JP5710621B2 - 改良されたレギュレータ装置を有する燃料流量計 - Google Patents

Description

本発明は、航空機のタービンエンジンなどのエンジン内に燃料を供給することを調節する分野に関する。

より詳細には、本発明は、入口および出口を有するポンプによって燃料が送られるための燃料流量計であって、
入口および出口を有し、ポンプの出口の下流側に配置された絞り弁と、
絞り弁の入口をポンプの入口に接続する戻り回路と、
戻り回路を開閉するのに適した可動式の弁部材と、弁部材に固定され、絞り弁の入口と連通する第１のチャンバを絞り弁の出口と連通する第２のチャンバから軸方向に分離する圧力差検出面と、軸方向の推力を戻り回路を閉じる傾向がある方向に弁部材上に及ぼすようにして検出面に固定されながら、第２のチャンバ内に配置された第１のばねとを備える、圧力レギュレータ装置とを備えた燃料流量計に関する。

他の場所からすでに知られている１つのそのような流量計１０が、図１に示されている。知られている方法では、流量計は、エンジンによって必要とされるレートよりも大きいレートで燃料の流れを送出するポンプ１２によって上流側に燃料が送られる。絞り弁１４が、ポンプと燃焼チャンバの注入器との間に配置される。この弁は、弁が開かれる開度の関数である流量Ｑを送出するように設計され、この開度は、弁レギュレータシステムによって制御される。

主に絞り弁１４が開かれる開度に依存する流量を得るために、絞り弁の出口１４ｂと入口１４ａとの間の圧力差は、所定の値、または少なくとも限定された範囲で一定に維持されなければならない。これが、「デルタ−Ｐ」弁と一般的に称されるレギュレータ装置１６の役割である。

この目的のため、レギュレータ装置１６は、２つの機能を有する：その第１の機能は、絞り弁１４の出口と入口との間の圧力変動を検出することである。この第１の機能は、この例ではダイアフラムによって構成された検出面１８、および第１のばね２０によって実行され、ダイアフラムは、圧力差が上述された所定の値より大きい場合、第１のばねの力に対抗して軸方向に移動することができる。

そのような状況下では、弁部材２４は戻り回路２２を開き、それによって燃料が絞り弁１４ａの入口からポンプ１２の入口１２ａに戻るように流れることを可能にし、または戻り流量を増大させ、それによって絞り弁１４を通る流量を減少させる。その結果、絞り弁の出口と入口との間の圧力差は、これが所定の値に到達するまで減少し、それによって弁部材２４は、第１のばね２０からの駆動の下で閉じられる。

レギュレータ装置１６は、最初、圧力差が所定の値を下回る限り、戻り回路２２が弁部材２４によって閉じられたままであるように較正されることが明記される。

こうしてレギュレータ装置は、絞り弁の出口と入口との間の（所定の値に等しい）圧力差をほぼ一定に維持する。

また、弁部材２４の作用が全体的に漸進的であり、したがって弁部材２４が平衡位置を占有できることも明記される。

上記の流量計の欠点は、ダイアフラムが損傷した場合に生じる。ダイアフラムが穿孔された場合、または第１のチャンバと第２のチャンバとの間の封止をもはや達成しない場合、レギュレータ装置の第１のチャンバと第２のチャンバとの間の圧力差はもはや存在せず、その結果、弁部材に及ぼされた力は、第１のばねによって及ぼされた力とだけ等しくなることが理解され得る。これは、戻り回路２２を閉じさせ、燃料がエンジンに供給されるレートにおいてかなりの望ましくない増大を招く。

本発明の目的は、検出面１８が損傷した場合であってもレギュレータ装置が一定の圧力差を維持し続ける改良された燃料流量計を提案することにより、この欠点を解消することである。

本発明は、レギュレータ装置が、第２のチャンバを絞り弁の出口に接続された第３のチャンバから軸方向に分離し、弁部材と共働するのに適した結合部材を含むピストンと、ピストンを弁部材から外した状態に保つ傾向がある軸方向の推力をピストン上に及ぼしながら第３のチャンバ内に配置された第２のばねとをさらに備え、レギュレータ装置はまた、第２のチャンバを第３のチャンバと連通させるチャネルも含むということによってその目的を達成する。

