JP5078226B2 - ガスタービン・エンジン用流量制御システム - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、一般に、流体流量を調節するシステムに係り、特に、バイパス流を利用することにより可変容量ポンプからガスタービンへの液体燃料流量を調節するシステムに関する。

（発明の背景）
定量分配燃料ポンプは、関係するエンジンへの適切な量の燃料供給を果たすべく過剰な燃料流量容量を持たせることから容量がしばしば過大になる。その結果、多くの運転条件のもとで多量の昇圧燃料が再循環のためポンプ入口に戻される。燃料の戻りと再循環では、再循環路で圧力が降下するに従って燃料に加えられる後に熱に変わる余分なエネルギによって燃料温度が著しく上昇する。新しい設計では、燃料が正規運転温度を維持する熱交換媒体として使用されるので燃料の加熱は重要な問題である。熱交換のための他の方法はサイズ、重量および費用のために望ましくない。このような問題は燃料ポンプがエンジンに燃料を供給する必要があるため新しいエンジンでは増長される。たとえば、新しい中型から大型のエンジンは案内翼として直動ピストンを利用している。直動ピストンは回転する燃料の駆動源を必要とする。この回転はエンジンへの燃料供給を極度に不足させる過渡的現象である。
可変容量燃料ポンプは燃料吐出量を変えることで定量分配燃料ポンプが持つ欠点を一部だけ克服することができる。燃料吐出量を変えることにより分配される燃料はエンジンの要求量にさらに近づく。従って、この再循環流量は再循環で発生する熱と併せて減少する。可変容量ポンプは開示の全てがここに参照によって取り入れられる、サンベルグ（Sunberg）に付与された米国特許第５，８３３，４３８号明細書に開示されるように、この技術分野では知られている。可変容量ポンプは典型的には固定軸と回動するカム・リングとを有するロータを備える。ロータに対するカム・リングの位置制御によりポンプ吐出量を制御する。吐出量はトルク・モータで駆動されるサーボ弁により制御される。しかし、エンジン運転条件は当業者により知られるようにエンジン・アクチュエータ回転始動およびそれに類する過程で起こる過渡的現象をしばしば伴う。このような急激な変化を伴う運転条件のもとでは従来のポンプ制御システムは素早く、かつ適切に応答することができない。さらに、多くの従来のポンプ制御システムは信頼のおけるやり方でエンジンに燃料を供給するのに必要とされる安定性を欠いている。すでに述べたように、技術状態の進歩にも拘わらず、可変容量ポンプは安定性に欠け、エンジンの要求する燃料を変えるのに十分に、かつ素早く応答することができない。結果として、性能は十分でなく、燃料流量は過剰であるのが常態となっている。
可変容量ポンプ制御装置の例は、ここに開示の全てが参照によって取り入れられる、ペック他（Peck他）に付与された米国特許第５，７１６，２０１号明細書およびルーター他（Reuter他）に付与された米国特許第５，７１５，６７４号明細書に開示されている。これらポンプ制御システムは、エンジン運転条件の全範囲を通じて燃料流量を正確に保持することを意図する。しかし、上記のように、このようなシステムはなお複雑さであるような不適切な部分を備える。さらにまた、このようなシステムは再循環される過剰な燃料を分配することで供給帯域の妥当な範囲でしか燃料供給を達成できない。また、ポンプ制御システムには費用および複雑さを必要以上に増す複雑な電子回路や多くの追加装備品を備えることは望ましくない。
上述した点を考慮して、安定性に富み、かつ従来技術にみられる関係する欠点のない可変容量ポンプの吐出量を素早く調節する、簡素な設計を有する流量制御システムを提供することが望ましい。

（発明の要旨）
