JP2006138228A - Flow control system for gas turbine engine - Google Patents
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Abstract
Description
(発明の分野)
本発明は、一般に、流体流量を調節するシステムに係り、特に、バイパス流量を利用することにより可変容量ポンプからガスタービンへの液体燃料流量を調節するシステムに関する。
(Field of Invention)
The present invention relates generally to a system for regulating fluid flow, and more particularly to a system for regulating the flow of liquid fuel from a variable displacement pump to a gas turbine by utilizing a bypass flow.
(発明の背景)
定量分配燃料ポンプは、関係するエンジンへの適切な量の燃料供給を果たすべく過剰な燃料流量容量を持たせることから容量がしばしば過大になる。その結果、多くの運転条件のもとで多量の昇圧燃料が再循環のためポンプ入口に戻される。燃料の戻りと再循環では、再循環路で圧力が降下するに従って燃料に加えられる後に熱に変わる余分なエネルギによって燃料温度が著しく上昇する。新しい設計では、燃料が正規運転温度を維持する熱交換媒体として使用されるので燃料の加熱は重要な問題である。熱交換のための他の方法はサイズ、重量および費用のために望ましくない。このような問題は燃料ポンプがエンジンに燃料を供給する必要があるため新しいエンジンでは増長される。たとえば、新しい中型から大型のエンジンは案内翼として直動ピストンを利用している。直動ピストンは回転する燃料の駆動源を必要とする。この回転はエンジンへの燃料供給を極度に不足させる過渡的現象である。
可変容量燃料ポンプは燃料吐出量を変えることで定量分配燃料ポンプが持つ欠点を一部だけ克服することができる。燃料吐出量を変えることにより分配される燃料はエンジンの要求量にさらに近づく。従って、この再循環流量は再循環で発生する熱と併せて減少する。可変容量ポンプは開示の全てがここに参照によって取り入れられる、サンベルグ(Sunberg)に付与された米国特許第5,833,438号明細書に開示されるように、この技術分野では知られている。可変容量ポンプは典型的には固定軸と回動するカム・リングとを有するロータを備える。ロータに対するカム・リングの位置制御によりポンプ吐出量を制御する。吐出量はトルク・モータで駆動されるサーボ弁により制御される。しかし、エンジン運転条件は当業者により知られるようにエンジン・アクチュエータ回転始動およびそれに類する過程で起こる過渡的現象をしばしば伴う。このような急激な変化を伴う運転条件のもとでは従来のポンプ制御システムは素早く、かつ適切に応答することができない。さらに、多くの従来のポンプ制御システムは信頼のおけるやり方でエンジンに燃料を供給するのに必要とされる安定性を欠いている。すでに述べたように、技術状態の進歩にも拘わらず、可変容量ポンプは安定性に欠け、エンジンの要求する燃料を変えるのに十分に、かつ素早く応答することができない。結果として、性能は十分でなく、燃料流量は過剰であるのが常態となっている。
可変容量ポンプ制御装置の例は、ここに開示の全てが参照によって取り入れられる、ペック他(Peck他)に付与された米国特許第5,716,201号明細書およびルーター他(Reuter他)に付与された米国特許第5,715,674号明細書に開示されている。これらポンプ制御システムは、エンジン運転条件の全範囲を通じて燃料流量を正確に保持することを意図する。しかし、上記のように、このようなシステムはなお複雑さであるような不適切な部分を備える。さらにまた、このようなシステムは再循環される過剰な燃料を分配することで供給帯域の妥当な範囲でしか燃料供給を達成できない。また、ポンプ制御システムには費用および複雑さを必要以上に増す複雑な電子回路や多くの追加装備品を備えることは望ましくない。
上述した点を考慮して、安定性に富み、かつ従来技術にみられる関係する欠点のない可変容量ポンプの吐出量を素早く調節する、簡素な設計を有する流量制御システムを提供することが望ましい。
(Background of the Invention)
Metered fuel pumps are often excessive in capacity because they have an excess fuel flow capacity to deliver the proper amount of fuel to the engine involved. As a result, a large amount of boosted fuel is returned to the pump inlet for recirculation under many operating conditions. In fuel return and recirculation, the fuel temperature rises significantly due to the extra energy that is converted into heat after being added to the fuel as pressure decreases in the recirculation path. In new designs, heating of the fuel is an important issue because the fuel is used as a heat exchange medium that maintains the normal operating temperature. Other methods for heat exchange are undesirable due to size, weight and cost. This problem is exacerbated in new engines because the fuel pump needs to supply the engine with fuel. For example, new medium to large engines use linear motion pistons as guide vanes. A linear piston requires a drive source for rotating fuel. This rotation is a transient phenomenon that causes an extremely short supply of fuel to the engine.
