JP5664176B2 - 燃料供給システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料供給システムに関する。

一般に、航空機等に用いられるジェットエンジン（ターボファンエンジン）には、燃料供給システムが併設される。燃料供給システムは、例えば燃料ポンプ、燃料計量器を備える。燃料ポンプは、燃料タンクからの燃料を計量器に送る。計量器の計量結果に基づいて、必要量に対して過剰な燃料は、燃料ポンプの上流に戻される。必要量の燃料は、燃料冷却器によって冷却された後に、エンジン燃焼器に供給される。

上記の燃料ポンプの一例として、ギアポンプが知られている。ギアポンプは、ギアとケーシングを含んでいる。ギアポンプに流入した燃料は、ギアとケーシングの内壁面とに囲まれる空間に閉じ込められて下流側に運ばれる。従来のギアポンプは、エンジンから伝達された回転運動によってギアが駆動されることが多い。この構成では、ギアポンプの吐出量がエンジン回転数にほぼ比例することになる。

ところで、エンジン燃焼器での燃料消費量は、例えば飛行高度等のジェットエンジンの運転状態によって、エンジン回転数に比例しなくなる。例えば、巡航時には、離陸時等よりも必要な推力が減少するので燃料の必要量が低下し、ギアポンプの上流に戻されて循環する燃料の量が増加する。すると、燃料の循環に要するエネルギーが増加するので燃料が昇温し、燃料冷却器の負荷が増加する等の不都合が生じることがある。

このような観点で、近年では、エンジン回転数が同じ条件でギアポンプの吐出量を切替可能な技術が提案されている。例えば、特許文献１に開示されている三連式ギアポンプは、駆動ギアを挟んで対向配置される２つの従動ギアを備える。各従動ギアとケーシングの内壁面が、１つのギアポンプとして機能する。三連式ギアポンプは、２つのギアポンプを内包する構造になっており、２つのギアポンプの接続関係を並列又は直列に切替可能になっている。例えば、駆動ギアの回転数が同じ条件で比較すると、２つのギアポンプが直列接続されているときの吐出量は、並列接続されているときの吐出量の半分程度になる。

特開２００３−３２８９５８号公報

上述のような従来の燃料供給システムにあっては、吐出量の精度を高める上で改善の余地がある。すなわち、ギアポンプのギアの回転数と吐出圧力とによってポンプの容積効率が変化するので、吐出量を高精度に制御することが難しい。特に、ジェットエンジンの始動時やアイドル時等の低回転時には、ジェットエンジンが安定動作に至っていないので、例えばジェットエンジンからのフィードバック系によって吐出量を高精度に制御することは難しい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされてもので、ギアポンプの吐出量を高精度に制御可能な燃料供給システムを提供することを目的の１つとする。

本発明の燃料供給システムは、ギアの回転によって燃料を流すギアポンプと、前記ギアポンプから前記燃料が流入し、前記ギアポンプを経由する前後の前記燃料の差圧によって開口面積が変化するバルブと、前記バルブの開口面積に応じて前記ギアの回転数を制御する制御装置と、を備える。
このようにすれば、ギアポンプを経由する前後の燃料の差圧によってバルブの開口面積が変化し、制御装置がバルブの開口面積に応じてギアの回転数を制御するので、ギアポンプの吐出量を高精度に制御可能になる。

本発明に係る燃料供給システムは、代表的な態様として以下の態様をとりえる。

前記ギアを回転させるサーボモータをさらに備え、前記制御装置が前記サーボモータを制御する態様でもよい。
このようにすれば、ギアの回転数を任意の値に制御することができる。

前記バルブは、シリンダーと、前記シリンダーに挿入されるピストンとを含み、前記シリンダーは、前記ギアポンプから前記燃料が流入する流入口を軸方向の一端部に有するとともに、前記燃料が流出する流出口を前記軸方向の周囲に有し、前記制御装置は、前記軸方向の前記シリンダーの変位に基づいて、前記ギアの回転数を制御する態様でもよい。
このようにすれば、シリンダーの軸方向の変位によって流出口の開口面積すなわちバルブの開口面積が定まり、制御装置が軸方向のシリンダーの変位に基づいてギアの回転数を制御するので、ギアポンプの吐出量を高精度に制御可能になる。

