JP2013032707A - ガスタービンエンジン用の燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比してより早く燃焼室への燃料供給を遮断することができるガスタービンエンジン用の燃料供給システムを提供する。
【解決手段】燃焼室に燃料を供給する燃焼ノズル１１に接続された合流通路１９と、合流通路１９に燃料を吐出する第１、２ポンプＰ１、Ｐ２と、両ポンプＰ１、Ｐ２を駆動する第１、２電動モータＭ１、Ｍ２と、両ポンプＰ１、Ｐ２から燃焼ノズル１１への燃料供給を可能とする第１の状態、もしくは、両ポンプＰ１、Ｐ２から燃焼ノズル１１への燃料供給を遮断する第１遮断弁２２と、異常検出信号の入力により、第１遮断弁２２を第２の状態に変位させるとともに、第２電動モータＭ２の駆動を停止する停止制御を行うＯＳＬと、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに燃料を供給する燃料供給システムに関する。

従来、ガスタービンエンジン用の燃料供給システムとして、例えば特許文献１に示されるものが知られている。こうした燃料供給システムにおいては、通常、エンジンの過回転を防止する過回転防止装置など、燃焼室への燃料供給を即座に停止させる装置が設けられている。

過回転防止装置は、ポンプとエンジンの燃焼室とを接続する燃料供給通路に設けられた遮断弁と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出装置と、を備えており、エンジン回転数が所定数以上になると、遮断弁を作動して燃焼室への燃料供給を遮断することとなる。

特開２０１０−１９２４９号公報

しかしながら、上記の燃料供給システムによれば、エンジン回転数検出装置によってエンジンの過回転が検出されてから、実際に燃料供給が遮断されるまでに僅かながら作動遅れが生じる。また、燃料供給を遮断する場合においても、ポンプからは通常どおりに燃料が吐出されているため、遮断弁が作動するまでは燃焼室に燃料供給が供給されてしまう。

本発明の目的は、従来に比してより早く燃焼室への燃料供給を遮断することができるガスタービンエンジン用の燃料供給システムを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービンエンジン用の燃料供給システムは、エンジンの燃焼室に燃料を供給するガスタービンエンジン用の燃料供給システムであって、燃焼室に燃料を供給する燃焼ノズルに接続された燃料供給通路と、燃料供給通路に燃料を吐出するポンプと、ポンプを駆動する電動モータと、ポンプから燃焼ノズルへの燃料供給を可能とする第１の状態、もしくは、ポンプから燃焼ノズルへの燃料供給を遮断するかまたは第１の状態よりも燃焼ノズルへの燃料供給を減量する第２の状態に変位可能な遮断弁と、異常を検出する異常検出手段と、異常検出手段からの異常検出信号の入力により、遮断弁を第２の状態に変位させるとともに、電動モータの駆動を停止する停止制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明のガスタービンエンジン用の燃料供給システムは、異常検出手段が、エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段によって構成され、制御手段は、エンジン回転数検出手段によって、一定の回転数以上のエンジンの回転数が検出された場合に停止制御を行うことを特徴とする。

また、本発明のガスタービンエンジン用の燃料供給システムは、制御手段が、エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの回転数が第１の閾値以上になった場合に、遮断弁を第２の状態に制御し、エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの回転数が第１の閾値よりも高回転数に設定された第２の閾値以上になった場合に、遮断弁を第２の状態に制御するとともに電動モータの駆動を停止することを特徴とする。

本発明によれば、従来に比してより早く燃焼室への燃料供給を遮断することができる。

ターボファンエンジンの概略断面図である。 燃料供給システムを説明する図である。 ターボファンエンジンの始動時の制御を説明するフローチャートである。 過回転防止制御を説明するフローチャートである。 過回転防止制御の変形例を説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

ここでは、ガスタービンエンジンであるターボファンエンジンの概略構成について説明した後、当該ターボファンエンジンの燃焼室に燃料を供給するための燃料供給システムについて説明する。

図１は、ターボファンエンジンの概略断面図である。この図に示すように、ターボファンエンジン１は、ファン２が設けられたアウターカウル３ａと、このアウターカウル３ａ内に位置するインナーカウル３ｂとを備えている。インナーカウル３ｂには、ファン２によって吸入された吸入空気を圧縮する圧縮機４と、この圧縮機４によって圧縮された圧縮空気を燃焼する燃焼室５と、この燃焼室５の燃焼工程で生じる排気ジェットの噴出力を回転エネルギーに変換する高圧タービン６ａおよび低圧タービン６ｂと、を備えている。

