WO2020162076A1

WO2020162076A1 - 燃料供給制御装置

Info

Publication number: WO2020162076A1
Application number: PCT/JP2019/051110
Authority: WO
Inventors: 亮宏嶋村; 直喜関; 寛生菅原; 山本　安彦
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: CA3128334C; US11867124B2; US20220128006A1; JPWO2020162076A1; EP3922832B1; CA3128334A1; EP3922832A4; JP7095759B2; EP3922832A1

Abstract

この燃料供給制御装置（１０）は、燃料の検出流量の目標流量に対する偏差に基づいてギアポンプ（３）の回転をフィードバック制御する操作量を生成する燃料供給制御装置であって、前記ギアポンプの軸受を保護するために前記ギアポンプの回転数が所定の下限回転数Ｎmin以上になるように前記操作量を生成する。

Description

燃料供給制御装置

　本開示は、燃料供給制御装置に関する。
　本願は、２０１９年２月４日に日本に出願された特願２０１９－０１７８８９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　下記特許文献１には、ガスタービンエンジンの燃料供給装置が開示されている。この燃料供給装置は、モータコントローラでモータを制御・駆動することで遠心ポンプとギアポンプを作動させると共に、固定オリフィスと加圧バルブとの並列流路を介して所望の燃料を燃料ノズルに供給するものである。また、上記モータコントローラは、差圧計によって検出された固定オリフィスつまり加圧バルブの前後差圧をフィードバック信号として取り込み、このフィードバック信号とＦＡＤＥＣ（Full Authority Digital Engine Control）から取り込んだ指令信号との差分に基づいてモータをフィードバック制御する。

日本国特開２０１３－２３１４０６号公報

　ところで、上記ギアポンプ（燃料供給用ギアポンプ）は、ギアが発生させる圧力脈動への耐久性及び実績からジャーナル軸受を採用している。このようなギアポンプについて、モータコントローラ（燃料供給制御装置）が要求燃料流量のみに基づいてポンプ回転数指令値を極端に低回転とした場合、ポンプへの加圧重によってはジャーナル軸受の油膜厚さが不十分な状態となり、ジャーナル軸受の寿命低下や軸受けの焼付きにつながる可能性がある。

　本開示は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃料供給用ギアポンプの寿命低下や焼付きを抑制することを目的とするものである。

　上記目的を達成するために、本開示の第１の態様の燃料供給制御装置は、燃料の検出流量の目標流量に対する偏差に基づいてギアポンプの回転をフィードバック制御する操作量を生成する燃料供給制御装置であって、前記ギアポンプの軸受を保護するために前記ギアポンプの回転数が所定の下限回転数Ｎmin以上になるように前記操作量を生成する。

　本開示の第２の態様は、前記第１の態様の燃料供給制御装置が、前記ギアポンプの昇圧量と燃料温度とに基づいて前記下限回転数Ｎminを演算する下限値演算部と、前記偏差に基づいて操作回転数Ｎを演算する操作量演算部と、前記下限回転数Ｎmin及び前記操作回転数Ｎのうち、何れか大きい方を最終的な操作量として出力する比較部とを備える。

　本開示の第３の態様は、前記第１の態様の燃料供給制御装置が、前記ギアポンプの実回転数と吐出圧及び燃料温度に基づいて前記ギアポンプの昇圧量を演算する昇圧量演算部と、前記昇圧量と前記燃料温度とに基づいて前記下限回転数Ｎminを演算する下限値演算部と、前記偏差に基づいて操作回転数Ｎを演算する操作量演算部と、前記下限回転数Ｎmin及び前記操作回転数Ｎのうち、何れか大きい方を最終的な操作量として出力する比較部とを備える。

　本開示の第４の態様は、前記第１～第３の態様のいずれか１つの態様において、前記下限回転数Ｎminは、前記軸受における潤滑油の粘性係数μ、面圧Ｐ、軸径ｒ及び最小ギャップｃmin並びにゾンマーフェルト数Ｓからなる下式（１）によって与えられる。

　本開示の第５の態様は、前記第１～第４の態様のいずれか１つの態様において、前記ギアポンプは、低圧ポンプで加圧された前記燃料をさらに昇圧してエンジンに供給する高圧ポンプである。

