JP2676073B2 - 重量流量計量装置 - Google Patents

重量流量計量装置

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JP2676073B2
JP2676073B2 JP63249700A JP24970088A JP2676073B2 JP 2676073 B2 JP2676073 B2 JP 2676073B2 JP 63249700 A JP63249700 A JP 63249700A JP 24970088 A JP24970088 A JP 24970088A JP 2676073 B2 JP2676073 B2 JP 2676073B2
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D7/00Control of flow
    • G05D7/01Control of flow without auxiliary power
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2200/00Mathematical features
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Temperature-Responsive Valves (AREA)
  • Flow Control (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、燃料制御装置に係わり、更に詳細には燃料
の温度変化を補償する燃料制御装置に係わる。
従来の技術 燃料制御装置はガスタービンエンジンの燃焼室へ燃料
を計量供給する。計量供給される燃料の重量流量は、速
度及び吸入空気の密度が一定である或る与えられた運転
条件に対し一定であることが好ましい。しかし燃料制御
装置へ供給される燃料の温度は一般に−65〜230゜F(−
54〜110℃)の範囲にて変化する。かかる温度変化によ
り燃料の密度が約7%変化される。燃料制御装置の多く
の計量弁は体積流量を一定に制御する装置であるので、
燃料の密度変化が補償されなければ、燃料の重量流量に
誤差が生じる。従来の装置に於ては、一般に、燃料の重
量流量を一定に維持すべく、温度の関数として燃料制御
装置の計量弁を横切る圧力降下が調節されるようになっ
ている。
軍事航空機用の高速エンジンのなかには、ジェット排
気速度を増大し従って推力を増大すべく、ガスタービン
エンジンよりの排気ガスに燃料を添加することにより排
気当ガスがより一層高い温度に加熱されるオーグメンタ
(アフタバーナ)が設けられたものがある。オーダメン
タは一般に短時間しか使用されず、長時間に亙り非作動
状態に維持される。オーグメンタの燃料制御装置、従っ
てその内部の燃料はオーグメンタの非作動中に非常に高
い温度になることがある。しかしオーグメンタが作動さ
れると、非常に低い温度の燃料が燃料タンクよりオーグ
メンタの燃料制御装置へ供給される。かかる急激な温度
変化により燃料の密度が急激に変化され、このことによ
り燃料の重量流量に比較的大きい誤差が発生される。か
かる変化を補償する従来の方法は一般に緩慢なものであ
る。一般にかかる補償が効果を有するようになるまでに
オーグメンタの作動が停止される。
発明の開示 本発明の一つの目的は、燃料制御装置を通過する燃料
の密度変化を迅速に補償し、これにより燃料制御装置に
より供給される燃料の重量流量を正確に制御することで
ある。
本発明の他の一つの目的は、燃料制御装置にデジタル
式の電子制御装置を組込むことなく上述の如き補償を直
接的に行なうことである。
本発明によれば、流体の一定の重量流量を計量ししか
も流体の温度変化を補償する重量流量計量装置が得られ
る。温度変化を検出する温度プローブが温度変化に応答
して或る与えられたパーセンテージ変化する。一定の重
量流量を計量する弁であって、複数個のウインドウ及び
これらのウインドウと共働するスプールを有する弁によ
り、温度プローブのパーセンテージ変化に対応するパー
センテージ変化の流量が計量される。
本発明の一つの特徴によれば、温度プローブは第一の
金属要素と、該第一の金属要素の周りにこれと同軸に配
置された第二の金属要素とよりなり、第二の金属要素は
検出される流体が第一及び第二の金属要素により容易に
検出されるよう複数個の孔を有している。温度プローブ
は計量弁の内部に配置され、これにより燃料制御装置へ
流入する燃料に曝される。かかる位置に於ては、温度プ
ローブはオーグメンタへ計量供給される燃料の実際の温
度に良好に応答する。
本発明の他の一つの特徴によれば、計量弁のウインド
ウは対数関数的な流量制御が可能であるよう特殊な形状
にて設けられる。かかる形状により温度プローブのパー
センテージ変化に対応するパーセンテージ変化にて重量
流量を制御することができる。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例につい
て詳細に説明する。
発明を実施するための最良の形態 第1図に本発明の温度プローブの一つの実施例が組込
まれた燃料制御装置10の一部が図示されている。この燃
料制御装置は図には示されていないターボファンエンジ
ン又はターボジェットエンジンの図には示されていない
アフタバーナセグメントへ供給される燃料の量及び順序
