JP4195308B2 - ガスタービンエンジン用流体フローシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジン内部の熱エネルギを移送するためのシステムに関し、特に、熱交換器の必要性を低減するためにアクチュエータポンプを備えたシステムに関する。
【０００２】
【背景技術】
ガスタービンエンジン内部で流体を流す必要があることは、今日の高性能航空機の発電装置の設計者には、周知である。軸受といった特定の内部構造は、循環する油の流れによって、冷却および潤滑される。このような油は、主要エンジン構造に亘って分散および収集される。他の熱制御方法としては、油の循環ループから熱を除去して、エンジンの燃焼室に流入する燃料流に加えるものが挙げられる。このような方法は、燃料流を復熱式熱シンクとして用いるものであるため、空気冷却に生じる欠点はほとんど生じないが、燃料が耐え得る最大温度により効果が制限される。さらに、燃料流を利用することの効果は、燃料流の温度を凝固点以上に維持する必要があることによっても制限される。このことは、氷が生成されて、損傷し易い部分（例えばエンジンアクチュエータ）に入り込む可能性を低減させる必要があるためである。
【０００３】
従来から、航空機用ガスタービンのための燃料用メインポンプとしては、吐出量が一定でかつ能動的変位型のポンプが用いられており、これは、回転するエンジンシャフトに機械的に連結されてきた。ポンプから吐出される流量はエンジンシャフトの速度に比例するため、様々な電力レベルでのガスタービンエンジンの動作に要する燃料流量を満たすことはできない。従って、通常は、エンジンのあらゆる運転状態で流量を余剰に供給し得るものとなるように燃料用メインポンプの寸法が決められる。従って、このような燃料システムには、余剰な燃料流をメインポンプの低圧側に戻すための燃料バイパス路が設けられる。このような流体フローシステムが必要となることによって、複雑な熱制御が必要となる。
【０００４】
主エンジン潤滑システムに亘って循環する冷却油は、エンジンのロータの速度と動力出力との積に関連する速度で、熱エネルギを受け取る。従って、主エンジン潤滑ループの冷却の必要性は、低出力の運転状態（例えばアイドリング状態）で低くなり、高出力もしくは全出力の運転状態（例えば離陸時）で高くなる。
【０００５】
ある運転状態（例えばエンジンのアイドリング状態）では、燃料システムに流入する燃料の量は少なく、これに対応して、ポンプの吸入側にバイパスされる燃料の量は、著しく大きくなる。ポンプの効率が低いことと、過度な量の燃料が燃料バイパス路を通して再循環されることと、に起因して、循環する燃料の温度が、許容不可能なほど高温になる可能性がある。このような過度な熱を放出して、燃料の温度を最大許容可能範囲内に保つ必要がある。
【０００６】
通常は、燃料／油熱交換器および空気／油熱交換器をともに用いることにより過度な熱が処理される。このような熱交換器の利用は、エンジン効率、重量およびコストの点で悪影響を及ぼすことから、望ましくない。油から燃料へと移送された熱エネルギの大部分は、エンジンの燃焼過程で回収されるが、エンジンの油から放出された熱エネルギは、エンジンの推力には寄与しない。さらに、空気／油冷却器に用いられる冷却空気は、通常、低温高圧の空気源（例えばエンジンのファンの吐出側）から抽気されるが、このことによっても、エンジンの推力が減少する。
【０００７】
逆に、他の運転状態では、燃料の加熱が不十分になり、このこともまた懸念される。流体フローシステムによって、混入している水が凝固して燃料システムのアクチュエータサーボ機構の小さな開口部が閉塞されることを防止するのに十分なほどに燃料を加熱する必要がある。例えば、ある特定の高出力状態（寒い日の離陸時など）では、循環する潤滑油から得られる熱が、多量の比較的低温の燃料を凝固点以上の温度まで加熱するには不十分であることが多い。通常は、アクチュエータを動作させるための高圧燃料流が凝固しないように、サーボヒータが用いられる。このことによっても、エンジン効率、重量、コストの点で悪影響が生じる。
【０００８】
従って、流量の要求量が低い状態での発熱量を劇的に減少させることが可能なガスタービンエンジン用流体フローシステムを提供することによって、熱交換機の寸法および数を減少させることが望まれる。さらに、燃料の流量が大きい状態でアクチュエータを流れる燃料流の温度を調節することにより燃料に混入した水の凝固を防止することが望まれる。
【０００９】
【発明の開示】
