似する図であり、本発明により他の排出チャネルを示す図である。 図５の排出チャネルをより詳細に示す図である。 チャンバの他の概略的な断面図であり、本発明の実施形態の排出チャネルの深さの変化を示す図である。 図５に示される排出チャネルを通る線分Ｚ−Ｚに沿う断面図である。 本発明の一実施形態により、排出チャネルの端部に形成される漏斗凹部を示す図である。 図９の漏斗凹部を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による排出チャネルの端部における他の漏斗凹部を示す図である。 図１１の漏斗凹部を示す断面図である。 本発明による排出構成を含むチャンバの内側領域を示す斜視図である。 図１３に示すチャンバ領域の外側を示す斜視図である。 他の実施形態によるガスタービンエンジンを示す部分断面側面図である。 図１５の矢印Ａで示される方向から見たときの、図１５に示す構成の部分断面端部図である。 図１５の矢印Ｂで示される方向から見たときの、図１５に示す構成の上からみた部分断面図である。

以下により詳細に説明するように、本発明の好ましい実施形態の潤滑排出構成は、回転要素からこぼれたオイルの主流れを、回転要素を収容するチャンバの内側容積に対して開いた排出チャネルを用いて制御下で減速することを意図した多くの特徴を採用する。これは、主流れが、図２に示される従来の構成の狭いスクープ内での内部減速とは異なり、または、図１に示される重力タイプの構成の無秩序な外部減速とは異なり、排出パイプのような任意の閉じた区間の外に対して注意深く減速されることを許容する。減速における他の性質および捕獲プロセスは、排出システム内の反対流れの導入をできるだけ制限しないことを確保する。

まず、添付図面の図３を参照すると、概ね円筒形の外壁１６（半径Ｒｃ）を備えるガスタービンベアリングチャンバ１５が示されており、外壁１６は、シャフト１７の形態の回転要素を収容する。シャフト１７は、ハウジングの長手方向軸１８を中心とする高速ベアリングの回転のために取り付けられる。図３に示されているシャフト１７は、矢印１９で示される反時計回り方向の回転のために取り付けられることが分かるであろう。

シャフト１７にはオイルの形態の液体潤滑剤が供給され、そのこと自体は公知であるので詳述しない。既に述べたように、従来技術の構成の文脈において、シャフト１７はチャンバ１５内で高速で回転するので、使用済みオイル２０はシャフトからこぼれる。このオイルの主流れは、図３の矢印２１により概略的に示され、チャンバ壁１６の内側表面上での薄膜の形態になり、図示の方向に移動する。オイルの反対流れは、図３の矢印２２で概略的に示され、反対方向に移動する。

以下に説明するように、チャンバ１５は、図３に概略的に示されるように、基本的に２つの別個の区域を有する排出システムを備える。図示の壁１６の点Ａと点Ｂとの間のアーチ形の領域の周りを延びる領域は、チャンバの内部容積に対して開いたチャネルを用いて超臨界主流れを減速するように、また、適当な「等価な」フルード数の流れになるように設計される。点Ｂから点Ｃの間を延びる図示の領域は、結果として生じる、Ａ−Ｂ区域を出る亜臨界主流れを、概略的に符号２４で示される壁の領域に設けられる入口を介して排出パイプ２３に入るように方向付けるように設計される。図３において、α１は、超臨界減速区域Ａ−Ｂの角度広がりを示し、α２は、亜臨界／排出パイプ入口区域Ｂ−Ｃの角度広がりを示す。

多くの高速度構成において、主流れ２１は回転要素からこぼれた大多数のオイルを含む。ガスタービンベアリングチャンバの幾何形状の実験研究は、オイル供給は十分であると想定すると、回転要素からはねとばされるオイルは、チャンバ壁の内側表面上に、典型的には１ｍｍから２ｍｍの範囲の厚さの膜を比較的迅速に形成し、典型的には１ｍ／ｓから２ｍ／ｓのバルク速度を備えることを示した。このオイルの膜は、しばしば、ベアリングチャンバ構造の冷却に依存する。

さらに、実験研究は、粘性および表面張力の効果にもかかわらず、バルク薄膜のふるまいは、浅水波理論により近似できることを示した。しかし、素直な計算が示すよりも非常に小さい超臨界フルード数での流れに対応した。なお、ここで、浅水理論のフルード数は、

