JP3914198B2 - ターボ機械における補償調整弁を有する燃料計量ユニット - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、ターボ機械の燃料噴射システムに係わり、特に、非常に精密な燃料計量ユニットに関する。

燃料をターボ機械に噴射する従来のシステムは、図６に概略的に示されている。このシステムは、燃料タンク（矢印１６）から燃料を吸い込む高圧ポンプ１４の出口に接続された吸入ダクト１２と、ターボ機械燃焼室（矢印２０）に設けられた複数の燃料噴射器に接続された排出ダクト１８とを有する燃料計量ユニット１０の周りに構成されている。

高圧ポンプから噴射器へ流入する燃料の流量を制御する燃料計量ユニット自体は、計量器２２を含み、この計量器２２は、調整弁２４から圧力Ｐ１で噴射される燃料を受け、止め弁２６を介して噴射器へ燃料を圧力Ｐ２で送る。計量器の端子に接続され、調整弁の開口に作用する差圧検出器２８を用いて、計量器の端子間の圧力差Ｐ２−Ｐ１を一定に維持しようとし、その結果として、計量器への入口での圧力が、計量器の出力での圧力よりも増加（又は、逆に減少）するとき、検出器は、リターンダクト３０を介してポンプへ戻される燃料の流量を増加（又は、逆に減少）させるように調整弁を作動させるので、計量器へ送られる燃料の流量が減少（又は、逆に増加）する。

この燃料計量ユニットは、一般的に目的を十分に達成する。それにもかかわらず、航空分野では、この燃料計量ユニットは、依然として重量が重くコストが高く、その信頼性と計量精度の両方の改善が望まれる。

従って、本発明の目的は、改良された燃料計量ユニット、即ち、重量とコストが削減されたユニットを提供することである。本発明の別の目的は、特に、修理及び保守のコストを削減するため、このように作成された計量ユニットの信頼性を高めることである。本発明の別の目的は、従来技術のユニットよりも燃料が計量される精度を高めることである。

これらの目的は、燃料タンクから燃料を吸い込む高圧ポンプと、燃料をターボ機械燃焼室に噴射する複数の燃料噴射器との間に取りつけられた、ターボ機械の燃料計量ユニットによって達成され、この燃料計量ユニットは、調整弁から圧力Ｐ１で噴射用の燃料を受ける入口と、止め弁を介して上記複数の噴射器へ圧力Ｐ２で燃料を送る出口とを有する計量器を含み、上記調整弁は、計量器の端子から直接的に得られた圧力Ｐ１及びＰ２からの駆動下でシース内で移動可能である流体圧スライドを有し、流体圧スライドは、流体圧スライドのそれぞれの断面積Ｓ１及びＳ２によって上記調整弁の両方の端部の入口に作用し、上記流体圧スライドは、上記高圧ポンプの出口に接続された上記シースの第１の供給入口を、上記高圧ポンプの入口に接続された上記シースの供給出口へ連通させることにより、燃料が上記高圧ポンプへ再循環できるようにする第１の環状ネックを有し、この燃料計量ユニットは、上記流体圧スライドが、計量器の上記入口に接続された上記シースの第２の供給入口を、上記高圧ポンプの上記入口に接続された上記シースの補助供給出口へ連通させることにより、上記高圧ポンプへの別の再循環路を提供する第２の環状ネックを更に有することを特徴とする。

このように、差圧検出器を含まないこの構成によれば、より小型かつ低価格であり、優れた計量精度を示す計量ユニットが達成される。更に、寄生的な機械及び流体圧現象が補償される。

計量関係の付加的な制御を行うため、上記第２の供給入口は、好ましくは、固定ダイヤフラムを介して上記計量器の入口に接続される。固定ダイヤフラムは、上記シースを貫通するオリフィスとして実装されてもよく、或いは、上記調整弁の外側に作成してもよい。

補助供給出口は、可変ダイヤフラムを介して高圧ポンプの上記入口に接続され、可変ダイヤフラムは、（好ましくは、電気腐食により作成された）同一形状の複数のオリフィスを備えてもよく、オリフィスは、オリフィスが貫通する上記シースの周りに等間隔に分布し、上記調整弁の移動方向に相互にオフセットを付けられている。有利的には、上記オリフィスは、円形、四角形、三角形、及び長円形の断面のうちから選択された断面よりなる。

