JP4896893B2 - ガスタービンエンジンへ燃料流量を調節しつつ燃料を供給するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、調節された流量にて燃料をエンジン、特には航空機のガスタービンエンジンへと供給するための装置に関する。

ガスタービンエンジンへと燃料を供給するための装置は、通常は、エンジンによってエンジンの軸へと接続された付属のギアボックスを介して駆動される容積式のポンプを備える。容積式のポンプが、航空機の燃料回路から来る燃料を受け取る。電気−油圧制御の計量バルブが、容積式のポンプからの出口をエンジンの燃焼室へと接続する供給配管に取り付けられている。制御によって絞りを変化させることができるバイパスバルブを備える燃料戻り回路が、容積式のポンプの出口と入口との間に接続されている。バイパスバルブは、計量バルブを通過するヘッドロスを一定またはほぼ一定の値に保つべく油圧によって制御され、燃料を計量バルブの位置に対応する所望の流量で届けることができるようにしている。計量バルブまたは計量バルブの制御手段の故障に起因して生じ得る過剰な速度または推力の検出に応答して燃料の流量を減少させるために、エンジン過速度バルブまたは過推力バルブを、供給配管において計量バルブに直列または並列に取り付けることができる。通常は、操縦席からの直接の指令によって燃料供給を遮断してエンジンをオフにするため、遮断バルブが、計量バルブおよび過速度バルブに直列に設けられる。詳しくは、欧州特許第１３５５０５４号明細書および米国特許第２００４／０１１７１０２号明細書を参照することができる。

欧州特許第１３５５０５４号明細書の実施形態においては、過速度バルブまたは過推力バルブが、通常の状況下での全開状態、および過速度または過推力の検出に応答した所定のより大きな絞りの状態、という２つの動作状態を有する。このような処置は、過速度または過推力が検出された後に、エンジンからの推力が失われてしまい、あるいは絞られた後の燃料の体積流量が、特定の動作状況下のエンジンにとって受け入れることができないものになり得るという欠点を呈している。

欧州特許第０３７７２９２号明細書が、ガスタービンへと燃料を供給するための装置を記載している。燃料（圧縮性ガス）が、通常の状況下で燃料の流量を調節する圧縮機によって届けられている。ガス圧縮機とタービンのインジェクタとの間の供給配管に、２つのバルブが直列に取り付けられている。これらのバルブは、ヘッドロスを回避するため通常の状況下では全開状態にあり、移行の状況下（始動時）または突然の負荷の減少の場合に、それぞれ圧力および絞られた流量を調節すべく制御される。

米国特許第４２８０３２３号明細書が、ガスタービンに燃料を供給するための装置であって、過速度バルブと調節バルブとを直列に接続して含む装置を開示している。冷間時の（始動時の）高粘度の燃料であってもタービンのインジェクタに所望の圧力が維持されるように、ポンプによって届けられる燃料の圧力が高められる。この動作は、単に相関関係に一致するようにプログラムされた種類の動作であって、調節ループを有していない。

本発明の目的は、ガスタービンエンジンへと燃料を供給するための供給装置であって、優れた動作をもたらす装置を提供することにあり、この目的のため、本発明は、
燃料をエンジンに供給するための配管、
供給配管へと接続され、エンジン速度の関数である圧力で燃料を供給配管に届けるポンプ、
供給配管の燃料の流量を測定するための流量測定装置、
供給配管に接続され、制御によって絞りを変化させることができる第１のバルブ、
流量測定装置および第１のバルブに接続され、エンジンの通常の動作状態のもとで、調節された所望の燃料の流量を届けるようにバルブを制御する第１の制御回路、
第１のバルブと直列に供給配管に取り付けられ、制御によって絞りを変化させることができる第２のバルブ、および
第２のバルブに接続され、エンジンの過速度または過推力の検出に応答して、流量の調節の可能性を維持しつつ供給配管の燃料の流量を減少させる第２の制御回路
を備える装置を提供する。

