JPS6045732A - ガスタ−ビンエンジンのサ−ジング回避装置 - 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】 本発明はガスタービンエンジンのサージング回避装置に
関し、特に自動車用ガスタービンエンジンのサージング
発生を運転性能を損なうことなく確実に防止すべく改良
を図ったものである。

ガスタービンエンジン、特に２軸型のガスタービンエン
ジンにおいては、圧縮機を通過する空気流量および圧縮
機の入口と出口との圧力比が同時にある一定の領域内に
入ると、鳴音、振動を伴なうサージングを生じることが
知られてる。サージングが発生すると、エンジンの運転
不能あるいは破損といった重大な不具合をもたらす惧れ
がある。一方、エンジンの効率はサージングが発生する
近傍で最大となることもよく知られており、サージング
を避けつつ、できるだけサージングに近いところで運転
させることがガスタービンエンジンの制御系を設計する
上で最も重要な課題の一つとなっている。

ここで、従来では、特開昭５３−９３２１２号、特公昭
５Ｂ−７０４ｆ１号等に開示されているように、このよ
うなサージングを回避するために、運転条件によって燃
料供給量や可変ノズル開度等の制御量に対し予め定めた
所定の制限を施しておくプログラム制御が行われていた
。しかしながら、このようなプログラム制御においては
、いかなる運転モードにあってもサージングに突入する
ことを回避するために、必要以上に大きなサージングマ
ージンを必要とし、そのために加速性能や効率の点で劣
ってしまうという弊害があった。また、エンジンの経時
変化や液路の詰まり等に起因して、設計時点に定めたサ
ージングマージンが不足してしまい、サージングが発生
するおそれもあった。

ところで、ガスタービンエンジンでは、圧縮機によって
圧縮された空気が、車両を駆動する以外の補助的目的で
利用されることかある。例えば、燃焼器への燃料供給に
際し、圧縮空気によって望ましい燃料噴射を行ったり、
高温にさらされるタービン羽根の冷却を行ったり、さら
に圧縮機に余裕がある場合には、ポンプ、エアコン周圧
縮機９允電機などの補助装置を駆動することがある。

圧縮空気の抽気量は、ガスタービンの設計や使用される
運転条件によってその許容量には制約があるが、圧縮空
気の抽気はガスタービンの運転線に影響を及ぼすことが
知られている。

第１図は、ガスタービンの圧縮機の特性曲線を示すもの
であり、ここで、ガスタービンの運転線、例えば、圧ｌ
ｉｉ機の各回転数における作動点を結んだ曲線Ｗ１とし
て表わされる。ここで、圧縮空気を抽気すると、運転線
は高流量側へ移動し１例えば曲線Ｗ２のようになる。す
なわち、抽気量が多くなると、運転線はサージング線か
ら遠ざかることを意味しており、サージングに入る危険
性は少なくなり、運転は安全になる。ただし、サージン
グ線から遠ざかるので、効率は低下する。

第１図に示した運転線は、定常状態における運転線（定
常運転線）であり、加減速時の運転線（過渡運転線）は
これとは異なる曲線を描く。

第２図は、かかる加減速時の運転線を示したものである
。第２図において、定常運転線がＡ−Ｂであるとすると
、加速時および減速時の運転線は、・それぞれＳｌおよ
びＳ２のような曲線を描く。

加速する場合には、必ず運転線がサージング線の方に寄
って来るため、サージマージンが小さい場合や、過大な
燃料が急に加えられたりすると、ｊ■転線が曲線８１′
　のようにサージング線と交わるようになり、その点で
サージングが起こり、加速を行うことはできなくなる。

しかしながら、圧縮空気の油気を行うことにより、第２
図の定常運転線もサージング線から遠ざかるので、加速
時の運転線についてもサージング線から遠ざけることが
期待される。

そこで、本発明の目的は、このような従来の問題点に着
目して、ガスタービンエンジのサージングを検出し、サ
ージングの程度に応じて圧縮空気の抽気３．をサージン
グを回避できる方向に補正制御するようになし、以って
いかなる運転モードにあってもサージングを確実に回避
できるようにしタカスタービンエンジンのサージング回
避装置を提供することにある。