で与えられ、
Ｕ＝バルク速度
ｇ＊＝チャンバ壁に垂直な有効加速度成分（すなわち、壁に垂直な重力成分と、チャンバ壁の曲率に関連する遠心加速の合成）
ｄ＝壁に垂直な膜厚
である。

上述のパラメータ（すなわち、１−２ｍｍの厚さおよび１−２ｍ／ｓのバルク速度）を備える典型的なオイル薄膜において、主薄膜２１の流れのふるまいは、（基本的な流れパラメータにより推測されるおよそ１０のフルード数ではなく）およそ３から４の範囲の「等価」なフルード数における流体理論を用いた予測に似ていることが分かった。

この情報により、たとえば超臨界余水路の設計要素は、臨界的（フルード数１）な条件への滑らかな減速をもたらす幾何形状を備える排出チャネルを設計するために採用できる。点Ａの角度位置は、臨界状態への減速が達成されるところでの割合（rate）により選択される。点Ａと点Ｂとの分離を大きくすると（すなわちα１を大きくすると）、主流れ２１がより急激でなく減速され、強い波が形成される見込みが減少するであろうことがわかるであろう。実験を通して、大まかにチャンバ径Ｒｃに等しい点Ａと点Ｂとの円周方向の分離は、満足な結果を与えることが分かり、つまり、本発明の（以下に説明する）排出チャネルはほぼＲｃに等しい長さを備えることが好ましいことを意味する。

上述したように（減少した「等価」フルード数にも関わらず）双曲線開口チャネル水力学流れに類似することが認識されると、本発明による排出構成を設計するために、多くの可能なアプローチを用いることができるようになる。単純な波領域の使用から導かれる方法は、このような１つのアプローチを提供し、また、図４に示されるようなチャネルプロファイルを導出するのに用いることができる。

図４は、本発明によるチャンバに対して開いている排出チャネル２５の１つの可能なプロファイルを示しており、図３に示されるチャンバの軸１８から半径方向に見た場合の、チャネルを上から見た図である。図４に示されているように、チャネルは長細く、また（地点Ａにおいて）入口端部２６を備え、（地点Ｂにおいて）出口端部２７を備える。図３との比較により分かるとおり、入口端部２６はシャフト１７の回転方向１９に対して出口端部２７より前にある。

図４に示す構成において、入口端部２６は幅ｗを備え、この幅ｗは、チャンバ１５の長さＬに等しく、チャネル２５の入口端部２６は、実質的にチャンバの全長に延びる。

チャネル２５の一方の側部は、凹状の側壁２８により画定され、側壁２８は、オイルの主流れ２１に対する湾曲した圧縮表面を備える。また、側壁２８は、解析目的のため、一連の直線区域により近似され、ここで、不連続の表面はほぼ連続な一連の弱い圧縮波を生成すると仮定される。図４に示される構成において、チャネル２５の反対側の側部は、実質的に真っ直ぐな側壁２９により画定され、チャンバ１５の端部壁により効果的に形成される。

図５は図４に示すチャネルプロファイルの変形例を示しているおり、ここで、入口端部２６におけるチャネル幅ｗは、チャンバの長さＬよりも小さい。また、図５に示されるチャネル２５は、凹状の側壁２８の反対側のチャネルの側部に沿って凸状の湾曲側壁３０を備えることが見て取れる。以下でより詳細に説明するが、凸側壁３０は、側壁２８で画定される湾曲圧縮表面の反対に、オイルの主流れに対する湾曲相殺表面を画定する。

図５から分かるように、減少した幅の入口２６の外側のチャンバ壁からチャネルに向かって流れる主流れ２１の一部は、湾曲した側壁３０上に落ちることによりその後にチャネル２５に入る。主流れのこの部分は、入口２６を通ってチャネル２５に入る主流れ２１の他の部分と同様には減速されないが、波の発生に与える効果は最小であり許容できる。

約３の「等価」な入口フルード数において、臨界状態に達するために圧縮表面が必要とする回転角度（すなわち、図４にθで示される、出口端部２７と入口端部とにおける凹状側壁２８の接線の間の角度）は、約３０°である。

ガスタービンベアリングチャンバ応用において、超臨界区域（Ａ−Ｂ）の長さを最小化することが望ましく、従って、排出チャネル２５の長さは、強い波が発生する見込みを最小化するようにされる。最小長さ問題解決アプローチ（しかし、いくつかのマージンは保持する）は、中心に位置する波に対応している。超臨界減速のために最小長さのチャネルを使用することは、従来の土木水力学の技術よりもより超音速吸気の技術に従っており、超臨界流れの減速を変え、必要的でない臨界流れの減速は、実際の応用の主要な関心である。