すなわち、エンジンの通常の動作モードにおいて、第１のバルブが燃料の流量を調節する一方で、過速度が検出された後には、第２のバルブ、すなわち過速度バルブが、第１のバルブを引き継ぎ、かつ依然として流量の調節を提供し続けることができる。

流量測定装置は、質量流量計であってよく、制御システムは、エンジンの自動制御システムから質量流量の設定点の値を受け取るローカルサーボ制御回路を含むことができる。

一変形例においては、流量測定装置が、容積式の流量計である。

さらなる変形例においては、流量測定装置が、装置を通る圧力低下および流通断面を知ることによって流量の測定を可能にする装置である。

調節装置の特定の特徴によれば、第１のバルブが、電気的に制御される直接制御のバルブである。その場合、第１の制御回路が、第１のバルブの開放の程度を制御するための少なくとも１つの電気機械アクチュエータを含むことができ、サーボ制御ループが、流量測定装置によって届けられ、実際の燃料の流量を表わしている信号を受け取り、所望の燃料の流量を表わしている設定点信号を受け取り、実際の流量と所望の流量との間に検出される差に応じて、制御信号をアクチュエータへと届ける。サーボ制御ループを、第１のバルブの近傍のローカルに設置することができ、設定点信号をもたらすエンジンの電子制御システムの外部に位置させることができる。機械式のアクチュエータを、エンジンの始動の際に予備的に設定することができ、バルブが、始動時に燃料の流量をサーボ制御するため、始動時にポンプによって届けられる圧力の特性と協働するスロットを備えることができる。

第２のバルブも、少なくとも１つの電気機械アクチュエータによって電気的に制御される直接制御のバルブであってよい。

さらに、燃料の流れを遮断するための第３のバルブを用意し、第１および第２のバルブと直列に供給配管に取り付けることができる。

本発明は、本発明を限定するものではない目安として提示され、添付の図面を参照する以下の説明を検討することによって、よりよく理解することが可能である。

図１の燃料供給回路１０は、航空機の燃料回路１０から燃料を受け取り、航空機へと取り付けられたエンジン１４のガスタービンの燃焼室へと燃料を注入するためのインジェクタシステム１２へと燃料の流れを届ける。

回路１０は、回路の主ポンプを構成している遠心ポンプ１００を備える。ポンプ１００は、燃料回路１１へと接続された導入口１００ａ、およびポンプの回転速度の関数である圧力で燃料を届ける高圧の出口１００ｂを有する。ポンプは、エンジン１４の付属の駆動モジュール１６との機械的な接続によって駆動され、タービン自体に接続されている。

補助ポンプユニット１１０が、導入口１１２ａを遠心ポンプ１００の出口へと接続して有する容積式のポンプ１１２、電気制御回路１１５の制御のもとでポンプ１１２を駆動するための電動モータ１１４、および圧力放出バルブ１１６を備える。

一例として、ポンプ１１２はギアポンプである。ポンプ１１２を回路１１から来る燃料によって運ばれている可能性がある固体粒子から保護するため、ポンプ１００の出口１００ｂとポンプ１１２の導入口１１２ａとの間に、フィルタ１１８を取り付けることができる。遠心ポンプ１００の動作は、そのような粒子による影響を受けない。

電気制御回路１１５は、ポンプ１１２の動作を制御するために、エンジン１４を制御するための全権デジタルエンジン制御（ＦＡＤＥＣ）モジュール１５へと接続されている。制御回路１１５を、制御モジュール１５に統合してもよい。

圧力放出バルブ１１６は、ポンプ１１２の出口１１２ｂへと接続された第１の導入口１１６ａ、航空機の燃料回路へと接続されて、バルブ１１６へと基準圧力をもたらしている第２の導入口１１６ｂ、およびポンプ１１２の導入口１１２ａへと接続された出口１１６ｃを有する。圧力放出バルブは、導入口１１６ａおよび１１６ｂの間の圧力差が所定のしきい値を超えるときに開いて、第１の導入口１１６ａを出口１１６ｂに連通させるように調節されている。バルブ１１６を製作するために、一端に圧力の取り出し１１６ｄを介してポンプ１１２からの出口圧力が加えられ、他端に第２の導入口１１６ｂの圧力およびばねによる力が加えられるスライダ１１７を使用することができる。

