JP2014501875A - 航空機ガスタービンに使用される発電制御方法および該方法を実施する装置 - Google Patents

航空機ガスタービンに使用される発電制御方法および該方法を実施する装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、特に、遷移段階で電力の消費を低減して、作動線の十分に大きなサージマージン維持することによって、ガスタービンのガス発生器の加速効率を改善する方法に関する。そのために、本発明は、航空機の機内電気回路網の電圧を調整することによって、ガス発生器の加速/減速電力を増加させることを提案する。一実施形態では、ガスタービンの始動段階(50)後に、機内回路網(10)の電圧は、機内回路網(10)の主発電源(7)の無負荷/負荷(EDEL、ELES、ESTAB)状態を決定するステップ(100)によって制御される電圧設定値(CT)によって調整される。状態決定ステップ(100)は、航空機推進機構(41)に供給される電力の取り込み要求(PPKEL)に従って実行される。前記状態決定ステップの後に、無負荷/負荷状態の決定に従って複数のレベル(U、U、U)の中から、電圧設定値(CT)を選択するステップ(200)と、選択された設定値を機内回路網(10)に供給される電圧の制御ループ(15)に印加するステップ(300)とが行われる。

Description

本発明は、特に、加速と減速との遷移段階で、航空機ガスタービンに使用される発電制御方法に関する。本発明は、特に、該方法を実施することができるヘリコプタターボシャフトエンジンに適用できる。
本発明は、ガスタービン、特に、航空機(ヘリコプタ、航空機、他の飛行機械)のターボシャフトエンジン、ターボジェットエンジン、またはターボプロップの分野に関する。
航空機エンジンは、一般的には、ガス発生器を形成する圧縮機・燃焼室・タービンのアセンブリを備える。このガス発生器では、外気が圧縮機の回転によって圧縮されて燃焼室に送り込まれ、燃焼室で燃料と混合され、その後、燃焼後に、高温ガスが大きな運動エネルギーと共に排出されてタービン内で膨張され、タービンが高圧ドライブシャフト(HP)を介して圧縮機を駆動させるまたはHP本体を駆動させる回転エネルギーを取り出す。過剰の運動エネルギーは、飛行機の場合、排気ノズルを介して直接的に、またはヘリコプタの場合、(下流側は、ガス発生器の外側のシャフトを通ってまたは介して)ドライブシャフトに連結されているフリータービン内で新たに膨張させることで間接的に、のいずれかの形で航空機を移動させるエネルギーとなる。
ヘリコプタのターボシャフトエンジンの場合、このドライブシャフトによって伝えられたかなりの部分の機械エネルギーは、減速歯車装置を介して、より合理的には、アクセサリギアボックス(以降、AGBとする)を介してロータ駆動機構および消費機器(油圧ポンプ、電気機器、空調設備、ロータブレーキなど)に供給される。機械力のかなりの部分は、ガス発生器から直接取り込まれる(発電、客室暖房装置用の抽気など)。
ターボシャフトエンジンの始動段階で、バッテリによって供給される可逆電源(始動発電機(SG)とも呼ばれる)は、始動機モードでは、ガス発生器が自律的に作動するまで圧縮機を回転駆動するモータとして作動する。その後、遷移段階(離陸、着陸、ホバリング)または定常飛行中間段階(巡航、低い高度での捜索)で、SG電源はガス発生器から運動エネルギーを取り込んで、発電モードで作動して、機内電気回路網の電気消費機器(制御装置、空調設備、ポンプなど)に電力を供給する。
しかしながら、ガス発生器からエネルギーを抽出して機内回路網に供給するのは、作動線のサージマージンの点で不利であり、瞬時の機械力抽出が調整システムに認識されない場合にガス発生器の加速効率を大きく制限することになる。十分なサージマージンが維持されるように、圧縮機は最適な圧縮比の時点でそれ以上機能せず、効率は低下し、特に、燃料消費率が高くなる。これは、特に、ガス発生器の速度変化(dng/dt)によって制御されるエンジンで顕著である。さらに、加速減速要求が高くなるにつれて、フリータービンおよびロータ駆動機構の直後の速度変化が深刻な影響をもたらす可能性がある。
