JP2013231406A - ガスタービンエンジンの燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータで駆動するギアポンプを用いてガスタービンエンジンに精度良く燃料を供給できるようにする。
【解決手段】昇圧部１０の電動モータ１３により回転駆動されるギアポンプ１２から吐出した燃料を、計量部２０の固定オリフィス２１と加圧バルブ２２との並列流路２３を経て、ガスタービンエンジンの燃料ノズル３０に供給する。並列流路２３の前後（上流側と下流側）の差圧を差圧計２４で測定し、これに基づきモータコントローラ１４が、並列流路２３を通過する燃料の実流量を検出する。検出した燃料の実流量が目標流量と一致しなくなった場合は、モータコントローラ１４がメモリに記憶したギアポンプ１２の回転数と燃料の吐出流量との相関特性のプロファイルを更新する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに対して燃料を供給する装置に関する。

航空機に使用されるガスタービンエンジンには、ギアポンプによって昇圧した燃料が供給される。現在の航空機では一般に、エンジンの動力によってギアポンプが回転される。しかし、専用の電動モータによりギアポンプを回転させる提案も行われている（例えば、特許文献１）。ギアポンプを電動モータにより回転させれば、エンジンの回転数に依存せずにギアポンプの回転数をコントロールすることができる。

米国特許第７５４０１４１号明細書

ところで、ギアポンプは定容積型ポンプであるので、流量が回転数に比例する。したがって、電動モータによるギアポンプの回転数をコントロールすれば、ギアポンプによる燃料の流量を適切な値にコントロールすることができる。しかし、ギアポンプの回転数対流量特性が経年劣化等により変化すると、電動モータの制御により燃料を正しい流量にコントロールすることができない。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、電動モータで駆動するギアポンプを用いてガスタービンエンジンに精度良く燃料を供給できるようにするガスタービンエンジンの燃料供給装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のガスタービンエンジンの燃料供給装置は、
ギアポンプの回転数対流量特性に基づいて決定した制御値で駆動した電動モータにより前記ギアポンプを回転させることで、該ギアポンプの回転数に対応する流量の燃料をガスタービンエンジンに供給する燃料供給装置において、
前記ギアポンプの下流側に設けられる固定オリフィスと、
前記固定オリフィスと並列に設けられ、前記ギアポンプから設定値を上回る流量で供給される燃料の圧力により開弁する加圧バルブと、
前記加圧バルブ及び固定オリフィスの並列流路の前後における燃料の差圧に基づいて、前記ギアポンプによる燃料の供給量を検出する供給量検出手段と、
前記供給量検出手段の検出結果に基づいて、前記制御値を補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のガスタービンエンジンの燃料供給装置によれば、例えば、ギアポンプの回転数対流量特性が経年劣化等により変化しても、その変化を、供給量検出手段により検出される燃料の実流量とそのときの電動モータの制御値とに基づいて把握することができる。

このため、把握した回転数対流量特性の変化に応じて、ガスタービンエンジンに目標流量の燃料が供給されるように電動モータの制御値を補正し、電動モータで駆動するギアポンプを用いてガスタービンエンジンに精度良く燃料を供給できるようにすることができる。

なお、請求項１に記載した本発明のガスタービンエンジンの燃料供給装置において、前記制御値が、前記燃料の目標流量に対応する回転数を前記回転数対流量特性のプロファイルから求めて該回転数から決定した値であり、前記補正手段が、前記制御値と前記供給量検出手段の検出結果とに基づいて前記プロファイルを更新し、更新後の前記プロファイルから求めた前記目標流量に対応する回転数から決定した値を、前記制御値の補正値とする構成としてもよい。

このように構成することで、ガスタービンエンジンに供給する燃料を目標流量にコントロールするための制御を、プロファイルを更新するだけのオープンループ制御で実現することができる。これにより、クローズドループによるフィードバック制御で制御系の構成を複雑にすることなく、簡易な構成で燃料供給量を目標流量にコントロールすることができる。また、プロファイルの更新をトリガとして、ギアポンプのメンテナンスや交換を促すメンテナンス情報を外部に出力し提供することができる。

