JP2005212776A - 拡張された使用能力を有する航空機燃料送出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 要求有効吸込圧力を減少させるためにメインポンプ入口に入る前の燃料からガスを除去するための装置を含み、それによってキャビテーションを抑制するとともに使用可能な燃料流量の範囲を増大させる燃料送出システムを構成する。
【解決手段】 ガスタービンエンジン用燃料送出システムは、燃料調量装置に燃料を供給するメイン燃料ポンプを含む。燃料システムの使用流量範囲は、ポンプキャビテーションを防止するために要求されるメインポンプ入口での最低有効吸込圧力に依存する。燃料と溶解ガスとの混合は、キャビテーションを防止するために要求される最低有効吸込圧力を増大させる。透過可能膜を含む燃料脱気器が、溶解ガスの形成をなくすために、燃料から溶解ガスを除去する。液体燃料中からの溶解ガスの除去が、要求有効吸込圧力を減少させ、より大きな使用流量範囲を可能にする。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般に航空機タービンエンジン用燃料送出システムに関するものであり、特にメイン燃料ポンプに入る前の燃料中の溶解ガスを除去するための燃料脱気器を含む燃料送出システムに関するものである。

ガスタービンエンジン用燃料送出システムは、一般に、燃料タンクから２ステージ式メイン燃料ポンプまで燃料を送るタンク加圧ポンプを含んでいる。メイン燃料ポンプは、一般に、遠心式ステージと容積式ステージとを含んでいる。大部分の用途において、メイン燃料ポンプ及びタンク加圧ポンプは、エンジン駆動シャフトによって駆動される。メイン燃料ポンプの遠心式ステージは、容積式ギアステージの入口へ必要圧力を供給する。ギアステージの入口における圧力は、ギアが回転するときにギアポンプのキャビティを燃料で満たすようにすることが要求される。ギアは、燃料調量装置へ一定流量の燃料を供給するために一定の回転速度で回転する。燃料調量装置は、システムの背圧から独立した一定の割合でメイン燃料ポンプからの流れを受け取る。燃料調量装置は、エンジンへ送出される燃料の流量を制御する。低い流量では、燃料調量装置における過剰な流量の燃料が、ギアポンプ入口へバイパスされて戻される。

タービンエンジン用燃料システムは、メイン燃料ポンプの遠心式ステージにおいて要求される有効吸込圧力を供給することが可能な燃料流量の範囲によって制限される。有効吸込圧力は、キャビテーションを生じさせずにポンプを使用するための、ポンプ入口において要求される最低全圧を規定する。ポンプ羽根に沿った圧力が溶解ガスにとって蒸気泡を形成するのに十分に低く低下すると、キャビテーションが生じる。流体がポンプ羽根に沿って流れるのにつれて圧力が増大し、蒸気泡が破壊される。蒸気泡の破壊はメイン燃料ポンプにおける過度の騒音及び振動を引き起こすおそれがあるため、ポンプにおけるキャビテーションは望ましくない。燃料の脱気はキャビテーションの発現を遅らせ、それによって、燃料ポンプの構成を変更することなく燃料システムによってガスタービンエンジンへ送出されることができる燃料流量の範囲を増大させる。燃料貯蔵タンクに貯蔵される燃料は、空気と直接接触して、大部分が酸素及び窒素とされる所定量の溶解ガスを蓄積している。燃料がシステムを通って流れるのにつれて燃料の静圧が減少し、燃料から溶解ガスが放出され、液体燃料と一緒に流れる蒸気を形成する。

不利なことには、液体燃料内の溶解ガスが、メインポンプ入口において要求される有効吸込圧力を増大させる。

したがって、要求有効吸込圧力を減少させるためにメインポンプ入口に入る前の燃料からガスを除去するための装置を含み、それによってキャビテーションを抑制するとともに使用可能な燃料流量の範囲を増大させる燃料送出システムを構成することが熱望されている。

この発明は、メイン燃料ポンプの入口に入る前の燃料から溶解ガスを除去するための燃料脱気器を含むガスタービンエンジン用燃料送出システムである。

この発明の燃料送出システムは、２ステージ式メイン燃料ポンプを含んでいる。２ステージ式メイン燃料ポンプは、遠心式ステージと容積式ステージとを含んでいる。メイン燃料ポンプの遠心式ステージへの燃料は、要求有効吸込圧力であるいはそれよりも上で供給されなければならない。有効吸込圧力は、タンク加圧ポンプによってメイン燃料ポンプの入口へ供給される。

