JP4009881B2 - 燃料流量制御弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、一般にはガスタービンエンジンの燃料制御に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの燃料流量制御弁に関する。
【０００２】
【発明の背景】
高性能のガスタービン駆動型航空機用の燃料流量制御弁は、広い変化の作動状態の下において高精度でもって作動しなければならない。すなわち、燃料流量制御弁が燃料を燃焼器へ非常に少なく供給する場合には燃焼器に吹き消しを生じさせ、又は燃料流量制御弁が燃料を燃焼器へ非常に多く供給する場合には燃焼器の再点火を妨げるものである。このような問題を除去するために、燃料流量制御弁の設計においては、弁を横切る圧力の差及び弁を通過する流体の質量流量を考察している。これらふたつのパラメータは、一般に、航空機の飛行範囲（フライトエンベロープ）における燃料流量制御弁の所要の性能を定めるのに用いられている。燃料流量制御弁を横切る圧力の差（Δ_p）は、コンセンサスによって、燃料ポンプの吐出口と制御弁との間の構成部品及び配管損失水頭を減じた、燃料ポンプから吐出される燃料の圧力（Ｐ_FPD）と、制御弁と燃焼器との間の構成部品及び配管損失水頭を減じた、燃焼器内に分与される燃料の圧力（Ｐ_FC）との差と定義されている。
【０００３】
他方、燃料流量制御弁を通過する流体の質量流量は、次の式によって定義されている。
【数１】

ここに、Ｗ_f は流体の質量流量を表し、Ｋは換算係数を表し、Ｃ_d は弁のオリフィスを出る流れの流量係数を表し、及びρは流体の密度を表す。そして、流量係数（Ｃ_d）は、オリフィスを通過する無摩擦／理想流量以下に較正する係数であって、（１）上流の通路の幾何学的形状に対するオリフィスの幾何学的形状及び（２）オリフィスを通過する流体のレイノルズ数の函数である。オリフィスを通過する流体のレイノルズ数は、オリフィス内の流体の速度、オリフィスの寸法及び流体の動粘度で求められる。そして、燃料流量制御弁を横切る圧力の比（Ｐ_FPD／Ｐ_FC）が６以上でない場合には、流量係数（Ｃ_d）は航空機の飛行範囲の特定の点で一定であると考察される。これは、幾分、オリフィスを通過する流体の速度が比較的遅いためによる。このような場合においては、流体の質量流量（Ｗ_f）、及びそれ故エンジンのパワーセッティングは、燃料流量制御弁のオリフィスの断面積を変えるだけで容易に制御することができる。
【０００４】
しかしながら、燃料流量制御弁を横切る圧力の比（Ｐ_FPD／Ｐ_FC）が６を越える場合には、流量係数（Ｃ_d）がしばしばキャビテーションのために不安定となり、航空機の飛行範囲の特定の点で一定であると考察することができない。更に詳述すれば、上記の圧力差が６よりも大きいと、オリフィスを通過する流体の速度がキャビテーションを生じさせるのに十分な大きさとなり、キャビテーションが、流量係数（Ｃ_d）の値が経験的に決められている適応値になるのを防止する。したがって、このような場合において、燃料流量制御弁を通過する燃料の流量制御は少なくともふたつの変数を考察しなければならず、その一方の変数は不安定なものである。このような状況の下で、燃料流量制御弁を通過する燃料の流量を正確に制御することはいくらベストを尽くしても困難なものである。
【０００５】
そこで、燃料流量制御弁を横切る圧力差が６を越えるのを除去するために、すべての状態の下で燃料流量制御弁を横切る圧力差を特定の値Δ_p に維持するように設計されている装置である液圧機械式の水頭調節器を用いることが知られている。このような水頭調節器は、燃料流量制御弁を横切る圧力差を特定、すなわち一定の値Δ_p に維持するという利点を提供するけれども、幾つかの明白な欠点もあるものである。例えば、高圧の適用の下で用いられる水頭調節器はかなりの寸法及び重さになり、好ましくない。水頭調節器は、また、燃料流量制御システムを複雑にし、例えば所定の作動を行わせるためのセンサや、計量弁を横切る一定の水頭を調節するための流量弁を必要とする。そして、水頭調節器のこれらのセンサ及び流量弁は、不可能ではないが診断するのが困難である追加の潜在的な故障モードを生じさせる。水頭調節器は、更に、多くのガスタービン燃料流量制御システムのコストを著しく高くする。要するに、燃料流量制御弁を横切る圧力差を一定の値Δ_p に維持するという利点は、幾つかの重大な欠点との引き換えで得られるものである。
【０００６】
