JP2006046345A - ２つの流量方式による供給量制御調節器 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の燃料供給ユニットを用いて２つの異なった加速方式を可能にする油圧機械式調節器を提供する。
【解決手段】２つのアーム（２４、２６）から成るビームを有する回転平衡機構（２０）を備える、燃料供給ユニット（１０）によりターボ機械内に噴射される燃料の流れを制御する油圧機械式調節器であって、このビームは、第１弾性部材（２８）を介して燃料供給ユニットの駆動ロッド（１８）によって加えられる少なくとも第１力Ｆ_１の作用により枢動ピン（２２）周りに運動でき、駆動ピストン（３８）に連結されたロッド（３６）は、第２弾性部材（４０）を介して第１力Ｆ_１に反対の力Ｆ_４を平衡機構のビームに加えることにより、第１のエンジン加速方式から第２のエンジン加速方式への移行の間、燃料供給ユニットをさらに開くように作用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、ターボ機械の燃料噴射システムに関し、さらに詳細には、油圧式ノズル／フラップ制御を備えた力平衡方式の油圧機械式調節器に関する。

図９には、ターボ機械の燃料噴射システムでの使用を目的とする、上述の方式の従来の油圧機械式調節器が、概略的に示されている。燃料供給ユニット１０のまわりでは、燃料供給ユニット１０の空気吸入ダクト１２ａは高圧ポンプ１４に接続され、空気排出ダクト１２ｂはターボ機械の燃焼室１６に対する複数の燃料噴射器に接続されるように構成されており、高圧ポンプから噴射器に流れる必要のある燃料供給ユニットの燃料流は、力平衡機構（または回転平衡機構２０）によって制御される。

平衡機構は、密閉隔壁を貫通する枢動ピン２２周りに運動でき、一般には２つのアーム２４、２６を有するビームを備え、このビームは、定常状態において、それに加わる３つの力の作用により平衡している（図１０参照）。第１力Ｆ_１（図では下向きに作用する）が、枢動ピンからの距離Ｌ_ｆで、圧縮ばね型の第１弾性部材２８を介して燃料供給ユニットのロッド１８によって第１アーム２４上の固定点に加えられる。第１力と反対の第２力Ｆ_２は、第１レバーアーム（フラップを形成する）に対して、枢動ピンからの距離Ｌ_ｎの固定点で、燃料の加圧流を噴射するノズル３０によって加えられる。第３力Ｆ_３（図ではこれも下向きに作用する）は、第２アーム２６上の固定点で枢動ピンからの距離Ｌ_ｂにおいて加えられる。第３力Ｆ_３は、空気ベロー３２に加わる圧力差βＰ_３−Ｐ_１によって生じる。なお、Ｐ_３はターボ機械の高圧圧縮器（図示せず）の出力側の圧力であり、βはターボ機械の作動速度に依存する乗算係数であり、ターボ機械の低圧圧縮器（図示せず）を失速から保護する「加速推力」方式を実現するためにパイロットによって特定される。さらに、Ｐ_１はこの低圧圧縮器の吸入側の圧力である。ベロー３４を保護するための弁によってこの調節器の構造が完成されるが、高圧油圧供給ＨＰと低圧油圧供給ＬＰの吸入口と排出口とをさらに有することは言うまでもない。

平衡機構２０のビームに加えられる力の平衡状態を記載する場合、このような調節器は単に圧力差βＰ_３−Ｐ_１の関数として燃料供給ユニットの開位置を制御し、この位置は圧力差の線形関数であることがわかる。詳細には、この位置Ｘ_ｆは以下の式によって与えられることが示される。
Ｘ_ｆ＝Ａ（βＰ_３−Ｐ_１）＋Ｂ （１）

ここで、ＡおよびＢは定数である。

したがって、所定のターボ機械エンジン加速方式は、図１１に示すように、βＰ_３−Ｐ_１の関数として噴射燃料の流量のグラフにおいて、簡単な幾何学式で表される図示の例における固有の特徴（例えば、線形方式５０または放物線方式５２）を有し、図１２に示すように線形供給流量方式５４または放物線供給流量方式５６に対応する。

