JP2015166593A - 可変容量型ベーンポンプを用いるダイレクト計量 - Google Patents

Abstract

【課題】計量ポンプとサーボポンプを有するダイレクト計量アーキテクチャを提供する。
【解決手段】本システムにおいて、エンジンシャフトがギヤボックス伝達装置を介して計量ポンプとサーボポンプを駆動する。本システムは、従来、過大な定容量型ポンプを用いることで発生していたエンジンの馬力の浪費を低減し、エンジン停止の発生を減少させる。また、燃料に加わる熱量を減少させることにより、ひいてはエンジンオイルの冷却効果を改善する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、概して、ガスタービンエンジンに関する。より詳細には、本実施形態はガスタービンエンジン用のダイレクト計量アーキテクチャに関し、またそれに限定されない。

通常のガスタービンエンジンは、一般に前端と後端を有し、両端の間に軸方向にいくつかのコアコンポーネントまたは推進コンポーネントを配置している。空気吸込口または空気取入口がガスタービンエンジン前端にある。空気取入口の次に、後端に向かって順番に、圧縮機、燃焼室、タービンと続く。例えば低圧圧縮機及び高圧圧縮機並びに高圧タービン及び低圧タービンのような追加部品もガスタービンエンジンに含まれることは、当業者であればすぐに明らかになるであろう。しかしながらこれでもまだ網羅的であるとは言えない。ガスタービンエンジンは通常、ガスタービンエンジンの長手中心軸に沿って軸方向に配設された内部シャフトも有する。内部シャフトは、タービンと空気圧縮機の両方に接続している。これにより、タービンは空気圧縮機に回転力を供給し圧縮機ブレードを駆動する。

作動すると、空気は圧縮機で圧縮され、さらに燃焼器内で燃料と混合されて高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは多段タービンを通って下流に流れる。こうした多段タービンは燃焼ガスからエネルギーを取り出し、これを機械エネルギーに転換する。高圧タービンは、燃焼器から来る高温の燃焼ガスを最初に受け取る。高圧タービンにはステータノズルアセンブリが含まれ、ステータノズルアセンブリが燃焼ガスを、支持ロータディスクから放射方向に外向きに延伸する高圧タービンロータブレードの列を通して下流に導く。２段式タービンでは、１段目のブレードの下流に２段目のステータノズルアセンブリが配置され、第二の支持ロータディスクから放射方向に外向きに延伸する２段目のロータブレードの列がその後に続く。

ガスタービンエンジンに燃料を供給するため、単一のポンプが通常使用される。ポンプは、燃焼用燃料（燃料燃焼流）を送出し、バルブ作動用の燃料（サーボ流）を送出し、さらにバルブやステータ位置変更などの外部装置の機械的作動のための燃料（作動流）を送出する。このようなポンプには定容量型のポンプが通常使われる。しかし、単一ポンプの不利な点は、一般に必要とする以上の流量が供給できる大きさとするため、一般的にエンジンの馬力を浪費することである。さらに、燃料はバイパス回路を通ることがあり、これが燃料の温度を上げるため、ガスタービンエンジン内の他の熱源から熱を吸収する燃料の能力が低下する。

サーボ流について言うと、バルブやアクチュエーターが一つの位置に固定されるのは珍しいことではない。バルブが非固定位置に動くと、このために多くの燃料が必要となる。燃料燃焼流とサーボ流の両方について単一の定容量型ポンプを使用している場合、この大きな燃料需要は、燃焼器から多量の燃料燃焼流を奪うこととなり、エンジンの停止を引き起こす。

前述したことからわかるように、エンジンの馬力の浪費を減少させることは望ましいことであり、燃料の温度上昇を緩和させることも望ましいことであろう。さらには、エンジン停止の発生を減少または除去することも大いに望まれるところだろう。

米国特許出願公開第８，２９１，８８６号明細書

計量ポンプとサーボポンプを有するダイレクト計量アーキテクチャが提供される。本アーキテクチャにおいて、計量ポンプとサーボポンプは、エンジンシャフトによってギヤボックス伝達装置を介して駆動される。本システムにより、過大な定容量型ポンプでこれまで発生していたエンジンの馬力の浪費が減少し、エンジンの停止発生を減少させる。さらに、燃料に加わる熱量を減少させ、ひいてはエンジンオイルの冷却効果を改善する。