以上述べたことから、燃料流量制御システムの重さを増大させず、またコストを高くさせず、更には構成を複雑にさせず、燃料流量制御弁を横切る大きな圧力差に適応できる正確なガスタービンエンジン用燃料流量制御弁が要望されている。
【０００７】
【発明の開示】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、燃料の流量を正確に計量できる燃料流量制御弁を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、弁を横切る大きな圧力差に適応できる燃料流量制御弁を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、容易に制御できる燃料流量制御弁を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、キャビテーションに起因する浸食を最小にする燃料流量制御弁を提供することにある。
【００１１】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、次に述べるようなガスタービンエンジンの燃料流量制御弁が提供される。すなわち、本発明による燃料流量制御弁は、スリーブ内に配置した弁体と、スリーブ及び弁体の一方を他方に対して移動せしめる手段とを包含する。スリーブは、入口ポートと出口ポートとを包含する。弁体は、入口ゲートと出口ゲートとを包含する。そして、スリーブ及び弁体の一方を他方に対して、入口ゲート及び出口ゲートがそれぞれ入口ポート及び出口ポートを閉じて流体がこれらのポートにより弁を通して流れるのを防止する閉じ位置から、入口ゲート及び出口ゲートがそれぞれ入口ポート及び出口ポートを全閉より少なく閉じて流体がこれらのポートにより弁を通して流れるのを許す複数の開き位置に、移動させることができる。
【００１２】
本発明によれば、更に、燃料流量制御弁のスリーブはハウジング内に設けられている。そして、このハウジングはスリーブの入口ポート及び出口ポートにそれぞれ整合する流体入口手段及び流体出口手段を包含する。すなわち、このハウジングはその内部の孔に形成した入口チャンネル及び出口チャンネルを有し、入口チャンネルが流体をこの入口チャンネル内に流入せしめる通路手段を包含すると共に、出口チャンネルが流体をこの出口チャンネルから流出せしめる通路手段を包含し、かつスリーブがハウジングの孔内に受け入れられたときに、スリーブと入口チャンネルとが入口アニュラスを形成すると共に、スリーブと出口チャンネルとが出口アニュラスを形成する。
【００１３】
また、本発明の他の態様によれば、ガスタービン燃料流量制御システムにおけるキャビテーションを制御する方法が提供される。
【００１４】
以上述べた本発明の利点は、一層正確な燃料流量制御弁がガスタービンエンジンのために提供されることである。すなわち、本発明による燃料流量制御弁は弁全体を横切る圧力降下をふたつの分離した圧力降下に分け、これにより各々のオリフィスを通過する流体の速度を減少せしめる。そして、これらふたつのオリフィスを通過する流体の速度を減少せしめることにより、キャビテーション及びキャビテーションに不安定に関連する流量係数Ｃ_d を最小にする。
【００１５】
燃料流量制御弁を横切る圧力降下をふたつの分離した圧力降下に分けることは、また、有害な浸食を防止するのに役立つ。すなわち、キャビテーションはキャビテーションの経路に隣接する機材類の浸食を生じさせ、この浸食の程度は一般にキャビテーションのレベルとともに増大する。そこで、本発明は、まず、キャビテーションを最小にすることにより浸食を最小にするのに役立つ。次に、本発明は、入口ポートを横切って生じる圧力降下の値及び出口ポートを横切って生じる圧力降下の値を変えることにより、浸食の有害の影響を最小にする。すなわち、入口ポートの幾何学的形状を、出口ポートよりも入口ポートを横切って生じる圧力降下の方が大きくなるような形状とすることにより、ほとんどの又はすべてのキャビテーションが燃料流量制御弁内で生じるようになり、燃料流量制御弁には耐浸食性材料を用いることができる。
【００１６】
本発明の他の利点は、燃料流量制御弁を通しての漏洩を少なくする改良を提供することにある。すなわち、従来の燃料流量制御弁は単一のポートを有し、このポートを横切る圧力降下は大きいものとなっている。したがって、このような従来の燃料流量制御弁は、しばしば、次の２つの理由、すなわち（１）ポートを横切って生じて流体を動かす圧力差がかなり大きいため、及び（２）圧力が機械的ゆがみを引き起して流体漏洩経路を形成するために、かなりの漏洩が生じている。これに対し、本発明は、燃料流量制御弁の全体を横切る圧力降下をふたつの分離した部分に分けている。したがって、各々のポートを横切る圧力降下は小さくなるので、次の２つの理由、すなわち（１）流体を動かす圧力差が小さくなるため、及び（２）弁の機械的ゆがみが小さくなるために、漏洩が少なくなる。
