JP4700945B2 - ガスタービンエンジンを作動させるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはサンプ装置内の空気流反転を検出するための方法及び装置に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、シャフトを回転可能に支持する少なくとも１つの軸受組立体を含む。軸受組立体は、オイルで潤滑され、該オイルはさらに、軸受及び他のエンジン構成部品から熱を吸収しかつその熱を放散する。軸受組立体は、サンプ内部に収納され、該サンプは、圧力下で潤滑オイルを軸受組立体に供給する供給ポンプと使用済みオイルをサンプから除去する排出ポンプと含む。シール組立体が、ロータシャフトに沿うサンプからのオイル漏れを最小にするのを可能にする。

サンプからのオイル漏れを低減するのをさらに可能にするために、少なくとも一部の公知の軸受組立体サンプは、ロータシャフトの周りで延びるシールを備えた与圧空洞内部に配置される。作動時、加圧空気を供給して、サンプ空洞を与圧する。サンプはまた、該サンプを通る連続的な空気流を可能にしかつサンプシールからのオイル漏れを防止するために通気される。少なくとも一部の公知のエンジンでは、通気圧力がサンプの下流の通気ベント出口において監視される。しかしながら、通気空気流が阻止された状態になった場合、サンプシールを越える流れ反転（逆流）を引き起こすほど大きい過剰与圧状態が発生するまで、サンプ内の圧力上昇が検出されないままになる可能性がある。これらの状態のいずれの場合にも、オイルが漏出してロータ装置内に溜まり、重大なエンジン損傷をもたらす可能性がある分同期振動が発生するおそれがある。
特開２００３−０１３７０３号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンのサンプ装置内の空気流反転を検出する方法を提供する。本方法は、サンプ通気ベントに第１の圧力センサを配置してサンプ装置内のサンプからの吐出流圧力を検出する段階と、サンプ内に第２の圧力センサを配置してサンプ内の圧力を検知する段階と、第１及び第２の圧力センサから得られた検知圧力を比較して圧力差を求める段階と、この圧力差を予め定めた最大許容圧力差と比較する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジンの通気式サンプ内のサンプ空気流反転を検出するための装置を提供する。本装置は、サンプ通気ベントにおけるサンプ圧力を検知するように該サンプ通気ベントに流れ連通状態で結合された第１の圧力センサを含む。第１の圧力センサは、検知圧力を表す第１の信号を発生するように構成される。第２の圧力センサが、サンプ内のサンプ圧力を検知するように該サンプ内部に配置される。第２の圧力センサは、検知圧力を表す第２の信号を発生するように構成される。出力装置が、第１及び第２の圧力センサに結合され、第１及び第２の信号に基づいて圧力指示値を受信しかつ表示するように構成される。

さらに別の態様では、圧縮機と、タービンと、圧縮機とタービンとを結合するシャフト組立体と、該シャフト組立体を回転可能に支持する支持組立体とを備えたガスタービンエンジンを提供する。支持組立体からオイルを回収するサンプ装置は、該サンプ装置内の作動圧力を検出するための検出システムを含む。エンジン監視システムが、サンプ装置内の空気流反転を検出するように検出システムに結合される。

図１は、低圧（ＬＰ）圧縮機１２、高圧（ＨＰ）圧縮機１４及び燃焼器組立体１６を備えたガスタービンエンジン１０の概略図である。 エンジン１０はさらに、直列の軸流関係で配置された高圧（ＨＰ）タービン１８及び低圧（ＬＰ）タービン２０を含む。ＬＰ圧縮機１２とＬＰタービン２０とは、第１のすなわちＬＰシャフト２４によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のすなわちＨＰシャフト２６によって結合される。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のゼネラル・エレクトリック社から市販されているＧＥ９０型エンジンである。

作動中、空気はエンジン１０の上流側３２から低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気が、低圧圧縮機１２からコアダクト１３を通って高圧圧縮機１４に供給される。次ぎに、加圧空気は、燃焼器組立体１６に送給され、そこで空気は燃料と混合され点火される。燃焼ガスは、燃焼器１６から流れてそれぞれＨＰ及びＬＰタービン１８及び２０を駆動する。次いでＬＰ圧縮機１２は、ＬＰシャフト２４を介してＬＰタービン２０によって駆動される。同様に、ＨＰ圧縮機１４は、ＨＰシャフト２６を介してＨＰタービン１８によって駆動される。

