JPS5941012B2 - ガスタ−ビンエンジンの燃料制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジンに関し、特に幾つかのエ
ンジン作動変数に応じて加速スケジュールを修正する方
法と装置に関する。

ジェットエンジンの運転制御装置において、圧縮機の失
速のおそれを無くするためにロータ加速燃料の量を制限
することが普通である。

これは一般に、失速を起こさない圧縮比を保ち且つそれ
に従って燃料流量を制御する圧縮機能力を決定する諸因
子を検知する制御手段を用いて加速燃料スケジュールを
維持することによって行われる。

この加速燃料スケジュールは、エンジンの失速または過
度の温度を発生させる過度の加速の防止に加えて、所定
の加速時間に応じてエンジンの加速ができるようにしな
げればならない。

それ故この燃料スケジュールは安全限度を超えない限り
できるだけ高い程度まで高められる。

加速燃料スケジュールの維持において、当業者に広く容
認されている一変数は燃料流量（ＷＦＭ）対圧縮機排出
圧（ＣＤＰ）の比である。

この変数の使用は、はとんどのターボジェットエンジン
、および適量の圧縮機抽気と動力抽出が要求され且つ飛
行高度がある程度制限されているようなターボファンエ
ンジンにおいて極めて有効である。

しかし、多量の抽気（圧縮機出口抽気または圧縮機段間
抽気）をしながら運転する必要のあるエンジンの場合、
基準に合うよう設計されたＷＦＭ／ＣＤＰ加速スケジュ
ールは、ある飛行状態において所望量の軸動力抽出を許
容せず、また所要の加速時間に適合しない。

事実−ト、圧縮機抽気と軸動力抽出の組合せによっては
、エンジンは加速不能になりやすく、あるいは圧縮機抽
気と軸動力抽出が共に増すにつれエンジンの減速が生じ
うる。

高い動力抽出と短い加速時間の性能を得るため従来様様
の解決策が提案されてきた。

圧縮機作動線を下げるようにサイクルを設計することが
できるし、あるいは比較的高い失速線、従って比較的高
い加速スケジュールに対して圧縮機を設計することがで
きる。

しかし、これらはいずれも全性能の劣化をもたらす。

他の方策によれば、抽気レベルが低い時に失速マージン
（余裕）の損失が生じるように加速スケジュールを高い
圧縮機抽気レベルに対して設計することができる。

しかしこれは低抽気の期間中許容し得ない過渡的な失速
マージン損失をもたらす。

さらに他の方法では一定の抽気を行うように加速スケジ
ュールを高い圧縮機抽気レベルに対して設計することが
でき、抽出された空気は利用されるかまたは外に捨てら
れる。

しかし不用空気を外に捨てることは厳しい性能劣化を招
（。

圧縮機抽気が圧縮機の失速マージンを増加することは周
知である。

しかし、エンジンは失速マージンが最小の期間中安全に
作動するよう設計される必要があるので、加速スケジュ
ールは一般に無抽気状態と両立するように選定される。

圧縮機空気の抽気は失速マージンを増加するので、この
ような抽気状態で作動するエンジンは、加速中でさえ、
安全運転に要する失速マージン特性を超過する失速マー
ジノ特性を有する。

従って、本発明の目的は、多大な軸動力抽出と圧縮機抽
気を同時に行いながら高い高度で運転するに適するエン
ジン用のエンジン制御装置を提供することである。

本発明の他の目的は、様々な飛行状態で所定の軸動力抽
出と加速時間の要件に適合する加速スケジュールを提供
することである。

本発明の他の目的は、圧縮機から空気が抽出される期間
中の加速性能を高めることである。

上記の目的および他の特徴と利点は以下の例示的な説明
から一層明らかとなろう。

要約すると、本発明の一態様によれば、圧縮機抽気を検
知し、加速燃料スケジュールをこの検知された抽気の量
に比例してバイアスすることによって、その運転中の加
速性能を高める。

エンジンの圧縮機抽気の増加に伴って圧縮機失速マージ
ンの利得が生じるので、利用可能な軸動力抽出の量また
はロータ加速トルクの量は、加速燃料スケジュールを検
知抽気量の関数として増量することによって最大となる
。

