JPS6185560A - ガスタ−ビンエンジンの制御方法と装置 - 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制御装置、特にスラス
ト低下（ｄｒｏｏｐ　）補償装置と称される型式の制御
装置に関する。このような補償装置は、エンジン加速中
に異なるエンジン構成部品の熱膨張率が相異なることか
ら起ることのあるスラスト低下を小さくする。

発明の背景 第１図に当業界で周知のガスタービン航空曙エンジンを
示す。燃焼器６で発生した高熱ガス３が、シュラウド１
２で囲まれた高圧タービン９にエネルギーを与える。タ
ービン９とシュラウド１２との間には先端隙間１５があ
る。エンジンが例えば１１７７０ｐｐｍでアイドリング
しているとき、例えば０．Ｇ４フインチの所定の先端隙
間がある。

しかし、急激な加速、例えば４秒以内に１１１４Ｑ　ｒ
ｐｎ＋までへの急激な加速の際には、大きな回転速度に
基づく遠心力の増加によりタービンがＷｌ、＠し、先端
隙間が０．０１６インチに減少する。高圧タービン９の
領域内の温度の上昇は、タービン９およびシュラウド１
２を熱膨張させる。しかし、シュラウド１２の熱質量は
タービン９の熱質量より著しく小さいので、シュラウド
１２はタービン９より速く熱くなり、従って速＜Ｉｆ！
脹する。従って、先端隙間１５は最初は例えば０．０２
８インチに増加するが、その模タービン９の温度が定常
状態値に達すると、０．０１６インチの定常状態レベル
に減少する。

この初期の増加した先端隙間１５は、エンジン効率を悪
くするので望ましくない。叩ら、高熱ガス３が先端隙間
領域１５を通って洩れてタービン９を側路し、こうしで
洩れたガスはタービン９にほとんどまたはまったく仕事
をしない。

発明の目的 本発明の目的は、新しい改良されたガスタービンエンジ
ン制ｉｌｌ　Ｂｉ　Ｅを提供することにある。

本発明の他の目的は、エンジン加速後に生じるス、ラス
ト低下を補償する新しい改良されたガスタービンエンジ
ン制御Ｉ装置を提供することにある。

発明の開示 本発明の１つの態様では、ガスタービンエンジンのスラ
ストを推定する。スラスト低下が予測されたら、エンジ
ンの描成部品をそれに応じて調整してスラストを回復す
る。

発明の詳細な説明 第２図は加速中の低圧タービン１８の排気の温度Ｔ５の
過渡状態１６をプロットした図である。

温度Ｔ５は低圧タービン１８より下流の第１図の点２１
で測定する。第２図の縦軸は温度Ｔ５を下で表示するが
、任意の零点を１３Ｌ％点としている。

この基準零点は実際上温度Ｔ５についての予定の最大温
度であり、現実には約１５００″Ｆである。

６０秒の期間２４およびそれ以前は、エンジンはアイド
リング運転であり、時間Ｔ＝Ｏでエンジンの加速を開始
し、４秒の期間２７内に温度Ｔ５を急速に約８００″Ｆ
Ｊ：界させる。

第３乃至５図には、温度Ｔ５のこの急上昇が第１図のタ
ービン９とシュラウド１２の温度に与える影響を例示す
る。第３図はシュラウドの直径の過渡状態３０を、第４
図はタービンの直径の過渡状態３３を共に時間の関数と
して示す。両図の縦軸には直径の測定値を任意の単位で
プロットしである。しかし、タービン９もシュラウド１
２も加熱される時に膨張するけれども、シュラウドの過
渡状態３０は正の傾斜を与え、タービンの過渡状ｆ１Ｍ
　３３は負の傾斜を与える。これは両プロットが絶対直
径を基準としているのではなく、第１図の先端隙間１５
を基準としているからである。

第１図のシュラウド１２の膨張により先端隙間１５が増
加ザるので、第３図のシュラウドの過渡状態３０は正の
傾斜として描かれる。しかし、タービン９の膨張により
先端隙間１５が減少するので、第４図のタービンの過渡
状態３３（よ負の傾斜として描かれる。

第３図および第４図の過渡状態を代数的に加算すると、
第５図の過渡状態３６が１０られる。過渡状態３６は第
１因の正味の先端隙間１５を、加速中の時間の関数とし
て示している。ここでも第５図の縦軸は隙間の寸法を任
意の単位で示す。最初に隙間のピークが点３９に現われ
、隙間が次第に定常状態値４２に向って減少することが
わかる。