ガスタービンベアリングチャンバ応用において、図４から分かるように、チャンバ１５は一般に長さが短く、幾何学的パラメータＬ／Ｒｃは、典型的には、０．５から１．０の範囲になる。そのため、排出チャネル２５の最小角度長α１は、約５０°から１００°であり、これは、チャネルがチャンバの円周の約１５％から２５％にわたって延びることを意味する。

典型的なガスタービン構成において、排出パイプ２３がチャンバの円周の周りに配置できる場所において、実際的な制限があり、超臨界減速区域の開始点Ａが位置決めされる場所でのノックオン効果を備える。典型的には、排出パイプ２５は、制限された数の羽根の１つを通過するように位置決めされなければならない。ここで、羽根はパイプの通過のために設計され、また、チャンバ１５の周りの回転子アセンブリの一部を形成する。これらの制限内で、本発明の好ましい構成は、こぼれたオイルの反対流れ２２が信頼性を持って排出されることを確保するために、排出パイプ２５への入口２４は、底死中心（bottom-dead-center, BDC）点を通過する９０°内に配置される。

チャネル２５内での強い波を形成するポテンシャルを最小化するために、湾曲した側壁２８により画定される圧縮表面の形状は、超臨界区域の初期位置および終端位置において（すなわち、点Ａと点Ｂにおいて）曲率がゼロになるように選択されるべきであることが分かり、これは、凹状側壁２５が、好ましくは、入口端部２６および出口端部２７において曲率ゼロの領域を備えるように構成されることを意味する。

また、コサインプロファイルを備える凹状側壁２５が、波を生成することなく超臨界主流れを減速させるのに特に効果的であることが分かった。しかし、他の湾曲形状を用いることができることを理解されたい。対応する単純な波の流れ場は、段階的な手法で約１．１のフルード数の水力学理論を用いて計算される。流れラインの追跡は、たとえば図５に示す構成の凸状側壁３０により画定される反対波相殺表面の幾何形状を見つけるために用いることができる。

もし、主流れが湾曲圧縮表面２８にぶつかることにより生じる隣接する圧縮波（図６の波線３１により示される）が、反対の相殺表面３０に到達する前に交差することが分かっているなら、圧縮表面３０のプロファイルまたは長さを、交差が発生しなくなるまで修正する必要がある。この設計は、弱い圧縮波が強い波に増強されるポテンシャルを最小化する。増強は、許容できないまた望ましくない流れ深さの増加をもたらしうる。典型的な計算された圧縮表面および相殺表面、および波の幾何学形状が図６に示されており、ここで、流れの中間流れラインは符号３２で示されている。

チャネル２５の側壁２８、３０のプロファイル（それゆえ圧縮表面および相殺表面）が画定されると、チャネルの３Ｄ幾何形状を画定できる。図示の目的のため、これらのプロセスの単純化された方法は、中間点流れライン３２の解析に基づいている。しかし、チャネルの幅を横方向に横切るように位置する複数の流れラインを考慮する、より包括的な解析を実行することもできる。

主流れ２１は、チャネル２５内で減速され、主流れの深さは増加する傾向になるので、チャンバの軸１８に関して実質的に半径方向の測ったチャネル２５の深さは、減速された流れを収容できるように、チャネル２５に沿って増加するように構成される。出口端部２７の領域におけるチャネル深さの、入口端部２６におけるチャネル深さに対する理想的な比は、約４であることが分かった。これは、地点Ａでの１ｍｍから２ｍｍの最初の膜厚の状態で、地点Ｂでの膜厚が約４ｍｍから８ｍｍになることを意味している。チャネルの底表面３３は、図７に概略的に図示されている中間流れライン３２に沿って予測される局所的な膜厚の増加に等しい大きさだけ半径方向外側にずれる。図７に示される線３３は、中間流れライン３２に沿うチャネル２５の深さ変化を示している。

