JP2004353489A - ガスタービン機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンプレッサにて圧縮された空気を利用して推力を発生するガスタービン機関を適切に制御する制御装置を提供する。
【解決手段】コンプレッサ６から排出される圧縮空気が流通する抽気流路７内の圧力を検出する圧力検出手段と、抽気流路７を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段１０と、推力発生手段１０に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁９と、抽気流路７を流通する圧縮空気の内推力発生手段１０に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路１１に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁１２と、ガスタービン機関１の回転数を検出する機関回転数検出手段と、圧力検出手段の検出値と機関回転数検出手段の検出値とに基づいて排出空気弁１２の開度を制御する制御手段１４とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】コンプレッサ６から排出される圧縮空気が流通する抽気流路７内の圧力を検出する圧力検出手段と、抽気流路７を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段１０と、推力発生手段１０に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁９と、抽気流路７を流通する圧縮空気の内推力発生手段１０に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路１１に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁１２と、ガスタービン機関１の回転数を検出する機関回転数検出手段と、圧力検出手段の検出値と機関回転数検出手段の検出値とに基づいて排出空気弁１２の開度を制御する制御手段１４とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン機関の制御装置に関するものであり、特に、コンプレッサにて圧縮された空気を利用して推力を発生する飛行体等に好適に用いられるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の飛行体において、Ｐｏｗｅｒ／Ｗｅｉｇｈｔ Ｒａｔｉｏの大きなガスタービン機関が駆動源として使用されている。そして、推力を得るための方法としては、ターボジェットのように高温、高圧のガスを大気中に噴出して推力を得る方法と、機関の軸出力でファン（若しくはプロペラ）を駆動して推力を得る方法とが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
後者は更にターボファン方式とターボシャフト方式に分類される。そして、前者のターボファン方式は、ガスタービン機関の同軸上に推力を得るためのファンを設けた構造のものであり、ファンの駆動はガスタービン機関で行われ、ファンの推力とガスタービン機関のガスの膨張により推力を得るものである。
【０００４】
一方、後者のターボシャフト方式も同じくガスタービン機関の軸出力でファン（若しくはプロペラ）を駆動する方式であるが、効率の観点から大きな径のファンを使用するものに関しては、ファン自体の周速が問題となるので、機関の軸とファン駆動軸間に減速機が設置される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
そして、このようなターボファン方式とターボシャフト方式は共にファン（若しくはプロペラ）とガスタービン機関は機械的に接続される構造のものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１９９２９６号公報
【特許文献２】
特開平９−６０５５７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなターボファン方式とターボシャフト方式において、推進装置として用いられるファン（若しくはプロペラ）の駆動は、ガスタービン機関の軸出力を利用する方式であるため、基本的にガスタービン機関の回転軸とファンを機械的に接続する必要がある。そのため、ファン（若しくはプロペラ）の配置について自由度が少ないという欠点がある。
【０００８】
これに対して、ガスタービン機関のコンプレッサあるいはガスタービン機関の回転軸により駆動されるコンプレッサにて圧縮された空気を利用して推力を発生するファン（若しくはプロペラ）を推進装置として用いると、ガスタービン機関と当該ファン（若しくはプロペラ）とは圧縮空気配管等で接続するのみであるので、ファン（若しくはプロペラ）の配置の自由度を増すことが可能になる。
【０００９】
