JP6585632B2 - ターボ機関の燃料を予熱するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を予熱するためのデバイス、及びデバイスを使用する方法に関する。

本発明は、より具体的には、航空機エンジン、すなわち、飛行機のエンジン（ターボジェットエンジン、ターボプロップエンジン）及びヘリコプターのタービンエンジンの両方、ならびに推進力を持たない発電機に適用される。

より具体的には、補助動力装置（ＡＰＵ）は、燃料を節約するために飛行機の推進に使用されるエンジンを停止した場合、または推進エンジンを始動させる場合に、地上で種々の搭載システムに供給するために飛行機に搭載された、エネルギー（電気、空気圧）を生成することを目的とした補助装置（一般にターボ発電機）を示す。ＡＰＵは、飛行中に使用されてもまたは使用されなくてもよい。飛行機の場合、ＡＰＵは大抵、航空機の後部にあるテールコーンに位置し、燃焼室内に燃料噴射装置を備える。

補助動力装置の始動は、装置の低温時に、すなわち、長期の休止期間後、または地上もしくは上空の外気温が低い場合に、行うことができなければならない。

燃焼室における燃料燃焼のための点火を正確に達成するために、噴射される燃料が、適切な割合で計量されることが必要である。これは、燃料の割合に対応する、空気の流量に対する燃料の流量の比が適切でなければならないためである。燃料の割合が過度に低いと燃焼室に点火することができず、一方、過度な割合は、燃焼室内の温度の過度の上昇を引き起こし、補助動力装置の正確な機能に影響を及ぼし得る。

また、低温条件下での燃料の高い粘度は、噴射装置によって噴霧される燃料の噴出の品質を低下させ、点火の性能を低下させるということにも留意されたい。

燃焼室の点火を容易にするために、周囲温度及び／または燃料の温度に応じて燃焼室内に噴射される燃料の流量を調節するルールを事前に構成することが知られている。これらのルールはまた、燃料を分配するために使用される部品に応じて決定される。しかしながら、これらのルールは、工場で決定され、ＡＰＵエンジンの主ロータの回転速度、航空機の外部温度または高度等の作動中のエンジンの実際のパラメータを考慮に入れておらず、したがって、噴射される燃料の流量は決して最適ではない。

さらに、計量の制御を改善することは、実行するのが困難であり、費用がかかることが分かっている。最後に、現在の技術的解決法のいずれも、起動時に燃料を予熱することができないが、この予熱は、燃料の粘度を低減することが可能であり、ひいては燃料の計量に対する影響を制限するであろう。

図１は、ＡＰＵの燃料回路１０の一部を示しており、回路１０は、ギアポンプ１６に接続された電気モータ１４によって形成される燃料計量ポンプ１２を備える。電気ポンプ１４は、熱交換器を形成するように燃料回路２０の一部と接触して配置された電子的電力モジュール１８によって制御される。

回路１０はまた、第１の位置と第２の位置との間で移動させることが可能なバルブ２２を備える。第１の位置において、バルブ２２は、燃料噴射装置２４への燃料の流れを妨げ、バイパス管２６における燃料の再循環を許容するが、バイパス管２６の下流端は、ギアポンプ１６の上流、かつ燃料フィルタ２８の下流に出て来る。バルブ２２は、その第２の位置において、噴射装置２４への燃料の流れを許容し、バイパス管２６内での燃料の流れを阻止する。

バイパス管２６の使用により、例えばアイドリング時に機能するポンプ１２を用いて、バルブ２２がその第１の位置にあるときに燃料の永久的な閉循環ループを作り出すことが可能になる。この位置では、燃料回路１０のループ内に存在する燃料は、電子的電力モジュール１８によって生成され、かつ燃料に熱交換器内で与えられる、熱によって加熱される。

しかしながら、前述したように、燃料の加熱は不十分であることが分かっており、その結果、以前に開示された燃料を計量することの困難さが生じ、ひいては燃焼室内における燃料の燃焼のための点火が困難になる。燃料を予熱するために特別に提供される燃料用の加熱部品を加えることは、質量の増加をもたらし、飛行機の燃料消費量の増加の原因となるため、避けたほうがよい。