以下に、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第３図は、本発明を適用したガスタービンエンジンの全
体構成の一例を示す。

本例におけるガスタービンエンジンは、再生式ガスター
ヒンの一形式である熱交換器付２軸ガスタービンエンジ
ンである。

第３図において、１は圧縮機、２はガス発生機軸ＩＡに
対して圧縮機１と同軸に取付けた圧ｌｈ機ツタ−ビンあ
る。３はパワタービンであり、減速機４を介して図示し
ない変速機を駆動し、動力を車輪に伝える。５はエアフ
ィルタであり、大気はエアフィルタ５内に取り込まれて
清浄化され、圧縮機１で圧縮された後、熱交換器８を通
って加熱されて燃焼器７に至る。燃焼器７においては、
燃料供給装置８から供給された燃料が、上述のように熱
交換器６を介して供給された空気により燃焼される。燃
焼カスは、圧縮機タービン２を駆動し、さらに可変ノズ
ル９を介してパワタービン３を駆動した後、熱交換器８
を介して冷却されて、排気マフラ１０から排気として大
気中に排出される。

このように構成される各部を駆動制御する制御系は、制
御部１１を中核となし、燃料供給装置８、パワタービン
の可変ノズル８を駆動する駆動装置１２および圧縮空気
の抽気量を調節する油気バルブ１８を包含するものであ
り、ガス発生機回転速度（Ｎｇｇ）検出器１３．パワタ
ービン回転速度（Ｎｐｔ）検出器１４．圧縮機タービン
入口温度検出器１５．サージセンサ１６およびアクセル
ペダルの踏み角を検出するアクセル開度センサ１７を制
御部１１の入力とする６油気バルブ１８は電磁弁であり
、圧縮機１と熱交換器６とを結ぶ導管１８から分岐して
圧縮空気の油気量を調節する。抽気された圧縮空気は図
示しない補機装置等を作動させるために用いてもよいし
、あるいは単に大気中に開放するようにしてもよい。

ここで、サージセンサ１６は、圧縮機１への空気の入口
側または出口側の圧力、もしくは両者の差圧を検出する
機能を有し、サージングが発生した場合やサージングに
近い状態のときに、圧縮機ｌの空気の入口側と出口側と
の圧力差に大きな変動が生ずることを利用してサージン
グの発生を検出する。

かかる構成のサージセンサ１８の取付位置の一例を第４
図に示す。第４図において、２０１は吸入ケーシング２
０２とシュラウド２０３との間に形成された空気吸入部
である。２０４はシャフト、２０５はシャフト２０４に
取り付けられた圧縮機羽根車（インペラ）である。２０
６はベーン式のディフューザで、このディフューザ２０
６とインペラ２０５との間にはベーンなしディフューザ
（空気通路）２０７が形成されている。インペラ２０５
の入口付近のシュラウド２０３には、小孔２０８を設け
、小孔２０８のインペラ２Ｑ５　と対向する開口側にサ
ージセンサ１６を取付ける。この場合、サージセンサ１
６は、インペラ２０５の入口伺近の圧力（静圧）を検出
する。

なお、サージセンサ１６は、インペラ２０５の出口付近
のシュラウド２０３に設けた小孔２０８におけるインペ
ラ２０５　と対向する開口側に取付けることもできる。

この場合には、サージセンサ１６は、インペラ２０５の
出口付近の空気通路２０７での圧力（〃圧）を検出する
。

なお、サージセンサ１６として使用する圧力センサは、
応答が、例えば１〜Ｉ　Ｑｍｓと速く、サージングが発
生したときの圧力衝撃に耐えうるちのを使用する。

次に上述の制御系の基本的な制御としては、主に回転数
の要求値であるアクセルペダルの踏み角により目標回転
速度を決め、その目標値に対応した燃料供給量を演算し
、燃料噴射弁を含む燃料供給系を駆動することによって
ガス発生機を回転させ、この回転速度が前述の目標回転
速度に一致するようにフィードバック制御（閉ループ制
御）を行う回転制御と、ガス発生機の回転速度に応じて
最も効率が良くなるように予め定めたタービン入口温度
の目標値に対し、可変ノズル８を開閉することによって
タービン入口温度のフィードバック制御を行う温度制御
との２つの制御に加え、さらにガスタービンエンジンの
サージングを検出し、検出したサージングの程度に応じ
て圧縮空気の油気量を補正するサージング回避制御の合
計３つの制御がある。

