JPH03504408A - ガスタービンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 圧縮機の可変ジオメトリ−を制御する方法及び装置発明の分野 本発明は、ガス圧縮機に於ける可変ピッチステータベーン及び可変バイパスブリ ード弁の位置を制御する方法及び装置に係る。

背景 例えば航空機用ガスタービンエンジンに使用される圧縮機の如き多段ガス圧縮機 は、変化する負荷、回転速度、流入圧力及び流出圧力、質量流量等の如き広範囲 の条件に亘り運転されることが多く、効率的且安定的な運転を確保するためには 上述の如き広範囲の条件が受は入れられなければならない。

圧縮機の設計に於て重要な点は、圧縮機を期待される運転環境に於て機能させる ためには種々の構造上、運転上、及び他の設計上の妥協が必要であるということ である。航空機用のガスタービンエンジンに於ては最も苛酷な設計上の妥協の幾 つかが必要であり、エンジンは始動、地上アイドル、飛行アイドル、離陸時のフ ル推力、巡航推力、及び航空機の運転中に必要な種々の中間出力レベルを達成し 得ることが必要である。航空機が海面レベルより巡航高度へ上昇するにつれて周 囲空気の圧力及び温度も変化し、たとえ−瞬であっても圧縮機の失速又は他の運 転状態の不安定が生じることは非常に好ましくない。

現代のターボファンガスタービンエンジンに於ては、一般にツインスプール圧縮 機の構造が採用されており、複数個の個々のロータ段を有する低圧圧縮機が流入 空気圧を部分的に増大し、第二の多段高圧圧縮機が必要な残りの圧力上昇を達成 するようになっている。これら二つの圧縮機はそれぞれ別の軸を回転軸として回 転するが、高圧圧縮機がその上流側の低圧圧縮機より圧縮空気を受け、また高圧 圧縮機の軸を回転駆動するタービンセクションより排出される空気が低圧圧縮機 の軸を回転駆動する下流側の低圧タービンセクションにより受けられるという点 に於て、互いに密に関連している。

上述の広範囲の運転条件下にて機能するツインスプール型のエンジンが従来より 製造されているが、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間の空気流量のずれ（好ましか らざる圧縮機の失速状態を惹起すことがある）を防止するために、運転条件によ っては圧縮機よりの圧縮空気の一部を逸らし、それを圧縮機を迂回して導くこと が好ましいことが判った。

また高性能及び低燃料消費量が追及されることにより可変ジオメトリ−の圧縮機 が開発された。この種の圧縮機に於ては、多段圧縮機のロータ段の間に配置され た複数個のステータ段が圧縮機の運転中に外部駆動機構によって位置決めされる ようになっている。

高圧又は低圧圧縮機内の可変ピッチステータベーンは、一般に、個々のベーンに 固定された外部一体リング及びクランクリンク機構を含んでおり、このリンク機 構は一つのベーン膜内の全てのベーンを回動軸線の周りに同時に回動させ、これ により各ベーンの仰角を変化させると共に互いに隣接するベーンの間に形成され 圧縮空気が流れるノズルの流路面積を変化させるようになっている。ステータベ ーンの位置、従って各ベーンの仰角及び各ベーン段のノズルの流路面積を適宜に 変化させることにより、エンジンの正常な運転状態と失速発生状態との間の安全 マージンを犠牲にすることなく広範囲の体積流量について圧縮機をより一層効率 的に運転させることができる。

従ってエンジンを信頼性よく効率的に運転させるためには可変ピッチステータベ ーンの制御及び位置決めが最も重要である。従来の制御方法に於ては、対応する 圧縮機ロータの回転速度の関数として個々のステータベーン段の所望の位置がス ケジュール制御される。これらの位置は一般に対応する定常状態に於ける運転点 に設定され、従って負荷が過渡的に変化する状態や他の変化する運転条件下に於 ては成る程度の修正が必要である。一般にステータベーンのノズル面積を低減す ると失速発生条件に対する圧縮機全体としての安全マージンが増大するが、これ と同時に圧縮機全体の運転効率及び空気流量が低下する。従来の装置に於ては、 十分な失速に対する安全マージン及び圧縮機の効率の両方を維持しようとすれば 、エンジンの運転状態が過渡状態になると定常状態に於けるベーン位置決め信号 に対し複雑な修正係数を掛ける必要がある。

航空機用ガスタービンエンジンの運転に対する上述の如き複雑な因子の影響の一 つは、例えば飛行アイドルより離陸時の推力までの加速やこの逆の減速時の如く 、急激なスロットル位置の変化に対する応答時間が長くなるということである。

かかる極端な過渡状態に於ても圧縮機の十分な安全マージンが失われることがな いよう、従来の燃料制御装置に於てはエンジン及び制御装置の応答性を低下させ てステータベーンの制御がエンジンの性能により一層正確に追従するようにした り、過渡時により大きい安全マージンが得られるよう運転線を下方へ変位させて 定常状態に於ける性能を犠牲にすることが行われるようになっている。

