JP2020536196A - ガスタービンエンジンの燃料系統における必要な圧力および燃料流量の創出方法 - Google Patents

Abstract

発明は航空機ＧＴＥでの燃料システムにおける必要な圧力と燃料流量の創出方法に関する。ガスタービンエンジンでの燃料システムにおける必要な圧力および流量の創出方法であって、（１）電気駆動ポンプと、（ギアボックスによる）機械駆動ポンプと、燃料計量／分配装置と、制御装置と、複数の変換器と、を含み、（２）ＧＴＥロータ回転数がガスタービンエンジンロータの最大回転数の４０％より低い場合、電気駆動燃料ポンプの起動および動作よって、燃焼室へ燃料が供給され、機械駆動燃料ポンプの回転数が必要な燃料流量の確保に十分でない時、（３）ＧＴＥ回転数が４０％を超える場合、必要な燃料流量は、燃焼室への必要な流量を除いて、燃料システムにおける電気駆動燃料ポンプの動作モードにおいて、機械駆動燃料ポンプおよび電気駆動燃料ポンプによって、提供され、更に、油圧駆動装置および燃料配分装置のために必要な燃料圧力および流量が提供され、；（４）ガスタービンエンジンの運転開始後、かつ、ＧＴＥがアイドルモードに到達した後、電気駆動ポンプが、圧力を減少させた独立待機モードかまたはオフに切り替えられ、；（５）地上アイドルモード、および、ＧＴＥロータおよび機械駆動燃料ポンプ駆動シャフトの回転数が地上アイドルモードを超える全てのエンジン動作モードは、ＧＴＥ燃焼室への必要な燃料の流量供給、および、油圧駆動装置のための必要な燃料の圧力創出のための機械駆動燃料ポンプの動作によって確保され、更に、４０％を超えるＧＴＥロータ回転数でのＧＴＥ動作モード時、および、機械駆動燃料ポンプの注入口および排出口での不十分な燃料圧力の条件の発生時には、機械駆動ポンプの注入口での燃料温度が１０℃未満である時と同様に、電気駆動燃料ポンプのロータ回転数が始動および／または上昇し、燃料の圧力および温度が必要なレベルに維持される、を含む。それゆえに、提案した発明は、（１）ガスタービンエンジンの運転始動時における低回転数における燃料の流量と圧力の限界の排除を可能にし、（２）低燃料流量を伴うメインモードにおける、燃料ポンプからの、機械駆動燃料ポンプによる制御されない容量による燃料余熱の影響を減少させ、（３）「エンジン失速」機能故障に関するエンジン故障安全性を上昇させ、（４）ガスタービンエンジンにおける互いに異なる動作モード間の機能配分を犠牲にすることで、燃料ポンプの長期寿命の達成ための条件の提供が可能となり、（５）燃料ポンプの最適な重量および寸法パラメータを獲得する。

Description

発明の詳細な説明

発明は、航空機のガスタービンエンジン（ＧＴＥ）の燃料システムにおける、必要な圧力および燃料の流量の創出方法に関する。

ガスタービンエンジンの燃料供給システムは、（１）入力がエンジンパラメータおよびフライトモードの複数の変換器に接続されている電子制御装置、（２）高圧電気ポンプ、および、（３）計量装置を含み、これらが直列に接続されているものが知られている。大きな推力に対するシステムの欠点は、（１）電気ポンプの過度の重量および寸法特性、（２）ＧＴＥの信頼性が、飛行臨界モード（離着陸）での電気駆動ポンプの電力供給の質に依存すること、（３）電気駆動ポンプの電力供給源および二次電力供給変換器からの高出力と高信頼性の必要性、および、（４）長期耐用年数中におけるＧＴＥ運転の場合での高負荷ポンプ電気駆動の十分な信頼性の供給の困難性である（特許ＲＵ Ｎｏ．２３２９３８７，２００８年７月２０日に公開、ＩＰＣ Ｆ０２Ｃ９／２６）。それゆえ、飛行機ＧＴＥの最も広く普及している燃料システムは、重量およびサイズに関して大きな利点を有し、実証された高い信頼性を有する機械駆動燃料ポンプが装備されている。

請求された発明に最も類似するものは、電気燃料ポンプ、ギアボックスからの機械駆動燃料ポンプ、燃料計量／分配装置、制御装置、複数の変換器を含む、ＧＴＥ補助動力ユニットの燃料システムの動作方法である。類似発明では事実として、機械駆動燃料ポンプの回転速度が、必要な燃料の流量を確保することが十分でない場合では、電気燃料ポンプの稼働率および動作を犠牲にして、１−８％のＧＴＥ回転速度で燃料をＧＴＥ燃料室へ供給する。また、ＧＴＥ回転速度が８％より多い場合では、制御装置は電気燃料ポンプを切り、機械駆動燃料ポンプの動作により、燃料が燃焼室に供給される（米国特許第９２０６７７５号、ＩＰＣ Ｂ６４Ｄ３７／３４号、Ｆ０２Ｃ７／２３６号、Ｆ０２Ｍ３１／１６号、Ｆ０２Ｍ３７／００号、２０１５年１２月０８日公開）。

