JP2009096324A - 抽気システム - Google Patents

Abstract

【課題】抽気システムの簡素化及びエンジンの負担の低減を達成する。
【解決手段】本発明は、エンジン抽気を調温及び調圧して、空調システム及び防除氷システムに予調和空気として供給する航空機用抽気システムであり、抽気の一部を分岐してタービン・コンプレッサのタービンへと導き、タービンでの断熱膨張により発生した回転動力を用いてコンプレッサを回転させ、抽気を空調システム及び防除氷システムが必要とする圧力まで圧縮する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機において、エンジンからの高温高圧な抽気を空気調和装置及び防除氷システムへ調温調圧して送る抽気システムに関する。

航空機用空気調和装置は、従来からエアサイクル方式が用いられてきた。これは、温度調節以外に高高度における機内の与圧が必要であり、高圧のエンジン抽気が使用できること、小型軽量である必要があることなどの理由による。
また、航空機の防除氷システムも高温高圧なエンジン抽気を使用している。

このため、高温高圧のエンジン抽気を調温、調圧するための抽気システムを装備する必要がある。近年一般的に用いられている抽気システムは、図２に示したような形態である。

この形態のシステムは、エンジンコンプレッサ５１からの高温高圧抽気をプレッシャ・レギュレーティング・バルブ６１で調圧した後、プリクーラ５３でエンジンファン５２のファンエアと熱交換することにより冷却して調温するものである。調温は、プリクーラ５３下流の温度センサ５７で検知される温度をもとに、抽気コントローラ５８からの制御信号によってファンエアバルブ６０の開度を制御してプリクーラ５３に供給されるファンエアの流量を調整することで行われる。

一方、調圧はプリクーラ下流の圧力センサ５６で検知される圧力をもとに、抽気コントローラ５８からの制御信号によって、プレッシャ・レギュレーティング・バルブ６１の開度を変えることで行なわれる。エンジンコンプレッサ５１からの抽気は、通常、中間段５１ａの抽気ポートから取り出されるが、飛行条件やエンジンの作動状態によって、中間段５１ａの抽気圧力が空調システムまたは防除氷システムが必要とする圧力より低い場合には、高圧段５１ｂの抽気ポートから抽気する必要がある。このような場合、抽気システムは高圧段バルブ５９及び高圧段バルブ５９下流の圧力センサ５５を用いて、高圧段５１ｂから抽気の供給及び調圧を行う。

なお、中間段５１ａの抽気ポート下流のチェックバルブ６２は、高圧段５１ｂからの抽気時に高圧段抽気が中間段５１ａの抽気ポートへ逆流するのを防止するためのものである。

このように高圧段からの高圧抽気と中間段から低圧抽気をバルブで制御して利用する抽気システムとして特許文献１が知られている。
これに対し、特許文献２には、中間段からの低圧抽気を電動コンプレッサで圧縮することによって、中間段の抽気圧力が空調システムまたは防除氷システムが必要とする圧力より低い場合においても高圧段からの抽気を不要とし、システムの簡素化及びエンジン負荷の低減を達成した発明が開示されている。
米国特許第５１６１３６４号公報 特開２００６−２７３１８３号公報

上記したような従来の抽気システムは、エンジンコンプレッサ５１に中間段５１ａ及び高圧段５１ｂの２つの抽気ポートを必要とする。このうち高圧段５１ｂからの抽気は、降下時等の高高度飛行でエンジンをアイドル状態にして中間段５１ａ圧力が低下した場合に必要となるのみである。この高圧段５１ｂからの抽気は中間段５１ａに比べて高温高圧であり、高圧段バルブ５９は故障率が高く、また下流の機器も含めて耐圧強度を確保するためシステム全体の質量も大きくなる。また、エンジンから高圧の空気を抽出することは、エンジンにとって、それだけ高圧空気を余分に作り出す必要があり、機体にとって大きな負担となっている。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであって、抽気システムの簡素化及びエンジンの負担の低減を達成できる抽気システムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するため、請求項１に記載の抽気システムは、エンジン抽気を調温及び調圧して、空調システム及び防除氷システムに予調和空気として供給する航空機用抽気システムであって、高高度飛行状態からの降下時等において、エンジンをアイドル状態にして中間段圧力が低下した場合に、空調システム及び防除氷システムが必要とする圧力まで抽気を圧縮するためのタービン・コンプレッサを配設することによって、高圧段からの抽気ポートを排除したことを特徴とする。

タービン・コンプレッサの動作を以下に説明する。タービン・コンプレッサはプリクーラの下流に設けられている。中間段圧力が低下した場合、タービン・コントロール・バルブが開かれ、中間段からの抽気がタービンへ送られる。コンプレッサはタービンに単軸結合されているため、中間段からの抽気がタービンで断熱膨張することによって得られる回転力でコンプレッサが回転し、空調システム及び防除氷システムが必要とする圧力まで抽気を圧縮する。

