JPH0893502A - 非対称遠心圧縮機ディフューザによるサージ検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスタービンエンジン、等のサージを検知す
る非対称遠心圧縮機ディフューザによるサージ検知装置
に関し、サージの発生を事前に検知する。 【構成】 流体はインペラ８を通り、非対称ディフュー
ザ１より主圧力室４、副圧力室２を通り、燃焼器５に入
り燃焼し、タービンノズル６よりタービンロータ７へ導
かれる。副圧力室４には通常よりも拡大し、延長したチ
ャネル９より流体圧が導かれ、主圧力室４との間の配管
２０の途中に設けられた差圧センサ３で両圧力室の差圧
が検知される。副圧力室２の圧力低下は通常部よりも前
に低下するのでこの圧力を差圧センサ３で検知してサー
ジの発生を事前に検知し、サージを回避できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンエンジン、
等のサージ検出を行うための非対称遠心圧縮機ディフュ
ーザによるサージ検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のサージ検出方式を図５，図６に基
づいて説明する。図５はターボジェットエンジンの断面
図、図６はそのＢ−Ｂ断面図である。両面において、１
４は回転軸でその回りには遠心圧縮機インペラ８が設け
られており、圧縮ガスはディフューザ１１を通り、主圧
力室４、燃焼器５へ導かれ、ここよりタービンノズル
６、ロータ７へ導かれる構造となっている。従来のサー
ジ検出方式は、このような構造のエンジンにおいて、主
圧力室４に圧力センサ１３を取り付け、圧力室４内の圧
力の急激な低下を監視して、サージの検出を実施してい
た。ただし、この方式による検出は通常、サージしたこ
との検出であり、サージの前兆の検出では無かった。大
型の軸流式の圧縮機の場合は、主圧力室の圧力がサージ
直前で微妙に変動し始めるので、検出しサージ回避制御
を行っている物もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンエンジン
の加速制御において、サージの回避は重要な課題であ
る。前述のような遠心圧縮機を用いたガスタービンエン
ジンの場合、従来の主圧力室４の圧力の監視では殆どサ
ージ発生の前兆はみられず、雑音との区別が事実上不可
能であった。このため、従来の方式での遠心圧縮機のサ
ージの予測制御は困難であり、あらかじめなり余裕を持
った加速スケジュールを定め、オープンループでサージ
回避を実施するのが主流であった。

【０００４】ただし、この方式ではエンジンの特性が何
らかの故障等により変化し、サージ特性が変化した場合
には制御不能となるため、サージの発生を検出して、そ
れ以上悪化させないようなサージ回避制御が電子制御の
採用により可能となっているが、少なくとも１回はサー
ジに突入してしまう問題がある。

【０００５】さらに、通常、遠心圧縮機の効率はサージ
ラインに近い方が高く、サージに対するマージンを大き
く取ることはエンジン全体の性能を低下させる（燃費が
悪化）ことになる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために、サージの前兆の検出が事前にできる
ように遠心圧縮機ディフューザの一部に特にサージしや
すい部分を設けて非対称のディフューザとする。その非
対称の部分の流れを別室である、副圧力室に導くように
し、副圧力室と主圧力室の間に差圧センサを設け、圧力
変動を集中的に監視する構成とする。

【０００７】即ち、本発明は、ガスタービンエンジンの
遠心圧縮機ディフューザの少なくとも１つのチャネルを
通常のチャネルよりも拡げて延長してなる非対称のディ
フューザと、同非対称のディフューザの延長したチャネ
ルと連通する副圧力室と、同副圧力室を主圧力室へ接続
する配管と、同配管の途中に設けた差圧センサとを具備
してなり、前記副圧力室と主圧力室との間に発生する圧
力変動を前記差圧センサで検知し、サージ圧力の発生を
事前に検知することを特徴とする非対称遠心圧縮機ディ
フューザによるサージ検知装置を提供する。

