JP2003148168A

JP2003148168A - ガスタービンエンジンの燃料制御装置

Info

Publication number: JP2003148168A
Application number: JP2002330842A
Authority: JP
Inventors: Raymond D Zagranski; レイモンド・ディ・ザグランスキー; John Mannarino; ジョン・マナリーノ; Cristina Crainic; クリスティナ・クレイニック
Original assignee: Goodrich Pump and Engine Control Systems Inc
Current assignee: Goodrich Pump and Engine Control Systems Inc
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2003-05-21
Also published as: US20040093151A1; US7136738B2; US20030094000A1; US6715277B2; EP1312780A2; EP1312780A3

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンのリアルタイムな熱力
学的影響を補償する燃料制御装置を提供する。【解決手段】燃料制御装置は、ＮＤＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}
率をＮＤＯＴ_Ｄｅｍ _ａｎｄ率に一致または追従させると
きに使用され、数個のエンジン作動パラメータを測定す
る機構と、上記測定されたエンジン作動パラメータに基
づいて初期のエンジン燃料需要を決定する機構とを含
む。燃料制御装置は、また、エンジン作動中に、測定さ
れた作動パラメータに基づいて、燃料の燃焼ガスとエン
ジン金属部との間で移動する熱量を推定し、それに基づ
いて有効な燃料流調整を推定する機構を含む。さらに、
初期に予想されたエンジン燃料需要と、推定された有効
燃料流調整とに基づいて、最終的なエンジン燃料需要を
決定する機構を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本出願は、２００１年１１月１６日に出願
された米国仮出願第６０／３３２,２４７号の優先権を
請求し、その内容の全体は、この言及により、本開示と
矛盾が生じない程度まで本文に組み込まれる。

【０００２】

【発明の属する技術分野】本主題の開示は、ガスタービ
ンと共に使用される燃料制御システムに関し、より詳し
くは、実際のコアエンジンの加速減速率を要求された率
に合せようとするとき、内蔵されたリアルタイム熱力学
エンジンモデルからの計算された信号を用いる燃料制御
システムに関する。

【０００３】

【従来の技術】典型的には、ガスタービンエンジン制御
システムは、エンジンへの燃料流を調節して、ガスジェ
ネレータの実際の速度変化率（ＮＤＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}）
をガスジェネレータの要求速度変化率（ＮＤＯＴ
_{Ｄｅｍａｎｄ}）に一致または追従させるものである。最
大要求ＮＤＯＴ率は加速スケジュールから得られる。こ
の加速スケジュールは、もともとエンジン製造者から提
供され、サージやストールや過熱からエンジンを保護す
るために時間を掛けて開発されている。その結果、加速
スケジュールは個々のエンジンモデルに対して特有すな
わち唯一無二なものである。上記スケジュールは、典型
的には、測定されたガスジェネレータ速度（ＮＨ）と入
口空気温度と圧力との関数としてＮＤＯＴ_{Ｄｅｍａｎｄ}
を表している。スケジュールは、線形ではなく複雑な形
態をしている。上記スケジュールが複雑なのは、一部に
は、エンジンがコンプレッサストール領域で作動するの
を防止する必要があるためである。

【０００４】最新式デジタル制御システムは、典型的に
は、比例プラス積分（時には微分）ＮＤＯＴ制御ループ
を使用して燃料流を調節して、コアエンジンガスジェネ
レータの測定された実際の加減速率（ＮＤＯＴ
_{Ａｃｔｕａｌ}）と要求された加減速率（ＮＤＯＴ
_{Ｄｅｍａｎｄ}）との間の誤差を零にする。エンジンは非
線形の非常に複雑な機械であるために、要求されたＮＤ
ＯＴ率に実際のＮＤＯＴ率を一致または追従させるの
が、時には不完全となり、特にエンジンの急激な加減速
の際は、不完全となる。すなわち、過渡現象が著しいと
きは、制御システムはＮＤＯＴ_Ｄ _{ｅｍａｎｄ}とＮＤＯＴ
_{Ａｃｔｕａｌ}の間の誤差を零にすることができない。

【０００５】ＮＤＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}をＮＤＯＴ
_{Ｄｅｍａｎｄ}に追従できないのは、部分的には、制御ル
ープの安定性を保証するために最優先で求められる制御
デザイントレードオフすなわち帯域幅の限定に起因して
いる。しかし、より重要なことは、現在の最新式制御シ
ステムが、ＮＤＯＴ率の追従に悪影響を及ぼすＮＤＯＴ
制御ループに対する外乱、例えばエンジンのリアルタイ
ムな熱力学的影響を補償していないことである。

【０００６】実際のＮＤＯＴ率を要求された率に正確に
追従させることができないために、実際のＮＤＯＴが加
速限界を越える場合、エンジンサージ現象が起こり得
る。エンジンサージは、駆動される負荷に対して、トル
クの急激な乱れを生じさせる。ヘリコプタに用いた場
合、上記エンジンサージ現象は、典型的には、エンジン
出力シャフトとクラッチとギアボックスとシャフト駆動
の主ロータと尾部ロータとから通常構成される負荷シス
テムに対して、トルクの乱れを告げるものである。トル
クの突然の乱れは、未制動のロータ駆動トレインに音が
して、機械部品の瞬間的な過剰ストレスとなり、エンジ
ン駆動トレインの損傷という結果となる。

【０００７】このため、作動が過渡期にあるとき、ＮＤ
ＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}率をＮＤＯＴ_Ｄｅ _ｍａｎｄ率に一層正
確に一致させて、エンジンのリアルタイムな熱力学的影
響を補償する改良型ＮＤＯＴ追従システムが要望されて
いる。