かくしてエンジンの応答時間が長くされてしまうことに加えて、従来の装置に於 ては個々のベーンを位置決めするリンク機構の摩耗や損傷に起因して機能低下が 生じ易い。

従来の装置はスケジュールにより駆動されるオーブンループ型の制御装置である ので、個々のベーンを開閉するリンク機構に摩耗や機械的バックラッシュが生じ ると、ベーンの位置が所望の仰角より±２度又はそれ以上ずれることがある。か かるずれは位置決めアクチュエータの不正確さに起因して全体的に生じ、また個 々のベーンの位置決めクランク等に於けるバックラッシュに起因して局部的に生 じる。

勿論これらの不正確さはリンク機構の摩耗が進行するにつれて増大し、圧縮機の 運転状態は状況によっては失速条件により一層近づく。従ってかかる悪化が許容 されるよう設計に際しては定常状態に於ける性能が犠牲にされざるを得ない。

従って当技術分野に於て必要とされているものは、フィードバック制御ループに より圧縮機の性能を監視し、これによりベーン位置の誤差を判定すると共に、ベ ーンのずれを集合的に適正に補正すべく必要に応じてベーン位置決め信号を修正 するよう構成されたベーン位置決め方法及び装置である。

発明の概要 従って本発明の一つの目的は、回転圧縮機等に於ける可変ピッチステータベーン の少なくとも一つの段の位置を制御する制御装置及び方法を提供することである 。

本発明の一つの目的は、圧縮機の負荷の急激な過渡変化を受は入れることのでき る制御装置及び方法を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、ステータベーンの位置若しくは可変流量バイパ ス弁の位置を適正に調節し得るよう性能を監視する補正フィードバックループを 有する制御装置及び方法を提供することである。

本発明によれば、低圧圧縮機のステータベーン及び回転圧縮機の可変流量バイパ スブリード弁が制御されることにより圧縮機のガス流量及び圧力比が所定の運転 線上に維持される。運転線上の各点は、例えば圧縮機のロータ速度、周囲ガスの 圧力、圧縮機の圧力比、ガスの体積流量の如きエンジンの複数の運転パラメータ に対応している。

本発明の装置及び方法に於ては、上述の如きエンジン運転パラメータや性能パラ メータの少なくとも一つが検出され、圧縮機の運転線により郭定される複数の点 より現在の好ましい運転点が選定される。選定された点に対応する圧縮機の好ま しい圧力比、即ち基準圧力比が圧縮機の現在の実際の圧力比と比較され、好まし い圧力比と現在の圧力比との間の偏差に応答してベーン段のノズル面積又はバイ パス比を増減すべく、必要に応じてステータベーンの位置若しくはバイパス弁の 位置が調節される。

ロータ速度との関連で定常状態のベーン位置又はバイパス弁位置をスケジュール 制御する従来のステータベーン及びバイパス弁制御方法とは異り、本発明の方法 及び装置に於ては、現在の運転パラメータに応答して圧縮機の好ましい圧力比を 設定すべく、必要に応じてベーン及びバイパス弁が位置決めされる。この利点は 圧縮機の過渡応答について考えることにより容易に理解される。ロータ速度のみ の関数としてベーンの位置を設定する従来の方法に於ては、圧縮機の運転状態が 非効率的になったり圧縮機に失速状態が生じたりすることがあるが、本発明の方 法及び装置に於ては、圧縮機の運転状態が所定の運転線に沿う状態に維持される ようベーンの位置若しくはバイパス弁の位置が調節される。

本発明の装置及び方法のこれらの目的及び利点や他の目的及び利点はこれ以降の 説明、請求の範囲、図面を参照することにより明らかとなるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は可変ジオメトリ−の低圧軸流圧縮機及び流量可変の圧縮機間バイパス弁 を有する高バイパスターボファンガスタービンエンジンの断面を示している。

第２図はツインスプール式軸流ガスタービンエンジンの低圧圧縮機の圧縮機性能 マツプを示している。

第３図は本発明の制御装置及び方法と共に低圧圧縮機の性能を示している。

第４図は本発明による制御装置を示している。

第４Ａ図は低圧圧縮機の目標の圧力比と圧縮機全体の圧力比との間の関係を示し ている。

第５図は従来のベーン位置決め制御装置を示している。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図は低圧圧縮機１４により駆動される第一の低速軸１２と、該低速軸により 駆動される前端ファン１６とを有するガスタービンエンジン１０を示している。

ファン１６は歯車により駆動されダクト内に配置された定ピツチ又は可変ピッチ ファン、ダクト外に配置された可変ピッチプロペラ等であってもよい。また低速 軸１２は軸流低圧圧縮機１８を駆動し、該圧縮機は流入空気２０を受け、符号２ ２にて示された位置に於て中間圧力に圧縮された空気の環状の流れを排出する。

またエンジン１０は低圧圧縮機１８と同軸に配置され高圧タービン２６により駆 動される高速ロータ軸２４を含んでおり、タービン２６は高圧圧縮機２８を駆動 するようになっている。高圧圧縮機２８は低圧圧縮機１８の出口２２より中間圧 力に圧縮された空気を受け、エンジンの燃焼器３２のすぐ上流側の出口３０に於 て高圧に圧縮された空気の流れを排出するようになっている。