本実施形態によれば、ダイレクト計量アーキテクチャを有するガスタービンエンジン燃料供給システムは、エンジン動力取り出しシャフトを備え、ギヤボックスに動力を供給する。ギヤボックスは、可変容量計量ポンプ及びサーボポンプに対して、少なくとも一つの駆動用出力を提供する。可変容量計量ポンプは、エンジン燃焼用の燃料流を計量するように設定されており、サーボポンプは、少なくとも一つの弁またはアクチュエーターの作動に必要なサーボ用の燃料流を提供する。サーボ流とエンジン燃料燃焼流は互いに隔絶しており、サーボ流とエンジン燃料燃焼流との間の相互作用が低減される。

いくつかの実施形態によれば、ガスタービンエンジンに燃料を供給するためのダイレクト計量アーキテクチャは、サーボ流回路を備え、燃料流回路は、ギヤボックスに結合したエンジン動力取り出しシャフトが駆動する定容量型サーボポンプを備える。サーボポンプはサーボと流体連通し、サーボは可変容量計量ポンプアクチュエーターと動作可能に接続している。サーボ流回路はさらに少なくとも一つの戻しラインを備えるものとしてもよい。エンジン燃焼流回路は、可変容量計量ポンプを備え、可変容量計量ポンプは可変容量計量ポンプアクチュエーターに動作可能に接続されている。エンジン燃焼流回路はさらに、計量された燃焼流用のラインと、少なくとも一つの戻しラインとを備える。

さらに別の実施形態によれば、ガスタービンエンジン燃料供給システム用のダイレクト計量アーキテクチャはエンジン動力取り出しシャフトを備え、エンジン動力取り出しシャフトは伝達装置に動力を供給し、伝達装置は可変容量計量ポンプ及びサーボポンプに対して、少なくとも一つの駆動出力を提供する。エンジン燃焼流回路は、エンジン燃焼のためのエンジン燃焼用燃料のエンジン燃焼流を計量する可変容量計量ポンプを有する。サーボ流回路はサーボポンプを有し、可変容量計量ポンプを作動させるためのサーボ流を供給する。サーボ流と、燃料のエンジン燃焼流とは互いに隔絶しており、サーボ流と燃料のエンジン燃焼流との間の相互作用が低減される。

前述した特徴概要は全て例示としてのみ理解されるべきであり、本構造及び方法について本明細書の開示内容からさらに多くの特徴及び目的を見出すことができるだろう。したがって、本明細書、請求項、及び図面全体を鑑みることなしに、発明の概要を限定的に解釈すべきではない。

これらの実施形態の前記及びその他の特徴と利点及びこれを実現する方法は、以下の説明を添付図面と併せて検討すればより明らかになり、実施形態についてもより理解が深まるだろう。

例示ガスタービンエンジンの横断面図である。 例示ガスタービンエンジンのためのダイレクト計量アーキテクチャの概略図である。

本実施形態は、適用に際して、図面に描かれまた以下の説明で述べられている部品の構成及び配置の詳細には限定されないことが理解されるべきである。本実施形態から他の実施形態が可能となり、また本実施形態も種々の方法で実践しまたは実施することが可能である。各実施例は説明の方法として提供するものであり、開示された実施形態を限定するものではない。実際、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本実施形態に種々の修正及び変更を加えることができることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一つの実施形態の部分として図示し説明する特徴は他の実施形態にも使用することができ、それによってさらに別の実施形態を生み出すことができる。したがって本開示は、付属請求項とその均等物の範囲内にあるものとして、そのような修正や変更を包含するものである。

図１と図２を参照しながら、ダイレクト計量アーキテクチャを説明する。本アーキテクチャでは、一つの計量ポンプとそれとは別のサーボポンプとを使用し、作動させるため両者はエンジンシャフトに機械的に結合している。従来と異なるポンプを使用することにより、計量ポンプの大きさを改善することができ、それによってエンジン馬力の浪費を低減できる。また、サーボポンプを別途設けることにより、サーボポンプが担当するバルブの作動状態によって、燃焼流同士の相互作用が発生するのを低減させることが可能である。

付言すれば、ここで使用する語句と用語は説明のためのものであり、限定的に解釈されるべきではないことも理解されたい。ここで使用する「含む」、「備える」、「有する」、及びその変形表現は、その語の後に列挙する項目及びその均等物、及び追加の項目も含むという意味である。別途限定を加えない限り、本明細書で使用している「接続する」、「結合する」、及び「取り付ける」という用語やその変形表現は広い意味をもっており、直接的及び間接的な「接続」、「結合」、「取り付け」の意味を含んでいる。さらに、「接続」、「結合」及びその変形表現は、物理的もしくは機械的接続または結合に限定されるものではない。

