JP4615576B2 - 燃料システムおよびこれを通流する燃料の流れを調整する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに燃料を送る燃料システムに関する。

従来技術の燃料システムは、ギアボックスを介してタービンエンジンによって駆動される大型の容積式ポンプ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｐｕｍｐ）を含む。容積式ポンプは、タービンエンジンの需要に対して所望の燃料の量および圧力を達成するため、特にピーク時の需要に備えて過大に寸法設計されている。この結果、燃料システムは、バイパスバルブを使用して、不要な燃料をタンクへ戻しているが、これは、非常に効率が悪い。さらに、戻された燃料は高温であり、燃料タンク内の燃料の温度を望ましくない温度に上昇させてしまう。さらに、潜在的な破裂すなわち圧力超過の状態を緩和するために、圧力調整装置を使用して、発生した過剰圧力を放圧しなければならない。

従来技術の燃料システムは、精密な計量バルブを使用して、タービンエンジンの燃料需要を満たすように、燃料システムを通流する流量を調整する。これらの計量バルブは、許容誤差が厳しく、燃料システム内に汚染物質が存在すると、バルブの動作が損なわれる。

タービンエンジンの燃料需要を満たすため、タービンエンジンの代わりに電気モータを使用して、容積式ポンプを駆動することは、実用的ではない。一例において、タービンエンジンに必要とされる燃料を供給するために、重量が１００ポンド（約４５．４ｋｇ）を超える８０馬力のモータが必要とされるが、これは当産業分野では許容されない。

従来技術の燃料システムに関する他の問題として、「コークス化」として知られる現象がある。燃料マニホールドが、タービンエンジンに関連する複数のノズルに燃料を供給する。停止の際に、燃料マニホールドに残留する燃料が、下位のノズルおよび燃焼システムへ流出し、カーボンの堆積つまりコークスを形成してしまう恐れがある。コークス化により、バーナ効率の低下、ノズル流の異常、燃焼の不安定化、燃焼しなかった燃料が気化することによる汚染ガスの排出、を生じてしまう。この問題に対処するため、複雑なタイミングバルブおよびタービンバーナの圧力に依拠する燃料貯蔵キャニスタが使用されているが、これは信頼性が低いと考えられている。

高額な高精度燃料計量バルブを必要とすることなく、コークス化を軽減し、かつ／または燃料システム内の過剰圧力および過流を軽減する燃料システムが求められている。

本発明の実現可能な一実施例は、互いに独立して駆動することができる第１の駆動装置アッセンブリおよび第２の駆動装置アッセンブリを有する燃料システムを提示する。一実施例において、第１の駆動装置アッセンブリは、タービンエンジンであり、第２の駆動装置アッセンブリは、電気モータである。第２の駆動装置アッセンブリの速度は、所望の燃料流に基づいて選択的に制御される。

遠心ポンプなどの非容積式ポンプが、第１の駆動装置アッセンブリによって駆動される。遠心ポンプは、燃料システムに所望の燃料圧力を提供する。第２の駆動装置アッセンブリによって、容積式ポンプが駆動される。この容積式ポンプは、例えば、遠心ポンプと流体的に直列に連通するように接続されている。この容積式ポンプは、第２の駆動装置アッセンブリの速度に応答して所望の量を計量する。

この容積式ポンプを、遠心ポンプの前後どちらに配置してもよいし、２つ以上の遠心ポンプを使用してもよい。

動作時に、タービンエンジンの燃料流の需要に基づいて、所望の燃料流が要求される。所望の燃料流を十分に満たす燃料の量を供給する速度に容積式ポンプを回転させるように、制御装置が第１の駆動装置アッセンブリに命令する。遠心ポンプは、容積式ポンプとは独立して、タービンエンジンによって駆動される。遠心ポンプは、燃料の量に対して必要とされる燃料圧力を生成する。

燃料は、ポンプから流出し、最小圧力遮断バルブ（ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｈｕｔ−ｏｆｆ ｖａｌｖｅ）として働くバイパスバルブを通流する。エンジンを停止する際に、ソレノイドによってバイパスバルブを開口させ、電気モータの回転方向を逆転させて、容積式ポンプでシステムから燃料を吸い出して、燃料タンクに戻す。

したがって、本発明は、高額な高精度燃料計量バルブを必要とすることなく、コークス化を軽減し、かつ／または燃料システムの内部の過剰圧力および過流を軽減する燃料システムを提供する。