但し、吸入した空気を圧縮して排出するコンプレッサにおいては、コンプレッサの出口の圧力が入口の圧力に対して過剰に高くなると、コンプレッサのブレード部における空気の剥離、逆流現象である、いわゆるサージングに至るおそれがある。ガスタービン機関とファン（若しくはプロペラ）とを機械的に接続する構成においては、機関出力を軸出力として取り出すため、サージングに至ることはないが、上述したようにコンプレッサから排出される圧縮空気を利用して推力を発生させる構成においては、使用される圧縮空気量が減少するとコンプレッサの出口圧力が高くなり、サージングに至る可能性がある。そして、コンプレッサの損傷に至るおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コンプレッサにて圧縮された空気を利用して推力を発生するガスタービン機関を適切に制御する制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン機関の制御装置にあっては、ガスタービン機関の回転軸により駆動され吸入した空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサから排出される圧縮空気が流通する抽気流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気が流通する推力用空気流路に備えられ、前記推力発生手段に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、前記ガスタービン機関の回転軸の回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記圧力検出手段の検出値と前記機関回転数検出手段の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このように構成されたガスタービン機関の制御装置においては、推力発生手段はガスタービン機関の回転軸により駆動されるコンプレッサにて圧縮され抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生するが、推力発生手段にて推力を発生させる場合には推力用空気弁の開度を開き、推力発生手段にて推力を発生させる必要が無い場合には推力用空気弁の開度を閉じるというように、要求される推力に応じて推力用空気弁の開度を制御する。
【００１３】
そして、このように、推力発生手段は、ガスタービン機関の回転軸により駆動されるコンプレッサにて圧縮され抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生するため、ガスタービン機関と推力発生手段とは抽気流路のみで接続することができる。そのため、ガスタービン機関と推力発生手段とを機械的に接続する場合と比較すると、推力発生手段の配置を自由に設定することができる。また、推力発生手段の数、大きさ等をも飛行体の大きさ等に応じて自由に設定することができるので、このことも推力発生手段の配置の自由度を大きくさせる要因となる。
【００１４】
但し、吸入した空気を圧縮して排出するコンプレッサにおいては、コンプレッサの出口の圧力が入口の圧力に対して過剰に高くなると、コンプレッサのブレード部における空気の剥離、逆流現象である、いわゆるサージングに至るおそれがある。
【００１５】
そこで、本発明に係るガスタービン機関の制御装置においては、抽気流路を流通する圧縮空気の内推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路と、当該排出用空気流路を流通し大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、圧力検出手段にて検出されたコンプレッサから排出される圧縮空気が流通する抽気流路内の圧力の検出値と機関回転数検出手段にて検出されたガスタービン機関の回転軸の回転数の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段とを備えるようにした。
【００１６】
そして、前記制御手段が、例えば、検出された機関回転数に基づいて前記コンプレッサの出口の目標圧力を算出し、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より高い場合は、前記排出空気弁の開度を開くように制御することで、サージングに至らないように、一定量の圧縮空気をコンプレッサから取り出し、排出空気流路を介して大気に排出させるようにすることができる。
【００１７】
また、前記制御手段が、例えば、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より低い場合は、前記排出空気弁の開度を閉じるように制御することで、コンプレッサにて圧縮された空気を無駄に排出させずに、効率よく推力発生手段で利用させることができる。
【００１８】