遠心ポンプ１００の出口１００ｂが、燃料注入システム１２へと届けられる燃料の流量を調節するための回路１２０の導入口へと、チェックバルブ１０２を介して接続される一方で、ポンプ１１２の出口１１２ｂは、調節回路１２０の導入口へと接続されている。

動作は次のとおりである。

圧力放出バルブ１１６が、始動時にエンジン１４の最小の燃料の要求を満足させることができる所定の最小圧力Ｐｍに一致する圧力で開くように設定される。

容積式のポンプ１１２が起動され、ポンプ１１２の出口１１２ｂの圧力がほぼ瞬時に最小圧力Ｐｍに達して、圧力放出バルブ１１６の開放を生じさせるよう、調節回路１２０によって設定されるエンジン１４の初期のニーズを超えるレートにて燃料を届けるために適した速度で駆動される。エンジン１４が始動することで、遠心ポンプの出口１００ｂの圧力が上昇を開始するが、最初は燃料の圧力の要求をカバーできない。したがって、ポンプ１１２の出口１１２ｂの圧力が圧力値Ｐｍに設定され、ポンプ１１２によって供給されるがインジェクタ回路１２へは届けられない燃料が、バルブ１１６を介してポンプ１１２の出口と入口との間の閉回路を流れる。チェックバルブ１０２が、ポンプ１１２によって届けられる燃料の遠心ポンプ１００への逆流を防止している。

このように、ポンプユニット１１０が、始動時に補助の機能を提供し、バルブ１１６が、容積式のポンプ１１２を、遠心ポンプと同じ様相にて或る圧力で燃料を届けるポンプへと変化させる。しかしながら、遠心ポンプにおいて生じ得る現象と異なり、容積式のポンプ１１２の動作は、最初に回路１１から取り込まれる燃料に空気または蒸気が存在しても影響を受けない。

ポンプ１００からの出口の圧力がエンジンの速度が増加するにつれて上昇し、この圧力が値Ｐｍを超えるとき、チェックバルブ１０２が開く。この結果、流量調節回路１２０へと供給される圧力は、遠心ポンプ１００によって供給される圧力となる。

ポンプ１００と、ポンプユニット１１０と、チェックバルブ１０２とを備える集合体が、ポンプ１１２および１００の間で優勢な方への移行を達成可能にするポンプシステムのように挙動し、調節回路へと供給される燃料の圧力が、ポンプ１１２および１００からの出口に並行に届けられる圧力のうちの大きい方となる。

ひとたびポンプ１００がポンプ１１２を引き継ぐと、ポンプ１１２を停止させることができる。停止は、ポンプ１００からの出口の圧力がしきい値Ｐ_１を超えることに応答して、あるいはエンジン１４の速度がしきい値Ｖ_１を超えることに応答して、制御することができる。これは、燃料圧力センサまたはエンジン１４のタービンの速度を検出するためのセンサによって供給される情報に応答して電気制御回路１１５へと作用する電子調節モジュール１５によって制御することができる。しきい値Ｐ_１およびＶ_１は、Ｐ_ｍよりも少し大きな値に相当するように選択することができる。

ポンプユニット１１０を、始動時だけでなく、例えばアイドリング時または遠心ポンプ１００では燃料を最小圧力Ｐｍで届けることが不可能になる状況下で低速で動作しているときなど、エンジンの動作の他の段階においても使用できることに気がつくべきである。その場合には、燃料の圧力が或る圧力のしきい値を下回って低下したと検出された場合、またはエンジンの速度が或る速度のしきい値を下回って低下したと検出された場合に、制御回路１１５によってモータ１１４を再度動作させるだけで充分である。