The variable displacement fuel pump can overcome only a part of the drawbacks of the metering fuel pump by changing the fuel discharge amount. The fuel distributed by changing the fuel discharge amount further approaches the required amount of the engine. Therefore, this recirculation flow rate decreases together with the heat generated by recirculation. Variable displacement pumps are known in the art as disclosed in US Pat. No. 5,833,438 to Sunberg, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Variable displacement pumps typically include a rotor having a fixed shaft and a rotating cam ring. The pump discharge is controlled by controlling the position of the cam ring relative to the rotor. The discharge amount is controlled by a servo valve driven by a torque motor. However, engine operating conditions are often accompanied by transient phenomena that occur during engine actuator rotation start and similar processes, as is known by those skilled in the art. Under such operating conditions involving rapid changes, the conventional pump control system cannot respond quickly and appropriately. In addition, many conventional pump control systems lack the stability required to fuel the engine in a reliable manner. As already mentioned, despite advances in the state of the art, variable displacement pumps are not stable and cannot respond sufficiently and quickly to change the fuel demanded by the engine. As a result, performance is not sufficient and fuel flow is usually excessive.
Examples of variable displacement pump controllers are given in U.S. Pat. No. 5,716,201 granted to Peck et al. And Router et al. (Reuter et al.), All of which are hereby incorporated by reference. U.S. Pat. No. 5,715,674. These pump control systems are intended to maintain fuel flow accurately throughout the full range of engine operating conditions. However, as mentioned above, such a system still has improper parts that are complex. Furthermore, such a system can achieve fuel supply only within a reasonable range of supply zones by distributing excess fuel that is recirculated. Also, it is undesirable to provide a pump control system with complex electronic circuitry and many additional equipment that add more expense and complexity than necessary.
In view of the above, it would be desirable to provide a flow control system with a simple design that quickly adjusts the discharge volume of a variable displacement pump that is both stable and free of the associated drawbacks found in the prior art.
(発明の要旨)