しかし、調節器の構成のこの簡潔性は、唯一の加速方式が存在する場合にだけ考えられる。この理由は、図１１に示されているような２つの異なった加速方式を適用するのが望ましい場合に、対応する供給流量方式を表す２つの曲線がＸ軸上で重なる（図１２参照）ことが明らかであり、それによって供給ユニットに対する単一の開口を形成することが不可能となり、この結果、２つの燃料供給ユニットを使用する必要が生じるためである。これは、重量および費用の両方、供給の信頼性または精度に関して多くの欠点の原因となる。

したがって、本発明の目的は上述の欠点を軽減し、これにより単一の燃料供給ユニットを用いて２つの異なった加速方式を可能にする油圧機械式調節器を提供することである。本発明の別の目的は、燃料の供給過多または供給不足の危険性なしに、２つの加速方式の間での切り換えを保証することである。

これらの目的は、２つのアームからなるビームを有する回転平衡機構を備える燃料供給ユニットによって、ターボ機械に噴射される燃料の流れを制御する油圧機械式調節器によって達成され、このビームは第１弾性部材を介して燃料供給ユニットの駆動ロッドによって加えられる、少なくとも第１力の作用により枢動ピン周りに運動できるものであり、この油圧機械式調節器は、第２弾性部材を介して、上記第１力に反対の力を上記平衡ビームに加えることにより、第１エンジン加速方式から第２エンジン加速方式への移行の間に燃料供給ユニットをさらに開くように作用する、制御ピストンに連結されたロッドをさらに含むことを特徴とする。

したがって、この構成によると、一方のエンジン加速方式から他方のエンジン加速方式への移行が、流れを中断することなく、単一の供給ユニットのみを用いてに徐々に進行する。

好ましくは、上記第１力は、第１レバーアーム上の固定点に、上記枢動ピンからの距離Ｌ_ｆで加えられ、上記反対の力は、上記第１レバーアーム上の別の固定点で、上記枢動ピンからの距離Ｌ_ｃで加えられる。

有利には、駆動ピストンの上記ロッドはさらに、上記第１エンジン加速方式と上記第２エンジン加速方式との間を切り換えるオン／オフ空気弁に結合され、一方で基準圧Ｐ_０に、他方で空気オリフィスＳ_０、Ｓ_１を介して、ターボ機械の高圧圧縮器の排出側の圧力Ｐ_３に接続される。

所定のエンジン加速方式については、上記圧力Ｐ_０は高圧圧縮器の吸入側の圧力または大気圧に一致する。好ましくは、上記空気オリフィスのうちの１つは調節可能であって、上記第２加速方式を調整できるようにする。

本発明はまた、上述の油圧機械式調節器で用いられる燃料供給ユニット、およびこの調節器を含むターボ機械に関する。したがって、供給ユニットは、ターボ機械に噴射される燃料流に対して、第１エンジン加速方式から第２エンジン加速方式への移行時に連続的に変化することを保証する単一の供給開口を含む。

本発明の特徴および利点は、添付の図面と併せた非限定の実施例によって示される以下の説明から、さらに明らかとなろう。

図１および図２には、ターボ機械での使用を目的とする本発明による油圧機械式調節器が概略的に示されている。この調節器は、燃料供給ユニットの供給オリフィスの断面を変更することによって、ターボ機械に噴射される燃料流を調節することを意図している。この変更の目的はターボ機械の加速に必要な燃料の要求に対応する２つの作動方式に従い、これら２つの方式の切り換えを可能にすることである。第１の方式は始動状態に対応し、第２の方式はアイドリングからスロットル全開まで、ターボ機械の回転速度と制御レバーの位置に依存する作動状態に対応する。

図１は、第１加速方式（β＝１）に従うターボ機械エンジンの作動状態に対応する第１位置での調節器を示し、図２は、第２加速方式（β＝０．５）に従うターボ機械エンジンの作動状態に対応する、第２位置でのこの同じ調節器を示している。