低圧圧縮機１８は該圧縮機内の個々のベーン段の各ベーンの仰角を変化させるこ とによって各ベーン段の流量面積を変化させるジオメトリ−変化部３４を含んで いる。またエンジンの低出力時に低圧圧縮機のジオメトリ−変化部３４が機械的 又は空気力学的下限に到達すると低圧圧縮機１８より高圧圧縮機２８へ流れる空 気の流量を更に低減するバイパスダクト２５及び流量可変のバイパス弁、即ちブ リード弁１２５が設けられている。低圧圧縮機の排出空気の一部を流出させるこ とにより、流量可変のバイパスダクト２５は低圧圧縮機のジオメトリ−変化部３ ４と同様の機能を果すが、この場合にはエンジンの全体として効率が低下する。

高圧圧縮機２８にもこれと同様の装置（図示せず）が設けられてもよい。例えば 米国特許第４，２７９，５６８号及び同第４．７５５，１０４号公報に記載され ている如く、第１図に示されている如きバイパス式ターボファンガスタービンエ ンジン１０の一般的な構造及び圧縮機のジオメトリ−を変化させるリンク機構等 はガスタービンエンジンの技術分野に於てよく知られている。ファン１６は低速 軸１２、従って低圧圧縮機１８の速度を成る範囲に制限する。成る限られた速度 範囲内にて作動するファン１６を有するエンジン構造に於てその負荷が変化する と、圧縮機１８．２８及びタービン１４．２６を流れる空気流を変化させたり、 それらのバランスをとるために低圧圧縮機のジオメトリ−やブリード弁の位置を 変化させることが必要である。低圧圧縮機のジオメトリ−変化部３４やブリード 弁１２５の制御は従来技術の欄に於て説明した従来の装置の如く低圧圧縮機の速 度に依存することなく行われなければならない。

本発明による制御装置及び方法を説明するに先立ち、後に詳細に説明する基準点 及び量を定義する必要がある。圧力及び温度が以下の記号により特定されるエン ジン内の幾つかの点に於て検出される。

Ｐ　Ｔ　２は低圧圧縮機の入口面８に於ける全体空気圧を示している。

Ｐ　Ｔ　２　、　ｓは低圧圧縮機の出口２２、従って高圧圧縮機２８の入口に於 ける全体空気圧を示している。

ＰＴ３は高圧圧縮機２８の出口３０に於ける全体空気圧を示している。この圧力 は燃焼器３２に於ける入口圧力Ｐｂに等しい。

ＴＴは例えばＴＴ　　　ＴＴ　　　、ＴＴ３の如く成る与え２　ゝ　　　　２， ５ られた位置に於ける全体温度を表している。

本明細書に於ける全体圧力及び全体温度は流れ抵抗のある物体のリーディングエ ツジ上の停滞点に於て測定された流動する空気流の停滞圧力及び温度として定義 される。

本明細書に於ては、高速ロータ２４及び低速ロータ１２の回転速度はそれぞれ補 正されたロータ速度を表すＮＨｏ０汀及びＮＬｏｏｒｒにて表される。補正され たロータ速度は、ｒｐｍの単位にて測定された高速ロータ速度及び低速ロータ速 度を、成る基準日の周囲空気の絶対温度５１９Ｒ（２８８Ｋ）に対する対応する 圧縮機−Ｎ流入する空気の絶対全体温度の比の平方根にて除算した値に等しい。

また圧縮機の対応する段を流れるガスの補正された重量流量を表すＷ　Ｌ　ｃｏ ｒｒ及びＷ　Ｈｃｏｒｒは、基準日の温度に対する圧縮機入口に於ける全体空気 温度の比の平方根を圧縮機の入口に於ける実際のガス重量流量に乗算し、その値 を基準日の大気圧２９．　９２ｉｎＨｇ　（７６０ｓｎ）Ｉｇ）に対する対応す る圧縮機入口に於て測定された全体空気圧の比により除算することにより演算さ れる。

これらの補正された重量流量及びロータ速度を使用することにより、低圧圧縮機 １８について第２図及び第３図に示されている如き適正な圧縮機性能マツプが形 成される。

これらのマツプは種々の運転条件下に於ける圧縮機の性能を予測する点に於て有 用であるだけでなく、本発明による制御装置及び方法の場合には低圧圧縮機につ いて目標圧力比を選定するためにも使用される。

第２図は低圧圧縮機の圧力比ＰＴ２．５／ＰＴ２を縦軸にとり、低圧圧縮機の補 正された重量流量ＷＬ　　　を横軸にｃｏｒｒ とって示すグラフである。最も上側の線（サージ線）４０は個々のブレード又は 全ての段のブレードが失速するサージ領域４２の下限値を示している。従って低 圧圧縮機は常に少なくとも成る適当な安全マージン分だけサージ線よりも低い領 域に於て運転されなければならない。直線４４ａ１４４ｂ　、４４ｃ　、４４ｄ 　、４４ｅは低圧圧縮機の一定の補正されたロータ速度ＮＬ　　　の線を示して おり、補正されｃｏｒｒ たロータ速度が増大するにつれて線４４ａより線４４ｅへ向けて変化する。