　本開示の第６の態様は、前記第１～第５の態様のいずれか１つの態様において、前記ギアポンプはモータによって駆動され、前記操作量は、前記モータを操作するために用いられる。

　本開示によれば、燃料供給用ギアポンプの寿命低下や焼付きを抑制することが可能である。

本開示の一実施形態における燃料供給装置のシステム構成図である。本開示の一実施形態に係る燃料供給制御装置の機能構成を示すブロック図である。本開示の一実施形態の変形例に係る燃料供給制御装置の機能構成を示すブロック図である。本開示の一実施形態の変形例における燃料供給装置のシステム構成図である。

　以下、図面を参照して、本開示の一実施形態について説明する。
　最初に、本実施形態における燃料供給装置Ｆについて、図１を参照して説明する。この燃料供給装置Ｆは、図示するようにガスタービンＧに燃料を供給する装置であり、より詳しくはガスタービンＧの燃料器に複数備えられる燃料ノズルＫに所定量の燃料を供給するものである。

　ガスタービンＧは、航空機に飛行のための推力源として備えられる内燃機関であり、燃料器で得られる燃焼排ガスを航空機の後方に噴射することによって推力を得るジェットエンジンである。すなわち、本実施形態における燃料供給装置Ｆは、航空機に備えられる装置である。

　このような燃料供給装置Ｆは、図１に示すように、燃料タンク１、遠心ポンプ２、ギアポンプ３、電気モータ（モータ）４、加圧バルブ５、オリフィス６、第１差圧計７、第２差圧計８、温度センサ９及び燃料供給制御装置１０を備える。燃料タンク１は、所定量の燃料を貯留する容器であり、遠心ポンプ２に燃料を供給する。遠心ポンプ２は、燃料を上記燃料タンク１から汲み出して所定圧に昇圧して、低圧燃料としてギアポンプ３に吐出する低圧ポンプ（非容積型ポンプ）である。

　ギアポンプ３は、上記遠心ポンプ２から供給された低圧燃料を昇圧し、高圧燃料として各燃料ノズルＫに向けて吐出する高圧ポンプ（容積型ポンプ）である。周知のようにポンプには種々の形態のものが知られているが、このギアポンプ３は、互いに噛み合う一対のギアの回転によって燃料を昇圧する形態のポンプであり、ギアの回転軸がジャーナル軸受（すべり軸受）によって支持されている。また、このギアポンプ３は、燃料の一部をジャーナル軸受内に取り込むことにより、燃料を潤滑油として流用する。

　電気モータ４は、上記遠心ポンプ２及びギアポンプ３を回転駆動する動力源である。この電気モータ４は、出力軸が所定の連結機（図示略）を介して遠心ポンプ２の回転軸及びギアポンプ３の回転軸に軸結合されている。すなわち、電気モータ４の回転数と遠心ポンプ２及びギアポンプ３の各回転数との間には一定の相関関係が成立する。

　加圧バルブ５は、ギアポンプ３の吐出口と燃料ノズルＫの流入口とを接続する燃料配管の途中部位に設けられている。加圧バルブ５は、ギアポンプ３の吐出量が比較的低い場合は閉弁し、ギアポンプ３の吐出量が所定値を超えると開弁する。オリフィス６は、このような加圧バルブ５と同様に、ギアポンプ３の吐出口と燃料ノズルＫの流入口とを接続する燃料配管の途中部位に設けられている。

　これら加圧バルブ５及びオリフィス６は、図示するように、燃料配管を介して並列流路を形成している。すなわち、加圧バルブ５の流入口とオリフィス６の流入口は何れも燃料配管を介してギアポンプ３の吐出口に接続され、また加圧バルブ５の流出口とオリフィス６の流出口とは何れも燃料配管を介して燃料ノズルＫの流入口に接続されている。このような加圧バルブ５及びオリフィス６は、ギアポンプ３から燃料ノズルＫに供給される燃料の流量を燃料供給量として検出する計量バルブを構成している。