本発明の上記および他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解されよう。

図１に、本発明の燃料システム１０の一実施例を概略的に示す。燃料システム１０は、燃料タンク１６から燃料を受けるタービンエンジン１２を含む。燃料システム１０の様々な構成要素を駆動するために、ギアボックス１４が使用されるが、このギアボックス１４は、シャフト１５を介してタービンエンジン１２から回転入力を受けるように、タービンエンジン１２に取り付けられてもよい。

燃料システム１０は、明瞭にするために、実施例の燃料システムの一部分のみを示す。図示した構成要素は、本発明のポンプ装置を限定するものではないことを理解されたい。図示した実施例の燃料システム１０は、ビジネスジェット機用に使用されるエンジンなどの小型エンジンに応用するのに適したものとすることができる。大型エンジンおよび他の小型エンジンに応用する場合には、異なる構成要素にしてもよいし、構成要素を追加してもよい。

ギアボックス１４は、シャフト４３を介してブーストポンプインデューサ（ｂｏｏｓｔ ｐｕｍｐ ｉｎｄｕｃｅｒ）１８を駆動する。ブーストポンプインデューサ１８は、燃料タンク１６から燃料を汲み出し、燃料フィルタ２０および熱交換器２２に燃料を供給する。熱交換器２２は、燃料から熱を除去する。濾過され冷却された燃料は、第１の非容積式ポンプに供給される。

遠心ポンプ２４などの第１の非容積式ポンプは、シャフト２５によって駆動される。遠心ポンプ２４からの燃料は、第１の通路５８を介して環境保護のためのバイパスバルブ（ｅｃｏｌｏｇｙ ｂｙｐａｓｓ ｖａｌｖｅ）５２を通流し、容積式ポンプ２６に供給される。環境保護用バイパスバルブ５２は、最小圧力遮断バルブとして働き、燃料タンク１６内の燃料を加圧する。燃料は、第２の通路６０ａ、６０ｂを介して、ソレノイドで制御される遮断バルブ３４を通流し、容積式ポンプ２６に達する。例えば、パイロットによって開始される停止操作の際に、遮断ソレノイド３６ａを作動させ、タービンエンジン１２へ流入する燃料の流れを停止させることができる。もう１つの遮断ソレノイド３６ｂが、例えば、速度超過の状態の際に、タービンエンジン１２へ流入する燃料の流れを停止させる。これらのソレノイド３６ａ、３６ｂは、当技術分野において周知の技術である。

燃料は、遮断バルブ３４から、第３の通路６２を介して、容積式ポンプ２６に流入する。容積式ポンプ２６によって圧送されない燃料は、動力流バルブ２８を介してタンク１６に戻される。

容積式ポンプ２６は、電気モータ３０によって第１の方向に駆動され、タービンエンジン１２に燃料を供給する。この電気モータ３０は、ギアボックス１４およびタービンエンジン１２から独立して作動することができる。一実施例において、電気モータ３０は、３馬力で、重さが約１５ポンド（約６．８ｋｇ）である。容積式ポンプ２６は、この容積式ポンプ２６が受ける圧力の大きさに関わらず、所与の回転速度に応じて一定量の液体を供給する。容積式ポンプ２６は、タービンエンジン１２に送られる燃料の量を計量し、所望の燃料の量を供給する。電気モータ３０の速度を変化させることにより、燃料計量バルブを必要とすることなく、容積式ポンプ２６を通流する燃料の量を変化させることができる。

容積式ポンプ２６から計量されて流出する燃料は、第４の通路６４を介して、温度変動による燃料の密度変化を補償するために使用される抵抗温度検出器（ＲＴＤ）５６に流入する。燃料は、ＲＴＤ５６から第５の通路６６を介して、バイパスバルブ５２に供給される。燃料は、第６の通路６８を介して第２の非容積式ポンプ３２に送られ、第７の通路７０を介してバイパスバルブ５２に再び戻される。

シャフト３３によって、遠心ポンプ３２などの第２の非容積式ポンプが駆動される。遠心ポンプ２４、３２は、タービンエンジン１２に燃料を供給するために必要とされる圧力を、所望されるように提供する。一実施例において、遠心ポンプ３２の入口での燃料の圧力は、６０〜１１０ｐｓｉである。この遠心ポンプ３２は、遠心ポンプ３２の出口において、燃料の圧力を、約１１００〜１２００ｐｓｉまで上昇させる。