チャネル２５を通るオイルの流れが、湾曲表面により横方向の慣性力を受けないことを保証するために、チャネル２５は、バンクを持つプロファイルを備えるように構成される。図８は、チャネルの長さに沿うある点におけるチャネルのバンク付きプロファイルを点線で示しており、バンクの無いプロファイルは比較のために実線でしめされている（チャンバの端部壁は符号３５および３６により示されている）。図から分かるように、チャネルの底表面３４には、チャンバ壁の隣接領域に対して鋭角λを形成するようにバンクが設けられる。チャネルの底部３４にこのようにバンクを設けることは、相殺表面３０において、地点３７のチャンバの局所的な半径を増加させ、圧縮表面の領域において、地点３８のチャンバの局所的な半径を減少させることを必要としてもよい。

遠心力を相殺するのに必要とされるバンク角λは、局所的な（横方向の）曲率半径および流れ速度に関連する。近似法において、局所的なバンク角λは、中間流れライン３２に沿う間隔で評価される。コサイン反らせプロファイルを備える圧縮表面２８に関して、バンク角は、好ましくは、排出チャネル２５の入口端部２６および出口端部２７においてゼロになる傾向をもつ。図６の線４２は、中間流れライン３２に沿う横方向のバンク角λの変化を示している。

ここから、本発明の排出構成の亜臨界区域Ｂ−Ｃの構成をより詳細に検討する。超臨界区域Ａ−Ｂの開放チャネル２５の出口端部２７において、オイルの流れは、ほぼ臨界点でありまた実質的に一次元であることを理解されたい。亜臨界区域Ｂ−Ｃは、この流入する流れを、滑らかに、排出パイプ２３の入口２４に導くように機能する。また、亜臨界区域Ｂ−Ｃの幾何形状は、反対流れ２２の排出パイプ入口２４への実質的に制限されない流入を可能にするように構成されることが好ましい。

図９、１０および図１１、１２は、亜臨界区域の代替的な２つの形態を示しており、両者は、開放排出チャネル２５の端部のところでチャンバ壁１６内に設けられた、概ねボウル形状の漏斗凹部３９を有する。両者の構成において、漏斗凹部３９は、チャネル２５の出口端部２７に直接的に流体接続し、排出パイプへの流体接続のための実質的に半径方向外側を向いた出口４０を有する。

図９および図１０は、漏斗凹部３９が実質的に円形の形態で、チャネル２５を出る流れの中間流れライン３２について対称になるような構成を示している。チャネルの出口端部２７は、漏斗凹部３９の上領域に設けられた開口４１に接続される。

漏斗凹部３９の正確な設計は、漏斗凹部は亜臨界流体のみを扱うので、チャネルの設計よりも決定的ではないことが分かるであろう。しかし、凹部の深さは、チャネル２５の出口端部２７における深さよりも深いことが好ましく、また、深さおよび／または断面プロファイルの急激な変化は避けることが好ましい。

排出パイプの直径は、排出オイル流れのバルク速度が所定の値を超えないように寸法決めされることを想定し、また、漏斗凹部により画定される排出パイプ入口の全周の周りで流れが堰き止められると想定すると、適切な凹部深さｄｂは次式により計算される。

ここで、ｄｂ＝漏斗深さ
Ｄｓ＝（入口における）排出パイプのボア径
Ｕｓ＝排出パイプを寸法決めするのに用いられる排出オイルのバルク速度
ｇ＝重力加速度
である。

典型的なガスタービンベアリングチャンバ応用において、排出パイプ２５はＵｓ〜１．５ｍ／ｓに対応する寸法であると想定すると、ｄｂ／Ｄｓは約１である。

経験的な結果は、ボウル形状の漏斗凹部の最小直径Ｄｂが、基本的な排出パイプの直径Ｄｓの約３倍であることを示している。

大きな直径の凹部は、大きな堰き止め境界を備えることにより、反対流れが凹部３９に落ちることを容易に許容する。また、これは、排出パイプ入口を中心とする半径方向に対称な流れの傾向を増加させることにより、排出パイプへの安定な堰き止めタイプ流れを促進する（すなわち、入口における望ましくない「ゆっくり」な流れの可能性を低減する）。

図１１および図１２は代替構成を示しており、ここで漏斗凹部３９は排出チャネル２５の出口端部２７から横方向にずれている。図から分かるように、排出パイプ入口の中心は、中間流れラインの方向から距離ｘだけ横方向にずれている。このようなチャネル２５と漏斗凹部３９との間の横方向のずれは、漏斗凹部のボウル内の堰き止めを促進するために用いることができる。これは、追加の遠心力水頭を保持するためのボウルの深さ要求の僅かな増加を犠牲にして、より半径方向に均一な堰き止め流れを促進するという利点がある。前者の効果は、入口における排出パイプの半径を増加させることである程度相殺でき、図１２の符号４２で概略的に示される領域における、ボウルと排出パイプとの間のなめらかな移行をもたらす。