【００１７】
本発明の更に他の利点は、燃料流量制御弁を通過する燃料の流量が容易に制御されることにある。すなわち、本発明は、弁体及びスリーブの一方を他方に対して移動させることによって操作される一対の可変オリフィスを提供する。したがって、このふたつの可変オリフィスは単一の位置制御装置により感知される単一の駆動装置によって制御することができる。当業者であれば、機械式装置を簡単にし、必要とされる制御の数を最小にすることは顕著な利点であることを認識されよう。
【００１８】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利点は添付図面を参照して詳述する下記の最良の実施の形態についての説明から一層明らかになるであろう。
【００１９】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照するに、ガスタービンエンジン（図示せず）用の燃料流量制御弁１０は、スリーブ１４内に配置した弁体１２と、スリーブ１４及び弁体１２の一方を他方に対して移動せしめる手段１６と、このスリーブ１４及び弁体１２の一方の他方に対する移動を検出する手段１７とを包含し、本実施例では、弁体１２をスリーブ１４に対して移動せしめるようになっている。スリーブ１４は、ガスタービンエンジンの外周部に取付けたコンポーネントハウジング１８内に設けられている。このスリーブ１４は、円筒形の形状とされていると共に、一対の入口ポート２０と、一対の出口ポート２２と、内部空どう２４とを包含する。各入口ポート２０は、他方の入口ポート２０にスリーブ１４の直径方向で対面している。各出口ポート２２も、他方の出口ポート２２にスリーブ１４の直径方向で対面している。そして、スリーブ１４の外側表面３０に形成した複数の溝２８内に設けた複数の“Ｏ”リング２６が、コンポーネントハウジング１８とスリーブ１４との間を密封している。
【００２０】
弁体１２は、一対の入口ゲート３２と、一対の出口ゲート３４とを包含する。これらのゲート３２，３４は、弁体１２がスリーブ１４内を移動させられたときにそれぞれ関連する入口及び出口ポート２０及び２２と連通することができるように十分な距離離されている。ポート２０，２２の異なる幾何学的形状（図３を参照）及びゲート３２，３４の幾何学的形状は、どんな適用にも使用できる用意をしておくための流量特性を提供するように選択されている。更に詳述すれば、異なる幾何学的形状は、弁体１２とスリーブ１４とが互いに対して移動させられたときに、異なる流量変化、例えば流量の段階関数変化、又は指数変化、若しくは直線変化を提供することができる。図１〜図３に示される実施例では、弁体１２は円筒形の形状とされていると共に、入口ゲート３２と出口ゲート３４との間に設けた開口３６を包含する。そして、弁体１２の外側表面４２に形成した溝４０内に設けた複数の“Ｏ”リング３８が、スリーブ１４と弁体１２との間を密封している。
【００２１】
コンポーネントハウジング１８は、スリーブ１４を受け入れる孔４８にそれぞれ形成した入口チャンネル４４と出口チャンネル４６とを包含する。これらのチャンネル４４，４６はそれぞれ通路手段５０，５２に接続されており、通路手段５０は燃料が入口チャンネル４４に入ることを可能とし、また通路手段５２は燃料が出口チャンネル４６から出ることを可能にする。スリーブ１４が孔４８内に受け入れられると、各チャンネル４４，４６はスリーブ１４の外周まわりにアニュラスを形成する。そして、上述したように、スリーブ１４の外側表面３０に設けた複数の“Ｏ”リング２６が、コンポーネントハウジング１８とスリーブ１４との間を密封する。
【００２２】
スリーブ１４及び弁体１２の一方を他方に対して移動せしめる手段１６は、電気機械式ソレノイド５４の型式の装置として示されている。このソレノイド５４のプランジャ５６は、弁体１２に連結されて、弁体１２をスリーブ１４に対して移動させるように作動される。選択的に、ソレノイド５４をスリーブ１４に連結して、スリーブ１４を弁体１２に対して移動させることもできる。また、液圧サーボ弁（図示せず）に連結した液圧アクチュエータから成る他の直線形アクチュエータを選択的に使用することもできる。スリーブ１４及び弁体１２の一方の他方に対する移動は、軸方向移動とされている。