このようにして、ポンプユニット１１０は、始動時に補助ユニットのように挙動するだけでなく、あらゆる状況下において供給される燃料の最小圧力が充分な圧力であるように保証すべく、低いエンジン速度における補助ユニットとしても挙動する。

図示の実施形態においては、ポンプ１１２が、始動ポンプ１１２にとって「透明」である遠心ポンプを介して、燃料回路１１へと接続されている。この接続によれば、ポンプ１１２は、ポンプ１００の駆動が開始されるとすぐにポンプ１００によって生み出される圧力の上昇からの恩恵を受けることができる。

ポンプ１１２の導入口１１２ａを、遠心ポンプ１００を通過させることなくフィルタを介して燃料回路１１へと接続することも、当然ながら可能である。

燃料の流量を調節するための調節回路１２０は、未調節であってエンジンの速度に依存する圧力で、ポンプ１００によって届けられる燃料を受け取る。調節回路１２０は、質量流量計１２２、ならびにポンプ１００および補助パイプユニット１１０を燃料注入装置１２へと接続している配管１２６に取り付けられた直接制御の燃料バルブ１２４を備える。質量流量計１２２は、好ましくは、バルブ１２４の上流に取り付けられる。熱粒子フィルタ１３０、ならびにエンジンの各部材を潤滑するための油と燃料との間の熱交換のための熱交換回路１２８の両者を、流量計１２２の上流において配管１１０に挿入することができ、そのような熱交換回路およびフィルタはよく知られている。

一例として、バルブ１２４は電気制御の直接制御バルブである。バルブの開放の程度が、アクチュエータまたは電動モータなどの電気機械アクチュエータ１２５によって制御される。アクチュエータ１２５は、エンジン１４の電気回路、例えばエンジンの電子制御システム１５に統合された電源またはエンジン１４の電力供給バスから、電力の供給を受け取る。冗長を目的として、並行して動作する２つの類似のアクチュエータ１２５、１２５’を設けることができる。

エンジンの電気回路から供給を受けるローカルサーボ制御ループ１３２が、質量流量計１２２によって届けられ、配管１２６内の燃料の実際の質量流量を表わしている電気信号、ならびにエンジンの電子制御モジュール１５によって届けられ、エンジン１４へと届けられるべき質量流量の所望の設定点の値を表わしている電気信号を受信する。サーボ制御ループ１３２が、エンジンが通常の動作状態にあるとき、流量を所望の設定点の値へと調節すべくバルブ１２４を位置させるために、実際の質量流量と設定点の質量流量との間に検出された差によって決まる制御の電気信号を、アクチュエータ１２５へと届ける。存在するのであればアクチュエータ１２５’へも、同じ制御信号が並行して届けられる。

当然ながら、調節を、エンジン１４の自動制御システム１５に統合された電子モジュールによってもたらすことができる。しかしながら、上記システムのハウジングの外部のローカルループ１３２を使用することは、上記システムと流量計１２２との間の接続を持たずに済ませる役に立つ。

バルブ１２４は、動作がアクチュエータを予備的に設定するモードを含む米国特許第６３６７７６８号明細書に記載の形式のバルブであってよい。アクチュエータは、位置の計測（絶対的な直接の位置、または増分の位置）を含み、バルブが、所定の輪郭のスロットを有する。エンジンの始動時に流量を調節する可能性が、予備的な設定モードにおいて、圧力放出バルブ１１６を備えるポンプユニット１１０によってもたらされる流量特性と組み合わせて利用可能になる。その結果、流量計の技術が充分でない場合に、きわめて少ない流量における調節を信頼できるものとするために、流量を流量計によって冗長なやり方で調節することができる。

