JPH10502992A - 圧縮機の非対称エアフローを用いたストール及びサージ制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 圧縮機のストール及びサージを制御するための技術が開示される。ガスタービンエンジンにおいて、圧縮機流入口の周囲に沿った複数の位置において、静圧の非対称性が検出される。また、圧縮機内における物質流量の時間変化率も、圧縮機内の圧力測定によって決定される。信号処理装置は、これらの信号を用い、非対称性、感情平均フローの時間変動率等のフロー特性のレベルに応じて、圧縮機のブリードバルブを調整する。これにより、圧縮機の動作性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】 圧縮機の非対称エアフローを用いたストール及びサージ制御 技術分野 本発明は、圧縮機のストールやサージの検出技術及び動的制御即ちダイナミッ クな制御技術に関し、例えばガスタービンエンジンにおけるこのような検出及び 制御技術に関する。 従来の技術 正常かつ安定したフロー条件の下で運転される動的圧縮機では、圧縮機内のフ ローは、実質的に環状方向の領域即ち環帯で均一、つまり、軸対称である。また 、環帯平均流量は、安定している。しかし、質量流量に対する圧縮機の圧力上昇 の相関図（定速パフォーマンスマップ）におけるピーク圧力上昇に非常に近い領 域で圧縮機が運転されると、圧縮機の圧力変動すなわち摂動によって、定速パフ ォーマンスマップにおいて流体学的に不安定となる領域に入るおそれがある。こ の不安定な領域は、旋回失速即ちストール及び／又はサージとして知られている 。圧縮機のパフォーマンスマップ上では、サージ／失速線としてこの領域の境界 が示されている。これらの不安定要素は、圧縮機の性能を低下させ、永久的な損 傷につながる可能性があるため、回避する必要がある。 旋回サージは、二次元現象として捉えることができる。旋回サージは、流路の 環帯周囲を回転して、圧縮機を流通する流れを減少させ、あるいは逆行させたり する局在領域を結果として生じさせる。 この領域は、失速セルと呼ばれ、通常、圧縮機を通って軸方向に伸びる。旋回失 速は、圧縮機からの排出量の減少（環帯の平均昇圧及び平均流体質量によって計 測した場合）につながる。更に、失速セルは、環帯を回転しながら圧縮機ブレー ドに負荷を与えたり、負荷を取り除いたりするため、疲労破壊を引き起こすおそ れがある。 一方、サージは、圧縮機を通る環帯平均流量内の振動を特徴とする一次元現象 である。苛酷なサージの条件下では、圧縮機内で流れの逆行が起こる可能性があ る。両タイプの不安定要素を回避することが必要であり、特に航空機においてこ のことは重要である。 実際の装置では、運転時の昇圧が最大昇圧に近ければ近いほど、与えられた摂 動のレベルに絶えられずに、旋回失速及びサージの領域に入ってしまう可能性が 高くなる。旋回失速が起こると、高昇圧で効率的な軸対称の運転状態から、低減 昇圧で非効率的な非軸対称の運転状態への突然の変化（ロータの１〜３回転以内 ）が起こる。圧縮機の運転を軸対称に戻す、即ち旋回失速領域を除くには、圧縮 機性能グラフ上の操作線を実際失速が起こったところより低くすることが必要で ある。実際の装置では、失速を回避するか、または失速状態から回復するには、 圧縮機の運転を一旦停止して、再始動することが必要となる場合がある。このこ とは、失速ヒステリシスと呼ばれる。 圧縮機は、潜在的な不安定性を有するために、通常失速マージンを設けて運転 される。失速マージンは、その時点での流量においての、最大昇圧即ち失速時の 昇圧と、圧縮機の動作ライン上における圧力と、比率の尺度である。理論上は、 失速マージンが大きくなる ほど、大きな摂動に対しても圧縮機システムが失速及びサージを起こさずに耐え ることができるようになる。従って、失速及びサージを引き起こすと予想される 摂動が生じるような条件下での運転を避けるために、十分な失速マージンを組込 むことが設計目標である。航空機の動力となるガスタービンエンジンでは、１５ ％から３０％の失速マージンが一般的である。最大昇圧よりも低い昇圧で圧縮機 を運転すると、運転効率及び性能は低減されるため、失速マージンを増加すると 圧縮機性能は低減し、圧縮機性能を向上させると失速マージンは減少する。 発明の開示 本発明は、圧縮機のストール及びサージを制御することを目的とする。 本発明によれば、周方向のフローの非対称レベルの変動が、流入（環状領域で の）入口平均フローの変動タイムレート、即ち時間に対する変動率から測定され て圧縮機のブリードフローが制御され、これにより圧縮機の総フロー量が調整さ れる。 本発明によれば、周方向における空間パターンまたはその他の圧縮機フローに おける非対称性の尺度が、複数の圧縮機流入口センサから決定され、そのパター ンは、フロー特性における非対称性のレベルを表す第一のターム、即ち非対称性 レベルを多項式で表した場合における第１項へと変形される。