本発明の目的は、特に、これらの問題に対する単純で経済的かつ効果的な解決法を提供し、前述の欠点を少なくとも部分的に回避することを可能にすることである。

この目的のために、本発明は、電子的電力モジュールによって制御される電気ポンプと、電子的電力モジュールと回路内の流体との間で熱を交換することが可能な熱交換器と、熱交換器及び電気ポンプの下流側と熱交換器及び電気ポンプの上流側とを接続するバイパス管と、１つの機器への流体の循環を妨げ、バイパス管内での流体の循環を許容する、第１の位置と、機器内での流体の循環を許容し、バイパス管内での流体の循環を妨げる、第２の位置とを取ることが可能なバルブと、を備える流体回路を備える、１つの機器に供給するために流体を予熱するためのデバイスに関し、デバイスは、ポンプの吸入口と排出口との間の圧力差を増加させるための手段をさらに備え、これらの手段は、バイパス管内に配置される。

本発明によれば、圧力差を増加させるための手段を組み入れることにより、電気ポンプによって消費される電力を増加することが可能であり、したがって、バルブがその第１の位置にあるときにループ内を循環する燃料の温度上昇を増大させることが可能である。

したがって、バルブがその第２の位置に移動させられると、燃料は、噴射装置に供給し、難なく燃焼室の点火を可能にするのに十分に予熱される。これらの圧力を増加させる手段は、有利には、ポンプがその第２の位置にあるときには機器に供給する燃料の流量に影響を及ぼさないように、バルブがその第１の位置にあるときのみ有効である。

したがって、従来技術とは異なり、ＡＰＵの燃焼室の始動は、このように高温燃料を用いて行われ得、その粘度が、噴射装置に供給するため及び良好な噴霧のための最適な様式において計量されることを可能にする。

理想的には、再循環する燃料の体積は、ＡＰＵの始動を達成するために必要とされる燃料の体積に対応するように決定される。

燃料の点火段階の後、予め予熱されていた体積が使用し尽くされ、燃焼室にはタンクから流出してくる低温燃料が供給されるが、それはもはやいずれか特定の困難をもたらすことはなく、それは、調整システムがＡＰＵのエンジンを制御するため、すなわち、エンジンがその正常な動作速度に達するように、調整システムがエンジンの動作パラメータに従って燃焼室内で噴霧される燃料の量を継続的に調節するためである。

本発明の別の特徴によれば、バルブは、熱交換器及びポンプの下流に配置される。
選択的に、熱交換器は、流体ポンプの下流、かつバルブの上流に配置される。

本発明の実用的な実施形態において、バルブは、第１の位置と第２の位置との間の、並進移動することができるスプールを有する種類の３方向バルブ、またはソレノイドバルブである。

本発明の別の特徴によれば、圧力差を増加させるための手段は、バルブと一体化される。

本発明の一実施形態において、圧力差を増加させるための手段は、バルブと一体化される。

本発明の一実施形態において、圧力差を増加させるための手段は、減少した断面を有する領域を備える。

本発明の別の実施形態において、圧力差を増加させるための手段は、所定の閾値圧で開放するように構成されるフラップバルブを備える。

フィルタは、バイパス管の下流端の下流、かつ電気ポンプの上流に配置されてもよい。

本発明によるデバイスは、流体が燃料であり、機器が燃焼室内の噴射装置に燃料を供給するマニホールドである場合に、特に有利である。

本発明はまた、前述のような予熱デバイスを備える航空機エンジンにも関する。

本発明はまた、電子的電力モジュールによって制御される電気ポンプと、電子的電力モジュールと回路内の流体との間で熱を交換することが可能な熱交換器と、熱交換器及び電気ポンプの下流側と熱交換器及び電気ポンプの上流側とを接続するバイパス管と、１つの機器への流体の流れを妨げ、バイパス管内での流体の流れを許容する、第１の位置と、機器内での流体の流れを許容し、バイパス管内での流体の流れを妨げる、第２の位置とを取ることが可能なバルブと、を備える流体回路を備える航空機のためにエンジンを始動させるための方法に関し、この方法は、バルブが第１の位置の位置にあるときにバイパス管内で燃料を予熱する段階を含む。