本発明装置は、サージング回避制御を行うものであり、
その概略ブロック図を第５図に示す。

第５図において、３１はサージ判定部、３２はサージセ
ンサ異常診断部、３３は演算部および３４は抽気バルブ
１８の駆動部である。

サージ判定部３１は、サージセンサ１６からサージング
信号１８Ｓを入力としてサージングの程度を判定し、そ
のサージング判定信号３１Ｓを演算部３３へ送出する。

サージセンサ異常診断部３２は、サージセンサ１６から
のサージング信号＋６３と、ガス発生機回転速度検出器
１３からの回転速度信号１３Ｓとを入力としてサージセ
ンサ１６が正常であるか否かを診断し、正常でない場合
には、サージセンサ異常診断信号３２Ｓを演算部３３へ
送出する。

演算部３３にはサージ判定信号３１Ｓとサージセンサ異
常診断信号３２Ｓとを供給し、サージ判定部３１によっ
てサージングと判定されたときには、サージングを回避
するのに必要な油気量を演算し、その演算結果をサージ
回避信号３３Ｓとして駆動部３４へ送る。

また、サージセンサ異常診断部３２によって、サージセ
ンサＩＢが異常であると診断された場合には、サージ判
定信号３１Ｓに関係なく、定常的にサージングを回避す
るのに必要な油気量を演算してサージ回避信号３３Ｓと
して駆動部３４へ送る。

駆動部３４はサージ回避信号３３Ｓを入力として供給さ
れ、油気バルブ１８を駆動するのに適した信号、例えば
パルス幅変調信号に変換し、この信号を油気バルブ駆動
信号３４Ｓとして油気バルブ１８へ送出する。

第６図は第５図の構成を詳細に示すブロック図である。

サージ判定部３１において、１１１はフィルタであり、
サージセンサ１６からの出力信号１８ｓのうち不要な周
波数帯域を減衰させる。１１２はパックグランドノイズ
レベル（ＢＧＬ）発生器であり、通常はフィルタ１１１
の出力信号１１１Ｓを整流、平滑化しバックグランドノ
イズレベル電圧（以下、ＢＧＬ電圧という）　１１２Ｓ
　として出力する（第８図参照）。また、後述する単安
定マルチパイブレーク１１６からの通電禁止信号１１６
Ｓによってサージングと判定されてから所定の時間だけ
、フィルタ１１１からの信号１１１Ｓをしゃ断させるこ
とによって信号１１２３を出力する。

このＢＧＬ発生器１１２における信号１１１ｓを整流。

平均化するための回路構成例を第７図に示す。ここて、
アナログスイッチＳＷがマルチバイブレーク１１８から
の通電禁止信号１１６Ｓによってサージングと判定され
ていないときには閉成されており、フィルタ１１１から
送出される信号１１１ＳかこのスイッチＳＷを通して半
波整流器＋（ＷＲにより半波整流され、次いでローパス
フィルタＬＰＦに通して平均化した出力を増幅器ＡＭＰ
により増幅してＢＧＬ信号１１２Ｓが形成される。

次に、１１３は比較器であり、フィルタ１１１がらの出
力信号１ｉｘｓをＢＧＬ電圧１１２Ｓと比較し、フィル
タ１１１からの出力信号１１１ＳがＢＧＬ電圧１１２Ｓ
を上回ったときに、第８図に示すサージング検出信号１
１３３を出力する。

ここで、フィルタ１１１からの出力信号１１１Ｓは、サ
ージングの程度に応じて変化し、第８図に示すように、
例えばサージングの強・弱・中の程度に応じて波形１１
１Ｓ−１，ｌｌｌ５−２および１１１ｓ−３のように変
化する。この結果、サージング検出信号１１３Ｓは、サ
ージングの程度に応じてパルスの幅および数が変化し、
例えば、この信号１１３Ｓのパルス幅が広くかつパルス
数が多い場合には強度のサージングが発生していること
になる。