【０００８】

【作用】本発明はこのような手段により、非対称のディ
フューザでは、通常のチャネルよりは幅を拡大し、延長
したチャネルが設けてあり、このチャネルのサージ特性
は通常のチャネルよりも悪くなる。そのため通常のチャ
ネルがサージを発生し、主圧力室の圧力が低下する前に
副圧力室の圧力がまず低下する。この時の副圧力室と主
圧力室の圧力差は差圧センサで検知されるのでこの差圧
センサの値を常時監視しながらエンジンの加速制御を行
うことによりサージの発生を事前に回避することができ
る。なお、副圧力室の圧力変動は非対称となるこの延長
チャネル部を少く、通常は主圧力室の５％以下に設定す
るので全体が同時にサージに入った場合と比べるとほと
んど影響がなく運転ができると共に、サージの発生が事
前に検知できるものである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。図１は本発明の一実施例に係る非対称遠
心圧縮機ディフューザによる検知装置の構成を示し、タ
ーボジェットエンジンの断面図で示している。図２は図
１におけるＡ−Ａ断面図である。両図において、１は通
常のチャネル１０より延長したチャネル９を有する非対
称ディフューザ、２は主圧力室４の上部に部分的に設け
られた副圧力室で、図２に示すように通常のディフュー
ザのチャネル１０を延長した延長チャネル９でこの流路
を導くように主圧力室４より突設するように部分的に設
けられている。この副圧力室２はサージ発生継続時間を
計測可能な程度に延ばすために設けられており、非対称
部の割合と同程度で、主圧力室４の５％程度の容量が適
当である。３は副圧力室２と主圧力室４とを連通する配
管２０の間に設けられた差圧センサ、５は燃焼室、６は
タービンノズル、７はタービンロータ、８は遠心圧縮機
インペラ、１４は回転軸である。

【００１０】従って、本発明の特徴となる点は、非対称
遠心圧縮機１、副圧力室２、差圧センサ３、延長チャネ
ル９及び配管２０の部分である。

【００１１】図３は検知装置とエンジンとのシステムブ
ロック図で、流体２１は遠心圧縮機インペラ８を通り、
ディフューザ１のチャネル１０を通り主圧力室４へ流入
する。流体２１の一部は延長チャネル９を通り副圧力室
２に入り、主圧力室４へ導かれる。副圧力室２と主圧力
室４との圧力差はこの間の配管２０の途中に設けた差圧
センサ３で検知され、制御装置３１に伝達され、サージ
が発生する前にサージを回避するような運転制御がなさ
れる。主圧力室４に入った流体は燃焼器５に導かれて燃
焼し、タービンノズル６より噴射し、タービンロータ７
に導かれるものである。従って、３０で示す点線部分、
即ち、延長チャネル９、副圧力室２、差圧センサ３が本
発明の特徴部分を示している。

【００１２】遠心圧縮機を用いたターボジェットエンジ
ンの作動特性は図４に示す遠心圧縮機の特性マップで特
徴づけられる。図４は流量と圧力比との関係を示し、２
１は定常作動ライン、２２は非対称部サージライン、２
３はサージラインである。２４は加速ラインで２５は加
速ライン２４が非対称部サージラインを超える時のサー
ジ検出を示し、２６は定回転ライン（９５％）、２７は
同じく１００％のラインである。

【００１３】エンジンの出力を上昇させるためには図１
における、遠心圧縮機インペラ８と高圧タービンロータ
７が結合された回転体の回転速度を上昇させなければな
らない。この時、エンジンは図４に示す定常作動ライン
２１を離れ、加速ライン２４で作動する。一方、遠心圧
縮機は特性として、強い加速を行うと、サージと呼ばれ
る異常現象を起こし、正常な運転が出来ないばかりでな
く、エンジンを破壊する危険性をもっている。これは、
図４の（破線）サージライン２３で特徴づけられ、この
ライン２３を超えるとサージが発生する。

【００１４】従って、エンジンを運転する場合、このサ
ージライン２３を超えないように加速制御しなければな
らない。しかし、サージの前兆の検出は非常に困難であ
り、実際にはあらかじめサージラインの予測を行い、こ
れに大きなマージンをつけて加速制御を実施している。