図示の通り、先端隙間１５がその定常状態値４２に達す
るの、に約４〜５分かかる。

第６図に、第５図の先端隙間の過渡状態３６がスラスト
に与える影響を補償する本発明の１実施例を示す。第６
図のブロック５０は第３図の過渡状ｆｌｌｉ　３０に類
似した、時間に対するデジタル出力信号を発生し、ブロ
ック５３は第４図の過渡状態３３に類似した信号を発生
する。第６図の加算器５６での加算により、第５図の過
渡状態３６に類似した正味の出力が線５９に生じる。こ
の正味の出力は第６図の加算器６２で減筒され、この加
算器６２ではブロック６４から線６５を介して実際の測
定した温度Ｔ５が加算される。加算器６２ではブロック
６８で示された予定の値から導びき出したＴ５基準値も
減紳する。後者のブロック６８は、種々のエンジン運転
状態について前もって計算した温度Ｔ５の種々の値のス
ケジュールすなわらリストを有する。従って、加算器６
２で減算されるブロック６８からの値は、エンジンの運
転状態に応じて変化する。

ブロック６４および６８は（１５９の正味の出力の影響
を無視すると）線７２にＴ５誤差信号を生じさせる。誤
差信号は温度Ｔ５の予定値（Ｔ５基準値）からの実際の
測定された温度Ｔ５のずれを表わす。線５９の（加算器
５６からの）正味の出力を加算することにより、Ｔ５誤
差信号は修正されて、推力低下を補償したＴ５誤差信号
になる。

この信号は、記号１／Ｓ（１／Ｓはラプラス変換項であ
る）で表示され、項にで示される利得を有づるブロック
７５で積分される。Ｉｉ！７８の出力は可変排気ノズル
（ＶＥＮ）面積微調整（ｔｒｉＩＩｌ）信号である。

ＶＥＮは第１図のノズル９５に相当し、このノズル９５
の面積を鎖線のノズル９５Ａで示すように！Ｖ　Ｉして
エンジン中の点２１での圧力を変更する。この圧力変更
により、エンジンにより生じるスラストを変える。ノズ
ル面積調整の制御は当業界でよく知られており、以下に
概略を述べる装置で行う。ブロック１０１からの信号、
即ち線１０３のＶＥＮ面積要求信号が加算器１０５に加
えられる。加締器１０５で減算されるのは加算器１０８
の出力であり、加算器１０８は実際のＶＥＮ面槓を測定
するトランスジューサ（図示せず）により与えられる線
１１０のフィードバック信号を入力として受取る。加算
器１０８の他の入力は線７８のＶＥＮ而積面；Ｊ＃整倍
信号あり、この信号が加算器１０８で減算される。Ｉ！
１１５の加算器１０５の出力は、当業界で知られている
通りに、ＶＥＮフォワード・パス作動装置ブロック１２
０で処理される。このブロック１２０はＶＥＮＩｔｉｌ
ｌ′ｍループを安定化するデジタル・フィルタと第１図
および第６図のノズル９５の面積を調整するのに必要な
アナログ電気および油圧機械部品を含む。

第６図に示す回路の動作を次に説明する。第２図の温度
Ｔ５の過渡状ｆｆ１１６の間、第５図の過渡状態３６に
相当する正味の出力信号が第６図の線５９を介して加算
器６２に印加され、そこで減算される。これは実効的に
ブロック６８のＴ５１準値を大きくしたことに相当する
。その理由は、加算器５６からの信号もブロック６８か
らの信号も加算器６２に同じ代数符号（−）で印加され
るからである。従って、線７２の−［５誤差信号が大き
くなり、かくして線７８のＶＥＮ面積微調整信号はＶＥ
Ｎ而積面Ｔ５誤差信号を減少させる面積に近づくように
し、こうしてスラストを増加する。

（スラストが温度Ｔ５の関数であり、さらに中間のスラ
ストではほぼ直線的な関数であり、従って温度Ｔ５の制
御はスラストの制御に等価であることが経験的に利用し
ている。） 記＠１１０．１１２および１１４は信号リミッタを表わ
し、信号リミッタは当業界でよく知られており、自明で
あると思われる。例えば、リミッタ１１０は線１１６に
現われる信号をＯおよび一１２３″Ｆを表わす範囲に限
定する。

ブロック５０内に示す項Ｇ１／（τ１Ｓ＋１）はラプラ
ス変換を表わす。従って、点１２０と点１２２との間で
行われる信号処理は次の伝達関数で表わすことができる
（リミッタ１１０のようなここで、Ｔ５ＣＯＭＰは線５
９に生じる信号である。

ガスタービンエンジンの加速中に生じるスラスト低下を
補償する本発明の詳細な説明した。スラスト低下は、高
圧タービンとそれを囲むシュラウドとの間の先端隙間の
過渡的増加に原因がある。