本明細書で使用されているように、「軸上の」または「軸方向に」という用語は、ガスタービンエンジンの長手軸に沿った次元に関する。「軸上の」または「軸方向に」と関連して使用される「前」という用語は、エンジンの吸込口の方向に向かって動くことを表すか、または、ある部品が他の部品と比較してエンジン吸込口により近いことを表す。「軸上の」または「軸方向に」と関連して使用される「後ろ」という用語は、エンジンの後部端の方向に向かって動くことを表す。

本明細書で使用される「放射状の」または「放射状に」という用語は、エンジンの長手方向中心軸とエンジンの外周との間に延伸する次元を表す。

まず図１を参照すると、この図はガスタービンエンジン１０の概略横断面図である。ガスタービンエンジン１０はガスタービンエンジン吸込口１２を有し、ここで、高圧圧縮機１４と燃焼器１６と多段高圧タービン２０とで概ね画定されるコア推進器１３に空気が流入する。コア推進器１３は作動すると全体として動力を提供する。ガスタービンエンジン１０は、飛行、発電、工業、船舶などで使用される。

作動において、空気がガスタービンエンジン１０のエンジン吸込口１２に流入し、高圧圧縮機１４のところで少なくとも一つの圧縮段階を経る。ここで空気圧が上昇し、空気は燃焼器１６へと導かれる。圧縮空気は燃料と混合されて燃焼し高温の燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは燃焼器１６を出て高圧タービン２０に向かう。高圧タービン２０では、高圧タービンブレード２２の回転によって高温の燃焼ガスからエネルギーが取り出され、次にエンジン中心軸２６の周りで高圧シャフト２４を回転させる。高圧シャフト２４はガスタービンエンジンの前方に向かって通っており、１段またはそれ以上の高圧圧縮機１４を引き続き回転させるか、またはタービンの設計によっては吸込ファンブレード１９を有するファン１８を回転させる。ファン１８は低圧タービン２１に作動可能に接続され、ガスタービンエンジン１０の推力を生み出す。このような作動可能な接続は、直接的な接続であっても、伝達装置またはギヤボックスなどを介した間接的な接続であってもよい。低圧タービン２１もエネルギーをさらに取り出すのに使用することができ、低圧圧縮機１５の動力段はブースターとも称され、ファン１８またはターボシャフトもしくはターボプロップが、ロータまたはプロペラに動力を与える。

ガスタービンエンジン１０は、エンジン中心軸２６または高圧シャフト２４について軸対称をなし、種々のエンジン部品が軸の周囲を回転する。軸対称をなす高圧シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０を通って前端から後端に延在し、シャフト構造の延長に沿ってベアリングで軸支されている。高圧シャフト２４はエンジン１０の中心線２６の周囲を回転する。高圧シャフト２４は中空であってもよく、高圧シャフト２４の中にあってその回転とは独立した、一つまたはそれ以上の低圧シャフト２８の回転が可能となる。低圧シャフト２８はまた、エンジン中心軸２６の周囲を回転することができ、高圧シャフト２４と同じ方向かまたは別の方向に回転してもよい。作動中、低圧シャフト２８は、低圧シャフト２８に接続したタービンのロータアセンブリなどの別の構造と共に回転し、低圧圧縮機１５及びファン１８を作動させて推力を生み出し、または飛行や工業分野で使用する動力を生み出す。

図１では、ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０も模式的に示している。エンジンギヤボックス４１は、エンジンシャフト（例えばシャフト２４または２８の一つ）から動力取り出しシャフト４３を介して動力を受け取る。エンジンギヤボックス４１は、後述するダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０を駆動させる。

ここで図２を参照すると、ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０の概略図が描かれている。ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０は、燃焼器１６に燃焼用燃料を供給する。図示されている燃料フィードライン４２は、燃料タンクから始まりダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０に入るラインである。燃料フィードライン４２は、計量ポンプフィード４４に行くラインとサーボポンプフィード４６に行くラインに分かれる。既に述べたように、計量アーキテクチャは、互いに独立し影響を及ぼしあうことのない２つの燃料流回路を提供する。計量ポンプフィード４４及びサーボポンプフィード４６は、エンジン燃焼流回路９４及びサーボ流回路９６の２つの回路に燃料を供給する。

最初にサーボポンプ５０を参照すると、サーボポンプフィード４６は少なくとも一つの位置でサーボポンプ５０に入る。サーボポンプ５０は機械的に駆動される定容量型ポンプであってもよい。サーボポンプ５０は、平衡型または非平衡型のベーンポンプであってもよく、一つ以上の吸込口５２と一つ以上の吐出口５４を含むこともできる。吐出ライン４８はろ過器５６と流体連通してもよい。サーボポンプ５０は、サーボポンプ５０から延伸する複数の吐出ライン４８を含むこともできる。ろ過器５６は、一つ以上のサーボに入り込みサーボの作動を阻害することもある微小汚濁物質を除去する。