また、本発明に係るガスタービン機関の制御装置においては、ガスタービン機関のコンプレッサから排出され当該ガスタービン機関の燃焼器に流入する圧縮空気が流通する燃焼用空気流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記コンプレッサから排出される圧縮空気の内、前記燃焼用空気流路を流通する圧縮空気以外の圧縮空気が流通する抽気流路と、前記抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気が流通する推力用空気流路に備えられ、前記推力発生手段に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、前記ガスタービン機関の回転軸の回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記圧力検出手段の検出値と前記機関回転数検出手段の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
ガスタービン機関のコンプレッサにて圧縮された空気の一部を推力発生手段にて利用する構成においても、推力発生手段にて使用される圧縮空気量が減少するとサージングに至るおそれがあり、ガスタービン機関のコンプレッサの損傷に至るおそれがある。
【００２０】
そこで、本発明に係るガスタービン機関の制御装置においては、抽気流路を流通する圧縮空気の内推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路と、当該排出用空気流路を流通し大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、圧力検出手段にて検出されたコンプレッサから排出され当該ガスタービン機関の燃焼器に流入する圧縮空気が流通する燃焼用空気流路内の圧力の検出値と機関回転数検出手段にて検出されたガスタービン機関の回転軸の回転数の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段とを備えるようにした。
【００２１】
そして、前記制御手段が、例えば、検出された機関回転数に基づいて前記コンプレッサの出口の目標圧力を算出し、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より高い場合は、前記排出空気弁の開度を開くように制御することで、サージングに至らないように、一定量の圧縮空気量をコンプレッサから取り出し、排出空気流路を介して大気に排出させるようにすることができる。
【００２２】
また、前記制御手段が、例えば、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より低い場合は、前記排出空気弁の開度を閉じるように制御することで、コンプレッサにて圧縮された空気を無駄に大気に排出させずに、効率よく推力発生手段で利用させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【００２５】
ガスタービン機関１は、第１コンプレッサ２、燃焼器３、タービン４を備えている。そして、吸入空気（吸気）は第１コンプレッサ２にて圧縮され、燃焼器３において燃料供給アクチュエータ（図示省略）により供給される燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスは第１コンプレッサ２と回転軸５で直結されたタービン４を回転させた後に、排気ガスとなって大気に排出される。
【００２６】
このガスタービン機関１には第２コンプレッサ６が回転軸５で直結されており、タービン４の回転数と同じ回転数で第２コンプレッサ６が回転して吸入した空気を圧縮し、第２コンプレッサ６出口部に接続された抽気流路７へ排出する。抽気流路７は、ｎ本の推力用空気流路としての推力用空気流路８と接続されており、このｎ本の推力用空気流路８各々には、後述するＥＣＵからの指令に基づき駆動される当該推力用空気流路８内の流路面積を変更可能な制御器である電磁弁等の推力用空気弁９を介して、推力発生手段としての推力発生用ファン１０が連結されている。更に、抽気流路７には１本の排出用空気流路１１が接続されており、この排出用空気流路１１には、後述するＥＣＵからの指令に基づき駆動される当該排出用空気流路１１内の流路面積を変更可能な制御器である例えば電磁弁等の排出空気弁１２が備えられており、その下流において大気に開放されている。
【００２７】
推力発生用ファン１０の構成の概略を示したのが図２であり、推力発生用ファン１０は、主にタービン２１、減速機２２、ファン２３とから構成されている。そして、推力用空気流路８から流入した高圧の空気によりタービン２１が回転駆動され、減速機２２により減速させられてファン２３が回転し、ファン２３の回転により推力が発生する。
【００２８】
また、ガスタービン機関１には回転軸５の回転位相を検出する回転角センサ１３が設けられている。この回転角センサ１３は、回転軸５近傍に配置され所定回転角度毎（例えば６０度毎）にパルス信号を発生するものであり、このパルスは後述するＥＣＵ１４に入力され、ＥＣＵ１４は、一定時間毎にパルス信号の周波数から回転軸５の回転数（以下、「機関回転数」という。）Ｎを算出する。
【００２９】