また、この第１項 は、平均圧縮機フローにおける時間変化率を表す第２項に加算される。 本発明の一形態によれば、第１項は、第一空間フーリエ係数｜Ｓ ＦＣ１｜に比例しており、この係数は、周方向のガスフロー特性における非対称 性のレベルを表す。 本発明の他の形態によれば、第１項は、第一空間フーリエ係数｜ＳＦＣ１｜の 二乗に比例する。第２項は、圧縮機の総フロー量の時間変化率に比例する。この 時間変化率は、例えば、圧縮機のフロー通路に設けられた圧力センサによって測 定される。これら二つの信号（ターム）は、適当な係数をかけて加算され、ブリ ード制御信号Ａｃｏｎが生成される。このブリード制御信号は、Ａｃｏｎを領域 、αを｜ＳＦＣ１｜²、δを環状平均質量流量の時間変化率として、Ａｃｏｎ＝ ｋ₁α＋ｋ₂δとして表される。 本発明の他の形態によれば、二つの項の和に対して積分がなされる。この積分 は、非対称性の瞬間レベルと圧縮機の最大所望レベルとの間の差の一時的積分を 表す。 本発明の他の形態によれば、積分項の大きさは、二つの限界値（最大／最小） の間に制限される。 本発明のある実施形態における特徴は、直接的なフロー測定に代えて、圧力セ ンサのアレイを用いてフロー通路内のフロー特性を検出することである。フロー を直接測定するデバイスは、通常圧力測定デバイスよりも信頼性が低く、また、 全世界的な用途で用いることは非常に困難である。圧力センサは、苛酷な環境で 動作する制御システムにも、より容易に用いることができる。 本発明に係るストール及びサージコントローラは、回転ストール及び／又はサ ージのおそれがある圧縮機を有するどのような圧縮（ポンプ）システムにも用い ることができる。その例として、ガスター ビンエンジン、空調システムや冷凍システム等の冷却システム等が挙げられる。 本発明は、種々のタイプの圧縮機に用いることができ、軸流圧縮機、工業用ファ ン、遠心圧縮機、遠心冷却器、ブロワー等に用いることができる。 本発明の他の特徴は、ブリードシステムが非対称性フロー特性、環状平均フロ ーの時間変化率を表す特性、のいずれにも応答することができる点である。した がって、これらの回転ストール及びサージ減少の特性を、コントローラへの入力 として結合することができる。 本発明の上記目的や、その他の目的、利点、特徴は、以下の例示的な詳細な説 明、添付図面を参照すると一層明瞭となる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に係るストール制御システムを用いたモータ駆動ダイナミック 圧縮機の機能ブロック図である。 図２Ａ，Ｂは、正常時及びストール状態における軸流圧縮機の軸方向速度の周 方向変動を示すグラフである。 図３Ａは、回転ストール時における、圧縮機流入口周方向位置に対するガス静 圧を表すグラフである。 図３Ｂ，Ｃは、空間フーリエ係数の算出に用いられ、図３Ａに示される概略空 間分布を表す第１調和波形及び第２調和波形のグラフである。 図４は、圧縮機の流入口や環状領域における、相異なる８つの位置における回 転ストールの成長時における、圧縮機の回転数に対す る周方向位置を示す、静圧オフセットのグラフである。 図５は、ストール制御システムのない圧縮機におけるフロー制限に対する関数 として、圧力非対称性（第１フーリエ係数の値により示される）のレベルを示す グラフである。 図６は、図５で用いられるのと同様で、かつ、圧縮機のフローを｜ＳＦＣ１｜² と圧縮機フローの環状平均時間変化率との関数として流出させる圧縮機におけ るグラフである。 図７は、図６で用いられるのと同様で、かつ、圧縮機のフローを、｜ＳＦＣ１ ｜²、物質流量の時間変化率、｜ＳＦＣ１｜の設定値と実際の値との差、との関 数として流出させる圧縮機におけるグラフである。 図８は、本発明に係るストール／サージ制御システムを有する高バイパスガス タービンエンジンの機能ブロック図である。 図９は、圧縮機の前段のエンジン吸入口での複数の静圧センサを示した、図８ の９−９断面図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係る変換関数である。 図１１Ａ，Ｂ，Ｃは、圧縮機が軸対象フローから完全に成長した回転ストール へと変換する際における、第１〜第３空間フーリエ係数の大きさを、時間（圧縮 機の回転として測定）の関数として示したグラフである。 発明の最適実施形態 図１に、絞り弁１０からの吐出フローの変動が可能である、簡素なテストシス テムを示す。特に、このシステムは、ガスタービンエ ンジンに類似した圧縮システムダイナミクスを有する。プリナム１２は、モータ ２０によって回転される軸方向圧縮ブレード１６からの圧縮されたフローを受け る。