JP5903766B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料供給装置に関する。

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、燃料供給装置が併設される。燃料供給装置は、例えば燃料ポンプ、計量部及び燃料冷却器を備える。燃料ポンプは、燃料タンクからの燃料を計量部に送る。計量部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、ジェットエンジンから伝達された回転運動によって、その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つのポンプ部として機能する。

このように、三連式ギアポンプは、２つのポンプ部を内包する構造になっており、２つのポンプ部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

ところで、駆動ギアをジェットエンジンからの回転運動で駆動する代わりに、サーボモータ等で駆動することによって、ギアポンプの吐出量を制御する技術が考えられている。この技術によれば、ギアポンプの吐出量を任意に設定可能になり、過剰な燃料を循環させる必要性が低くなる。一方で、この技術にあっては、吐出量の急激な変化に高精度に対応可能にすると、例えば過渡的なポンプ負荷の上昇によりサーボモータへの電力供給源が大型になってしまうこと等の課題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされてもので、ポンプの吐出量の余剰分を低減可能であるとともに、吐出量の変化に高精度に対応可能である燃料供給装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の燃料供給装置は、第１のギアの回転によって燃料を流す第１のポンプ部と、第２のギアの回転によって燃料を流す第２のポンプ部と、前記第１のポンプ部及び前記第２のポンプ部から前記燃料が流入し、その流量を計量する計量部と、前記第２のポンプ部から前記計量部に流れる前記燃料の流量を調整するバイパス計量弁と、前記第１のギアを回転駆動する駆動部と、前記駆動部を制御して前記第１のギアの回転数を調整するとともに、前記バイパス計量弁による前記燃料の流量の調整量を制御する制御部と、を備える。

このようにすれば、制御部が、第１のギアの回転数とバイパス計量弁の調整量とを制御するので、第１のポンプ部及び第２のポンプ部の吐出量を高精度に、また急激な変化に対応して制御することができ、ポンプの吐出量の余剰分を低減可能になり、サーボモータの負荷を低減することができる。また、燃料の流量の制御を、第１のギアの回転数の制御とバイパス計量弁の調整量の制御とに分担させるので、吐出量の変化に高精度に対応可能になる。

上記の燃料供給装置において、前記駆動部は、前記第１のギアと前記第２のギアとに噛み合わされる駆動用ギアを備え、前記駆動用ギアを介して前記第１のギアおよび前記第２のギアを駆動してもよい。

このようにすれば、駆動用ギアを介して第１のギアを第２のギアと同じモータによって回転駆動することができ、第１のギアを回転させるモータと別のモータで第２のギアを回転させる構成よりもモータの数を減らすことができる。

上記の燃料供給装置において、前記駆動部は、モータであってもよい。

このようにすれば、第１のギアの回転数を任意の値に制御することができる。

上記の燃料供給装置において、前記制御部が前記駆動部を制御する周波数は、前記制御部が前記バイパス計量弁を制御する周波数よりも低くてもよい。

このようにすれば、モータの回転数を変化させるときの負荷を減らすことができ、モータや、モータへの電力供給源を小型化することができる。

上記の燃料供給装置は、前記第２のポンプ部から吐出された前記燃料を前記第２のポンプ部の上流に戻すバイパス流路と、前記第２のポンプ部から吐出された前記燃料を前記第１のポンプ部から吐出された前記燃料と合流させる吐出流路と、を備え、前記計量部が前記吐出流路を経由した前記燃料の下流に配置されており、前記バイパス計量弁が前記バイパス流路に配置されていてもよい。

このようにすれば、第２のポンプ部から吐出されて吐出流路を経由した燃料が、第１のポンプ部から吐出された燃料と合流して計量部に流入し、第１のポンプ部及び第２のポンプ部から吐出された燃料を計量部に流すことができる。また、バイパス流路を通った燃料が第２のポンプ部の上流に戻るので、バイパス計量弁がバイパス流路を経由する燃料の流量を調整することによって、吐出流路を経由して計量部に流入する燃料の流量を調整することができる。

本発明によれば、ポンプの吐出量の余剰分を低減可能であるとともに、急激な吐出量の変化に高精度に対応可能である燃料供給装置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装置の構成例を示す説明図である。 三連式ギアポンプの吐出量の一例を示すグラフである。