１１４は積分器であり、サージング検出信号１１３Ｓを
比較的急速に充電し低速に放電する。１１５はヒステリ
シス機能を有する比較器であり、この積分器１１４から
の積分信号１１４Ｓ（第８図参照）を所定の電圧ＶＩＩ
Ｓと比較し、積分信号１１４Ｓが所定の電圧Ｖｕｓを上
回ったときに第８図に示すようにサージング判定信号３
１Ｓを出力する。

積分信号１１４Ｓは、サージングの程度を電圧値で対応
させてあり、比較器１１５では微弱なサージング、また
はサージングではないノイズに起因する電圧を所定の電
圧Ｖ　ＩＩｓと比較することによって除去する。この結
果、所定の強度以上のサージングが実質的なサージング
と判定されることになり、サージング判定を極めて正確
にかつ高感度に行うことができる。

１１６は単安定マルチパイブレークであり、サージング
判定信号３１Ｓの立ち上がりから所定のパルス幅を有す
るパルス信号１１８Ｓ　（第７図（Ｅ）参照）を発生し
、サージングと判定された瞬間から所定の時間だけＢＧ
Ｌ電圧の過剰上昇を防止するべくバックグランドノイズ
レベル発生部１１２へこの信号１１６Ｓを禁止信号とし
て出力する。

次に、センサ異常診断部３２において、１３１はフィル
タであり、サージ判定部３１のフィルタと同様に、サー
ジセンサ１６からの出力信号１ｆｌＳから不要な周波数
帯域を減衰させる。＋３２は平均回路であり、フィルタ
１３１からの出力信号１３１ｓを整波して平均化する。

１３３は比較器であり平均回路１３２からの平均信号１
３２Ｓを所定の基準電圧Ｖ１３３と比較し、平均信号１
３２Ｓが基準電圧ｖ１３３を下回ったときに正の出力信
号１３３Ｓを発生する。

１３４は周波数−電圧変換器（ＦＶ変換器）２であり、
前述のＮｇｇ検出器１３からの検出信号を回転速度に比
例した電圧信号に変換し、ガス発生機回転速度（Ｎｇｇ
）信号１３４Ｓとして、比較器１３５へ送る。

この比較器１３５は、前述のＮｇｇ信号１３４Ｓの電圧
が所定の基準電圧Ｖ＋ａｒを上回っているときに正の出
力信号１３５Ｓを発生する。

１３ｆｉはアンドゲートであり、比較器１３３および比
較器１３５の各出力信号１３３Ｓおよび１３５Ｓの論理
積をとり、これらの出力信号１３３Ｓおよび１３５Ｓが
共に正であるときに正となるようなセンサ異常診断信号
３２Ｓを発生する。

ここで、サージングの発生していない条件下では、サー
ジセンサ１６が十分大きな出力信号を発生し得る比較的
小さなガス発生機回転速度に相当する電圧値を基準電圧
Ｖ１１５−の値として与え、一方、基準電圧ｖ１３３の
値を基準電圧Ｖｒｓｙの値以上のガス発生機回転速度の
とき得られる比較的小さな平均信号に相当する電圧値と
して予め設定しておく。

この結果、サージセンサ１８が故障してサージングが発
生しているにもかかわらず、出力信号が十分大きくなら
ないような場合には、このセンサ異常診断部１３０から
のセンサ異常診断信号３２Ｓによってその故障を検出す
ることができる。また、サージセンサ１８の故障だけで
なく、配線の不良やコネクタの接触不良に対しても有効
である。

さらに、センサ異常診断信号３２Ｓをもとに、図示しな
い発光ダイオード等によってサージセンサ１６の異常を
表示し、運転者にサージセンサの異常を報知するように
することもできる。

次に、演算部３３において、＋２１は単安定マルチパイ
プレークであり、サージング判定信号３１Ｓの立ち上が
りから所定のパルス幅を有するサージングパルス信号１
２１Ｓ’（第８図参照）を発生する。