本発明は、また、上記の計量ユニットに組み込まれる高精度で補償された調整弁を提供する。

本発明の特徴及び効果は、限定的ではない例として、添付図面を参照して説明される以下の記述からより明らかになる。

本発明のターボ機械燃料噴射システムは図１に概略的に示されている。

従来技術の構成と同様に、燃料計量ユニット３２を介してターボ機械燃焼室の噴射器２０に燃料を供給するため、燃料タンク１６から燃料を吸い込む高圧燃料ポンプ１４が示されている。

しかし、本発明では、計量ユニットは、差圧検出器（ΔＰ検出器）がなく、計量器２２、止め弁２６、及び補償された調整弁３４だけが設けられ、補償された調整弁は、計量器の端子間の圧力差を調整し、同時に寄生的な機械及び流体圧現象を補償する。この改良された計量ユニット３２は、かくして、重量が削減され（ΔＰ検出器を省くことにより軽量化され）、また、コストも削減され、その一方で、より優れた計量精度と関連付けられる。

調整弁３４は、流体圧スライドの両端３６Ａ及び３６Ｂに作用する圧力の影響下で、シース３８内でスプリング３７に対抗して移動することができる流体圧スライド３６を含み、両端３６Ａ及び３６Ｂは、計量器２２の入口（圧力Ｐ１）及び出口（圧力Ｐ２）にそれぞれ接続され、それぞれの断面積はＳ１及びＳ２である。流体圧スライドには、二つの環状ネック４０と４２がある。シース３８を貫通する第１の供給入口４４は、吸入ダクト１２に接続され、同様に、シースを貫通する第１の供給出口４６は、計量器２２の入口に接続される。シース３８の溝４５は、計量器に燃料を供給するため、入口４４と出口４６との間に連続的な連通路を提供する。第１のネック４０は、余分な燃料流を、シースを貫通する第２の供給出力４８を介してポンプへ戻すように流す役割を果たす。第２のネック４２は、シース３８を貫通する補助供給出口５０とシースを貫通する第２の供給入口５２との間に連通路を設ける。補助供給出口５０は、（弁の位置に応じて可変である）利得Ｋｂのダイヤフラムを介してポンプリターンダクト３０（圧力Ｐｂ）へ接続され、第２の供給入口５２は、利得Ｋ１の固定ダイヤフラム５４を介して計量器２２（圧力Ｐ１）の入口へ接続されている。図示されるように、この固定ダイヤフラムは、調整弁３４の外側に作成してもよく、或いは、シース３８を直接的に貫通させてもよい。

このスライド３６の具体的な構造によって、圧力Ｐ１と、弁の位置に応じて変化するポンプリターン圧力Ｐｂとの間の変調圧力（Ｐｍ）を、断面積差Ｓ１−Ｓ２に加えることが可能になる。計量器圧力差（ΔＰ）は、以下の式、

に従ってばね力（Ｆ０）によって決定されるので、理論的には一定である。実際上、スプリングのスティフネス（Ｒ）と、スライドに作用する反力は、弁の位置（Ｘｖａｌｖｅ）を変化させることにより理想的な平衡状態を乱すので、計量器圧力差ΔＰを変化させる。これらの寄生的な機械及び流体圧現象を克服し、弁の位置の変化を補償するため、圧力Ｐｍが導入され、

となるように大きさが決められる。

かくして、平衡状態の式は、

になる。

変調圧力は、圧力Ｐ１で送り込まれる（利得Ｋ１の）固定ダイヤフラムと、圧力Ｐｂで送り込まれる、弁の位置に応じて可変である（利得Ｋｂの）ダイヤフラムとを含む流体圧ポテンショメータによって得られる。安定化条件の下で、Ｐｍは、以下の式、

によって与えられる。

図２Ａ及び２Ｂは、調整弁３４を示す部分分解斜視図及び長手方向断面図の形式の図である。流体圧スライド３６は、シース３８内で摺動自在であり、２個の環状ネック４０と４２を具備し、第１のネック４０には、スライドの周りに均等に分布した４個のスロット５６が設けられ、燃料は最初にこのスロットを通過する。また、燃料を供給するために様々な入口４４及び５２と、出口４６、４８、及び５０が設けられ、これらの入口及び出口は、実質的に環状ネックと位置合わせされてシースを貫通する。より詳細には、可変ダイヤフラムとして機能する補助供給出口５０は、シースの周りに等間隔で分布している同一形状の複数のオリフィスで構成され、オリフィスはそのシースを貫通し、弁の長手移動方向に相互にオフセットを付けられている。これらのオリフィスは、有利的には、電気腐食又は穿孔加工により作成され、スロットは、従来通りのフライス加工によって実現することが可能である。