【０００８】

【本発明の概要】本主題の開示は、ＮＤＯＴ
_{Ａｃｔｕａｌ}率をＮＤＯＴ_{Ｄｅｍａｎｄ}率に一致または
追従させる試みがなされる時の、エンジンのリアルタイ
ムな熱力学的影響を補償する燃料制御装置に関する。こ
こに開示された燃料制御システムは、ＮＤＯＴ率の追従
不足の主原因が、燃焼ガスとエンジン金属部との間で移
動する熱の影響であるという認識に立っている。エンジ
ンを加速するとき、熱は、ＮＤＯＴ制御によって計量さ
れる燃焼燃料からエンジン金属部に逸れて行く。その結
果、実際のＮＤＯＴ率は減少して、ＮＤＯＴ追従性能が
低下する。逆に、エンジンを減速するとき、熱はエンジ
ン金属部から燃焼ガスに移動する。その結果、ＮＤＯＴ
_{Ａｃｔｕａｌ}が減少して、ＮＤＯＴ追従性能が再び低下
する。

【０００９】本主題の開示は、ガスタービンエンジンと
共に使用される燃料制御システムを指向する。上記燃料
制御システムは、数個のエンジン作動パラメータを測定
する機構と、測定された上記エンジン作動パラメータに
基づいて、エンジン燃料の初期需要を決定する機構とを
含んでいる。上記制御システムは、更に、エンジン作動
中に、測定された上記作動パラメータに基づいて、上記
燃料の燃焼ガスと上記エンジン金属部の間で移動する熱
量を推定するとともに、それから有効な燃料流の調節を
推定する機構を含んでいる。また、ここに開示されてい
る制御システムは、予想された初期のエンジン燃料需要
と、推定された有効な燃料流の調整とに基づいて、最終
的な燃料需要を決定する機構を含んでいる。

【００１０】好ましくは、様々なエンジン作動パラメー
タを測定する機構は、エンジンガスジェネレータの実際
の回転速度を表す信号を供給する装置と、実際のエンジ
ンコンプレッサ排出圧力を測定する素子とを含んでい
る。

【００１１】現在、上記初期のエンジン燃料需要を決定
する機構は、更に、閉ループＮＤＯＴ制御器を含むこと
が考えられる。上記閉ループＮＤＯＴ制御器は、ガスジ
ェネレータ速度信号から決定されるガスジェネレータ速
度の実際の変化率と、ガスジェネレータ速度の最大およ
び最小所望変化率との比較に対応して、燃料流を調節す
る。また、上記ガスジェネレータ速度の最大および最小
所望変化率は、加速減速スケジュールに基づいて決定さ
れ、ガスジェネレータ速度信号と入口空気の温度と圧力
との関数であることが考えられる。

【００１２】好ましくは、燃料の燃焼ガスとエンジン金
属部との間で移動する熱量を推定する機構は、エンジン
燃焼モデルを含んでいる。燃焼室モデルは、燃料の燃焼
によって発生する熱量と、供給空気の圧縮によって発生
する熱量と、ガスジェネレータの出口ガス温度とを推定
する。

【００１３】有効な燃料流調整を推定する機構は、好ま
しくは、燃料流調整器モデルを含む。上記燃料流調整器
モデルは、上記推定された移動熱とガスジェネレータ効
率と燃料の加熱係数とから、リアルタイムな熱力学的影
響を補償するに必要な有効燃料流調整を予測する。好ま
しい実施例においては、有効燃料流調整を推定する機構
は、更に、利得増幅された有効燃料流調整を与える増幅
手段を備えている。

【００１４】ここに開示された燃料制御システムは、ま
た好ましくは、最終的なエンジン燃料需要に基づいて、
エンジンに燃料を供給する燃料計量システムを備えてい
る。上記燃料計量装置は、定容量形ポンプと計量圧力調
整弁とを含むか、或いは可変配送システムである。

【００１５】本開示は、また、コンプレッサとガスジェ
ネレータとを有するガスタービンエンジンの燃料を制御
する方法を指向する。ここに開示された燃料制御方法
は、複数のエンジン作動パラメータを測定するステップ
と、それから初期のエンジン燃料を決定するステップと
を含む。上記燃料制御方法は、また、エンジン作動中
に、複数の測定された作動パラメータに基づいて、燃料
の燃焼ガスとエンジン金属部との間で移動する熱量を推
定するステップと、上記燃焼ガスと上記エンジン金属部
との間で推定熱移動に基づいて、有効な燃料流調整を推
定するステップと、上記初期のエンジン燃料需要と上記
推定された燃料流調整とに基づいて、最終的なエンジン
燃料需要を決定するステップとを含む。

【００１６】好ましくは、様々なエンジン作動パラメー
タを測定するステップは、実際のガスジェネレータ速度
を測定するステップと、それを表す信号を与えるステッ
プと、実際のエンジンコンプレッサ排出圧力を計測する
ステップと、それを表す信号を与えるステップとを含
む。

【００１７】初期のエンジン燃料需要を決定するステッ
プは燃料流制御器の使用を含み、上記燃料流制御器は、
ガスジェネレータ速度信号から決定されるガスジェネレ
ータ速度の実際の変化率を、所望のガスジェネレータ速
度変化率と繰返し比較することが考えられる。上記所望
のガスジェネレータ速度変化率は、加速減速スケジュー
ルから決定され、ガスジェネレータ速度信号の関数であ
る。

【００１８】燃料の燃焼ガスとエンジン金属部との間で
移動する熱量を推定するステップは、燃料の燃焼によっ
て発生する熱量を推定するステップと、供給空気の圧縮
によって発生する熱量を推定するステップと、ガスジェ
ネレータ排出ガス温度を推定するステップとを含んでい
ることが、目下のところ好ましい。

【００１９】上記有効な燃料流調整を推定するステップ
は、好ましくは、上記推定された熱移動とガスジェネレ
ータ効率と燃料の加熱係数とから、有効な燃料流調整を
決定することを含む。上記有効な燃料流調整を推定する
ステップは、利得倍増形有効燃料流調整と、それを表す
信号とを与える増幅器を更に含む。

【００２０】好ましくは、燃料制御の方法は、更に、最
終的なエンジン燃料需要の信号に基づき、燃料計量シス
テムを用いて燃料をエンジンに供給することを含む。一
実施例では、燃料計量装置は可変容量形ベーンポンプを
含む。