サーボ制御ブリードバルブ２４もまたプリナム１２からのフローを許容する が、そのフロー領域は、位置制御信号Ａｃｏｎを指令する信号処理装置２６によ り制御されている。信号処理装置２６は、一以上の総圧力センサ２８及び／又は 静圧センサ２９からの複数の圧力信号を受ける。この点は以下に記述する。 本発明によれば、信号処理装置２６は、以下の制御式によって動作する。 Ａｃｏｎ＝Ｋ₁α＋Ｋ₂δ …（１） ここで、αは、フロー特性の非対称性の瞬間レベル、δは、環状平均質量流量 の時間変化率、Ｋ₁，Ｋ₂はゲイン定数である。 従って、信号処理装置２６は、ブリードバルブ２４の制御領域Ａｃｏｎを、ガ スフローの瞬間的な非対称性と、環状平均質量流量の時間変化率と、をそれぞれ 反映した二つの項の和として制御する。 非対称性を表す関数は、種々の方法及び手段で決定することが可能であり、そ のほとんどの場合において、ガスフロー内に、フローの非対称性を示すガスフロ ー特性の測定が可能であるセンサを周方向に複数配置することが必要である。場 合によっては、システムに十分精通しているのであれば、一つのセンサによって 非対称性レベルを識別することも可能である。 図１に示されるように、本発明の一実施形態によれば、圧縮機の流入口の周囲 に配置された静圧センサ２９のアレイによって、αを 決定することが可能である。静圧センサの出力Ｓａ１−Ｓａｎは、第一空間フー リエ係数即ちＳＦＣ１の算出に用いられる。このＳＦＣ１は、フローの非対称性 の数学的表現である。この非対称性の他の表現は、例えば、空間的にセンサ入力 を平均化して環状領域周辺のセンサ出力の変動の空間二乗平均平方根値（root m ean square: ＲＭＳ）を測定することや、その他のフロー非対称性の有用な数値 化手法によって得ることができる。この実施形態では、αをＳＦＣ１²の大きさ としている。 第２項は、環状平均物質流量の時間変化率、δに比例する。図１に示される実 施形態では、δは、圧力センサ２９からの複数の総圧力信号ＳＴ１−ＳＴＮから 、信号処理装置２６によって算出される。また、信号処理装置２６は、環状平均 フローの時間変化率を算出する。特に、圧縮機の種々のフロー特性が適切なもの であれば、平均質量流量を示す信号を得るために、プローブ（測定子）を用いる こともできる。実際のセンサの配列や、圧縮機のガスフロー特性の測定方法は、 フロー測定における当業者により用いられている種々の測定技術のいずれを用い てもよい。例えば、高温ワイヤアネモメータ即ち風速計、軸方向に離間した静圧 差分タップ（differential static pressure taps）等が挙げられる。 信号処理装置２６は、Ｋ₁α，Ｋ₂δのそれぞれを加算して、Ａｃｏｎ、即ち所 望のブリードバルブ開放エリアを求める。ゲイン定数Ｋ₁，Ｋ₂は、周知の制御手 法により、圧縮機と制御信号との間の特定の物理的及び数学的関係に基づいて選 択される。特に、Ｋ₁は常に正であるが、Ｋ₂は負の値ともなり得る。 通常の圧縮機動作の間、ガスフローの非対称性は比較的小さく、環状平均質量 フローは比較的一定であるので、α、δの双方ともに非常に小さく、従ってブリ ードバルブの制御信号は、実質的にブリードバルブを閉鎖させるものとなる。圧 縮機が、ストール制御されていない状態で、ストールラインを越えて動作すると 、フローの非対称性を表す値αは、動作限界レベルにまで上昇する。ストール制 御信号処理装置２６がある場合は、ブリードバルブ２４を開放するように指令し 、圧縮機のガスフロー総量を大きくし、圧縮機の動作性が実際に維持されるよう になる。 信号処理装置２６は、また、環状平均物質流量における摂動の増加を示す信号 をも受ける。これらの摂動は、上記のような制御式ではδで示され、ブリードバ ルブを開放あるいは閉鎖させるようにし、これにより、圧縮機の総フローを調整 して圧縮機の安定性を維持する。 上述した（１）式に示される制御式による、２成分を用いての信号処理による ブリードバルブ動作の効果は、図５、６に明瞭に示される。図５は、可変吐出口 フロー限流を行う装置における、上記制御を行わないときの圧縮機システムにお ける応答特性を示す。限流を行ってフローが絞られ、圧縮機がストール状態に近 づくにつれて、算出されるフロー非対称性即ちＳＦＣ１は、ライン３４で示され る、０付近の正常動作レベルから、Ａにおけるストールの発生時での大きな値Ｃ にまで急上昇している。さらに、大きなヒステリシスが出現している。正常エン ジン動作へと復帰するためには、このようなヒステリシスを抑制する必要がある 。 図６に、上記例と同様の可変吐出口フロー限流を行う装置において、上述した 本発明の実施形態に係る上記信号処理装置２６を用いたブリードバルブ制御装置 を備えたものにおける動作を示す。ストールがＡで発生した場合、図５に示され るように、上記制御動作によって、上述のヒステリシスが除去され、かつフロー の非対称性も非常に抑えられていることが示される。