請求項２に記載の抽気システムは、請求項１に記載の抽気システムにおいて、分岐配管の経路中において前記タービンへ流入する抽気の圧力を調整するタービン・コントロール・バルブと、抽気系統における分岐配管とプリクーラとの間において圧力を検知する第１圧力センサと、抽気系統の圧力を調整するプレッシャ・レギュレーティング・バルブと、抽気システム出口における圧力を検知する第２圧力センサと、抽気コントローラとを備えたものである。

抽気コントローラは、第１圧力センサで検知した抽気圧力が空調システム及び防除氷システムが必要とするよりも高いときは、タービン・コントロール・バルブを閉じるよう制御し、第２圧力センサによって抽気システム出口での圧力をモニタしながらプレッシャ・レギュレーティング・バルブの開度を制御して必要とする圧力に調整し、第１圧力センサで検知した抽気圧力が空調システム及び防除氷システムが必要とするよりも低いときは、プレッシャ・レギュレーティング・バルブを全開にし、第２圧力センサによって抽気システム出口での圧力をモニタしながらタービン・コントロール・バルブの開度を制御して、必要とする圧力までコンプレッサによって抽気をさらに圧縮する。

請求項３に記載の抽気システムは、請求項１または請求項２に記載の抽気システムにおいて、抽気システム出口の温度を検知する温度センサと、エンジンファンとプリクーラの間に位置してファンエアの流量を調整するファンエアバルブと、抽気コントローラとを備えたものである。

温度センサで検知される温度を基に、抽気コントローラがファンエアバルブの開度を制御してプリクーラに供給されるファンエアの流量を調整することによって抽気の温度を調整する。

本発明が提供する抽気システムは、上記のように構成されており、エンジンコンプレッサの高圧段から抽気する必要がなくなるので、高圧段バルブやチェックバルブを備える必要がなくなるだけでなく、抽気によるエンジンへの負担を軽減するともに、構成機器の最高温度・圧力条件が大幅に緩和されて機器の信頼性が向上し、装置の軽量化も可能である。

以下、本発明が提供する抽気システムを図１に示す実施例にしたがって説明する。
図１は本実施例の抽気システムの概略構成図である。エンジンコンプレッサ１は中間段１ａと高圧段１ｂとが連結してなり、空調システム及び防除氷システムには、中間段１ａで圧縮されたエンジン抽気のみが供給されるよう構成されている。

プリクーラ３上流にはタービン・コントロール・バルブ９を介設した分岐配管１２が設けられている。分岐配管１２はプリクーラの下流に設けられたタービン・コンプレッサ４のタービン４aに接続されており、タービン４aで発生した回転力が単軸結合されたコンプレッサを回転させ、抽気をさらに圧縮する。

プリクーラ３上流には圧力センサ５とプレッシャ・レギュレーティング・バルブ１１が設けられており、分岐配管によって分岐した後の抽気圧力を調整する。実施例においては、圧力センサ５とプレッシャ・レギュレーティング・バルブ１１を抽気系統における分岐配管１２とプリクーラ３との間に設けているが、コンプレッサ４bで圧縮される前の圧力を検知して調整することができればよいので、分岐配管１２が分岐するよりも上流、あるいはプリクーラ３とコンプレッサ４bの間に設けても本発明の目的は達成される。

圧力センサ６及び温度センサ７は空調システム及び防除氷システムに送出される直前の抽気の圧力及び温度をモニタするものである。

エンジンファン２とプリクーラ３の間には、ファンエアの流量を調整するファンエアバルブ１０が設けられている。

抽気コントローラ８は、空調システム及び防除氷システムが必要とする温度及び圧力が得られるよう、温度センサ７、圧力センサ５、圧力センサ６で検知した温度及び圧力に基づいてタービン・コントロール・バルブ９、ファンエアバルブ１０、プレッシャ・レギュレーティング・バルブ１１を制御するものである。

以下、本発明が提供する抽気システムの動作について説明する。
地上、上昇及び巡航等においては、中間段１ａからの抽気圧力が十分に高いため、供給抽気の調圧は従来システムと同様にコンプレッサ４b下流の圧力センサ６によって検知される圧力を基に、抽気コントローラ８からの制御信号によってプレッシャ・レギュレーティング・バルブ１１の開度を変えることにより行う。圧力を高める必要はないので、抽気コントローラ８はタービン・コントロール・バルブ９を閉じる方向へ制御し、コンプレッサ４bによる圧縮は行われない。ここで、タービン・コントロール・バルブ９を全閉にしてしまうと、タービン４aによる回転力が得られず、コンプレッサが抵抗となり、抽気圧力のロスを生じてしまうため、タービン・コントロール・バルブ９を少し開け、タービン・コンプレッサ４を回転させておくのが好ましい。

次に高高度飛行状態からの降下時等はエンジンをアイドル状態にするため、中間段５１ａからの抽気圧力が低下し、そのままでは下流の空調システム及び防除氷システムで必要とする抽気圧力を得られない。このような条件において本発明の抽気システムは、以下のように動作する。