隙間の過渡的増加はシュラウドに対するタービンの熱膨
張差に原因がある。本発明によれば、排気ノズル面積や
燃料流Ｍのようなパラメータを先端隙間の関数として操
作することによりスラストを増加して、隙間の過渡状態
により生じるスラスト損失を補償する。

本発明の重要な１面は、第６図のブロック５０および５
３により発生される信号の大体の形状を予め定めること
にある。即ち、信号が第３図および第４図に示されるよ
うな形になるように、予め定められた時定数で減衰する
ように定める。しかし、これらのブロック５０および５
３により発生される信号の初期の大きさは第６図の点１
２２に存在する信号の関数である。この意味で、ブロッ
ク５０および５３により発生される信号は予め定められ
た関数に従って発生される。即ち、減衰時間（ブロック
５０および５３の時定数により決められる）は予め定め
られるが、初期の大きさはＴ５誤差信号により決まる。

本発明の範囲から逸脱することなく多数の変更や置換が
可能である。例えば、試験した１実施例では下記の変数
が下記の値を与えられた。

τ・＝ｌＱ％（千周）°°゛ ここで項ＷＦＭＣは、燃料流量（ボンド／時）を表わす
が、中間パワーでの海面レベル静的燃料条件に対して補
正されたものである。時定数τ１およびτ２をこのよう
に可変にすることにより、第１図のタービン９のディス
クおよびシュラウド１２への熱伝達に対するレイノルズ
数の影響を補正する。

しかし、当業者にはわかるように、本発明の思想を利用
した異なるエンジンに対する制御装置ではこれらの変数
について異なる値が必要であることをＬｌ　ａすべきで
ある。異なるエンジンについての値は、そのエンジンに
対応する第５図に示すような過渡状態から計ｎすること
ができる。時定数τ１およびτ２を第３図および第４図
の曲線の時定数から計算し、利得Ｇを当業界で周知の通
りに、第６図の線５９に現われる信号に適正な大きさを
与えるように計算する。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンエンジンの概略図、第２乃至５図
は加速中に時間につれて種々のエンジン構成部品に現わ
れる変化を示すグラフ、そして第６図は本発明の１実施
態様を示すブロック図である。 ９・・・タービン、１２・・・シュラウド、１５・・・
先端隙間、２１・・・排気温度測定点、９５・・・可変
排気ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）ガスタービンエンジンのスラスト低下を予測
   する感知手段と、 （ｂ）少なくとも１つの予め定められた関 数に従ってエンジンのスラストを調整する補償手段とを
   備えるガスタービンエンジン用制御装置。 ２、（ａ）ガスタービンエンジン部品の温度の基準温度
   からのずれを表わす誤差信号を導びき出す温度誤差手段
   と、 （ｂ）エンジンの排気ノズルの面積を誤差信号の関数と
   して変更する可変排気ノズル（ＶＥＮ）手段と、 （ｃ）前記誤差信号が最初増加し次に減少し、これによ
   りＶＥＮ手段が最初にノズル面積を減少させ次に増加さ
   せるように前記誤差信号を変更する誤差信号補償手段と
   を備えるガスタービンエンジン制御装置。 ３、ガスタービンエンジンの構成部品の温度と予定の基
   準温度との比較から導びき出された温度誤差信号を含む
   パラメータの関数として可変排気ノズルを調整するガス
   タービンエンジン制御装置において、 （ａ）前記温度誤差信号を変更する第１修正手段と、 （ｂ）前記温度誤差信号を変更する第２修正手段とを備
   え、第１および第２修正手段の総合効果として最初に前
   記温度誤差信号を予め定められた第１の時定数に従って
   増加し、次いで前記温度誤差信号を予め定められた第２
   の時定数に従って減少させるようにしたことを特徴とす
   るガスタービンエンジン制御装置。 ４、前記第１修正手段が前記温度誤差信号をほぼ次のラ
   プラス変換： Ｇ＿１／（τ＿１Ｓ＋１） に従って変更し、 前記第２修正手段が前記温度誤差信号をほぼ次のラプラ
   ス変換： Ｇ＿２／（τ＿２Ｓ＋１） に従って変更し、ここでτ＿２＞τ＿１である特許請求
   の範囲第３項記載の制御装置。 ５、加速時にガスタービンエンジンに生じるスラストの
   低下を補償する方法であって、 （ａ）低圧タービン排気の温度Ｔ５の変化からスラスト
   の低下を推定し、 （ｂ）温度Ｔ５と基準値との差を増加し次いで減少させ
   て、補償温度信号Ｔ５ＣＯＭＰを発生し、 （ｃ）エンジン排気ノズルの面積を前記信号Ｔ５ＣＯＭ
   Ｐの関数として調整することを特徴とする方法。