線４６は低圧圧縮機の所定の運転線を示しており、この運転線は成る好ましい補 正された質量流量についての複数の好ましい運転点を含んでいる。運転線は各点 とサージ線４０との間のサージ安全マージンを考慮するだけでなく、エンジンの 運転効率（このマツプ上には図示されてない）を考慮することにより選定される 。エンジンの運転効率は広範囲の種々の変量の関数であるが、本願に於てはエン ジンの運転点が運転線４６より下方へ離れるにつれてエンジンの運転効率が低下 することが理解されれば十分である。

従って運転線４６はサージ線４０に対するサージ安全マージンが減少することと 低圧圧縮機を低い効率の領域にて運転することとの間のバランスにより定まる線 である。

第２図に示された線４０及び４６は海面レベルに於て求められたものであり、圧 縮機やエンジンが運転される高度が高くなるにつれて変位する。かかる変位は周 囲の圧力が低下するにつれて線４０ａ、４０ｂ・・・の如くサージ線４０を低下 させる方向である。

また第２図には、加速（４８）及び減速（５０）中に従来のステータベーン位置 決め装置により制御される低圧圧縮機の経路が図示されている。第２図より解る 如く、低圧圧縮機に於ては、加速線４８は圧縮機を流れる空気の質量流量が増大 するにつれて好ましい運転線４６の下方に下がり、質量流量が減少し圧縮機の性 能が減速経路５０に沿って変化する際には好ましい運転線４６の上方に変位する 。

圧縮機はそれが成る特定のロータ速度にて定常運転されている場合には、好まし い運転線４６上にて作動する。

好ましい運転線４６よりの加速線４８及び減速線５０のずれは、高圧圧縮機２８ の必要空気流量と低圧圧縮機１８の速度−流量特性との間に過渡的なずれが生じ ることにより発生する。主要な制御人力として低圧圧縮機のロータ速度ＮＬ　　 　を使用する従来のジオメトリ−制御装置は、過ｏｒｒ 渡運転中にベーンの仰角やバイパス弁の流量を制御するのには不適当である。従 って低圧圧縮機の性能は第２図に示された好ましい運転線４６より逸れることに なる。

第３図は第２図と同様低圧圧縮機１８の運転特性を示しており、本発明の装置及 び方法の作動を説明するために使用される。特に第３図は低圧圧縮機の圧力比Ｐ Ｔ２．５／ＰＴ２を縦軸にとり、低圧圧縮機の補正された質量流量ＷＬｃｏｒｒ 　ＣＷＪ７５／δ、２）を横軸にとって示すグラフである。

また第３図にはサージ線４０、サージ領域４２、目標運転線４６、一連の定速曲 線４５．４５ａ、４５ｂ　（成る特定のロータ速度に於て低圧圧縮機の圧力比Ｐ Ｔ２．５／ＰＴ２が変化することにより低圧圧縮機の補正された質量流ＪｉＷＬ 　　が変化することを示している）も図示されている。

ｃｏｒｒ 特に曲線４５は可変ピッチステータベーンが定常運転位置にある場合に於ける圧 縮機の性能を示しており、曲線４５ａはベーンが徐々に閉じられる場合の圧縮機 の性能を示しており、曲線４５ｂは定常運転位置４５に対しベーンが徐々に開か れる場合に於ける圧縮機の性能を示している。

下流側に位置する高圧圧縮機２８の必要流量が曲線４７．４７ａ、４７ｂにより 示されており、特に曲線４７は定常状態を示し、曲線４７ａは加速状態、即ち負 荷が増大する過渡変化状態を示しており、曲線４７ｂは減速状態、即ち負荷が減 少する過渡変化状態を示している。かくしてステータベーンの位置が補正される ことなくガスタービンエンジン１０がその定常運転点４９より加速されると、運 転点は低圧圧縮機の一定ロータ速度線４５に沿って点５３へ変位する。逆に補正 されない減速が行われると、エンジンの運転点は点５１及びサージ線４０へ向け て変位する。

本発明の制御装置及び方法によれば、エンジンの性能が検出され、圧縮機の可変 ピッチベーン３８若しくはバイパス弁１２５を操作してエンジンの現在の運転点 を好ましい運転線４６上に維持することによりかかる過渡変化が生じることか回 避される。過渡的加速に対するかかる制御の効果は、過渡時に低圧圧縮機のステ ータベーン３６が開かれ、定速線が線４５ｂの側へ変位されて高圧圧縮機の加速 線４７ａが点５４に於て目標運転線４６と交差するようにされることである。同 様に低圧圧縮機のベーン３６を閉じることにより減速が適正に制御されると、高 圧圧縮機の必要流量の曲線４７ｂ及び低圧圧縮機の定速曲線４５ａは運転線４６ 上の点５２に於て交差する。