従来技術の構造と同じく、ここでも高圧燃料ポンプ１４が存在し、高圧燃料ポンプ１４は燃料タンク（図示せず）から燃料を取り出して、燃料供給ユニット１０を介してターボ機械の燃焼室１６の噴射器に燃料を送る。供給オリフィスの断面は、枢動ピン２２の周りで移動でき、かつ２つのアーム２４、２６を有するビームを備える、力平衡機構２０による圧縮ばね２８を通して駆動される供給ユニットのロッド１８の変位によって変更される。

図３に示すとおり、このビームは、第１弾性部材２８を介して、第１レバーアーム２４上の固定点で、枢動ピンからの距離Ｌ_ｆで燃料供給ユニットのロッド１８により加えられる下向きの力Ｆ_１と、この第１レバーアームに対して加圧燃料流を噴射するノズル３０によって、枢動ピンからの距離Ｌ_ｎの固定点に加えられる上向きの力Ｆ_２と、枢動ピンからの距離Ｌ_ｂで、第２アーム２６上の固定点での空気ベロー３２の圧力差βＰ_３−Ｐ_１を加えられたことにより生じる下向きの力Ｆ_３とを受ける。前述のように、ベロー３４を保護する安全弁によって、この調節器の構成が完成される。調節器は、高圧および低圧油圧を供給するための吸入口および排出口をさらに含むことは言うまでもない。

しかしながら、本発明によれば、力平衡機構２０のビームは追加の上向きの力Ｆ_４をさらに受ける。この力Ｆ_４は、枢動ピンからの距離Ｌ_ｃ（図示された実施例においては距離Ｌ_ｆよりも小さい）で、第１レバーアーム２４上の固定点に、剛性Ｋ_ｃおよび静止時の力Ｆ_ｃ０を有する圧縮ばね型の第２弾性部材４０を介して、制御ピストン３８に連結されたロッド３６によって加えられる。シリンダ４２内を行程Ｘ_ｃで滑動するピストンは、このシリンダの吸入口４２Ａに供給する制御圧Ｐ_ｃによって駆動され、シリンダの排出口４２Ｂは高圧供給ＨＰに接続される。この制御圧、したがってそれに相当する力Ｆ_４を平衡機構２０のレバーに加える結果、供給ユニット１０はさらに変位（開く方向に）を受け、その結果として、図４から図８と併せて以下に説明するように、第１加速方式から第２加速方式への移行中にその位置の関数として、供給ユニットによって燃料流が連続して噴射されることを保証する。

さらに、ロッド３６は２つの位置スイッチを形成する空気式オン／オフ弁４４に結合される。「閉」位置（図１におけるような）で、空気ベロー３２の吸入口は基準圧Ｐ_０から分離され、この結果、圧力Ｐ_３と直接接続される。「開」位置（図２におけるような）で、空気ベロー３２の吸入口は、２つのオリフィス、すなわち圧力Ｐ_０で供給配管に取り付けられた排出オリフィスＳ_０と圧力Ｐ_３で供給配管に取り付けられた吸気オリフィスＳ_１とで形成される空気圧式ポテンショメータを介して、この圧力Ｐ_０と圧力Ｐ_３に接続される。有利には、圧力Ｐ_０は高圧圧縮器の吸入側の圧力または大気圧に一致し、および空気オリフィスＳ_０、Ｓ_１が同一であるため、２つの所望の加速方式に対応して、比βはそれぞれ１および０．５の値を有する。この比はオリフィスＳ_０の流れが音速であるときは常に一定である（これは、βＰ_３／Ｐ_０＞約１．８９の場合に得られる）。空気オリフィスのうちの１つ（有利には排出オリフィスＳ_０）は、第２加速方式の正確な調節のために調節可能（例えば押しねじによって）であるのが好ましい。

したがって、この特定の構成によると、βの値と切換え力Ｆ_４の値とが１つの同じ油圧機械式部材によって制御され、それによって一方の加速方式から他方の加速方式への移行中に完全な同期化を保証する。

