JP2003502566A - ガスタービン用の燃料とオイルのシステム - Google Patents

ガスタービン用の燃料とオイルのシステム

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JP2003502566A JP2001505433A JP2001505433A JP2003502566A JP 2003502566 A JP2003502566 A JP 2003502566A JP 2001505433 A JP2001505433 A JP 2001505433A JP 2001505433 A JP2001505433 A JP 2001505433A JP 2003502566 A JP2003502566 A JP 2003502566A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、液圧モータによって駆動されるオイルポンプに関し、液圧モータは、それ自身が、離れた位置の燃料ポンプによりエンジン燃料ラインを通して圧送された燃料によって駆動される。この燃料液圧駆動型オイルポンプは、特にガスタービンエンジンでの利用に有利であり、種々のエンジンシステムのエンジンシャフトに機械的に連結するために従来使用されていた補助ギアボックス（ＡＧＢ）への依存度を低減し、あるいは完全に除去する。オイルポンプおよびその他の燃料／オイルシステムの構成要素をＡＧＢから分離することで、これらのシステムの合理化が可能となり、設計者は、システムを、オイルポンプ、分離器、オイルタンク、熱交換器、燃料およびオイルのフィルタ、を含む小型ユニットに変更することが可能となる。オイルポンプの液圧駆動に加圧燃料を用いることで、オイルシステムが、位置の規制や動作の制限から解放され、アイドル中および離陸時に燃料バイパス回路から浪費されていたエネルギを回収できる。燃料の流れとオイル要求との間の閉じた相関関係によって、ＡＧＢおよびエンジンの回転速度に依存した割合でオイルを送る従来システムで浪費されていたエネルギを削減できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、液圧モータによって駆動されるオイルポンプ、特にガスタービン
エンジンに用いられるオイルポンプに関し、その液圧モータ自身が、エンジン燃
料ラインを通して離れた位置にある燃料ポンプにより加圧された燃料の作用によ
って駆動されるものに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来のエンジンは、燃料ポンプによって燃料タンクから燃焼器へと燃料を供給
する燃料回路を備えている。一般に、オイルをオイルタンクとベアリングや他の
運動部品との間で循環させるために、別の潤滑オイルシステムが設けられており
、その連続的な循環系に、オイルポンプ、オイルフィルタさらには、選択的に熱
交換器が介装されている。
【０００３】 燃料フィルタでの氷結を防止すべく燃料を十分に加熱するために、ガスタービ
ンエンジンでは、オイル回路および燃料回路の双方が熱交換器へと接続され、こ
こで、ベアリングから引き出された高温オイルが冷却されると同時に、燃料タン
クからの低温燃料が加熱される。
【０００４】 従来は、燃料ポンプおよびオイルポンプは、回転するエンジンシャフトに機械
的に連結された補助ギアボックスによって、機械的に駆動される。エンジンシャ
フトは、ギアを有し、このギアが、補助ギアボックスへと半径方向へ延びた動力
取り出しシャフトを駆動する。補助ギアボックスは、オイルポンプと燃料ポンプ
の駆動に加えて、航空機の液圧システム用の液圧ポンプを駆動するために利用さ
れるとともに、スタータ／ジェネレータをエンジンシャフトに接続し、かつオイ
ル／エア分離器を、他のオイルおよび燃料のシステム構成部品と同様に、駆動す
る。
【０００５】 従来の補助ギアボックスは、確かな信頼性を有しているが、ギアやシャフトに
よる重量および全体的な機構の複雑さによって、エンジンアッセンブリのコスト