圧縮機のジオメトリ−の上述の如き制御は、本発明の方法及び装置によれば、エ ンジンの現在の幾つかの運転パラメータ、特にＰＴ　　　ＰＴ　　　、ＰＴ３を 検出し、検出さ２　ゝ　　　　２，５ れたパラメータに基き目標基準値を演算し、検出されたパラメータと演算された 基準値との間の偏差がなくなるよう圧縮機のジオメトリ−を修正することにより 達成される。

ジオメトリ−可変の低圧圧縮機に於ては、検出されるパラメータは圧縮機全体の 圧力比ＰＴ　／ＰＴ２及び低圧圧縮機の圧力比ＰＴ２．５／ＰＴ２である。本発 明の方法に於ては、圧縮機全体の現在の実際の圧力比ＰＴ　／ＰＴ２に基き圧力 比ＰＴ、５／ＰＴ２の基準値が求められ、この基準値は本発明の方法及び装置に より圧縮機のジオメトリ−を以下の如く操作するための制御点として使用される 。

本発明の装置を詳細に説明する前に、圧縮機全体の圧力比ＰＴ　／ＰＴ２と圧縮 機の目標圧力比との間の関係について説明する。

高圧タービン２６の入口に於けるエンジン作動流体の流量は一般に極超音速の領 域になり、従って「絞られた流れ」となる。絞られた流れは下記の式により表さ れる。

ここに　Ｗ４−作動流体の質量流量 （ｌ　ｂ　／　５ｅｅ（Ｘ　４５４　ｇ／５ｅｅ））ＴＴ４−作動流体の全体温 度 ＰＴ４−作動流体の全体圧力 八　　−タービン入口の流路面積 に１一定数 ガスタービンエンジン及び圧縮性ガス流の当業者には理解され得る如く、関係を 単純化するために以下の近似が採用されてよい。

Ｗ４中Ｗ３　燃焼機の出口に於ける作動流体の質量流量高圧圧縮機に於ける空気 の流量にほぼ等しく、燃焼される燃料の質量を無視することができる。

ＰＴ　　キＰＴ　　　　タービンの入口に於ける圧力は高圧機の出口の圧力に常 に近い値であり、燃焼器３２に於ける圧力降下を無視することができる。

式を書き直しＰＴ　／ＰＴ２を乗算することにより下記の式が得られる。

尚に２は組合された定数である。

第２図及び第３図に於て ＷＬ　　−（Ｗ２ＪＴ丁）／δ１□　　　　　（式３）であり、単純化された式 ２ を比較し、定常状態に於けるＴＴ　　はＰＴ３の良好な関数であることを考慮す ると、低圧圧縮機の運転線４６に沿う圧力比はＰＴ　　／ＰＴ、、のみの関数で あると近似することができる。従って第４Ａ図は第１図及び第２図の定常状態の 運転線４６に沿うＰＴ　　　／ＰＴ　　とＰＴ３／ＰＴ２と２．５　　　　　２ の間の関数関係４６′を示している。

本発明の装置及び方法に於ては、低圧圧縮機のベーンの仰角若しくはブリード弁 の流量を制御し、これにより過渡運転中に低圧圧縮機の圧力比を運転線４６に沿 う位置に維持するための基準値Ｐ　Ｔ　　　／　Ｐ　Ｔ　２ｒｏｒとして低圧圧 縮機２．５ の目標圧力比の上述の近似値が使用される。第１図の過渡変化を回避することの 効果は明らかである。まず第一に、サージ領域４２へ侵入することを回避するた めに従来の装置に於て採用されているクランピングや他の拘束を行うことなく過 渡的な加速がより一層迅速に達成される。第二に、また最も重要なことには、運 転線４６は好ましからざるサージや失速の状態が生じることなくサージ線４０に より一層近い位置に設定される。従って効率及び出力に関するエンジン全体とし ての運転状態が改善される。

ステータベーンの位置決めを行うために補正されたロータ速度のみを使用する従 来の圧縮機ジオメトリ−制御装置はベーンのノズル面積を増大させ、従ってサー ジ安全マージンを回復するに十分なほど迅速に応答することができない。これら 従来の装置に於ては、過渡的現象を予測しステータベーンの応答性を迅速化する ために種々の予測制御関数が使用されることが多いが、かかる予測制御の有効性 は制御装置の安定性を確保する必要から制限される。従ってエンジンの運転状態 を安定化し、運転点がサージ線４０．４０′に近づくことを回避するために、エ ンジンの燃料流量の変化速度を低減し、従ってエンジンの迅速なスロットルの運 動に対するエンジン及び圧縮機の応答性を低下させる種々の方法が採用されてい る。

これに対し本発明に於ては、前述の如く、可変ピッチステータベーン役向の各ス テータベーンの間のノズル面積を低減することにより、低圧圧縮機１８の運転点 とサージ線４０との間の安全マージンが増大され、これにより高圧圧縮機の迅速 な減速が可能にされる。同様にベーンのノズル面積を増大させることにより、低 圧圧縮機の成る与えられた補正されたロータ速度に於ける圧力比及び空気流量が 増大され、これにより高圧圧縮機の迅速な加速が可能にされる。

