JP4782666B2 - 質量流量測定装置で使用される超音波デンシオメータ流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンへの燃料の質量流量を正確に測定するための超音波センサとデンシオメータとを設けた圧力調整器を備えた、ガスタービンエンジンに適した圧力調整燃料輸送システムに関する。

従来のガスタービンエンジン用の燃料輸送システムは高価であり、かつ、多数の複雑な部品からなるものである。典型的な燃料輸送システムは、燃料絞り弁の位置と、フィードバックを供給する線形可変容量変換器（ｌｉｎｅａｒ ｖａｒｉａｂｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）とに基づくスケジューリングによって制御される。絞り弁の位置は、所望のエンジン速度（及び動力設定）を維持するために、閉じたループ内で調整される。確度の低い双回転タービンメータは、燃料軽量装置を通った後の総計された質量流量を測定する。総計された流量は、翼内タンクの燃料レベルゲージの再確認用として使用される。双回転タービンメータは、制限された確度を有する体積測定機器であるため、エンジンヘルス、即ち、エンジン性能を監視するのには用いられない。

燃料絞り弁、双回転タービンメータ、線形可変容量変換器、圧力調整器、及びその他の部品は、全て非常に複雑である。絞り弁は又、システム内における圧力の低下を引き起こし、そのため、燃料中に過剰な熱が発生して油冷却システムの効率を低下させる。従って、熱負荷を低減し、燃料絞り弁、双回転タービンメータ、並びに線形可変容量変換器を排除し、なおかつ、エンジン性能を監視するための、バーナへの即時的な総計された質量流量を正確に測定するシステムが必要とされている。

本発明の目的は、熱負荷を低減し、燃料絞り弁、双回転タービンメータ、並びに線形可変容量変換器を排除し、なおかつ、エンジンヘルスを監視するための、バーナへの即時的な総計された質量流量を正確に測定するシステムを提供することである。

圧力設定型の燃料輸送システムは、燃料の質量流量を測定する超音波体積流量センサとデンシオメータ（ｄｅｎｓｉｏｍｅｔｅｒ）を利用するものである。

小型チップ内にプリントされたコリオリの質量流量センサを有するデンシオメータは、燃料輸送システム内に配置される。耐久性のため、デンシオメータを燃料の温度と圧力が低い箇所に配置することが好ましい。燃料がデンシオメータを通ると、所与の温度に対する燃料の密度と、温度に対するその勾配が測定され、連続的に更新される。燃料密度の読み取り値に対応する正確な燃料温度を得るために少なくとも１つの温度センサも又、チップ上に設けられる。

超音波流量センサは、燃料がそこを流れて燃料ノズルからエンジン内へ排出されるよう、システム中に設けられる。超音波流量センサ内の圧電結晶により、音波が発生し、また、受信される。音波信号を解析することにより、超音波流量センサを通る燃料の流体速度と対応する体積流量の速度を計算することができる。少なくとも１つの温度センサを、音波信号を解析するときに超音波流量センサの内径の熱膨張率を修正するために超音波流量センサ上に設け、体積流量を質量流量に変換する。

デンシオメータからの密度と温度情報、及び、超音波流量センサからの体積流量と温度情報は、電子エンジン制御器（ＥＥＣ）に送信される。情報を用いることにより、超音波流量センサにおけるＥＥＣが燃料の密度を測定することができるため、燃料の真の質量流量を測定することができる。ＥＥＣは、次いで、この情報を、エンジンの健康を監視するために、全体かつ即時の燃料消費量を監視する、航空機システムに送信する。

従って、本発明は、燃料絞り弁、双回転タービン、線形可変容量変換器を排除し、なおかつ、エンジンの動作不備の有無を監視するための、バーナへの瞬間的な総計された質量流量を正確に測定する一方で、正確な質量流量情報を提供する、燃料計量装置を提供するものである。