【００２１】本開示は、ガスタービンと共に使用するた
めの燃料制御システムを指向し、上記燃料制御システム
は、複数のエンジン作動パラメータを測定するための手
段と、上記複数の測定されたエンジン作動パラメータに
基づいて初期のエンジン燃料需要を決定するための手段
とを含む。上記燃料制御システムは、更に、エンジン作
動中に燃料の燃焼ガスとエンジン金属部との間で移動す
る熱量を測定する手段と、測定された熱移動に基づいて
有効な燃料流調整を推定する手段と、上記初期のエンジ
ン燃料需要と上記推定された有効な燃料流調整とに基づ
いて、最終的なエンジン燃料需要を決定する手段とを含
む。

【００２２】本開示は、また、ガスタービンの燃料制御
方法を指向し、上記方法は、複数のエンジンパラメータ
を測定するステップと、上記複数の測定されたエンジン
作動パラメータに基づいて初期のエンジン燃料需要を決
定するステップと、燃料の燃焼ガスとエンジン金属部と
の間で移動する熱量を測定するステップとを含んでい
る。上記方法は、更に、燃焼ガスとエンジン金属部との
間における測定された熱移動に基づいて有効な燃料流調
整を推定することと、上記初期のエンジン燃料需要と上
記推定された有効な燃料流調整とに基づいて最終的なエ
ンジン燃料需要を決定することとを含んでいる。

【００２３】本願発明が、ガスタービンエンジンのＮＤ
ＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}率とＮＤＯＴ_Ｄｅ _ｍａｎｄ率とをより
正確に一致させることにより、エンジンのリアルタイム
な熱力学的影響を補償することは、当業者には容易に理
解される。ここに開示された燃料制御システムの独特な
種々特徴は、下記説明と添付の図面と請求の範囲とから
容易に明らかになる。

【００２４】本主題の開示に関連する技術分野において
通常の技術的知識を有する者が、その作り方や使用法を
より容易に理解できるように、図面が参照される。

【００２５】

【発明の実施の形態】主題の開示のこれら特徴は、次に
詳細に説明される好ましい実施形態から当該技術分野に
おいて通常の技術的知識を有する者には容易に明らかと
なる。

【００２６】図面を参照すると、同様の参照番号が本発
明の類似要素を識別していて、図１には、参照番号１０
０によって遍く指定された従来技術のＮＤＯＴ追従シス
テムの概略図が示されている。上記追従システム１００
は従来型のＮＤＯＴコントローラを含み、上記ＮＤＯＴ
コントローラは積分制御ロジック４０と比例制御ロジッ
ク８０とを用いて所望の燃料流（ＷＦ）を割り出す。

【００２７】作動中に、ガスジェネレータ速度（ＮＨ）
が測定されるが、典型的には、ガスジェネレータスプー
ルシャフト（図示せず）に作動可能に取り付けられた回
転計によって測定が行なわれる。ＮＨの測定値は、実際
のＮＤＯＴ率および要求されたＮＤＯＴ率を決定するす
るために使用される。実際のＮＤＯＴ率は、差分計すな
わち微分ロジック１４に、ＮＨの検知値を表す信号を付
与することによって得られる。微分ロジック１４の出力
は、測定ＮＨの時間変化率、ＮＤＯＴ_Ａｃｔｕ _ａｌを示
す信号である。上述したように、測定されたＮＨはＮＤ
ＯＴ_{Ｄｅｍａｎ} _ｄを決定するために使用される。それ
は、測定ＮＨを加速スケジュール（図示せず）に適用す
ることによって行なわれる。上記加速スケジュールは、
典型的にはエンジン製造業者によって提供され、エンジ
ン試作試験中に時間を掛けて開発される。その結果、加
速スケジュールは、個々のエンジンモデルに対して特有
な、すなわち唯一無二なものである。上記スケジュール
は、エンジンがコンプレッサストール領域で作動するの
を防ぐ必要があるために、非線形の複雑な形態をしてい
る。

【００２８】ＮＤＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}とＮＤＯＴ
_{Ｄｅｍａｎｄ}とを示す信号が、加算ジャンクション２０
に提供される。上記加算ジャンクション２０では、ＮＤ
ＯＴ_Ａｃｔｕ _ａｌを示す信号は、ＮＤＯＴ_{Ｄｅｍａｎｄ}
率から減じられる。これによって、比率トラッキング誤
差（ＮＤＯＴ_{ｅｒｒｏｒ}）、すなわち、ガスジェネレー
タ速度の実際の変化率と所望の変化率との間の差が与え
られる。トラッキングシステム１００は、連続する反復
ステップにより、トラッキング誤差を減少させ、零にな
るように試みる。このプロセスは、実際のＮＤＯＴ率を
要求された率に一致または追従させる試みと呼ばれる。

【００２９】結果的に得られるＮＤＯＴ_{ｅｒｒｏｒ}は、
積分制御ロジック４０の入力信号として提供される。Ｎ
ＤＯＴ_{ｅｒｒｏｒ}とＮＤＯＴ_ｗｉｎとは、非線形補償器
２４に加えられる。ＮＤＯＴ_ｗｉｎはオークションサ回
路（図示せず）の生成物であり、上記オークションサ回
路は、加速と減速とトルクと温度に関するエンジン作動
限界に基づいて、最大ＮＤＯＴ率と最小ＮＤＯＴ率とを
定めるようになっている。西暦２００１年９月２６日に
出願された同一出願人米国特許出願第０９／９６３,１
８０号は、ＮＤＯＴ_ｗｉｎを決定するための方法をより
詳細に開示している。なお、その開示内容は、この言及
によって本文に組み込まれる。非線形補償器２４の出力
は、ＮＤＯＴ_{ｅｒｒ＿ｃｏｍｐ＿ｌｉｍ} である。上記
ＮＤＯＴ _{ｅｒｒ＿ｃｏｍｐ＿ｌｉｍ} は、ＮＤＯＴ積分
利得ロジック３２と比例制御ロジック８０とに供給され
る。