絞りを図６のＡで示される 位置に開くことで、サージの発生後即座に、あるいはサージを予測したうえで、 正常のエンジン動作に復帰することができる。ガスガービンエンジンでの実際の 軸流フロー圧縮機の動作では、上記２ターム制御式によるブリード制御システム は、圧縮機セクションにおける最初のストールまたはサージパターンの出現及び 成長に迅速に応答して、ブリードバルブを開き、これにより、不安定性の成長を 制御し、エンジンの動作を安定状態に維持する。 また、上述した制御式で、第１項、第２項に加えて、第３項を上記制御式に追 加してもよく、この第３項は、圧縮機の動作において非対称性フローが所定のし きい値を超えた場合に、ブリードバルブ２４を開く。この追加される積分項は、 Ｋ₃∫(α_k−α₁)dt|₀ ^amaxとして示される。ただし、α_kはフローの非対称性にお ける所定のしきい値、α₁は瞬間フロー非対称性、Ｋ₃はゲイン定数、ａ_maxはブ リードバルブ最大開放領域を示す。 上述したように、追加された積分項は、最低値が０で最大値がａ_maxとなる。 従って、αがα₁より大きい場合、積分項の値が０未満となることはない。また 、Ｘ₁がα_k1よりも大きい場合、積分項はａ_maxよりも大きい値をとることはない 。本発明の実施形態では、 周知の“アンチ−ウインドアップ（anti-windup）”制御ロジックを用いること で、上記制限がなされる。 この第３の積分項は、少量のフロー非対称性が常に存在することを示すもので ある。ここでの少量のフロー非対称性は、常に存在するとともに、圧縮機が適切 に動作している状態で、ストール状態に近づいて行くにつれてモノトースリー(m onotosly)に増加していく。α_kとα₁との差を用いることで、この項は、所望の 最小ストールマージンを示すように選択されたしきい値α_kよりも瞬間フロー非 対称性が大きくなったときにのみ、補正信号を与えるようになる。上述したよう に、フロー非対称性は、種々の方法により測定可能であり、その一つが上述した ＳＦＣ１計算である。本実施形態で用いられている、積分項をも用いた制御式を 下記（２）式に示す。 Ａcon＝K₁α₁＋K₂δ＋K₃∫(α_k−α₁)dt|₀ ^amax …（２） ただし、αは瞬間フロー非対称性、δは環状平均質量流量の時間変化率、Ｋ₁ ，Ｋ₂，Ｋ₃は、ゲイン定数、α_kは非対称性に対する所定のしきい値、ａ_maxはブ リードバルブ最大領域である。 動作時には、制御多項式におけるこれらの３つの項は、たとえストールが生じ る寸前であるというような極端な条件下であっても、圧縮機内のストール及びサ ージの発生の減少に非常に効果がある。圧縮機における瞬間フロー条件に対応す る第１、２項と、ストールマージンが減少された状態（即ち非対称レベルのしき い値より上の状態）で圧縮機が作動している期間と、を組み合わせることで、圧 縮機は非対称性のしきい値レベルα_k以下の状態で動作するようになる。その結 果、図７に示されるように、圧縮機の動作性及び安定 性が大きく向上する。従って、ストールマージンレベルは、コントローラによっ て最小となるようにされる。このコントローラは、制御不能なストールラインを 超えての動作を禁止するので、本発明の実施形態にかかるコントローラは、上述 した２つの項を用いた制御に比較すると、アクチュエータ動作帯への要求(actua tor bandwith requirements)が非常に小さくなって、圧縮機の動作性が大きく向 上している。 図７に示されるように、３つの項を用いたコントローラでは、ライン３６に示 されるように、吐出フロー制限や擾乱のレベルにかかわらず、非対称性のレベル が特定のレベルα_kを超えることはない。本発明における、この３つの項を有す る制御式に基づいたコントローラを用いると、理論的には、図１の試験システム においては、実質上ストールが生じることはない。 図２Ａ，Ｂに、軸流圧縮機の流入口における二つの状態を示す。なお、各図で は、圧縮機をディスク３０として概略的に示した。図２Ａは、軸方向のフロー内 に、パフォーマンスをあまり低くすることのない、非対称性が少量存在する状態 を示す。 図２Ｂに、同じ圧縮機において、パフォーマンスを低下させる回転ストールが 存在する状態を示す。回転ストールは、ストールに関連するものであり、瞬時的 に表すと、図３Ａのようになる。このパターンは、軸を中心に回転し、空間的に 繰り返される、一様ではない圧力パターンを生成する。図４には、静圧センサ２ ９のための、周方向に異なる８つの位置からの静圧における非定常成分を示す。 この図は、圧縮機の−４〜＋６の回転における回転ストールを示し、 通常の回転ストールの発生時における周方向の位置を示すように、それぞれオフ セットされている。