エンジン１４の過速度または過推力の保護バルブ１３４が、バルブ１２４の下流で配管１２６に取り付けられている。バルブ１２４およびアクチュエータ１２５と同様のやり方で、電気機械アクチュエータ１３５を備える直接制御のバルブを使用することが、好都合に可能である。アクチュエータ１３５が、安全上の理由でバルブ１２４による調節の実行に専用であるモジュールとは別個であるモジュールを介して、エンジン１４の自動制御システム１５から制御される。実際、エンジンの過速度または過推力は、バルブ１２４またはバルブ１２４の制御手段が故障して、バルブが全開位置のままになってしまうことから生じ得る。冗長を目的として、並行して動作する２つの類似のアクチュエータ１３５、１３５’を設けることができる。

通常のエンジン速度においては、設定点に従い、バルブ１３４が最大に開いた状態にあり、流量はバルブ１２４によって制御される。

エンジンの電子制御モジュール１５が、例えば高圧タービンの回転速度を表わす情報など、エンジンの速度を表わす情報を受信する。過速度（または、過推力）の状態が検出され、すなわち速度が速度設定点の値を所定の差よりも大きく超えていることが検出され、かつバルブ１２４を動かしてもこれを補正できない場合、バルブ１３４が、配管１２６内の燃料の流量を少なくするように制御される。

自動制御システム１５を、バルブ１３４を燃料をより少ない流量で供給することができる安全な所定の半閉状態とするようにプログラムすることができる。このように、バルブ１３４に直接制御のバルブを使用することは、エンジンが依然として少なくとも狭い範囲において燃料の流量を変更することによって制御可能であるように保証することができるという点で、好都合である。この変更は、自動制御システム１５によって、所望のエンジン速度に応じて実行できる。このように、過速度が検出されるとバルブ１３４がバルブ１２４を引き継ぎ、したがって少なくとも特定の範囲において流量を変化させることが依然として可能である。

過速度バルブの動作が（ｉ）全開、および（ｉｉ）遮断または所定の少量での開放、という２つの状態を有する動作である従来技術のシステムと比べ、過速度または過推力の検出後でも流量を調節することが可能であるため、エンジンからの推力を保存することができ、課される流量の減少が特定の状況下においてエンジンにとって受け入れできないものになり得るという状況を、回避することができるようになる。

オン／オフ式の閉鎖バルブ１３６が、例えばバルブ１３４の下流で配管１２６に取り付けられている。バルブ１３６を、電気機械アクチュエータ１３７によって制御することができる。知られているやり方で、閉鎖バルブ１３６を、エンジンの自動制御システム１５からの指令、または優先度にもとづき航空機の操縦席からの指令にて、燃料の供給を遮断することによってエンジン１４を停止させるべく動作させることができる。

やはり知られているやり方で、計量用の質量流量計１３８を、バルブ１３６の下流で配管１２６に取り付け、燃料の重量に関してエンジンの総消費量についての情報をもたらすことができる。

エンジンの燃料の要求は、重量に関して表現される。したがって、質量流量計１２２を使用することで、その誤差の幅の限界の範囲内で、質量流量についての設定点の値にもとづいて燃料の供給を正確に調節することができる。質量流量計は、米国特許第２００４／０１２３６７４号明細書および米国特許第２００４／０１２９０８８号明細書に記載の形式の質量流量計であってよい。

しかしながら、図２に示されているように、質量流量計を、容積式の流量計２２２によって置き換えることも可能である。流量計２２２によって測定される実際の体積流量に関する情報が、エンジン１４の自動制御システム１５へと伝達される。システム１５は、燃料の密度についての推定値から、エンジンの要求を設定点の体積流量に関して変換するようにプログラムされる。次いで、直接制御のバルブ１２４が、所望の設定点の値について配管１２６内の体積流量をサーボ制御すべく、システム１５によって制御される。

さらに他の実施形態においては、図３に示されているように、装置３２２を通っての圧力低下ΔＰ、装置３２２を通過する燃料の流通断面、ならびに燃料の密度を知ることによって流量の測定を可能にする装置３２２を使用することが可能である。流量は、ばねによってヘッドロスを設定するバルブの位置を測定するセンサ（図示されていない）によって割り出される。

