JPH0472056B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機の旋
回失速を検出する方法および装置に関する。

背景技術 ガスタービンエンジンで起こる圧縮機の失速に
は、「サージ」と呼ばれる回復可能な失速と、「ス
タグネーシヨン」と呼ばれる回復不可能な旋回失
速とがある。このような２種類の失速は、ガスタ
ービンエンジン分野で周知であるので、その原因
について説明する必要はないであろう。敢えて言
えならば、そのような失速は、エンジンの過渡的
な動作（即ち加速時および減速時）に起こること
が多く、特に、推力増強装置（即ちアフタバー
ナ）を備えるエンジンにおいて、推力増強装置の
始動時や、その動作中に失速が起り易い。エンジ
ンは、回復可能な失速を起こしても、自然に正常
な動作状態に戻り、その場合、パイロツトは推力
低下に気付かないこともある。他方、回復不可能
な旋回失速状態では自動的には回復しないので、
そのような失速を招く高いガス温度によりエンジ
ンが激しい損傷を受ける前に、パイロツトはスロ
ツトルを戻し、最終的にエンジンを停止させ、そ
の後エンジンを再始動しなければならない。

エンジンが回復不可能な失速状態であることに
気付くのが早いほど、エンジンを再始動できる可
能性が高まる。エンジンに回復不可能な旋回失速
状態を検出する装置が装備されていない場合、パ
イロツトは、エンジン速度計とエンジン温度計を
監視し、その指示値に基づいて、回復不可能な状
態であるか否かを判断しなければならない。失速
（旋回失速または非旋回失速）が生じた瞬間に、
パイロツトが速度計および温度計を監視したとし
ても、温度およびエンジン速度の変化によつてパ
イロツトが失速状態に気付くまでに、時間的な遅
れを伴う。その失速が回復不可能な失速であると
判断し、エンジンの停止を決断するまでに、パイ
ロツトはさらに時間を必要とする。このような時
間的な遅れによつて、エンジンの再始動に成功す
る可能性が減少する。従つて、危険なエンジンの
停止および再始動をパイロツトが不必要に行わな
くてもよいように、回復不可能な失速を検出する
ための装置は、回復不可能な旋回失速と回復可能
な失速とを識別できるものでなければならない。

米国特許第3426322号には、圧縮機の失速を検
出する装置が述べられている。ただし、この特許
には圧縮機失速の種類に関する記述はない。要す
るに、この特許においては、排気ガス温度が所定
の値を越え、エンジン速度が所定の上下限内にあ
る状態が所定の時間（例えば10秒）続いた場合
に、警報信号を発生して、エンジンが圧縮機失速
状態であることを航空機の乗務員に知らせる。こ
のような装置を回復不可能な失速の警報に使用し
た場合、回復不可能な失速と回復可能な失速をう
まく識別できるかどうか、定かでない。ただ確か
なことは、装置に設定された上記遅れ時間以前
に、失速状態をパイロツトに知らせることはでき
そうもない、ということである。

米国特許第3867717号には、圧縮機前後の圧力
比が回復不可能な失速期間に急激に低下するの
で、その圧力比が回復不可能な失速状態を示す目
安としてよく使用されることが述べられている。
しかし、この特許に述べられているように、その
ような圧縮機圧力比の急激な減少は、エンジンを
普通に減速した時にも起こる。即ち、高高度で正
常に飛行している期間にも、圧縮機の圧力比は非
常に低くなることがある。このように、圧縮機の
圧力比の低下だけに依存したのでは、圧縮機の失
速を誤つて指示してましうことがある。このよう
な誤つた圧縮機失速指示を避けるために、米国特
許第3867717号には、タービンの排気ガス温度も
監視すべきであることが述べられている。この場
合、圧縮機の圧力比低下（経験的に定めた下限値
以下）と、タービン排気ガス温度の上昇（基準温
度以上）とが同時に起こるまで、失速信号は発生
しない。

上記２つの米国特許においては、排気ガス温度
の上昇を検出することによつて、回復不可能な失
速状態を検出し警報を発生する。失速が始まると
直ぐに圧力比は変化するが、排気ガス温度の変化
は緩慢であり、これは、回復不可能な失速状態を
高い信頼性で検出するために必要な時間の短縮を
妨げる要因となる。失速警報装置の現在の技術水
準を示す特許としては、米国特許第4060980号、
同第4118926号、および同第4137710号があり、そ
れらの譲受人は本特許出願人である。これら特許
に述べられているような装置に関して、誤検出を
起こすことなく、装置構成を簡略化し、回復不可
能な失速を検出するために必要な時間を減少させ
るための改良が要請されている。