燃料は、当技術分野で周知のように、バイパスバルブ５２から、第８の通路７２を介して分流器３８に送られ、さらに、分流器３８から、一次ノズル４０ａおよび二次ノズル４０ｂを介してタービンエンジン１２に供給される。エンジンの停止時には、コークス化を防ぐために、これらのノズルの領域に含まれる燃料を除去することが望ましい。

バイパスバルブ５２は、燃料の圧力が所定の圧力に達すると、閉位置から開位置に移動する。開位置において、ポンプ２４、２６、３２と分流器３８とは、互いに流体的に接続されている。圧力が所定の圧力より低くなると、バイパスバルブ５２は、ノズルへ流入する燃料の流れを停止させるために自動的に閉じる。しかし、タービンエンジン１２の中にまだ燃料が残留しているため、これだけでは、コークス化を防ぐのに十分ではない。

停止手順が開始されるとき、燃料の圧力が低下し、バイパスバルブ５２が開位置から閉位置に移動する。このとき制御装置４４が、バイパスバルブ５２を開口させるように、ソレノイド５４などの作動装置に命令する。明瞭にするために、制御装置４４と様々な構成要素との接続を示していない。この制御装置は、１つまたは複数のデバイスからなるものでよい。この制御装置４４は、第２の回転方向へ逆回転するように電気モータ３０に命令し、容積式ポンプ２６を逆方向に作動させる。容積式ポンプ２６は、ノズル、分流器３８、ポンプ２４、３０、および通路５８、６０ａ、６０ｂ、６２、６４、６６、６８、７０、７２から燃料を迅速に吸い出す。吸い出された燃料は、開口した遮断バルブ３４を介してタンク１６に戻される。その後、遮断バルブ３４を閉じることができる。

交流発電機４５が、シャフト１７を介してギアボックス１４によって駆動され、シャフト４３を介してブーストポンプインデューサ１８および遠心ポンプ２４、３２と共に回転する。本発明の遠心ポンプ２４、３２の構成により、遠心ポンプ２４、３２および交流発電機４５を、同じ回転速度で駆動することができる。従来技術では、交流発電機とは異なる速度で容積式ポンプを駆動するために、別に分けられたギアパッドがギアボックス１４に設けられていた。この交流発電機４５は、電気モータ３０を駆動するために使用される電力４２を発生させる。スイッチデバイスすなわち継電器４８が、制御装置４４からの速度命令４６に応答して、交流発電機４５から電気モータ３０へ電力を選択的に供給し、所望の燃料の量に基づいて電気モータ３０の速度を変化させる。電気モータ３０の燃料の速度は、従来技術の燃料計量バルブの制御に比べ、はるかに正確に制御することができる。

容積式ポンプは、タービンエンジンの始動条件に十分な量の燃料を供給できるように寸法設計されている。すなわち、容積式ポンプ２６の流量曲線は、始動時にタービンエンジン１２に必要とされる燃料の量に合致するように、選択される。遠心ポンプ３２は、遠心ポンプ３２の揚程曲線がタービンエンジンの背圧曲線に合致するように、選択される。このようにして、遠心ポンプ３２によって過剰圧力が発生することなく、高圧安全バルブを必要とせず、潜在的な破裂すなわち圧力超過の状態に関連する問題を最小限に抑える。

図１は、遠心ポンプ２４および遠心ポンプ３２とともに流体的に直列に接続された容積式ポンプを概略的に示す。他の好適なポンプ構成を使用してもよい。一実施例において、遠心ポンプの１つを省略し、容積式ポンプ２６を遠心ポンプ２４の下流に流体的に直列に接続してもよい。他の実施例において、容積式ポンプ２６の下流に遠心ポンプ２４を接続してもよい。

本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。このため、本発明の特許請求の範囲および内容を決定するために、請求項を検討されたい。

環境保護の特徴があり、遠心ポンプおよび容積式ポンプを備える燃料システムの概略図。

符号の説明

１０…燃料システム
１２…タービンエンジン
１４…ギアボックス
１６…燃料タンク
１８…ブーストポンプインデューサ
２０…燃料フィルタ
２２…熱交換器
２６…容積式ポンプ
２８…動力流バルブ
３０…電気モータ
３４…遮断バルブ
３６ａ…遮断ソレノイド
３６ｂ…遮断ソレノイド
３８…分流器
４０ａ…一次ノズル
４０ｂ…二次ノズル
４４…制御装置
４５…交流発電機
５４…ソレノイド
５６…抵抗温度検出器（ＲＴＤ）

Claims (14)