以上述べたように構成された飛行体には、当該飛行体を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１４が併設されている。このＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる算術論理演算回路である。
【００３０】
ＥＣＵ１４には、上述した回転角センサ１３、第２コンプレッサ６の出口圧力Ｐ３を検出する出口圧力センサ１５、大気圧力Ｐ０を検出する大気圧センサ（図示省略）、大気の温度Ｔ０を検出する大気温センサ（図示省略）やアクセル開度センサ（図示省略）等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１４に入力されるようになっている。
【００３１】
一方、ＥＣＵ１４には、推力用空気弁９、排出空気弁１２等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１４が推力用空気弁９、排出空気弁１２等を制御することが可能になっている。
【００３２】
このような構成において、アクセル開度センサからの出力値に基づいて予め設定されたマップにしたがってガスタービン機関１の運転状態が制御される。本実施の形態では、基本的にアクセル開度信号レベルが大きいほどガスタービン機関１は高負荷状態で運転される。
【００３３】
また、飛行体が浮上するための推力が要求される場合には、ＥＣＵ１４は推力用空気流路８の流路面積変更可能な推力用空気弁９の開度を開き、第２コンプレッサ６からの圧縮空気を、浮上するための推力を発生する推力発生用ファン１０へ多目に導くようにする。結果として、推力発生用ファン１０は、圧縮空気が膨張する際のエネルギーを利用して回転し推力を発生することとなる。
【００３４】
一方、飛行体を着陸させる場合、あるいは飛行体の姿勢をコントロールする場合には、推力発生用ファン１０の推力を絞る必要性が生じるが、その際は、推力用空気弁９の開度を絞り、推力発生用ファン１０への空気流量を減少させる。
【００３５】
このように、本実施の形態に係る飛行体は、推進装置として推力発生用ファン１０を用いており、ガスタービン機関１の回転軸５に直結された第２コンプレッサ６にて発生する圧縮空気を駆動源として使用している。かかる構成とすることにより、ガスタービン機関１と推進装置たる推力発生用ファン１０との接続は、圧縮空気が流通する抽気流路７と推力用空気流路８だけであるので、従来技術に係る飛行体のようにガスタービン機関と推進装置とを機械的に接続する必要がない。そのため、飛行体におけるガスタービン機関の搭載状態に対して、推進装置たる推力発生用ファン１０の配置の自由度を増すことが可能となり、飛行体への搭載性が向上する。推力発生用ファン１０の数や大きさも飛行体毎に任意に設定することができ、飛行体に応じて所望の推力を得るようにすることができると共に、このことも推力発生用ファン１０の配置の自由度を増している。例えば、飛行体の底部等に、推力発生用ファン１０の軸が地面に対して垂直となるように配置することで地面に対して垂直な推力を発生でき、飛行体の後部等に、推力発生用ファン１０の軸が地面に対して水平となるように配置することで地面に対して水平な推力を発生できる。
【００３６】
しかしながら、このようにガスタービン機関の運転により発生する圧縮空気を推進装置に利用する場合には次のような問題が発生する。
【００３７】
図３に示したのが、コンプレッサの一般的な特性であり、本図に示すようにコンプレッサの特性は機関回転数Ｎ毎に実線で示すような特性として表すことができる。これは、コンプレッサの回転数Ｎを一定とした場合にコンプレッサから取り出す空気流量Ｇａが多いとコンプレッサの出口の圧力Ｐ３は下がり、コンプレッサから取り出す空気流量Ｇａが少なくなるとコンプレッサの出口の圧力Ｐ３は上昇するような特性を持っていることを示している。なお、図３中、θは大気温度／標準大気温度であり、δは大気圧力／標準大気圧力を示す値である。
【００３８】
かかるコンプレッサの特性により、圧縮空気はガスタービン機関１の回転軸５に直結された第２コンプレッサ６により容易に作り出せるが、飛行体を着陸させる場合、あるいは飛行体の姿勢をコントロールする場合等において推力発生用ファン１０の圧縮空気使用量が減少した場合、第２コンプレッサ６の出口圧力が上昇してしまう。これは、従来技術のターボファンやターボシャフト方式では、機関出力を軸出力として取り出すのに対して、本実施の形態の構成では、第２コンプレッサ６にて圧縮した空気が使用されない場合、当該空気の行き場所がなくなるためである。そして、第２コンプレッサ６の出口圧力が高くなると、第２コンプレッサ６のブレード（翼）部における空気の剥離、逆流現象であるサージングという現象に至り、第２コンプレッサ６の破損に至ってしまう。なお、コンプレッサから取り出す空気流量Ｇａ等毎にいかなる範囲にてサージングが発生するかを表す領域であるサージ領域を図３に示した。本図において、例えばＮ／√θ＝８０％は、定格回転数（Ｎ／√θ＝１００％）の８０％の回転数であることを示す。
【００３９】