この高圧タービン６ａによって変換された回転エネルギーは、シャフト７ａを介して圧縮機４のロータ８に伝達され、このロータ８の回転によって圧縮機４が作動する。また、低圧タービン６ｂによって変換された回転エネルギーは、シャフト７ａ内に設けられたシャフト７ｂを介してファン２に伝達され、低圧タービン６ｂの回転エネルギーによってファン２が作動することとなる。

圧縮機４は、インナーカウル３ｂとロータ８との間隔によって形成される環状流路９を備えている。この環状流路９は、空気が吸入される上流側から、燃焼室５に接続される下流側に向けて徐々に狭くなる構成となっており、圧縮機４に吸入された吸入空気は、環状流路９の上流側から下流側に導かれるにつれて徐々に昇圧することとなる。

上記のように、圧縮機４によって昇圧された圧縮空気を燃焼するために、燃焼室５には、燃焼ノズル１１から燃料が供給される。以下では、燃焼室５に燃料を供給する燃料供給システムについて詳細に説明する。

図２は、本実施形態における燃料供給システム１０を説明する図である。この図に示すように、燃料が貯留される燃料タンクＴには、吸入通路１２を介してブーストポンプ１３の吸入側が接続されている。このブーストポンプ１３はインペラポンプによって構成されており、その吐出側には供給通路１４が接続されている。これにより、燃料タンクＴに貯留される燃料は、ブーストポンプ１３によって昇圧されて供給通路１４に導かれることとなる。

上記の供給通路１４には、ギヤポンプによって構成される第１ポンプＰ１、および、この第１ポンプＰ１よりも大容量の第２ポンプＰ２が並列して接続されている。より詳細には、供給通路１４には、第１ポンプＰ１の吸入側、および、第２ポンプＰ２の吸入側が接続されており、ブーストポンプ１３によって昇圧された燃料が、両ポンプＰ１、Ｐ２に導かれることとなる。

そして、第１ポンプＰ１の吐出側には、第１通路１５が接続されており、第２ポンプＰ２の吐出側には、第２通路１６が接続されている。これら両通路１５、１６には、それぞれチェックバルブ１７、１８が設けられており、両通路１５、１６は、両チェックバルブ１７、１８の下流側において、燃焼ノズル１１に接続された合流通路１９に合流するようになっている。この合流通路１９には、加圧バルブ２０が設けられており、第１ポンプＰ１または第２ポンプＰ２から吐出される燃料が、設定圧以上に加圧されて燃焼ノズル１１に導かれることとなる。なお、第１通路１５、第２通路１６および合流通路１９によって、燃料供給通路が構成されている。

また、合流通路１９には、還流通路２１が接続されている。この還流通路２１は、一端が加圧バルブ２０よりも上流側の合流通路１９に接続され、他端が供給通路１４に接続されている。そして、この還流通路２１には、合流通路１９と供給通路１４とを連通したり、あるいはその連通を遮断したりする電磁弁からなる第１遮断弁２２が設けられている。この第１遮断弁２２は、通常、合流通路１９と供給通路１４との連通を遮断する閉状態に維持されており、通電制御された場合にのみ、閉状態から開状態に変位して合流通路１９と供給通路１４とを連通させることとなる。

また、合流通路１９であって、加圧バルブ２０と燃焼ノズル１１との連通過程には、電磁弁からなる第２遮断弁２３が設けられている。この第２遮断弁２３は、通常、合流通路１９と燃焼ノズル１１とを連通させる開状態に維持されており、通電制御された場合にのみ、開状態から閉状態に変位して合流通路１９と燃焼ノズル１１との連通を遮断する。このとき、第２遮断弁２３には、リターン通路２４が接続されており、第２遮断弁２３が閉状態に変位した際に、合流通路１９に導かれた燃料が、リターン通路２４を介して供給通路１４に還流する構成となっている。

なお、図中、符号２５は、加圧バルブ２０の前後の差圧を検出する差圧計、符号２６はリリーフ弁を示している。

そして、本実施形態においては、第１ポンプＰ１の駆動源として第１電動モータＭ１が設けられており、第２ポンプＰ２の駆動源として第２電動モータＭ２が設けられている。また、第１電動モータＭ１の出力軸には、第１ポンプＰ１と同軸上にブーストポンプ１３が接続されている。つまり、第１電動モータＭ１は、第１ポンプＰ１およびブーストポンプ１３の２つのポンプの駆動源として機能するものであり、第１電動モータＭ１を駆動することにより、ブーストポンプ１３と第１ポンプＰ１との双方が同時に作動することとなる。