前記ピストンに対して前記軸方向の前記一端部と反対側の圧力が、前記ギアポンプを経由前の前記燃料の圧力に調整されており、前記ピストンを前記軸方向の一端部に向けて付勢する付勢部を備える態様でもよい。
このようにすれば、シリンダーの一端部側にてピストンにギアポンプを経由後の燃料の圧力が作用し、その反対側にてピストンにギアポンプを経由前の圧力が作用するので、差圧に応じてピストンが変位する。また、付勢部がピストンを軸方向の一端部に向けて付勢するので、差圧が、付勢部の付勢力に応じた所定値以下であるときに、バルブが閉止状態となり燃料の流出を止めることが可能になる。

本発明によれば、吐出量を高精度に制御可能な燃料供給システムを提供することができる。

本発明を適用した推進システムの一例を示す概略構成図である。 本発明を適用した燃料供給システムの構成例を示す説明図である。 本発明を適用した燃料供給システムの特性を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明の技術範囲は下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。

図１は、本発明を適用した推進システムの一例を示す概略構成図である。図２は、本発明を適用した燃料供給システムの構成例を示す説明図である。図１に示す推進システムＳは、燃料供給システム１及びジェットエンジン２を備える。燃料供給システム１は、燃料タンク３、遠心ポンプ４、ギアポンプ５、サーボモータ６、計量部７、燃料冷却器８、及び制御装置９を備える。ジェットエンジン２は、エンジン燃焼器１０及びファン１１を備える。推進システムＳは、概略すると以下のように動作する。

燃料タンク３に貯留されている燃料Ｑは、遠心ポンプ４によって昇圧されて、ギアポンプ５に供給される。ギアポンプ５は、サーボモータ６に駆動されて燃料Ｑを燃料冷却器８に送る。計量部７は、ギアポンプ５と燃料冷却器８との間の流路に設けられ、燃料冷却器８へ流れる燃料Ｑの流量を測定する。計量部７の測定結果は、制御装置９に出力される。燃料Ｑは、燃料冷却器８にて潤滑油Ｒと熱交換することによって冷却される。潤滑油Ｒは、図示略の潤滑系から燃料冷却器８に供給される。燃料冷却器８で冷却された燃料Ｑは、ジェットエンジン２のエンジン燃焼器１０に供給される。

なお、計量部７で測定された燃料Ｑの流量が必要量よりも多い場合に、過剰な燃料をギアポンプ５よりも上流に戻す構成も可能である。例えば、ギアポンプ５及び燃料タンク３の間と、ギアポンプ５及び燃料冷却器８の間とを接続して、過剰な燃料を通すバイパスを設ける。

エンジン燃焼器１０には、燃料Ｑの他に圧縮空気等が供給される。燃料Ｑが圧縮空気と混合されて燃焼することにより、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、後流に噴射（排気）され、その反作用によって推力が発生する。燃焼ガスは、排気されるとともにファン１１を回転させる。ファン１１の回転動力は、上記の圧縮空気になる空気の吸気や圧縮等に用いられる。ファン１１の回転数は、制御装置９に出力される。

制御装置９は、計量部７の測定結果やファン１１の回転数を受けて、サーボモータ６を制御することによってギアポンプ５からの燃料Ｑの吐出量を制御する。例えば、航空機などに搭載された推進システムＳでは、ファン１１の回転数等の情報が操作パネル等に表示されて操縦者に伝達される。操縦者が、例えばスロットルレバーを操作すると、操縦者の入力に応じた所与の推力を得るために必要な燃料の量に応じて、ギアポンプ５の吐出量が制御される。

次に、本実施形態に係る燃料供給システムについて詳しく説明する。
図２に示すように本実施形態では、リリーフ弁１２及び燃料供給遮断弁１３が、それぞれギアポンプ５を通る燃料Ｑの流路と並列に、接続されている。詳しくは、リリーフ弁１２は、ギアポンプ５及び計量部７の間と、ギアポンプ５及び遠心ポンプ４の間とを接続する流路に設けられている。燃料供給遮断弁１３は、その接続関係がリリーフ弁１２と同様であり、リリーフ弁１２と並列かつギアポンプ５と並列に接続されている。

リリーフ弁１２は、ギアポンプ５及び計量部７の間の圧力が所定値以下であるときに逆止弁として機能し、この圧力が所定値を超えるときに開放弁として機能する。例えば、流路への異物の混入等に起因して流路内の圧力が上昇したときに、この圧力がシステムの耐圧以上になることをリリーフ弁１２によって防止することができる。