　第１差圧計７は、加圧バルブ５及びオリフィス６の上流側（流入口側）と下流側（吐出口側）との差圧を前後差圧ΔＰとして検出する差圧伝送器である。この前後差圧ΔＰは、燃料流量つまりモータ回転数に応じて変化する圧力量つまり燃料流量に対応する物理量である。この第１差圧計７は、前後差圧ΔＰを燃料供給制御装置１０に出力する。

　第２差圧計８は、ギアポンプ３における燃料の流入圧と吐出圧との差圧を昇圧量ΔＰ_ＨＰとして検出する差圧伝送器である。この第２差圧計８は、上記昇圧量ΔＰ_ＨＰを燃料供給制御装置１０に出力する。温度センサ９は、ギアポンプ３の吐出ポートに設けられ、当該吐出ポートにおける燃料の温度を燃料温度Ｔとして検出する検出器である。この温度センサ９は、燃料温度Ｔを燃料供給制御装置１０に出力する。

　燃料供給制御装置１０は、上述した前後差圧ΔＰ、昇圧量ΔＰ_ＨＰ、燃料温度Ｔ及び制御目標値に基づいて電気モータ４を制御する。この燃料供給制御装置１０は、所定の制御プログラムを所定のハードウエアで実行することにより電気モータ４の操作量を生成するソフトウエア制御装置である。なお、上記ハードウエアは、制御プログラム等を記憶する記憶装置、制御プログラムを直接実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵと電気モータ４との間及びＣＰＵと第１差圧計７との間に介在し、各種信号の授受を行うインタフェース回路等である。すなわち、燃料供給制御装置１０は、例えば、制御プログラムを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）といった記憶装置と、当該制御プログラムを実行するＣＰＵと、ＣＰＵと電気モータ４や第１差圧計７等との間に介在して各種信号の授受を行う入出力装置（インタフェース回路）と、を備える。

　このような燃料供給制御装置１０は、制御プログラム（ソフトウエア）とハードウエアとの協働によって実現される機能構成要素であり、図２に示す差圧/流量変換テーブル１０ａ、減算器１０ｂ、制御演算部１０ｃ、比較器（比較部）１０ｄ、粘度演算部１０ｅ及び下限値演算部１０ｆを備えている。

　差圧/流量変換テーブル１０ａは、第１差圧計７から第２の検出信号として入力される前後差圧ΔＰと燃料供給装置Ｆから燃料ノズルＫに供給される燃料の供給量（燃料供給量）との関係を示す制御テーブルである。すなわち、この差圧/流量変換テーブル１０ａは、所定帯域に亘る複数の前後差圧データに対応すると共に予め取得された複数の燃料供給量データを備え、第１差圧計７から入力される前後差圧ΔＰに基づいて上記データ群を検索することにより、前後差圧ΔＰに対応した燃料流量制御量を減算器１０ｂに出力する。この燃料流量制御量は、本開示における検出流量に相当する。

　減算器１０ｂは、燃料流量制御量の制御目標値に対する偏差（燃料流量偏差）を演算し、当該燃料流量偏差を制御演算部１０ｃに出力する。すなわち、この減算器１０ｂは、不図示のＦＡＤＥＣから入力される燃料流量の制御目標値と実際の燃料流量との差異を制御偏差として演算するものである。上記制御目標値は、本開示における目標流量に相当する。

　制御演算部１０ｃは、減算器１０ｂから入力される燃料流量偏差に所定の演算処理（ＰＩＤ演算処理）を施すことにより電気モータ４の操作量である操作回転数Ｎを生成し、当該操作回転数Ｎを比較部１０ｄに出力する。ここで、ギアポンプ３は電気モータ４によって回転駆動されるので、上記操作回転数Ｎは、電気モータ４の回転数つまりギアポンプ３の回転数を指示する量である。このような操作回転数Ｎは、本実施形態に係る燃料供給制御装置１０における本来的な操作量である。なお、上述した減算器１０ｂ及び制御演算部１０ｃは、本開示における操作量演算部を構成している。