初めに、以下のレバーの平衡式から新たな供給ユニットの位置Ｘ_ｆを決定することができる。
Ｆ_３Ｌ_ｂ＝Ｆ_１Ｌ_ｆ−Ｆ_２Ｌ_ｎ−Ｆ_４Ｌ_ｃ
ここで、
Ｆ_３＝Ｓ_{ｂｅｌｌｏｗｓ}（βＰ_３−Ｐ_１）
および、
Ｆ_１＝Ｘ_ｆＫ_ｆ＋Ｆ_ｆ０
で、Ｓ_{ｂｅｌｌｏｗｓ}はベロー３２の断面積であり、Ｋ_ｆおよびＦ_ｆ０はそれぞれ、ばね２８の剛性および静止時の力である。
したがって、
Ｘ_ｆ＝［（Ｓ_{ｂｅｌｌｏｗｓ}Ｌ_ｂ）／（Ｋ_ｆＬ_ｆ）］（βＰ_３−Ｐ_１）＋（Ｆ_２Ｌ_ｎ−Ｆ_ｆ０Ｌ_ｆ）／（Ｋ_ｆＬ_ｆ）＋（Ｆ_４Ｌ_ｃ）／（Ｋ_ｆＬ_ｆ） （２）
すなわち、ここでも式（１）に関係するが、Ｆ_４はない。
Ｘ_ｆ＝Ａ（βＰ_３−Ｐ_１）＋Ｂ＋δＸ_ｆ
ここで、δＸ_ｆ＝（Ｆ_４Ｌ_ｃ）／（Ｋ_ｆＬ_ｆ）は、制御力Ｆ_４の作用による供給ユニットの追加変位に対応する。

本発明による油圧機械式調節器の動作が、図４から図８と併せてここで説明される。図４から図８は、エンジンの２つの作動端点（２つの飛行極値）に対するエンジン加速方式の変化を示し、第１作動端点は最大高度と最小マッハ数とに対応し、第２作動端点は最小高度と最大マッハ数とに対応する。これらのグラフにおいて、何ら供給過多または供給不足の状況なしに、供給流量Ｗ_ｆが２つのエンジン加速方式の間で徐々に変化し、したがって、本発明によれば、この調節器によってエンジン加速方式が単一の供給ユニットを用いて徐々に、連続して変化できることが分かる。

図４および図６はそれぞれ２つの曲線を示し、一方の曲線５０は線形加速方式（再点火とアイドリングとの間の一時的な作動状態）に対応し、他方の曲線５２は放物線加速方式（アイドリングとスロットル全開との間の作動状態）に対応する。これら２つの曲線は重なり、第１加速方式に対する最大流量は第２加速方式に対する最小流量よりも小さい。図４は図６で示される２つの加速方式の重なる領域の拡大図である。図５および図７はそれぞれ、供給流量の変化の方式、すなわちこの供給ユニットの位置Ｘ_ｆの関数として噴射燃料の流量Ｗ_ｆの変化を示す。一時的な状態において、エンジン作動点が第１加速方式上の点Ａから第２加速方式上の点Ｂに移ると（図４）、供給ユニットの変位は供給ユニット流量曲線５８を点Ａ’から点Ｂ’まで連続的に上に移動する（図５）ことが分かる。同様に、エンジン作動点が第１加速方式上の点Ｃから第２加速方式上の点Ｄに移ると（図６）、供給ユニットの変位は点Ｃ’から点Ｄ’まで連続的に移動する（図７）。

供給ユニット１０の単一の供給スロット（または開口）の断面が、図８に示されている（より明確にするため、図は縮尺通りに描かれていない）。断面は２つの上述の加速方式によって定められた形状を有し、Ｘ_ｆの関数として線形に変化する。矩形のスロット部６０は線形加速方式（再点火とアイドリングとの間の一時的な作動状態）に対応し、三角形のスロット部６２は放物線加速方式（アイドリングとスロットル全開との間の作動状態）に対応し、有利には供給ユニットと平行に配置されたオリフィスによって初期流量を調節できる。

結論として、本発明の構成は、単一の供給システムを用いて２つの流量方式を提供することによって、重量低減と空間節減とが達成されるため、特に有益である。さらに、単一の独立システムのみを用い、２つのシステムを用いない事実によって、信頼性が増し、予測される故障数が減少する。さらに、この単一供給システムによって、移行中に燃料流が中断する危険性なしに１つの方式から他の方式に移行でき、結果的に、エンジン過速度運転または「フレームアウト」の問題が発生しない。