プレッシャ・レギュレーティング・バルブ１１上流の圧力センサ５がこれを検知すると、抽気コントローラ８はプレッシャ・レギュレーティング・バルブを全開にするよう制御する。さらに、プリクーラ３上流から分岐した分岐配管１２に設けられたタービン・コントロール・バルブ９を開弁し、このタービン・コントロール・バルブ９を通過した抽気がタービン・コンプレッサ４のタービン４ａの入口に導かれて、タービン４ａで断熱膨張しながらタービン・コンプレッサ４に回転動力を与えて回転軸の反対端に取り付けられたコンプレッサ４ｂの翼車が回転することで圧縮仕事が行われる。

コンプレッサ４ｂでは、プリクーラ３下流の抽気が入口に導かれており、この抽気は空調システム及び防除氷システムが必要とする圧力まで圧縮を行う。この場合、供給する抽気の調圧は、コンプレッサ４ｂの出口にある圧力センサ６で検知される圧力を基に、抽気コントローラ８がプリクーラ３上流の分岐配管１２にあるタービン・コントロール・バルブ９の開度制御を行うことによって実施する。

次に温度調整の動作について説明する。
温度センサ７で検知した温度に基づいて抽気コントローラ８がファンエアバルブ１０の開度を調整し、プリクーラ３に送られるファンエアの流量を変えることによって抽気の温度が調整される。具体的には、抽気の温度が空調システム及び防除氷システムが必要とする温度よりも高い場合には、ファンエアバルブ１０を開けるように制御し、多量のファンエアをプリクーラ３に送って抽気を必要とする温度まで下げる。逆に、抽気の温度が低い場合には、ファンエアバルブ１０を閉じるように制御し、プリクーラ３に送られるファンエアを少なくすることによって抽気を必要とする温度まで上げる。

本発明の抽気システムを示した図である。 従来の抽気システムを示した図である。

符号の説明

１…エンジンコンプレッサ、１ａ…中間段、１ｂ…高圧段、２…エンジンファン、３…プリクーラ、４…タービン・コンプレッサ、４ａ…タービン、４ｂ…コンプレッサ、５…圧力センサ、６…圧力センサ、７…温度センサ、８…抽気コントローラ、９…タービン・コントロール・バルブ、１０…ファンエアバルブ、１１…プレッシャ・レギュレーティング・バルブ、１２…分岐配管
５１…エンジンコンプレッサ、５１ａ…中間段、５１ｂ…高圧段、５２…エンジンファン、５３…プリクーラ、５５…圧力センサ、５６…圧力センサ、５７…温度センサ、５８…抽気コントローラ、５９…高圧段バルブ、６０…ファンエアバルブ、６１…プレッシャ・レギュレーティング・バルブ、６２…チェックバルブ

Claims (3)

1. エンジン抽気を調温及び調圧して、空調システム及び防除氷システムに予調和空気として供給する航空機用抽気システムであって、エンジンコンプレッサの中間段を抽気源とし、抽気系統の一部を分岐する分岐配管と、タービンとコンプレッサが単軸結合されたタービン・コンプレッサとを備え、分岐後の前記抽気が前記タービン・コンプレッサのタービンで断熱膨張することによって得られる動力をもとに前記タービン・コンプレッサのコンプレッサを回転させ、プリクーラを通過した抽気をさらに圧縮して空調システム及び防除氷システムへ供給することを特徴とする抽気システム。
2. 分岐配管の経路中において前記タービンへ流入する抽気の圧力を調整するタービン・コントロール・バルブと、抽気系統において前記コンプレッサで圧縮される前の圧力を検知する第１圧力センサと、前記抽気系統の圧力を調整するプレッシャ・レギュレーティング・バルブと、抽気システム出口における圧力を検知する第２圧力センサと、抽気コントローラとを備え、前記抽気コントローラは、前記第１圧力センサで検知した抽気圧力が前記空調システム及び防除氷システムが必要とするよりも高いときは、タービン・コントロール・バルブを閉じるよう制御し、前記第２圧力センサによって抽気システム出口での圧力をモニタしながらプレッシャ・レギュレーティング・バルブの開度を制御して必要とする圧力に調整し、前記第１圧力センサで検知した抽気圧力が前記空調システム及び防除氷システムが必要とするよりも低いときは、プレッシャ・レギュレーティング・バルブを全開にし、前記第２圧力センサによって抽気システム出口での圧力をモニタしながらタービン・コントロール・バルブの開度を制御して、必要とする圧力までコンプレッサによって抽気をさらに圧縮することを特徴とする請求項１に記載の抽気システム。
3. 抽気システム出口の温度を検知する温度センサと、エンジンファンとプリクーラの間に位置してファンエアの流量を調整するファンエアバルブと、抽気コントローラとを備え、前記温度センサで検知される温度を基に、前記抽気コントローラがファンエアバルブの開度を制御して前記プリクーラに供給されるファンエアの流量を調整することによって抽気の温度を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の抽気システム。

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