また、請求項２に記載した本発明のガスタービンエンジンの燃料供給装置は、請求項１に記載した本発明のガスタービンエンジンの燃料供給装置において、前記加圧バルブが、前記弁座の下流側にドレイン通路を有しており、該ドレイン通路が、前記電動モータの停止後に前記固定オリフィスを通過した燃料を、前記ガスタービンエンジンへの供給前に排出することを特徴とする。

請求項２に記載した本発明のガスタービンエンジンの燃料供給装置によれば、請求項１に記載した本発明のガスタービンエンジンの燃料供給装置において、ギアポンプが吐出した燃料をギアポンプの上流側に還流させるシャットオフバルブを用いなくても、電動モータを停止させることで、ガスタービンエンジンへの燃料供給を停止させることができる。あるいは、シャットオフバルブとの併用で、ガスタービンエンジンに対する燃料の供給停止系を冗長化し、シャットオフバルブ系の不具合時にこれをバックアップすることができる。

本発明によれば、電動モータで駆動するギアポンプを用いてガスタービンエンジンに精度良く燃料を供給できるようにすることができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの燃料供給装置を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１の説明図に示す本実施形態の燃料供給装置１は、不図示の航空機において燃料タンク（図示せず）からガスタービンエンジンの燃料ノズル３０に燃料を供給するもので、昇圧部１０と計量部２０とを有している。

昇圧部１０は、低圧ポンプ１１により不図示の燃料タンクから取り込んだ燃料を吐出するギアポンプ１２と、このギアポンプ１２を回転駆動させる電動モータ１３と、電動モータ１３の回転数を制御するモータコントローラ１４と、ギアポンプ１２に並列接続されたリリーフバルブ（安全弁）１５とを有している。ギアポンプ１２は公知の定容積型ポンプであり、ギアポンプ１２による燃料の吐出流量はギアポンプ１２の回転数に比例する。

モータコントローラ１４はメモリ（図示せず）を有している。このメモリには、電動モータ１３の回転数に比例するギアポンプ１２の回転数と燃料の吐出流量との相関特性を示すプロファイル（回転数対流量特性のプロファイル）が記憶されている。また、モータコントローラ１４は、機体側の航空機用デジタル制御装置（ＦＡＤＥＣ）４０から、燃料の目標流量を指令信号によって受け取る。そして、モータコントローラ１４は、目標流量に見合ったギアポンプ１２の回転数をプロファイルから求め、その回転数でギアポンプ１２を回転駆動させるための電動モータ１３の回転数（請求項中の制御値に相当）を決定して、決定した回転数に電動モータ１３の回転数を制御する。

計量部２０は、固定オリフィス２１と、固定オリフィス２１と並列に設けられた加圧バルブ２２と、固定オリフィス２１及び加圧バルブ２２の並列流路２３の前後（上流側と下流側）の差圧を測定する差圧計２４とを有している。

固定オリフィス２１は、流路断面積が一定のオリフィスを有しており、加圧バルブ２２は、ギアポンプ１２による燃料の吐出流量が設定値を上回ると、その吐出流量に応じた弁開度で開弁する。ここで、設定値とは固定オリフィス２１を通過する燃料の流量である。したがって、並列流路２３を通過する燃料の流量は、加圧バルブ２２の閉弁時には固定オリフィス２１の通過流量（設定値）以下となり、加圧バルブ２２の開弁時には、固定オリフィス２１の通過流量（設定値）と加圧バルブ２２を通過する流量との合計値となる。