本発明のガスタービンエンジン用流体フローシステムでは、燃焼用燃料がメインポンプおよびアクチュエータポンプに供給される。アクチュエータポンプから流出した燃料は、アクチュエータ接続部を流れ、ここで、高圧燃料がアクチュエータ最小圧力バルブ（ＡＭＰＶ）およびバイパス用サーマルバルブ（ＴＢＶ）に供給される。アクチュエータ接続部は、高圧燃料を、エンジンアクチュエータに流入する前にさらに濾過するためのフィルタを備えている。エンジンアクチュエータは、入口案内翼、抽気弁、タービン冷却用バルブ、ノズルアクチュエータなどのエンジン構成要素を動作させるための高圧流体アクチュエータである。
【００１０】
アクチュエータポンプは、好ましくは、アクチュエータを定常状態にしかつ過渡流を発生させるものとなるような寸法に構成されており、これによって、アクチュエータの能動的動作が確実に行なわれるようになっている。ＡＭＰＶによって、アクチュエータポンプの吐出側圧力が、アクチュエータポンプの吸入側圧力よりも高圧でかつアクチュエータを能動的に動作させるのに要する最小圧力に調整される。すなわち、ＡＭＰＶによって、アクチュエータポンプによりアクチュエータに供給される燃料流の圧力が、アクチュエータの動作に必要な大きさに維持される。
【００１１】
アクチュエータポンプから流出した燃料流のうち、アクチュエータに要する量を超過した部分は、ＡＭＰＶおよびＴＢＶに流れる。ＴＢＶは、燃料の温度に応じて、アクチュエータから流出した余剰分の燃料の燃料流路を制御する。ＴＢＶによって、アクチュエータポンプの吸入側に再循環される流れと、メインポンプ吐出側の流路を流れてエンジン燃料流入導管に供給される流れと、に燃料流が分割される。好ましくは、燃料が水の凝固点に近づくと、ＴＢＶによって、燃料がアクチュエータポンプの吸入側へと再循環され、これによって、アクチュエータ燃料流路における燃料の温度が上昇させられる。このとき、これまでは要求されていたサーボヒータを用いる必要はない。従って、エンジンアクチュエータには確実に燃料流が流れ込むようになっており、これによって、燃料に混入している水の凝固が防止される。燃料に混入した水が凝固する可能性が低い場合は、ＴＢＶによって、燃料の大部分が、エンジン燃料流入導管で合流させられる。ＡＭＰＶによって、アクチュエータへの燃料流の圧力が、常に、アクチュエータを動作させるのに必要な大きさに維持される。
【００１２】
従って、本発明によると、流体の流量が大きい状態でアクチュエータを流れる流体の温度を調節して、燃料に混入した水の凝固を防止するとともに、流量の要求量が小さい状態で生じる熱を劇的に減少させることにより熱交換機の必要性を低減させることが可能なガスタービンエンジン用流体フローシステムを提供することが可能である。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
図１には、ガスタービンエンジン１２のための燃料フローシステム１０が概略的に示されている。図示されている実施例は、航空機システムに関するものであるが、海上用、航空用、陸上用の車両や他の車両にも本発明を適用することが可能である。
【００１４】
エンジン１２には、一体型駆動発電機システム（ＩＤＧＳ）１４が機械的に連結されている（１５として概略的に図示されている）。ＩＤＧＳ１４は、好ましくは、定速駆動システムであり、燃料フローシステム１０および車両の他の構成要素に電力を供給するものである。ＩＤＧＳ１４は、ＩＤＧＳ油ループ１６により冷却される。ＩＤＧＳ油ループ１６においては、ＩＤＧＳ１４から流出した油が、第１ＩＤＧ空気−油冷却器１８およびＩＤＧ燃料−油冷却器２０を順に流れた後、ＩＤＧＳ１４に戻る。冷却空気（矢印２２として概略的に示されている）は、エンジン１２の圧縮機部分もしくはファン部分から引き出され（抽気され）、ＩＤＧ空気−油冷却器１８に流される。ＲＡＭ空気源（RAM air source)といった他の空気源を本発明に適用することも可能である。「冷却器」という用語は、内部を流れる流体媒体の熱的特性を変化させる熱交換装置を意味する。
【００１５】
エンジン１２の主軸受および他の内部構成要素を潤滑および冷却するための油は、第２の主油ループ２４を循環し、つまり、油貯留タンク２６、油ポンプ２８、エンジン用空気−油冷却器３０およびエンジン用燃料−油冷却器３２を順に流れた後に、エンジン１２に戻る。エンジン用空気‐油冷却器３０のための冷却空気（矢印３４として概略的に図示されている）は、空気‐油冷却器バルブ３６により調整される。空気‐油冷却器バルブ３６は、空気‐油冷却器３０に流れ込む空気を周知の方法で調整するものである。