や保守のコストを増加させているとともに、エンジン重量や性能に明らかな犠牲
を与えている。
【０００６】 補助ギアボックスの速度は、必然的にエンジンシャフトの回転速度に依存する
。駆動される構成要素の独立した制御の自由度および適応性は、非常に少ない。
もし、補助ギアボックスで駆動される異なる構成要素が、エンジン運転中の異な
る時期に異なる速度で、最適に駆動されるものであるとすると、補助駆動システ
ムの単純化を維持し重量増加あるいは機構や制御システムの複雑化を回避するた
めには、その最適効率が犠牲になってしまう。
【０００７】 従って、補助ギアボックスは、明らかにエンジン性能を無駄にしており、必ず
しも、エンジンの各構成要素を最も効率良く駆動しているものではない。最近の
傾向は、部品の削減ないしは部品点数の減少、性能の改善、重量の低減、および
、設計、製造、組立、運転におけるエンジンの全体的コストの低減、を図ること
である。
【０００８】 従来のオイルポンプにおいては、エンジンシャフトにより駆動される補助ギア
ボックスによってオイルポンプが駆動されることから、オイルの供給がエンジン
速度に直接に依存する。従来のオイルポンプの回転速度は、高速だとオイルがオ
イルポンプでキャビテーションを生じることから、エンジンシャフトの回転速度
よりも大幅に低い。機械的なギアによる回転速度の段階的な低下は、製造、保守
および性能の上で、明らかに不利益を伴う。
【０００９】 さらに、エンジン回転速度とベアリングの冷却や潤滑のためのオイルの要求度
とは、直接的な相関関係はない。航空機の離陸時には、エンジン速度は高く、エ
ンジン推力は高い。従って、ベアリングの負荷ならびにベアリング冷却のための
オイルの要求度も、高い。しかしながら、巡航の速度および高度では、航空機の
対気速度は高く、それ故、エンジン速度も同様に高いが、巡航中は、エンジン推
力は離陸時よりも大幅に低い。この低い推力ならびに巡航高度における冷たい周
囲空気温度によって、オイルの要求も大幅に低くなる。しかしながら、従来のオ
イルポンプはエンジン速度に依存したある比率で駆動されるので、巡航中に、不
必要に多量のオイルが循環する。その結果、オイルの加圧のためにエネルギが浪
費され、かつオイルシステムの構成要素が不必要に摩耗する。さらに、ベアリン
グのギャラリ内に滞在する時間が短くなることから、ベアリングから引き出され
たオイルの温度が低くなり、その結果、燃料へ熱交換される熱エネルギが減少し
、これにより、燃料フィルタに氷結が生じるリスクが高くなる。
【００１０】 本発明の目的は、補助ギアボックスへの依存をなくし、あるいは実質的に軽減
して、エンジン効率を改善するとともに重量およびコストを低減することにある
。
【００１１】 本発明のさらなる目的は、種々の構成要素を製造容易な小型ユニットに統合す
るように、ガスタービンエンジンのオイルシステムを変更することにある。
【００１２】 本発明のさらなる目的は、補助ギアボックスによってオイルや燃料の構成要素
を駆動することによる浪費つまり不必要に消費されるエネルギ量を削減すること
にある。
【００１３】 本発明のさらなる目的は、以下の発明の開示および説明を再考することによっ
て明らかになるであろう。
【００１４】
【発明の開示】
この発明は、液圧モータによって駆動されるオイルポンプに関し、この液圧モ
ータ自身が、エンジン燃料ラインを通して、離れた位置にある燃料ポンプにより
加圧された燃料の作用によって駆動される。
【００１５】 この液圧式燃料駆動型オイルポンプは、特にガスタービンエンジンでの利用に
有利であり、種々のエンジンシステムとエンジンシャフトによって機械的に連結
するために従来から用いられてきた補助ギアボックス（ＡＧＢ）に対する依存度
を低減し、あるいは完全になくすようにしている。
【００１６】 従来のＡＧＢは、エンジンシャフトを回転し燃焼を開始するためにスタータ／
ジェネレータに接続され、その後、回転するエンジンシャフトが、ＡＧＢを介し
て、燃料ポンプ、オイルポンプ、オイル／空気分離器、液圧ポンプ、およびその