概ね図１１およ日図１２に示されるタイプのずれた漏斗凹部３９に関して、オイル中の残りの運動エネルギーは、ボウルの内側壁での薄膜の回転を構成する。理想的には、薄膜は、ボウル（Ｂ）の入口から渦を巻き、ボウルを中心とする１回転以内で排出パイプに入る。壁上の均一な薄膜が発生し、これは、パイプのパイプ内壁に貼り付いたままである。排出パイプ内への空気およびそれによるオイルの引き込みは減少し、不連続／不安定な飲み込み効果（gulping effect）を大きく低減する。

図１３および図１４は、本発明によるガスタービンベアリングチャンバの一例を示し、このチャンバはチャネル２５ａ、２５ｂで示される２つの別個の排出チャネルを備えている。図１３はチャンバの内側からのチャネルを示し、図１４はチャンバの外側からのチャネルを示している。

図１３および図１４に示されるチャンバ１５は、ガスタービンエンジンのベアリングチャンバであり、２つの反対回転するシャフト（図示せず）を収容するように構成される。このように、チャンバは下環状壁４３（図１３において仮想線で示される）により内側で分割されて、２つのチャンバ区域１５ａ、１５ｂを形成する。チャンバ区域１５ａ内の主流れは、矢印２１ａで概略的に示され、シャフトの１つの回転により生成される。一方、他方のチャンバ区域１５ｂ内の主流れは、矢印２１ｂで概略的に示され、他方のシャフトの反対方向の回転により生成される。下環状壁４３の機能は、２つの主流れ２１ａ、２１ｂが互いに分離された状態を維持することである。

チャンバ区域１５ａ内に設けられた第１の排出チャネル２５ａは、第１の主流れ２１ａを減速することを意図しており、この流れを、チャンバから離れてチャンバから概ね半径方向外側に延びる第１の排出パイプを通るように導く。図示の構成において、排出パイプ２３ａを配置できる場所の実際的な制限は、パイプが第１のチャネル２５ａの入口端部２６ａおよび出口端部２７ａから横方向にずれることを意味している。このずれに対処するために、図１４に最も明瞭に図示されているようにチャネル２５ａ自身は大きく湾曲しており、凹部漏斗３９ａは図１１および図１２に示されるような横方向に非対称にオフセットした設計である。

また、排出パイプ２３ａを設置するときの横方向の制限により、パイプ２３ａは、実際にチャンバから主流れを操作する第１のチャンバ１５ａではなくむしろ第２のチャンバ区域１５ｂの領域内に半径方向外側に延びる。これは、カバー４４を備える閉じた漏斗凹部３９ａを排出チャネル２５ａの出口端部上に設けることを要求する。このタイプの構成は、第１のチャンバ区域１５ａ内のあらゆる反対流れの排出パイプ２３ａへの流入を妨害し、チャネル２５ａを通る減速された主流れが、隣接するチャンバ区域１５ｂのチャネル２５ｂに入る主流れ２１ｂに干渉しないことを確保するであろう。

第２のチャネル２５ｂの排出パイプ２３ｂは第２のチャンバ区域１５ｂの側方の領域内に配置されるので、第２のチャネル２５ｂは、第１のチャネル２５ａのようにオフセットさせる必要はない。従って、第２のチャネルは有意に横方向に湾曲しておらず、概ね図９および図１０に示されるような対称設計の漏斗区域３９ｂを備える。

本発明を上記のように、超臨界チャネル区域（区域Ａ−Ｂ）および亜臨界区域（区域Ｂ−Ｃ）の両方を有する特定の実施形態を参照しながら説明されてきたが、いくつかのガスタービンベアリングチャンバにおいて、十分なオイル排出構成は、先行する超臨界チャネル区域を備えずに、オイル排出構成の亜臨界区域（Ｂ−Ｃ）を用いることで提供することができる。このタイプの例示的な構成は、図１５から図１７に示されており、これらの図は、側方から見たベアリングチャンバ４５が図１５に、一方の端部から見たベアリングチャンバ４５が図１６に、上から見たベアリングチャンバ４５が図１７に示されている。