なお、固定オリフィス２１の通過流量（設定値）は、燃料ノズル３０を有するガスタービンエンジンの着火時（始動時）に必要な燃料の流量を超える程度の流量に合わせてある。このため、ギアポンプ１２による燃料の吐出流量が、設定値以上でかつ加圧バルブ２２が開弁する流量未満の範囲では、並列流路２３における燃料通過面積が固定オリフィス２１のみによって精度良く決められる。このため、精度が要求されるガスタービンエンジンの着火時流量の燃料を、燃料ノズル３０に正確に供給することができる。

また、燃料供給装置１による燃料ノズル３０への燃料供給を停止（シャットオフ）する場合は、昇圧部１０のリリーフバルブ１５と並列に設けられたシャットオフバルブ１６を、ＦＡＤＥＣ４０からの指令信号に基づいて不図示のコントローラが出力するシャットオフ信号により開弁させる。これにより、昇圧部１０から計量部２０に供給される燃料を低圧ポンプ１１とギアポンプ１２の間に還流させて、燃料ノズル３０への燃料供給を停止させることができる。

さらに、燃料ノズル３０に対する燃料供給の停止（シャットオフ）は、電動モータ１３によるギアポンプ１２の回転駆動を停止させることでも実現させることができる。但し、電動モータ１３を停止させてもギアポンプ１２がしばらく惰性で回転するので、加圧バルブ２２は閉弁してもギアポンプ１２の回転が止まるまでは、少量の燃料が固定オリフィス２１を通過してしまう。そこで、加圧バルブ２２に、大気圧に連通するドレイン通路２２ａを設け、固定オリフィス２１を通過した少量の燃料を、ガスタービンエンジンの回転により高圧状態の燃料ノズル３０よりもドレイン通路２２ａに流れさせて、例えば燃料タンクに戻すようにしてもよい。

上述したドレイン通路２２ａを加圧バルブ２２に設けることで、ガスタービンエンジンに対する燃料の供給停止系を冗長化し、昇圧部１０のシャットオフバルブ１６の系統に不具合が発生したときにこれをバックアップとすることができる。また、シャットオフバルブ１６を省略しドレイン通路２２ａのみによって燃料のシャットオフ系を構成してもよい。反対に、シャットオフバルブ１６のみによって燃料のシャットオフ系を構成する場合は、加圧バルブ２２のドレイン通路２２ａを省略してもよい。

上述した本実施形態の燃料供給装置１では、差圧計２４が計測した並列流路２３の前後（上流側と下流側）の差圧が、モータコントローラ１４にフィードバックされる。モータコントローラ１４は、差圧計２４が測定した差圧から並列流路２３を通過する燃料の実流量を検出する。そして、検出した燃料の実流量がＦＡＤＥＣ４０からの指令信号による目標流量と一致していない場合（許容された誤差範囲内の不一致を除く）は、メモリに記憶しているプロファイルを更新する。

更新するプロファイルは、モータコントローラ１４が算出した燃料の実流量と目標流量との比率を、現在メモリに記憶しているプロファイルの、ギアポンプ１２の回転数に対応する燃料の吐出流量に乗じることで得ることができる。また、ギアポンプ１２の回転数と差圧計２４の測定値から算出される燃料の実流量とを複数セット取得して、ギアポンプ１２の回転数と燃料の吐出流量との相関特性を求め直してもよい。

プロファイルが更新されると、それ以後は、モータコントローラ１４によって、ＦＡＤＥＣ４０からの指令信号による目標流量に対応するギアポンプ１２の回転数が更新後のプロファイルから求められ、求められた回転数でギアポンプ１２を回転駆動させるための電動モータ１３の回転数が決定される。そして、電動モータ１３の回転数がモータコントローラ１４によって、決定された回転数に制御される。

このように、本実施形態の燃料供給装置１では、モータコントローラ１４によって燃料の実流量が検出される。また、モータコントローラ１４のメモリに記憶させているプロファイルが更新されると、同じ目標流量に対応してモータコントローラ１４が決定する電動モータ１３の回転数が変化する。したがって、本実施形態では、モータコントローラ１４が請求項中の供給量検出手段と補正手段に対応している。