他のオイルや燃料のシステム構成要素を駆動する。
【００１７】 従来の容積型オイルポンプにおけるキャビテーションを防止するために、ＡＧ
Ｂは、回転速度を減速するギアを含む必要があり、ＡＧＢの重量や機構の複雑さ
を実質的に増加させている。しかしながら、燃料ポンプ、スタータ／ジェネレー
タ、オイル／空気分離器、は、ギア減速を用いずにエンジンシャフトに直接接続
して高速回転させることが可能である。ＡＧＢの重量面での不利や機構の複雑さ
は、スタータ／ジェネレータおよびオイル／空気分離器をエンジンシャフトに直
接接続し、燃料ラインの燃料流の作用により駆動される液圧モータによってオイ
ルポンプを低速駆動することによって、完全に除去することが可能である。
【００１８】 液圧システムのポンプおよび燃料ポンプは、胴体の内部あるいは他の場所に配
置して、別の電気モータで駆動するようにすることができる。オイルポンプや他
の燃料／オイルのシステム構成要素をＡＧＢから分離することで、これらのシス
テムの合理化が可能となり、設計者がこれらのシステムを、オイルポンプ、オイ
ル／空気分離器、オイルタンク、熱交換器、燃料フィルタおよびオイルフィルタ
を含む小型のモジュールユニットに変更することが可能となる。加圧された燃料
を用いて新規な遠心型オイルポンプを液圧駆動することにより、オイルポンプの
位置の規制および運転の制限が自由化される。
【００１９】 離陸の前および離陸中には、燃料ポンプにより循環する燃料のかなりの部分が
、燃料バイパス回路を通して、燃焼器から迂回する。これにより、燃料は、離陸
にすぐに利用できるが、バイパス回路を素早く循環することで、スタンバイモー
ドに保たれる。バイパス回路内の燃料の作用により駆動される液圧駆動モータを
オイルポンプの駆動に用いることで、アイドリングおよび離陸中に燃料バイパス
回路から浪費されてしまうエネルギを回収することができる。エンジン推力は離
陸時に最大となるので、オイルの要求も最大となる。離陸時におけるバイパス燃
料流の高い流量および圧力は、オイル流の要求に相関しており、それ故、燃料駆
動型液圧モータは、浪費されるエネルギを回収し、素早く循環するバイパス燃料
を冷却する必要性が低減する。
【００２０】 燃料流とオイル要求との閉じた相関関係によって、ＡＧＢの速度およびエンジ
ン回転速度に依存した割合でオイルを加圧する従来のシステムにおけるエネルギ
の浪費が排除される。従来は、エンジン速度によってオイルの供給が指示される
が、オイルの要求は、エンジン速度ではなく、エンジン推力に依存する。巡航高
度では、空気密度が低くかつ航空機の対気速度が高いので、エンジン速度は非常
に高いが、低推力でありかつ空気温度が低いので、オイルの要求は相対的に低い
。不必要に高い割合でオイルを圧送することは、エネルギを浪費し、オイルシス
テムの摩耗を増大させる。
【００２１】 機械的に駆動されるポンプに対して、液圧モータ駆動式オイルポンプを使用す
ることによって、エンジンのスタートアップ時のオイル圧力ピーク値も低減する
。液圧モータは、作動圧力をより緩やかに立ち上げ、徐々に圧力を高めることが
可能であり、それ故、オイルシステムが設計されるピーク圧力を実質的に低減す
ることができる。
【００２２】 要約すると、燃料流駆動型液圧式オイルポンプの使用によって、次のような利
点が得られる。
【００２３】 １．オイルポンプの液圧モータへ流入する燃料の割合を単に制御することで
、エンジン速度から独立して、所望の速度でオイルポンプを駆動することができ
る。
【００２４】 ２．燃料がバイパス回路を還流するときに失われたエネルギを、回収でき、
オイルシステムの加圧に利用できる。
【００２５】 ３．オイルポンプをエンジンから機械的に分離でき、従って、その配置や回
転速度が自由となる。
【００２６】 ４．機械駆動型オイルポンプに関連したエンジンのスタートアップ時におけ
る高圧スパイクの発生が防止され、この高圧スパイクを緩和するためのコールド
スタートバルブを除去できる。
【００２７】 ５．液圧モータは、より緩やかに作動速度を立ち上げるので、機械駆動式オ