【００１６】
エンジン１２には、エンジン駆動式ブーストポンプ４０によって燃焼用燃料が主燃料タンク３８から供給される。ブーストポンプ４０は、通常、内部を流れる燃料の体積流量に拘わらず所定のエンジン速度に対してほぼ一定の圧力で動作するよう設計された遠心型ポンプである。ブーストポンプ４０によって、燃料導管４２に燃料が供給され、燃料導管４２を介して、上述したＩＤＧ燃料‐油冷却器２０およびエンジン用燃料‐油冷却器３２に燃料が供給される。燃料は、これらの燃料−油冷却器２０，３２から流出した後、フィルタ４４を通過し、接続部４６に流れ込む。
【００１７】
燃焼用燃料は、接続部４６を流れた後、メインポンプ４８およびアクチュエータポンプ５０に供給される。メインポンプ４８の寸法は、エンジン１２の燃焼用燃料流を供給することが可能となるように決定されている。このように、メインポンプ４８およびアクチュエータポンプ５０には、共通の供給源から低圧の燃料が供給される。メインポンプ４８から流出した燃料は、バイパス用サーマルバルブ（ＴＢＶ）５４と連通したメインポンプ接続部５８を流れる。アクチュエータポンプ５０から流出した燃料は、アクチュエータ接続部５６を流れ、ここで、高圧の燃料が、アクチュエータ最小圧力バルブ(actuator minimum pressure valve)（ＡＭＰＶ）５８を通り、ＴＢＶ５４に流れ込む。
【００１８】
アクチュエータ接続部５６は、好ましくは、アクチュエータポンプ５０から供給された高圧の燃料を、エンジンアクチュエータ（概略的に６０として図示されている）に流入する前にさらに濾過するフィルタ５７を備えている。アクチュエータ６０は、高圧流体アクチュエータであり、入口案内翼、抽気弁、タービン冷却用弁、ノズルアクチュエータなどのエンジン構成要素を動作させるものである。好ましくは、アクチュエータポンプ５０の寸法は、アクチュエータ６０を定常状態にしかつ過渡流を発生させることが可能となるように決定されており、これによって、アクチュエータ６０の能動的動作が確実に行なわれるようになっている。最も好ましくは、アクチュエータポンプ５０は、メインポンプ４８の圧力（少なくとも約１００ｐｓｉ（約７．０ｋｇｆ／ｃｍ²））よりもはるかに高い圧力（少なくとも約３００ｐｓｉ（約２１．１ｋｇｆ／ｃｍ²））で、燃料をアクチュエータ６０に供給する。
【００１９】
ＡＭＰＶ５８は、アクチュエータポンプ５０の吐出側圧力を、アクチュエータポンプ５０の吸入側６２の圧力よりも高圧でかつアクチュエータ６０を能動的に動作させるのに要する最小の圧力に調整する。すなわち、ＡＭＰＶ５８によって、アクチュエータポンプ５０からアクチュエータ６０に供給される燃料の圧力が、常に、アクチュエータ６０を動作させるのに必要な大きさに維持される。アクチュエータ６０から流出した後、燃料は、アクチュエータ戻り導管６４を通って、アクチュエータポンプ５０の吸入側６２に戻る。
【００２０】
アクチュエータポンプ５０から流出した燃料流のうち、アクチュエータ６０に要する量を超過した分は、ＡＭＰＶ５８およびＴＢＶ５４に流れる。ＴＢＶ５４は、燃料の温度に応じて、アクチュエータ５０から流出した余剰分の燃料のための流路を制御する。ＴＢＶ５４によって、アクチュエータポンプ５０の吸入側６２に再循環される燃料流と、メインポンプ導管６６を通ってエンジン燃料流入導管６８で合流される、メインポンプ４８の吐出側流路を流れる燃料流と、に燃料流が選択的に分割される。好ましくは、燃料が水の凝固点に近づくと、ＴＢＶ５４によって、燃料がアクチュエータポンプ５０の吸入側６２に再循環され、これによって、アクチュエータ６０の燃料流路における燃料の温度が上昇させられる。このとき、これまでは要求されていたサーボヒータを用いる必要はない。従って、エンジンアクチュエータ６０には、確実に燃料流が流れ込み、これによって、燃料に混入している水の凝固が防止される。燃料に混入した水が凝固する可能性が低い場合は、ＴＢＶ５４によって、燃料の大部分が、メインポンプ導管６６に供給され、エンジン燃料流入導管６８で合流する。ＡＭＰＶ５８によって、アクチュエータ６０への燃料流の圧力が、常に、アクチュエータ６０を動作させるのに必要な大きさに維持される。エンジンの動作状態および周囲の状態に応じて、ＴＢＶ５４を、一定の温度、および／または様々な温度、もしくはある温度範囲に亘って動作させることが可能であり、唯一の温度での作動に制限されない。
【００２１】