仏国特許第2929324号明細書により、SGソースをフリータービンと結合し、SGソースを始動段階後に発電機モードに切り替えることによって、電気エネルギーを回収する方法が周知である。この方法では、新しい機器、すなわち専用の切り替えフリップフロップを追加しなければならない。このような追加は、コストおよび質量に影響を与え、エンジン構造の変更が必要になる。
さらに、仏国特許第2914697号明細書には、ガス発生器に運動エネルギーを供給するために、バッテリによって電力供給される追加の電気モータを組み入れることで遷移段階を支援するシステムが記載されている。この方法には、いくつかの欠点がある。
仏国特許発明第2929324号明細書 仏国特許発明第2914697号明細書
本発明の目的は、特に、遷移段階でのガス発生器からの機械力抽出を低減して、さらに発電しなくても、または追加のセンサもしくはアクチュエータを使用しなくてもガス発生器の加速効率が得られる十分なサージマージンを維持することである。上述の目的を達成するために、本発明は、航空機の機内電気回路網の電圧を調整する設定値を調節することによってガス発生器の加速力/減速力を増加させることを提案する。
より正確には、本発明の目的は、航空機ガスタービンに使用される電気を発電して、ガスタービンの始動段階後に機内回路網に出力する方法である。この方法において、機内回路網の電圧は電圧設定値を使用して調整され、電圧設定値は、航空機の推進機構に供給される電力抽出要求に従って機内回路網の主発電源の無負荷/負荷状態を決定するステップと、その後に、無負荷/負荷状態の決定に応じて複数のレベルから電圧設定値を選択するステップ、および選択された設定値を機内回路網に供給される電圧を調整するループに印加するステップによって制御される。
特定の実施形態によれば、
機内回路網に電力を供給するために、主電源が無負荷状態の場合に電源は作動状態であるが、このバッファ電源は主電源が無負荷状態でない場合に再充電可能であり、
無負荷/負荷状態は、ガス発生器の速度変化および/または、ヘリコプタの場合、通常「コレクティブピッチ」と呼ばれるロータブレードの傾斜変化に応じて、3つの状態、すなわち、無負荷状態、負荷状態、および安定状態の中から決定され、
無負荷状態は、ガス発生器の速度変化が少なくとも単位時間当たり+2%〜+5%の上限値に等しい場合、および/または、ヘリコプタの場合、コレクティブピッチ変化が単位時間当たりコレクティブピッチのフルトラベルの+10%〜+30%の上限値より大きい場合に決定され、
負荷状態は、ガス発生器の速度変化が単位時間当たり−2%〜−5%の下限値以下である場合、および/またはコレクティブピッチ変化が単位時間当たりコレクティブピッチのフルトラベルの+10%〜+30%の上限値より小さい場合に決定され、
安定状態は、速度変化またはコレクティブピッチ変化が上限値と下限値との間の範囲内にある場合に決定され、
少なくとも3つのレベルの電圧の設定値は、前のステップで決定された無負荷/負荷/安定の3つの状態に応じて設定値を選択するステップで決定され、中レベルの設定値は、前のステップで安定状態が決定された場合または機内回路網の状態が不具合状態の場合に選択され、低レベルの設定値は、前のステップで無負荷状態が決定された場合に選択され、高レベルの設定値は、前のステップで負荷状態が決定された場合またはバッファ電源を再充電するために、特に、無負荷状態の時に加速段階に入るために安定状態が決定された場合に選択され、
各々の電圧設定値の選択は明確な飛行段階に対応しており、中レベルの電圧設定値は定常の中間の飛行段階に対応し、中レベルの設定値より大幅に低い無負荷電圧設定値は遷移段階の加速および離陸に対応し、中レベルの設定値より大幅に高い負荷電圧設定値は遷移段階の減速および着陸に対応し、
調整電圧設定値は、機内回路網の作動状態および/またはバッファ電源の充電に関するデータに従って調整され、