したがって、検出面が破損した場合、第１のチャンバ内の圧力は第２のチャンバ内の圧力と等しくなる。その結果、弁部材は、まず戻り回路を閉じる。燃料は、次いで、このときノズルとして作用するチャネルを流れ抜け、それによって第２のチャンバと第３のチャンバとの間に水頭損失を生じさせる。

好ましくは、ただし必ずしもそうではないが、圧力差検出面は、可撓性のダイアフラムである。ベローズまたは任意の他の等価の面を提供することも同様に可能である。

ピストンの動作は、特に第３のチャンバと第２のチャンバとの間の圧力差の関数として制御され、この差は、具体的には絞り弁の出口と絞り弁の入口との間の圧力差に対応している。

圧力差が、第２のばねの剛性およびプリロードに応じて新しい所定の値より大きくなるとき、ピストンは、結合部材が弁部材に接触するまで、第２のばねの力に対抗して第３の検出チャンバに向かって移動し、その後ピストンは、弁部材を伴いながら移動し続ける。その結果、戻り回路が開かれ、絞り弁の出口と入口の圧力差が低減される。したがって、本発明の流量計のレギュレータ装置は、ダイアフラムが損傷したにもかかわらずこの圧力差を一定に保つことが理解され得る。したがって、そのような状況下では、緊急のレギュレータ装置として有利に作用するのはピストン、２つのばね、チャネル、および弁部材である。

ダイアフラムの正常作動中、ピストンは移動せず、チャネルは、第２のばね内の圧力が絞り弁の出口における燃料の圧力に確実に対応することを可能にする。弁部材はこのとき、従来技術の流量計と同じ原理でピストンに対して自由に移動する。

好ましいが非排他的である実施形態では、弁部材は、第２のチャンバ内に軸方向に延びる摺動ケージの端部に装着され、第１のばねは、第２のチャンバと第３のチャンバとの間を延びる調整棒によって弁部材の反対側の端部に保持されながら、ケージの内側に収容される。

この調整棒により、ばねのプレロードを調整することができ、したがって絞り弁の前後で維持することが望まれる圧力差の所定の値を調整することができる。

好ましくは、ノズル形成チャネルが調整棒内に形成される。にもかかわらず、チャネルをピストン内、ハウジング内、またはチャンバ２６およびチャンバ３０と連続的になる任意の他の要素内に形成することが可能である。

変形形態では、チャネルは、ピストンがケージと結合されたときにピストンによって閉じられるようにして配置される。チャネルが閉じられたとき、燃料は、第１のチャンバと第２のチャンバとの間をもはや流れないことが理解され得る。

１つの利点は、絞り弁１１４と平行な経路を備えた燃料を与えることによってエンジンへの望ましくない付加流量の供給を回避することである。

別の変形形態では、チャネルは、第１のセクションと、第１のセクションより大きい第２のセクションとを有しており、それにより、ピストンがケージに結合されないとき、燃料は第１のセクションを介して流れ、一方でピストンがケージに結合されたとき、燃料は第２のセクションを介して流れる。

例として、利点は、絞り弁を制御するシステムがダイアフラムの不具合を検出できるように流量を増大させることになり得る。ピストンの寸法、第２のばね１６４の剛性、およびプレストレスに対する適切な選択により、ダイアフラムの状態に関わらず、絞り弁の前後の圧力差を同じ値に調整することができる。流量計は、次いで、ダイアフラムの状態に関わらず同じ流量を送出する。そうではなく、ダイアフラムが損傷した場合、設計者は、ある効果、ただし装置を危険にさらさない効果が、絞られた流体を消費する装置上に生み出されるように制御される方法で流量を増大させようとすることがある。したがって、有利には、圧力差が、このときケージ、弁部材、第１のばね、および第２のばねによって調節されていることをパイロットに知らせることができる。

好ましい変形形態では、ピストンは摺動体の形態であり、結合部材はフィンガを備え、フィンガは、検出面が損傷したとき、ケージを軸方向に移動させ戻り回路を開くことができるようにケージの当接面と共働するように設計される。