燃料供給遮断弁１３は、ジェットエンジン２への燃料供給を遮断するための弁である。燃料供給遮断弁１３は、例えば操縦者の指令等によって作動し、ギアポンプ５及び計量部７の間の流路をギアポンプ５及び遠心ポンプ４の間の流路に対して開放する。燃料供給遮断弁１３が開放状態になると、ギアポンプ５を経由する前後で燃料Ｑの圧力がほぼ同じ（差圧がほぼ０）になり、後述する計量部７のバルブ１７が閉止状態となる。例えば、不測の理由でサーボモータ６が制御不能になった場合等に、ジェットエンジン２への燃料供給を燃料供給遮断弁１３によって遮断することができる。

ギアポンプ５は、ケーシング１４及びギア１５、１６を備える。ギア１５、１６は、互いに噛み合わされた状態で、ケーシング１４に収容されている。ギア１５、１６は、それぞれ、ジャーナルベアリング等の軸受によって回転自在に支持されている。サーボモータ６は、ギア１５に接続されている。サーボモータ６は、制御装置９によって回転数制御が可能なモータである。

ギア１５は、サーボモータ６から供給されるトルクによって回転する駆動ギアである。ギア１６は、ギア１５との噛み合わせにより回転する従動ギアである。ギア１５、１６は、寸法や形状、歯数が同じであってもよいし、異なっていてもよい。ギア１５、１６の歯形としては、インボリュート歯形が好適に用いることができるが、正弦曲線歯形やトロコイド曲線歯形であってもよい。

遠心ポンプ４からの燃料Ｑは、ギア１５、１６が互いに向かい合う方向の交差方向から、ギア１５、１６の間に供給される。ギア１５、１６が回転すると、ギア１５、１６とケーシング１４の内壁面との間の空間に燃料Ｑが閉じ込められる。ギア１５、１６の回転に伴って、上記の空間の位置が変化して燃料Ｑが下流側に運ばれる。通常は、ギアポンプ５を経由する前後で燃料Ｑの圧力が変化する。すなわち、ギアポンプ５から吐出される燃料Ｑの圧力は、ギアポンプ５に流入するときの燃料Ｑの圧力よりも高くなる。なお、ギアポンプは、ギアの回転によって燃料を流すものであればよく、ギアの数等に限定はない。例えば、ギアの数が１つであってもよいし、またギアポンプが三連式のギアポンプであってもよい。

計量部７は、バルブ１７、測定部１８及び背圧設定部１９を含んでいる。バルブ１７は、シリンダー２０、ピストン２１、及び付勢部としてのバネ２２を含んでいる。

シリンダー２０は、その軸方向の一端部に、ギアポンプ５から燃料Ｑが流入する流入口２３を有している。シリンダー２０は、軸方向の周囲の側壁に、シリンダー２０の内部から燃料冷却器８へ燃料Ｑが流出する流出口２４を有している。流出口２４の開口端は、軸方向の位置関係に着目すると、流入口２３の開口端に対してギャップＧを有している。

ピストン２１は、シリンダー２０の内部に収容されている。ピストン２１は、シリンダー２０に対して軸方向にスライド可能である。本実施形態のピストン２１は、軸方向の端面２５及び軸方向の周りの側面２６を有している。端面２５は、流入口２３と向かい合う面である。なお、本実施形態のピストン２１は中空構造あるが、ピストンが中実構造であってもよい。

流入口２３の開口端と端面２５との間隔がギャップＧ以下である状態で、流出口２４の開口端の全体が、シリンダー２０の内部に対してピストン２１の側面２６により塞がれる。この状態からピストン２１が軸方向の他端側に移動すると、流出口２４の一部又は全部が、シリンダー２０の内部に対する開口Ａになる。燃料Ｑは、流入口２３からシリンダー２０の内部を通り、流出口２４の開口Ａを通って燃料冷却器８へ送られる。流出口２４を通る燃料Ｑの流量は開口Ａの面積に規定され、実質的に、開口Ａの面積がバルブ１７の開口面積になっている。