機内回路網の状態は、回路網の故障または不具合状態、または消費機器および補機の制御系の作動状態もしくは感度によって規定される。
本発明はさらに、上述の方法を実施可能なヘリコプタのターボシャフトエンジンに関する。このターボシャフトエンジンは、ガス発生器を含み、ガス発生器は、推進翼のロータ機構を駆動することができ、ガス発生器の運動エネルギー源または機内回路網への電気供給源となることができる可逆始動発電機と結合される。数値制御装置は、機内回路網の電圧を発生させる設定値を選択するモジュールを含む。このモジュールは、ガス発生器または始動発電機の速度を測定する装置、推進翼のコレクティブピッチの位置を測定する装置、および機内回路網の電圧を測定する装置に供給されるデータから電圧設定値を選択することができる。制御装置は、このように選択された電圧設定値を調整器と結合された調整ループを介して機内回路網に印加することができる。
本発明の他の態様、特徴、および利点は、添付図面を参照しながら特定の実施形態に関して説明する以下の非限定的な記述から明らかになるであろう。
本発明の方法を実施することができる手段が装着されたターボジェットエンジンの概略図である。 本発明の電圧調整機内回路網を使用した種々の飛行段階におけるターボジェットエンジンのガス発生器の時間に対応する速度変化の曲線の一例を示す図である。 本発明の方法の主なステップに従って実施される手段のブロック図の一例である。
図1の概略図を参照すると、本発明の一実施形態では、ヘリコプタターボシャフトエンジン「T」は、ガス発生器1と、始動段階後にガス発生器1によって供給される大きな運動エネルギーを有するガス流Fによって回転駆動されるフリータービン2とを含む。
フリータービン2は、速度を補機ギアボックス(AGB)と連動させることができるギアボックスに機械エネルギーを伝達するシャフト3に取り付けられる。このAGB4は、推進翼ロータの駆動機構41に機械力を伝達することができる。
これに対して、ガス発生器1は、機械構成部品(燃料ポンプなど)および電気構成部品(オルタネータ、始動機など)一式を駆動し、さらには、ますます「全電気式」の傾向があることから、油圧機器(ポンプなど)、機械設備(ロータブレーキなど)または空気圧装置(圧縮機、空調設備など)の制御系を駆動する。発電は、発電機モードSGの可逆モータ7を介して行われる。SGは可逆であるので、ガス発生器を駆動することで始動させることができ、その後、SGはフリーホイールなしでガス発生器シャフト13と機械的に接続される(以下で詳述する)ので、ガス発生器が自律的に作動すると電気エネルギーを供給することができる。
ガス発生器1は、回転シャフト13に取り付けられる圧縮機11およびタービン12と、圧縮機11とタービン12との間に形成される燃焼室14とを備える。ケーシング6に形成された空気取入口5から流入し圧縮機11を介して圧縮される空気流(矢印F1)は、燃焼室14に送られて燃料と混合され、燃焼によって運動ガス流Fを生成する。この流れFは、タービン12を通過すると同時に膨張し、それにより回転シャフト13を介して圧縮機11を回転駆動し、その後、フリータービン2を駆動することで、ドライブシャフト3を回転駆動する。
図1に示される機械エネルギーの伝達は、回転シャフト13と同一直線上にあるリバース貫通ドライブシャフト3を有する前方入口のギアボックスを使用するタイプである。あるいは、本発明の範囲から逸脱せずに、外側のリバースシャフトを有する前方入口ギアボックスまたは後方入口ギアボックスを使用してもよい。
ターボシャフトエンジン「T」はさらに、機内回路網10の消費機器および補機の電気制御系42に電力を供給するための発電機として動作することができる可逆電気モータ7を含む。この可逆電気モータは、始動発電源(SG)となる。同等物として、「ブラシ付き直流」タイプの始動発電機もしくはブラシレスの始動発電機、またはオルタネータ始動機を使用することも可能である。