もちろん、加速燃料スケジュールを無制限に増量し得な
いことに留意しなげればならない。

なぜなら圧縮機が高い抽気レベルで失速を起こさなくて
もエンジンの温度が限度を超えてしまうことがあるから
である。

従って、エンジンはタービン温度を制限するための別の
制御回路を備え得る。

本発明の他の態様によれば、圧縮機抽気の程度は、圧縮
機排出静圧（ＣＤＰ）と圧縮機抽気管内の静圧（ＣＢＰ
）を検知し、そして両静圧の比を取って抽気流行性を
導き出すことによって、近似的に求められる。

次に、前記の抽気流行性に乗数を掛けることによって、
所望の加速燃料スケジュールを増量するためのバイアス
信号を得ることができる。

失速マージン利得を消費するに十分なだけの増量をなす
ことによって、圧縮機抽気量の冬季にかかわらず圧縮機
線図に一定の加速軌道が維持される。

本発明は圧縮機出口抽気の補償に関して説明されるが、
圧縮機段間口からの抽気にも等しく適用し得る。

抽気を圧縮機段間から導出する場合は、加速スケジュー
ル乗数の計算に際して、その場合の適用可能な段の排出
圧を抽気管静圧と組合わせて用いる。

次に本発明の好適実施例を添付の図面によって説明する
。

もちろん、この実施例に対して本発明の範囲内において
様々な改変や代替構成が可能である。

第１図において、ターボファンエンジン１１に適用され
た場合の本発明を総括的に１０で示す。

エンジン１１はファンロータ１２とコアエンジンロータ
１３を含む。

ファンロータはその前端部に複数のファン動翼１４を有
し、その後端部に低圧タービンまたはファンタービン１
６を有する。

このタービンは周知の仕方でタービン軸１γを介してフ
ァン動翼を駆動する。

コアエンジンロータ１３はその前端部に圧縮機１８を有
し、その後端部に動力タービンまたは高圧タービン１９
を有スる。

このタービンは圧縮機軸２１を介して圧縮機を駆動する
。

圧縮機とタービン１９０間には燃焼器２２が存し、燃料
を空気流と混合してその混合気に点火し、その結果熱エ
ネルギが発生する。

運転中、空気は空気人口２３からガスタービンエンジン
１１にはいる。

この入口はファンロータ１２を囲むカウリングまたはナ
セル２４によって画成される。

入口２３に流入した空気はファン動翼１４０回転によっ
て圧縮され、その後、ファンダクトケーシング２４とコ
アエンジンケーシング２７によって画成された環状流路
２６と、コアエンジンケーシング２７によって外側境界
を画成されたコアエンジン流路２８とに分流する。

コアエンジン流路２８にはいった圧縮空気はさらに圧縮
機１８によって圧縮され、その後燃焼器２２内で高エネ
ルギ燃料と共に点火される。

その結果化じた高エネルギガス流は高圧タービン１９を
通って圧縮機１８を駆動し、さらにファンタービン１６
を通過してファン動翼１４を駆動する。

次にガス流は主ノズル２９から噴出して、当業者に周知
のようにエンジンに推進力を与える。

また、環状流路２６からの圧縮空気の放出によって別の
推進力が得られる。

エンジンを調速し、加速度と減速度を制御し、そして高
度と圧縮機入口温度と圧縮機排出圧との変動を補償する
ように、燃焼器２２に向かう燃料流を調整する燃料制御
装置３２を設ける。