本発明のこれら、並びにその他特徴は、以下の説明と図面とから最良に理解することができる。図面の簡単な説明は後述の通りである。

燃料輸送システム１０を図１に概略して示す。システム１０は、ガスタービンエンジン１２へ燃料の輸送に使用するのに好ましい。ブーストポンプシステム１４からの燃料は、燃料フィルタ１６を通過する。燃料は、燃料フィルタ１６から、超音波体積流量センサ１８を通って流れ、燃料ノズル２０からエンジン１２中へ排出される。超音波体積流量センサ１８の高温耐性能力により、本発明の実施態様に示されるように、超音波体積流量センサ１８を燃料ノズル２０の直前に配置することが可能である。しかしながら、体積流量情報を得るのに、超音波体積流量センサ１８のその他の配置を利用することも可能である。

燃料フィルタ１６と超音波体積流量センサ１８の間において、燃料の一部が、燃料ライン２６燃料の圧力を燃料ノズル２０の手前で調整するのに使用可能な圧力制御弁２４に向かって、方向付けられる。燃料ライン２６内の圧力を減少させることより、超音波体積流量センサ１８を通り、燃料ノズル２０から排出される流体の流量が減少する。また、反対に、燃料ライン２６の圧力を増大させると、超音波体積流量センサ１８を通り、燃料ノズル２０から排出される流体の流量が増大する。従って、圧力調整弁２４は、エンジン１２内への燃料の質量流量を調整するのに使用される。

過剰な燃料は、圧力調整弁２４によって迂回させて、その後その過剰な燃料を、システムを通って再び循環させるブーストシステム１４に戻すように流す。

さらに、燃料フィルタ１６を通過する燃料の一部は又、微細フィルタ２８も通過する。微細フィルタ２８からの燃料は、コリオリのデンシオメータ３０を通って流れ、次いで、ポンプ２２からの燃料と一緒になり、迂回ポートを通ってブーストポンプシステム14へ繰り返し戻る。最小圧遮断弁（ＭＰＳＯＶ）３１は、フィルタ１６と超音波体積流量センサ１８の間に配置される。ＭＰＳＯＶ３１は、圧力が高くなると開放してエンジンへの流れを可能にする。ＭＰＳＯＶ３１は又、燃料の流れを遮断して、エンジン１２への流れを停止させることができるように（図示しない）別個のソレノイドで制御される。

図２は超音波体積流量センサ１８の側面図である。流体は、第１の端部３２から超音波体積流量センサ１８に入り、第２の端部３６の近くの側壁３４を通ってそこから出る。圧電結晶３８を、超音波体積流量センサ１８に沿って配置する。図示するように、超音波体積流量センサ１８の側壁３４上に、９０度の間隔で２組の圧電結晶３８が配置されている。冗長性のため、圧電結晶３８の内の２つは音波を発生し、その一方で、残り２つの圧電結晶が音波を受信する。圧電結晶３８が受信した信号を解析することにより、超音波体積流量センサ１８を通る流体の速度と体積流量を計算することが可能である。圧電結晶３８は、超音波体積流量センサ１８を通る２つの直列する音速流路（ｓｏｎｉｃ ｆｌｏｗ ｐａｔｈｓ）４０を生じる。流路４０のうちの１つを図３に示す。代替的に、圧電結晶３８を、相対的な流路を有するように配置することもできる。

図３を参照すると、超音波体積流量センサ１８は、整流管４１などの整流器を利用することができる。少なくとも１つの温度センサ４２も、超音波体積流量センサ１８に設けることができる。その場合、図示するように、温度センサ４２と圧電結晶３８とは位相が異なる。温度センサ４２は、抵抗温度検知器（ＲＴＤ）であることが好ましい。その他の種類の温度センサも周知であり、使用可能である。図示する実施態様では、冗長性のために、２つの温度センサ４２がある（図４）。温度センサ４２で記録された温度は、体積流量に影響を与える超音波体積流量センサ１８の内径４４（図３）の熱膨張を修正し、かつ、デンシオメータ３０で測定された密度勾配に基づいて、局部的な燃料密度を計算するのに使用される。温度は、音波信号を解析するときに必要な調整を行うのに使用することができる。