を制御するよう構成されている。燃料制御装置は一般に
ハウジング14と、計量弁16と、温度プローブ12と、複数
個の遮断及び圧力制御弁18とを含んでいる。
計量弁16は導管20、22及び遮断及び圧力制御弁18を経
てアフタバーナセグメントへ流れる燃料の量を制御す
る。各遮断及び圧力制御弁は必要に応じて各アフタバー
ナセグメントへの流路を開き、計量弁を横切る圧力降下
を制御する(遮断及び圧力制御弁は本発明の一部をなす
ものではない)。計量弁16は実質的に円筒形のスプール
24を有しており、該スプールはハウジング14内に配置さ
れた円筒形のスリーブ26内に往復動可能に密に勘合され
ている。スプール26は第2図に於て破線にて示されてい
る如く複数個の孔28を有しており、これらの孔はスリー
ブに設けられた特殊な形状のウインドウ30(後に説明す
る)の形状に似ている。スリーブに設けられた各ウイン
ドウは導管20を介して遮断及び圧力制御弁18と連通して
いる。
円筒形のフランジ32がスリーブ26の大径部34内に位置
するスプール24の図にて左側の部分より半径方向外方へ
延在している。液圧流体が導管36又は38を経てフランジ
に作用するよう導かれるようになっている。図には示さ
れていないデジタル式の電子燃料制御装置が電磁流体弁
40を制御するようになっており、弁40は導管36又は38へ
導かれてフランジ32、従ってスプールに作用する流体の
圧力を制御し、これによりスプールを横方向へ駆動する
圧力のアンバランスを創成するようになっている。スプ
ールの横方向への移動によりウインドウ30と孔28とが所
定の通路断面積にて連通され、これにより各アフタバー
ナセグメントへ燃料が計量供給される。
温度プローブ12はスプール24内にこれと同軸に配置さ
れている。温度プローブは外部シェル42と、ロッド44
と、フィードバック装置46とよりなっている。シェル及
びロッドは互いに異なる金属(アメリカ合衆国ニューヨ
ーク州プレインヴュー所在のジェネラル・アエロスペー
ス(General Aerospace)より販売されているAMS5630鋼
及びニッケル合金(INVAR(登録商標)等)よりなり、
温度に感応するバイメタル要素を構成している。バイメ
タル要素の作動は当技術分野に於てよく知られている。
シェル(第3図参照)は小孔を有する薄い壁よりなる中
空の部材であり、五つの同軸の部分を有している。シェ
ルは従来の手段によりスプール24に取付けられた大径の
第一の部分45と、図にて左方へ向かうにつれて先細状を
なす円錐形の第二の部分47と、該第二の部分より図にて
左方へ延在する円筒形の第三の部分48と、該第三の部分
より図にて左方へ向かうにつれて先細状をなす円錐形の
第四の部分50と、該第四の部分より図にて左方へ延在す
る円筒形の第五の部分52とを有している。ねじ部54が第
五の部分の図にて左側の端部の内側に設けられている。
シェルは流体がシェルの内側及びロッドに到達すること
を可能にする複数個の小孔を有している。燃料がスプー
ル内を図にて右方より左方へ移動すると、その圧力は燃
料が図にて右方より左方へ向けて各部分を通過するにつ
れて低下する。図にて右方へ向かうにつれて直径が次第
に増大する温度プローブの形状により、スプールの全長
に亙り燃料の圧力が一定に維持される。
ロッド44はシェル42の第五の部分52のねじ部54と螺合
するねじ切りされた第一の端部56を有している。ロッド
の第二の端部58が例えばレゾルバー又はリニア型可変ト
ランスデューサを含むフィードバック装置46に取付けら
れている。ロッドはハウジングの軸受60内に往復動可能
に装着されている。フィードバック装置は図には示され
ていないデジタル式の電子燃料制御装置へ信号を出力す
るようになっている。
スリーブ26に設けられたウインドウ30(第2図及び第
4図参照)は指数関数的な流量制御が可能であるよう特
殊な形状にて設けられている。例えば以下の関係式が知
られている。
Q=KA(δPS)0.5 ここにQ=エンジンへの燃料流量 A=計量弁のウインドウの流路面積 δP=計量弁の圧力降下 S=燃料の比重 K=オリフィスの流量係数 燃料の流量Qの変化は比重Sの変化に依存しているこ
とが解る。
QはSの変化に拘らず一定に維持されることが望まし
いので、以下の式が成立することが好ましい。
この式より、Sが1%変化するとAが0.5%変化され
なければならないことが解る。
更に、温度プローブのシェル及びロッドは温度の関数
として互いに異なる膨張係数を有している。これらの部
材は、当技術分野に於て知られている如くx軸に沿って
僅かな偏差膨張(dx)が生じるように構成され、従って
以下の式が成立する。
dx=kdT ここにkは定数である。
また燃料の比重は以下の如く定義されることが知られ
ている。
S=aT+C ここにaは温度変化に伴なう比重の変化率であり、Cは
定数である。
同様に比重の変化は以下の如く表わされる。
dS=adT 従って温度変化により生じる比重の変化によってdxが
発生されることが解る。スプールのストローク(x)は
以下の如く定義される。
x=cln(Q) ここにcは定数である。
Sが一定であるときには であるので 従ってストローク(x)のパーセンテージ変化はQ又は
Aの対応するパーセンテージ変化を生じる。Qが一定で
あることが必要であるので、A(ウインドウの面積)を
変化させることが必要である。いま計量弁16とフィード
バック装置46との間に適当な大きさのdxが設計されてお