バイパス流導管７０によって、余剰な燃料流がブーストポンプ４０の吐出側に再循環される。バイパス流導管７０における圧力調整バルブ（ＰＲＶ）７２によって、メータリングバルブ（ＭＶ）７４を横断する圧力降下が検知される。好ましくは、ＭＶ７４は、エンジン燃料吸入導管６８上において接続部７５の後に配置されており、接続部７５において、メータリングバルブ（ＭＶ）７４の圧力降下が一定に維持されるように、メインポンプ４８およびアクチュエータポンプ５０からの余剰な燃料流がバイパスされる。
【００２２】
最小圧力バルブ(Minimum Pressure Valve)（ＭＰＶ）７６によって、メインポンプ４８の吸入側と吐出側との間の圧力上昇が最小量に維持される。通常、流量が小さい状態では、エンジン１２に燃焼用燃料流を移送するのに要する圧力は、アクチュエータ６０に必要な圧力よりもはるかに低い。アクチュエータポンプ５０により高圧の燃料がアクチュエータ６０に供給されるため、メインポンプ４８の寸法は、エンジン１２の燃焼流を供給しかつメインポンプ４８が適切な動作を維持できるようなものとされている。好ましくは、このような圧力上昇は、メインポンプ４８が適切に動作し得るような大きさに設定される。すなわち、これまでのように、メインポンプ４８およびＭＰＶ７６によって高圧の燃料をアクチュエータに供給しなければならないという制限を設ける必要はない。
【００２３】
本発明によると、バイパス流導管７０を流れるバイパス流を低減しながら、エンジン１２への燃焼用燃料流を適切に調整することができる。再循環される流量が減少することによって、燃焼用燃料の加熱が著しく低減され、これによって、流量の要求量が小さい状態で発生する熱が減少する。従って、本発明によると、重量が大きくかつ取り扱いが困難な空気／油冷却器および燃料／油冷却器を用いる必要性が低くなる。従って、本発明によると、冷却器の重量および寸法を低減させるか、もしくは、冷却器の数を減少させることができるという利点が得られる。
【００２４】
図示されているバイパス流路は、単一の流路であるが、異なるバイパス流路や複数のバイパス流路が別の上流側位置まで迂回するように構成しても、本発明の効果は得られる。例えば、代わりの圧力逃しバルブ（pressure relief valve）もしくは付加的な圧力逃しバルブを用いることによって、バイパス流を燃料−油冷却器２０，３２の間の燃料導管４２に導くことも可能である。
【００２５】
さらに、明確なように、本発明は、手動によりバルブ制御を行なうものに制限されない。さらに、代わりの実施例として、もしくは付加的に、このようなシステムをマイクロプロセッサをベースとした電子駆動システム（デジタル式もしくはアナログ式）により実行することも可能である。
【００２６】
以上の記載は、単に例示的なものであり、本発明を制限するものではない。以上の教示に基づいて、本発明に様々な変更や改良を加えることが可能である。本発明の好適な実施例が開示されたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の変更を加えることが可能であることは、理解できるだろう。従って、付随の特許請求の範囲の範囲内で、記載されたものとは異なる方法で本発明を実行することが可能である。従って、付随の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および内容を決定するものとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料・油フローシステムの概略図。
【符号の説明】
１２…エンジン
３６…燃料タンク
４０…ブーストポンプ
４８…メインポンプ
５０…アクチュエータポンプ
５４…サーマルバルブ
５８…アクチュエータ最小圧力バルブ
６０…エンジンアクチュエータ
７０…バイパス流導管
７２…圧力調整バルブ
７４…メータリングバルブ

Claims (18)

1. ガスタービンエンジン用流体フローシステムであって、
   バイパス用サーマルバルブと流体的に連通したメインポンプと、
   アクチュエータポンプと、を備えており、前記アクチュエータポンプからの余剰な流体の流れが前記バイパス用サーマルバルブに導かれるように、前記アクチュエータポンプが前記バイパス用サーマルバルブと流体的に連通し、前記バイパス用サーマルバルブによって、前記のアクチュエータポンプからの流体の流れの少なくとも一部が、選択的に、前記アクチュエータポンプの吸入側と、前記メインポンプからの主流路と、へ導かれることを特徴とする流体フローシステム。
2. 前記アクチュエータポンプおよび前記バイパス用サーマルバルブと連通したアクチュエータ最小圧力バルブを備えていることを特徴とする請求項１記載の流体フローシステム。