イルポンプに関連した高いトルクを排除できる。
【００２８】 ６．オイルポンプおよび液圧モータを、オイル／燃料・マニホルド、オイル
フィルタ、燃料フィルタ、熱交換器、オイルタンク、オイルスカベンジジェット
ポンプ、を組み合わせてなる小型モジュールユニットとして一体化することがで
き、種々のエンジンに使用可能なユニットとできる。
【００２９】 特に、本発明は、ガスタービンエンジン用の燃料およびオイルのシステムを提
供するものであり、燃料ポンプ、および燃料源とエンジン燃焼器との間を接続し
た燃料ライン、を備えた燃料回路と、上記燃料ラインに接続されて該燃料ライン
に供給された燃料の作用により液圧駆動される液圧モータを備えたオイルポンプ
を含むオイル回路と、を含んでいる。好ましくは、上記燃料ラインは、燃焼器を
バイパスするとともに燃料回路内で還流するように、燃料を迂回させる燃料バイ
パス回路を含んでおり、オイルポンプの液圧モータは、この燃料バイパスライン
に供給された燃料の作用により液圧駆動される。
【００３０】 上記バイパス回路は、バイパスラインを通したオイルの流れを調整するオイル
ポンプ制御手段を含んでおり、例えば、燃料ラインの燃料ポンプ下流側に配置さ
れるとともに燃料バイパスラインに接続されたバイパスバルブのようなものであ
る。燃料フィルタ、熱交換器、オイルフィルタ、を共通のマニホルドに配置する
とともに、オイルポンプをこのマニホルドに取り付けるようにして、燃料フィル
タ、オイルフィルタ、燃料回路およびオイル回路に配置されてこれらを循環する
燃料およびオイルの間で熱エネルギの熱交換を行う熱交換器、を小型ユニットと
して組み合わせることができる。
【００３１】 本発明のさらなる詳細およびその利点は、以下の詳細な説明および図面によっ
て明らかになるであろう。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明を容易に理解できるようにするために、本発明の好ましい実施例を、一
例として図面を参照して説明する。
【００３３】 図１は、本発明の一実施例としてガスタービンエンジン用の燃料およびオイル
のシステムを示している。
【００３４】 燃料回路は、独立した電気モータ２により駆動される一般的な容積型の燃料ポ
ンプ１を含んでいる。適用形式によっては、燃料ポンプ１を遠心型のものとする
こともでき、航空機の用途に適した適宜な一般的手段により駆動することが可能
である。燃料回路は、燃料タンクのような燃料源から燃料を導く入口側燃料ライ
ン３を含む。この入口側燃料ライン３は、マニホルド４に接続され、該マニホル
ド４上に統合型ユニット５が取り付けられている。このユニット５は、共通のハ
ウジング９内部に、燃料フィルタ６、熱交換器７およびオイルフィルタ８を、収
容している。燃料フィルタ６、熱交換器７、オイルフィルタ８およびハウジング
９は、全て重なって配置され、かつ同心状の円筒形状をなしている。この統合型
ユニットは、共通マニホルド４への取付の上で、配管の削減、熱交換の向上、火
災および衝撃損傷からの保護、といった点を含むいくつかの利点を与える。
【００３５】 入口側燃料ライン３は、マニホルド４に接続されており、燃料は、燃料フィル
タ６を通して移送され、かつ燃料ライン１０を通してマニホルド４から出る。燃
料ライン１０は、燃料ポンプ１の入口ポートおよび出口側燃料ライン１１に接続
されており、バイパスバルブ１２を通過した燃料をエンジン燃焼器へ送っている
。出口側燃料ライン１１は、バイパスバルブ１２に接続された燃料バイパス通路
１３を備えており、燃焼器をバイパスし燃料回路内で還流させる燃料迂回手段を
構成している。従来は、バイパス回路は、単に、燃焼器への噴射の準備のために
、燃料をスタンバイ位置に保持するために用いられている。
【００３６】 本発明においては、燃料バイパス通路１３は、オイルポンプ１５の液圧モータ
１４に接続されている。液圧モータ１４は、燃料バイパス通路１３により供給さ
れた燃料の作用によって液圧駆動される。燃料ラインの燃料ポンプ下流側に配置