特に、各ライン３２の周期特性において、各周方向位置にお いて記録された圧力の位相差に沿って、回転パターンが示されている。さらに、 ロータが数回転するまでに、圧縮機の状態は、非対称フローから完全に成長した ストールへと遷移した。 図１のシステムでは、システムが回転ストール状態に近づくように、制限バル ブ１０を閉じてもよい。図３Ａは、回転ストール時におけるｎ静圧センサ２９か らの環状領域周囲の静圧のマップを示す。この空間パターンは、いくつかのフー リエ係数に解くことが可能であり、これにより、ｎ調和波形のサインθ、コサイ ンθのパターンに関連する成分の振幅が特定される。周期パターンであれば、い ずれも容易にそのフーリエ成分に解くことができることは周知である。図３Ｂ， Ｃに、第１及び第２フーリエ空間調和成分に関連する波形を示す。 図１１Ａ−Ｃに、回転ストールへの典型的な遷移状態における第１、第２、第 ３調和成分（ＳＦＣ１，ＳＦＣ２，ＳＦＣ３）の値を示す。本発明の好適実施形 態では、第１調和成分の値の二乗が用いられており、図１１Ａに示されるように 、制御がなされない場合には、｜ＳＦＣ１｜の値は、圧縮機が数回転するとその 最大値に達することが示される。上述した本発明のどの実施形態においても、図 １１Ａの信号の値に応答するようになっているので、ストールコントローラがあ る場合には、非対称性の値は、常に実質的に低いレベルにあり、ヒューリスティ ックな意味から、即ち発見的な見地にお いては、パフォーマンスを低下させる回転ストールは出現することはない。何故 なら、ストールセルが成長するに十分に回転するまでには、コントローラが作動 して、フロー擾乱を抑えるに十分なまでにブリードバルブを開くからである。 図８に、本発明を適用することが可能な、現在の高バイパスガスタービンエア ロエンジン４０を示す。このエンジンは、通常、デジタルコントローラ（Full A uthority Digital Electronic Control：ＦＡＤＥＣ）４２によって制御される 。このＦＡＤＥＣは、エンジンへの燃料フロー量を、パワーレバーアドバンス（ Power Lever Advance：ＰＬＡ）及びその他のエンジン動作条件、例えばＮ１、 ファン４４の速度、及び圧縮機速度Ｎ２等、の関数として制御する。吸入口温度 や外気圧等のその他のパラメータを用いて燃料フローを調整することも可能であ る。エンジンは、圧縮機ブリードバルブ４８を有する。互いに異なる圧縮機段に おいてこれらのバルブを設けることも可能である。これらのバルブは、多くの目 的で用いられている。 この例では、エンジンは、複数の静圧センサ５０を、高圧圧縮機の直前で、互 いに軸方向に離間した二つの位置に設けている。図９に、これらのセンサのとり うるレイアウトを示す。この図では、上流側静圧センサを５２で示し、下流側静 圧センサを５３で示す。圧縮機ブレード（ロータブレードを一つだけ示している ）は、５４で示され、これらはディスク５６に設けられている。センサ２８、２ ９は、信号処理装置（ＳＰ）４９に信号Ｓａ１−Ｓａｎ、Ｓｂ１−Ｓｂｎを送る 。信号処理装置４９は、サーボ制御ブリードバルブ４ ８を制御するためのブリード制御領域信号Ａｃｏｎを生成する。上記信号処理装 置は、コンピュータ、メモリ、入出力デバイスを有して、図１０に示される、以 下に説明する制御ステップを実行する。 上述したように、ブリードバルブの開口度や領域は、α（|ＳＦＣ１|²）の大 きさ、圧縮機フローの環状平均時間変化率の値δから、所望の制御安定性に応じ て決定される。また、この制御関数（Ａｃｏｎ＝Ｋ₁α＋Ｋ₂δ）に、上述の積分 項を追加することも可能である。その一例として、図１０に、静圧アレイから上 記第１項及び第２項をＶ１，Ｖ２として生成する概略機能ブロック図を示す。こ の概略機能ブロック図は、上述した、｜ＳＦＣ１｜の予め選択された設定値と実 測値との差の積分値を用い、かつ、その積分値を最大レベルと最小レベルとの間 に制限している。 環状平均静圧は、出力Ｓａ１−Ｓａｎ、Ｓｂ１−Ｓｂｎの関数であり、これら の出力は、帯域フィルタによりフィルタリングされる。好ましくは、フィルタ範 囲は、ロータの回転周波数の０．０１〜１倍のオーダーとする。図示のように合 計された出力は、物質流量（総フロー）の時間変化率を示す。Ｖ２の値を得る為 に、上記合計値には、ブロック５３においてスケーリングファクタ即ち乗算定数 Ｋ２が乗算される。 静圧信号Ｓｂ１−Ｓｂｎは、ＳＦＣ計算ブロック５８で用いられ、ＳＦＣ１の 実数値及び虚数値が算出される。このＳＦＣ値（spatial Fourier coefficient ）は、周知の数学的手法を用いて解かれて、圧力パターン［例えば図３ＡのＰ（ θ）］がその調和成分へが導かれる。ただし、この実施形態では、第１調和成分 ＳＦＣ１のみが用 いられる。ＳＦＣ１の実数成分及び虚数成分は、フィルタ５７にかけられて実数 値Ｒ１と虚数値Ｉ１信号が得られ、これらの値は、｜ＳＦＣ１｜の値の決定に用 いられる。 