発明の開示 本発明の目的は、回復可能な圧縮機失速と回復
可能な圧縮機失速を識別可能な圧縮機失速検出方
法および装置を提供することにある。本発明の他
の目的は、回復不可能な失速状態を従来装置より
迅速正確に検出可能な、回復不可能な旋回圧縮機
失速の検出方法と検出装置を提供することにあ
る。

本発明によれば、ある修正エンジン速度におい
て測定された圧縮機圧力比が、その修正エンジン
速度に対して予め決定された圧力比以下になつた
時に、圧縮機が回復不可能な旋回失速状態である
ことを示す出力信号が出される。

各エンジン速度（エンジン吸気温度に関して標
準化するように修正した速度）において、次のよ
うな臨界圧力比P_Cを経験的に決定できるという
驚くべき事実がわかつた。即ち、各エンジン速度
において、圧縮機に回復不可能な旋回失速が生じ
てから数分の１秒の間だけ、実際の圧縮機圧力比
は臨界圧力比を下回るが、回復可能な失速の期間
においては、実際の圧力比は臨界圧力比を殆ど下
回ることがない。従つて、エンジン作動速度の全
範囲に亘つて臨界圧力比の表を予め決定し、それ
を実際の圧力比と常時比較することにより、回復
不可能な失速の発生を、その発生から数分の１秒
以内に判定することができる。すなわち、実際の
圧力比が表の臨界圧力比以下になつた時に、失速
を示す出力信号を発生する。

回復可能な失速の期間でも、実際の圧縮機圧力
比が臨界圧力比を下回ることが希にあるが、この
場合、実際の圧力比が臨界圧力比を下回る時間は
数分の１秒を越えることはなく、発明者の経験に
よれば、その継続時間は10分の１秒未満である。
したがつて、ある短い時間、実際の圧力比が臨界
圧力比を下回つていることを確認してから、回復
不可能な失速を示す信号を発生するようにすれ
ば、検出時間をむやみに増大させることなく、回
復不可能な失速の誤検出を完全に防止できる。

臨界圧力比の表が、修正圧縮機ロータ速度（即
ち修正エンジン速度）に対して直線的な関係にな
ることも分かつている。従つて、修正エンジン速
度をNC、圧縮機の実際の圧力比をP_Rで表せば、
NC／P_R（以下「臨界失速比」）に関する一定の比
を予め決定することができる。即ち、臨界失速比
が、そのような一定比以上になると、それから数
分の１秒以内に、回復不可能な失速が生じること
が分かる。

本発明は、Judith FosterおよびJohn St.
Jacquesによつて1982年６月21日に出願された米
国特許出願第390573号の「エンジン失速早期警報
装置」に対する改良である。

本発明の他の特徴および効果については、特許
請求の範囲および本発明の一実施例を示す図面か
ら明らかになるであろう。

実施例 以下、図面を参照し本発明の一実施例について
説明する。

第１図に、本発明の失速検出装置が概略的に示
されている。この図において、１０はガスタービ
ンエンジンである。本実施例においては、ガスタ
ービンエンジン１０は２軸推力増強ターボフアン
エンジンであり、低圧圧縮機１２の後段に高圧圧
縮機１４が配置されている。低圧圧縮機１２はフ
アンを有し、それと軸１８によつて連結した低圧
タービン１６により駆動される。高圧圧縮機１４
は、それと軸２２を介して連結した高圧タービン
２０によつて駆動される。燃焼器、即ちバーナ２
４は、燃料を供給され、タービン１６，２０を駆
動するためのエネルギーを発生する。アフタバー
ナ、即ち推力増強装置２６が、タービン１６の下
流側の排気ダクト２８の内部に配置されている。
各タービンを通過したガスは、可変面積排気ノズ
ル３０を通じて膨脹せしめられる。

２軸エンジンでは、高圧軸に回復不可能な失速
が起こる。従つて、前述の関係、即ち回復不可能
な失速の発生、圧縮機の圧力比、および修正エン
ジン速度の関係は、修正エンジン速度が修正高圧
ロータ速度に等しい時に限つて有効である。同様
に、回復不可能な失速期間に圧力が異常になるの
は高圧圧縮機の内部であるから、、圧力比は、少
なくとも高圧圧縮機１４の前後の圧力比を包含す
るものでなければならない。一般に２軸エンジン
の場合、高圧圧縮機１４の入口またはその上流側
から、高圧圧縮機の出口またはその直後（例えば
バーナ）２４の入口）までの圧力比を測定する限
り、ここで説明している回復不可能な失速の発生
と圧縮比との関係は有効である。本実施例におい
ては、両方の圧縮機にまたがつた圧力比が用いら
れるが、高圧軸の前後の圧力比も同様に利用可能
であろう。