バネ２２は、つるまきバネ等によって構成される。バネ２２の一端はシリンダー２０に固定されており、バネ２２の他端はピストン２１に固定されている。バネ２２は、シリンダー２０の一端部に向けてピストン２１を押し付けるように、ピストン２１を軸方向に付勢している。バネ２２は、ピストン２１のストロークの範囲内でのバネ定数の変化が小さいものを用いるとよい。また、バネ２２は、端面２５を挟む部分の差圧の変化によるピストン２１の変位が測定可能値以上になるように、バネ定数が小さいものを用いるとよい。

測定部１８は、シリンダー２０に対するピストン２１の軸方向の変位を測定可能なものである。本実施形態の測定部１８は、差動変圧器（ＬＶＤＴ）によって構成されている。測定部１８は、コア２７及びステータ２８を含んでいる。ステータ２８は、その詳細な構造を図示しないが、一次コイルと、一次コイルに向かい合う２つの二次コイルとを含んでいる。２つの二次コイルは、軸方向に並んでいる。

一次コイル、及び２つの二次コイルは、シリンダー２０の内面に固定されている。コア２７は、例えば鉄芯であり、一次コイルと、２つの二次コイルとの間に配置されている。２つの二次コイルはコア２７によって磁気的に結合されている。コア２７は、シャフト２９等によってピストン２１との相対位置が固定されている。シャフト２９は、バネ２２の内側に挿通されている。

ピストン２１がシリンダー２０に対して軸方向に移動すると、ステータ２８に対してコア２７が軸方向に移動する。コア２７が軸方向に移動すると、その変位に応じて２つの二次コイルでの誘起起電力が変化する。測定部１８は、コア２７の変位すなわちピストン２１の変位を示す電気信号を制御装置９に出力する。

背圧設定部１９は、ピストン２１の端面２５に対してシリンダー２０の流入口２３と反対側の圧力（背圧）を、ギアポンプ５に流入するときの燃料Ｑの圧力とほぼ同じにする。すなわち、バルブ１７は背圧調整弁として機能する。背圧設定部１９は、例えば遠心ポンプ４とギアポンプ５と間の燃料Ｑの圧力を、燃料Ｑ又は他の媒体を介して端面２５に対して流入口２３と反対側に伝える流路等により構成される。

以上のような構成の燃料供給システム１において、ギアポンプ５に流入するときの燃料Ｑの圧力とギアポンプ５から流出するときの燃料Ｑの圧力との差圧に応じて、開口Ａの開口面積が変化する。測定部１８は、測定結果としてピストン２１の変位を示す値を制御装置９へ出力する。ピストン２１の変位に基づいて開口Ａの開口面積が求まり、開口面積に基づいてギアポンプ５からバルブ１７を通して燃料冷却器８へ流れる燃料Ｑの流量が求まる。制御装置９は、得られた燃料Ｑの流量に基づいて、燃料Ｑの流量を目標値に近づけるようにサーボモータ６の回転数を制御する。

開口Ａの開口面積をＡ_Ｖとしたときに、燃料冷却器８へ流れる燃料Ｑの流量Ｗ_Ｆは、下記の式（１）で表される。式（１）中のＣ_Ｄはシステム構成によって定まる定数、ρは燃料Ｑの密度、ΔＰは上記の差圧である。
Ｗ_Ｆ＝Ｃ_Ｄ・Ａ_Ｖ・（２ρΔＰ）^０．５・・・式（１）

式（１）から分かるように、流量Ｗ_Ｆは、開口面積Ａ_Ｖにほぼ比例する。開口面積Ａ_Ｖは、測定部１８の測定結果に基づいて高精度に算出可能であり、式（１）から高精度な流量Ｗ_Ｆが求まるので、所望の流量が得られるようにサーボモータ６を高精度に制御することが可能になる。

図３（ａ）は、差圧ΔＰに対する流量Ｑを示すグラフである。図３（ａ）のグラフにおいて、縦軸は流量の目標値で規格化したギアポンプ５からの流量Ｑ、横軸は差圧ΔＰ、二点鎖線は流量の目標値を示す。図３（ａ）に示すグラフでは、差圧ΔＰがΔＰ_０のときに流量Ｑが目標値とほぼ同じになっている。差圧ΔＰが、ΔＰ_０よりも小さいΔＰ_１であるときに、流量Ｑが目標値よりも大きくなっている。差圧ΔＰが、ΔＰ_０よりも大きいΔＰ_２であるときに、流量Ｑが目標値よりも小さくなっている。これは、差圧ΔＰが大きくなるほどギアポンプでのリークが大きくなり、ギアポンプからの吐出量がリークの分だけ減少するためと考えられる。