一実施例において、本発明はポンプ吐出量を計量するため可変容量ポンプと流体連通する計量弁を備える、可変容量ポンプを制御する流量制御システムに関する。計量弁前後の差圧を保持する調節弁は第１圧力を保つバイパス流として可変容量ポンプの吐出の一部を受け入れる。ここで、調節弁の出力は一時的圧力であり、この一時的圧力は第１圧力の平均に概ね等しい、低基準圧力である。アクチェエータは可変容量ポンプのカム・リングに接続されるピストンに動作を及ぼすことで可変容量ポンプの吐出を設定する。このアクチュエータの設定値は一時的圧力と第１圧力を保つ可変容量ポンプの吐出の第２部分との差圧で決定される。
本発明の目的は全ての運転条件で受け入れ可能な安定性を保持しながら、燃料計量ユニットの応答性を増すことにある。
本発明の他の目的は可変容量ポンプのための油圧機械式燃料計量ユニットを提供することにある。さらに、他の目的は動的流量条件に素早く、かつ正確に応答する燃料計量ユニットを提供することにある。
他の実施例において、本発明はエンジンに燃料を供給する可変容量ポンプを計量する方法に関する。この方法は低基準圧力を保つ燃料を可変容量ポンプ内に受け入れる過程と、可変容量ポンプの吐出が高圧になるように可変容量ポンプで燃料を昇圧する過程と、計量弁で可変容量ポンプの吐出量を計量する過程と、エンジンが追加燃料を必要とするとき、素早く応答するため可変容量ポンプの吐出から流出戻り流量を生成する過程と、調整弁を用いて計量弁を前後の差圧を調節する過程とを含む。調節弁は流出戻り流量と低基準圧力の平均にほぼ等しい一時的圧力を発生するために流出戻り流量と流体連通している。この方法はまた吐出量を調節する可変容量ポンプのカム・リングに接続されるカム・アクチュエータを用いて可変容量ポンプの吐出量を調節する過程を含む。ここで、カム・アクチュエータはカム・アクチュエータの設定値を決定するために一時的圧力を受け入れる。

（発明の詳細な説明）
図１を参照すると、一般に符号１０で示される本発明による流量制御システムの図式的表示が示されている。以下の説明を明確にするため、流量制御システム１０系内に示される矢印は燃料が流れる方向を示し、注釈文字“Ｐ”はある位置で保たれる圧力を示すために表記される。ここで左右、上下等全ての関連説明は図１に示されるように流量制御システム１０を参照しており、限定する意味ではない。加えて、明確にするためフィルタおよび遮断ソレノイドのような通常の手段は図１に含まれない。流量制御システム１０は過度の複雑さを回避しながら、安定した方法でエンジンの燃料要求に素早く応答するため、可動翼可変容量ポンプ１２の吐出量を保持する。
可変容量ポンプ１２はロータ１４と回動するカム・リング１６とを含む。可動翼可変容量ポンプの詳細な説明は、ここにその全体が参照によって取り入れられる、２００３年６月５日に公開された米国特許出願公開第２００２／０１０３８４９号明細書を参照する。可変容量ポンプ１２は入口圧力ＰＡＦを保つ燃料流量を受け入れ、吐出圧力ＰＦの燃料流量を吐出する。ピストン１８はロータ１４に対するカム・リング１６の位置を制御するカム・リング１６に動作可能に接続されており、これによって可変容量ポンプ１２の吐出量を変化させる。カム・アクチュエータ装置２０は以下に述べるようにピストン１８を位置決めする。これと同様に機能する、類似および変形した配置、従って単なる設計上の選択事項とみなされる他の形式のアクチュエータが請求された本発明の範囲内に含まれることは当業者には明らかである。可変容量ポンプ１２の最大流量設定値はピストン１８が左方向に最大距離を移動したときに生じる。
可変容量ポンプ１２の吐出と流体連通するフィードバック・ライン２１はカム・アクチュエータ２０の入口２２に接続されるライン２９に圧力Ｐ１Ｗを保って燃料を供給する。オリフィス２４とオリフィス２６はライン２９へ流れる流量を制限する。ライン２９の圧力はＰ１Ｗ＋ＰＡＦを２で割った値と大体等しく、図１にＰ１１として示される。Ｐ１Ｗを保つ圧力が圧力ＰＦとほぼ等しくなることは当業者には明らかである。フィードバック・ライン２１はまた必要とされるとき、エンジン、主計量弁およびブリード・バンド・サーボ弁（図示せず）のような図示しない他の場所に圧力Ｐ１Ｗを保つ燃料を供給する。このライン２９はまた低基準圧力ＰＡＦに接続する。カム・アクチュエータ２０の他の入口２８は以下で説明するように一時的圧力Ｐ１２を保つ燃料を受け入れる。