臨界圧力比P_Cは、テストエンジンを用い、希
望する修正エンジン速度NCにおいて回復不可能
な失速を起こすことによつて、予め求めることが
でき、その失速発生時の実際の圧力比が、その速
度での臨界圧力比P_Cである。このようなデータ
を臨界圧力比対修正エンジン速度のグラフにプロ
ツトすると、そのデータがほぼ直線的に降下する
ことが確められている。最小２乗法により、デー
タに基づき、ある直線を引くことができる。この
ようにして得られる直線が、第２図に示す直線Ａ
である。以下、この直線Ａを「失速線」と称す
る。失速線の上側はエンジンが正常に動作する領
域である。失速線の下側が、高圧圧縮機の旋回失
速の領域である。失速線は直線であるから、圧縮
機の圧縮比、修正高圧ロータ速度および回復不可
能な失速との間の関係は次の式で表すことができ
る。

NC／P_R≧Ｋ ここで、Ｋは失速線Ａの勾配に等しい定数であ
る。この式が成立する時には、エンジンは回復不
可能な失速の直後または直前である。

再び第１図を参照して説明する。低圧圧縮機の
フアン入口におけるガス流の温度T₂と高圧圧縮
機の速度N₂が測定され、除算器３２に送られ、
この除算器は修正高圧ロータ速度N₂C₂を計算し、
それを示す出力信号を送出する。さらに詳細に説
明すれば、除算器３２において、測定された高圧
ロータ速度が√₂519により割り算される。修
正ロータ速度の決定方法そのものは本発明の一部
ではなく、当該技術分野において周知である。

低圧圧縮機の入口の圧力（エンジン吸気圧力）
P_T2およびバーナ入口の圧力P_Bが測定され、除算
器３４に送られ、この除算器は比P_B／P_T2を計算
し、両方の圧縮機にまたがる実際の圧力比を示す
出力信号P_Rを送出する。

除算器３４から出力される圧力比信号と、除算
器３２から出力される修正高圧ロータ速度信号は
除算器／比較器３６へ送られ、比N₂C₂／P_Rが計
算され、この比と所定の失速線定数Ｋとが比較さ
れる。その比がＫ以上ならば、エンジンは第２図
のグラフの旋回失速領域で作動しており、除算
器／比較器３６は適当な出力信号３８を発生す
る。

回復可能な失速によつて生ずる過渡的な圧力低
下によつて、エンジンが失速線の下側で作動する
僅かな可能性もなくすために、エンジンが失速領
域で作動している限り、出力信号３８は連続的に
タイマー４０に供給される。このタイマー４０
は、所定の短い時間Ｘの間、連続的に信号３８を
除算器／比較器３６から受けると、回復不可能失
速信号４２を発生する。この時間Ｘは、約0.1秒
以下でよい。タイマー３８から出る失速信号４２
は、単に回復不可能失速の発生をパイロツトに知
らせる目的に用いることもできるし、その信号に
よつて自動修正動作、例えば自動エンジン停止・
再始動を開始させることもできるし、あるいはそ
の両方の目的に利用することもできる。

除算器／比較器３６は、それとほぼ同等の第３
図に示す装置３６′と置き換えることもできる。
この場合、除算器３２から与えられる修正高圧ロ
ータ速度信号N₂C₂は圧力比発生器４４に入力さ
れ、この圧力比発生器４４は、第２図のＡのよう
なカーブに基づいて臨界圧力比P_Cを発生する。
この臨界圧力比P_Cと実際の圧力比P_Rは比較器４
６に送られ、P_RがP_C以下であるか調べられる。
そうであれば、出力信号３８が発生してタイマー
４０に与えられ、第１図に関連して説明したよう
な処理が進行する。