燃料タンク内の燃料は、空気との接触を介してガスを吸収する。溶解ガスは、燃料の液体部分と一緒に流れる燃料蒸気を放出及び形成する。燃料脱気器は、燃料から溶解ガスを除去するために、タンク加圧ポンプとメインポンプ入口との間に配置されている。燃料脱気器は、燃料流れと接触する透過可能膜を含んでいる。透過可能膜は、多孔性支持体に支持されている。透過可能膜を交差させて燃料流れから離れさせるように燃料から溶解ガスを取り出すために、透過可能膜を交差する分圧差が生成されている。燃料から除去されるガスは、その後、燃料送出システムから排気される。メインポンプ入口へポンプで送られる上記の結果としての燃料は、実質的に減少した量の溶解ガスを含んでいる。溶解ガスの減少は、メインポンプ入口における要求有効吸込圧力を減少させることによって、燃料システムの使用範囲を増大させる。

したがって、この発明の燃料システムは、燃料からガスを除去するための燃料脱気器を含んでおり、蒸気構造を取り除いて要求有効吸込圧力を減少させ、燃料流量の範囲を増大させる。

この発明の様々な特徴及び効果は、現在の好ましい実施例の以下の詳細な説明から、当業者にとって明らかになるであろう。

図１を参照すると、ガスタービンエンジンアセンブリ１０が概略的に示されており、該ガスタービンエンジンアセンブリは、圧縮器１４と燃焼器１６とタービン１８とを含んでいる。圧縮器１４は、空気２０を吸い込んで該空気を高圧に圧縮する。高圧空気は、燃焼器１６内で燃料と混合されて点火される。点火された燃料から生じる熱い燃焼ガス２２は、タービン１８を駆動する。燃料送出システム１２は、燃焼器１６へ燃料４０を供給する。燃料脱気器２８で燃料中の溶解ガスを除去することは、燃料送出システム１２からの燃料流量の範囲を最適化する。

燃料送出システム１２は、メインポンプ３０からの燃料を受け取る燃料調量ユニット２９を含んでいる。メインポンプ３０は、ギアポンプ３８の入口３４へ所定圧力で燃料を供給する遠心ポンプ３６を含んでいる。ギアポンプ３８は、燃料調量ユニット２９へ一定の流量で燃料を供給する。ギアポンプ３８からの燃料流量４０は、システム１２の背圧にかかわらず一定のままである。過剰な流量の燃料は、バイパス通路４１を通ってギアポンプ３８の入口３４へ送られて戻される。

ギアポンプ３８は、燃料調量ユニット２９へ燃料を圧縮して追いやるために回転する噛み合いギアを含んでいる。遠心ポンプ３６は、回転するギア間のキャビティを満たすために、ギアポンプ３８へ燃料流れを供給する。燃料調量ユニット２９は、タービンエンジンアセンブリ１０の燃焼器１６への燃料流量を制御する。タービンエンジンアセンブリ１０の性能は、燃料送出システム１２によって提供される使用可能な流量の範囲によって制限される。

燃料送出システム１２の流量にとっての制限因子は、ギアポンプ３８の入口３４において要求される有効吸込圧力である。有効吸込圧力は、キャビテーションを引き起こすことなくポンプ３８を使用するために要求される最低燃料圧力を規定する。ギアポンプ３８の通常使用は、最低値よりも大きい、入口３４において利用可能な実際の有効吸込圧力を必要とする。タンク加圧ポンプ２６は、遠心ポンプ３６の入口３２へ一定の燃料圧力を供給する。遠心ポンプ３６における一定の燃料圧力は、該遠心ポンプ３６がギアポンプ３８の入口３４へ有効吸込圧力で燃料を供給することを可能にする。入口３４における燃料流量及び圧力はほぼ一定とされているが、メインポンプ３０を通る流量は、燃料調量ユニット２９の要求に応じて変化する。高い流量では、入口３２，３４における圧力の減少の要求は、有効吸込圧力の減少となる。燃料流量は、有効吸込圧力のこの減少によって制限される。