カム・アクチュエータ２０のハウジング２３はハウジング２３の内部を２つの部分に分けるピストン１８を保持する。コイルばね３０はピストン１８を付勢する。ハウジング２３内においてピストン１８の右側の圧力はＰ１ＷとＰＡＦとを平均した圧力に大体等しい。コイルばね３０の寸法の決め方とハウジング２３の左右両室間の差圧との兼ね合いがカム・アクチュエータ２０内のピストン１８を位置決めするように働く。カム・リング１６はピストン動作に応じて移動し、可変容量ポンプ１２の吐出量が変化する。好ましくは、コイルばね３０は可変容量ポンプ１２の始動のため最大流量でピストン１８を位置決めするように寸法を決め、構成される。流量制御システム１０全体を通じて、コイルばねは当業者に明らかなようにピストン面積と燃料圧力との積の関数として寸法が決められ、従って、ここでは詳しい説明はされない。
可変容量ポンプ１２の吐出は主計量弁３４とライン２１に流入する前に堆積物を取り除くウオッシュ・フィルタ３２通過する。主計量弁３４はある選ばれた速度と圧力ＰＭを保って燃料をエンジンに供給するため可変容量ポンプ１３とエンジン（図示せず）との間に配置される。主計量弁３４は圧力ＰＦが予め選ばれる、ほぼ一定した値ＰＭより確実に大きくする。これに適する主計量弁３４はこの技術分野ではよく知られている。従って、ここでは詳しい説明はなされない。好ましい主計量弁３４は通過する燃料量を選択的に変える機能を果たす。計量弁３４は圧力ＰＦを保つ燃料を受け入れ、燃料は圧力ＰＭでそこを流出する。
ライン３５は可変容量ポンプ１２の吐出をバイパス圧力調節弁装置３６に接続する。ライン３５の流量は圧力ＰＰを保つ流出戻り流量と称する。調節弁装置３６はそこに動作可能に配置される、ばねで付勢されたスプール４０を組み込む内部を形成しているハウジング３８を備える。スプール４０の左側の面はそこに圧力ＰＦを及ぼす燃料を有する。計量ヘッド調節ねじ４２は流量設定中、調節弁装置３６内のスプール４０の位置を校正するためスプール４０に取り付けられる。ハウジング３８は圧力ＰＦの燃料を受け入れるためライン３５に接続される入口４４を形成する。ハウジング３８の他の入口４６はスプール４０の動作を緩やかにするため静的ライン３７から圧力ＰＭを保つ燃料を受け入れる。オリフィス４８が動作を緩やかにするためライン３７に配置される。ハウジング４０はまた調節弁装置３６から流出する燃料を制限する出口５０を形成する。この出口５０はライン５１を通して可変容量ポンプ１２のライン２８と流体連通している。ライン５１はまたオリフィス５２が流量を低基準圧力ＰＡＦに制限している、低基準圧力ＰＡＦに接続する。ライン５１内の圧力は以下の説明で一時的圧力Ｐ１２を指す、ＰＦとＰＡＦの平均に大体等しい。ハウジング４０の左側に作用するＰＦと、スプール４０のばねによるバイアス量を加えた右側に作用するＰＭとの差圧の兼ね合いが最終的にスプール４０を位置決めする。
定常状態で運転中、調節弁装置３６の左側とカム・アクチュエータ２０の右側は大体同じ圧力を保っている。調節弁装置３６を通過する再循環流量は出口５０の一部を閉塞するスプール４０で圧力が低く保たれ、流量制御システム１０は過渡的現象にも素早くかつ十分に応答することができる。好ましい実施例において、正常な運転中、調節弁装置３６内のスプール４０はほぼ標準位置に保持される。最も新しいエンジンでは、エンジンの運転に伴って生じる燃料要求の変化はエンジンの回転と関係する変動と比べて比較的小さい。