モータ7は、始動段階でガス発生器1を回転駆動するためにシャフト13と結合される。どの飛行段階でも、SGはガス発生器に接続された状態であり、ガス発生器の速度に比例する速度で回転する。
さらに、始動時にSGに電力を供給するバッテリ、または補助バッテリ8、例えば、アキュムレータまたは超電導ストレージボビンを備えたバッテリが発電に関係する。このバッテリ8は、後述するように、発電モードの可逆モータ7が無負荷状態である時の加速段階で機内回路網10の電圧を下げないように十分な電気エネルギーを供給することができる。バッテリ8は、さらに、ガス発生器1のシャフト13を駆動するために、「モータ」モードでモータ7を始動させる始動段階でも使用される。
バッテリ8の短時間再充電は、減速段階、さらに後述するように、定常段階で、発電モードの可逆モータ7を使用して行われる。
種々の飛行段階に応じて機内回路網10の発電を制御するために、一般にFADEC(Full Authority Digital Engine Controller)と呼ばれる数値制御装置9は、機内回路網10に印加される電圧設定値を選択するモジュール19を含む。モジュール19は、種々の測定装置によって供給されるデータを受信し、数値制御装置9と協働してデータの時間変化、すなわちガス発生器の速度の測定値および変化N、およびロータのコレクティブピッチの位置XPC、さらに機内回路網10の実効電圧Uを計算して、確実に設定値の追跡を行う。
制御装置9は、飛行段階に応じて機内回路網を調整するための電圧設定値を提示する。この設定値は調整ループ15に送信されて、調整ループ15はSGによって供給される電力を制御し、実際には、ガス発生器から得られたトルクを制御することになる。
ヘリコプタの一連の飛行段階の一例が図2の飛行プロファイル20で示されており、時間「t」に対応するガス発生器速度Nで表されている。
加速段階「B」では、発電モードの可逆モータに用いられる抽出電力の割合は、必要電力に応じて、制御装置によって最小限に抑えられ、あるいはキャンセルされる。この時、可逆モータは推進翼ロータに電力を供給するために無負荷状態にある。この時、機内回路網の必要電力は、バッファバッテリによって賄われる。定常段階「A」、「C」、または「E」では、機内回路網の必要電力は可逆モータによって賄われる。
したがって、バッテリは、これらの定常段階で、特に、加速段階後の限られた期間で再充電可能である。減速段階「D」または着陸段階「F」では、発電モードの可逆モータに使用される抽出電力の割合は最大となり、バッテリも再充電可能である。
図3を参照して、上述の一連の飛行段階「A」〜「F」で機内回路網の発電を作動させる種々のステップを示したブロック図について説明する。これらのステップは、制御装置9がバッテリ8によって電力が供給されたモータ7を始動させる始動段階50の後に行われる。ガス発生器1は、自給的に作動するまで周知の始動方法に従って駆動される。この始動段階終了時に、制御装置9は可逆モータ7を発電モードに切り替える。
発電モードの可逆モータ7の無負荷/負荷状態を選択する第1ステップ100では、推進ロータに供給される電力抽出要求PPRELが飛行段階に応じて制御装置9によって決定される。
したがって、上述のターボシャフトエンジンに適用される例では、抽出要求PPRELは、センサ30からのガス発生器1の速度変化dN/dtおよびコレクティブピッチdXPC/dtに応じて、制御装置9によって選択モジュール19にデータ伝送することで決定される。データ伝送は、任意の適切な配線を使用して、または適した送受信アンテナ25(図1)を介した無線によって行われる。
発電モードのモータ7の状態を選択するステップ100は、dN/dtおよびdXPC/dtの基準値に応じて、3つの状態、つまり加速段階に対応する無負荷状態EDEL、減速段階に対応する負荷状態ELED、および定常段階に対応する安定状態ESTABの中から決定される。この例では、
無負荷状態EDELは、速度変化dN/dtが少なくとも単位時間当たり+3%に等しい場合、またはコレクティブピッチ変化dXPC/dtが単位時間当たりフルトラベルXPCの+20%より大きい場合に決定され、