空気で飽和した液体燃料にとっての最低有効吸込圧力は、脱気された液体燃料にとっての最低有効吸込圧力よりも大きい。より大きな有効吸込圧力の要求は、燃料中の溶解ガスによって引き起こされる。燃料タンク内などでの空気への露出は、ガスが燃料中に溶解することを許容する。燃料が燃料タンク２４の出口からメイン燃料ポンプ入口３２まで流れるのにつれて、静圧が低下する。静圧の減少は、溶解ガス及び軽い炭化水素の蒸発を引き起こす。液体燃料と一緒に溶解ガスが存在することは、最低要求有効吸込圧力を増大させる。増大した最低有効吸込圧力は、燃料送出システム１２を通る燃料流量の範囲を制限する。燃料脱気器２８は、燃料システム１２内にタンク加圧ポンプ２６と遠心ポンプ３６の入口３２との間に配置されている。燃料がタンク加圧ポンプ２６から遠心ポンプ３６の入口３２まで流れるときに、燃料脱気器２８が燃料から溶解ガスを除去する。燃料中の溶解ガスの除去は、減少した静圧の結果として形成される燃料蒸気の量を減少させる。燃料蒸気の減少は、ギアポンプ３８における望ましくないキャビテーションを防止するために要求される最低有効吸込圧力を減少させる。

図２を参照すると、グラフ４２が、燃料からの溶解ガスの除去によって提供される増大した燃料流量の範囲を示している。ライン４４は、燃料流量とメイン燃料ポンプの遠心式ステージで要求される有効吸込圧力との関係を示している。理解されるように、ライン４４は、燃料中からの溶解ガスの除去によって増大した燃料流量の範囲に対応している。ライン４８は、溶解ガスを含む燃料の使用範囲に対応している。燃料流量の使用範囲が、溶解ガスを含む燃料４８と、溶解ガスの量が減少した燃料４４とについて示されている。脱気された燃料にとっての燃料流量の使用範囲４６は、空気で飽和した燃料にとっての燃料流量の使用範囲５０と比較して増大している。燃料流量の使用可能範囲の増大の結果は、より大きな容量の燃料送出システム１２を要求することなく、エンジンアセンブリ１０にとっての増大した使用可能能力を提供する。

図３を参照すると、この発明による燃料脱気器２８’の概略図が示されており、該燃料脱気器は、ハウジング５２内に配置される複数のチューブ５８を含んでいる。燃料４０は、入口５４から出口５６までチューブ５８の周囲を流される。チューブ５８は、燃料４０中に溶解した酸素及び窒素を分離する複合透過可能膜６２を含んでいる。真空ポンプ６６は、チューブ５８内の真空を維持する。チューブ５８内に生成される真空は、複合透過可能膜６２を交差する分圧差を生成しており、該複合透過可能膜が、溶解酸素及び窒素を燃料４０からチューブ５８内に取り出して、真空ポンプ６６を介してガス透過流６４とともに外部へ出す。ガス透過流６４から除去された酸素及び窒素は、その後システムから排気される。ガス透過流６４は、燃料タンク２４内へ再利用されることができる。脱気された燃料は、出口５６を通って出て、遠心ポンプ３６の入口３２に入る。

図４を参照すると、燃料脱気器２８”の他の実施例が示されており、該燃料脱気器は、一方が他方の上面に積み重ねられてなる一連の燃料プレート７４を含んでいる。複合透過可能膜６２は、燃料通路７６の一部を画成するために、燃料プレート７４のそれぞれに含まれている。燃料は、入口７０を通って入り、出口７２を通って出る。開口部８０は、真空源８２へ開放されている。燃料４０は、積み重ねられた燃料プレート７４によって画成される燃料通路７６内を通過する。燃料プレート７４は、入口７０及び出口７２を画成するハウジング６８内に配置されている。燃料プレート７４の使用は、燃料プレート７４の追加または削除によって、様々な用途への燃料脱気器２８”の適合を許容する。燃料脱気器の実施例が示されるとともに記載されているが、この出願の利益を有する当業者は、燃料脱気器の他の構成がこの発明の意図の範囲内であることを理解するであろう。