上記の第１電動モータＭ１は、コントローラＣ１によって制御され、第２電動モータＭ２は、コントローラＣ２によって制御される。そして、これら両コントローラＣ１、Ｃ２に制御信号を出力するのが全般デジタルエンジン制御（Full Authority Digital Engine Control、以下「ＦＡＤＥＣ」という）である。このＦＡＤＥＣには、上記した差圧計２５によって検出される加圧バルブ２０前後の差圧をはじめとするターボファンエンジン１に係る各種の検出信号や操作信号等が入力されるようになっており、入力信号に基づいて、両電動モータＭ１、Ｍ２や、上記の第２遮断弁２３を制御して、燃焼ノズル１１への供給流量を制御することとなる。

また、本実施形態の燃料供給システム１０は、図１および図２に示すように、ターボファンエンジン１におけるシャフト７ａの回転数を検出する回転数検出センサ２７を備えている。この回転数検出センサ２７によって検出される検出信号は、ＦＡＤＥＣとは独立した電子制御システムであるオーバー・スピード・リミッタ（以下「ＯＳＬ」という）に入力される。ＯＳＬは、シャフト７ａの回転数が所定の閾値を上回ったか否かを監視しており、閾値を上回ったと判定した際に、第１遮断弁２２を通電制御して開状態に変位させる。また、これと同時に、第２電動モータＭ２の電源を遮断する制御信号をコントローラＣ２に出力し、第２電動モータＭ２の駆動を停止させるように制御を行う。

次に、上記の構成からなる燃料供給システム１０の作用について説明する。図３は、ＦＡＤＥＣによるターボファンエンジン１の始動時の制御を説明するフローチャートである。

（ステップＳ１）
まず、ターボファンエンジン１を始動する操作信号が入力されると、ＦＡＤＥＣは、コントローラＣ１に対して第１電動モータＭ１を駆動する信号を出力する。

（ステップＳ２）
次に、ＦＡＤＥＣは、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が所定数以上になったかを監視する。

（ステップＳ３）
上記ステップＳ２において、シャフト７ａの回転数が所定数以上になったと判定した場合には、ＦＡＤＥＣは、第２電動モータＭ２を駆動する信号を出力する。

上記のように、ターボファンエンジン１の始動時には、まず、第１電動モータＭ１が駆動され、ブーストポンプ１３と第１ポンプＰ１とが同時に作動する。このとき、第１ポンプＰ１は、定格回転数で作動しても、ターボファンエンジン１の最低必要流量に満たない流量のみしか吐出することができない程度の小容量となっている。換言すれば、第１ポンプＰ１は、定格回転数においてもターボファンエンジン１を作動することができない容量となっている。そして、第１電動モータＭ１は、ターボファンエンジン１の始動時から、第１ポンプＰ１が定格回転数を確保するように駆動制御される。しかも、ブーストポンプ１３は、このときの第１電動モータＭ１の駆動によって、燃料を十分に昇圧可能な回転数を確保するように設計されている。

これにより、ターボファンエンジン１の始動時において、第１ポンプＰ１の吸入側には、ブーストポンプ１３によって十分に昇圧された燃料が導かれるとともに、第１ポンプＰ１から第１通路１５に確実に燃料が供給されることとなる。また、このとき、第１ポンプＰ１は、定格回転数を確保することから、ポンプ軸とベアリングとの摺動面において十分な油膜形成がなされ、軸受が摩耗、劣化するおそれもない。換言すれば、ターボファンエンジン１の始動時においても、第１ポンプＰ１が低回転領域で連続作動することがなく、低回転領域においてポンプが作動することの不具合を解消することができる。

そして、シャフト７ａの回転数が所定数以上になったところで大容量の第２ポンプＰ２が作動するが、このとき、第１電動モータＭ１は駆動したままとなっている。したがって、第２ポンプＰ２の吸入側にも、ブーストポンプ１３によって十分に昇圧された燃料が導かれ、第２ポンプＰ２から確実に燃料を吐出することが可能となっている。

また、ＦＡＤＥＣは、各種の検出信号や操作信号に基づいて供給流量を制御することとなるが、この場合、両電動モータＭ１、Ｍ２の回転数を適宜制御することで、燃料供給を最適に行うことが可能となる。したがって、従来のように、燃焼室５に供給すべき燃料を計量する計量弁が不要となる。

図４は、ＯＳＬによる過回転防止制御を説明するフローチャートである。

（ステップＳ１１）
ＯＳＬは、ターボファンエンジン１が始動すると、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が閾値以上になったか否かを常時監視する。