一実施例において、本発明はポンプ吐出量を計量するため可変容量ポンプと流体連通する計量弁を備える、可変容量ポンプを制御する流量制御システムに関する。計量弁前後の差圧を保持する調節弁は第1圧力を保つバイパス流量として可変容量ポンプの吐出の一部を受け入れる。ここで、調節弁の出力は一時的圧力であり、この一時的圧力は第1圧力の平均に概ね等しい、低基準圧力である。アクチェエータは可変容量ポンプのカム・リングに接続されるピストンに動作を及ぼすことで可変容量ポンプの吐出を設定する。このアクチュエータの設定値は一時的圧力と第1圧力を保つ可変容量ポンプの吐出の第2部分との差圧で決定される。
本発明の目的は全ての運転条件で受け入れ可能な安定性を保持しながら、燃料計量ユニットの応答性を増すことにある。
本発明の他の目的は可変容量ポンプのための油圧機械式燃料計量ユニットを提供することにある。さらに、他の目的は動的流量条件に素早く、かつ正確に応答する燃料計量ユニットを提供することにある。
他の実施例において、本発明はエンジンに燃料を供給する可変容量ポンプを計量する方法に関する。この方法は低基準圧力を保つ燃料を可変容量ポンプ内に受け入れる過程と、可変容量ポンプの吐出が高圧になるように可変容量ポンプで燃料を昇圧する過程と、計量弁で可変容量ポンプの吐出量を計量する過程と、エンジンが追加燃料を必要とするとき、素早く応答するため可変容量ポンプの吐出から流出戻り流量を生成する過程と、調整弁を用いて計量弁を前後の差圧を調節する過程とを含む。調節弁は流出戻り流量と低基準圧力の平均にほぼ等しい一時的圧力を発生するために流出戻り流量と流体連通している。この方法はまた吐出量を調節する可変容量ポンプのカム・リングに接続されるカム・アクチュエータを用いて可変容量ポンプの吐出量を調節する過程を含む。ここで、カム・アクチュエータはカム・アクチュエータの設定値を決定するために一時的圧力を受け入れる。
(Summary of the Invention)
In one embodiment, the present invention relates to a flow control system for controlling a variable displacement pump, comprising a metering valve in fluid communication with the variable displacement pump for metering pump discharge. The control valve that maintains the differential pressure before and after the metering valve receives a part of the discharge of the variable displacement pump as a bypass flow rate that maintains the first pressure. Here, the output of the control valve is a temporary pressure, which is a low reference pressure that is approximately equal to the average of the first pressures. The actuator sets the discharge of the variable displacement pump by acting on the piston connected to the cam ring of the variable displacement pump. The set value of this actuator is determined by the differential pressure between the temporary pressure and the second part of the discharge of the variable displacement pump that maintains the first pressure.
The object of the present invention is to increase the responsiveness of the fuel metering unit while maintaining acceptable stability under all operating conditions.
Another object of the present invention is to provide a hydraulic mechanical fuel metering unit for a variable displacement pump. Yet another object is to provide a fuel metering unit that responds quickly and accurately to dynamic flow conditions.
In another embodiment, the invention relates to a method for metering a variable displacement pump that supplies fuel to an engine. This method accepts fuel that maintains a low reference pressure into the variable displacement pump, boosts the fuel with a variable displacement pump so that the discharge of the variable displacement pump becomes high pressure, and discharges the variable displacement pump with a metering