検出面が損傷していないとき、結合部材は弁部材と共働しない。言い換えると、ピストンは弁部材を移動させず、完全にパッシブ状態である。

本発明はまた、ポンプおよび本発明の燃料流量計を含む、タービンエンジン用の燃料回路も提供する。

最後に、本発明は、本発明の燃料回路を含むタービンエンジンを提供する。

本発明は、非限定的な例によって与えられた実施形態の以下の説明を読み取ることでより良好に理解され、その利点がより良好に現れ得る。本説明は、添付の図を参照する。

弁部材がその開位置にある、損傷していない圧力差検出面を有する従来技術の燃料流量計を示す図である。 圧力差検出面が穿孔されたときの図１の流量計を示す図である。 弁部材がその閉位置にある状態の、正常作動時の本発明の燃料流量計の実施形態を示す図である。 弁部材が開位置にある状態の、正常作動時の図３の流量計を示す図である。 弁部材が、ピストンが移動される前の閉位置にある、圧力差検出面が穿孔された状態の悪化した作動における図３の流量計を示す図である。 弁部材がその開位置にあり、ピストンがその調節位置にある状態の、圧力差検出面が穿孔されたときの図５の流量計を示す図である。 ピストンがケージに結合されていない状態の、図４の流量計の変形形態を示す図である。 ピストンがケージに結合されたときの図７の流量計を示す図である。

従来技術の燃料流量計を示す図１は、明細書の導入部において上記で部分的に説明されている。ポンプが燃料タンクＲに接続されること、およびレギュレータ装置１６が戻り回路２２と連通する第１のチャンバ２６を有することが明記されている。この連通は、好ましくは弁部材２４の上流側に形成された開口部２８を介して行われる。

正常作動において、この第１のチャンバは、特に検出面１８、具体的には可撓性のダイアフラムによって、第１のチャンバ内の圧力が絞り弁１４の入口１４ａの圧力と等しいように画定される。

従来技術のレギュレータ装置はまた、ダイアフラム１８によって画定され、レギュレータ装置の出口１６ｂを絞り弁１４の出口１４ｂに接続する出口回路３２と連通する第２のチャンバも含む。したがって、第２のチャンバ内の燃料の圧力は、絞り弁１４の出口１４ｂの圧力と等しいことが理解され得る。

弁部材の移動を減じるために、出口回路３２には、任意選択でノズル３０ａが取り付けられてもよい。

参照記号Ｑは、弁を離れる燃料の流量を示している。これは、エンジンの注入器（図示せず）に送出される流量に対応している。

図１では、ダイアフラム１８によって検出された圧力差が、第１のばね２０の調整によって設定された所定の値より大きいため、弁部材２４は開いている。その結果、また上述されたように、ポンプによって供給された過剰な燃料は、戻り回路２２を介してポンプの入口に戻される。

ダイアフラム１８が損傷した場合、ポンプを離れる燃料の一部は、穿孔されたダイアフラムを通って第２のチャンバ３０内に、次いでオリフィス３０ａを介して流量計の出口１４ｂへと自由に流れる。第１のチャンバと第２のチャンバの圧力差は、このときゼロであるか、または非常に小さいため、弁部材は、圧力が入口に及ぼされたにもかかわらず閉位置に留まる。戻り回路が閉じられる。その結果、ポンプ１２を離れる燃料の全体の流れは、弁１４を通り、またはレギュレータ装置１６を通って上述された方法で流量計の出口に向かう。その後、「一定デルタ−Ｐ」レギュレータ装置１６はもはやその機能を実行せず、弁１４の前後の圧力差はもはや一定ではなくなる。これは、流量計によって送出された流量が、絞り弁１４が予想された関係を適用して開かれる開度の関数として変化せず、すなわち流量計の一次関数とは対照的であることを意味する。一般的であるが非制限的な方法では、流量はこのとき、ダイアフラムが穿孔されていない場合のものよりも高いものである。

図３から図６を参照すると、本発明による燃料流量計１１０のより詳細な説明が続いている。

これらの図では、燃料回路９９を見ることができ、この燃料回路９９は、ポンプ１１２によって燃料が送られ、レギュレータ装置１１６に関連付けられた絞り弁１１４を含む、本発明による燃料流量計１１０を含む。

これらの図から分かるように、燃料流量計１１０は、レギュレータ装置１１６が、弁部材１２４がそれに沿って移動できる軸でもある、第１のばね１２０の軸Ａに沿って移動するのに適した摺動体として作用するピストン１５０も含む点で、従来技術の流量計とは異なる。