されたバイパスバルブ１２は、燃料バイパス通路１３を流れる燃料の量を制御す
る制御手段を構成しており、ひいては、液圧モータ１４の回転速度ならびにオイ
ルポンプ１５の動作速度を制御している。
【００３７】 オイルは、オイルタンク１６からスクリーン１７を通して引き出され、オイル
ポンプ１５の吸入側に入る。有利なように、オイルポンプ１５、オイルタンク１
６、およびオイル回路のその他の構成要素が、マニホルド４に取り付けられて小
型ユニットとなっている。オイルポンプの出口側のオイルは、オイルフィルタ８
を通り、熱交換器７を通過し、かつ通路１８を介してベアリングへと流れ出る。
熱交換器表面７の反対側の各面を横切って向流となってオイルおよび燃料が流れ
ることにより、各々の独立した回路を循環するオイルと燃料との間で熱エネルギ
の交換が行われる。
【００３８】 オイルフィルタ８が異物で目詰まりした場合には、オイル回路は、オイルフィ
ルタバイパススイッチ１９を備えており、これが開くことにより、オイルはオリ
フィス２０を通して流れることができ、オイルフィルタ８をバイパスする。オイ
ル回路は、さらに、オイルフィルタ８をバイパスしかつ通路２２を介してオイル
ポンプ１５をバイパスするようにオイルを迂回させるために、マニホルド４内に
収容されたコールドスタートバルブ２１を備えており、これにより、エンジンの
初期スタートアップ時におけるオイル圧力ピークが低減する。
【００３９】 ジェットポンプ２４によって、オイルは、ベアリングから通路２３を通してオ
イルタンク１６へと引き戻される。ジェットポンプ２４は、いくつかの理由で、
従来用いられていた容積型ポンプよりも好ましい。ジェットポンプ２４は、重量
およびコストが非常に低く、かつ可動部品がない。これは、ベアリングのキャビ
ティからオイルを排出するために、小型でかつ安価な代替物となる。ジェットポ
ンプ２４は、ノズル２５を含み、このノズル２５を通して、オイルポンプ１５か
ら通路２６を介して導かれた高圧オイル流が噴出する。オイルが外側へ拡がった
出口２８を通して噴出することに伴うベンチュリ真空作用によって、ベアリング
のキャビティから、オイルと空気の混合物が、通路２３およびノズル出口２５に
すぐ隣接したプレナム２７へと導かれる。ジェットポンプ２４は、オイル／空気
混合物をうまく排出でき、容積型ポンプに比較して、より低い圧力低下ならびに
より高い圧力の立ち上がりを与え、かつバイパスバルブを必要とせず、また、オ
イル排出システムの中で最も低い点に配置することができる。図示された実施例
の利点として、ジェットポンプ２４およびオイルタンク１６を、マニホルド４内
に適切に配置することができる。
【００４０】 燃料フィルタ６が氷結した場合あるいは他の異物で目詰まりした場合は、燃料
回路は、マニホルド４内部に収容された燃料フィルタバイパススイッチ２９を備
えており、これにより、入口側燃料ライン３を通して導かれた燃料が通路３０を
介して燃料フィルタ６をバイパスし、燃料ライン１０を介して燃料ポンプ１へ進
むことができる。
【００４１】 当業者には、液圧モータ１４の設計として、適用形式に応じて、ベーン型ター
ビン３１や容積型ロータ３１のような、燃料流により駆動される一般的ないかな
る手段も含み得る、ということが明らかであろう。
【００４２】 上述の説明や添付図面は、発明者が企図した特定の好ましい実施例に関してい
るが、本発明の上位概念では、記述した要素の機構的および機能的に均等なもの
を含むことが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はオイル回路を示す斜視図であって、電気的に駆動される燃料ポンプ、オ
イルポンプを駆動する燃料駆動型液圧モータ、を示し、かつ燃料およびオイルの
循環を矢印で示す。
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 合でオイルを送る従来システムで浪費されていたエネル ギを削減できる。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料ポンプと、燃料源とエンジン燃焼器との間を接続した燃料