ベアリングチャンバ４５は高速ベアリング４６を収容し、高速ベアリング４６には連続的に液体潤滑剤が提供され、高速ベアリング４６は、軸４７を中心とする（図１６の矢印Ｒで示される方向の）回転のために取り付けられ、ガスタービンエンジンの回転シャフト４８を支持する。特に図１５から分かるように、ベアリングチャンバは、２つの反対方向の端部壁４９、５０の間を延びる長さ（Ｌ）が相対的に短い。

渦巻きチャンバ５１が提供され、これは、ベアリングチャンバ４５から軸方向および横方向の両方にずれるようにベアリングチャンバ４５から外側に延びる。図１５および図１６に示されるように、渦巻きチャンバ５１は好ましくは概ね漏斗形状であり、図１１および図１２に示される漏斗凹部３９に類似する内部構成を備える。

渦巻きチャンバ５１は、比較的大きな口領域（符号５２で概略的に示される）を介してベアリングチャンバ４５と直接的に流体連通するように設けられる、口領域は、ベアリングチャンバ４５の全長Ｌに実質的に沿って、また、渦巻きチャンバ５１の直径の有意な比率でベアリングチャンバ４５の内側に対して開いている。

渦巻きチャンバ５１は、実質的に半径方向外側に向いた、排出パイプへの接続のための出口５３を備え、これは図１１および図１２に示す漏斗凹部３９の場合と概ね同様である。出口５３は、ベアリングチャンバの中心点と出口５３の中心点との間を（長さＬに沿って）測定したときに距離ｘだけベアリングチャンバ４５からずれている。それゆえ、ベアリングチャンバ４５内で回転するベアリング４６からこぼれるオイルは、ベアリングチャンバ５１の内側壁に沿った薄膜として渦巻きチャンバの口５２に入るように流れ、渦巻きチャンバのオフセットした（ずれた）構成はオイルの流れに渦巻き運動を付与し、それにより、出口５３を介する排出パイプへの輸送が改良されることが分かるであろう。

本明細書および特許請求の範囲において用いられる場合、「有する」、「有している」との語および語尾変化したこれらの語は、特定の特徴、ステップ、または数値が含まれることを意味している。これらの語は、他の特徴、ステップ、または要素の存在を排除するようには解釈されない。上述の説明、または添付の特許請求の範囲、あるいは図面において開示された特徴は、本発明を異なる形態で実現するために用いることができる。これらの開示された特徴は、特定の形態で、または開示された機能を実現するようなで表現されており、または開示された結果を得るための方法あるいはプロセスとして表現されている。

本発明が上述のように例示的な実施形態と関連付けられて説明されてきたが、本開示が与えられたときに、当業者には多くの均等な修正形態および変形形態が自明であろう。従って、前述の本発明の例示的な実施形態は、説明的なもので制限的なものではないことが理解される。本発明の趣旨および範囲を逸脱せずに説明された実施形態の様々な変形が可能である。

Claims (27)