ブロック５９における計算によって、｜ＳＦＣ１｜の値が決定し、この値は、 加算ジャンクション６０に送られる。｜ＳＦＣ１｜は、ブロック６０において、 設計値（｜ＳＦＣ１｜_des）に加算され、ブロック６２においてＫ４からのフィ ードバック値がさらに加算され、その後にブロック６４において積分される。ブ ロック６４における積分結果は、最小／最大リミッタ６６に入力される。Ｖ４と Ｖ５との間の差は、加算機（summer）６７で算出され、その結果のエラーまたは 差は、ブロック６３でＫ４が乗算された後に加算機６２へと送られる。この加算 機６２では、積分機６４への入力が小さくされ、これにより、Ｖ４の実際の値が 制限値を超えることがないように、Ｖ４の大きさが小さくされる。このことが、 上述したようなアンチ−ウインドアップ機能として作用する。 Ｖ５の値は、ブロック６９でＫ３が乗算されてＶ６の値が得られる。この第３ の値Ｖ１は、指令されたブリード領域の生成に用いられ、かつ、｜ＳＦＣ１｜か ら算出される。即ち、ブロック６８で｜ＳＦＣ１｜を二乗し、ブロック７０で係 数Ｋ２を乗算することで算出される。Ｖ１，Ｖ２，Ｖ６は、７３で加算されて、 ブリードバルブ４８を駆動するためのアクチュエータ信号Ａｃｏｎが得られる。 以上、本発明を例示的実施形態に基づいて説明したが、当業者には、本発明の 趣旨及び範囲を逸脱することなく、上述した特徴、要素、機能等に、種々の変更 、付加、組み合わせを行うことが可能で あることはいうまでもない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，Ｂ Ｇ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ギスリング，ダニエル エル. アメリカ合衆国，コネチカット 06040, マンチェター，バックランド ヒルズ ド ライヴ 299，アパートメント ナンバー 19332 (72)発明者 ネット，カール エヌ. アメリカ合衆国，コネチカット 06084, トールランド，パイン ヒル ロード 64 (72)発明者 ワング，ファ オー. アメリカ合衆国，コネチカット 06279, ウイリィングトン，シザー ロード 80, アパートメント 96

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧縮機のコントローラにおいて、 圧縮機のフロー軸の周囲の流体フロー通路での流体のフロー特性を検出して、 前記流体のフローの周方向における非対称性を表す第一の信号を生成する第一の 手段と、 前記フロー通路内の前記流体の質量流量の時間変化率を表す第二の信号を供給 する第二の手段と、 前記第一の信号に基づいて前記周方向の非対称性の大きさを表す値を有した第 一の処理信号を供給する手段と、前記第一の処理信号に前記第二の信号を加えて 制御信号を生成する手段と、をそれぞれ備えた信号処理手段と、 前記制御信号の大きさの関数として前記流体フローを調整する第三の手段と、 を有することを特徴とするコントローラ。 ２．前記第一の処理信号は、前記周方向の非対称性を、第１空間フーリエ係数 を用いて表していることを特徴とする請求項１記載のコントローラ。 ３．前記第一の処理信号は、前記周方向の非対称性を、第１空間フーリエ係数 の二乗により表していることを特徴とする請求項２記載のコントローラ。 ４．前記第一の手段は、前記フロー通路の周囲にそって設けられた複数の静圧 センサを有することを特徴とする請求項２記載のコントローラ。 ５．前記第二の手段は、前記フロー通路に設けられた総圧センサを有すること を特徴とする請求項３記載のコントローラ。 ６．前記信号処理装置は、前記第一の処理信号の積分値を表す第二の処理信号 を供給する手段と、前記第一の処理信号と前記第二の処理信号と前記第二の信号 とをそれぞれ加えて前記制御信号を生成する手段と、を有することを特徴とする 請求項１記載のコントローラ。 ７．前記信号処理装置は、前記第一の処理信号と前記第一の処理信号の格納値 との差の積分値を表す第二の処理信号を供給する手段と、前記第一の処理信号と 前記第二の処理信号と前記第二の信号とをそれぞれ加えて前記制御信号を生成す る手段と、を有することを特徴とする請求項１記載のコントローラ。 ８．前記信号処理装置は、前記積分値が第一の範囲よりも小さいときには、前 記第二の処理信号の値を０以上である一定の最小値とし、前記積分値が第一の範 囲よりも大きいときには、前記第二の処理信号の値を一定の最大値とすることを 特徴とする請求項７記載のコントローラ。 ９．前記第一の処理信号は、前記周方向の非対称性を第一空間フーリエ係数を 用いて表していることを特徴とする請求項６記載のコントローラ。 １０．