図２は、図１のガスタービンエンジンに用いるサンプ装置４０の断面図である。ＬＰ圧縮機１２及びＨＰ圧縮機１４は、サンプ装置４０を備えた移行ダクトすなわちコアダクト１３によって相互接続される。ＬＰシャフト２４及びＨＰシャフト２６は、上流端４４に前部ＬＰシャフト軸受５０を備えた軸受支持装置４２によって支持される。第２ＬＰシャフト軸受５２は、前部軸受５０の下流に設置される。ＨＰシャフト２６は、上流端において第３軸受５６及び第４軸受５８によって支持される。例示的な実施形態では、第３軸受５６は、中間ギヤボックスハウジング（図示せず）の一部となっている組合せ軸受である。

サンプ装置４０は、前部軸受５０から第４軸受５８まで延び、軸受５２及び５６と該軸受５２及び５６間で延びるスパナナットシール６２とを含む。サンプ装置４０は、上流空洞７０、下流空洞７２及び補機ギヤボックス（ＡＧＢ）通路（図示せず）を含む。ＬＰシャフト２４の回転部分７４は、上流サンプ空洞７０の内壁を形成する。固定コーン部７６は、上流空洞７０の外壁を形成し、上流空洞７０は、空気及びオイルシール７８及び８０並びにスパナナットシール６２と共にサンプ装置４０に閉込め部を形成する。上流空洞７０、下流空洞７２及びＡＧＢ通路は全て、互いに流れ連通状態になっており、ベント装置８４を通して大気に通気した収容ボリュームを画成する。空気空洞９０は、通気空気流をサンプ装置４０に供給する加圧空気回路９２の一部である。

サンプ装置４０は、オイル回収装置であって、空洞７０、７２及びＡＧＢ通路はオイルぬれ領域内に設置されるようなっている。サンプ装置４０は、オイル漏れを最小にするのを可能にするように与圧され、かつ過剰与圧状態になるのを防止するのを可能にするようにベント装置８４を使用して通気される。ベント装置８４が閉塞状態になった場合、サンプ装置４０内の圧力が上昇することになる。

サンプ装置４０を与圧及び通気する場合、ガス通路空気９４が、ダクト壁９６に形成した孔（図示せず）を通って矢印Ａで示す方向に空洞９０の加圧空気回路９２に流入する。続いて加圧空気９８は、矢印Ｂ及びＣで示すように空洞９０から構造部材９９を貫通して流れてチャンバ１００内に入る。次に、加圧空気９８は、軸受５０に隣接したシール７８におけるシール歯（図示せず）を越えて矢印Ｄの方向に空洞７０内に流入し、矢印Ｅで示すように軸受５２に向かって流れる。加圧空気９８は、軸受５２を越えて空洞７２に流入し、その後空気９８は、ベント装置８４を介してサンプ装置４０から流出する。

加圧空気９８はまた、軸受５８のＨＰ圧縮機側からサンプ装置４０に入る。ダクト壁９６の部分１０２は、ガス通路空気９４が矢印Ｈで示すように流入する別の孔（図示せず）を有する。加圧空気９８は次ぎに、矢印Ｇの方向にシール８０を越えて軸受５８の周りを通り空洞７２内に流れ、その後空気は、矢印Ｊで示すようにベント装置８４を介してサンプ装置４０から流出する。加圧空気９８はまた、矢印Ｌで示すようにＨＰ圧縮機ロータ１０８内の孔１０６を通って流れて、軸受５６及びスパナナットシール６２まで前向きに延びる空洞１１０に入る。

加圧空気９８の第３の源が、スパナナットシール６２に設けられる。加圧空気は、矢印Ｋで示すようにスパナナットシール６２を越えて空洞７２に入り、上述のようにベント装置８４を介して空洞から流出する。上述のように、サンプ装置４０を通る通気空気流を維持することにより、特に限定されないが、例えば圧縮機空洞１０４のような望ましくない領域内へのオイル漏れを防止するのを可能にする。