また本発明の装置及び方法によれば、可変ピッチステータベーン段が可能な限り 閉じられる低推力レベルにて運転されている場合に於てエンジンの失速安全マー ジンを維持するために必要に応じて圧縮機間に配置されたブリード弁又は他のブ リード弁が制御される。かかる油気は圧縮機の空気流の一部を外へ逸らし、これ により圧縮機全体として圧力比を低下させることにより機能する。かかる抽気は 可変ピッチステータベーンのノズルの流路面積を成る最小値以下に低減すること が機械的に不可能になった場合に必要となる。

第５図は実質的にオーブンループ型の比例制御装置である従来のベーン制御装置 を示しており、この制御装置に於ては低圧圧縮機の補正されたロータ速度を示す 第一の信号５２は及び高圧圧縮機の補正されたロータ速度を示す第二の信号５４ が予め設定されたスケジュール５６と比較される。入力値５２．５４に基き、ス ケジュール５６はベーン段を位置決めするベーンアクチュエータ及びリンク機構 （図示せず）へ導かれるベーン位置決め信号５８を発生する。前述の如くかかる オーブンループ型の制御装置は、スケジュール５６が現在の最適の位置を示して いる限りに於てのみ、またアクチュエータ及びリンク機構（図示せず）が位置決 め信号５８により示された位置決めを機械的にまた空気力学的に達成し得る限り に於てのみ正確にステータベーンを位置決めすることができる。

第４図は本発明による装置を示しており、この装置は機械的リンク機構に於ける 欠点に拘らず正確にベーンを集合的に位置決めし、また過渡運転時や他の非定常 運転時に圧縮機の運転点を運転線上に設定するようベーン位置決め信号を修正す るフィードバック制御ループを含んでいる。

本発明によれば、本発明の装置及び方法に於ては、第１図のエンジン１０内の点 ８．２２．３０に於て低圧圧縮機の入口圧力ＰＴ２　　（信号６８）、低圧圧縮 機の入口圧力Ｐ”２．５　　（信号６９）、高圧圧縮機の出口圧力（信号６０） が検出される。第４図に示された信号６１により表される圧縮機全体の圧力比Ｐ Ｔ　　／ＰＴ２が低圧圧縮機の補正されたロータ速度ＮＬ　　　（信号６４）と 共に運転線スケグｏｒｒ ニールブロック６２へ入力される。スケジュールロブロック６２内の曲線は実質 的に第３図に示された運転線と同様であり、スケジュールブロック６２は現在の 圧縮機全体の圧力比及びロータ速度に於ける運転線４６上の点に対応する低圧圧 縮機の好ましい圧力比ＰＴ／ＰＴ２ｒ８ｆを示す２．５ 出力信号６６を発生する。出力信号Ｐ　Ｔ　２　、５　／　Ｐ　Ｔ　、８ｒ（信 号６６）を現在のエンジン運転高度に適合させるべく、高度補正信号１００がス ケジュールブロック６２により随意に使用されてよく、或いはゲインブロック（ 図示せず）により独立に使用されてもよい。

圧縮機の出口圧力Ｐ　Ｔ２．５　　（信号６９）が割算器ブロック７１により人 口圧力信号６８と組合され、これにより現在の低圧圧縮機の圧力比ＰＴ２．５／ ＰＴ、。１を示す信号７２が発生される。ＰＩ３．５／ＰＴ２ｒｅｒ（信号６６ ）とＰＩ３．５　”　Ｔ２ａｃｔ　（信号７２）との間の偏差が加算器ブロック ７４により求められ、誤差信号ＰＲ（信号７６）にｒｒ より表される。誤差信号７６は低圧圧縮機の測定された実際の圧力比と第２図の 圧縮機運転線４６より求められた低圧圧縮機の最適の圧力比との間の偏差を示し ている。

この誤差信号７６．７６′は積分制御装置７８へ供給され、制御装置７８はベー ン駆動及びリンク装置（図示せず）を駆動するベーン位置信号８０を設定する。

フィードバック制御の当業者には、ベーン位置信号８０は誤差信号ＰＲｅｒｒ（ 信号７６．７６’　）が存在する場合にのみそれに応答して変化し、誤差信号は 実際の圧縮機圧力比が基準圧縮機圧力比とは異る場合にのみ存在する。

バイパス流量の制御は複数の方法により達成されてよく、そのうちの一つの手段 がベーン位置積分制御装置７８とブリード弁位置積分制御装置８２との間に圧力 比の誤差信号ＰＲ（信号７６．７６’　、７６’　）を切換える信号切ｒｒ 換スイッチ８６として第４図に示されている。本発明の装置がベーン段を更に閉 ざすことにより低圧圧縮機の実際の圧力比ＰＴ　　　／ＰＴ２ａｃ、を低減して 基準圧縮機圧力比２．５ （信号６６）に適合させることができなくなると、スイッチ８６は誤差信号７６ ′をブリード弁位置積分制御装置８２へ導き、ブリード弁位置信号８４を修正す る。ブリード弁１２５（図示せず）がブリード弁位置信号８４に応答して開かれ ることにより圧縮機の空気流の一部が外部へ逸らされ、これにより必要量だけ低 圧圧縮機の実際の圧力比ＰＴ　２　、　ｓ　／　Ｐ　Ｔ　２が低減される。圧縮 機の空気が外部へ逸らされると効率が大きく低下するので、バイパス装置２５は 低出力運転時にのみ、またベーン３４を操作することによっては低圧圧縮機の圧 力比の制御を達成することができない場合にのみ使用されることに留意されたい 。