valve. , The process of generating the return flow from the discharge of the variable displacement pump to respond quickly when the engine needs additional fuel, and adjusting the differential pressure across the metering valve using a regulating valve Process. The regulator valve is in fluid communication with the outflow return flow to generate a temporary pressure approximately equal to the average of the outflow return flow and the low reference pressure. The method also includes the step of adjusting the discharge of the variable displacement pump using a cam actuator connected to the cam ring of the variable displacement pump for adjusting the discharge. Here, the cam actuator accepts a temporary pressure to determine the cam actuator setting.
(発明の詳細な説明)
図1を参照すると、一般に符号10で示される本発明による流量制御システムの図式的表示が示されている。以下の説明を明確にするため、流量制御システム10系内に示される矢印は燃料が流れる方向を示し、注釈文字“P”はある位置で保たれる圧力を示すために表記される。ここで左右、上下等全ての関連説明は図1に示されるように流量制御システム10を参照しており、限定する意味ではない。加えて、明確にするためフィルタおよび遮断ソレノイドのような通常の手段は図1に含まれない。流量制御システム10は過度の複雑さを回避しながら、安定した方法でエンジンの燃料要求に素早く応答するため、可動翼可変容量ポンプ12の吐出量を保持する。
可変容量ポンプ12はロータ14と回動するカム・リング16とを含む。可動翼可変容量ポンプの詳細な説明は、ここにその全体が参照によって取り入れられる、2003年6月5日に公開された米国特許出願公開第2002/0103849号明細書を参照する。可変容量ポンプ12は入口圧力PAFを保つ燃料流量を受け入れ、吐出圧力PFの燃料流量を吐出する。ピストン18はロータ14に対するカム・リング16の位置を制御するカム・リング16に動作可能に接続されており、これによって可変容量ポンプ12の吐出量を変化させる。カム・アクチュエータ装置20は以下に述べるようにピストン18を位置決めする。これと同様に機能する、類似および変形した配置、従って単なる設計上の選択事項とみなされる他の形式のアクチュエータが請求された本発明の範囲内に含まれることは当業者には明らかである。可変容量ポンプ12の最大流量設定値はピストン18が左方向に最大距離を移動したときに生じる。
可変容量ポンプ12の吐出と流体連通するフィードバック・ライン21はカム・アクチュエータ20の入口22に接続されるライン29に圧力P1Wを保って燃料を供給する。オリフィス24とオリフィス26はライン29へ流れる流量を制限する。ライン29の圧力はP1W+PAFを2で割った値と大体等しく、図1にP11として示される。P1Wを保つ圧力が圧力PFとほぼ等しくなることは当業者には明らかである。フィードバック・ライン21はまた必要とされるとき、エンジン、主計量弁およびブリード・バンド・サーボ弁(図示せず)のような図示しない他の場所に圧力P1Wを保つ燃料を供給する。このライン29はまた低基準圧力PAFに接続する。カム・アクチュエータ20の他の入口28は以下で説明するように一時的圧力P12を保つ燃料を受け入れる。
カム・アクチュエータ20のハウジング23はハウジング23の内部を2つの部分に分けるピストン18を保持する。コイルばね30はピストン18を付勢する。ハウジング23内においてピストン18の右側の圧力はP1WとPAFとを平均した圧力に大体等しい。コイルばね30の寸法の決め方とハウジング23の左右両室間の差圧との兼ね合いがカム・アクチュエータ20内のピストン18を位置決めするように働く。カム・リング16はピストン動作に応じて移動し、可変容量ポンプ12の吐出量が変化する。好ましくは、コイルばね30は可変容量ポンプ12の始動のため最大流量でピストン18を位置決めするように寸法を決め、構成される。流量制御システム10全体を通じて、コイルばねは当業者に明らかなようにピストン面積と燃料圧力との積の関数として寸法が決められ、従って、ここでは詳しい説明はされない。
可変容量ポンプ12の吐出は主計量弁34とライン21に流入する前に堆積物を取り除くウオッシュ・フィルタ32通過する。主計量弁34はある選ばれた速度と圧力PMを保って燃料をエンジンに供給するため可変容量ポンプ13とエンジン(図示せず)との間に配置される。主計量弁34は圧力PFが予め選ばれる、ほぼ一定した値PMより確実に大きくする。これに適する主計量弁34はこの技術分野ではよく知られている。従って、ここでは詳しい説明はなされない。好ましい主計量弁34は通過する燃料量を選択的に変える機能を果たす。計量弁34は圧力PFを保つ燃料を受け入れ、燃料は圧力PMでそこを流出する。