このように、コンプレッサによる圧縮空気を推進装置に利用するシステムにおいては、推進装置の使用空気量が減少した場合にサージングに至らないようにすることが重要であり、本実施の形態に係る飛行体においては、ガスタービン機関１の運転中に推力発生用ファン１０の空気使用量が低下したような場合に、排出空気弁１２の弁の開度を開くように制御して圧縮空気を大気中に排出させることにより、一定量以上の空気を圧縮機から取り出すようにする。
【００４０】
そして、排出空気弁１２の開度を制御するにあたっては、図４のフローチャートに示した制御ルーチンにしたがって実行する。
【００４１】
この制御ルーチンを、予めＥＣＵ１４のＲＯＭに記憶しておき、一定時間の経過毎に割り込み処理としてＥＣＵ１４が実行するようにするものである。
【００４２】
ＥＣＵ１４は、まず、ステップ１００において、回転角センサ１３、出口圧力センサ１５、大気圧センサ、大気温センサからの４つの入力信号に基づいて機関回転数Ｎ、大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０、コンプレッサ出口圧力Ｐ３を検出する。
【００４３】
その後、ステップ１０１において、機関回転数Ｎと予め定数として設定されたＮｓとを比較する。ここで、Ｎｓとは、例えば機関のアイドル回転数相当の値であり、排出空気弁１２を作動させなくても第２コンプレッサ６がサージングを起こさないような回転数値が選定される。したがって、本ステップではＮｓと実機関回転数Ｎとを比較することによりガスタービン機関が運転されているか否かの判断と排出空気弁１２を開く必要がある領域にあるか否かの判断を行うものである。
【００４４】
しかるべくして、実機関回転数Ｎが設定値Ｎｓ以下の場合、ガスタービン機関１はサージングに至ることはないのでステップ１１１へ進み、排出空気弁１２の開度を０％の状態とする。一方、実機関回転数ＮがＮｓ以上となった場合には機関の運転状態によりコンプレッサがサージングに至る可能性があり、排出空気弁１２の開度を調節する必要性が生じるので、ステップ１０２以降の処理を実行する。
【００４５】
ステップ１０２においては、検出値を基に目標のコンプレッサの出口圧力であるＰ３ｔの算出を行うものである。このＰ３ｔはサージ領域の判断を行うための変数であり、その特性は、図３に示したコンプレッサの特性上に図中のように示されている。この特性は、サージ領域に対し若干制御マージンを見込んで設定されるものであり、コンプレッサ毎に、機関回転数、大気圧Ｐ０、大気温Ｔ０に基づいて一義的に定まる値である。そして、この機関回転数、Ｐ０、Ｔ０及びＰ３ｔの相関関係をＥＣＵ１４のＲＯＭにマップとして記憶しておき、本ステップではステップ１００にて検出した機関回転数Ｎ、大気圧Ｐ０、大気温度Ｔ０を当該マップに代入してＰ３ｔを求めるようにしている。
【００４６】
その後、ステップ１０３に進み、ステップ１０２で求めたＰ３ｔと検出したコンプレッサ出口圧力Ｐ３との比較を行う。そして、Ｐ３とＰ３ｔが同じ値の場合にはステップ１０４へ進み、Ｐ３とＰ３ｔの値が異なる場合には、ステップ１０５へ進む。
【００４７】
ステップ１０４においては、Ｐ３とＰ３ｔが同じ値であるので、排出空気弁１２の開度の変更の必要性がないため、排出空気弁１２の開度Ｓは前回設定した値Ｓ−１をそのまま使用するようにする。
【００４８】
一方、ステップ１０５においては、Ｐ３とＰ３ｔの値が異なるので、その差分（Ｐ３−Ｐ３ｔ）をパラメータとして図５に示す特性に基づき排出空気弁１２の開度Ｓの補正量ΔＳを求めるようにする。なお、この図５の特性はコンプレッサの安定性等を考慮して予め設定されるものであり、本実施の形態においては、基本的に実コンプレッサ出口圧力Ｐ３が算出値Ｐ３ｔより大きくなった場合はコンプレッサがサージングに入る可能性があるため排出空気弁１２の開度が大きくなるように制御し、実コンプレッサ出口圧力Ｐ３が算出値Ｐ３ｔより小さくなった際には圧縮機がサージングに入る可能性はないので、排出空気弁１２の開度は小さくする方向に制御するものである。このようにして、サージングに至るのを防止するとともに、第２コンプレッサ６にて圧縮された空気が無駄に排出空気弁１２を通過して大気に排出させないようにして、機関効率を損なうことを抑制するようにする。
【００４９】
その後ステップ１０６へ進み、排出空気弁１２の開度Ｓを求める。これは、前回の開度Ｓ−１にステップ１０５にて算出した補正量ΔＳを加算するものである。
【００５０】
その後のステップは、ステップ１０６で算出した排出空気弁１２の開度Ｓが排出空気弁１２の作動範囲（０〜１００％）を超えているか否かのチェックを行い、もしこの範囲を超えているようならば、その作動範囲内に修正するものである。
【００５１】
つまり、ステップ１０７において、ステップ１０６にて算出した排出空気弁１２の開度Ｓが１００％以上であるか否かを判別する。そして、開度Ｓが１００％以上である場合はステップ１０８へ進み、開度Ｓを１００％に設定する。一方、開度Ｓが１００％より小さい場合はステップ１０９へ進む。
【００５２】