　比較器１０ｄは、上記操作回転数Ｎと下限値演算部１０ｆから入力されるギアポンプ３の下限回転数Ｎminとを比較し、何れか大きい方を最終的な操作量として選択してモータ４に出力する。すなわち、比較器１０ｄは、操作回転数Ｎが下限回転数Ｎmin以上の場合に操作回転数Ｎを最終的な操作量としてモータ４に出力し、操作回転数Ｎが下限回転数Ｎminよりも小さい場合には、ギアポンプ３のジャーナル軸受を保護するために下限回転数Ｎminを最終的な操作量としてモータ４に出力する。すなわち、この操作量は、モータ４を操作するために用いられている。

　粘度演算部１０ｅは、温度センサ９から入力される燃料温度Ｔに基づいてギアポンプ３におけるジャーナル軸受の潤滑油（燃料）の粘性係数μ（潤滑油粘度）を演算して下限値演算部１０ｆに出力する。この粘度演算部１０ｅは、例えば燃料温度Ｔと粘性係数μとの相互関係を示す変換テーブル（燃料温度/粘性係数変換テーブル）であり、燃料温度Ｔに対応する粘性係数μを検索して出力する。

　下限値演算部１０ｆは、下式（１）に基づいて上記下限回転数Ｎminを演算し、当該下限回転数Ｎminを比較器１０ｄに出力する。この式（１）は、ギアポンプ３におけるジャーナル軸受の特性を示すものであり、潤滑油（燃料）の粘性係数μ、下限回転数Ｎmin、面圧Ｐ、軸径ｒ、最小ギャップｃmin及びゾンマーフェルト数Ｓをパラメータとする。

　なお、この式（１）における面圧Ｐは、第２差圧計８で検出される昇圧量ΔＰ_ＨＰに相当する量である。また、これらパラメータのうち、軸径ｒ、最小ギャップｃmin及びゾンマーフェルト数Ｓは、ギアポンプ３のジャーナル軸受の特性データとして下限値演算部１０ｆに予め記憶されている。

　すなわち、下限値演算部１０ｆは、予め記憶している軸径ｒ、最小ギャップｃmin及びゾンマーフェルト数Ｓ、粘度演算部１０ｅから入力される粘性係数μ、また第２差圧計８から入力される昇圧量ΔＰ_ＨＰ（面圧Ｐ）を式（１）に基づいて下限回転数Ｎminを演算する。

　ここで、式（１）は、ジャーナル軸受に適用される周知のゾンマーフェルト数Ｓに関する公式において、軸受け隙間ｃをジャーナル軸受の焼付き限界である最小ギャップｃminとし、また軸の回転数ｎを最小ギャップｃminに対応した下限回転数Ｎminとしたものである。このような式（１）によって与えられる下限回転数Ｎminは、ギアポンプ３のジャーナル軸受が焼付き現象を生じない最小回転数に相当する量である。

　続いて、本実施形態に係る燃料供給制御装置１０の動作について詳しく説明する。
　この燃料供給制御装置１０は、基本的な動作として、ギアポンプ３から各燃料ノズルＫに供給される燃料供給量つまり第１差圧計７の前後差圧ΔＰに対応する燃料流量制御量が制御目標値と等しくなるように操作回転数Ｎ（操作量）を生成することにより遠心ポンプ２及びギアポンプ３をフィードバック制御する。

　すなわち、燃料供給制御装置１０は、差圧/流量変換テーブル１０ａ、減算器１０ｂ及び制御演算部１０ｃに基づいて操作回転数Ｎを生成して電気モータ４に出力することにより、電気モータ４つまり遠心ポンプ２及びギアポンプ３を操作回転数Ｎに応じた回転数で回転させる。この結果、ギアポンプ３は、制御目標値に等しい量の燃料を各燃料ノズルＫに吐出する。

　このような燃料供給制御装置１０の基本的な動作において、比較器１０ｄ、粘度演算部１０ｅ及び下限値演算部１０ｆは、電気モータ４の回転数つまり遠心ポンプ２及びギアポンプ３の回転数の下限値を限定するように動作する。