ピストン１５０は、第２のチャンバ１３０を出口回路１３２に接続された第３のチャンバ１５２から分離する。結果として、第３のチャンバ１５２内の燃料の圧力は、絞り弁の出口１１４ｂの圧力と等しくなる。

ピストン１５０は、ピストン壁１５０ｂから弁部材１２４に向かって軸方向に延びる円筒状の本体１５０ａを含む。

本発明によれば、第３のチャンバは、この例では、軸Ａに沿って延びる調整棒１５６内に形成されたチャネル１５４を介して第２のチャンバに接続される。この調整棒１５６は、レギュレータ装置１１６のハウジング１５８上に回転可能に装着されることが明記される。この棒１５６は、ねじを形成しハウジング１５８から外側に突出する第１の端部１５６ａと、第１のばね１２０の一方の端部を担持する第２の端部１５６ｂとを有している。従来技術のように、第１のばねの他方の端部は、可撓性のダイアフラム１１８および弁部材１２４に接続される。この装置は、ばねの端部を軸方向に移動させることによって第１のばね１２０のプレストレスを調整するように働く。本明細書で説明される非排他的な例では、棒１５６は、ハウジング１５８にねじ込まれ、それによって、ばね１２０の端部の軸方向位置を変更することができ、そのプレストレスを変更することができる。より正確には、第１のばね１２０は、好ましくは、軸Ａに沿って移動可能であるケージ１６０内に収容され、このときケージ１６０の端部の一方は弁部材１２４を担持している。

このケージ１６０は、燃料がレギュレータ装置を流れ抜けることを可能にするオリフィス１６０ａを有している。

依然として図３を参照すると、円筒状の本体１５０ａが、ハウジング１５８と円筒状の本体１５０ａとの間の第３のチャンバ内に軸方向に延びる第２のばね１６４によって、軸Ａに対して横断方向に延びるハウジング１５８の壁１６２に押し付けて軸方向に保持されることが分かる。第２のばねは、好ましくは調整棒１５６の周りに配置される。

ピストン１５０の静止位置と呼ばれるこの位置では、チャネル１５４の第１の端部１５４ａが第２のチャンバへと開口し、一方でチャネルの第２の端部１５４ｂが第３のチャンバ１５２へと開口することが分かり、それにより、両方のチャンバは、同じ圧力になるようになる。

このチャネル１５４のセクションは、従来技術におけるノズル３０ａのように弁部材１２４の移動を減じるように設計によって任意選択で決定されてもよい。

また、ピストンがその静止位置にあるとき、ケージはピストン１５０に対して自由に摺動することも明記される。具体的には、ケージは、円筒状の本体１５０ａの内部で摺動する。さらに、第２のばね１６４は、ダイアフラムが損傷していないとき、ピストンがその静止位置に留まるように寸法設定される。

したがって、ダイアフラム１１８に対する損傷がない場合、本発明のレギュレータ装置１１６は、従来技術の装置のように作動する。

図３では、絞り弁１１４の前後（すなわち出口１１４ｂと入口１１４ａとの間）の燃料の圧力差は、所定の値未満であり、それにより、この圧力差は、弁部材１２４上に第１のばねによって及ぼされた力に反するほど十分ではない。したがって、弁部材は閉位置に留まり、戻り回路を遮断する。

図４では、絞り弁１１４の前後の燃料の圧力差は、所定の値以上であり、それにより、ダイアフラム１１８上で作用する圧力差は、第１のばね１２０によって及ぼされた力以上の力を発生させ、そのため弁部材１２４が開くようになる。燃料は次いで、戻り回路１２２内に流れ込み、それによって圧力差を低下させる。

したがって、燃料流量計の正常作動において、すなわちダイアフラム１１８が穿孔されていないとき、ピストン１５０および第２のばね１６４は、圧力差を調節する役割を実行しないことが理解され得る。

図５および図６を参照すると、ダイアフラム１１８が損傷した場合にレギュレータ装置がどのように作動するかについての説明が続く。

さまざまな理由のため、ダイアフラム１１８は劣化することがあり、結果として１つまたは複数の穴を有することがあり、それにより、第１のチャンバは第２のチャンバと流体連通させられる。そのような場合が、図５および図６に示されている。第１のチャンバと第２のチャンバとの間にはいかなる圧力差ももはや存在せず、それにより、第１のばね１２０は、図５に示されるように、弁部材をその閉位置にさせる。