ライン35は可変容量ポンプ12の吐出をバイパス圧力調節弁装置36に接続する。ライン35の流量は圧力PPを保つ流出戻り流量と称する。調節弁装置36はそこに動作可能に配置される、ばねで付勢されたスプール40を組み込む内部を形成しているハウジング38を備える。スプール40の左側の面はそこに圧力PFを及ぼす燃料を有する。計量ヘッド調節ねじ42は流量設定中、調節弁装置36内のスプール40の位置を校正するためスプール40に取り付けられる。ハウジング38は圧力PFの燃料を受け入れるためライン35に接続される入口44を形成する。ハウジング38の他の入口46はスプール40の動作を緩やかにするため静的ライン37から圧力PMを保つ燃料を受け入れる。オリフィス48が動作を緩やかにするためライン37に配置される。ハウジング40はまた調節弁装置36から流出する燃料を制限する出口50を形成する。この出口50はライン51を通して可変容量ポンプ12のライン28と流体連通している。ライン51はまたオリフィス52が流量を低基準圧力PAFに制限している、低基準圧力PAFに接続する。ライン51内の圧力は以下の説明で一時的圧力P12を指す、PFとPAFの平均に大体等しい。ハウジング40の左側に作用するPFと、スプール40のばねによるバイアス量を加えた右側に作用するPMとの差圧の兼ね合いが最終的にスプール40を位置決めする。
定常状態で運転中、調節弁装置36の左側とカム・アクチュエータ20の右側は大体同じ圧力を保っている。調節弁装置36を通過する再循環流量は出口50の一部を閉塞するスプール40で圧力が低く保たれ、流量制御システム10は過渡的現象にも素早くかつ十分に応答することができる。好ましい実施例において、正常な運転中、調節弁装置36内のスプール40はほぼ標準位置に保持される。最も新しいエンジンでは、エンジンの運転に伴って生じる燃料要求の変化はエンジンの回転と関係する変動と比べて比較的小さい。
過渡的現象が発生したとき、可変容量ポンプ12は素早く多量の燃料を送り出さなければならない。たとえば、過渡的現象はライン21内の圧力P1Wの回転駆動源を用いたアクチュエータ動作である。過渡的現象に伴う燃料の増加要求は即座にエンジンへの燃料流量を増加するように主計量弁34を開き、可変容量ポンプ12の吐出量を増加させる一連の動作が始まる。可変容量ポンプ12は吐出量の増加に即座に応答できないので、増加要求はライン35の流出戻り流量から流入する。結果として、圧力PMは上昇し、圧力PFは低下(すなわち、主計量弁34前後の差圧(PF−PM)の降下)する。調節弁装置36は差圧を感知し、スプール40が左方向に移動する。出口50の圧力は下がり、一方、カム・アクチュエータ20の左側に作用する圧力は降下する。カム・アクチュエータ20の左側に作用する圧力の減少によりピストン18が左方向に移動する。ピストン18が左に移動したとき、可変容量ポンプ12の吐出量は増加する。この増加したポンプ吐出量は主計量弁34前後の差圧が標準定常状態に戻り、定常条件が再度達成されるまで、圧力PFを上昇させる。
これに代わる実施例では、可変容量ポンプ12が過剰な燃料の再循環を防止する、吐出量を素早く減少しなければならないとき、エンジンへの燃料流量を減少するように主計量弁20を閉じ、可変容量ポンプ12の吐出量を減少させる一連の動作が始まる。可変容量ポンプ12は吐出量の減少に即座に応答できないので、流量制御システム10が即座に応答する。すなわち、減少要求は圧力PMの低下と圧力PPの上昇(すなわち、主計量弁34前後の差圧(PF−PM)の上昇)をもたらす。調節弁装置36は差圧の上昇を感知し、スプール40は右方向に移動する。結果として、出口50の圧力は上昇し、一方、カム・アクチュエータ20の左側に作用する圧力は上昇する。カム・アクチュエータ20の左側に作用する圧力の上昇によりピストン18が右方向に移動する。ピストン18が右に移動したとき、可変容量ポンプ12の吐出量は主計量弁14前後の差圧(PF−PM)がスプール40のほぼ標準位置である、標準定常状態に戻るまで減少する。
手短にいえば、調節弁装置36は流量制御システム10を過渡的要求に応じて素早く応答させながら、再循環流量を最小にするために使用される。再循環流量は調節され、スプール40の位置は定常状態で運転中ほぼ標準位置にある。低基準圧力とポンプ吐出圧力の平均にほぼ等しい圧力が調節弁とカム・アクチュエータによる設定のために用いられる。
本発明を好ましい実施例について説明したが、当業者が多様な変更および/または変形について添付の請求の範囲に定義されるような発明の精神または範囲から離れることなくなし得ることは容易に理解することができる。
(Detailed description of the invention)
Referring to FIG. 1, a schematic representation of a flow control system according to the present invention, generally indicated at 10, is shown. For clarity of the following description, the arrows shown in the
The
A
The
The discharge of the
During operation in a steady state, the left side of the
When a transient phenomenon occurs, the
In an alternative embodiment, the
In short, the
While the invention has been described in terms of a preferred embodiment, it will be readily appreciated that various changes and / or modifications can be made by those skilled in the art without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. be able to.