装置３２２が、それ自体は知られていることに気がつくべきである。欧州特許第１３４４９１７号明細書を参照することができる。また、装置３２２は、欧州特許第１３５５０５４号明細書など、航空機用エンジンに燃料を供給するための知られているシステムにおいて使用されている油圧計量バルブと同様の構造を有する。

以上の説明においては、電気的に制御されるバルブ１２４、１３４、および１３６の使用を想定した。一変形例として、油圧によって制御されるバルブも使用可能である。

また、上述の供給装置は、例えばヘリコプターのエンジンなど、航空機用ガスタービンエンジン以外の航空機用エンジンにおいても使用可能である。

本発明による調節回路が備えられた燃料供給装置の実施形態を示している。 図１の調節回路の変形例の実施形態を示す部分図である。 図１の調節回路の変形例の実施形態を示す部分図である。

Claims (11)

1. ガスタービンエンジンへと燃料を調節された流量で供給するための供給装置であって、
   燃料をエンジンに供給するための供給配管、
   供給配管へと接続され、エンジン速度の関数である圧力で燃料を供給配管に届けるポンプ、
   供給配管の燃料の流量を測定するための流量測定装置、
   供給配管に接続され、制御によって絞りを変化させることができる第１のバルブ、
   流量測定装置および第１のバルブに接続され、エンジンの通常の動作状態のもとで、調節された所望の燃料の流量を届けるようにバルブを制御する第１の制御回路、
   第１のバルブと直列に供給配管に取り付けられ、制御によって絞りを変化させることができる第２のバルブ、および
   第２のバルブに接続される第２の制御回路を備え、該第２の制御回路が、エンジンの過速度または過推力の検出に応答して供給配管の燃料の流量を減少させ、かつさらに過速度または過推力の検出に対して、燃料の流量が少なくとも減少した範囲で修正されることを可能にしてエンジンの制御性を維持する、装置。
2. 第２の制御回路が、アクチュエータを備え、該アクチュエータが、制御される第１のバルブによる調整を実行することに専用であるモジュールとは別個であるモジュールを介して、エンジンの自動制御システムから制御される、請求項１に記載の装置。
3. 流量測定装置が、質量流量計であり、第１の制御回路が、エンジンの自動制御システムから質量流量の設定点の値を受け取るローカルサーボ制御回路を含む、請求項１または２に記載の装置。
4. 流量測定装置が、容積式の流量計である、請求項１または２に記載の装置。
5. 流量測定装置が、測定装置を通る圧力低下および流通断面を知ることによって流量を測定するための装置である、請求項１または２に記載の装置。
6. 第１のバルブが、電気的に制御される直接制御のバルブである、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 第１の制御回路が、第１のバルブの開放の程度を制御するための少なくとも１つの電気機械アクチュエータと、サーボ制御ループとを備え、サーボ制御ループが、流量測定装置によって届けられ、実際の燃料の流量を表わしている信号を受け取り、所望の燃料の流量を表わしている設定点信号を受け取り、かつ実際の流量と所望の流量との間に検出される差に応じて、制御信号をアクチュエータへと届ける、請求項６に記載の装置。
8. サーボ制御ループが、第１のバルブの近傍かつ設定点信号を供給するエンジンの電子制御システムの外部のローカルに設置されたループである、請求項７に記載の装置。
9. 電気機械アクチュエータを、エンジンの始動の際に予備的に設定することができ、バルブが、始動時に燃料の流量をサーボ制御するため、始動時にポンプによって届けられる圧力特性と協働するスロットを含む、請求項７または８に記載の装置。
10. 第２のバルブが、少なくとも１つの電子アクチュエータによって電気的に制御される直接制御のバルブである、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
11. さらに遮断用の第３のバルブを含み、該第３のバルブが、第１および第２のバルブと直列に供給配管に取り付けられることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。

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