具体的には、始動方法は、流体が所定の温度に達するのに必要な時間の間、バルブをその第１の位置に維持することと、次いで、機器への流体の流れを許容するように、バルブをその第２の位置に位置付けることとからなる。

添付の図面を参照して、非限定的な例として挙げられる以下の説明を読むことにより、本発明はさらに理解され、本発明の他の詳細、利点、及び特徴が明らかになるであろう。

従来技術による、既に記載されている燃料回路の概略図である。 図１において破線で囲まれた範囲のより大きな縮尺の概略図である。 バルブが第１の位置にある、本発明の第１の実施形態による燃料回路の概略図である。 バルブが第２の位置にある、本発明の第１の実施形態による燃料回路の概略図である。 本発明の第２の実施形態による燃料回路の概略図である。 本発明の第３の実施形態による燃料回路の概略図である。 本発明の第４の実施形態による燃料回路の概略図である。

第一に、本発明による燃料予熱デバイスを示す図３を参照するが、同じ参照番号が、図１及び図２を参照して記載されるものと類似するかまたは同一の要素を示している。

本発明によるデバイス３０は、圧力差を増加させるための手段３２を備える。図３から図５の実施形態において、これらの手段は、バイパス管２７の残りの部分と比較して減少した断面を有するゾーン３２によって形成される。

作動中、バルブ２２がその第１の位置にあるとき（図３）、ポンプ１２は、電力モジュール２０によって制御され、電気エネルギーを供給される。電気モータ１４及び電子的電力モジュール１８によって消散されるエネルギーは、熱交換器を形成する回路の一部２０によって燃料に伝達される。

減少した断面を有するゾーン３２は、ポンプ１２の上流側と下流側との間に圧力差の増加をもたらす圧力降下を生じさせることが可能であり、ポンプによって消費される圧力を増加させ、燃料の温度の上昇を引き起こす。

したがって、本発明によれば、減少した断面を有するゾーン３２を組み入れることにより、バルブ２２がその第１の位置にあるときに、減少した断面を有するゾーンのないシステムと比較して、ループ内を循環する燃料の温度をより急速に上昇させることが可能である。

操作者が、燃焼室の点火を達成したいと望むとき、バルブ２２は、その第２の位置に移動させられ（図４）、したがって加熱された燃料が燃料噴射装置の方向に流れ込み、燃料のより低い粘度を保証し、燃焼室に供給する燃料の計量及び噴霧を容易にする。

燃焼室の点火後、事前に予熱されていた燃料の量は使用し尽くされ、燃焼室には飛行機の燃料タンクからの低温燃料が供給される。燃焼室に供給することは、もはやいずれの困難をもたらすこともなく、それは、燃焼室に点火され、調整システムがエンジンを制御するため、すなわち、エンジンがその正常な動作速度に達するように、調整システムがエンジンのパラメータに従って燃焼室内の燃料の量を継続的に調節するためである（閉ループ制御システム）。

したがって、燃焼室に供給する高温燃料の量を増加させるために、フィルタ２８は、バイパス管２７の下流端がフィルタ２８の上流に出て来るように位置付けられる。

図５に示されるデバイスの第２の実施形態において、減少した断面を有するゾーン３２は、バルブ３４と一体化される。実際には、バルブ３４は、バイパス管２７に供給する第１のチャネル３６、及び噴射装置２４に供給する第２のチャネル３８を備える種類のバルブであってもよい。したがって、減少した断面を有するゾーン３２は、第１のチャネル３６と一体化され得る。

図６に示されるデバイス３９の第３の実施形態において、圧力差を増加させるための手段は、圧力が閾値圧を超えたときに燃料の流れを許容し、圧力がこの閾値圧未満であるときに燃料の流れを妨げるように、バイパス管２７に取り付けられたばねを有するフラップバルブ４０を備える。

図７に示されるデバイス４２の第４の実施形態において、電気ポンプ４４は、燃料の計量を提供せず、後に、バイパス管２７の上流端と燃料噴射装置２４との間に位置付けられた、サーボバルブ等の独立した計量部品４６によって計量が提供される。