図３Ａ、４Ａ及び５Ａは、３種類の断面形状を表すオリフィスの可能な３つの実施形態を示し、図３Ｂ、４Ｂ及び５Ｂは、弁位置の関数として、排出ダクト５０を通過する燃料の対応した流量分布曲線をプロットしたグラフであり、破線の曲線は、上記の寄生的な現象によって生じた弁の位置の変動を補償する最適な関係を表現している。

図３Ａでは、可変ダイヤフラムＫｂは、シースの周囲３６０°の全域に規則的に分布した３個の丸穴６０を含み、丸穴、は実質的に径の半分に対応した間隔で相互にオフセットを付けられている。図４Ａでは、可変ダイヤフラムＫｂは、シースの周囲３６０°の全域に規則的に分布し、相互にオフセットを付けられた三角形断面の４個のオリフィス６２を含み、三角形の頂点は直前の三角形の底辺と一致する。図５Ａでは、可変ダイヤフラムＫｂは、シースの周囲３６０°の全域に規則的に分布した四角形断面の２個のスロット６４を含み、スロットは、スロットの長さで相互にオフセットを付けられている。

噴射システムの正常動作は以下の通りである。従来、両方の端部３６Ａ及び３６Ｂに加わる圧力のアンバランスは、調整弁３４の流体圧スライド３６を動かし、再循環される燃料の流量に増減を生じさせる。このため、計量器２２への入口における圧力Ｐ１が増加するとき、この増加が流体圧スライドの端部３６Ａに作用し、スライドを（図中で）上方へ動かし、リターンダクト３０に対応した流れの断面を拡大する。再循環流量は増加し、圧力Ｐ１は減少し、一方、圧力差ΔＰは一定に保たれる。同様に、計量器２２からの出口における圧力Ｐ２が増加するとき、この増加が流体圧スライドの端部３６Ｂに作用し、スライドを（図中で）下方へ動かし、リターンダクト３０に対応した流れの断面を縮小する。このため、再循環流量は減少し、圧力Ｐ１は増加し、一方、同様に、圧力差ΔＰは一定に保たれる。

しかし、弁が動かされた後に得られる圧力差ΔＰは、厳密には同じではない。なぜならば、スライド平衡状態に作用するばねスティフネス及び反力を加える必要があるからである。かくして、弁が交互に開閉するとき、生じる圧力差ΔＰは、実際には、初期圧力差ΔＰに、上記の寄生的な作用によって生じたある誤差量を加算又は減算したものである。

しかしながら、本発明では、弁が開くとき、Ｋｂは増加し、断面積の差（Ｓ１−Ｓ２）に加わる圧力（Ｐｍ）は、力のドリフトを補償するように減少し、力が増加して弁を閉じるようになる。

同様に、逆の場合、弁が閉じると、Ｋｂは減少し、Ｐｍは増加し、この結果、弁閉じによって生ずる寄生的な力を補償する。

具体的に説明すると、本発明の構成は、計量関係において単一の可変ダイヤフラム及び固定ダイヤフラムを使用しながら高精度が達成され、固定ダイヤフラムを調整弁のシースに設置してもよく、又は、シースの外側に設置してもよいので、特に有利である。更に、変調圧力の調整弁の断面積の差への印加は、多種多様の形状をもち（例えば、長円形の穴を考えることも可能である）、容易に調節される補償関係を実現することが可能であるオリフィスを用いて、非常に簡単かつ低コストで達成される。