れば、計量弁は温度変化に起因する燃料の密度変化を補
償し、燃料の流量の大きさに拘らず一定のパーセンテー
ジにて流量を変化させる。かかるdxは温度プローブ12に
より与えられる。
指数関数の流路形状を有するウインドウは定義により
以下のx座標及びy座標(第4図参照)を有している。
x=clnQ x=c(lnQ−lnQmin)又は x=cln(Q/Qmin) これはウインドウの長さである。また δP=(Qmin ln(Qmax/Qmin))/(by min x max) ここにbは定数、δPは既知である。
yはδPより以下の如く求められる。
y=(Q/Qmin)y min ここにyはウインドウの幅である。
作動に於ては、燃料が計量弁のスプール24へ流入し、
温度プローブ12を浸す。シェルの表面積が大きく且その
厚さが小さく、シェルの小孔を経て燃料がロッドに到達
することができ、燃料の流路内に温度プローブが配置さ
れているので、ロッド44及びシェル42は温度変化に迅速
に応答する。かくしてロッド及びシェルが迅速に応答す
ることによりロッドがハウジングの軸受60内にて往復動
せしめられ、これによりフィードバック装置46が再位置
決めされる。フィードバック装置はデジタル式の電子燃
料装置へ信号を出力し、電子燃料制御装置は電磁流体弁
40へ指令信号を出力し、弁40は導管36及び38内を流れる
燃料の流量を制御し、これにスプール24が駆動される。
ウインドウ30は指数関数的な流路形状にて設けられてい
るので、燃料の比重(密度)のパーセンテージ変化によ
り計量弁のウインドウ30と孔28との間の連通面積が変化
され、これに対応する燃料流量のパーセンテージ変化が
達成され、これにより比重の変化が相殺される。デジタ
ル式の電子燃料制御装置は燃料の実際の温度を検出する
ことを必要とせず、燃料の温度変化が解りさえすればよ
い。温度プローブ12が指数関数的流路形状のウインドウ
と組合されることにより、単純で迅速に作動する計量で
信頼性の高い装置が得られる。
本発明の利点は以下の如くである。温度プローブは燃
料の流路内に直接配置され、従って非常に迅速に(2〜
4秒の内に)応答することができる。また温度プローブ
は非常に剛固であり、従って機械的誤差を生じることが
ない。また燃料の実際の温度を知る必要がない。
以上に於ては特定の実施例について詳細に説明した
が、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、
本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は計量される燃料の流量を燃料の温度の関数とし
て調整する本発明の装置の一つの実施例が組込まれた燃
料制御装置を一部破断して示す解図である。 第2図は第1図に示された計量弁のスリーブ及びスプー
ルを展開して示す解図である。 第3図は第1図のシェルを示す断面図である。 第4図は第2図に示されたスリープのウインドウを示す
拡大部分図である。 10……燃料制御装置,12……温度プローブ,14……ハウジ
ング,16……計量弁,18……遮断及び圧力制御弁,24……
スプール,26……スリーブ,28……孔,30……ウインドウ,
32……フランジ,40……電磁流体弁,42……シェル,44…
…ロッド,46……フィードバック装置,54……ねじ部,56
……第一の端部,58……第二の端部,60……軸受
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リーン・エフ・ベランガー アメリカ合衆国マサチューセッツ州、ホ リオーク、オンタリオ・アヴェニュー 172 (56)参考文献 特開 昭53−35888(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】流体の温度変化に基づく密度変化に対する
    補償を行って流体の温度変化に拘らず一定の重量流量を
    計量する重量流量計量装置にして、 自身の中心軸線に沿って移動可能に配置されたスプール
    (24)と、該スプールの中心軸線に沿う移動に応じて開
    口面積が変えられる流体計量ウインドウ(30)とを有す
    る弁手段と、 前記スプール(24)内にその中心軸線に沿って延在する
    よう配置され該スプール内を流れる流体の温度に感応し
    て長さ変化を生ずる温度プローブ(12)と、 前記スプール(24)内を流れる流体の温度の変化に拘ら
    ず前記流体計量ウインドウ(30)を流れる流体の重量流
    量が一定となるように該流体計量ウインドウの開口面積
    を調節すべく、前記温度プローブ(12)の長さ変化を検
    出し、その検出値に基づいて前記スプール(24)を前記
    流体計量ウインドウ(30)に対し偏倚させる制御手段
    (36,38,40,46)と を有する重量流量計量装置。
JP63249700A 1987-10-22 1988-10-03 重量流量計量装置 Expired - Lifetime JP2676073B2 (ja)

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JPH01161116A JPH01161116A (ja) 1989-06-23
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