　すなわち、比較器１０ｄは、制御演算部１０ｃから入力される操作回転数Ｎと、下限値演算部１０ｆから入力される下限回転数Ｎminとを常時比較し、操作回転数Ｎが下限回転数Ｎmin以上の場合に操作回転数Ｎを操作量として電気モータ４に出力するが、操作回転数Ｎが下限回転数Ｎminよりも小さい場合には下限回転数Ｎminを操作量として電気モータ４に出力する。

　この結果、ギアポンプ３の回転数はジャーナル軸受が焼付き現象を生じない最小回転数よりも高い回転数に維持されるので、ギアポンプ３におけるジャーナル軸受（すべり軸受）の焼付きが防止される。したがって、本実施形態によれば、燃料供給用のギアポンプ３の寿命低下や焼付きを抑制することが可能である。

　なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、第２差圧計８で昇圧量ΔＰ_ＨＰつまり式（１）におけるジャーナル軸受の面圧Ｐを取得したが、本開示はこれに限定されない。例えば、昇圧量ΔＰ_ＨＰを検出する第２差圧計８に代えてギアポンプ３の吐出圧Ｐ_ＨＰを検出する吐出圧計を設けると共にギアポンプ３の実回転数Ｎrを検出する回転計を新たに設け、また図３に示すように昇圧量演算部（差圧演算部）１０ｇを備えた燃料供給制御装置１０Ａを採用することにより昇圧量ΔＰ_ＨＰ（面圧Ｐ）を演算してもよい。

　すなわち、図３に示す燃料供給制御装置１０Ａにおいて、昇圧量演算部１０ｇは、粘度演算部１０ｅから入力された潤滑油（燃料）の粘性係数μ、吐出圧計から入力される吐出圧Ｐ_ＨＰ及び回転計から入力される実回転数Ｎrから昇圧量ΔＰ_ＨＰ（面圧Ｐ）を演算する。そして、燃料供給制御装置１０Ａにおける下限値演算部１０ｆは、昇圧量演算部１０ｇから入力された昇圧量ΔＰ_ＨＰ（面圧Ｐ）を式（１）に代入することにより下限回転数Ｎminを演算する。

（２）上記実施形態では、燃料を潤滑油をするジャーナル軸受（すべり軸受）を備えるギアポンプ３について説明したが、本開示はこれに限定されない。すなわち、本開示は、燃料とは個別の潤滑油を用いるタイプのジャーナル軸受（すべり軸受）を備えるギアポンプにも適用可能である。

（３）また、ギアポンプ３の軸受についてはジャーナル軸受（すべり軸受）に限定されない。すなわち、本開示は、ジャーナル軸受（すべり軸受）以外のタイプの軸受を採用したギアポンプにも適用可能である。ただし、この場合には、下限回転数Ｎminの設定方法がジャーナル軸受（すべり軸受）に関する式（１）ではなく、使用する軸受に特化したものを採用する必要がある。

（４）上記実施形態では、ガスタービンＧを燃料の供給先としているが、本開示はこれに限定されない。ガスタービンＧ以外の形態のエンジンを燃料の供給先としてもよい。

（５）上記実施形態では、遠心ポンプ２、ギアポンプ３及び電気モータ４を備えた単一系によって燃料供給装置Ｆを構成したが、冗長性を確保するために、図４に示すような二重系の燃料供給装置Ｆ１を採用してもよい。すなわち、この燃料供給装置Ｆ１では、遠心ポンプ２Ｘ、ギアポンプ３Ｘ、電気モータ４Ｘ及び燃料供給制御装置１０Ｘから構成される第１給油系統と遠心ポンプ２Ｙ、ギアポンプ３Ｙ、電気モータ４Ｙ及び燃料供給制御装置１０Ｙから構成される第２給油系統とを備える。

　燃料供給制御装置１０Ｘは、温度センサ９から入力される燃料温度Ｔ、第１差圧計７から入力される前後差圧ΔＰ及びＦＡＤＥＣから入力される制御目標値に基づいて操作回転数Ｎ１を生成することにより電気モータ４Ｘをフィードバック制御する。一方、燃料供給制御装置１０Ｙは、温度センサ９から入力される燃料温度Ｔ、第１差圧計７から入力される前後差圧ΔＰ及びＦＡＤＥＣから入力される制御目標値に基づいて操作回転数Ｎ２を生成することにより電気モータ４Ｙをフィードバック制御する。