【００３０】ＮＤＯＴ積分利得ロジック３２は、速度と
大きさの関数であり、ＮＤＯＴ_ｅｒ
_{ｒ＿ｃｏｍｐ＿ｌｉｍ} を、高圧コンプレッサ排出圧力
（Ｐ３）に対する燃料流（ＷＦ）の経時変化率に変換す
る。この変化率は、以後、ＷＦ／Ｐ３_ＤＯＴと呼ぶ。次
に、積分器３６は、ＷＦ／Ｐ３_ＤＯＴをＷＦ／Ｐ３
_ｉｎｔに変換する。上記ＷＦ／Ｐ３_ｉｎｔは、（積分ロ
ジックに基づく）高圧コンプレッサ排出圧力当たりの全
燃料流の一部である。

【００３１】上述したように、ＮＤＯＴ
_{ｅｒｒ＿ｃｏｍｐ＿ｌｉｍ} は、一連の増幅器が使用さ
れている比例制御ロジック８０にも与えられ、比例ロジ
ックに基づく高圧コンプレッサ排出圧力当たりの全燃料
流の第２構成成分、ＷＦ／Ｐ３_ｐｒｏｐとなる。ＮＨの
測定値が定格速度の５０％よりも大きい場合は、ＷＦ／
Ｐ３_ｐｒｏｐを表す信号が加算ジャンクション４４に与
えられる。加算ジャンクション４４では、ＷＦ／Ｐ３
_ｐｒｏｐがＷＦ／Ｐ３_ｉｎｔとＷＦ／Ｐ３_ＮＤＯＴとに
加えられ、ＷＦ／Ｐ３となる。最後に、乗算器５０によ
ってＷＦ／Ｐ３とＰ３とを乗じて、コアエンジンに要求
される燃料流ＷＦとなる。

【００３２】このプロセスは、コアエンジンの作動中
に、継続的に繰返される。各連続的な繰返しは、実際の
ＮＤＯＴを要求されたＮＤＯＴに一致または追従させ、
ＮＤＯＴ_{ｅｒｒｏｒ}を減少させて零になるよう試みられ
る。しかし、上述したように、エンジンは非線形の非常
に複雑な機械なので、実際のＮＤＯＴ率と要求されたＮ
ＤＯＴ率との一致または追従は不完全であることが多
く、特に、エンジンの急速な加減速時にはそうである。
より詳細には、現在の最新式制御器は、激しい作動過渡
現象時の例えば熱力学的影響といった外乱や損失を補償
していないために、制御システムは、エンジンに指令を
出して、要求された加速スケジュールに正確に追随すな
わち追従させるということができない。図２−Ａ〜図２
−Ｃについて以下に記載されているように、本開示の燃
料制御システムは、エンジンのリアルタイムな熱力学的
影響を補償し、それに応じて所望の燃料流を調整するも
のである。

【００３３】さて、図２−Ａ〜図２−Ｃを参照すると、
本開示の燃料制御システム３００の好ましい実施形態の
概略が記載されている。燃料制御システム３００は、Ｎ
ＤＯＴ制御器２００と、オークション回路２１０，２２
０と、燃料計量装置２３０と、コアエンジン２４０と、
適応熱力学エンジンモデル２５５と、エンジンコンバス
タモデルと、燃料調整器モデル３１０とを含んでいる。

【００３４】ＮＤＯＴ制御器２００は、ＮＤＯＴトラッ
キングシステム１００と同様に機能する。ガスジェネレ
ータ速度（ＮＨ）と高圧コンプレッサ排出圧力（Ｐ３）
とは、センサによって測定され、ＮＤＯＴ制御器２００
に与えられる。エンジン加速スケジュールに基づくＮＤ
ＯＴ_{ｄｅｍａｎｄ}も、ＮＤＯＴ制御器２００に与えられ
る。ＮＤＯＴ制御器２００は、上述したトラッキングシ
ステム１００用の方法と同様の方法を用いて、実際のＮ
ＤＯＴ率を要求ＮＤＯＴ率に追従させることを試み、コ
アエンジンに与える所望の燃料流（ＷＦ）量を決定す
る。ＮＤＯＴ制御器２００の出力は、所望のＷＦを表す
信号である。

【００３５】燃焼制御システム３００は従来技術のシス
テムと異なる。従来技術のシステムでは、ＷＦが、ＮＤ
ＯＴ制御器２００によって、１時間当たりポンド（ｐｐ
ｈ）の単位で加算ジャンクション２１２に与えられ、エ
ンジンのリアルタイムな熱力学的影響を補償するように
調整される。エンジンコンバスタモデル２５０と燃料流
調整器モデル３１０とが、ＷＦ信号に必要な調整を与え
る。エンジンコンバスタモデル２５０は、適応空気熱力
学エンジンモデル２５５の構成要素である。両者すなわ
ちエンジンコンバスタモデル２５０と適応空気熱力学エ
ンジンモデルとは、２００１年９月２６日に出願された
米国特許第０９/９６３,２２１号に記載されている。上
記米国特許は、この言及によって、その全容がここに組
み込まれる。エンジン燃焼室モデル２５０は、燃焼中の
燃焼ガスからエンジン金属部への移動熱量を決定する。
燃焼室への燃料流（ＷＦ_ｃｏｍｂ）が検知され、燃焼室
空気流（Ｗ_ｃｏｍｂ）と高圧コンプレッサエンタルピー
（ｈ_３．０）とが、適応熱力学エンジンモデル２５５に
よって計算される。これらの信号は燃焼室モデルへの入
力として与えられる。燃焼室モデルは、これらの信号か
ら、燃焼による熱と、圧縮による熱と、燃焼室放出ガス
温度と、最後に、燃焼ガスからエンジン金属部へ移動す
る熱およびエンジン金属部から移動する熱とを決定す
る。これらの機能を行なう操作ステップは、以下に詳細
に記載される。

【００３６】エンジン燃焼室モデル２５０は、金属部に
移動する熱をＢＴＵ／秒で表した信号を、燃料流調整器
モデル３１０に与える。燃料流調整器モデル３１０は、
燃焼室モデル２５０からの信号を捕らえ、有効燃料流す
なわち熱伝導と見なすに必要な等価燃料流（ＷＦ
_{ＭＥＴＡＬ}）を決定し、そして、それに関する信号をｐ
ｐｈ単位で加算ジャンクション２１２に与える。