    ラインと、を含む燃料回路と、 液圧モータを備えたオイルポンプを含み、上記液圧モータが上記燃料ラインに
    接続されているとともに該燃料ラインにより供給される燃料の作用により液圧駆
    動されるオイル回路と、 を備えているガスタービンエンジン用の燃料とオイルのシステム。
  2. 【請求項２】 上記燃料ラインは、燃焼器をバイパスするとともに燃料回路内
    で還流するように燃料を迂回させるための燃料バイパス回路手段を含み、このバ
    イパス回路手段は、燃料バイパスラインを含み、 上記オイルポンプの上記液圧モータは、上記燃料バイパスラインで供給される
    燃料の作用によって液圧駆動されることを特徴とする請求項１に記載のシステム
    。
  3. 【請求項３】 上記バイパス回路は、上記バイパスラインを通したオイルの流
    れを調整するオイルポンプ制御手段を含むことを特徴とする請求項２に記載のシ
    ステム。
  4. 【請求項４】 上記オイルポンプ制御手段は、上記燃料ラインの燃料ポンプ下
    流側に配置されるとともに上記燃料バイパスラインに接続したバイパスバルブを
    備えることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 上記燃料回路は、燃料フィルタを含み、上記オイル回路は、オ
    イルフィルタを含み、燃料回路およびオイル回路を循環する燃料とオイルとの間
    で熱交換を行うように燃料回路とオイル回路とに熱交換器手段が配置され、 上記燃料フィルタ、熱交換器、およびオイルフィルタは、共通のマニホルドに
    配置され、 上記オイルポンプは、上記マニホルドに取り付けられていることを特徴とする
    請求項１に記載のシステム。
  6. 【請求項６】 上記オイル回路は、上記マニホルドに収容されたオイルフィル
    タバイパススイッチを含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 上記オイル回路は、上記オイルフィルタをバイパスしてオイル
    を迂回させるためのコールドスタートバルブ手段を含み、このコールドスタート
    バルブ手段は、上記マニホルドに収容されていることを特徴とする請求項６に記
    載のシステム。
  8. 【請求項８】 上記燃料回路は、上記マニホルドに収容された燃料フィルタバ
    イパススイッチを含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 上記の燃料フィルタ、熱交換器、オイルフィルタは、共通の軸
    上に円筒状に重ね合わされていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 上記オイル回路は、エンジンベアリングからオイルを排出す
    るためのジェットポンプ手段を含み、このジェットポンプ手段は上記マニホルド
    に収容されていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 上記オイルポンプおよびオイルタンクが上記マニホルドに取
    り付けられていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 上記液圧モータは、燃料流によって動力を受ける駆動手段を
    含み、この駆動手段は、ベーン型タービンおよび容積型ロータを含む群から選択
    されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
JP2001505433A 1999-06-21 2000-06-21 ガスタービン用の燃料とオイルのシステム Withdrawn JP2003502566A (ja)

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