過渡的現象が発生したとき、可変容量ポンプ１２は素早く多量の燃料を送り出さなければならない。たとえば、過渡的現象はライン２１内の圧力Ｐ１Ｗの回転駆動源を用いたアクチュエータ動作である。過渡的現象に伴う燃料の増加要求は即座にエンジンへの燃料流量を増加するように主計量弁３４を開き、可変容量ポンプ１２の吐出量を増加させる一連の動作が始まる。可変容量ポンプ１２は吐出量の増加に即座に応答できないので、増加要求はライン３５の流出戻り流量から流入する。結果として、圧力ＰＭは上昇し、圧力ＰＦは低下（すなわち、主計量弁３４前後の差圧（ＰＦ−ＰＭ）の降下）する。調節弁装置３６は差圧を感知し、スプール４０が左方向に移動する。出口５０の圧力は下がり、一方、カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力は降下する。カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力の減少によりピストン１８が左方向に移動する。ピストン１８が左に移動したとき、可変容量ポンプ１２の吐出量は増加する。この増加したポンプ吐出量は主計量弁３４前後の差圧が標準定常状態に戻り、定常条件が再度達成されるまで、圧力ＰＦを上昇させる。
これに代わる実施例では、可変容量ポンプ１２が過剰な燃料の再循環を防止する、吐出量を素早く減少しなければならないとき、エンジンへの燃料流量を減少するように主計量弁２０を閉じ、可変容量ポンプ１２の吐出量を減少させる一連の動作が始まる。可変容量ポンプ１２は吐出量の減少に即座に応答できないので、流量制御システム１０が即座に応答する。すなわち、減少要求は圧力ＰＭの低下と圧力ＰＰの上昇（すなわち、主計量弁３４前後の差圧（ＰＦ−ＰＭ）の上昇）をもたらす。調節弁装置３６は差圧の上昇を感知し、スプール４０は右方向に移動する。結果として、出口５０の圧力は上昇し、一方、カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力は上昇する。カム・アクチュエータ２０の左側に作用する圧力の上昇によりピストン１８が右方向に移動する。ピストン１８が右に移動したとき、可変容量ポンプ１２の吐出量は主計量弁１４前後の差圧（ＰＦ−ＰＭ）がスプール４０のほぼ標準位置である、標準定常状態に戻るまで減少する。
手短にいえば、調節弁装置３６は流量制御システム１０を過渡的要求に応じて素早く応答させながら、再循環流量を最小にするために使用される。再循環流量は調節され、スプール４０の位置は定常状態で運転中ほぼ標準位置にある。低基準圧力とポンプ吐出圧力の平均にほぼ等しい圧力が調節弁とカム・アクチュエータによる設定のために用いられる。
本発明を好ましい実施例について説明したが、当業者が多様な変更および／または変形について添付の請求の範囲に定義されるような発明の精神または範囲から離れることなくなし得ることは容易に理解することができる。

本発明に関連する当業者が本発明の実施とその使用方法について容易に理解できるように、図１を参照する。
本発明により構成された流量制御システムの図式的表示である。

Claims (14)

1. 可変容量ポンプを制御する高安定流量制御システムであって、
   ポンプ吐出量を計量するため前記可変容量ポンプと流体連通する計量弁と、
   前記計量弁および前記可変容量ポンプと流体連通し、前記計量弁前後の差圧を感知して応答する調節弁装置と、
   前記可変容量ポンプの吐出量を設定するため前記調節弁装置および前記可変容量ポンプに接続されるアクチュエータとを備え、
   前記調節弁装置が第１圧力を保つバイパス流として前記ポンプ吐出量の一部および第２圧力における計量弁吐出量の一部を受け入れ、前記調節弁装置からの弁出力が前記第１圧力と前記第２圧力間の差圧に基づき、前記第１圧力とポンプ入口圧力の平均に等しい一時的圧力で供給される、
