JP2006083864A - ガスタービン・エンジン用計量要求燃料システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高価で高精度の燃料絞り弁の必要性を排除し、かつ燃料システム内の過剰な圧力並びに流量を低減する燃料システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 相互に独立して駆動可能なタービンエンジンと電動モータを備える燃料システム。電動モータは、所望の燃料流量に基づいて選択的に制御される速度を有する。遠心ポンプは、タービンエンジンによって駆動される。遠心ポンプは、燃料システムに対して所望の燃料圧力を提供する。容積式ポンプは電動モータによって駆動される。容積式ポンプは、例えば直列配列などにおいて、遠心ポンプと流体的に連絡する。容積式ポンプは、第２の駆動アッセンブリの速度に応じて所望の容積を計量する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービン・エンジンに燃料を送る燃料システムに関する。

従来の燃料システムは、変速機を介してタービンエンジンで駆動される大型の容積式ポンプを備える。タービンエンジンに要求される、所望の燃料容積と圧力を得るべく、容積式ポンプは、最大要求のために特に大型化される。その結果、燃料システムは、不要な燃料をタンクに戻すためのバイパス弁を利用するが、これは非常に非効率的である。さらに、戻された燃料は高温であり、燃料タンク中の燃料の温度を上昇させるため望ましくない。生じた過剰の圧力は、圧力調整器を用いて爆発の可能性や過圧条件を軽減するよう緩和される。

従来技術における燃料システムは、タービンエンジンの燃料要求に応じるべく、燃料システムを通る流速を調整するために正確な絞り弁を採用する。絞り弁は厳密な公差を有し、かつ燃料システム内に存在する汚染が弁の動作を損なう。

タービンエンジンの燃料要求に応じるために容積式ポンプを駆動するのに、タービンエンジンではなく電動モータを使用することは実用的なことではない。一例において、必要な燃料をタービンエンジンに供給するのに４５．３６ｋｇ（１００ポンド）を超える重量の８０馬力のモータが必要であるが、これは産業界においては許容できないものである。

高価で高精度の燃料絞り弁の必要性を排除し、かつ燃料システム内の過剰な圧力と流量を低減する燃料システムが必要とされている。

本発明は、高価で高精度の燃料絞り弁の必要性を排除し、かつ燃料システム内の過剰な圧力並びに流量を低減する燃料システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、
それぞれ互いに独立して駆動可能な第１及び第２の駆動アッセンブリであって、該第２の駆動アッセンブリは所望の燃料流量に基づいて選択的に制御される速度を有する、第１及び第２の駆動アッセンブリと、
該第１の駆動アセンブリによって駆動される非容積式ポンプであって、所望の燃料圧力を提供する、非容積式ポンプ、及び
該第２の駆動アッセンブリによって駆動される容積式ポンプであって、該容積式ポンプは、該非容積式ポンプと流体的に連絡しており、前記速度に応じて所望の容積を計量する、容積式ポンプ、
とを含んでなることを特徴とする、燃料システムである。ここで、前記非容積式ポンプは遠心ポンプで良く、また、前記第１の駆動アッセンブリは、タービンエンジンを包含して良い。さらに、前記タービンエンジンによって第２の速度で駆動される交流発電機を含み、前記遠心ポンプは、該交流発電機と共に前記第２の速度で前記タービンエンジンによって駆動されて良い。また、前記ポンプは、直列配置において互いに流体的に接続され、前記容積式ポンプが、前記非容積式ポンプの下流で流体的に接続されるか、前記容積式ポンプの下流で流体的に接続されるか、あるいは、非容積式ポンプと第２の非容積式ポンプの間で流体的に接続されて良い。また、前記第２の駆動アッセンブリは電動モータを包含して良い。前記システムは又、制御装置及びタービンエンジンを含み、前記ポンプは該タービンエンジンに燃料を供給し、かつ該制御装置は、該タービンエンジンに要求される燃料を決定し、かつ該燃料要求を満たすための所望の燃料流量に対応する速度命令を前記電動モータに与えるものであって良い。