前記第一の信号値は、前記非対称性を表す値の二乗値により表され、 前記信号処理手段は、前記周方向の非対称性を表す値と前記周方向の非対称性 を表す値の格納値との差の積分値を表す第二の処理信号を供給する手段と、前記 第一処理信号と前記第二処理信号と前記第二の信号とをそれぞれ加えて前記制御 信号を生成するための手段と、を更に有することを特徴とする請求項１記載のコ ントローラ。 １１．前記第一の処理信号は、前記周方向の非対称性を表す第一空間フーリエ 係数であることを特徴とする請求項１０記載のコントローラ。 １２．前記第一の手段は、前記フロー通路に周方向に沿って設けられた複数の 静圧センサを含むことを特徴とする請求項１１記載のコントローラ。 １３．前記第二の手段は、前記フロー通路に設けられた総圧センサを含むこと を特徴とする請求項１２記載のコントローラ。 １４．圧縮機のコントローラにおいて、 圧縮機のフロー軸に関する周方向の各位置における静圧を表す第一のフロー信 号をそれぞれ生成する、第一のプローブ手段を複数有し、 前記フロー通路内の前記液体の物質流量の時間変化率を表す第二のフロー信号 を供給する第二のプローブ手段を有し、 信号処理手段を有し、この信号処理手段は、前記第一のフロー信号に基づいて 前記圧縮機のフロー軸に関する周方向の非対称性の大きさを表す値を有した非対 称性信号を供給する手段と、前記値の二乗を表す第一の処理信号を供給する手段 と、前記第一の処理信号と前記第二の信号との和を表す制御信号を生成する手段 と、をそれぞれ備え、 前記圧縮機内の質量流量の大きさを前記制御信号の大きさの関数として変化さ せることで、前記非対称性信号の値を減少させるための手段を有することを特徴 とするコントローラ。 １５．前記信号処理手段は、 前記非対称性信号の所望の大きさを表す第一の値を格納するための手段と、 前記非対称性信号の値と前記第一の値との差を表す処理エラー信号を供給する ための手段と、 前記処理エラー信号を積分することで積分信号を供給するための手段と、 前記第一の処理信号と前記第二の信号と前記積分信号との和の大 きさを前記制御信号の大きさとして与える手段と、をそれぞれ有することを特徴 とする請求項１４記載のコントローラ。 １６．前記信号処理手段は、前記処理エラー信号を積分して前記積分信号を供 給することで、第二の処理信号を供給し、かつ、前記第二の処理信号の大きさに 基づいて、あらかじめ格納された二つの格納値の一方を選択するための手段を更 に有することを特徴とする請求項１５記載のコントローラ。 １７．前記非対称性信号は、前記第一の空間フーリエ係数の大きさを表すこと を特徴とする請求項１６記載のコントローラ。 １８．ガスタービンエンジンにおいて、 前記エンジンの圧縮段の流入口内での圧縮機のフロー軸の周囲のフロー通路で のエアフローを検出して、前記エアフロー通路の周方向でのそれぞれ異なった位 置における複数の静圧信号を生成するための第一の手段を有し、 前記エアフローの質量流量の時間変化率を表す第二の信号を供給するための第 二の手段を有し、 信号処理手段を有し、この信号処理手段は、前記静圧信号に基づいて前記軸に 関する前記エアフローの周方向の非対称性の大きさを表す値を有した非対称性信 号を供給するための手段と、前記非対称性信号の二乗を表す第一の処理信号を供 給するための手段と、前記第一の処理信号に前記第二の信号を加えて制御信号を 生成するため の手段と、をそれぞれ備え、 前記制御信号の大きさの関数として前記物質流量を調整することで、前記非対 称性信号の値を減少させるための第三の手段を有することを特徴とするガスター ビンエンジン。 １９．前記信号処理手段は、 前記非対称性信号の値と前記非対称性信号のための格納値との間の差の積分値 を表す第二の処理信号を生成するための手段と、 前記第一の処理信号と前記第二の処理信号と前記第二の信号との和を表す値を 前記制御信号に与えるための手段と、 前記格納値を格納するための手段と、を有することを特徴とする請求項１８記 載のガスタービンエンジン。 ２０．前記第二の処理信号は、前記積分信号がしきい値より低いときには第一 の値をとり、前記積分信号が前記しきい値より大きいときには第二の値をとるこ とを特徴とする請求項１９記載のガスタービンエンジン。 ２１．圧縮機流入口を備えた回転圧縮機と、エンジン制御装置と、を有するガ スタービンエンジンにおいて、 前記圧縮機流入口の周囲に設けられてその設置位置における静圧信号をそれぞ れ供給する、複数の静圧センサと、 前記圧縮機内の平均総フローを表す総圧信号を供給するための総圧センサと、 を有し、 前記エンジン制御装置は、各静圧信号及び前記総圧信号を受けて、前記静圧信 号から得られるフロー非対称性を第１フーリエ空間係数により表すフロー非対称 性信号を供給するための信号処理装置と、前記非対称性信号の二乗を表す第一の 処理信号を供給するための手段と、前記総圧の時間変化率を表す時間変化率信号 を供給するための手段と、前記第一の処理信号と前記時間変化率との和を表す制 御信号を供給するための手段と、をそれぞれ備え、 さらに、前記第一の信号の大きさを減少させるために前記制御信号の大きさの 関数として圧縮機フローを吐出させる、圧縮機ブリードバルブを有することを特 徴とするガスタービンエンジン。 ２２．圧縮機流入口を備えた回転圧縮機と、エンジン制御装置と、を有するガ スタービンエンジンにおいて、 前記圧縮機流入口の周囲に設けられてその設置位置における静圧信号をそれぞ れ供給する、複数の静圧センサと、 前記圧縮機内の平均総フローを表す総圧信号を供給するための総圧センサと、 を有し、 前記エンジン制御装置は、各静圧信号及び前記総圧信号を受けて前記静圧信号 から得られるフロー非対称性を第１フーリエ空間係数により表すフロー非対称性 信号を供給するための信号処理装置と、前記フロー非対称性信号の所望の大きさ を表す第一の値を格納するための手段と、前記非対称性信号の二乗を表す第一の 処理信号を供給するための手段と、前記非対称性信号と前記第一の値との差を表 す第二の処理信号を供給するための手段と、前記総圧信号の時間変 化率を表す微分信号を供給するための手段と、前記第二の処理信号を積分して積 分信号を生成するための手段と、前記第一の処理信号と前記微分信号と前記積分 信号の和を表す制御信号を供給するための手段と、を有し、 前記第一の信号の大きさを減少させるように、前記制御信号の大きさの関数と して圧縮機フローを吐出させる圧縮機ブリードバルブを有することを特徴とする ガスタービンエンジン。 ２３．回転圧縮機内の圧縮機流体フローを制御するための方法において、 前記流体フローの周方向に沿った位置における圧縮機流体フローの静圧を検出 して、第一のフロー信号を生成し、 軸流物質流量を検出して、フロー通路内の前記流体の物質流量の時間変化率を 表す第二のフロー信号を生成し、 前記第一の信号に基づいて、前記軸の周囲の前記流体フローの周方向における 非対称性の大きさを表す値を有する第一の処理信号を供給し、 前記第一の処理信号に対して前記第二の信号を加えて制御信号を生成し、 前記制御信号の大きさの関数として前記物質流量の大きさを変えることで、前 記第一の処理信号の値を小さくすることを特徴とする方法。 ２４．前記第一の処理信号は、前記周方向の非対称性の大きさの 二乗を表すことを特徴とする請求項２３記載の方法。 ２５．前記周方向の非対称性の大きさは、第一空間フーリエ係数であることを 特徴とする請求項２４記載の方法。 ２６．前記第一の処理信号の積分値を表す第二の処理信号を生成し、かつ、前 記第一の処理信号と前記第二の処理信号と前記第二の信号とを加えて前記制御信 号を生成することを特徴とする請求項２３記載の方法。 ２７．前記積分値が第一の数値範囲よりも小さい値であるときは、前記積分値 を０以上の一定値に制限し、かつ、前記積分値が前記第一の数値範囲よりも大き いときは、前記積分値を一定の最大定数値に制限することで、前記第二の処理信 号値を生成することを特徴とする請求項２６記載の方法。 ２８．フロー軸を有するフロー通路を備えた圧縮機を有する圧縮機システムの ストール及びサージコントローラであって、 圧縮機を流通するフローを監視する手段を有し、この手段は、 前記圧縮機のフロー通路内を流通する流体の周方向の非対称性を検出して、こ の非対称性の大きさに対応するパラメータａを生成する手段と、 前記圧縮機のフロー通路を流通する物質流量の時間変化率の摂動を検出して、 前記摂動のサイズに対応するパラメータｄを生成する 手段と、 アクチュエータ手段と、を有し、 前記アクチュエータ手段は、以下の式 Ａ＝ｋ₁α＋ｋ₂δ ただしＡは前記アクチュエータシステムにより生成されるフロー乱れの 量に対応し、ｋ₁は非対称性パラメータαに対する所定のゲイン、ｋ₂は物質流量 擾乱時間変化率パラメータδに対する所定のゲインを表す を含んだ制御式に従って、前記パラメータａとパラメータｄとの和に応答して 前記圧縮機のフロー通路内のフローフィールドを調整することを特徴とするコン トローラ。 ２９．前記非対称性パラメータａは、前記圧縮機のフロー通路内のフロー特性 の周方向非対称性の第一空間フーリエ係数（｜ＳＦＣ１｜）の大きさの二乗であ ることを特徴とする請求項２８記載のコントローラ。 ３０．前記制御式は、α_kをαの格納値、ｋ₃を所定のゲインとして、Ａ＝k₁α ＋k₂δ＋k₃∫(α_k−α)dtであることを特徴とする請求項２８記載のコントロー ラ。 ３１．前記Ａには、α_kをαの格納値、ｋ₃を所定のゲインとして、積分項k₃∫ (α_k−α)dtが加えられ、かつ、前記積分項は、所定の最小値と所定の最大値と が設定されていることを特徴とする請求項 ２８記載のコントローラ。 ３２．前記αの値は、前記積分値と前記所定の最大値との差を減少させるよう に調整されることを特徴とする請求項３１記載のコントローラ。