図５と図６を参照すると、微小なコリオリのデンシオメータ３０の側面図と端面図（エンド・ビュー）が示されている。デンシオメータ３０は、小型回路チップ４８にプリントされたコリオリ型質量流量センサ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｓｅｎｓｏｒ）４６である。この型のデンシオメータ３０は周知である。許容可能なデンシオメータは、例えば、インテグレーテッド・センシング・システムズ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）のウェブページ、ＵＲＬ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｍｓ−ｉｓｓｙｓ．ｃｏｍ／から十分に確認可能である。デンシオメータ３０は、即時的な密度の読み取り値を提供するのに理想的である。燃料流がデンシオメータ３０を通る際、コリオリ型質量流量センサ４６により、燃料密度が測定される。少なくとも１つの温度センサ５０をコンピュータチップ４８上に設ける。温度センサ５０は、燃料密度の読み取り値に対応させるよう、燃料の正確な温度を得るのに使用される。整合した組み合わせを必要とすることなく、いずれの燃料システムでも使用できるように、コリオリ型質量流量センサ４６のキャリブレーションも又、コンピュータチップ４８に組み込まれる。当然ながら、その他の燃料密度計も使用可能である。

図１を再び参照すると、デンシオメータ３０からの密度と温度の情報が電子エンジン制御器（ＥＥＣ）５２に送信されることが示されている。ＥＥＣ５２は又、体積流量と温度の情報を超音波体積流量センサ１８から受信する。既知の材料の密度と温度とは相互に線形関係を有する。従って、ある温度における流体の密度がわかれば、他の温度における密度を計算することができる。これを利用することにより、ＥＥＣ５２は、超音波体積流量センサ１８の、その温度における燃料の密度、次いでデンシオメータ３０の温度と密度を測定することができる。超音波体積流量センサ１８における燃料の密度を計算するのにこの関係を用いることにより、デンシオメータ３０を超音波体積流量センサ１８から離れた場所に配置することができる。好ましくは、デンシオメータ３０を、燃料システム１０の高温にさらされない部分に配置する。図示したシステムでは、デンシオメータ３０は、微細燃料フィルタ２８とブーストシステム１４に戻る燃料流の間に配置されている。その他の配置も、翼タンクのブーストポンプ回路などの設計や用途に合わせて望み通りにすることができる。

超音波質量流量センサ１８において計算された密度を用い、かつ、体積流量情報を利用することにより、超音波体積流量センサ１８における、燃料の正確な質量流量を計算することができる。ＥＥＣ５２は、次に、この情報を、即時的な質量流量と総計された質量流量を監視するために航空機システムに送信する。

本発明の好ましい実施態様を開示してきたが、当業者であれば、本発明の範囲内における一定の変更は可能であることは認識するであろう。そのため、本発明の真の範囲と内容を確認するために、特許請求項の範囲を検討すべきである。

ガス駆動エンジンの燃料輸送システムの概略図。 流量容量を測定するための超音波センサの側面図。 流量容量を測定するための超音波センサの断面図。 温度センサと圧電結晶の配置を示す、流量容量を測定する超音波センサの端面図（エンド・ビュー）。 微小なコリオリ型デンシオメータの側面図。 微小なコリオリ型デンシオメータの端面図（エンド・ビュー）。

符号の説明

１０…燃料輸送システム
１２…ガスタービンエンジン
１４…ブーストポンプシステム
１６…燃料フィルタ
１８…超音波体積流量センサ
２０…燃料ノズル
２４…圧力調整弁
２６…燃料ライン
２８…微細フィルタ
３０…コリオリのデンシオメータ
３１…ＭＰＳＯＶ
３８…圧電結晶
４２…温度センサ
５２…ＥＥＣ（電子エンジン制御器）