（ステップＳ１２）
上記ステップＳ１１において、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が閾値以上になったと判定した場合には、ＯＳＬは、第１遮断弁２２を通電制御して開状態にする。

（ステップＳ１３）
次に、ＯＳＬは、第２電動モータＭ２の電源を遮断する信号をコントローラＣ２に出力する。

これにより、ターボファンエンジン１が過回転状態にある場合には、合流通路１９に導かれた燃料が還流通路２１を介して供給通路１４に還流するとともに、これと同時に、電動モータＭ２の電源が遮断されて第２ポンプＰ２が作動を停止する。このとき、第２電動モータＭ２の電源遮断は瞬時になされるものの、第１遮断弁２２が完全に開状態に変位するまでには、僅かながら作動遅れが生じる。

しかしながら、第１遮断弁２２が開状態になるまでの間、第２ポンプＰ２には逆回転方向に負荷が作用しており、この負荷によって、第２電動モータＭ２の電源が遮断された瞬間に第２ポンプＰ２の作動が停止され、大容量を有する第２ポンプＰ２からの燃料供給が瞬時に停止されることとなる。このように、第１遮断弁２２を開状態にするのと同時に第２電動モータＭ２の電源を遮断することにより、より早く燃料供給を停止することが可能となる。

なお、詳しい説明は省略するが、回転数検出センサ２７によって検出されるシャフト７ａの回転数が閾値以上になった場合には、ＦＡＤＥＣにより、第２遮断弁２３を閉状態に制御するようにしている。また、本実施形態においては、ターボファンエンジン１が過回転状態となった場合に、第２電動モータＭ２のみを停止制御することとし、第１電動モータＭ１は駆動を継続することとしたが、ＦＡＤＥＣやＯＳＬによって、第１電動モータＭ１の電源を遮断するようにしてもよい。ただし、第１ポンプＰ１は第２ポンプＰ２に比べて小容量であることから、第１遮断弁２２に生じる僅かな作動遅れの時間に第１ポンプＰ１から燃料供給がなされても、第２電動モータＭ２の駆動を停止することによる効果を減退するものではない。

また、本実施形態においては、ターボファンエンジン１が過回転状態になった際に、ＯＳＬは、必ず、第２電動モータＭ２の電源を遮断することとしたが、例えば、ＯＳＬが、以下のように制御することとしてもよい。

図５は、ＯＳＬによる過回転防止制御の変形例を説明するフローチャートである。なお、このＯＳＬによる処理は所定時間（例えば数ミリ秒）おきに繰り返し行われる。

（ステップＳ２１）
ＯＳＬは、ターボファンエンジン１が始動すると、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が第１の閾値以上になったか否かを判定し、第１の閾値以上ではないと判定した場合には当該処理を終了する。

（ステップＳ２２）
上記ステップＳ２１において、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が第１の閾値以上になったと判定した場合には、ＯＳＬは、第１遮断弁２２を通電制御して開状態にする。

（ステップＳ２３）
次に、ＯＳＬは、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が、第１の閾値として設定される回転数よりも高回転数である第２の閾値以上になったか否かを判定する。その結果、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が、第２の閾値以上であると判定した場合にはステップＳ２４に処理を移し、第２の閾値以上ではないと判定した場合には当該処理を終了する。

（ステップＳ２４）
上記ステップＳ２３において、回転数検出センサ２７から入力されるシャフト７ａの回転数が第２の閾値以上になったと判定した場合には、ＯＳＬは、第２電動モータＭ２の電源を遮断する。

以上のように、第１の閾値と第２の閾値とを設け、シャフト７ａの回転数が第１の閾値以上になった場合には第１遮断弁２２を開状態に制御し、第２の閾値以上になった場合にのみ第２電動モータＭ２の電源を遮断する。このようにすれば、燃料供給を停止する緊急性が低い場合や、比較的短時間で過回転状態が回避されて通常制御に復帰すると考えられる場合（第１の閾値以上であって第２の閾値未満の場合）には、第２電動モータＭ２の駆動が継続されるので、通常制御に復帰した際に、燃料供給を即座に再開することができる。一方で、緊急性が高い場合等には、同時に第２電動モータＭ２の電源が遮断されるので、上記のように、瞬時に燃料供給を停止して、過回転状態をより早期に回避することが可能となる。

なお、上記実施形態や変形例において、第１遮断弁２２の開状態において、燃焼ノズル１１への燃料供給を完全に遮断するように流量制御してもよいし、第１遮断弁２２の開状態において絞りを形成して、燃焼ノズル１１に対して一定流量が確保されるように流量制御してもよい。例えば、上記のターボファンエンジン１を１機のみ備えた航空機において、過回転防止時にも一定の推力保持を優先する場合には、第１遮断弁２２の開状態においても一定流量を確保することが考えられる。