【００３７】その結果、エンジン加速時にガス温度が金
属部の温度よりも高いと、熱はエンジン金属部に移動
し、ＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}は負となる。ＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}を正の
利得Ｋ _{ＷＦＬＥＡＤ}（典型的には１以下）で乗算し、そ
の結果得られた変数ＷＦ_ＬＥＡ _Ｄ（負の値）を、加算ジ
ャンクション２１２において、ＮＤＯＴ制御器２００の
下流の常規需要燃料流ＷＦから引くことにより、ＷＦ
_{Ｄｅｍａｎｄ}において増加変化量が発生して、熱損失を
補償する。エンジン減速時にガス温度が金属の温度より
も低いと、ＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}とＷＦ_ＬＥＡＤは正となり、
ＷＦ_{Ｄｅｍａｎｄ}において減少変化量が発生して、熱利
得を補償する。定常状態では、ガス温度と金属温度は安
定化し、ＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}とＷＦ_ＬＥＡＤとは本質的に零
である。ＷＦ _{Ｄｅｍａｎｄ}への付加的寄与も零であり、
したがって、エンジン燃焼室モデル２５０と燃料流調整
器モデル３１０とを含むＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ループは、定常
状態運転条件中における常規の統御作用を妨げることは
ない。

【００３８】加算ジャンクション２１２の出力は、調整
された燃料流（ＷＦ_ａｄｊ）である。ＷＦ_ａｄｊで表す
信号は直列のオークション回路２１０，２２０に加えら
れる。上記回路２１０，２２０は，エンジン作動パラメ
ータに基づいて、燃料流の許容範囲（最大と最小）を特
定する。ＷＦ_ｍａｘはエンジンの加速度とトルクと温度
のリミッタとに基づいて定められ、ＷＦ_ｍｉｎはエンジ
ンフレームアウト（燃焼停止）特性の関数となってい
る。オークション回路２１０，２２０からの出力信号
は、要求される最終的な燃料流（ＷＦ_{Ｄｅｍａｎｄ}）を
表す。この信号は、燃料計量装置２３０に与えられる。
燃料計量装置２３０は流体力学燃料配送システムを意味
し、上記システムは主燃料ポンプや昇圧ポンプなどの構
成部品を含み得る。燃料計量装置２３０はコアエンジン
に供給される燃料を計量する役割を担い、その出力はコ
アエンジンに供給される燃料（ＷＦ_ｉｎ）を表わす。ま
た、代替えのポンピング装置および計量装置として、可
変式配送ポンピングシステムなどの制御システム３００
を使用することが考えられる。

【００３９】図２−Ａ〜図２−Ｃを続いて参照すると、
燃焼室モデル２５０は、上述したように、燃料の燃焼に
よって発生した熱量を予想する機構を含んでいる。この
機構すなわち方法の概略図は、参照番号２６０によって
識別される領域内に示されている。ＷＦ_ｉｎの測定され
た信号は、まず、３６００秒／時によって除算さられ
る。これによって、燃料流信号を１秒当たりポンド（ｌ
ｂ／ｓ）に変換する。この値は、ＷＦ_ｃｏｍｂで表さ
れ、オークション回路２６２で、燃料と空気の比に基づ
いて燃焼され得る燃料の最大量と比較される。オークシ
ョン回路２６２の出力は、ＷＦ_ｃｏｍｂの最低値と、燃
焼される最大可能燃料である（すなわち、空気流（Ｗ
_ｃｏｍｂ）＊0.066）。その結果得られる出力は、燃焼
室効率（η_ｃｏ _ｍｂ）とともに、乗算器２６４に加えら
れる。上記燃焼室効率（η_ｃｏｍｂ）は、燃料と空気の
比（ＷＦ_ｃｏｍｂ／Ｗ_ｃｏｍｂ）および燃焼室入口温度
（Ｔ_３． _０）の関数である。燃焼室効率（η_ｃｏｍｂ）
は、測定された作動パラメータに基づいており、公称値
によって表わされる。上記公称値は作動パラメータの関
数として変化する。この代わりに、エンジン構成部品の
劣化を補償するために、長期に渡って適合する動的部品
効率を開発することが可能である。米国特許第０９／９
６３，２２１号は、この言及によってここに組み込まれ
るが、エンジン構成部品の効率を一致させて構成部品の
劣化を補う方法を開示している。上記から得られる出力
信号は、乗算器２６６において燃料の加熱係数（ＫＬＨ
Ｖ）によって乗算されて、燃焼による熱Ｑ_ｆｕｅｌ（Ｂ
ＴＵ／秒）を表す信号となる。

【００４０】参照番号２８０は、圧縮に依る熱を決定す
る機構または方法の概略図を表す。上述したように、空
気流（Ｗ_ｃｏｍｂ）とエンタルピー（ｈ_３．０）とは、
エンジン燃焼室モデル２８０に与えられる。信号は乗算
器２８２に与えられ、その結果、圧縮による熱Ｑ
_{ｃｏｍｂａｉｒ}（ＢＴＵ／秒）の出力信号となる。

【００４１】Ｑ_ｆｕｅｌとＱ_{ｃｏｍｂａｉｒ}は共に加算
ジャンクション２８６に与えられ、加算ジャンクション
２８６は温度モデル３２０へ出力信号を提供する。温度
モデル３２０は、燃焼室出口ガス温度（Ｔ_４．０）と、
金属部に移動する熱（Ｑ_ＭＥ _ＴＡＬ）とを決定する。燃
焼と圧縮とに依る複合熱は、Ｑ_ｃｏｍｂによって表され
る。上記Ｑ_ｃｏｍｂは、燃料と空気の混合物の全重量に
よって除算され、その結果、燃焼室の出口ガスエンタル
ピー（ｈ_４．０）を表す信号となる。ガステーブル２９
６と空気燃料比とｈ_４．０信号とに基づいて、Ｔ_４．０
が決定される。信号を整えるために、数的安定要素３０
４が使用される。Ｔ_４．０を前の時間ステップから始
め、数的安定要素３０４の出力について、入力が出力と
合致するまで繰り替えされる。その結果得られたＴ
_４．０信号は、ライン３０６から熱移動モデル３３０に
加えられる。