図５を参照すると、複合透過可能膜６２の断面図が示されており、該複合透過可能膜は、好ましくは多孔性支持体８６上に配置される透過可能層８４を含んでいる。多孔性支持体８６は、燃料からの最大酸素拡散を許容する一方、透過可能層８４のための必要支持構造を供給する。透過可能層８４は、多孔性支持体８６にコーティングされており、これら２つの間の機械的な結合が形成されている。透過可能層８４は、好ましくは、テフロン（登録商標） ＡＦ ２４００からなる０．５〜２０μｍの厚みのコーティングであり、０．２５μｍの孔サイズを有するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる０．００５インチの厚みの多孔性支持体８６上に位置している。必要な強度及び開孔性を提供する異なる材料、厚み及び孔サイズの他の支持体を使用することができる。好ましくは、透過可能層８４は、デュポン社のＴｅｆｌｏｎ（登録商標） ＡＦ アモルファスフッ化ポリマーであるが、ソルベイ社のＨｙｆｌｏｎ（登録商標） ＡＤ 過フッ化ガラス質ポリマーや旭硝子社のＣＹＴＯＰ（登録商標） ポリ過フッ化ブテニルビニルエーテルなどの当業者に周知の他の材料が、この発明の意図の範囲内である。各複合透過可能膜６２は、多孔性基材８８に支持されている。多孔性基材８８は、複合透過可能膜６２を交差する酸素分圧差を生成するために、真空源８２に連通されている。

使用中、透過可能膜６２の非燃料側９２と燃料側９０との間に真空源８２によって分圧差が生成される。矢印７８で示される酸素、窒素及び他の溶解ガスは、燃料４０から複合透過可能膜６２を交差して多孔性基材８８内へ拡散する。多孔性基材８８からは、酸素、窒素及び他の溶解ガス７８が引き込まれて燃料システム１２から排出される。

この発明の燃料システム１２は、最低要求有効吸込圧力を減少させるために、燃料中の溶解ガスの除去を提供する。要求される有効吸込圧力の減少は、液体と溶解ガスとが両方存在する場合の容量を超えるように、燃料送出システム１２の使用範囲を向上させる。有効吸込圧力の減少は、燃料送出システム１２の全体的なサイズを増大させることなく、燃料送出システム１２の使用可能な燃料流量範囲を向上させる。

上述の説明は、例示的なものであって正確な具体的仕様ではない。本発明が実例となるように記載されてきたが、使用された用語は、限定的というよりはむしろ説明的な語句の性質を帯びていることが理解されるべきである。本発明の多くの修正及び変更が、上述の教示を考慮して可能である。この発明の好ましい実施例が開示されてきたが、当業者は、特定の修正がこの発明の範囲内であることを理解するであろう。添付の請求項の範囲内において、詳細に説明されたものよりも他のやり方で、本発明が実行されていてもよいことが理解される。その理由のため、請求項は、この発明の真の範囲及び内容を決定するために考慮されるべきである。

この発明によるガスタービンエンジン及び燃料送出システムの概略図である。 空気で飽和した燃料と脱気された燃料とについての燃料流量と有効吸込圧力との間の関係を示すグラフである。 この発明による燃料脱気器の断面図である。 この発明による他の燃料脱気器の断面図である。 この発明による透過可能膜の断面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジンアセンブリ
１２ 燃料送出システム
１４ 圧縮器
１６ 燃焼器
１８ タービン
２０ 空気
２２ 熱い燃焼ガス
２４ 燃料タンク
２６ タンク加圧ポンプ
２８，２８’，２８” 燃料脱気器
２９ 燃料調量ユニット
３０ メインポンプ
３６ 遠心ポンプ
３８ ギアポンプ
４０ 燃料
５２ ハウジング
５８ チューブ
６２ 複合透過可能膜
６４ ガス透過流
６６ 真空ポンプ
６８ ハウジング
７４ 燃料プレート
７６ 燃料通路
８２ 真空源
８４ 透過可能層
８６ 多孔性支持体

Claims (22)