一方で、上記のターボファンエンジン１を複数機備えた航空機においては、一部のターボファンエンジン１について、第１遮断弁２２の開状態に燃料供給を完全に遮断することが考えられる。そして、例えば、上記変形例において、第２の閾値を、過回転状態と判定する回転数に設定し、第１の閾値を、過回転状態と判定する回転数よりも少ない回転数に設定する。そして、第１遮断弁２２の開状態においても一定流量を確保することとすれば、一定の推力を保持しながら過回転状態を未然に防ぐことも可能となる。

なお、上記実施形態においては、ターボファンエンジンに燃料を供給する場合について説明したが、上記の燃料供給システム１０は、ターボファンエンジンに限らず、他の用途に用いるガスタービンエンジンにも広く適用可能である。

また、上記実施形態においては、第１ポンプＰ１および第２ポンプＰ２をギヤポンプとしたが、これらのポンプの種別は特に限定されるものではなく、また、容積形であってもよいし非容積形であってもよい。さらには、第１ポンプＰ１および第２ポンプＰ２を設ける構成としたが、燃焼ノズル１１に燃料を供給するためのポンプは１つでも構わない。また、第１遮断弁２２は、ポンプと燃焼ノズルとの間に設けられ、当該ポンプから燃焼ノズルへの燃料供給を可能とする第１の状態と、ポンプから燃焼ノズルへの燃料供給を遮断するかまたは第１の状態よりも燃焼ノズルへの燃料供給を減量する第２の状態に変位可能であれば、具体的な構成や配置等は特に限定されるものではない。

また、上記実施形態においては、シャフト７ａの回転数をエンジンの回転数として検出し、エンジンの回転数が一定の回転数以上となった場合に燃料供給の停止制御を行うこととしたが、停止制御のトリガーはこれに限らない。いずれにしても、何らかの異常を検出する異常検出手段を設け、異常検出信号の入力によって燃料供給の停止制御が行われるものであればよい。

なお、上記実施形態における第１遮断弁２２が本発明の遮断弁に相当し、第１遮断弁２２の閉状態が本発明の第１の状態に相当し、第２遮断弁２２の開状態が本発明の第２の状態に相当する。また、上記実施形態におけるＯＳＬが本発明の制御手段に相当する。また、上記実施形態における回転数検出センサ２７が本発明の異常検出手段（エンジン回転数検出手段）に相当する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ガスタービンエンジンに燃料を供給する燃料供給システムに利用することができる。

１ …ターボファンエンジン
５ …燃焼室
１０…燃料供給システム
１１…燃焼ノズル
１３…ブーストポンプ
１５…第１通路
１６…第２通路
１９…合流通路
２２…第１遮断弁
２７…回転数検出センサ
Ｍ１…第１電動モータ
Ｍ２…第２電動モータ
Ｐ１…第１ポンプ
Ｐ２…第２ポンプ
Ｔ …燃料タンク

Claims (3)

1. エンジンの燃焼室に燃料を供給するガスタービンエンジン用の燃料供給システムであって、
   前記燃焼室に燃料を供給する燃焼ノズルに接続された燃料供給通路と、
   前記燃料供給通路に燃料を吐出するポンプと、
   前記ポンプを駆動する電動モータと、
   前記ポンプから前記燃焼ノズルへの燃料供給を可能とする第１の状態、もしくは、前記ポンプから前記燃焼ノズルへの燃料供給を遮断するかまたは前記第１の状態よりも前記燃焼ノズルへの燃料供給を減量する第２の状態に変位可能な遮断弁と、
   異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段からの異常検出信号の入力により、前記遮断弁を第２の状態に変位させるとともに、前記電動モータの駆動を停止する停止制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とするガスタービンエンジン用の燃料供給システム。
2. 前記異常検出手段は、
   前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段によって構成され、
   前記制御手段は、
   前記エンジン回転数検出手段によって、一定の回転数以上の前記エンジンの回転数が検出された場合に前記停止制御を行うことを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の燃料供給システム。
3. 前記制御手段は、
   前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの回転数が第１の閾値以上になった場合に、前記遮断弁を第２の状態に制御し、
   前記エンジン回転数検出手段によって検出されるエンジンの回転数が第１の閾値よりも高回転数に設定された第２の閾値以上になった場合に、前記遮断弁を第２の状態に制御するとともに前記電動モータの駆動を停止することを特徴とする請求項２記載のガスタービンエンジン用の燃料供給システム。

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