本発明の燃料計量ユニットを含む燃料噴射システムの概略図である。 図１の燃料計量ユニットの調整弁の斜視図である。 図１の燃料計量ユニットの調整弁の長手方向断面図である。 図２Ａの調整弁に対するダイヤフラム形状を対応した補償関係と共に示す図である。 図２Ａの調整弁に対するダイヤフラム形状を対応した補償関係と共に示す図である。 図２Ａの調整弁に対するダイヤフラム形状を対応した補償関係と共に示す図である。 図２Ａの調整弁に対するダイヤフラム形状を対応した補償関係と共に示す図である。 図２Ａの調整弁に対するダイヤフラム形状を対応した補償関係と共に示す図である。 図２Ａの調整弁に対するダイヤフラム形状を対応した補償関係と共に示す図である。 従来技術の燃料噴射システムの概略図である。

符号の説明

１０ 燃料計量ユニット
１２ 吸入ダクト
１４ 高圧ポンプ
１６ 燃料タンク
１８ 排出ダクト
２０ 燃料噴射器
２０ ターボ機械燃焼室
２２ 計量器
２４ 調整弁
２６ 止め弁
３０ リターンダクト
３２ 燃料計量ユニット
３４ 補償された調整弁
３６ 流体圧スライド
３６Ａ、３６Ｂ 流体圧スライドの両端
３７ スプリング
３８ シース
４０、４２ 環状ネック
４４、４８、５２ 供給入口
４５ 溝
４６、４８ 供給出口
５０ 補助供給出口
５４ 固定ダイヤフラム
５６ スロット
６０ 丸穴
６２、６４ オリフィス
Ｓ１、Ｓ２ 断面積
Ｋｂ、Ｋ１ 利得
Ｆ０ ばね力
Ｒ スティフネス
Ｐｍ、Ｐｂ 圧力
Ｐｂ ポンプリターン圧力
Ｐｍ 変調圧力
Ｐ１、Ｐ２ 圧力
ΔＰ 圧力差

Claims (8)

1. 燃料タンク（１６）から燃料を吸い込む高圧ポンプ（１４）と、ターボ機械の燃焼室内に燃料を噴射するための複数の燃料噴射器（２０）との間に取り付けられるターボ機械の燃料計量ユニット（３２）であって、該燃料計量ユニット（３２）が、
   圧力Ｐ１で調整弁（３４）から噴射用の燃料を受ける入口、及び止め弁（２６）を介して圧力Ｐ２で前記複数の噴射器へ燃料を送る出口を有する計量器（２２）を具備し、
   前記調整弁が、前記計量器の端子から直接的に得られる圧力Ｐ１及びＰ２からの駆動によって、シース（３８）内で移動可能である流体圧スライド（３６）を有し、圧力Ｐ１及びＰ２が、前記流体圧スライドのそれぞれの断面積Ｓ１及びＳ２によって前記調整弁の二つの端部入口（３６Ａ、３６Ｂ）に作用し、
   前記流体圧スライドが、前記高圧ポンプの出口に接続された前記シースの第１の供給入口（４４）を、前記高圧ポンプの入口に接続された前記シースの供給出口（４８）へ連通させることにより、燃料が前記高圧ポンプへ再循環できるようにする第１の環状ネック（４０）を有し、
   前記流体圧スライドが、前記計量器の前記入口に接続された前記シースの第２の供給入口（５２）を、前記高圧ポンプの前記入口に接続された前記シースの補助供給出口（５０）へ連通させることにより、前記高圧ポンプへの別の再循環路を提供する第２の環状ネック（４２）を更に有することを特徴とする、燃料計量ユニット（３２）。
2. 前記第２の供給入口が、固定ダイヤフラム（５４）を介して前記計量器の前記入口に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料計量ユニット。
3. 前記固定ダイヤフラムが、前記シースを貫通するか、又は、前記調整弁の外側に作られたオリフィスを有することを特徴とする、請求項２に記載の燃料計量ユニット。
4. 前記補助供給出口が、可変ダイヤフラムを介して前記高圧ポンプの前記入口に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料計量ユニット。
5. 前記可変ダイヤフラムが、前記シースの周りに等間隔で分布した同一形状の複数のオリフィス（６０、６２、６４）を含み、前記オリフィスが、前記シースを貫通し、前記調整弁の移動方向に相互にオフセットを付けられていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料計量ユニット。
6. 前記オリフィスが、円形、四角形、三角形、及び、長円形の断面のうちから選択された断面で構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の燃料計量ユニット。
7. 前記オリフィスは電気腐食により作られることを特徴とする、請求項６に記載の燃料計量ユニット。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料計量ユニット用の調整弁。

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