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装置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、燃料供給装置１及びジェットエンジン２を備える。燃料供給装置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、流量切替部７、計量部８、燃料冷却器９、及び制御部１０を備える。ジェットエンジン２は、エンジン燃焼器１１及びファン１２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、例えば三連式のギアポンプによって構成され、２つのポンプ部を含んでいる。流量切替部７は、ギアポンプ５の２つのポンプ部の接続関係を切替えることによって、ギアポンプ５の吐出量を調整する。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９に送る。計量部８は、ギアポンプ５と燃料冷却器９との間の流路に設けられ、燃料冷却器９へ流れる燃料Ｑの流量を測定する。計量部８の測定結果は、制御部１０に出力される。燃料Ｑは、燃料冷却器９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９に供給される。燃料冷却器９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１１に供給される。

なお、計量部８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を採用してもよい。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９の間とを接続して、過剰な燃料を流す流路を設ける。

エンジン燃焼器１１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１２を回転させる。ファン１２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１２の回転数は、制御部１０に出力される。

制御部１０は、計量部８の測定結果やファン１２の回転数を受けて、サーボモータ６及び流量切替部７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１２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装置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１３及び燃料供給遮断弁１４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１３は、ギアポンプ５及び計量部８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１４は、その接続関係がリリーフ弁１３と同様であり、リリーフ弁１３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１３は、ギアポンプ５及び計量部８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１３によって防止することができる。

燃料供給遮断弁１４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１４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８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１４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、計量部８を通る燃料Ｑの流量がほぼ０になる。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１４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１５、駆動用ギア１６、第１のギア１７及び第２のギア１８を備える。ギア１６〜１８は、互いに噛み合わされた状態で、ケーシング１５に収容されている。ギア１６〜１８は、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。第１のギア１７及び第２のギア１８は、駆動用ギア１６を挟んで対向配置されている。以下の説明では、第１のギア１７と第２のギア１８とが対向する方向をギアの対向方向という。サーボモータ６は、駆動用ギア１６に接続されている。サーボモータ６は、制御部１０によって回転数の制御が可能なモータである。

駆動用ギア１６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。第１のギア１７及び第２のギア１８は、駆動用ギア１６との噛み合わせにより回転する従動ギアである。すなわち、サーボモータ６は、駆動用ギア１６を介して第１のギア１７を回転駆動する。

本実施形態において、第１のギア１７と第２のギア１８は、寸法や形状、歯数が同じである。駆動用ギア１６は、第１のギア１７及び第２のギア１８と寸法や形状、歯数が同じであってもよいし、異なっていてもよい。ギア１６〜１８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。

燃料Ｑは、ギア１６〜１８のそれぞれとケーシング１５の内壁面とに囲まれる空間に閉じ込められて下流に運ばれる。ギアの対向方向における第１のギア１７側の駆動用ギア１６のほぼ半分を含んで、第１のポンプ部１９が構成される。同様に、ギアの対向方向における第２のギア１８側の駆動用ギア１６のほぼ半分を含んで、第２のポンプ部２０が構成される。

第１のポンプ部１９と第２のポンプ部２０のそれぞれが、二連式のギアポンプと同様に機能する。二連式のギアポンプは、ケーシング及び２つのギアで構成されるポンプである。第１のポンプ部１９と第２のポンプ部２０の実質的な吐出量の総量が、ギアポンプ５の吐出量になる。

遠心ポンプ４からの燃料Ｑは、第１のポンプ部１９に対してギアの対向方向に交差する方向から、第１のポンプ部１９に供給される。駆動用ギア１６及び第１のギア１７が回転すると、燃料Ｑは第１のポンプ部１９で加圧されて下流に吐出される。第２のポンプ部２０を経由する燃料Ｑの流路及び吐出量については、流量切替部７の構成と合わせて説明する。