第１エンジン加速方式の適用に対応する、第１位置における、本発明による油圧機械式調節器の概略図である。 第２エンジン加速方式の適用に対応する、第２位置における、本発明による油圧機械式調節器の概略図である。 図１および図２の調節器内に存在する力の平衡を示す図である。 ターボ機械エンジンの２つの異なった作動状態についての異なったエンジン加速方式の２つの例を示すグラフである。 図４の２つのエンジン作動状態についての供給ユニット流量の変化方式の２つの例を示すグラフである。 ターボ機械エンジンの２つの異なった作動状態についての異なったエンジン加速方式の２つの例を示すグラフである。 図６の２つのエンジン作動状態についての供給ユニット流量の変化方式の２つの例を示すグラフである。 図１および図２の調節器内の計測ユニットの位置の関数として供給開口の断面の変化を示す図である。 従来技術の油圧機械式調節器の概略図である。 図９の調節器内で存在する力の平衡を示す図である。 ターボ機械エンジンの２つの異なった作動状態におけるエンジン加速方式の２つの例を示すグラフである。 図１１の２つのエンジン作動状態についての供給ユニット流量方式の２つの例を示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料供給ユニット
１４ 高圧燃料ポンプ
１６ 燃焼室
１８、３６ ロッド
２０ 力平衡機構
２２ 枢動ピン
２４、２６ アーム
２８ 第１弾性部材
３０ ノズル
３２ 空気ベロー
３８ 制御ピストン
４０ 第２弾性部材
４２ シリンダ
４２Ａ シリンダの吸入口
４２Ｂ シリンダの排出口
４４ 空気式オン／オフ弁
６０ 矩形のスロット部
６２ 三角形のスロット部

Claims (8)

1. 燃料供給ユニット（１０）によってターボ機械に噴射される燃料の流れを制御し、２つのアーム（２４、２６）からなるビームを有する回転平衡機構（２０）を備え、このビームは、第１弾性部材（２８）を介して燃料供給ユニットの駆動ロッド（１８）によって加えられる少なくとも第１力（Ｆ_１）の作用で枢動ピン（２２）周りで運動できる、油圧機械式調節器であって、第２弾性部材（４０）を介して、前記第１力に反対の力（Ｆ_４）を平衡機構の前記ビームに加えることにより、第１エンジン加速方式から第２エンジン加速方式への移行時に燃料供給ユニットをさらに開く、制御ピストン（３８）に連結されたロッド（３６）をさらに含むことを特徴とする、油圧機械式調節器。
2. 前記第１力は前記枢動ピンからの距離Ｌ_ｆで第１レバーアーム（２４）上の固定点に加えられ、前記反対の力は前記枢動ピンからの距離Ｌ_ｃで第１レバーアーム（２４）上の別の固定点に加えられることを特徴とする、請求項１に記載の油圧機械式調節器。
3. 駆動ピストンの前記ロッドは、前記第１エンジン加速方式と前記第２加速方式との間を切り換えるオン／オフ空気弁（４４）にさらに結合され、一方は基準圧Ｐ_０に、他方は空気オリフィスＳ_０、Ｓ_１を介してターボ機械の高圧圧縮器の排出側の圧力Ｐ_３に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の油圧機械式調節器。
4. 前記圧力Ｐ_０は、高圧圧縮器の吸入側の圧力、または大気圧に一致することを特徴とする、請求項３に記載の油圧機械式調節器。
5. 前記第２加速方式を調節可能にするために、前記空気オリフィスのうちの１つが調節可能であることを特徴とする、請求項３に記載の油圧機械式調節器。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の油圧機械式調節器の燃料供給ユニット。
7. ターボ機械に噴射される燃料の流れに対して、第１エンジン加速方式から第２エンジン加速方式に移行する際に、連続的変化を保証する単一の供給開口（６０、６２）を含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料供給ユニット。
8. 請求項１から５のいずれか一項に記載の油圧機械式調節器を含むターボ機械。

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