本発明の第２の態様は、
ａ） 所望の燃料流量を要求するステップと、
ｂ） 該ステップａ）に応じて燃料容積を供給する速度で第１のポンプを駆動するステップ、及び
ｃ） 前記第１のポンプとは独立して第２のポンプを駆動するステップであって、該第２のポンプは前記燃料容積に対する所望の燃料圧力を生じる、第２のポンプを駆動するステップ、
を含んでなることを特徴とする、燃料システムの構成要素に燃料を送る方法である。前記ステップｂ）が、前記第１のポンプを、タービンエンジンの始動の間に電動モータで駆動することを包含して良い。また、前記第１のポンプが、特徴的な流速曲線を有する容積式ポンプであり、前記方法は、前記タービンエンジンの始動の間の流速要求に基づいて該容積式ポンプを選択的に駆動するステップを含んでも良い。前記第２のポンプは、特徴的な揚程曲線を有する遠心ポンプであり、前記ポンプは、タービンエンジンへの該所望の燃料流量を供給し、該タービンエンジンはエンジンの背圧曲線を有し、前記方法は、前記特徴的な揚程曲線が前記エンジンの背圧曲線に一致するように該遠心ポンプを選択するステップを含むことも可能である。さらに、前記ポンプは、直列配置において相互に流体的に接続され、前記第１のポンプは容積式ポンプであり、かつ前記第２のポンプは遠心ポンプであって良い。

本発明は、それぞれに対して独立して駆動可能な第１及び第２の駆動アッセンブリを備える燃料システムを提供する。一例において、第１の駆動アッセンブリはタービンエンジンであり、かつ第２の駆動アッセンブリは電動モータである。第２の駆動アッセンブリは、所望の燃料流量に基づいて選択的に制御される速度を有する。

遠心ポンプなどの非容積式ポンプは、第１の駆動アッセンブリで駆動される。遠心ポンプは、燃料システムに所望の燃料圧力を提供する。容積式ポンプは、第２の駆動アッセンブリによって駆動される。容積式ポンプは、例えば、直列配置などにおいて遠心ポンプと流体的に連通する。容積式ポンプは、第２の駆動アッセンブリの速度に応じて所望の容積を計量する。

容積式ポンプは、遠心ポンプの前後のいずれかに配置してよく、また、１以上の遠心ポンプを使用することもできる。

動作において、所望の燃料流量は、タービンエンジンによって要求される燃料流量に基づいて要求される。制御装置は、第１の駆動アッセンブリに、その要求された燃料流量を十分に満たす燃料容積を与える速度で容積式ポンプを回転するよう命令する。遠心ポンプは、容積式ポンプとは独立して、タービンエンジンによって駆動される。遠心ポンプは、燃料容積に対して要求される燃料圧力を生じる。

従って、本発明は、高価で高精度の燃料絞り弁の必要性を排除し、かつ燃料システム内の過剰な圧力並びに流量を低減する燃料システムを提供するものである。

本発明のこれら並びにその他の特徴は、以下の説明及び図面から十分に理解することができ、それらのうち以下は簡単な説明である。

本発明の燃料システム１０の一例を概略的に図１に示す。燃料システム１０は、燃料タンク１６からの燃料を受容するタービンエンジン１２を備える。変速機１４は、燃料システム１０の種々の構成要素を駆動するのに使用され、変速機１４は、タービンエンジン１２からの回転入力を受けるよう、タービンエンジン１２に取り付けることができる。

燃料システム１０は、明確化のために、単に燃料システムの例の部分を示している。描写されている構成要素は、決して本発明のポンプ配置を制限するものとして解釈されてはならない。例示の燃料システム１０は、商用ジェット機に使用されるような小型エンジン用途に適合させることができる。大型エンジン用途並びにその他の小型エンジン用途には、別のあるいは追加の構成要素を有するものとなるであろう。

変速機１４は、シャフト１７を介してブーストポンプインデューサ１８を駆動する。ブーストポンプインデューサ１８は、燃料タンク１６から燃料を取り出し、燃料フィルター２０と燃料から熱を取り除く熱交換機２２に燃料を送る。

遠心ポンプ２４などの第１の非容積式ポンプは、シャフト２５で駆動される。遠心ポンプ２４からの燃料は、容積式ポンプ２６並びに燃料タンク１６内で燃料を加圧するフロー駆動弁２８に供給される。