本実施形態の流量切替部７は、逆止弁２１及びバイパス計量弁２２を含んでいる。逆止弁２１は、遠心ポンプ４から第１のポンプ部１９に向かう流路を分岐した流路に設けられている。逆止弁２１は、逆止弁２１の上流側（遠心ポンプ４側）に向かって下流側から燃料Ｑが流れることを防止する。逆止弁２１を通った燃料Ｑは、第２のポンプ部２０に流入する。第２のポンプ部２０の吐出側の流路は、バイパス流路２３と吐出流路２４とに分岐している。バイパス流路２３は、その下流が第２のポンプ部２０の流入側と逆止弁２１との間に合流している。吐出流路２４は、その下流が第１のポンプ部１９の吐出側と合流している。

バイパス計量弁２２は、バイパス流路２３に設けられている。バイパス計量弁２２は、第２のポンプ部２０から吐出された燃料Ｑの量に占める、バイパス流路２３に流れる燃料Ｑの量の比率（以下、開口率という）を調整する。バイパス計量弁２２は、バイパス計量弁２２を経由する前後の燃料Ｑの圧力を監視し、制御部１０に制御されて、バイパス計量弁による調整量である上記の開口率を調整する。

バイパス計量弁２２の開口率が最小（全閉）であるときに、第２のポンプ部２０から吐出された燃料Ｑは、そのほぼ全部が吐出流路２４を通って、第１のポンプ部１９から吐出された燃料Ｑとともにギアポンプ５から吐出される。このときに、第２のポンプ部２０の実質的な吐出量は、第１のポンプ部１９の吐出量とほぼ同じになる。

バイパス計量弁２２の開口率が最大（全開）であるときに、第２のポンプ部２０から吐出された燃料Ｑは、そのほぼ全部がバイパス流路２３を通って、第２のポンプ部２０の流入側に戻される。このときに、逆止弁２１が閉止状態となり、遠心ポンプ４から第２のポンプ部２０へ燃料Ｑが流れなくなる。また、第２のポンプ部２０は、燃料Ｑに対してほぼ仕事をしなくなり、ギアポンプ５の吐出量にほぼ寄与しなくなる。すなわち、第２のポンプ部２０の実質的に吐出量は、ほぼ０になる。

図３は、バイパス計量弁２２の開口率を変化させたときの、ギアポンプ５の吐出量の一例を示すグラフである。図３中の並列運転は、バイパス計量弁２２が全閉の運転状態を示し、直列運転は、バイパス計量弁２２が全開の運転状態を示す。また、切替過渡状態は、バイパス計量弁２２の開口率が０％より大きく１００％未満である運転状態を示す。このとき切替過渡状態において、吐出流量が一定になった後、圧力が整定して直列運転状態となる。

図３に示す例では、運転状態が、初期的に並列運転になっている。時間経過とともにバイパス計量弁２２の開口率を１００％から０％まで減少させることによって、運転状態が、並列運転から切替過渡状態を経て直列運転に切替えられている。また、時間経過とともにバイパス計量弁２２の開口率を０％から１００％まで増加させることによって、運転状態が、直列運転から切替過渡状態を経て並列運転に切替えられている。並列運転時のギアポンプ５の吐出量は、並列接続された２つの二連式のギアポンプの吐出量とほぼ同じになる。切替過渡状態のギアポンプ５の吐出量は、バイパス計量弁２２の開口率に応じて変化する。直列運転時のギアポンプ５の吐出量は、直列接続された２つの二連式のギアポンプの吐出量、すなわち１つの二連式のギアポンプの吐出量とほぼ同じになる。

本実施形態の制御部１０は、バイパス計量弁２２の開口率を、運転状態が切替過渡状態になる範囲内で制御することによって、ギアポンプ５の吐出量を制御する。本実施形態において、制御部１０がバイパス計量弁２２の開口率を制御する周波数は、制御部１０がサーボモータ６の回転数を制御する周波数よりも高周波数になっている。例えば、サーボモータ６の回転数は５Ｈｚで制御され、バイパス計量弁２２の開口率は０．５Ｈｚで制御される。

本実施形態において、制御部１０は、燃料冷却器９へ流れる燃料Ｑの流量として計量部８によって測定された値に基づいて、制御量を決定する。制御部１０は、ハイパスフィルターを通した変動成分を用いることによって、バイパス計量弁２２を相対的に高周波で制御する。制御部１０は、ローパスフィルターを通した変動成分を用いることによって、サーボモータ６をバイパス計量弁２２よりも低周波で制御する。