以上に説明したように、本実施形態の燃料供給装置１では、燃料の目標流量と実流量とが一致しなくなった場合に、モータコントローラ１４がメモリに記憶したギアポンプ１２の回転数と燃料の吐出流量との相関特性のプロファイルを更新する。このため、例えばギアポンプ１２の回転数対流量特性が経年劣化等により変化しても、その変化を、差圧計２４の計測結果からモータコントローラ１４が検出した燃料の実流量と、そのときの電動モータ１３の回転数（制御値）に比例するギアポンプ１２の回転数とに基づいて、把握することができる。

また、ギアポンプ１２の回転数と燃料の吐出流量との相関特性のプロファイルを参照して。燃料の目標流量に見合うギアポンプ１２や電動モータ１３の回転数を決定することで、ガスタービンエンジンに供給する燃料を目標流量にコントロールするための制御を、プロファイルを更新するだけのオープンループ制御で実現することができる。これにより、クローズドループによるフィードバック制御でギアポンプ１２や電動モータ１３の回転数を常時調整する場合のように制御系の構成を複雑にすることなく、簡易な構成で燃料供給量を目標流量にコントロールすることができる。

なお、プロファイルを更新したことをトリガとして、ギアポンプ１２のメンテナンスや交換を促すメンテナンス情報（ポンプ異常検知信号）を、機体側（外部）に出力し提供するようにしてもよい。また、プロファイルの更新の有無に関わらず、目標流量と実流量の一致／不一致やそのギャップ等を、ポンプ性能トレンド情報として機体側に出力し提供するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、電動モータ１３の回転数に比例するギアポンプ１２の回転数と燃料の吐出流量との相関特性を示すプロファイルの更新によって、ガスタービンエンジンに供給する燃料を目標流量にコントロールするための制御を行う構成について説明した。しかし、ＦＡＤＥＣ４０からの指令信号による燃料の目標流量と、差圧計２４が測定した差圧から検出した並列流路２３を通過する燃料の実流量とが一致しなくなった場合に、クローズドループによるフィードバック制御を行うようにしてもよい。その場合は、実流量が目標流量に一致するように、モータコントローラ１４がフィードバック制御を行うことになる。これによっても、ガスタービンエンジンに対する燃料供給量を目標流量に精度良くコントロールすることができる。

１ 燃料供給装置
１０ 昇圧部
１１ 低圧ポンプ
１２ ギアポンプ
１３ 電動モータ
１４ モータコントローラ
１５ リリーフバルブ
１６ シャットオフバルブ
２０ 計量部
２１ 固定オリフィス
２２ 加圧バルブ
２２ａ ドレイン通路
２３ 並列流路
２４ 差圧計
３０ 燃料ノズル
４０ ＦＡＤＥＣ

Claims (2)

1. ギアポンプの回転数対流量特性に基づいて決定した制御値で駆動した電動モータにより前記ギアポンプを回転させることで、該ギアポンプの回転数に対応する流量の燃料をガスタービンエンジンに供給する燃料供給装置において、
   前記ギアポンプの下流側に設けられる固定オリフィスと、
   前記固定オリフィスと並列に設けられ、前記ギアポンプから設定値を上回る流量で供給される燃料の圧力により開弁する加圧バルブと、
   前記加圧バルブ及び固定オリフィスの並列流路の前後における燃料の差圧に基づいて、前記ギアポンプによる燃料の供給量を検出する供給量検出手段と、
   前記供給量検出手段の検出結果に基づいて、前記制御値を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とするガスタービンエンジンの燃料供給装置。
2. 前記加圧バルブは、前記弁座の下流側にドレイン通路を有しており、該ドレイン通路は、前記電動モータの停止後に前記固定オリフィスを通過した燃料を、前記ガスタービンエンジンへの供給前に排出する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の燃料供給装置。

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