本発明に関連する当業者が本発明の実施とその使用方法について容易に理解できるように、図1を参照する。
Claims (22)
ポンプ吐出量を計量するため前記可変容量ポンプと流体連通する計量弁と、
前記計量弁前後の差圧を保持する調節弁装置と、
前記可変容量ポンプの吐出を設定するため前記可変容量ポンプに接続されるアクチュエータとを備え、
前記調節弁装置は第1圧力を保つバイパス流量として前記可変容量ポンプのポンプ吐出の一部を受け入れ、前記調節弁装置からの弁出力はその第1圧力と低基準圧力の平均に概ね等しい一時的圧力を保っており、
前記アクチュエータが前記アクチュエータの設定値を決定するため弁出力、よってポンプ吐出を受け入れる高安定流量制御システム。 A highly stable flow rate control system for controlling a variable displacement pump,
A metering valve in fluid communication with the variable displacement pump for metering pump discharge;
A regulating valve device for maintaining a differential pressure before and after the metering valve;
An actuator connected to the variable displacement pump for setting the discharge of the variable displacement pump,
The regulator valve device accepts a portion of the pump discharge of the variable displacement pump as a bypass flow rate that maintains a first pressure, and the valve output from the regulator valve device is temporarily equal to the average of the first pressure and the low reference pressure. Maintaining pressure,
A highly stable flow rate control system in which the actuator receives a valve output and thus pump discharge to determine a setpoint value of the actuator.
前記可変容量ポンプの吐出量を計量するため前記可変容量ポンプと流体連通する第1手段と、
第3手段前後の一定した差圧を保持するため前記第1手段と流体連通し、前記高圧と前記低基準圧力の平均に概ね等しい一時的圧力を発生する第2手段と、
前記可変容量ポンプの吐出量を制御するため前記可変容量ポンプに動作可能に接続される第3手段と、
対向する圧力を前記第3手段に与えるため前記可変容量ポンプの吐出側と前記第3手段との間に接続される燃料ラインとを備え、
前記第3手段の設定値が一時的圧力と対向する圧力との差圧に基づいている燃料計量ユニット。 A fuel metering unit that controls a variable displacement pump that receives a fuel that maintains a low reference pressure and generates a high-pressure discharge.
First means in fluid communication with the variable displacement pump for metering the discharge of the variable displacement pump;
Second means in fluid communication with the first means for maintaining a constant differential pressure across the third means and generating a temporary pressure approximately equal to the average of the high pressure and the low reference pressure;
Third means operatively connected to the variable displacement pump for controlling the discharge rate of the variable displacement pump;
A fuel line connected between the discharge side of the variable displacement pump and the third means for applying an opposing pressure to the third means;
The fuel metering unit, wherein the set value of the third means is based on a differential pressure between the temporary pressure and the opposing pressure.
前記可変容量ポンプの吐出が高圧になるように前記可変容量ポンプで前記燃料を昇圧する過程と、
計量弁で前記可変容量ポンプの吐出量を計量する過程と、
前記エンジンが追加燃料を必要とするとき、素早く応答するため前記可変容量ポンプの吐出から流出戻り流量を生成する過程と、
調節弁を用いて計量弁前後の差圧を調節する過程と、
前記吐出量を調節するため前記可変容量ポンプのカム・リングに接続されるカム・アクチュエータを用いて前記可変容量ポンプの吐出量を調節する過程とを含み、
前記調節弁は前記調節弁が前記流出戻り流量と前記低基準圧力の平均にほぼ等しい一時的圧力を発生するために前記流出戻り流量と流体連通しており、
前記カム・アクチュエータが前記カム・アクチュエータの設定値を決定するため一時的圧力を受け入れている方法。 A method of metering a variable displacement pump that supplies fuel to an engine, the step of receiving fuel that maintains a low reference pressure into the variable displacement pump;
Boosting the fuel with the variable displacement pump so that the discharge of the variable displacement pump becomes high pressure;
A process of measuring the discharge amount of the variable displacement pump with a metering valve;
Generating an effluent return flow from the discharge of the variable displacement pump to respond quickly when the engine requires additional fuel;
The process of adjusting the differential pressure before and after the metering valve using the control valve,
Adjusting the discharge amount of the variable displacement pump using a cam actuator connected to the cam ring of the variable displacement pump to adjust the discharge amount,
The regulator valve is in fluid communication with the outlet return flow rate so that the regulator valve generates a temporary pressure approximately equal to the average of the outlet return flow rate and the low reference pressure;
A method in which the cam actuator receives a temporary pressure to determine a setting value for the cam actuator.
21. The method of claim 20, further comprising the step of slowing the response of the regulator valve by directing the metering output of the metering valve to the regulator valve.
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