この燃料制御装置は圧縮機入口温度（Ｔ２５）とコアエ
ンジン速度（ＸＮＩ（）と圧縮機排出圧（ＣＤＰ）と所
要動力信号人力とに応じて働く。

これらの信号はそれぞれの線３３，３４，３５，３６に
そって伝達される。

もちろん、別の入力信号を燃料制御装置３２に追加して
もよいし、あるいは複数の代替的な信号を用いてもよい
。

例えば、タービン内の過度の温度を防ぐため燃料流を制
限するように、タービンガス温度を表す信号を燃料制御
装置に与えるのが普通である。

他の例として、前述のようにコアエンジン速度を検知す
る代わりに、ファン速度を検知してその表示信号を燃料
制御装置に加えてもよい。

いずれの場合にも、燃料制御装置３２は、線３７にそっ
て伝達された信号によって燃焼器２２への燃料流を調整
するよう作用する。

本発明は、ある運転期間中に改良性能特性を得るように
加速燃料流量スケジュールを修正することに関するもの
である。

この改良は、ある複数のエンジン作動変数を表す信号を
受け、そして合成信号を線３９にそって燃料制御装置３
２に送り、それに従って燃料スケジュールを修正するよ
うなバイアス装置３８を包含する。

本発明の目的の達成に望ましいことは、バイアス装置３
８が圧縮機から抽出される空気の量に応じて働き得るこ
とである。

この抽気量は圧縮機排出静圧（ＣＤＰ）対抽気管内静圧
（ＣＢＰ）の比によって表され得る。

それ故これらの信号はエンジン内で検知され、その表示
信号はそれぞれの線４Ｌ４２にそって伝達される。

バイアス装置３８０機能は次に詳述のとうりである。

第２図は、定常運転期間と加速運転期間に対する典型的
なガスタービンエンジンの圧縮機線図表示す。

いずれの期間についてもある量の圧縮機抽気を行う場合
と抽気を行わない場合を示しである。

線Ａは圧縮機から空気が抽出されない時の定常状態作動
線を表す。

線Ｂは圧縮機抽気を行わない場合の加速期間中のエンジ
ンの作動を表す。

この場合ロータ加速トルクは増加し圧縮機失速マージン
は減少する。

エンジンが常にその性能の範囲内で作動することを確保
するため、エンジンは、圧Ｍ機抽気が無い加速期間中所
与量の圧縮機失速マージンが常に残留するように設計さ
れる。

この必要な失速マージンは第３図に示すように加速スケ
ジュールによって保たれる。

この図では、無抽気の定常運転中の燃料流量は線Ｅで示
され、そして無抽気の加速運転中の燃料流量スケジュー
ルは線Ｆで示される。

再び第２図において、第２の対をなすグラフＣとＤがそ
れぞれ、圧縮機からある量の空気を抽出する場合の定常
運転中および加速中のエンジンの作動を表す。

所与量の圧縮機抽気に対して、失速マージンは定常作動
期間と加速期間のいずれの期間中も増加する。

圧縮機空気の抽出によって生じるこの失速マージン利得
が本発明において性能向上のために利用される。

これを達成するため、燃料流量スケジュールを抽出空気
量の関数として増量し、これにより、利得されたがしか
し安全且つ適当な運転に必要でない失速マージンを消費
する。

もし全失速マージン利得を消費するように燃料スケジュ
ールを高めれば、エンジンは抽気の有無にかかわらず圧
縮機線図上の同じ加速軌道を追従することになる。

定常運転期間と加速期間に対する増量燃料スケジュール
はそれぞれ第３図においてグラフＧ、Ｈで示される。

第４図はバイアス装置３８が所望の仕方で加速スケジュ
ールを修正するようにエンジン制御装置内に連結された
状態を示す概略図である。

燃料制御装置３２は、典型的なＷＦＭ／ＣＤＰ加速燃料
スケジュールを得るため、圧縮機速度（ＸＮＨ）と圧縮
機入口温度（Ｔ２５）と圧縮機排出圧（ＣＤＰ）を含む
エンジン作動変数を表す信号を受入れる。

同時に、圧縮機排出静圧（ＣＤＰ）と抽気管内静圧（Ｃ
ＢＰ）が検知され、両信号を従来型の除算器４３に加え
ることによって両静圧の比が得られる。

その結果生じるＣ ＤＰ／ＣＢ Ｐ信号は圧縮機から抽
出される空気の量を表す。

特に、この比は圧縮機油気流比率（ＷＢ／Ｗ２５、ただ
しＷＢは抽出空気量に等しく、Ｗ２５はコアエンジン空
気流量を表す）に極めて密接に対応することがわかって
いる。