【００２３】
スリーブ１４及び弁体１２の一方の他方に対する移動を検出する手段１７は、図１〜図３に略図的に示されるように、線形可変移動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）１９である。当業者であれば、ＬＶＤＴ１９として磁気装置、光装置又は電気装置を用いて直線移動を検出する種々のＬＶＤＴを利用できることを認識されよう。そして、すべての場合において、ＬＶＤＴ１９の出力は弁体１２及びスリーブ１４の互いに対しての位置を示すように較正される。
【００２４】
次に、以上述べた燃料流量制御弁１０の作動について説明する。燃料流量制御弁１０は、図１に示される閉じ位置の状態から始動される。この閉じ位置においては、入口及び出口ゲート３２及び３４がそれぞれ関連する入口及び出口ポート２０及び２２に整合し、これにより燃料がこれらのポート２０，２２を通してスリーブ１４の空どう２４に流れるのを防止している。また、スリーブ１４の外側表面３０とコンポーネントハウジング１８との間に設けた複数の“Ｏ”リング２６が、たとえスリーブ１４とコンポーネントハウジング１８との間に漏洩経路があるとしても、燃料がこの漏洩経路を通してスリーブ１４の空どう２４又はコンポーネントハウジング１８に入るのを防止している。
【００２５】
全開の位置においては、図２に示されるように、入口ゲート３２は入口ポート２０を通してスリーブ１４の空どう２４に入る燃料の流れ５７を阻止しない。同様に、出口ゲート３４も開口３６及び出口ポート２２を通してスリーブ１４の空どう２４を出る燃料の流れ５９を阻止しない。そして、最大燃料流量よりも少ない燃料流量は、弁体１２をスリーブ１４に対して移動させて（又はその逆）、ゲート３２，３４の一部分をポート２０，２２に整合させ、これによりポート２０，２２を通しての流れの通路を制限することによって得られる。すべての場合において、制御器（図示せず）に蓄えられている基準信号が、弁の特定の開き位置及び燃料流量の大きさと比較される。そして、弁体１２は、ＬＶＤＴ１９の信号が基準信号の値に達するまで、移動させられる。
【００２６】
入口ポート２０を通してスリーブ１４の空どう２４に入る燃料は、燃料ポンプ（図示せず）を出る燃料とスリーブ１４の内部空どう２４内の燃料との間の圧力差によって動かされる。スリーブ１４の空どう２４と連通する圧力センサ５８は、空どう２４内の圧力を決定するために用いられる。他方、出口ポート２２を通してスリーブ１４の空どう２４を出る燃料は、空どう２４内の燃料とガスタービンエンジンの燃焼器（図示せず）内の燃料との間の圧力差によって動かされる。
【００２７】
以上述べた燃料流量制御弁１０は、その適用に依存して、入口ポート２０及び出口ポート２２の一方を絞りオリフィスとしてまた他方を計量オリフィスとして機能させるように設定することができる利点がある。もし入口ポート２０を絞りオリフィスとしてまた出口ポート２２を計量オリフィスとして機能させる場合には、スリーブ１４の内部空どう２４とガスタービンエンジンの燃焼器（図示せず）との間の圧力差が、弁１０全体を通過する燃料の流量を計量するために用いられる。入口ポート２０及び出口ポート２２の一方のみを通過する燃料流量を測定することは、追加のオリフィスを用いることに関連して生じる不正確さ、例えばポートの断面積の不正確さ及び圧力差の不正確さなどを排除する。
【００２８】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者にとって理解されるであろう。例えば、弁体１２及びスリーブ１４の一方の他方に対しての移動は軸方向移動、すなわち直線移動として説明してきた。しかし、これに代えて、弁体１２及びスリーブ１４の一方を他方に対して回転させて、弁１０のポート２０，２２を開閉することもできるものである。弁体１２及びスリーブ１４の一方の他方に対する回転移動は、半径方向移動と称することができる。また、上述の最良の形態において、スリーブ１４及び弁体１２の両方は円筒形の形状として説明してきた。しかし、これに代えて、スリーブ１４及び弁体１２の一方又は両方を非円筒形の形状とすることもできるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料流量制御弁の一例を示す断面図であって、該弁が閉じ位置の状態を示す。
【図２】図１の燃料流量制御弁が開き位置の状態を示す断面図である。