図３（ｂ）は、ギアポンプの回転数Ｎｐに対する流量Ｑを示すグラフである。図３（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は流量Ｑの絶対値を示し、横軸はギアポンプの回転数Ｎｐを示す。図３（ｂ）のグラフから分かるように、差圧ΔＰがΔＰ_０よりも小さいΔＰ_１であると、特に回転数が小さい（流量が小さい）駆動条件下で、目標値に対して流量Ｑが大きくなる。また、差圧ΔＰがΔＰ_０よりも大きいΔＰ_２であると、特に回転数が小さい（流量が小さい）駆動条件下で、目標値に対して流量Ｑが小さくなる。

本実施形態において、制御装置９は、流量Ｑが目標値とほぼ同じになるような差圧（ΔＰ_０）に差圧ΔＰが近づくように、測定部１８の測定結果に基づいて、サーボモータ６を駆動する。したがって、流量の誤差が相対的に少ない条件でギアポンプ５を使用することができ、流量Ｑを高精度に制御することができる。このように、本実施形態の燃料供給システム１によれば、特に燃料Ｑの低流量時において、燃料Ｑの供給量の制御精度を高めることが可能である。

また、ファンの回転運動によってギアポンプを駆動する構成と比較して、ギアポンプ５の回転数を自在に制御することができる。したがって、ジェットエンジン２の運転状態等によって燃費が変化した場合でも、その燃費に応じてギアポンプ５の吐出量を制御することができる。よって、ギアポンプ５から吐出される燃料Ｑのうちで燃料消費量以上の過剰分を減らすことや無くすことができ、過剰分をギアポンプ５の上流に戻す機構を設ける必要性が低くなる。また、上流に戻されて循環する燃料Ｑの量を減らすことや無くすことができ、燃料Ｑの循環による燃料Ｑの昇温を抑制することができる。これにより、燃料冷却器８の負荷を減らすことができ、燃料冷却器８を小型化・軽量化することが可能になる。

１・・・燃料供給システム、２・・・ジェットエンジン、３・・・燃料タンク、
４・・・遠心ポンプ、５・・・ギアポンプ、６・・・サーボモータ、７・・・計量部、
８・・・燃料冷却器、９・・・制御装置、１０・・・エンジン燃焼器、
１１・・・ファン、１２・・・リリーフ弁、１３・・・燃料供給遮断弁、
１４・・・ケーシング、１５、１６・・・ギア、１７・・・バルブ、１８・・・測定部、
１９・・・背圧設定部、２０・・・シリンダー、２１・・・ピストン、２２・・・バネ（付勢部）、２３・・・流入口、２４・・・流出口、２５・・・端面、
２６・・・側面、２７・・・コア、２８・・・ステータ、２９・・・シャフト、
Ａ・・・開口、Ｇ・・・ギャップ、Ｑ・・・燃料、Ｒ・・・潤滑油、
Ｓ・・・推進システム

Claims (4)

1. ギアの回転によって燃料を流すギアポンプと、
   前記ギアポンプから前記燃料が流入し、前記ギアポンプを経由する前後の前記燃料の差圧によって開口面積が変化するバルブと、
   前記バルブの開口面積に応じて前記ギアの回転数を制御する制御装置と、
   を備える燃料供給システム。
2. 前記ギアを回転させるサーボモータをさらに備え、前記制御装置が前記サーボモータを制御する、請求項１に記載の燃料供給システム。
3. 前記バルブは、シリンダーと、前記シリンダーに挿入されるピストンとを含み、
   前記シリンダーは、前記ギアポンプから前記燃料が流入する流入口を軸方向の一端部に有するとともに、前記燃料が流出する流出口を前記軸方向の周囲に有し、
   前記制御装置は、前記軸方向の前記ピストンの変位に基づいて、前記ギアの回転数を制御する、請求項１又は２に記載の燃料供給システム。
4. 前記ピストンに対して前記軸方向の前記一端部と反対側の圧力が、前記ギアポンプを経由前の前記燃料の圧力に調整されており、
   前記ピストンを前記軸方向の一端部に向けて付勢する付勢部を備える、請求項３に記載の燃料供給システム。

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