１２２は積分器であり、サージングパルス信号１２１Ｓ
を比較的急速に充電し低速に放電して、積分信号１２２
Ｓ（第７図（Ｇ）参照）として出力する。この積分信号
１２２Ｓは、発生したサージングもしくは発生しかけて
いるサージングを回避するための抽気バルブ１８の開度
に対応している。１２３はアナログスイッチであり、サ
ージセンサ異常診断信号３２Ｓによって、積分信号１２
２Ｓと所定電圧Ｖ　＋２ａとのいずれかを選択し、サー
ジ回避信号３３Ｓとして出力する。ここで、所定電圧１
／　１２５は、定常的にサージングの発生を防止するの
に充分な油気量に対応する電圧である。アナログスイッ
チ１２３では、サージセンサ１６が異常でない場合には
、積分信号１２２Ｓを選択し、サージセンサが異常であ
ると診断された場合には所定電圧Ｖ１２５を選択する。

次に、駆動部３４において、１４１はパルス幅変調器で
あり、油気バルブ１８での開度指令値に相当する直流電
圧であるサージ回避信号３３Ｓをパルス幅変調してパル
ス幅変調（ＰＷＭ）信号１４１Ｓを発生する。１４２は
電力増幅器であり、ＰＷＭ信号１４１Ｓを電力増幅して
、電磁弁である油気バルブ１８を駆動できる油気バルブ
駆動信号３４Ｓを発生する。

抽気バルブ１８は抽気バルブ駆動信号３４５によって駆
動され、サージングが発生した時には、すみやかに油気
量を増大させ、その後サージングが発生しなければ、徐
々に油気量を減少させて元の油気量に戻す。また、サー
ジセンサ１６が異常と診断された場合には、定常的にサ
ージングの発生を抑圧できる比較的大なるゝ抽気量を保
つように駆動される。

サージングが発生しやすいのは、第２図で示したように
加速途上が多いが、サージングを検出し、サージングが
発生したときは、すみやかに油気量を増大することがで
き、ガスタービンの運転線をサージング線から遠ざける
ことができる。運転線がサージング線から遠さかること
により、サージマージンか確保され、サージングがすみ
やかに消失する。その後にサージングが発生しなければ
、油気量を徐々に元の状態に戻すので、過度に効率を悪
化させることはなく、エンジンを継続して運転できる。

また、本発明装置のサージング検出感度は前述のように
充分に高いので、強度のサージングは勿論のこと、軽度
のサージングもしくはサージングの前駆過程を検出でき
るので、常にサージングなしの状態もしくはごく微弱な
サージング状態に制御でき、運転フィーリングを損なう
ことなく効率の良い運転が可能となる。

なお、ガス発生機の加速過程以外の状態、例えば定常状
態において発生するサージングに対しても全く同様にし
て制御できることは勿論である。

また、本実施例では、サージセンサ異常診断部３２、に
おいて、サージセンサ１６の故障懐断を行うようにした
ので、万一サージセンサ１６が故障しでも、これを検出
して圧縮空気の油気量を大きくすることにより、サージ
ングの発生を定常的に抑圧でき、従って、エンジンを破
損させるおそれはない。

また、上側では、圧縮空気を抽気する場所として、圧縮
機の出口と熱交換器の間の場合について説明したが、熱
交換器の出口と燃焼器の間、あるいは燃焼器と圧縮機タ
ービンの間において抽気するようにしても、全く同様に
サージングを回避制御できることは勿論である。