ろ過器５６はさらに圧力制御装置６０と流体連通している。圧力制御装置６０は、所望の作動圧力に設定され、可変容量計量ポンプサーボ７０に接続しているサーボ用フィードライン６６を含む、圧力制御装置６０の上流側圧力を制御する。圧力制御装置６０はさらに、サーボポンプ戻しライン４９を通して燃料フィードライン４２に下流側で流体連通しており、サーボポンプ５０によって駆動される液流回路を形成する。

いくつかの実施形態によれば、サーボポンプは平衡型ベーンポンプであってもよく、さらに非平衡型ベーンポンプまたはピストンポンプであってもよい。別の実施形態では、ギヤポンプまたはロータポンプを含み、これらは全て定容量型のポンプである。さらに、これらの実施形態はどれも機械的に駆動されてもよいことを理解すべきである。例えば、このような機械的な駆動力はサーボポンプ５０に作動可能に接続されたギヤボックスから得ることもできる。

ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０はさらに、同じように機械的に駆動される可変容量計量ポンプ７４を備える。可変容量計量ポンプ７４は、平衡型ベーンポンプであっても、非平衡型ベーンポンプまたはピストンポンプであってもよい。可変容量計量ポンプ７４は、エンジンシャフトによって機械的に駆動される可変容量型ポンプである。より詳細に述べれば、可変容量計量ポンプ７４は、エンジンギヤボックス４１を介してエンジンシャフト（例えばシャフト２４またはシャフト２８）に機械的に結合される。エンジンギヤボックス４１は、例えば一定の速度かまたはガスタービンエンジン１０の回転に比例した速度のどちらかで、可変容量計量ポンプ７４を駆動する。

可変容量計量ポンプ７４は計量ポンプフィード４４から燃料を受け取る。可変容量計量ポンプ７４は一つ以上の燃料吸込口７６を含む。その上、可変容量計量ポンプ７４はポンプ吐出ライン８０に燃料を送出する吐出口７８をさらに含む。ポンプ吐出ライン８０は、燃焼器１６内にあるバーナーノズルに燃料を送出する遮断弁８２と流体連通してもよい。遮断弁８２は、電磁式アクチュエーターまたはその他のアクチュエーターによって作動させてもよい。戻しライン８６は、エンジン燃焼流９０を遮断弁８２から計量ポンプフィード４４に戻し、これにより可変容量計量ポンプ７４を通るエンジン燃焼流回路９４が形成される。可変容量計量ポンプ７４を流路閉塞状態にさせないようにするため、遮断弁８２が閉位置ある場合、このようなエンジン燃焼流回路９４が望ましい。

サーボ用フィードライン６６は、可変容量計量ポンプサーボ７０に燃料流を送出する。可変容量計量ポンプサーボ７０は可変容量計量ポンプアクチュエーター８４を作動させ、次にアクチュエーター８４が一定の速度で駆動される可変容量計量ポンプ７４の容量を変化させる。燃料流戻しライン６７は、可変容量計量ポンプサーボ７０とサーボポンプ戻しライン４９との間に延伸し、サーボ流回路９６の戻し流を送る。燃料流戻しライン６７及びサーボポンプ戻しライン４９は破線で囲まれた範囲内に図示されているが、説明だけのためにこのようにしている。サーボ７０はエンジン燃焼流回路９４の中に図示されてはいるが、これは単にサーボ７０が計量ポンプ７４に近接して位置しているというだけの理由によることが理解されるべきである。したがって、サーボ７０は本来サーボ流回路の一部と考えられる。

ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０は、全デジタル電子式エンジン制御（ＦＡＤＥＣ）から信号を受け取るように設計される。ＦＡＤＥＣは、ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０を遠隔操作してもよく、またはダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０を局所的に制御する局所モジュールに信号を送ってもよい。

ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０は、従来のシステムに比べて種々の利点がある。第一に、他の設計ではポンプ用電気モーターや電気制御を使用しているものが多い。ポンプ５０、７４を機械的に駆動することにより、エンジン燃焼流９０及びサーボ流９２にとって故障可能性のある箇所だった電気モーターやその関連の制御装置が除去される。第二に、サーボ流９２とエンジン燃焼流９０との間の相互作用が除去される。既に指摘したように、サーボ流９２と燃焼器１６に送られるエンジン燃焼流９０との間の相互作用によりエンジン燃焼流が減少する可能性があり、ガスタービンエンジン１０の停止が引き起こされる。サーボ流９２を独立して供給することにより、バルブまたはサーボの固着が発生しても、ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０の燃料燃焼流回路の燃料流量に影響が出ることはない。第三に、従来単一のポンプを計量ポンプ及びサーボまたは弁開閉用として使用することによってポンプの大型化を招き、それによって、エンジンの馬力が浪費されていた。ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット４０を用いれば、可変容量計量ポンプ７４は、より小型のものでよく、したがって、エンジンの馬力の浪費を低減する。最後に、本実施形態によってバイパス回路を通る流れが低減されており、したがって、燃料に加わる熱が少なくなっている。これにより、燃料に追加的に熱が加わる場合に比べてエンジンオイルの冷却効果を改善することが可能である。