負荷状態ELESは、速度変化dN/dtが−3%以下である場合、またはコレクティブピッチ変化dXPC/dtが単位時間当たり−20%未満である場合に決定され、
安定状態ESTABは、
−1%<dN/dt<+1%および−10%<dXPC/dt<+10%の場合に決定される。
これらの状態EDEL、ELES、およびESTABのそれぞれは、電圧設定値を選択するステップ200において、機内回路網に印加される3つの電圧設定値レベルU、U、U、つまり
ガス発生器の加速段階で無負荷状態EDELが決定された場合の低レベル設定値U(この例では+24V)、
専用の装置で監視される充電状態(SOC)に応じて限られた期間、例えば、数秒間でバッファバッテリを再充電するために、減速段階で負荷状態ELESが選択された場合、または安定状態ESTABが決定された場合、特に、加速段階の後の安定状態の時の高レベルの設定値U(この例では+30V)、および
前のステップで安定状態ESTABが決定された場合、または機内回路網に設置された専用のセンサによって、またはFADECによる供給電圧の読み取りによって回路網異常DON(Defects On Network)、つまり回路網障害、機内回路網、電気制御装置、高感度もしくは不良消耗機器などの状態が検出されて電圧選択ステップ200に送信された場合の中レベルの設定値U(この例では、+28V)
の中からモジュール19によって管理される電圧設定値レベルCTに対応する。
このようにして選択された電圧レベルCTは、印加ステップ300で、機内回路網10に印加される電圧を調整する調整ループ15の入力部に印加される。調整ループは調整器16と結合される。
電圧設定値CTと比較するためにループ15に取り込まれた機内回路網10の実効電圧Uが測定されて、制御装置9に送信される。主電源7の無負荷状態EDELが決定された場合、電圧はバッテリ8によって供給され、制御装置9は、この電圧が回路網に十分な電圧であるか否かを検証し、不十分である場合、少なくとも短期間の間、主電源の装荷が可能であるか否かを検証する。
本発明は、説明した例に限定されない。例えば、機内回路網の電圧設定値を発電機の種々の加速レベルまたは他の遷移段階(ホバリング飛行、海上での低高度の捜索など)に対応したサブレベルに細分化することで4つ以上のレベルの電圧設定値を規定することも可能である。さらに、複数の可逆主電源および/または複数の二次電源を使用することも可能である。

Claims (12)

  1. 航空機ガスタービン(T)に使用される発電および機内回路網(10)への出力を制御する方法であって、ガスタービン(T)の始動段階(50)後に、機内回路網(10)の電圧は、航空機の推進機構(41)に供給される電力抽出要求(PPREL)に従って機内回路網(10)の主発電源(7)の無負荷/負荷状態(EDEL、ELES、ESTAB)を決定するステップ(100)と、その後に、無負荷/負荷状態の決定に応じて複数のレベル(U、U、U)の中から電圧設定値(CT)を選択するステップ(200)と、選択された設定値を機内回路網(10)に供給される電圧を調整するループ(15)に印加するステップ(300)とによって制御された電圧設定値(CT)を使用して調整されることを特徴とする、方法。
  2. 機内回路網(10)に電力を供給するために、主電源(7)が無負荷状態(EDEL)の場合に電源(8)は作動状態であるが、このバッファ電源(8)は主電源(7)が無負荷状態でない(ELES、ESTAB)場合に再充電可能である、請求項1に記載の発電方法。
  3. 無負荷/負荷状態(100)が、ガス発生器の速度変化(dN/dt)および/または、ヘリコプタの場合、ロータブレードの傾斜のコレクティブピッチ変化(dXPC/dt)に応じて、3つの状態、すなわち、無負荷状態(EDEL)、負荷状態(ELES)、および安定状態(ESTAB)の中から決定される、請求項1または請求項2に記載の発電方法。