公知のＧＴＥ補助動力ユニットの燃料システムの欠点は、事実として、推進モータの設計に対する類似のアプローチの効率的な応用とともに、制御された容量（電気駆動燃料ポンプ）および制御されない容量（機械駆動燃料ポンプ）を用いた２つの燃料ポンプ動作モードの組み合わせが必要となることである。

本発明が目的とする解決方法に対する技術的課題は、（１）推進航空機ＧＴＥにおける、異なる駆動形式の２つの燃料ポンプの利点の効的な使用、これらのポンプの欠点の最小化、および、燃料ポンプの高い特性および最適なパラメータの取得、（２）ＧＴＥ運転開始期間の燃焼室点火の段階における、高圧圧縮機回転数に関する、燃料の流量および圧力の制限の排除、（３）（アイドル、フライトアイドル、巡航飛行に代表される）低燃料率でのメインモードにおける、制御されない容量（機械駆動）による燃料ポンプからの燃料の予熱の低減、（４）「エンジン失速」機能故障に関する、エンジン故障保障の向上、（５）燃料ポンプの長期寿命達成のための条件の提供、および、（６）燃料ポンプの最適な重量および寸法パラメータの取得にある。

上記の技術的問題は、以下に示す、ガスタービンエンジンの燃料システムにおける燃料の圧力および流量の創造方法によって解決される。すなわち、ガスタービンエンジンの燃料システムにおける燃料の圧力および流量の創出方法であって、（１）前記燃焼システムが電気駆動ポンプと、ギアボックスによる機械駆動ポンプと、燃料計量／分配装置と、制御装置と、複数の変換器とを含み、（２）燃料システムおよびガスタービンエンジン動作は、ガスタービンエンジンロータの最大回転数の４０％までの電気駆動ポンプから提供され、（ｉ）電気駆動燃料ポンプの回転数は徐々に減少されること、および、（ｉｉ）電気駆動ポンプの排出口から燃料システムの注入口への燃料のバイパスが開放されること、の少なくともいずれか１つが行われており、（３）ＧＴＥ回転数が４０％を超える場合、必要な燃料流量は、燃焼室への必要な流量を除いて、燃料システムにおける電気駆動燃料ポンプの動作モードにおいて、機械駆動燃料ポンプおよび電気駆動燃料ポンプによって、提供され、更に、油圧駆動装置および燃料配分装置のために必要な燃料圧力および流量が提供され、（４）ガスタービンエンジンの運転開始後、かつ、ＧＴＥがアイドルモードに到達した後、電気駆動ポンプが圧力を減少させた（ヘッドを減少させた）独立待機モードかまたはオフに切り替えられ、（５）地上アイドルモード、ならびに、ＧＴＥロータおよび機械駆動燃料ポンプ駆動シャフトの回転数が地上アイドルモードを超える全てのエンジン動作モードは、ＧＴＥ燃焼室への必要な燃料の流量供給、および、油圧駆動装置のための必要な燃料の圧力創出のための機械駆動燃料ポンプの動作によって確保され、更に、４０％を超えるＧＴＥロータ回転数でのＧＴＥ動作モード時、および、機械駆動燃料ポンプの注入口および排出口での不十分な燃料圧力の条件の発生時には、機械駆動ポンプの注入口での燃料温度が１０℃未満である時と同様に、電気駆動燃料ポンプのロータ回転数が始動および／または上昇し、燃料の圧力および温度が必要なレベルに維持される。

燃料システムおよびガスタービンエンジンの動作に関する提案された発明は、電気駆動燃料ポンプから、ＧＴＥの最大回転数の４０％までの燃料供給を確保する。
（１）（ｉ）電気駆動燃料ポンプの回転数は徐々に減少されることと、および、（ｉｉ）電気駆動ポンプの排出口から燃料システムの吸入口への燃料のバイパスが開放されることの、少なくともいずれか１つが行われており、（２）ＧＴＥロータの回転数が４０％を超える場合、必要な燃料流量は、供給源によって機械駆動燃料ポンプおよび電気駆動燃料ポンプから提供され、（３）電気駆動燃料ポンプの動作段階において、必要な燃料供給から燃焼室への燃料供給を除いて、油圧駆動装置および燃料分配装置の動作のために、必要な燃料の圧力および流量を確保し、（４）ＧＴＥ始動完了後、およびＧＴＥアイドルモードに到達した後に、電気駆動燃料ポンプが、圧力を減少させた（ヘッドを減少させた）独立待機モードかまたはオフに切り替えられ、（５）地上アイドルモード、ならびに、ＧＴＥロータおよび機械駆動燃料ポンプ駆動シャフトの回転数が地上アイドルモードを超える全てのエンジン動作モードは、ＧＴＥ燃焼室への必要な燃料の量の供給、ならびに、油圧駆動装置の動作のためのひつような燃料の流量および圧力の創出のための機械駆動燃料ポンプによって確保され、さらに、４０％を超えるＧＴＥロータ回転数でのＧＴＥモード時、および機械駆動燃料ポンプの注入口および排出口での不十分な燃料圧力の条件の発生時には、機械駆動ポンプの注入口での燃料温度が＋１０℃未満である時と同様に、電気駆動燃料ポンプのロータ回転数が始動および／または上昇し、燃料の圧力または温度が、飛行機推進エンジンでの異なる駆動による燃料ポンプの利点の使用を効率的に可能にする、必要なレベルに維持される。