以上説明したように、本発明によれば、ガスタービンエ
ンジンのサージングを検出し、サージングが発生した場
合には圧縮空気の油気量を比較的すみやかに増大させた
後に再び元の状態に徐々に戻すように構成してサージン
グについての閉ループ制御を行うよにしたので、サージ
ングを回避しつつできるだけサージング領域に近い状態
での運転を行うことが可能となり、以ってエンジンを破
損したり運転性を損なうことがなく、加速性に優れた効
率の良い運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はカスタービンの圧縮機の特性曲線図、第２図は
加減速時の運転線を示す特性曲線図、第３図は本発明を
適用したガスタービンエンジンの構成図、第４図は第３
図示のサージセンサの取付位置を示す部分断面図、第５
図は第３図示のサージ回避制御系の一例を示すブロック
図、第６図は第５図に示した制御系の具体例を示すブロ
ック図、第７図は第６図に示したＢＧＬ発生器の一例を
示すブロック図、第８図は第５図に示した各部の信号波
形図である。 １・・・圧縮機、 ＩＡ・・・ガス発生機軸、 ２・・・圧縮機タービン、 ３・・・パワタービン、 ４・・・減速機、 ５・・・エアフィルタ、 ８・・・熱交換器、 ？・・・燃焼器、 ８・・・燃料供給装置、 ８・・・可変ノズル、 １０・・・排気マフラ、 １１・・・制御部、 １２・・・駆動装置、 １３・・・ガス発生機回転速度検出器、１４・・・パワ
タービン回転速度検出器、１５・・・圧縮機タービン入
口温度検出器、１６・・・サージセンサ、 １７・・・アクセル開度センサ、 １８・・・油気バルブ、 １９・・・導管、 ３１・・・サージ判定部、 ３２・・・異常診断部、 ３３・・・演算部、 ３４・・・駆動部、 １１０・・・サージ判定部、 １１１　・・・フィルタ、 １１２・・・バックグランドノイズレベル発生器、１１
３・・・比較器、 １１４・・・積分器、 １１５・・・比較器、 １１６・・・単安定マルチ八イブレータ、１２１・・・
単安定マルチバイブレーク、１２２・・・積分器、 １２３・・・アナログスイッチ、 １３１　・・・フィルタ、 １３２・・・平均回路、 １３３・・・比較器、 １３４・・・ＦＶ変換器、 １３５・・・比較器、 １３６・・・アンドゲート、 １４１・・・パルス増幅変調器、 １４２・・・電力増幅器、 ＋ＢＳ・・・サージング信号、 １２２Ｓ・・・サージ回避信号、 １３５Ｓ・・・サージセンサ異常診断信号。 特許出願人　日産自動車株式会社 代　理　人　弁理士　谷　義　− 第１図 ４齢正泥量

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）圧縮機のサージングの発生を検出するサージ検出手
   段と、該サージ検出手段からの出力に基づき発生したサ
   ージングの強さを判定するサージ判定手段と、圧縮空気
   を油気する油気手段と、前記サージ判定手段からの判定
   出力に基ついてサージングを回避するように前記油気手
   段の油気量を補正する補正手段とを具備したことを特徴
   とするガスタービンエンジンのサージング回避装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記補
   正手段は、前記サージ判定手段からのサージングが発生
   した旨の判定出力が供給されたときに圧縮空気の抽気量
   を速やかに増大させた後、再び元の量まで徐々に減少さ
   せるよう圧縮空気の抽気量を補正することを特徴とする
   ガスタービンエンジンのサージング回避装置。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の装置にお
   いて、前記抽気手段は、前記圧縮機と熱交換器との間、
   または熱交換器と燃焼器との間における圧縮空気、ある
   いは燃焼器と圧縮機タービンとの間における燃焼ガスを
   抽気することを特徴とするガスタービンエンジンのサー
   ジング回避装置。 ４）圧縮機のサージングの発生を検出するサージ検出手
   段と、該サージ検出手段からの出力に基つき発生したサ
   ージングの強さを判定するサージ判定手段と、圧縮空気
   を油気する油気手段と、前記サージ判定手段からの判定
   出力に基づいてサージングを回避するように前記油気手
   段の抽気量を補正する補正手段と、前記サージ検出手段
   の異常を検知する異常検知手段と、該異常検知手段によ
   り前記 サージ検出手段の異常が検知されたときにサージングの
   発生を定常的に抑制するサージ抑制手段とを具備したこ
   とを特徴とするガスタービンエンジンのサージング回避
   装置。 ５）特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記サ
   ージ抑制手段は、前記サージ検出手段の異常が検知され
   たときには、正常であるときよりも大なる油気量を定常
   的に与えることを特徴とするガスタービンエンジンのサ
   ージング回避装置。 （以下、余白）