1. 燃料供給デバイスと、
   互いに独立して駆動可能な第１および第２の駆動装置アッセンブリであって、第２の駆動装置アッセンブリの速度は所望の燃料流に基づいて選択的に制御される、第１および第２の駆動装置アッセンブリと、
   前記第１の駆動装置アッセンブリによって駆動され、所望の燃料圧力を提供する非容積式ポンプと、
   前記非容積式ポンプと流体連通するとともに、前記第２の駆動装置アッセンブリによって第１の回転方向および第２の回転方向に駆動され、前記第１の回転方向の速度に応答して所望の燃料の量を計量し、かつ前記第２の回転方向において燃料を吸い出す容積式ポンプと、
   燃料の流れを選択的に制御するために前記容積式ポンプと前記燃料供給デバイスとの間に流体的に接続されたバイパスバルブであって、開位置および閉位置を有し、所定の燃料圧力に応答して前記閉位置から前記開位置に移動し、かつ燃料圧力が前記所定の燃料圧力より低いときには前記閉位置に戻るバイパスバルブと、
   前記容積式ポンプが前記燃料供給デバイスから燃料を吸い出すために第２の回転方向に作動しているとき、前記閉位置から前記開位置に前記バイパスバルブを移動させる作動装置と、
   を備えたことを特徴とする燃料システム。
2. 前記非容積式ポンプが遠心ポンプである請求項１に記載の燃料システム。
3. 前記第１の駆動装置アッセンブリがタービンエンジンを含み、前記第２の駆動装置アッセンブリが電気モータを含む請求項２に記載の燃料システム。
4. 前記タービンエンジンによって第２の速度で駆動される交流発電機を備え、前記遠心ポンプが、前記タービンエンジンによって前記交流発電機と共に前記第２の速度で駆動される請求項３に記載の燃料システム。
5. 制御装置を備え、前記各ポンプが、前記タービンエンジンへ燃料を供給し、前記制御装置が、前記タービンエンジンに必要とされる燃料の需要量を決定し、かつ前記燃料の需要量を満たす所望の燃料流に応じて前記電気モータに速度の命令を与える請求項３に記載の燃料システム。
6. 前記ポンプが、互いに流体的に直列に接続されている請求項１に記載の燃料システム。
7. 前記バイパスバルブが、さらに第１の非容積式ポンプと第２の非容積式ポンプとに流体的に接続され、これらの非容積式ポンプならびに前記容積式ポンプと前記燃料供給デバイスとが、前記開位置にある前記バイパスバルブによって互いに流体的に接続されている請求項１に記載の燃料システム。
8. 制御装置が、エンジンの遮断信号に応答して、前記第２の方向に回転するように前記電気モータに命令し、かつ前記バイパスバルブを前記閉位置から前記開位置に移動させるように前記作動装置に命令する請求項３に記載の燃料システム。
9. 前記作動装置がソレノイドである請求項１に記載の燃料システム。
10. 請求項１に記載の燃料システムを用いて燃料の流れを調整する方法であって、
    （ａ）開位置にある前記バイパスバルブを介してエンジンに燃料を供給するステップと、
    （ｂ）エンジンの停止命令を開始するステップと、
    （ｃ）所定の燃料圧力に達したとき前記バイパスバルブを閉じるステップと、
    （ｄ）前記バイパスバルブを開位置に作動させるステップと、
    （ｅ）前記バイパスバルブを介して燃料を吸いだすために、前記容積式ポンプの回転方向を逆にするステップと、
    を含む方法。
11. ステップ（ａ）が、エンジンの始動時に、電気モータを用いて前記容積式ポンプを駆動することを含む請求項１０に記載の方法。
12. ステップ（ｂ）の実行に応答して、ステップ（ｄ）およびステップ（ｅ）が実行される請求項１０に記載の方法。
13. 前記非容積式ポンプとして第１の非容積式ポンプと第２の非容積式ポンプとを有し、前記ステップ（ａ）は、前記第１の非容積式ポンプを用いて前記バイパスバルブを介して燃料を汲み上げ、かつ前記容積式ポンプに前記燃料を供給し、前記容積式ポンプが、前記バイパスバルブを介して前記第２の非容積式ポンプに燃料を汲み上げ、前記第２の非容積式ポンプが、前記バイパスバルブを介して前記燃料供給デバイスに燃料を汲み上げることを含む請求項１０に記載の方法。
14. 前記燃料供給デバイスが分流バルブであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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