【００４２】熱伝導モデル３３０は、出口ガス温度Ｔ
_４．０を、エンジン金属部へ移動する等価熱（Ｑ
_{ＭＥＴＡＬ}）に変換する方法を提供する。概略図から分
かるように、Ｑ_{ＭＥＴＡＬ}を決定する方法は反復してい
る。まず最初に、Ｔ_４．０が加算ジャンクション３３４
に与えられ、以前に計算されたＴ_{ＭＥＴＡＬ}（最初は
零）が、そこから差し引かれる。この結果得られた信号
は、エンジンのサーマルマス係数（Ｋ_{ＴＨＭＡＳＳ}）お
よび熱伝導係数（Ｋ_{ＨＴｃｏｅｆ}）と共に、乗算器３３
６に与えられる。上記熱伝導係数は次の公式によって決
定される。Ｋ_{ＨＴｃｏｅｆ}＝ＫＨＴ_{ｃｏｅｆｇａｉｎ}（Ｔ_４．０／
４６０）^ＫＨ ^{Ｔｃｏｅｆｅｘｐ}

【００４３】ＫＨＴ_{ｃｏｅｆｇａｉｎ}とＫＨＴ
_{ｃｏｅｆｅｘｐ}とは、それぞれ、利得係数と熱伝導の累
乗指数とを示し、両者とも実験によって経験的に決定さ
れている。乗算器３３６から得られた信号は、動的熱伝
導値を示し、積分器３３８に与えられる。積分器３３８
の出力は金属部温度Ｔ_{ＭＥＴＡＬ}である。ジャンクショ
ン３４０において、Ｔ_４．０は金属部温度Ｔ_{ＭＥＴＡＬ}
から差し引かれる。乗算器３４２において、ジャンクシ
ョン３４０の出力と熱伝導係数とが乗算される。乗算器
３４２は、金属部に移動する熱Ｑ_{ＭＥＴＡＬ}を表す出力
信号を有する。

【００４４】最後に、Ｑ_{ＭＥＴＡＬ}は、燃料流調整器モ
デル３１０に与えられ、燃料流調整器モデル３１０にお
いて、燃焼室効率（η_ｃｏｍｂ）を表す信号によって除
算される。その結果得られる信号は、燃料の加熱値（Ｋ
ＬＨＶ）によって除算される。これら方法のステップ
は、燃焼ガスとエンジン金属部との間で移動する熱を、
１秒間当たりの有効燃料移動に変換する。次に、１秒間
当たりの有効燃料移動は１時間当たりの有効燃料移動に
変換される。Ｋ_{ＷＦｌｅａｄ}利得増幅器３１２がＷＦ
_{ＭＥＴＡＬ}に適用されて、ＷＦに対する所望の調整を決
定し、リアルタイムの熱力学的な損失（ＷＦ_ＬＥＡＤ）
を補償する。Ｋ_{ＷＦｌｅａｄ}は、典型的には、零より大
きく且つ１以下となるように選択された値を有する（０
＜Ｋ_ＷＦｌｅ _ａｄ＜１または＝１）一定値である。

【００４５】当業者が容易に認識することは、このエン
ジン燃焼室モデル２５０が、金属部へ移動する熱の決定
方法の代表実施例に過ぎないということである。エンジ
ン燃焼室モデル２５０は、動的モデルに基づいて金属部
に移動する熱決定するために、燃料流と空気流とエンタ
ルピーという入力を用いる方法を示している。追加ある
いはより少数のデータ入力とセンサ測定を有する代替え
のエンジンモデルが使用されてもよい。さらに、燃焼ガ
スとエンジン金属部の間で移動する熱を推定するより
も、寧ろ、Ｑ_{ＭＥＴＡＬ}が測定されてもよい。しかし、
これは、現時点では、高応答性の高温かつ高信頼性温度
センサーをエンジンの至る所に配置されねばならないの
で、実際的ではなく費用効果がない。

【００４６】図３−Ａ〜図３−Ｄを参照すると、これら
の図は４つのグラフを示し、エンジン加減速シミュレー
ション時の様々なエンジンパラメータに関する時間的変
化を詳述する。シミュレーションに使用される燃料制御
システム３００は、ＷＦ_ＭＥ _ＴＡＬ制御ループ（すなわ
ち有効な燃料流調整モデル）を使用禁止状態にして使用
される。図４は図３−Ｄの変化部の拡大図であり、時間
に対するＮＤＯＴ_Ａｃ _ｔｕａｌとＮＤＯＴ_{Ｄｅｍａｎｄ}
を示す。図面から明らかなように、急速にエンジンを加
速する時は、ＮＤＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}率はゆっくり反応し
て、要求されたＮＤＯＴ率すなわち加速限界に至り、次
に上記加速限界を過ぎて、結果的には、低下したサージ
マージン（サージ限界）になる。

【００４７】図５−Ａ〜図５−Ｄは、図３−Ａ〜図３−
Ｄおよび図４と同じエンジン加減速シミュレーションを
示すが、ＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ループは使用可能になってい
て、ＷＦを決定する際に、エンジンのリアルタイムな熱
力学的影響が補償されている。

【００４８】図６に明確に示されているように、本開示
の燃料制御システム３００は、従来のトラッキングシス
テム１００よりも著しく改善されている。エンジンを急
速に加速するとき、ＮＤＯＴ_{Ａｃｔｕａｌ}は深刻な遅滞
を伴うことなくＮＤＯＴ_Ｄｅ _ｍａｎｄにぴたりと追従す
る。なお、実際のＮＤＯＴ率は加速限界を越えることは
ない。

【００４９】制御システム３００は、アナログ形式で図
示されているが、信号処理機能がデジタルコンピュータ
で為し得ることは当業者には容易に理解される。

【００５０】本発明は、好ましい実施形態に関して述べ
られているが、請求の範囲に述べられた本発明の精神と
範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正が本
発明に対して為し得ることは当業者には容易に理解され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】比例および積分のＮＤＯＴ制御ロジックを含
むデジタル制御システムの概略図である。