本発明によるベーン及び抽気の二重の圧力比制御の他の一つの特徴は駆動装置の 一方又は他方が限界に達したり故障した場合に得られる。例えばベーンアクチュ エータが故障してベーンが成る中間位置に放置されると、本発明の装置内のスイ ッチ８６はベーン位置積分制御装置７８が実際の圧力比（信号７２）を低減する ことができないことを検出し、これにより誤差信号７６′をブリード弁位置積分 制御装置８２へ導いて圧縮機の抽気装置により所要の圧力比の低減を行う。或い はブリード弁アクチュエータが開位置にて作動し得ない状態になると、本発明に よる装置及び方法は誤差信号７６′をベーン位置積分制御装置７８へ導き、ステ ータベーン３６を開いて低圧圧縮機の圧力比、従って質量流量を維持するようベ ーン位置信号８ｏを修正することにより圧力比を低減する。

以上の説明より、第５図の従来のオーブンループ型の制御装置と第４図に示され た本発明による装置及び方法との間の基本的相違点は明らかである。エンジンの 幾つかの運転ハラメータ５２．５４が予め設定されたスケジュール５６と比較さ れることによりエンジン制御信号５８が発生される第５図に示された従来の装置 とは異り、本発明による装置及び方法は圧縮機の運転パラメータ６０．６８．６ ９を検出し、それらのパラメータを圧縮機の性能に関する予め設定されたスケジ ュール６２と比較し、現在の実際の圧縮機性能と好ましい圧縮機性能（信号６６ ）、即ち基準圧縮機性能との間の偏差に応答して修正用の誤差信号７６を発生す る。

かくして本発明による装置及び方法に於ては、可変ピッチステータベーン３６の 絶対位置は求められず、効率、信頼性、運転性等の因子のバランスにより予め設 定された最適の圧縮機性能を達成するよう必要に応じて変更される。

従って本発明による装置及び方法は、ステータベーン信号８０が圧縮機の出口に 於ける圧力ＰＴ３の変動（下流側に位置する燃焼器３２の影響により惹起される ）に拘らず、低圧圧縮機の圧力比を運転線４６より求められる最適の値に維持す るよう常に修正される。

エンジンの過渡運転中に圧縮機の失速の虞れが増大すると、特にエンジンのスロ ットルを迅速に移動させることができるよう、本発明による装置及び方法によれ ばエンジンの過渡運転状態全体に亘り圧縮機の失速に対する安全マージンを低減 することなく、逆に多くの場合安全マージンを改善しつつエンジンの過渡応答時 間が大きく改善される。

本発明の装置によれば、低圧圧縮機の空気流量はこの運転線に合せて常に補正さ れるので、サージ線４０に対する安全マージンを小さく設定して好ましい運転線 が選定される。

本発明の装置及び方法の機能を最も良好に説明する一つの用途は、ダクト内に配 置されていない大型のプロペラが低圧圧縮機の軸１２により歯車装置を介して駆 動される現状のプロップファン型の航空機用推進装置を考慮することにより最も 良好に理解される。可変ピッチブレードを有するかかる大型のプロペラは一般に 成る限られた回転速度範囲内に於て作動し、多くの場合通常の巡航及び離陸の出 力範囲全体に亘り成る一定の好ましい速度にて作動する。プロペラ全体としての 推力は個々のプロペラブレードのピッチを変化させることにより発生され、従っ て圧縮機の速度ＮＬ　　　を大きく変化させることなく低圧圧縮機１８を種ｏｒ ｒ 々の出力レベルにて作動させる必要がある。

第５図に示されている如き従来の制御方法は負荷が変化する定速圧縮機内のジオ メトリ−変化部材を制御するには不十分であるに対し、本発明による方法及び装 置によれば修正を加えることなくかかる作動を行わせることができる。

この例に於ては、圧縮機の性能は一定ロータ速度の線に沿って移動し、低圧圧縮 機の基準圧力比は圧縮機内を流れる空気の質量流量に応答して変化する。

種々の機械的因子や流体力学的因子に起因して、低速ロータ速度が一定であるプ ロップファン型ガスタービンエンジンの低圧圧縮機１８の圧力比ＰＴ　　／ＰＴ ２は、第４２．５ Ａ図に示されている如く、圧縮機全体の圧力比ＰＴ３／ＰＴ２の実質的に線形の 関数である。圧縮機全体の圧力比ＰＴ　／ＰＴ２に基き低圧圧縮機の基準信号６ ６を発生するようスケジュール６２及びそのデータ入力を修正することが、かか る特定の用途に合せて本発明の制御装置を更に一層単純化するために使用されて よい。