ステップ１０９においては、開度Ｓが０％より小さいか否かを判別する。そして、開度Ｓが０％より小さい場合はステップ１１０へ進み、開度を０％に設定する。一方、開度Ｓが０％以上であると判別された場合は、開度Ｓは０％から１００％の範囲内にあるので、ステップ１０６で算出した開度Ｓをそのまま使用する。
【００５３】
そして排出空気弁１２の開度Ｓが決定されたらステップ１１２へ進む。そして本ステップにおいて、上記のようにして決定された排出空気弁１２の開度の信号をドライバー回路に出力し、ドライバー回路では開度信号に応じた開度となるように排出空気弁１２をフィードバック制御するようにする。
【００５４】
このようにすることで、ガスタービン機関１がいかなる運転状態にあっても、第２コンプレッサ６がサージングに至ることを防止することができる。
【００５５】
また、第２コンプレッサ６にて圧縮された空気を推力発生用ファン１０が利用する場合には排出空気弁１２を閉じるように制御するので、機関効率を損なうことを抑制することができる。
【００５６】
（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態に係るガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【００５７】
第１の実施の形態においては、推力発生用ファン１０にて使用する圧縮空気を発生させるための第２コンプレッサ６を回転軸５に直結していたが、本実施の形態においては、ガスタービン機関１６のコンプレッサ１７に抽気流路７を接続し、コンプレッサ１７にて発生した圧縮空気の一部を推力発生用ファン１０を駆動するためにも用いるように構成されている。そして、コンプレッサ１７にて圧縮された空気を燃焼器３に流入させるための空気流路である燃焼用空気流路１８にコンプレッサ出口圧力Ｐ３を検出する出口圧力センサ１５が備えられている。その他の構成は第１の実施の形態と同一であり、同一の構成部品については、図１と同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００５８】
かかる構成においては、コンプレッサ１７にて圧縮された空気は、燃焼器３に送られると共に推力発生用ファン１０にも送られるため、第１の実施の形態の第１コンプレッサ２と比較するとより多くの圧縮空気を発生する必要があるが、第１の実施の形態では必要となる第２コンプレッサ６が不要となるという利点がある。
【００５９】
そして、このように構成された飛行体においても、上述したコンプレッサの特性により、圧縮空気はコンプレッサ１７により容易に作り出せるが、飛行体を着陸させる場合、あるいは飛行体の姿勢をコントロールする場合等において推力発生用ファン１０の圧縮空気使用量が減少した場合、コンプレッサ１７にて圧縮された空気の内抽気流路７へ流入する空気量が減少し、コンプレッサ１７の出口圧力が上昇してしまう。そして、コンプレッサ１７の出口圧力が高くなると、上述したサージングという現象に至るので、推力発生用ファン１０の使用空気量が減少した場合にサージングに至らないようにすることが重要であり、本実施の形態に係る飛行体においても、ガスタービン機関１６の運転中に推力発生用ファン１０の空気使用量が低下したような場合に、排出空気弁１２の弁の開度を開くように制御して圧縮空気を大気中に排出させるようにし、一定量以上の空気を圧縮機から取り出すようにする。
【００６０】
そして、排出空気弁１２の開度を制御するにあたっては、第１の実施の形態と同様に図４のフローチャートに示した制御ルーチンにしたがって実行する。その詳細な説明は省略するが、概略としては以下のようにして、排出空気弁１２の開度を制御する。
【００６１】
つまり、ＥＣＵ１４は、まず、回転角センサ１３、出口圧力センサ１５、大気圧センサ、大気温センサからの４つの入力信号に基づいて機関回転数Ｎ、大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０、コンプレッサ１７の出口圧力Ｐ３を検出する。
【００６２】
その後、検出した機関回転数Ｎと予め定数として設定されたＮｓとを比較し、実機関回転数Ｎが設定値Ｎｓ以下の場合、コンプレッサ１７はサージングに至ることはないので排出空気弁１２の開度を０％の状態とする。
【００６３】
一方、実機関回転数ＮがＮｓ以上である場合には、検出値を基に目標のコンプレッサの出口圧力であるＰ３ｔを算出し、検出したコンプレッサ出口圧力Ｐ３との比較を行う。そして、Ｐ３とＰ３ｔが同じ値の場合には、排出空気弁１２の開度Ｓは前回設定した値Ｓ−１をそのまま使用するようにする。
【００６４】
一方、Ｐ３とＰ３ｔの値が異なる場合は、その差分（Ｐ３−Ｐ３ｔ）をパラメータとして排出空気弁１２の開度Ｓの補正量ΔＳを求め、前回の開度Ｓ−１に加算する。その後、算出した開度Ｓが、作動範囲（０〜１００％）を超えているか否かのチェックを行い、もしこの範囲を超えているようならば、その作動範囲内に修正する。開度Ｓが、前記作動範囲内にある場合は、ステップ１０６で算出した開度Ｓをそのまま使用する。
【００６５】
そして上述のようにして排出空気弁１２の開度Ｓを設定した後は、この開度の信号をドライバー回路に出力し、ドライバー回路では開度信号に応じた開度となるように排出空気弁１２をフィードバック制御するようにする。