ここで、バイパス計量弁２２の開口率を制御しないでサーボモータ６の回転数のみを制御し、ギアポンプ５の吐出量を制御する場合を想定する。一般に、バルブの開口率を変化させるのに必要なエネルギーは、サーボモータのトルクを変化させるエネルギーよりも小さい。上記の場合に、吐出量の高周波の変動に追従させてサーボモータ６を制御すると、サーボモータ６の角加速度の最大値を設定する必要が生じて、サーボモータ６や、サーボモータ６への電力供給源が大型化してしまう。

本実施形態の燃料供給装置１にあっては、バイパス計量弁２２の開口率を調整することによって、燃料Ｑの吐出量を急激に変化させることができる。したがって、燃料Ｑの吐出量を急激に変化させる必要が生じた場合に、サーボモータ６の回転数を急激に変化させる必要性が低くなる。よって、サーボモータ６やサーボモータ６への電力供給源の大型化を招くことなく、吐出量の急激な変化に高精度に対応可能になり、図３に示した吐出流量が一定になる点を変更するなど、吐出量を変更することもできる。

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な燃料を減らすことや無くすことができ、過剰な燃料をギアポンプ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、端的には無くすことができ、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９の負荷を減らすことができ、燃料冷却器９を小型化・軽量化することが可能になる。

なお、上記の実施形態では、サーボモータ６が駆動用ギア１６を介して第１のギア１７及び第２のギア１８を回転させる構成を例示したが、第１のギア１７を回転させるモータと別のモータで第２のギア１８を回転させる構成であってもよい。また、第１のギア１７と第２のギア１８とが互いに噛み合わされており、サーボモータ６が第１のギア１７と第２のギア１８のうちの一方を回転させることによって、第１のギア１７と第２のギア１８の双方が連動して回転する構成でもよい。また、３連式のギアポンプを用いる代わりに複数のギアポンプを接続して用いてもよく、例えば第１のポンプ部と第２のポンプ部とをそれぞれ２連式のギアポンプにより構成してもよい。

１・・・燃料供給装置、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・・・流量切替部、８・・・計量部、９・・・燃料冷却器、１０・・・制御部、１１・・・エンジン燃焼器、１２・・・ファン、１３・・・リリーフ弁、１４・・・燃料供給遮断弁、１５・・・ケーシング、１６・・・駆動用のギア、１７・・・第１のギア、１８・・・第２のギア、１９・・・第１のポンプ部、２０・・・第２のポンプ部、２１・・・逆止弁、２２・・・バイパス計量弁、２３・・・バイパス流路、２４・・・吐出流路、Ｑ・・・燃料、Ｒ・・・潤滑油、Ｓ・・・推進システム

Claims (3)

1. 第１のギアの回転によって燃料を流す第１のポンプ部と、
   第２のギアの回転によって燃料を流す第２のポンプ部と、
   前記第１のポンプ部及び前記第２のポンプ部から前記燃料が流入し、その流量を計量する計量部と、
   前記第２のポンプ部から前記計量部に流れる前記燃料の流量を調整するバイパス計量弁と、
   前記第１のギアを回転駆動する駆動部と、
   前記駆動部を制御して前記第１のギアの回転数を調整するとともに、前記バイパス計量弁による前記燃料の流量の調整量を制御する制御部と、を備え、
   前記駆動部は、モータであり、
   前記制御部が前記駆動部を制御する周波数は、前記制御部が前記バイパス計量弁を制御する周波数よりも低い、燃料供給装置。
2. 前記駆動部は、前記第１のギアと前記第２のギアとに噛み合わされる駆動用ギアを備え、前記駆動用ギアを介して前記第１のギアおよび前記第２のギアを駆動する、請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記第２のポンプ部から吐出された前記燃料を前記第２のポンプ部の上流に戻すバイパス流路と、
   前記第２のポンプ部から吐出された前記燃料を前記第１のポンプ部から吐出された前記燃料と合流させる吐出流路と、を備え、
   前記計量部が前記吐出流路を経由した前記燃料の下流に配置されており、前記バイパス計量弁が前記バイパス流路に配置されている、請求項１又は２に記載の燃料供給装置。

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