容積式ポンプ２６は、変速機１４とタービンエンジン１２とは独立して操作可能な電動モータ３０で駆動される。一例において、電動モータ３０は、３馬力であり、かつおおよそ６．８０４ｋｇ（１５ポンド）の重量を有するものである。容積式ポンプ２６は、容積式ポンプが作用を受ける圧力に関係なく、所定の速度に対して一定容積の液体を与える。容積式ポンプ２６は、タービンエンジン１２に送られる燃料の量を計量し、所望の燃料容積を供給する。容積式ポンプ２６を通る燃料の容積は、電動モータ３０の速度を変化させることによって変えられるため、燃料絞り弁の必要性が排除される。

遠心ポンプ３２などの第２の非容積式ポンプは、シャフト３３で駆動される。遠心ポンプ２４，３２は、所望される方法でタービンエンジン１２の端から端まで燃料を送るのに必要な圧力を付与する。一例において、遠心ポンプ３２への入口における燃料の圧力は、０．４１３７〜０．７５８４５ＭＰａ（６０〜１１０ｐｓｉ）である。遠心ポンプ３２は、遠心ポンプ３２の出口において、燃料の圧力を、おおよそ７．５８４５〜８．２７４ＭＰａ（１１００〜１２００ｐｓｉ）まで上昇させる。

第２の遠心ポンプ３２からの燃料は、一例として、０．２７５８ＭＰａ（４０ｐｓｉ）で閉じる下限圧遮断弁３４を通って流れる。遮断ソレノイド３６ａは、例えば、パイロットによって開始された停止処理の間、タービンエンジン１２への燃料の流れを停止するよう操作可能である。別の遮断ソレノイド３６ｂは、例えば、速度過剰状態の間、タービンエンジン１２への燃料の流れを停止する。弁３４，３６ａ及び３６ｂは、従来技術において既知である。燃料は、従来周知のように、燃料を第１のノズル４０ａと第２のノズル４０ｂを介して送る分流器３８を通ってタービンエンジン１２へ送られる。

交流発電機４２は、シャフト４３で、ブーストポンプインデューサ１８並びに遠心ポンプ２４，３２と共に変速機によって駆動される。本発明の遠心ポンプ２４，３２の配置により、遠心ポンプ２４，３２及び交流発電機４２を同一の回転速度で駆動させることが可能となる。従来技術の場合においては、交流発電機４２とは異なる速度で容積式ポンプを駆動するために、変速機１４に別個のギアパッドが設けられる。交流発電機４２は、電動モータ３０を駆動するのに使用され得る動力を生成する。切替えデバイス、即ち中継器４８は、速度制御装置４４からの速度命令４６に応じて、所望の燃料容積に基づいて、電動モータ３０の速度を変えるために、交流発電機４２から電動モータ３０へと選択的に動力を提供する。電動モータ３０の燃料速度は、従来技術の燃料絞り弁と比較して、非常に正確に制御することが可能である。

容積式ポンプは、タービンエンジンの始動条件のための十分な燃料容積を提供するような寸法に作られている。即ち、容積式ポンプ２６の流速曲線は、始動中のタービンエンジン１２に必要な燃料の容積に一致するよう選択される。遠心ポンプ３２は、遠心ポンプ３２の揚程曲線が、タービンエンジンの背圧曲線に一致するよう選択される。この方法では、遠心ポンプ３２によって過剰な圧力が生じることがなく、高圧安全弁の必要性を排除し、かつ破裂や過圧状態に関する潜在的な問題も最小限にすることができる。

操作において、制御装置４４は、タービンエンジン１２について所望の燃料流量を決定し、かつ電動モータ３０に速度命令を与えることによって所望の燃料流量を要求する。電動モータ３０は、タービンエンジン１２の所望の燃料流量を満たすのに適切な容積の燃料を提供するよう選択された速度で容積式ポンプを駆動する。遠心ポンプ２４，３２は、図示される例においては、タービンエンジン１２によって駆動される。遠心ポンプ３２は、タービンエンジン１２の背圧曲線に対して所望の圧力で容積式ポンプ２６から燃料容積を送るための所望の燃料圧力を生じる。

図１は、遠心ポンプ２４と３２の間で直列に配置される容積式ポンプを概略的に図示している。その他の適切なポンプ配置も使用可能である。図２に示す一例において、容積式ポンプ２６が遠心ポンプ２４の下流と直列に流体的に連結されるよう、１つの遠心ポンプが取り除かれている。図３に示す別の例においては、遠心ポンプ２４は、容積式ポンプ２６の下流に配置されている。