【図２−Ａ】燃焼ガスとエンジンの金属との間を移動
する熱を補償するために、本開示の好ましい実施形態に
従って形成された、所望のコアエンジン燃料流が調整さ
れる精密燃料制御システムの概略図である。図２−Ａの
(イ),(ロ),(ハ)は図２−Ｂの(イ),(ロ),(ハ)にそれぞれ
接続される。

【図２−Ｂ】燃焼ガスとエンジンの金属との間を移動
する熱を補償するために、本開示の好ましい実施形態に
従って形成された、所望のコアエンジン燃料流が調整さ
れる精密燃料制御システムの概略図である。図２−Ｂの
(ニ),(ホ),(ヘ),(ト),(チ),(リ),(ヌ),(ル),(ヲ)は、図
２−Ｃの(ニ),(ホ),(ヘ),(ト),(チ),(リ),(ヌ),(ル),
(ヲ)にそれぞれ接続される。

【図２−Ｃ】燃焼ガスとエンジンの金属との間を移動
する熱を補償するために、本開示の好ましい実施形態に
従って形成された、所望のコアエンジン燃料流が調整さ
れる精密燃料制御システムの概略図である。

【図２−Ｄ】図２−Ａ〜図２−Ｃの配置図である。

【図３−Ａ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用禁止である場合の模擬エンジン加減速時におけ
る様々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図３−Ｂ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用禁止である場合の模擬エンジン加減速時におけ
る様々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図３−Ｃ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用禁止である場合の模擬エンジン加減速時におけ
る様々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図３−Ｄ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用禁止である場合の模擬エンジン加減速時におけ
る様々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図４】ＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ループが使用禁止状態での制
御システムの追従性能を示す図３−Ｄの拡大グラフ表示
である。

【図５−Ａ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用可能な場合の模擬エンジン加減速時における様
々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図５−Ｂ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用可能な場合の模擬エンジン加減速時における様
々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図５−Ｃ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用可能な場合の模擬エンジン加減速時における様
々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図５−Ｄ】燃料制御システムのＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ルー
プが使用可能な場合の模擬エンジン加減速時における様
々な媒介変数の時間変化のグラフ表示である。