図５から分かるように、ダイアフラムが穿孔されたとき、燃料はダイアフラムを通り、次いでチャネル１５４を通って第１、第２、および第３のチャンバを流れることができる。

チャネルは、好ましくは、第２のチャンバの直径より小さい直径を有しており、それにより、チャネル１５４は、第２のチャンバと第３のチャンバとの間に水頭損失を生じさせるノズルとして作用するようになる。このため、ピストンによって分離されたこれら２つのチャンバ間に圧力差が生じる結果となり、このとき第２のチャンバ内の圧力は、第３のチャンバ内の圧力より高くなる。

この圧力差が、第２のばね１６４によってピストン壁上に及ぼされた力より大きい力Ｆをピストンの面上に発生させるほど十分な場合、ピストンは、第３のチャンバ１５２に向かって軸方向に移動される。

図６から分かるように、摺動形成ピストン１５０には、この摺動体とケージを機械的に結合するための結合部材１７０が設けられる。この結合部材１７０は、ピストン本体の一方の端部から軸Ａに向かって径方向に延びるフィンガ１７２を有する。ピストン本体の内側に延びるケージの端部は、当接面１７４を有し、この当接面１７４は、ピストンの軸方向の移動中、ピストン本体のフィンガ１７２と共働するのに適した１つまたは複数の径方向の突出部によって形成される。

図６を参照すると、絞り弁の前後の圧力差によって発生した力が、第２のばね１６４によって及ぼされた力より大きくなるとき、ピストンが第３のチャンバに向かって軸方向に移動することが理解され得る。この移動中、ピストン本体のフィンガ１７２は、当接面１７４と軸方向に接触するようになり、その後、ピストン１５０は、第３のチャンバに向かってケージおよび弁部材を引っ張る。次いで、弁部材はその開位置を取り、それによって戻り回路１２２を開く。

したがって、ピストン１５０およびばね１２０および１６４は、弁部材１２４と共働して、ダイアフラムの損傷にもかかわらず燃料圧力差を調節することができる。

これは、従来技術の流量計のダイアフラムの破損の場合に一般的に発生する、燃料が注入器に送出される際のレートにおける制御されない増大および絞られた流量と弁１１４が開かれる開度との間の関係に対する制御されない変更を回避する。

さらに、この例では、ピストンの移動は、チャネル１５４の第２の端部１５４ｂが閉じられることを伴う。これは、ポンプ１２と注入器との間の連通のための通路を閉じることにより、エンジンに送出される流量における増大の別の原因を解消するように働く。

本発明の範囲を超えることなく、チャネルは、チャネルからの漏出量が許容される限り、ピストンによって決して閉じられないようにして形作られてもよい。

図７および図８に示される変形形態では、チャネル１５４’は、第１のセクションＳ１と、第１のセクションＳ１より大きい第２のセクションＳ２とを有している。

図７から分かるように、第１のセクションＳ１は、調整棒のヘッド１５６ａとピストン内に形成された開口部１５０ｃの縁部との間に画定される。

結果として、ピストンがケージ１６０に結合されないとき、燃料は、第１のセクションＳ１を介してチャネル１５４’を流れ抜ける。

ここで図８を参照すると、第２のセクションＳ２は、棒１５６の本体内に形成された平坦部１５６ｂの底部との間に画定されることが理解され得る。

平坦部１５６ｂがあることにより、第１のセクションＳ１より大きい第２のセクションＳ２を得ることができることが明確に分かる。

ピストンが図８のその結合位置にあるとき、ピストン内の開口部１５０ｃの縁部は平坦部１５６ｂに面しており、それによって、燃料がこのセクションＳ２を流れ抜けることを可能にする。

これは、絞り弁１１４を離れる流量Ｑに付加された、較正された超過流量Ｑ’を発生させる。

この超過流量は、たとえば、絞り弁を離れる流量が約３００Ｌ／ｈである場合、１時間あたり１５リットル（Ｌ／ｈ）でもよい。この超過流量は、検出可能でありながらも、絞り弁によって実行される調節の妨げになることを回避するように較正される。