本発明の好ましい実施態様を説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲内におけるある程度の変更は可能であることは認識しているであろう。そのような理由のため、本発明の真の範囲及び内容を決定するには特許請求の範囲を十分に検討すべきであろう。

図１は、遠心ポンプ及び容積式ポンプを有する本発明の燃料システムの例を示す概略図である。 図２は、ポンプの別の配置を示す概略図である。 図３は、ポンプのさらに別の配置を示す概略図である。

Claims (15)

1. それぞれ互いに独立して駆動可能な第１及び第２の駆動アッセンブリであって、該第２の駆動アッセンブリは所望の燃料流量に基づいて選択的に制御される速度を有する、第１及び第２の駆動アッセンブリと、
   該第１の駆動アセンブリによって駆動される非容積式ポンプであって、所望の燃料圧力を提供する、非容積式ポンプ、及び
   該第２の駆動アッセンブリによって駆動される容積式ポンプであって、該容積式ポンプは、該非容積式ポンプと流体的に連絡しており、前記速度に応じて所望の容積を計量する、容積式ポンプ、
   とを含んでなることを特徴とする、燃料システム。
2. 前記非容積式ポンプが遠心ポンプであることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
3. 前記第１の駆動アッセンブリが、タービンエンジンを包含することを特徴とする、請求項２記載の燃料システム。
4. 前記タービンエンジンによって第２の速度で駆動される交流発電機を含み、前記遠心ポンプは、該交流発電機と共に前記第２の速度で前記タービンエンジンによって駆動されることを特徴とする、請求項３記載の燃料システム。
5. 前記ポンプが、直列配置において互いに流体的に接続されることを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
6. 前記容積式ポンプが、前記非容積式ポンプの下流で流体的に接続されることを特徴とする、請求項５記載の燃料システム。
7. 前記非容積式ポンプが、前記容積式ポンプの下流で流体的に接続されることを特徴とする、請求項５記載の燃料システム。
8. 前記容積式ポンプが、非容積式ポンプと第２の非容積式ポンプの間で流体的に接続されることを特徴とする、請求項７記載の燃料システム。
9. 前記第２の駆動アッセンブリが電動モータを包含することを特徴とする、請求項１記載の燃料システム。
10. 制御装置及びタービンエンジンを含み、前記ポンプは該タービンエンジンに燃料を供給し、かつ該制御装置は、該タービンエンジンに要求される燃料を決定し、かつ該燃料要求を満たすための所望の燃料流量に対応する速度命令を前記電動モータに与えることを特徴とする、請求項９記載の燃料システム。
11. ａ） 所望の燃料流量を要求するステップと、
    ｂ） 該ステップａ）に応じて燃料容積を供給する速度で第１のポンプを駆動するステップ、及び
    ｃ） 前記第１のポンプとは独立して第２のポンプを駆動するステップであって、該第２のポンプは前記燃料容積に対する所望の燃料圧力を生じる、第２のポンプを駆動するステップ、
    を含んでなることを特徴とする、燃料システムの構成要素に燃料を送る方法。
12. 前記ステップｂ）が、前記第１のポンプを、タービンエンジンの始動の間に電動モータで駆動することを包含することを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 前記第１のポンプが、特徴的な流速曲線を有する容積式ポンプであり、前記方法は、前記タービンエンジンの始動の間の流速要求に基づいて該容積式ポンプを選択的に駆動するステップを含むことを特徴とする、請求項１２記載の燃料システム。
14. 前記第２のポンプが、特徴的な揚程曲線を有する遠心ポンプであり、前記ポンプは、タービンエンジンへの該所望の燃料流量を供給し、該タービンエンジンはエンジンの背圧曲線を有し、前記方法は、前記特徴的な揚程曲線が前記エンジンの背圧曲線に一致するように該遠心ポンプを選択するステップを含むことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
15. 前記ポンプは、直列配置において相互に流体的に接続され、前記第１のポンプは容積式ポンプであり、かつ前記第２のポンプは遠心ポンプであることを特徴とする、請求項１１記載の方法。

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