  4. 無負荷状態(EDEL)が、ガス発生器の速度変化(dN/dt)が少なくとも単位時間当たり+2%〜+5%の上限値に等しい場合、および/または、ヘリコプタの場合、コレクティブピッチ変化(dXPC/dt)が単位時間当たりフルトラベルの+10%〜+30%の上限値より大きい場合に決定される、請求項3に記載の発電方法。
  5. 負荷状態(ELES)が、ガス発生器の速度変化(dN/dt)が単位時間当たり−2%〜−5%の下限値以下である場合、および/またはコレクティブピッチ変化(dXPC/dt)が単位時間当たりコレクティブピッチのフルトラベルの+10%〜+30%の上限値より小さい場合に決定される、請求項3に記載の発電方法。
  6. 安定状態(ESTAB)が、速度変化またはコレクティブピッチ変化が請求項4および請求項5で規定される上限値と下限値との間の範囲内にある場合に決定される、請求項3に記載の発電方法。
  7. 少なくとも3つのレベル(U、U、U)の電圧の設定値(CT)が、前のステップ(100)で決定された無負荷/負荷/安定の3つの状態(EDEL、ELES、ESTAB)に対して設定値を選択するステップ(200)で決定され、中レベルの設定値(U)は、前のステップ(100)で安定状態(ESTAB)が決定された場合または機内回路網(10)の状態が不具合状態(SOC、DDON)の場合に選択され、低レベルの設定値(U)は、前のステップ(100)で無負荷状態(EDEL)が決定された場合に選択され、高レベルの設定値(U)は、前のステップ(100)で負荷状態(ELES)が決定された場合またはバッファ電源(8)を再充電するために、特に、無負荷状態(EDEL)の時にガス発生器(1)の加速段階に入るために安定状態(ESTAB)が決定された場合に選択される、請求項1に記載の発電方法。
  8. 機内回路網(10)に印加される電圧設定値(CT)が、機内回路網の作動状態(DDON)および/またはバッファ電源の充電状態(SOC)に従って調整される、請求項7に記載の発電方法。
  9. 機内回路網の状態(DON)が、回路網(10)の故障または不具合状態、または消費機器および補機の制御系(42)の作動状態もしくは感度によって規定される、請求項8に記載の発電方法。
  10. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法を実施可能なヘリコプタターボシャフトエンジン(T)にして、可逆始動発電機(7)と、推進翼ロータ機構(41)を駆動することができガス発生器(7)に電気エネルギー源を供給することができる始動発電機(7)と結合されるガス発生器(1)と、ガス発生器(1)または始動発電機(7)の速度(N)を測定する装置と、始動発電機(7)によって電力が供給される機内回路網(10)と、数値制御装置(9)とを備えるヘリコプタターボシャフトエンジンであって、制御装置(9)は、機内回路網(10)の電圧設定値を選択するモジュール(19)と、調整器(16)と結合される調整ループ(15)とを含み、このモジュール(19)は、速度(N)を測定する装置、推進翼のコレクティブピッチ(XPC)の位置を測定する装置、および機内回路網(10)の電圧(U)を測定する装置によって供給されるデータから電圧設定値(CT)を選択することができること、および制御装置(9)は、このように選択された電圧設定値(CT)を調整ループ(15)を介して機内回路網(10)に印加することができることを特徴とする、ヘリコプタターボシャフトエンジン。
  11. バッファバッテリ(8)が、少なくとも始動発電機(7)の無負荷状態(EDEL)の時に機内回路網(10)の発電を行うために始動発電機(7)の代わりに機能することができる、請求項10に記載のヘリコプタターボシャフトエンジン。
  12. バッテリ(8)の充電状態(SOC)を監視することができる装置およびセンサが、特に電気制御系(42)、回路網の異常(DON)を検出することができる、請求項11に記載のヘリコプタターボシャフトエンジン。
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