図１は、ＧＴＥ燃料システムにおける必要な圧力と流量の創出を示す概略図である。

ＧＴＥ燃料システムにおける必要な圧力および流量の創出方法は次のように実施される。電気駆動燃料ポンプ１は、（図示しない）ＧＴＥの開始の初期期間において、メインポンプとして使われ、（図示しない）燃焼室への燃料供給プロセスを確保し、エンジン始動のための油圧駆動装置の動作のために作動油（燃料）を供給する。

エンジン始動の初期期間における、ギアボックス５による機械駆動燃料ポンプ２は、閉鎖ループで動作する。ポンプ回転数が増加し、エンジンがアイドルモードに到達するまでの間には、燃料供給プロセスへの機械駆動燃料ポンプ２の接続は、円滑である。これに伴い、電気駆動燃料ポンプ１の利用容量はそれぞれ減少する。

高いＧＴＥロータおよび機械駆動燃料ポンプ駆動シャフト２の回転数を伴う、グランドアイドルおよび全てのエンジンモードは、必要な燃料流量をエンジン燃焼室に供給し、油圧駆動装置の動作のための必要な作動油の圧力の創出を行う機械駆動燃料ポンプ２の動作によって完全に保証されている。これにより、エンジンの要求に依存して、電気駆動燃料ポンプ１は、切られたり、より減少した供給において閉鎖ループで動作したり、燃焼室の燃料供給に接続されたり、特定の状態において必要な燃料の圧力および温度パラメータを、維持するのに使用され得る。

制御装置４は、複数の変換器６の計測値の読込値を使用し、電気駆動燃料ポンプ１と燃料計量／分配装置３との接続および動作モードを制御する。燃料計量／分配装置３は、燃焼室への燃料の計測と、燃料システムにおける燃料配分を提供する。

それゆえに、上述の特徴を有する提案した発明の実施は、（１）ガスタービンエンジンの運転始動時における回転数に基づく燃料の流量と圧力の限界の排除を可能にし、（２）低燃料流量を伴うメインモードにおける、燃料ポンプからの、機械駆動燃料ポンプによる制御されない容量による燃料余熱の影響を減少させ、（３）「エンジン失速」機能故障に関するエンジン故障安全性を上昇させ、（４）ガスタービンエンジンにおける互いに異なる動作モード間の機能配分を犠牲にすることで、燃料ポンプの長期寿命の達成ための条件の提供が可能となり、（５）燃料ポンプの最適な重量および寸法パラメータを獲得する。

ＧＴＥ燃料システムにおける必要な圧力と流量の概略図である。

Claims (1)

1. ガスタービンエンジンでの燃料システムにおける必要な圧力および流量の創出方法であって、
   前記燃料システムが、電気駆動燃料ポンプと、（ギアボックスによる）機械駆動燃料ポンプと、燃料計量／分配装置と、制御装置と、複数の変換器と、を含み、
   前記燃料システムおよび前記ガスタービンエンジン動作は、ガスタービンエンジンロータの最大回転数の４０％までの前記電気駆動ポンプから提供され、
   （１）前記電気駆動燃料ポンプの回転数は徐々に減少される、および、（２）前記電気駆動ポンプの排出口から前記燃料システムの注入口への燃料のバイパスが開放される、の少なくともいずれか１つが行われ、；
   前記ＧＴＥ回転数が４０％を超える場合、前記必要な燃料流量は、
   燃焼室への必要な流量を除いて、前記燃料システムにおける前記電気駆動燃料ポンプの動作モードにおいて、前記機械駆動燃料ポンプおよび前記電気駆動燃料ポンプによって、提供され、
   更に、油圧駆動装置および前記燃料配分装置のために前記必要な燃料圧力および流量が提供され、；
   前記ガスタービンエンジンの運転開始後、かつ、前記ＧＴＥがアイドルモードに到達した後、前記電気駆動ポンプが、圧力を減少させた独立待機モードかまたはオフに切り替えられ、；
   地上アイドルモード、および、前記ＧＴＥロータおよび機械駆動燃料ポンプ駆動シャフトの回転数が前記地上アイドルモードを超える全てのエンジン動作モードは、前記ＧＴＥ燃焼室への前記必要な燃料の流量供給、および、前記油圧駆動装置のための前記必要な燃料の圧力創出のための前記機械駆動燃料ポンプの動作によって確保され、
   更に、４０％を超える前記ＧＴＥロータ回転数でのＧＴＥ動作モード時、および、前記機械駆動燃料ポンプの注入口および排出口での不十分な燃料圧力の条件の発生時には、前記機械駆動ポンプの注入口での燃料温度が１０℃未満である時と同様に、前記電気駆動燃料ポンプのロータ回転数が始動および／または上昇し、燃料の圧力および温度が必要なレベルに維持される、創出方法。

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