多すぎる空気がサンプ装置４０に入った場合及び／又は空気がサンプ装置４０から充分に早く通気されない場合に、サンプ装置４０内の空気圧が上昇する可能性がある。さらに、このような状態は、ベント装置８４が閉塞状態になった場合に発生する可能性がある。サンプ装置４０内の圧力が過度に高くなりかつこの状態が検出されないままである場合、最後には１つ又はそれ以上のシール６２、７８、８０の破損が発生することになる。破損は一般的に、シールにわたる圧力降下が最小の状態で作動するシール６２、７８又は８０及び／又は最小の直径をもつシールにおいて発生することになる。単なる例示であるが、エンジン１０内ではスパナナットシール６２がより小さい直径をもつシールの１つであり、過剰与圧状態による破損を受けやすいと言える。シール破損が発生した場合、破損したシールを越える空気流が反転（逆流）し、つまり、シールを越えてサンプ装置４０内に流入する通気空気ではなく、オイルを随伴した空気が破損したシールを越えてサンプ装置４０から漏出する。この種シール破損の早期検出により、エンジン１０の損傷を回避することが可能になる。

図３は、エンジン１０に使用することができるサンプ空気流反転検出システムの例示的な実施形態の概略図である。図４は、エンジン１０に使用することができるサンプ空気流反転検出システムの別の実施形態の概略図である。サンプ装置２００は、主空洞２１０及び補機空洞２２０を含む。主空洞２１０は、軸受及びシール（図示せず）によって分離されているが互いに流れ連通状態になった２つ又はそれ以上の個別領域（図示せず）を含む。補機空洞２２０は、通路２３０を介してサンプ主空洞２１０と流れ連通状態になっている。１つの実施形態では、補機空洞２２０は、ギヤボックス（図示せず）を収納する。別の実施形態では、補機空洞２２０は、特に限定されないが、例えばエンジン速度のような様々なエンジン作動状態を検知及び監視するための一連のポート（図示せず）を含むことができる。

検出システム２５０は、サンプ空気流反転を検出するために用いられ、サンプ装置２００に結合される。検出システム２５０は、サンプ通気ベント２５４と、該ベント２５４に結合された第１の圧力センサ２５６と、主空洞２１０内に配置された第２の圧力センサ２５８とを含む。制御装置２６０が、センサ２５６及び２５８から圧力信号を受信する。ベント２５４における第１の圧力センサ２５６は、ベント２５４内の圧力を検知する。第２の圧力センサ２５８は、サンプ装置２００内の圧力を検知するように配置される。

サンプ装置２００は、オイルぬれ環境であり、センサ２５８は、サンプ装置２００内のほぼ任意の場所に配置することができる。１つの実施形態では、センサ２５８は、主空洞２１０内部に直接配置される。別の実施形態では、センサ２５８は、空洞２２０内部に直接に又は検知ポートが設けられている場合にはその検知ポートにおいて補機空洞２２０内に配置される。さらに別の実施形態では、センサ２５８は、サンプ装置２００からの圧力管路を介してサンプ装置２００に結合される。しかしながら、圧力管路は、正確な読取りを保証するために、圧力を検知するのに先立って空気でパージすべきである。さらに別の実施形態では、サンプ装置２００には、その中の圧力を検知するセンサ２５８を備えた第２のサンプ通気ベント２６２を設けることができる。

作動中、サンプ装置２００を通る空気流量は、サンプ装置２００の与圧及び通気によって制御される。空気は、前述のように軸受及びシール（図４には図示せず）を越えてサンプ２００に入る。ベント装置２５４は、サンプ装置２００を通気して、過度の圧力に起因してシールが損傷するのを防止することを可能にする。ベント２５４が制限（閉塞）された状態になった場合、サンプ２００内における過剰与圧状態が発生するおそれがある。

センサ２５６及び２５８からの圧力信号が制御装置２６０に送信されて、制御装置２６０において信号は比較される。ベント２５４が制限されていない場合、センサ２５６及び２５８からの圧力読取り値は同一のものになる。しかしながら、ベント２５４内に閉塞が存在する場合、センサ２５８は、センサ２５６よりも高い圧力を示すことになる。従って、圧力差が生じたとき、この圧力差が監視され、最大許容値と比較される。この最大許容値は、予め定められており、オイルがサンプ装置２００から漏出するのを許すような空気流反転を引き起こす損傷を生じることなく、シールが耐えることができる最大圧力差を表す。