【図３】閉じ位置の状態の図１の燃料流量制御弁を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ 燃料流量制御弁
１２ 弁体
１４ スリーブ
１６ 弁体又はスリーブを移動させる手段
１７ 弁体又はスリーブの移動を検出する手段
１８ コンポーネントハウジング
１９ 線形可変移動トランスデューサ
２０ 入口ポート
２２ 出口ポート
２４ 内部空どう
２６ “Ｏ”リング
２８ 溝
３０ 外側表面
３２ 入口ゲート
３４ 出口ゲート
３６ 開口
３８ “Ｏ”リング
４０ 溝
４２ 外側表面
４４ 入口チャンネル
４６ 出口チャンネル
４８ 孔
５４ ソレノイド
５６ プランジャ
５７ 流入する燃料の流れ
５８ 圧力センサ
５９ 流出する燃料の流れ

Claims (9)

1. ガスタービンエンジンの燃料流量制御弁において、入口ポート及び出口ポートを有するスリーブと、入口ゲート及び出口ゲートを有する弁体と、ハウジングとを包含し、前記スリーブ及び前記弁体の一方を他方に対して、前記入口ゲート及び前記出口ゲートがそれぞれ前記入口ポート及び前記出口ポートを閉じて流体がこれらのポートにより弁を通して流れるのを防止する閉じ位置から、前記入口ゲート及び前記出口ゲートがそれぞれ前記入口ポート及び前記出口ポートを全閉より少なく閉じて流体がこれらのポートにより弁を通して流れるのを許す複数の開き位置に、移動させることができるようにし、また前記ハウジングがその内部の孔に形成した入口チャンネル及び出口チャンネルを有し、前記入口チャンネルが流体をこの入口チャンネル内に流入せしめる通路手段を包含すると共に、前記出口チャンネルが流体をこの出口チャンネルから流出せしめる通路手段を包含し、かつ前記スリーブが前記孔内に受け入れられたときに、前記スリーブと前記入口チャンネルとが入口アニュラスを形成すると共に、前記スリーブと前記出口チャンネルとが出口アニュラスを形成することを特徴とする燃料流量制御弁。
2. 請求項１記載の燃料流量制御弁において、前記スリーブが更に前記入口ポート及び前記出口ポートに連通する内部空どうを包含し、いずれかひとつの前記開き位置で弁に入る流体が前記入口ポートにより弁に入って前記内部空どう内に進むと共に、いずれかひとつの前記開き位置で弁を出る流体が前記内部空どうから進んで前記出口ポートにより弁を出るようにした燃料流量制御弁。
3. 請求項２記載の燃料流量制御弁において、更に、前記スリーブの内部空どう内の流体圧力を測定する手段を包含してなる燃料流量制御弁。
4. 請求項３記載の燃料流量制御弁において、前記スリーブが実質的に円筒形の形状とされ、前記弁体がこのスリーブ内に滑動可能に受け入れられている燃料流量制御弁。
5. 請求項４記載の燃料流量制御弁において、前記スリーブ及び前記弁体の一方が他方に対して軸方向に移動されるようにした燃料流量制御弁。
6. 請求項５記載の燃料流量制御弁において、前記弁体が円筒形の形状とされている燃料流量制御弁。
7. 請求項６記載の燃料流量制御弁において、更に、前記スリーブ及び前記弁体の一方を他方に対して前記閉じ位置と前記複数の開き位置との間で移動させる手段を包含してなる燃料流量制御弁。
8. 請求項７記載の燃料流量制御弁において、更に、前記スリーブ及び前記弁体の一方の他方に対する位置を検出する手段を包含してなる燃料流量制御弁。
9. ガスタービンエンジン燃料システムのキャビテーションを制御する方法において、
   （ａ）入口ポート及び出口ポートを有するスリーブと、入口ゲート及び出口ゲートを有する弁体とを包含し、前記スリーブ及び前記弁体の一方を他方に対して、前記入口ゲート及び前記出口ゲートがそれぞれ前記入口ポート及び前記出口ポートを閉じて流体がこれらのポートにより弁を通して流れるのを防止する閉じ位置から、前記入口ゲート及び前記出口ゲートがそれぞれ前記入口ポート及び前記出口ポートを全閉より少なく閉じて流体がこれらのポートにより弁を通して流れるのを許す複数の開き位置に、移動させることができる燃料流量制御弁を備えつける段階と、
   （ｂ）燃料を前記燃料流量制御弁を通してポンピングし、この弁を通過する燃料が前記入 口ポートを横切って第１の圧力降下をまた前記出口ポートを横切って第２の圧力降下を生じるようにする段階と、
   （ｃ）前記入口ポート及び前記出口ポートを変え、前記第１の圧力降下を前記第２の圧力降下よりも大きくするようにする段階と、
   （ｄ）耐浸食性材料を前記燃料流量制御弁に用い、この弁に浸食を発生せしめるキャビテーションの形成に耐えるようにする段階と、
   を包含することを特徴とする方法。

Images