1. 航空機燃料システムであって：
   燃料調量装置へ燃料を送るためのメイン燃料ポンプと；
   前記メイン燃料ポンプに入る前の前記燃料から溶解ガスを除去するための燃料脱気器と；
   を含んでいることを特徴とする航空機燃料システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記燃料中の前記溶解ガスの除去が、前記メイン燃料ポンプの入口において要求される有効吸込圧力を減少させることを特徴とするシステム。
3. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   所望の圧力で前記メイン燃料ポンプに燃料を供給するための加圧ポンプを含んでいることを特徴とするシステム。
4. 請求項３に記載のシステムにおいて、
   前記加圧ポンプが、前記メイン燃料ポンプの入口における有効吸込圧力を供給することを特徴とするシステム。
5. 請求項３に記載のシステムにおいて、
   前記燃料脱気器が、前記加圧ポンプと前記メイン燃料ポンプとの間に配置されていることを特徴とするシステム。
6. 請求項１に記載のシステムにおいて、
   前記燃料脱気器が、前記燃料中に溶解したガスを透過可能な膜フィルタを含んでいることを特徴とするシステム。
7. 請求項６に記載のシステムにおいて、
   前記膜フィルタが多孔性基材に支持されていることを特徴とするシステム。
8. 請求項７に記載のシステムにおいて、
   前記膜フィルタの燃料側と前記膜フィルタの非燃料側との間の分圧差を含み、ガスが燃料から前記膜フィルタを通って前記非燃料側へ拡散することを特徴とするシステム。
9. 請求項８に記載のシステムにおいて、
   前記非燃料側の前記拡散したガスが、機外に排出されることを特徴とするシステム。
10. 請求項７に記載のシステムにおいて、
    ハウジング内に入口と出口との間に燃料通路を画成する燃料プレートをさらに含んでいることを特徴とするシステム。
11. 請求項１に記載のシステムにおいて、
    前記燃料脱気器がチューブ状膜を含んでいることを特徴とするシステム。
12. 請求項１に記載のシステムにおいて、
    前記システムの燃料許容流量が、前記有効吸込圧力に関連することを特徴とするシステム。
13. 請求項１２に記載のシステムにおいて、
    前記燃料許容流量が、前記燃料からのガスの除去に反応して増大することを特徴とするシステム。
14. ガスタービンエンジンアセンブリであって：
    吸込空気を圧縮する圧縮器と；
    圧縮された吸込空気と一緒に燃料を燃焼させる燃焼器と；
    前記燃焼器に流れ連通する回転タービンを含むタービン部と；
    燃料調量装置へ燃料を送るためのメイン燃料ポンプと前記メイン燃料ポンプに入る前の燃料から溶解ガスを除去するための燃料脱気器とを含む燃料送出システムと；
    を含んでいることを特徴とするガスタービンエンジンアセンブリ。
15. 請求項１４に記載のアセンブリにおいて、
    有効吸込圧力でメイン燃料ポンプに燃料を供給するための加圧ポンプを含んでいることを特徴とするアセンブリ。
16. 請求項１５に記載のアセンブリにおいて、
    前記燃料脱気器が、前記加圧ポンプと前記メイン燃料ポンプとの間に配置されていることを特徴とするアセンブリ。
17. 請求項１４に記載のアセンブリにおいて、
    前記燃料脱気器が、前記燃料中に溶解したガスを透過可能な膜フィルタを含んでいることを特徴とするアセンブリ。
18. 請求項１７に記載のアセンブリにおいて、
    前記膜フィルタの燃料側と前記膜フィルタの非燃料側との間の分圧差を含み、ガスが前記燃料側から前記膜フィルタを通って前記非燃料側へ拡散することを特徴とするアセンブリ。
19. 燃料システムの使用容量を向上させる方法であって：
    ａ）溶解ガスを含む燃料を脱気器に通して流すステップと；
    ｂ）前記脱気器内で燃料から溶解ガスを除去するステップと；
    ｃ）要求有効吸込圧力でメイン燃料ポンプの入口へ燃料を流すステップと；
    を含んでいることを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、
    前記脱気器内の透過可能膜の燃料側に沿って燃料を流すステップをさらに含んでいることを特徴とする方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、
    溶解ガスを前記燃料から前記透過可能膜を通して拡散させるために、前記透過可能膜の前記燃料側と非燃料側との間の分圧差を提供するステップを含んでいることを特徴とする方法。
22. 請求項２１に記載の方法において、
    前記メインポンプの前記入口へ前記要求有効吸込圧力を供給するために、加圧ポンプで前記脱気器内へ燃料を送るステップを含んでいることを特徴とする方法。

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