かくして本発明による制御装置及び方法は上述の目的を達成し利点を得る点に於 て非常に適していることが理解されよう。更に第４図の装置は従来より使用され ているアナログ記号により解図的に示されているが、これらの記号はデジタル装 置と考えられてもよく、また事実本発明の好ましい実施例は上述の如く機能上組 合される幾つかのエンジン運転パラメータを示すデジタル信号を含んでいる。か くして本発明による装置及び方法は上述の例示の説明や表現により限定されるも のではなく、以下の請求の範囲によってのみ限定されるものである。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮されるべきガスの流れを受ける圧縮機入口と、圧縮されたガスを排出 する圧縮機出口と、少なくとも一段の回転ブレードを有するロータとを有するガ スタービンエンジン内の可変面積ステータベーン段の位置を制御する制御方法に して、 前記圧縮機入口に於ける全体ガス圧力を測定する工程と、前記圧縮機出口に於け る全体ガス圧力を測定する工程と、前記測定された入口ガス圧力及び出口ガス圧 力に応答して前記圧縮機の現在の圧力比を求める工程と、複数の現在のエンジン 運転パラメータのうちの少なくとも一つのパラメータに応答して目標圧縮機圧力 比を求める工程と、 前記現在の圧力比を前記目標圧力比と比較する工程と、前記比較工程に応答して 前記現在の圧力比と前記目標圧力比との間の偏差を低減するよう前記ステータベ ーン段の位置を変化させる工程と、 を含む制御方法。
2. （２）請求の範囲第１項の制御方法に於て、前記目標圧縮機圧力比を求める工程 は更に 一連の好ましいエンジン運転点であって、各点は各エンジン運転パラメータ及び 圧縮機圧力比の対応する値を有する運転点を前もって求める工程と、 各エンジン運転パラメータの現在の値を求める工程と、求められた現在のエンジ ン運転パラメータに応答して前記一連の好ましい運転点の中から好ましいエンジ ン運転点を選定する工程と、 前記目標圧縮機圧力比を前記好ましいエンジン運転点に対応する圧縮機圧力比に 等しい値に設定する工程と、を含んでいることを特徴とする制御方法。
3. （３）請求の範囲第２項の制御方法に於て、前記複数のエンジン運転パラメータ は周囲空気圧力と、標準状態に対し補正された圧縮機のロータ速度とを含んでい ることを特徴とする制御方法。
4. （４）請求の範囲第２項の制御方法に於て、前記圧縮機は独立の高圧圧縮機ロー タを有する第二の高圧圧縮機の上流側に配置された第一の圧縮機であり、前記複 数のエンジン運転パラメータは前記第一及び第二の圧縮機全体の圧力比を含んで いることを特徴とする制御方法。
5. （５）請求の範囲第４項の制御方法に於て、前記第一の圧縮機のロータは複数個 の可変ピッチブレードを有する外部推進装置を駆動するよう構成され、前記推進 装置及び前記ロータはその運転範囲の少なくとも一部に於て実質的に一定の補正 された角速度にて作動するよう構成されていることを特徴とする制御方法。
6. （６）請求の範囲第１項の制御方法に於て、前記圧縮機は更に該圧縮機内を流れ るガス流の一部を外へ逸らす少なくとも一つの可変流量抽気通路を有し、前記制 御方法は更に可能な位置の範囲内にて前記可変ピッチステータベーンの位置を求 める工程と、前記可変ピッチステータベーンが前記可能な位置の範囲内の最小の 位置に位置決めされる場合には、前記抽気通路を開いて現在の圧縮機圧力比を前 記目標圧縮機圧力比に等しい値に維持する工程とを含んでいることを特徴とする 制御方法。
7. （７）少なくとも一段の可変ピッチステータベーンを傭えた圧縮機を有するガス タービンエンジンのための制御装置にして、 現在の圧縮機圧力比に応答してデータ信号を発生する手段と、 複数の現在のエンジン運転パラメータのうちの少なくとも一つのパラメータに応 答して基準圧縮機圧力比信号を発生する手段と、 前記現在の圧縮機圧力比信号と前記基準圧縮機圧力比信号とを比較し、それらの 間の偏差に応答して誤差信号を発生する手段と、 前記誤差信号に応答して前記ステータベーン段を位置決めする制御信号を発生す る手段と、 を含む制御装置。
8. （８）請求の範囲第７項の制御装置に於て、前記複数のエンジン運転パラメータ は周囲空気圧と、標準状態に対し補正された圧縮機ロータ速度とを含んでいるこ とを特徴とする制御装置。
9. （９）請求の範囲第８項の制御装置に於て、前記圧縮機は可変ピッチステータベ ーン段を有する低圧圧縮機と、その下流側に配置され独立のロータを有する高圧 圧縮機とを含み、前記複数のエンジン運転パラメータは前記低圧圧縮機及び前記 高圧圧縮機全体の現在の圧力比を含んでいることを特徴とする制御装置。
10. （１０）請求の範囲第９項の制御装置に於て、前記制御装置は更に前記低圧圧縮 機より排出される空気の一部を外部へ逸す流量可変のバイパスダクトを含み、前 記ダクト内の流量は前記ベーン段が最小面積位置にある期間中には前記ベーン制 御信号に応答して制御されるよう構成された制御装置。