3. アクチュエータを備えており、前記アクチュエータ最小圧力バルブによって、前記アクチュエータポンプからの流体の流れの少なくとも一部が前記アクチュエータへと導かれることを特徴とする請求項２記載の流体フローシステム。
4. 前記バイパス用サーマルバルブによって、前記のアクチュエータポンプからの流体の流れの少なくとも一部が、約３２°Ｆ（約０℃）を上回る温度で、前記主流路へと導かれることを特徴とする請求項１記載の流体フローシステム。
5. 前記アクチュエータポンプは、約３００ｐｓｉ（約２ＭＰａ）の圧力で動作することを特徴とする請求項１記載の流体フローシステム。
6. 前記メインポンプは、約１００ｐｓｉ（約０．７ＭＰａ）の圧力で動作することを特徴とする請求項１記載の流体フローシステム。
7. ガスタービンエンジン用流体フローシステムであって、
   バイパス用サーマルバルブと流体的に連通したメインポンプと、
   エンジンアクチュエータおよび前記バイパス用サーマルバルブと流体的に連通したアクチュエータポンプと、
   前記アクチュエータポンプおよび前記バイパス用サーマルバルブと流体的に連通したアクチュエータ最小圧力バルブと、を備えており、前記アクチュエータポンプから流出された流体の流れのうち、前記アクチュエータに必要な流量を超過した分は、前記バイパス用サーマルバルブへと導かれ、前記バイパス用サーマルバルブによって、流体の流れが、前記アクチュエータポンプの吸入側と、前記メインポンプからの主流路と、に選択的に導かれることを特徴とするガスタービン用流体フローシステム。
8. 前記アクチュエータから流出された流体の流れが前記アクチュエータポンプの吸入側に導かれることを特徴とする請求項７記載のガスタービン用流体フローシステム。
9. 前記メインポンプの吸入側および前記アクチュエータポンプの吸入側に流体の流れを供給するソースを備えていることを特徴とする請求項７記載のガスタービン用流体フローシステム。
10. 前記メインポンプからの主流路に圧力調整バルブが配置されており、これによって、前記アクチュエータポンプからの流体の流れおよび前記メインポンプからの流体の流れのうちの余剰分が、前記メインポンプの吸入側および前記アクチュエータポンプの吸入側の上流側にバイパスされるようになっていることを特徴とする請求項９記載のガスタービン用流体フローシステム。
11. 前記主流路にメータリングバルブを備えており、前記圧力調整バルブによって前記メータリングバルブを横断する圧力降下が検知されることを特徴とする請求項１０記載のガスタービン用流体フローシステム。
12. 前記エンジンアクチュエータは、タービン冷却用バルブを備えていることを特徴とする請求項７記載のガスタービン用流体フローシステム。
13. 前記エンジンアクチュエータは、エンジンノズルアクチュエータを備えていることを特徴とする請求項７記載のガスタービン用流体フローシステム。
14. 前記バイパス用サーマルバルブによって、前記のアクチュエータポンプからの流体の流れの少なくとも一部が、約３２°Ｆ（約０℃）を上回る温度で、前記主流路へと導かれることを特徴とする請求項７記載の流体フローシステム。
15. ガスタービンエンジン用流体フローシステムの制御方法であって、
    （１）供給源からの流体の流れを、相対的に高圧の供給源および相対的に低圧の供給源へと分割し、
    （２）前記低圧供給源からの低圧吐出流および前記高圧供給源からの高圧吐出流を、温度に依存して動作する装置に連通させ、
    （３）前記の温度に依存して動作する装置によって、前記高圧吐出流の少なくとも一部を、前記高圧供給源の吸入側と、前記低圧供給源の吐出側に連通した主流路と、に選択的に導くことを特徴とする方法。
16. 前記ステップ（２）において、前記高圧吐出流により動作するアクチュエータに、前記高圧吐出流の少なくとも一部を供給することを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記の高圧吐出流のうちのアクチュエータに供給される部分を、常に、所定圧力以上に維持することを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記ステップ（３）を、前記高圧吐出流の温度が所定温度以上に維持されるように行うことを特徴とする請求項１５記載の方法。

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