この超過流量Ｑ’は、絞り弁の調節システムが、その調節関係を変更させたということによって検出される。

絞り弁のみによって送出される流量Ｑより大きい、注入器の入口の流量Ｑ’’が存在することにより、調節システムは、ダイアフラムが正常に作動している間に送出される流量Ｑに戻すために絞り弁によって送出される流量を減少させることが必要となる。この相違はすぐに検知可能であり、それによって圧力差検出面が損傷したことをパイロットに知らせることができる。

Claims (15)

1. 入口（１１２ａ）および出口（１１２ｂ）を有するポンプ（１１２）によって燃料が送られるための燃料流量計（１１０）にして、
   入口（１１４ａ）および出口（１１４ｂ）を有し、ポンプの出口の下流側に配置された絞り弁（１１４）と、
   絞り弁の入口をポンプの入口に接続する戻り回路（１２２）と、
   戻り回路を開閉するように構成された可動式の弁部材と、弁部材（１２４）に固定され、絞り弁の入口と連通する第１のチャンバ（１２６）を絞り弁の出口と連通する第２のチャンバ（１３０）から軸方向に分離する圧力差検出面（１１８）と、軸方向の推力を戻り回路を閉じるための方向に弁部材上に及ぼすようにして検出面（１１８）に固定されながら第２のチャンバ（１３０）内に配置された第１のばね（１２０）とを備える、圧力レギュレータ装置（１１６）とを備えた流量計であって、レギュレータ装置（１１６）が、第２のチャンバ（１３０）を絞り弁の出口に接続された第３のチャンバ（１５２）から軸方向に分離するピストン（１５０）であって、弁部材と共働するように構成された結合部材（１７０）を含む、ピストン（１５０）と、ピストンを弁部材から外し共働しない状態に保つための軸方向の推力をピストン上に及ぼしながら第３のチャンバ内に配置された第２のばね（１６４）とをさらに備え、レギュレータ装置がまた、第２のチャンバ（１３０）を第３のチャンバ（１５２）と連通させるチャネル（１５４）も含むことを特徴とする、燃料流量計（１１０）。
2. 圧力差検出面（１１８）が、可撓性のダイアフラムである、請求項１に記載の燃料流量計。
3. 圧力差検出面（１１８）が、ベローズである、請求項１に記載の燃料流量計。
4. チャネル（１５４）が、ピストン（１５０）内に配置される、請求項２または３に記載の燃料流量計。
5. チャネル（１５４）が、ハウジング（１５８）内に配置される、請求項２または３に記載の燃料流量計。
6. 弁部材（１２４）が、第２のチャンバ内に軸方向に延びる摺動ケージ（１６０）の端部に装着され、第１のばねが、第２のチャンバと第３のチャンバとの間を延びる調整棒（１５６）によって弁部材の反対側の端部に保持されながら、ケージの内側に収容されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料流量計。
7. チャネルが、調整棒（１５６）内に形成される、請求項６に記載の燃料流量計。
8. チャネル（１５４）が、ピストンがケージ（１６０）に結合されたときにピストン（１５０）によって閉じられるようにして配置される、請求項６または７に記載の燃料流量計。
9. チャネル（１５４）は、そのセクションが、ピストン（１５０）がケージ（１６０）に結合されたときにその初期の値とは異なる規定された値を有するようにして配置される、請求項６または７に記載の燃料流量計。
10. ピストン（１５０）が摺動体の形態であり、結合部材がフィンガ（１７２）を備え、フィンガは、検出面が損傷したとき、ケージを軸方向に移動させ戻り回路を開くことができるようにケージ（１６０）の当接面（１７４）と共働するように設計される、請求項６から９のいずれか一項に記載の燃料流量計。
11. 第２のばね（１６４）が、調整棒（１５６）の周りに延びる、請求項６から１０のいずれか一項に記載の燃料流量計。
12. 第２のばね（１６４）の機能が、弾性部材によって実行される、請求項６から１１のいずれか一項に記載の燃料流量計。
13. 第１のばね（１２０）の機能が、弾性部材によって実行される、請求項６から１２のいずれか一項に記載の燃料流量計。
14. ポンプと、請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料流量計とを含む、タービンエンジン用燃料回路（９９）。
15. 請求項１４に記載の燃料回路（９９）を含むタービンエンジン。

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