次にＣＤＰ／ＣＢＰ信号はバイアス装置３８には℃・す
、そこで適当な修正を施され、その結果加速スケジュー
ルを適当に修正するためのバイアス乗数Ｍが得られる。

■＋定定数正圧縮機抽気比ＷＢ／ｗ２５）に等しい加速
スケジュール乗数が圧縮機線図上に一定の加速軌道を実
質的に維持するということがわかった。

このようにして計算された加速スケジュール乗数は、圧
縮機抽気による定常状態ＷＦＭ／ＣＤＰの増加より大き
い加速スケジュールの増加をもたらす。

すなわち、抽気を行う場合の方が無抽気の場合より高い
動力抽出能力を得ることができる。

従って、バイアス用乗数は所与量の圧縮機抽気に対して
定常状態の燃料流量とバイアスされた加速スケジュール
との間に所望のマージンを保つように適当に修正される
。

以上の説明は航空機ガスタービンエンジンについてなさ
れたが、本発明は船舶用や工業用等の任意のガスタービ
ンエンジン原動機に適用し得るということに注意すべき
である。

すなわち、エンジンに関する以上の説明は本発明を適用
し得る型のエンジンを例示するに過ぎない。

また、本発明の一実施例について詳述したが、当業者に
明らかなように、この実施例に対して本発明の概念を逸
脱することな（様々な改変や代替構成が可能である。

例えば、本発明をターボファンに適用した場合について
説明したが、本発明はターボジェットエンジンにまった
く同様に適用しうるものである。

また、本発明はコアエンジン回転速度に応じた制御方式
以外の制御方式を有するエンジン、例えば、ファンの速
度に応じて制御されるエンジンにも適用しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用しうる型のターボファンエンジン
の概略図、第２図は典型的なターボファンエンジン用の
圧縮機線図であり、圧縮機出口抽気の有無に対して圧縮
機圧力比を圧縮機空気流量の関数として示す。 第３図はターボファンエンジン用の加速燃料変数のグラ
フであり、本発明の抽気バイアスの有無に対して修正燃
料流量を修正速度の関数として示す。 第４図は本発明の好適実施例を典型的なターボファンエ
ンジンに適用した場合の概略図である。 ３２・・・・・・燃料制御装置、３８・・・・・・バイ
アス装置（抽気バイアス乗数スケジュール）、４３・・
・・・・除算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 空気の一部分を抽出し得る圧縮機と、複数のエンジ
   ン作動変数に応答する燃料制御装置とを有する型のター
   ビンエンジン用の改良燃料制御装置であって、（ａ）前
   記圧縮機から抽出される空気の量を検知する手段と、（
   ｂ）加速燃料スケジュールを増量するように前記抽出空
   気量の関数として前記燃料制御装置をバイアスする手段
   とからなる改良燃料制御装置。 ２ 前記検知手段が、抽気段における圧縮機排出圧力を
   検知する手段と、圧縮機抽気管における圧力を検知する
   手段とを含む、特許請求の範囲第１項記載の改良タービ
   ンエンジン。 ３ 前記バイアス手段が、圧縮機抽気比の関数に等しい
   量として加速燃料スケジュールに掛けられる乗数を特徴
   する特許請求の範囲第１項記載の改良タービンエンジン
   。 ４ 複数のエンジン作動変数に応答する燃料制御装置を
   有する型のガスタービンエンジンにおいて燃料流量を調
   整する方法であって、（ａ）圧縮機空気の一部分を抽出
   することと、（ｂ）抽出空気量を検知することと、（ｃ
   ）抽出空気量の関数として加速燃料スケジュールを増量
   することからなる燃料流量調整方法。 ５ 前記抽気検知が圧縮機抽気段排出静圧の検知と、圧
   縮機抽気管内の静圧の検知とを含む特許請求の範囲第４
   項記載の燃料流量調整方法。 ６ 圧縮機空気流から空気が選択的に抽出される型のガ
   スタービンエンジン用の燃料流量調整装置であって、（
   ａ）前記のように抽出された空気の量を検知する手段と
   、（ｂ）燃料流量を増すように抽出空気量の関数として
   燃料流量スケジュールをバイアスする手段とからなる燃
   料流量調整装置。