【００１５】本発明では図２に示すように、遠心圧縮機
ディフューザ１のチャネル１０（通常部はこの形状）の
内の１チャネルないし、数チャネルを延長し、延長チャ
ネル９としてこれを副圧力室２に導き、その後主圧力室
４に返している。

【００１６】この特別の延長チャネル部９は通常部のチ
ャネル１０よりも面積の拡大率を大きくしてあり、定常
時の性能は通常部のチャネル１０より良いが、サージ特
性は悪化し、図４の（一点鎖線）非対称部サージライン
２２に示される特性を持つ、このため、通常部のチャネ
ル１０がサージに入り（サージライン２３を超える）主
圧力室４の圧力が低下する前に副圧力室２の圧力が低下
し、この圧力差を差圧センサ１３で検出し、サージ２５
をあらかじめ検出する事が可能となる。

【００１７】従って、この差圧センサ値を常に監視しな
がら、加速制御を行うことにより、サージを回避しつ
つ、最大限の加速を行うことができる。なお、非対称部
のサージは非対称部のチャネル数が少ない（５％以下に
設計）ので全体が同時にサージに入ることに比べその影
響は少なく、殆ど問題にならない。

【００１８】上記の実施例では図３のブロック図の符号
３０で示すサージ検知部を図１，図２に示すようなター
ボジェットエンジンに適用した例で説明したが、本発明
はこれに限定するものではなく、詳しい説明は実施例の
構造部が同じであるので省略するが、ターボジェットエ
ンジンとガスジェネレータ部が同じ構造を持つエンジ
ン、即ち、ターボジェットエンジン、ターボファンエン
ジン、ガスタービンエンジン、空気源用ガスタービンエ
ンジンにも同様に適用されるものであり、同様の作用、
効果を奏するものである。

【００１９】

【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
においては、ガスタービンエンジンの遠心圧縮機ディフ
ューザのチャネルの一部に延長チャネルを設け、非対称
ディフューザとし、この延長チャネルと連通する副圧力
室と、副圧力室と主圧力室とを接続する配管を設け、こ
の配管に差圧センサを設けて圧力差を検出してサージ圧
力の発生を事前に検知する構成としたので、次のような
効果を奏するものである。

【００２０】（１）主流のサージ発生前にサージの前兆
を計測することができる。

【００２１】（２）従って、この計測値を監視すること
により、サージを回避して加速することができる。

【００２２】（３）計測によりサージを予測しているの
で、エンジン特性、運転環境の変化にもサージ回避制御
が対応可能となる。

【００２３】（４）サージラインぎりぎりの加速が可能
となるので、エンジンの応答性能が向上する。

【００２４】（５）逆に、加速マージンを少なく出来る
ので、作動線をより、サージラインに近づけエンジンの
燃料消費率を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る非対称遠心圧縮機の断
面図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【図３】本発明の一実施例に係る非対称遠心圧縮機のデ
ィフューザによるサージ検出装置のブロック図である。

【図４】ガスタービンエンジンにおける遠心圧縮機の一
般的な流量と圧力比の関係を示す図である。

【図５】従来の遠心圧縮機ディフューザの断面図であ
る。

【図６】図５におけるＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１ 非対称ディフューザ ２ 副圧力室 ３ 差圧センサ ４ 主圧力室 ５ 燃焼室 ６ タービンノズル ７ タービンロータ ８ 遠心圧縮機インペラ ９ 延長チャネル １０ チャネル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンエンジンの遠心圧縮機ディ
   フューザの少なくとも１つのチャネルを通常のチャネル
   よりも拡げて延長してなる非対称のディフューザと、同
   非対称のディフューザの延長したチャネルと連通する副
   圧力室と、同副圧力室を主圧力室へ接続する配管と、同
   配管の途中に設けた差圧センサとを具備してなり、前記
   副圧力室と主圧力室との間に発生する圧力変動を前記差
   圧センサで検知し、サージ圧力の発生を事前に検知する
   ことを特徴とする非対称遠心圧縮機ディフューザによる
   サージ検知装置。