   前記アクチュエータが前記一時的圧力と前記第１圧力間の差圧に基づいてポンプ圧力を決定する高安定流量制御システム。
2. 堆積物を取り除くため前記可変容量ポンプの吐出側と流体連通するフィルタを備える請求項１記載の高安定流量制御システム。
3. 前記調節弁装置の応答を緩やかにするため前記計量弁の計量出力側と前記調節弁との間に接続される第１ラインを備える請求項１記載の高安定流量制御システム。
4. 前記第１ラインにオリフィスを備える請求項３記載の高安定流量制御システム。
5. 前記アクチュエータに一時的圧力を与えるため前記調節弁装置と前記アクチュエータとの間に接続される第２ラインを備える請求項１記載の高安定流量制御システム。
6. 前記アクチュエータが前記可変容量ポンプの可動カム・リングに接続されるピストンを備える請求項１記載の高安定流量制御システム。
7. 可変容量ポンプがポンプ入口圧力を保つ燃料を受け入れ、昇圧された第１圧力の吐出量を発生する可変容量ポンプを制御する燃料計量ユニットであって、
   前記可変容量ポンプの吐出量を計量するため前記可変容量ポンプと流体連通する第１手段と、
   前記第１手段および前記第１手段前後の差圧を感知し応答する前記ポンプと流体連通する調節弁装置であって、前記第１圧力を保つバイパス流として前記ポンプの吐出量の一部および第２圧力における前記第１手段の吐出量の一部を受け入れ、前記調節弁装置からの弁出力が前記第１圧力と前記第２圧力間の差圧に基づき、前記第１圧力と前記ポンプ入口圧力の平均に等しい一時的圧力で供給される調節弁装置と、
   前記可変容量ポンプの吐出量を制御し、前記一時的圧力と前記第１圧力間の差圧に基づいて前記ポンプの吐出量を決定するため前記調節弁装置および前記可変容量ポンプに動作可能に接続されるカム・アクチュエータと、
   前記第１圧力を前記カム・アクチュエータに付与するため前記可変容量ポンプの吐出側と前記カム・アクチュエータとの間に接続される燃料ラインとを備える燃料計量ユニット。
8. 前記燃料ラインが、定常状態で運転する間、前記一時的圧力と、前記第１圧力とが等しくなるように前記ポンプ入口圧力に接続される請求項７記載の燃料計量ユニット。
9. 前記第１手段が計量弁である請求項７記載の燃料計量ユニット。
10. 堆積物を取り除くため前記可変容量ポンプの吐出側と流体連通するフィルタを備える請求項７記載の燃料計量ユニット。
11. 前記調節弁装置の応答を緩やかにするため前記第１手段の計量出力側と前記調節弁装置との間に接続される第１ラインを備える請求項７記載の燃料計量ユニット。
12. 前記第１ラインにオリフィスを備える請求項１１記載の燃料計量ユニット。
13. 前記カム・アクチュエータの応答を緩やかにするため前記調節弁装置と前記カム・アクチュエータとの間に接続される第２ラインを備える請求項７記載の燃料計量ユニット。
14. エンジンに燃料を供給する可変容量ポンプの吐出量を調節する方法であって、
    ポンプ入口圧力を保つ燃料を前記可変容量ポンプ内に受け入れる過程と、
    前記可変容量ポンプの吐出圧力が高圧になるように前記可変容量ポンプで前記燃料を第１圧力に昇圧する過程と、
    計量弁で前記可変容量ポンプの吐出量を計量する過程と、
    前記エンジンが追加燃料を必要とするとき、素早く応答するため前記可変容量ポンプの吐出量から流出戻り流量を供給する過程と、
    調節弁装置を用いて前記流出戻り流量と前記計量弁の吐出量に基づき計量弁前後の差圧を感知し応答する過程と、
    前記流出戻り流量と前記ポンプ入口圧力の平均に等しい一時的圧力を前記調節弁装置を用いて発生する過程と、
    カム・アクチュエータを用いて前記一時的圧力および前記第１圧力に基づき前記可変容量ポンプの吐出量を調節する過程と、を含む方法。
    

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