制御装置２６０は、センサ２５６及び２５８から圧力信号を受信する。制御装置２６０は、個々の圧力信号値又は差異値のいずれかを表示するようにプログラムされることができる。１つの実施形態では、制御装置２６０は、センサ２５６及び２５８からの圧力信号に基づいて圧力差を求めかつその圧力差を表示するように構成されたソフトウエアを含むエンジン監視システムの一部分である。

上述の監視装置及び監視方法は、サンプ装置内の空気流反転を検出するための費用効果がありかつ高い信頼性がある装置を提供する。圧力差に対する適切な限界値を設定することにより、本装置は、サンプ内の過圧状態を検知して、重大な二次エンジン損傷が発生する前にシール劣化問題についてエンジンオペレータに警告することができ、従って大規模なエンジン修理のコストを軽減することができる。

以上、サンプ装置内の空気流反転を監視する装置の例示的な実施形態を、詳細に説明している。サンプ空気流反転検出装置は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。各構成要素はまた、他のサンプ監視装置と組合せて使用することもできる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができる。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。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに用いるサンプ装置の断面図。 図２のサンプ装置に使用することができる例示的なサンプ空気流検出システムの概略図。 図２のサンプ装置に使用することができるサンプ空気流検出システムの別の実施形態の概略図。

符号の説明

１２ 低圧圧縮機
１３ コアダクト
１４ 高圧圧縮機
２４ ＬＰ軸
４０ サンプ装置
４２ 軸受支持装置
５０ 前部低圧軸軸受
５２ 第２ＬＰ軸軸受
５６ 第３軸受
５８ 第４軸受
６２ スパナナットシール
７０ 上流空洞
７２ 下流空洞
７６ 固定コーン部
７８、８０ オイルシール
８４ ベント装置
９０ 空気空洞
９２ 加圧空気回路
１００ チャンバ
１０４ 圧縮機空洞

Claims (6)

1. ガスタービンエンジン（１０）の通気式サンプ（２００）におけるサンプ空気流反転を検出するための装置（２５０）であって、
   サンプ通気ベント（２５４）におけるサンプ圧力を検知するように該サンプ通気ベント（２５４）に流れ連通状態で結合され、前記検知圧力を表す第１の信号を発生するように構成された第１の圧力センサ（２５６）と、
   前記サンプ（２００）内のサンプ圧力を検知するように該サンプ（２００）外部に配置され、前記検知圧力を表す第２の信号を発生するように構成された第２の圧力センサ（２５８）と、
   前記第１及び第２の圧力センサ（２５６、２５８）に結合され、前記第１及び第２の信号に基づいて圧力指示値を受信しかつ表示するように構成された出力装置（２６０）と、
   を含み、
   前記サンプ（２００）が第２のサンプ通気ベント（２６２）を含み、前記第２の圧力センサ（２５８）が、前記第２のサンプ通気ベント（２６２）を通してサンプ圧力を検知するように該第２のサンプ通気ベント（２６２）に流れ連通状態で結合されていることを特徴とする、装置。
2. 前記第２の圧力センサ（２５８）が、オイルぬれ環境内に配置されている、請求項１記載の装置。
3. 前記第２のサンプ通気ベント（２６２）が、前記サンプ（２００）のドレン通路（２６２）を形成する、請求項１記載の装置。
4. 前記出力装置（２６０）がさらに、
   前記第１及び第２の圧力信号間の圧力差を求め、かつ
   前記圧力差の指示値を表示する、
   ように構成されている、請求項１記載の装置。
5. 前記出力装置（２６０）がさらに、前記圧力差を最大許容圧力差と比較するように構成されている、請求項４記載の装置。
6. 圧縮機（１２、１４）と、
   前記圧縮機を駆動するためのタービン（１８、２０）と、
   前記圧縮機と前記タービンとを結合するシャフト（２４、２６）と、
   前記シャフトを支持する軸受支持装置（４２）と、
   前記軸受支持装置に潤滑オイルを供給し且つ使用済みオイルを回収するための前記通気式サンプ（２００）と
   を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のサンプ空気流反転を検出するための装置（２５０）をさらに備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。

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