1. 外壁を有し、且つ、軸を中心とする回転のための潤滑される回転要素を収容するように構成されたチャンバに設けられる潤滑剤排出構成であって、
   前記排出構成は、前記壁の実質的にアーチ形の領域内に設けられる実質的に細長いチャネルを有し、前記チャネルは、入口端部と出口端部との間のチャネルの実質的に全長（Ａ−Ｂ）にわたって前記チャンバに対して開放されており、前記入口端部および前記出口端部は、前記軸を中心に角度方向に離間している、潤滑剤排出構成。
2. 請求項１に記載の潤滑剤排出構成であって、前記入口端部は、前記チャンバ内の前記回転要素の回転方向に関して前記出口端部より前にある、潤滑剤排出構成
3. 請求項１に記載の潤滑剤排出構成であって、前記入口端部と前記出口端部とは、５０°から１００°の範囲で角度方向に離間している、潤滑剤排出構成。
4. 請求項１に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルは、前記軸に実質的に平行な方向に測った前記チャネルの幅（ｗ）が前記出口端部に向かって狭くなるようにテーパーが付けられている、潤滑剤排出構成。
5. 請求項４に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの前記入口端部における前記幅（ｗ）は、前記チャンバの長さ（Ｌ）に実質的に等しい、潤滑剤排出構成。
6. 請求項４に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの前記入口端部における前記幅（ｗ）は前記チャンバの長さ（Ｌ）よりも短い、潤滑剤排出構成。
7. 請求項１に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルは、実質的に凹状の側壁を備える、潤滑剤排出構成。
8. 請求項７に記載の潤滑剤排出構成であって、前記凹状の側壁は、前記入口端部のところおよび前記出口端部のところで曲率がゼロの領域を備えるように構成される、潤滑剤排出構成。
9. 請求項７に記載の潤滑剤排出構成であって、前記凹状の側壁は、コサインプロファイルを備える、潤滑剤排出構成。
10. 請求項７に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの前記出口端部のところの前記凹状の側壁の接線は、前記チャネルの前記入口端部のところの前記凹状の側壁の接線に対して、約３０°の角度を形成する、潤滑剤排出構成。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルは実質的に凸状の側壁を備える、潤滑剤排出構成。
12. 請求項１１に記載の潤滑剤排出構成であって、前記凹状の側壁は前記チャネルの一方の側部に沿って設けられ、前記凸状の側壁は前記チャネルの反対側の側部に沿って設けられる、潤滑剤排出構成。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの前記出口端部は、前記チャネルの前記入口端部に対して側方にずれている、潤滑剤排出構成。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの、前記軸に関して実質的に半径方向に測定した深さ（ｄ）は、前記入口端部から前記出口端部までの前記チャネルに沿う変位とともに増加する、潤滑剤排出構成。
15. 請求項１４に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの前記出口端部の領域におけるチャネル深さに対する前記入口端部の領域におけるチャネル深さの比は約４である、潤滑剤排出構成。
16. 請求項１に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルは、前記チャンバ壁の隣接領域に対して鋭角（λ）を形成するようにバンクが設けられた底表面を備える、潤滑剤排出構成。
17. 請求項１６に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの前記底表面における前記角度（λ）は、前記チャネルの長さに沿って変化するようにバンクが設けられている、潤滑剤排出構成。
18. 請求項１７に記載の潤滑剤排出構成であって、前記バンク角度（λ）は、前記入口端部においておよび前記出口端部においてゼロになる傾向を持つ、潤滑剤排出構成。
19. 請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の潤滑剤排出構成であって、前記チャネルの前記出口端部は、前記チャンバ壁に設けられた漏斗凹部に直接的に流体連通し、前記漏斗凹部は、排出パイプへの流体接続のための実質的に半径方向外側に向いた漏斗出口を備える、潤滑剤排出構成。
20. 請求項１６に記載の潤滑剤排出構成であって、前記漏斗凹部は前記チャンバに対して開放している、潤滑剤排出構成。
21. 請求項１６に記載の潤滑剤排出構成であって、前記漏斗出口は、前記チャネルの前記出口に対して側方にずれている（ｘ）、潤滑剤排出構成。
22. 請求項１６に記載の潤滑剤排出構成であって、前記漏斗凹部は、実質的に円形のボウルの形状を備える、潤滑剤排出構成。
23. 請求項１９に記載の潤滑剤排出構成であって、前記ボウルの最大直径（Ｄｂ）は、前記漏斗出口の直径（Ｄｓ）の約３倍である、潤滑剤排出構成。
24. ガスタービンエンジンであって、請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の潤滑剤排出構成を備えるチャンバを有する、ガスタービンエンジン。
25. 請求項２４に記載のガスタービンエンジンであって、前記チャンバは、前記チャンバの軸を中心に反対回転するように取り付けられた潤滑される一対の回転要素を収容し、前記潤滑剤排出構成は一対のチャネルを有し、前記各チャネルは前記各回転要素に関連付けられ、且つ、前記各チャネルの入口端部が、前記各回転要素の回転方向に関して前記各チャネルの出口端部の前にあるように向けられる、ガスタービンエンジン。
26. ガスタービンエンジンのためのベアリングチャンバであって、前記ベアリングチャンバは、軸を中心とする回転のための潤滑されるベアリングを収容するように構成され、前記ベアリングチャンバは潤滑剤排出構成を有し、前記潤滑剤排出構成は、前記ベアリングチャンバに直接的に流体連通する渦巻きチャンバを有し、前記渦巻きチャンバは前記ベアリングチャンバから外側に軸方向に延び、前記渦巻きチャンバは排出パイプへの流体連通のための出口を備え、前記出口は前記軸に関して実質的に半径方向に延び、前記出口は、前記ベアリングチャンバから軸方向にずれている、ベアリングチャンバ。
27. ガスタービンエンジンであって、請求項２６に記載のベアリングチャンバを有する、ガスタービンエンジン。

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