この実施形態において、バルブ４８は、減少した断面を有するゾーン３２とバイパス管２７の上流端との間でバイパス管２７内に配置される。

実際には、計量部品４６は、噴射装置２４への燃料の流れを妨げるように完全に閉鎖され得る可変開放バルブであってもよい。

この構成において、燃料を加熱するためのバイパス管２７内における燃料の再循環が保証される。

第１のバルブ４８がバイパス管２７内での燃料の循環を妨げると、部品４６は、次いで、噴射装置２４への燃料の流れを許容する。

このように、本発明は、補助動力装置の場合に特に有利であるが、当然、燃料が低温である環境において始動を必要とする任意の種類のターボジェットエンジンまたはタービンエンジンにも等しく適用可能である。

Claims (12)

1. １つの機器に供給するために燃料を予熱するためのデバイス（３０、３１、３９、４２）であって、
   電子的電力モジュール（１８）によって制御される電気ポンプ（１２、４４）と、電子的電力モジュール（１８）と回路内の燃料との間で熱を交換することが可能な熱交換器と、熱交換器及び電気ポンプ（１２、４４）の下流側と熱交換器及び電気ポンプ（１２、４４）の上流側とを接続するバイパス管（２７）と、１つの機器（２４）への燃料の循環を妨げ、バイパス管（２７）内での燃料の循環を許容する、第１の位置と、機器（２４）内での燃料の循環を許容し、バイパス管（２７）内での燃料の循環を妨げる、第２の位置とを取ることが可能なバルブ（２２、３４、４６）と、を備える燃料回路を備え、
   デバイスは、ポンプ（１２、４４）の吸入口と排出口との間の圧力差を増加させるための手段をさらに備え、これらの手段は、バイパス管（２７）内に配置される、デバイス（３０、３１、３９、４２）。
2. バルブ（２２、３４）が、熱交換器及びポンプの下流に配置される、請求項１に記載のデバイス。
3. 熱交換器が、燃料ポンプの下流、かつバルブ（２２、３４）の上流に配置される、請求項１または２のいずれか一項に記載のデバイス。
4. バルブが、第１の位置と第２の位置との間で移動させることができる、スプール型の３方向バルブ（２２）、またはソレノイドバルブである、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 圧力差を増加させるための手段が、バルブ（３４）と一体化される、請求項４に記載のデバイス。
6. 圧力差を増加させるための手段が、減少した断面を有するゾーン（３２）を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 圧力差を増加させるための手段が、所定の閾値圧で開放するように構成されるフラップバルブ（４０）を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. フィルタ（２８）が、バイパス管の下流端の下流、かつ電気ポンプ（１２）の上流に配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 機器が、燃焼室内の噴射装置（２４）に燃料を供給するマニホールドである、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の予熱デバイスを備える、航空機エンジン。
11. 燃料回路を備える航空機のためにエンジンを始動させるための方法であって、燃料回路は、
    電子的電力モジュール（１８）によって制御される電気ポンプ（１２、４４）と、
    電子的電力モジュール（１８）と回路内の燃料との間で熱を交換することが可能な熱交換器と、
    熱交換器及び電気ポンプ（１２、４４）の下流側と熱交換器（２７）及び電気ポンプ（１２、４４）の上流側とを接続するバイパス管（２７）と、
    １つの機器（２４）への燃料の流れを妨げ、バイパス管（２７）内での燃料の流れを許容する、第１の位置と、機器（２４）内での燃料の流れを許容し、バイパス管（２７）内での燃料の流れを妨げる、第２の位置とを取ることが可能なバルブ（２２、３４、４６）と、を備え、
    方法は、バルブが第１の位置の位置にあるときにバイパス管内で燃料を予熱する段階を含み、
    当該燃料を予熱する段階は、ポンプ（１２、４４）の吸入口と排出口との間の圧力差を増加させることで、燃料を予熱する、方法。
12. 予熱段階が、燃料が所定の温度に達するのに必要な時間の間、バルブ（２２）をその第１の位置に維持することと、次いで、機器（２４）への燃料の流れを許容するように、バルブ（２２）をその第２の位置に位置付けることと、からなる、請求項１１に記載の始動方法。

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