　電気モータ４Ｘは、燃料供給制御装置１０Ｘから入力される操作回転数Ｎ１に従って回転することにより遠心ポンプ２Ｘ及びギアポンプ３Ｘを操作回転数Ｎ１に応じた回転数で回転させる。一方、電気モータ４Ｙは、燃料供給制御装置１０Ｙから入力される操作回転数Ｎ２に従って回転することにより遠心ポンプ２Ｙ及びギアポンプ３Ｙを操作回転数Ｎ２に応じた回転数で回転させる。

　このような燃料供給装置Ｆ１は、通常では第１給油系統と第２給油系統とが並列動作することによってガスタービンＧが必要とする流量の燃料を供給する。すなわち、燃料供給装置Ｆ１では、第１給油系統と第２給油系統とが独立して機能し、ガスタービンＧが必要とする流量の燃料を互いに分け合って供給する。また、このような燃料供給装置Ｆ１では、第１給油系統あるいは第２給油系統が機能停止した場合には、機能停止しない方がガスタービンＧが必要とする全量の燃料を供給する。なお、必要に応じて燃料供給装置を三重系あるいは四重系として構成してもよい。

　本開示は、燃料供給用ギアポンプの寿命低下や焼付きを抑制する燃料供給装置に利用することができる。

　Ｆ，Ｆ１　燃料供給装置
　Ｇ　ガスタービン
　Ｋ　燃料ノズル
　１　燃料タンク
　２，２Ｘ，２Ｙ　遠心ポンプ
　３，３Ｘ，３Ｙ　ギアポンプ（燃料供給用ギアポンプ）
　４，４Ｘ，４Ｙ　電気モータ（モータ）
　５　加圧バルブ
　６　オリフィス
　７　第１差圧計
　８　第２差圧計
　９　温度センサ
　１０，１０Ａ，１０Ｘ，１０Ｙ　燃料供給制御装置
　１０ａ　差圧/流量変換テーブル
　１０ｂ　減算器
　１０ｃ　制御演算部
　１０ｄ　比較部（比較器）
　１０ｅ　粘度演算部
　１０ｆ　下限値演算部
　１０ｇ　差圧演算部（昇圧量演算部）

Claims

　燃料の検出流量の目標流量に対する偏差に基づいてギアポンプの回転をフィードバック制御する操作量を生成する燃料供給制御装置であって、
　前記ギアポンプの軸受を保護するために前記ギアポンプの回転数が所定の下限回転数Ｎmin以上になるように前記操作量を生成する燃料供給制御装置。
　前記ギアポンプの昇圧量と燃料温度とに基づいて前記下限回転数Ｎminを演算する下限値演算部と、
　前記偏差に基づいて操作回転数Ｎを演算する操作量演算部と、
　前記下限回転数Ｎmin及び前記操作回転数Ｎのうち、何れか大きい方を最終的な操作量として出力する比較部と
　を備える請求項１に記載の燃料供給制御装置。
　前記ギアポンプの実回転数と吐出圧及び燃料温度に基づいて前記ギアポンプの昇圧量を演算する昇圧量演算部と、
　前記昇圧量と前記燃料温度とに基づいて前記下限回転数Ｎminを演算する下限値演算部と、
　前記偏差に基づいて操作回転数Ｎを演算する操作量演算部と、
　前記下限回転数Ｎmin及び前記操作回転数Ｎのうち、何れか大きい方を最終的な操作量として出力する比較部と
　を備える請求項１に記載の燃料供給制御装置。
　前記下限回転数Ｎminは、前記軸受における潤滑油の粘性係数μ、面圧Ｐ、軸径ｒ及び最小ギャップｃmin並びにゾンマーフェルト数Ｓからなる下式（１）によって与えられる請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料供給制御装置。
　前記ギアポンプは、低圧ポンプで加圧された前記燃料をさらに昇圧してエンジンに供給する高圧ポンプである請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料供給制御装置。
　前記ギアポンプはモータによって駆動され、
　前記操作量は、前記モータを操作するために用いられる請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料供給制御装置。