【図６】ＷＦ_{ＭＥＴＡＬ}ループが無能である状態での
燃料制御システムの劇的に改善されたＮＤＯＴ追従性能
を示す図５−Ｄの拡大グラフ表示である。

【符号の説明】

２３０…燃料計量装置、３００…燃料制御システム、３１０…燃料流調整器モデル、ＮＨ…ガスジェネレータ速度、ＫＬＨＶ…燃料加熱係数。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 502411274 ＧＯＯＤＲＩＣＨＰＵＭＰ＆ＥＮＧＩＮＥＣＯＮＴＲＯＬＳＹＳＴＥＭＳ，ＩＮＣ. (72)発明者レイモンド・ディ・ザグランスキーアメリカ合衆国06071コネチカット州サマーズ、クリケット・レイン50番 (72)発明者ジョン・マナリーノカナダ、ケベック、モントリオール、フェルナン・ゴーティーズ12172番 (72)発明者クリスティナ・クレイニックカナダ、ジェイ４ジー・２シー１、ケベック、ロンギュイユ・デ・コリブリ824番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）複数のエンジン作動パラメータを
測定するための手段と、ｂ）上記複数の測定されたエンジン作動パラメータに
基づいて初期のエンジン燃料需要を決定するための手段
と、ｃ）エンジン作動中に、上記複数の測定された作動パ
ラメータに基づいて、燃料の燃焼ガスとエンジン金属部
との間で移動する熱量を推定するための手段と、ｄ）上記燃焼ガスと上記エンジン金属部との間で移動
する推定熱量に基づいて、有効な燃料流調整を推定する
ための手段と、ｅ）初期のエンジン燃料需要と上記推定された有効な
燃料流調整とに基づいて、最終的なエンジン燃料需要を
決定するための手段とを備えていることを特徴とするガ
スタービンと共に使用するための燃料制御システム。
【請求項２】請求項１に記載の制御システムにおい
て、上記複数のエンジン作動パラメータを測定するための手
段は、エンジンガスジェネレータの実際の回転速度を示
すガスジェネレータ速度信号を与えるための手段を含ん
でいることを特徴とする制御システム。
【請求項３】請求項１に記載の制御システムにおい
て、上記複数のエンジン作動パラメータを測定するための手
段は、実際のエンジンコンプレッサ排出圧力を示すコン
プレッサ排出信号を与えるための手段を含んでいること
を特徴とする制御システム。
【請求項４】請求項２に記載の制御システムにおい
て、上記初期のエンジン燃料需要を決定するための手段は、
ガスジェネレータ速度信号から決定されるガスジェネレ
ータ速度の実際の変化率を、ガスジェネレータ速度の最
大および最小所望変化率と繰返し比較する燃料流制御器
を含んでいることを特徴とする制御システム。
【請求項５】請求項４に記載の制御システムにおい
て、上記ガスジェネレータ速度の最大および最小所望変化率
は、加速または減速のスケジュールに基づいて決定され
ることを特徴とする制御システム。
【請求項６】請求項１に記載の制御システムにおい
て、上記燃料の燃焼ガスと上記エンジン金属部との間で移動
する熱量を推定するための上記手段は、エンジン燃焼モ
デルを含み、上記モデルは、ａ）エンジン燃料の燃焼によって生じる熱量を推定す
るための手段と、ｂ）エンジン供給空気の圧縮によって生じる熱量を推
定するための手段と、ｃ）ガスジェネレータの出口ガス温度を推定するため
の手段とを備えていることを特徴とする制御システム。
【請求項７】請求項１に記載の制御システムにおい
て、上記有効な燃料流調整を推定するための手段は、上記燃
料の燃焼ガスと上記エンジン金属部との間で移動する推
定熱量から上記有効な燃料流調整を決定する燃料流調整
器モデルと、ガスジェネレータ効率と、燃料の加熱係数
とを含んでいることを特徴とする制御システム。
【請求項８】請求項１に記載の制御システムにおい
て、上記最終的なエンジン燃料需要に基づいて上記エンジン
に燃料を供給する燃料計量装置を更に備えていることを
特徴とする制御システム。
【請求項９】請求項８に記載の制御システムにおい
て、上記燃料計量装置は可変容量形ベーンポンプを含むこと
を特徴とする制御システム。
【請求項１０】請求項７に記載の制御システムにおい
て、上記有効な燃料流調整を推定する手段は、有効な燃料流
調整を増幅させるための増幅器手段を更に備えているこ
とを特徴とする制御システム。
【請求項１１】請求項１に記載の制御システムにおい
て、上記最終的な燃料需要を決定する手段に、有効燃料流の
推定値を表す信号を与えるための手段を更に備えている
ことを特徴とする制御システム。
【請求項１２】ａ）複数のエンジン作動パラメータ
を測定することと、ｂ）上記複数の測定されたエンジン作動パラメータに
基づいて、初期のエンジン燃料需要を決定することと、ｃ）エンジン作動中に、上記複数の測定されたエンジ
ン作動パラメータに基づいて、燃料の燃焼ガスとエンジ
ン金属部との間で移動する熱量を推定することと、ｄ）上記燃焼ガスと上記エンジン金属部との間におけ
る上記推定された熱移動に基づいて、有効な燃料流調整
を推定することと、ｅ）上記初期のエンジン燃料需要と上記推定された有
効な燃料流調整とに基づいて、最終的なエンジン燃料需
要を決定することとを備えていることを特徴とするコン
プレッサとガスジェネレータとを有するガスタービンの
ための燃料制御方法。
【請求項１３】請求項１２に記載の燃料制御方法にお
いて、上記複数のエンジン作動パラメータを測定するステップ
は、ガスジェネレータ速度を測定するステップと、上記
ガスジェネレータの実際の回転速度を表すガスジェネレ
ータ速度信号を与えるステップとを含んでいることを特
徴とする燃料制御方法。
【請求項１４】請求項１２に記載の燃料制御方法にお
いて、上記複数のエンジン作動パラメータを測定するステップ
は、エンジンコンプレッサ排出圧力を測定するステップ
と、実際のエンジンコンプレッサ排出圧力を表すコンプ
レッサ排出圧力信号とを含んでいることを特徴とする燃
料制御方法。
【請求項１５】請求項１３に記載の燃料制御方法にお
いて、上記初期のエンジン燃料需要を決定するステップは、上
記ガスジェネレータ速度信号から決定されるガスジェネ
レータ速度の実際の変化率を、所望の最大および最小ガ
スジェネレータ速度変化率と、繰返し比較する燃料流制
御器の使用を含んでいることを特徴とする燃料制御方
法。
【請求項１６】請求項１５に記載の燃料制御方法にお
いて、上記所望の最大および最小ガスジェネレータ速度変化率
は、加速減速スケジュールに基づいて決定されると共
に、ガスジェネレータ速度信号の関数であることを特徴
とする燃料制御方法。
【請求項１７】請求項１２に記載の燃料制御方法にお
いて、上記燃料の燃焼ガスと上記エンジン金属部との間におい
て移動する熱量は推定するスッテプは、ａ）エンジン燃料の燃焼によって発生する熱量を推定
するステップと、ｂ）エンジン供給空気の圧縮によって発生する熱量を
推定するステップと、ｃ）ガスジェネレータ出口のガス温度を推定するステ
ップとを備えていることを特徴とする燃料制御方法。
【請求項１８】請求項１２に記載の燃料制御方法にお
いて、上記有効な燃料流調整を推定するステップは、上記推定
された熱移動から有効な燃料流調整を決定し、ガスジェ
ネレータの効率と燃料の加熱係数とを決定することを含
んでいることを特徴とする燃料制御方法。
【請求項１９】請求項１２に記載の燃料制御方法にお
いて、最終的なエンジン燃料需要の信号に基づいて、燃料計量
装置を用いて、エンジンに燃料を供給することを更に備
えていることを特徴とする燃料制御方法。
【請求項２０】請求項１９に記載の燃料制御方法にお
いて、上記燃料計量装置は可変容量形ベーンポンプを含んでい
ることを特徴とする燃料制御方法。
【請求項２１】請求項１８に記載の燃料制御方法にお
いて、上記有効な燃料流調整を推定するステップは、上記有効
な燃料流調整を増幅器手段によって増幅させることを更
に備えていることを特徴とする燃料制御方法。
【請求項２２】ａ）複数のエンジン作動パラメータ
を測定するための手段と、ｂ）上記複数の測定されたエンジン作動パラメータに
基づいて初期のエンジン燃料需要を決定するための手段
と、ｃ）エンジン作動中に、燃料の燃焼ガスとエンジン金
属部との間で移動する熱量を測定するための手段と、ｄ）上記燃焼ガスと上記エンジン金属部との間で移動
する測定熱量に基づいて、有効な燃料流調整を推定する
ための手段と、ｅ）上記初期のエンジン燃料需要と上記推定された有
効な燃料流調整とに基づいて、最終的なエンジン燃料需
要を決定するための手段とを備えていることを特徴とす
るガスタービンと共に使用するための燃料制御システ
ム。
【請求項２３】ａ）複数のエンジン作動パラメータ
を測定することと、ｂ）上記複数の測定されたエンジン作動パラメータに
基づいて、初期のエンジン燃料需要を決定することと、ｃ）燃料の燃焼ガスとエンジン金属部との間で移動す
る熱量を推定することと、ｄ）上記燃焼ガスと上記エンジン金属部との間におけ
る上記測定された熱移動に基づいて、有効な燃料流調整
を推定することと、ｅ）上記初期のエンジン燃料需要と上記推定された有
効な燃料流調整とに基づいて、最終的なエンジン燃料需
要を決定することとを備えていることを特徴とするガス
タービンのための燃料制御方法。