Claims (14)

1. 体積流量センサと、
   上記体積流量センサから離れて配設される密度計と、
   を含み、
   前記体積流量センサと前記密度計のそれぞれが、温度を測定する温度センサを有するとともに、前記体積流量センサが超音波センサを備え、
   前記密度計で測定された流体の第１の温度と、第１の密度との関係を用いることにより、前記体積流量センサで測定された第２の温度における第２の密度を計算し、
   前記体積流量センサで測定された体積流量と、前記第２の密度とを用いることにより、前記体積流量センサにおける質量流量を計算することを特徴とする、流量計測装置。
2. 前記超音波センサが、燃料システム内の複数の燃料ノズルの上流においてその直前に配置されることを特徴とする、請求項１記載の流量計測装置。
3. 前記密度計が、燃料システム迂回ポートに近接して配置されることを特徴とする、請求項２記載の流量計測装置。
4. 前記流量計測装置を導入する燃料システムの背圧を調整するために、調整器が前記密度計と前記体積流量センサとに接続されることを特徴とする、請求項１記載の流量計測装置。
5. 前記密度計が回路チップに組み込まれていることを特徴とする、請求項１記載の流量計測装置。
6. 複数の燃料ノズルの上流に配置される体積流量センサと、
   前記体積流量センサから離間して設けられた密度計と、
   を備えた流量計測装置と、
   上記複数の燃料ノズルの上流における燃料の圧力を調整するために、上記体積流量センサと前記密度計とに接続される調整器と、
   を備えたエンジンの燃料システムであって、
   前記体積流量センサと前記密度計のそれぞれが、温度を測定する温度センサを有するとともに、前記体積流量センサが超音波センサを備え、
   前記密度計で測定された流体の第１の温度と、第１の密度との関係を用いることにより、前記体積流量センサで測定された第２の温度における第２の密度を計算し、
   前記体積流量センサで測定された体積流量と、前記第２の密度とを用いることにより、前記体積流量センサにおける質量流量を計算し、
   前記複数の燃料ノズルの上流における燃料の圧力が、前記質量流量に基づいて調節されることを特徴とする、エンジンの燃料システム。
7. 前記超音波センサが、前記複数の燃料ノズルの上流におけるその直前に配置されることを特徴とする、請求項６記載の燃料システム。
8. 前記密度計が、燃料システム迂回ポートに近接して配置されることを特徴とする、請求項６記載の燃料システム。
9. 前記密度計が、回路チップに組み込まれていることを特徴とする、請求項６記載の燃料システム。
10. 請求項１に記載の流量計測装置を備えたエンジンにおいて、
    密度計を用いて、燃料の第１の密度と第１の温度とを測定するステップと、
    体積流量センサを用いて、上記燃料の第２の温度と体積流量とを測定するステップと、
    前記密度計で測定された流体の第１の温度と、第１の密度との関係を用いることにより、前記体積流量センサで測定された第２の温度における第２の密度を計算するステップと、
    前記体積流量センサで測定された体積流量と、前記第２の密度とを用いることにより、前記体積流量センサにおける燃料の質量流量を計算するステップと、
    上記質量流量に基づいて、上記体積流量センサの上流における燃料システム内の圧力を調整するステップと、
    を含んでなることを特徴とする、エンジン内の流量の計測方法。
11. 前記体積流量センサが、燃料が複数の燃料ノズルに入る間の体積流量を測定することを特徴とする、請求項１０記載の方法。
12. 前記密度計が、前記体積流量センサから離れた箇所における燃料の温度と密度を測定することを特徴とする、請求項１０記載の方法。
13. 前記密度計が、燃料迂回ポートに近接する燃料の温度と密度を測定することを特徴とする、請求項１１記載の方法。
14. 前記密度計が回路チップに組み込まれていることを特徴とする、請求項１０記載の方法。