いくつかの実施形態に関する前述の説明は、概要を説明するために行ったものである。前述の説明は、全てを網羅しようと意図したり、開示された厳密なステップかつ／または厳密な形状のみに限定しようと意図するものではなく、前述の教示に照らせば多くの修正及び変更が可能となることは明らかである。実施形態及び全ての均等物の範囲は、本明細書に付属する請求項によって定義されるものとする。

１０ ガスタービンエンジン
１２ エンジン吸込口
１３ コア推進器
１４ 高圧圧縮機
１５ 低圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ ファン
１９ ファンブレード
２０ 高圧タービン
２１ 低圧タービン
２２ 高圧タービンブレード
２４ 高圧シャフト
２６ エンジン中心軸、中心線
２８ 低圧シャフト
４０ ダイレクト燃料計量アーキテクチャ制御ユニット
４１ エンジンギヤボックス
４２ 燃料フィードライン
４３ 動力取り出しシャフト
４４ 計量ポンプフィード
４６ サーボポンプフィード
４８ 吐出ライン
４９ サーボポンプ戻しライン
５０ サーボポンプ
５２ 吸込口
５４ 吐出口
５６ ろ過器
６０ 圧力制御装置
６６ サーボ用フィードライン
６７ 燃料流戻しライン
７０ 可変容量計量ポンプサーボ
７４ 可変容量計量ポンプ
７６ 燃料吸込口
７８ 吐出口
８０ 吐出ライン
８２ 遮断弁
８４ 可変容量計量ポンプアクチュエーター
８６ 戻しライン
９０ エンジン燃焼流
９２ サーボ流
９４ エンジン燃焼流回路
９６ サーボ流回路

Claims (12)

1. ダイレクト計量アーキテクチャを有するガスタービンエンジン燃料供給システムであって、
   機械式動力をギヤボックス（４１）に供給するエンジン動力取り出しシャフト（４３）を備え、
   前記ギヤボックス（４１）が可変容量計量ポンプ（７４）及びサーボポンプ（５０）に少なくとも一つの駆動出力を供給し、
   前記可変容量計量ポンプ（７４）がエンジン燃焼流（９０）を計量し、
   前記サーボポンプ（５０）が少なくとも一つの弁またはアクチュエーター（８４）の作動に必要なサーボ流（９２）を提供し、
   前記サーボ流（９２）と前記エンジン燃焼流（９０）とが互いに隔絶しており、前記サーボ流（９２）と前記エンジン燃焼流（９０）との間の相互作用が低減される、ガスタービンエンジン燃料供給システム。
2. 前記エンジン燃焼流（９０）と前記サーボ流（９２）との間の相互作用を抑制することにより停止を低減する、請求項１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
3. 前記燃料供給システムがエンジンの馬力の浪費を低減させる、請求項１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
4. 前記エンジン燃焼流（９０）及び前記サーボ流（９２）への熱負荷が、降伏値が低減された、より低いオイル温度であり得る、請求項１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
5. 前記サーボポンプ（５０）と流体連通する可変容量型ポンプサーボ（７０）をさらに備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
6. 前記少なくとも一つの弁またはアクチュエーター（８４）が、前記可変容量型ポンプサーボ（７０）に結合した可変容量型ポンプアクチュエーターである、請求項５に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
7. 前記可変容量型ポンプアクチュエーターが前記可変容量型ポンプに結合する、請求項６に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
8. 前記サーボ流（９２）に沿って配設されるフィルター（５６）をさらに備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
9. 前記フィルター（５６）と流体連通する圧力制御装置（６０）をさらに備える、請求項８に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
10. 可変容量型ポンプと流体連通する遮断弁（８２）をさらに備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
11. 前記エンジン燃焼流（９０）が中を流れるエンジン燃焼流回路（９４）をさらに備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。
12. 前記サーボ流（９２）が中を流れるサーボ流回路（９６）をさらに備える、請求項１１に記載のガスタービンエンジン燃料供給システム。