以上、実施例に関連して本発明を詳細に説明し
たが、当業者であれば、特許請求の範囲に定義し
た本発明の精神および範囲から逸脱することな
く、本発明を種々変形して実施し得ることは明ら
かである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の失速検出装置を組込んだ２軸
ターボフアンエンジンの概略構成図、第２図は本
発明において利用されるエンジンのパラメータの
関係を示すグラフ、第３図は第１図中の除算器／
比較器と置き換え可能なブロツクの例を示すブロ
ツク図である。 １０……ガスタービンエンジン、１２……低圧
圧縮機、１４……高圧圧縮機、１６……低圧ター
ビン、２０……高圧タービン、２４……バーナ、
３２，３４……除算器、３６……除算器／比較
器、４０……タイマー、４４……圧力比発生器、
４６……比較器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機を有するガスタービンエンジンにおけ
   る回復不可能な旋回失速を検出するための失速検
   出装置であつて、 前記圧縮機の速度Ｎを検出し、その速度を示す
   速度信号を発生する手段と、 エンジン吸気温度Ｔを検出し、その温度を示す
   温度信号を発生する手段と、 前記速度信号および前記温度信号を受けて、修
   正圧縮機速度NCを示す修正速度信号を発生する
   手段と、 前記圧縮機前後の実際の圧力比P_Rを検出し、
   その圧力比を示す圧力比信号を発生する圧力比検
   出手段と、前記圧力比信号および前記修正速度信
   号を受け、前記圧力比P_Rが前記修正圧縮機速度
   NCに正比例して変化する所定の値P_C以下の時
   に、前記圧縮機に失速が起こつていること示す出
   力信号を発生する手段と、 からなることを特徴とする失速検出装置。 ２ 前記比較手段の出力信号を受け、当該出力信
   号を所定時間連続的に受けた場合に、回復不可能
   な旋回失速が前記圧縮機に起きていることを示す
   出力信号を発生するタイマー手段を備えることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の失速検
   出装置。 ３ 前記ガスタービンエンジンは高圧圧縮機およ
   び低圧圧縮機を備える２軸エンジンであり、当該
   高圧圧縮機は入口および出口を備え、前記圧縮機
   速度Ｎは当該高圧圧縮機の速度であり、前記圧力
   比検出手段は、前記高圧圧縮機の入口またはその
   上流の位置から前記高圧圧縮機の出口またはその
   直後の位置までの圧力比を測定する手段を含み、
   しかして前記圧力比P_Rは少なくとも前記高圧圧
   縮機の前後の圧力比を含むことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載の失速検出装置。 ４ 前記比較手段は、前記修正速度信号を受けて
   臨界圧力比P_Cを示す信号を発生する臨界圧力比
   発生器を含むことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の失速検出装置。 ５ 前記比較手段は、前記の修正速度信号および
   実際の圧力比信号を受けて、それらに基づき値
   NC／P_Rを計算し、NC／P_Rが所定の定数Ｋ以上
   の時に、回復不可能な旋回失速が前記圧縮機に起
   こつていることを示す出力信号を発生する手段を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の失速検出装置。 ６ 圧縮機を有するガスタービンエンジンにおい
   て回復不可能な圧縮機旋回失速を検出する方法で
   あつて、 圧縮機速度Ｎを検出する段階と、 エンジン吸気温度Ｔを検出する段階と、 前記圧縮機速度Ｎおよび前記エンジン吸気温度
   Ｔから修正圧縮機速度NCを計算する段階と、 前記圧縮機前後の圧力比P_Rを検出する段階と、 該圧力比P_Rが修正エンジン速度に正比例して
   変化する所定の値P_C以下の時に回復不可能な失
   速が前記圧縮機で起きていることを示す出力信号
   を発生する段階と、 からなることを特徴とする失速検出方法。 ７ 前記圧力比P_Rが前記所定の値P_Cを下回る期
   間が所定時間を越えるまで、前記出力信号は発生
   されないことを特徴とする特許請求の範囲第６項
   に記載の失速検出方法。 ８ 前記エンジンは２軸エンジンであり、Ｎは高
   圧軸の速度であり、P_Rは少なくとも高圧軸前後
   の圧力比を含む圧縮機圧力比であることを特徴と
   する特許請求の範囲第７項に記載の失速検出方
   法。 ９ NC／P_Cは全ての修正圧縮機速度に亘つて一
   定であることを特徴とする特許請求の範囲第７項
   に記載の失速検出方法。 １０ 圧縮機を有するガスタービンエンジンにお
   いて回復不可能な圧縮機旋回失速を検出する方法
   であつて、 圧縮機速度Ｎを検出する段階と、 エンジン吸気温度Ｔを検出する段階と、 前記圧縮機速度Ｎおよび前記エンジン吸気温度
   Ｔから修正圧縮機速度NCを計算し、該修正圧縮
   機速度NCに依存し、かつ該修正圧縮機速度NC
   に正比例して変化する所定の臨界圧力比P_Cを発
   生する段階と、 前記圧縮機前後の圧力比P_Rを検出する段階と、 該圧力比P_Rが前記臨界圧力比P_C以下の時に失
   速信号を発生する段階と、 からなることを特徴とする失速検出方法。 １１ 所定の短い時間、連続的にP_RがP_C以下の
   場合に限り、前記失速信号が発生されることを特
   徴とする特許請求の範囲第１０項に記載の失速検
   出方法。