【００６６】
このようにすることで、ガスタービン機関１６がいかなる運転状態にあっても、コンプレッサ１７がサージングに至ることを防止することができる。また、コンプレッサ１７にて圧縮された空気を推力発生用ファン１０が利用する場合には排出空気弁１２を閉じるので、機関効率を損なうことを抑制することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスタービン機関の制御装置によれば、ガスタービン機関とコンプレッサにて圧縮された空気を利用して駆動する推力発生手段たるファン（若しくはプロペラ）とを抽気流路のみで接続させることができるので、例えば飛行体におけるファン（若しくはプロペラ）の配置に自由度をもたせることができる。
【００６８】
また、コンプレッサにて圧縮された空気を適当量だけ大気に排出させるようにすることで、サージングに至るのを防止するとともに、コンプレッサにて圧縮された空気が無駄に大気に排出させないようにして、機関効率を損なうことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る推力発生用ファンの概略構成を示す図である。
【図３】コンプレッサの特性を示す図である。
【図４】実施の形態に係る排出空気弁の開度を制御する制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図５】コンプレッサ出口の実際の圧力及び目標の圧力と、排出空気弁の開度の補正量との相関関係を示す図である。
【図６】第２の実施の形態にガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン機関
２ 第１コンプレッサ
３ 燃焼器
４ タービン
５ 回転軸
６ 第２コンプレッサ
７ 抽気流路
８ 推力用空気流路
９ 推力用空気弁
１０ 推力発生用ファン
１１ 排出用空気流路
１２ 排出空気弁
１３ 回転角センサ
１４ ＥＣＵ
１５ 出口圧力センサ
１６ ガスタービン機関
１７ コンプレッサ
１８ 燃焼用空気流路
２１ タービン
２２ 減速機
２３ ファン
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン機関の制御装置に関するものであり、特に、コンプレッサにて圧縮された空気を利用して推力を発生する飛行体等に好適に用いられるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の飛行体において、Ｐｏｗｅｒ／Ｗｅｉｇｈｔ Ｒａｔｉｏの大きなガスタービン機関が駆動源として使用されている。そして、推力を得るための方法としては、ターボジェットのように高温、高圧のガスを大気中に噴出して推力を得る方法と、機関の軸出力でファン（若しくはプロペラ）を駆動して推力を得る方法とが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
後者は更にターボファン方式とターボシャフト方式に分類される。そして、前者のターボファン方式は、ガスタービン機関の同軸上に推力を得るためのファンを設けた構造のものであり、ファンの駆動はガスタービン機関で行われ、ファンの推力とガスタービン機関のガスの膨張により推力を得るものである。
【０００４】
一方、後者のターボシャフト方式も同じくガスタービン機関の軸出力でファン（若しくはプロペラ）を駆動する方式であるが、効率の観点から大きな径のファンを使用するものに関しては、ファン自体の周速が問題となるので、機関の軸とファン駆動軸間に減速機が設置される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
そして、このようなターボファン方式とターボシャフト方式は共にファン（若しくはプロペラ）とガスタービン機関は機械的に接続される構造のものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１９９２９６号公報
【特許文献２】
特開平９−６０５５７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなターボファン方式とターボシャフト方式において、推進装置として用いられるファン（若しくはプロペラ）の駆動は、ガスタービン機関の軸出力を利用する方式であるため、基本的にガスタービン機関の回転軸とファンを機械的に接続する必要がある。そのため、ファン（若しくはプロペラ）の配置について自由度が少ないという欠点がある。
【０００８】
これに対して、ガスタービン機関のコンプレッサあるいはガスタービン機関の回転軸により駆動されるコンプレッサにて圧縮された空気を利用して推力を発生するファン（若しくはプロペラ）を推進装置として用いると、ガスタービン機関と当該ファン（若しくはプロペラ）とは圧縮空気配管等で接続するのみであるので、ファン（若しくはプロペラ）の配置の自由度を増すことが可能になる。
【０００９】
但し、吸入した空気を圧縮して排出するコンプレッサにおいては、コンプレッサの出口の圧力が入口の圧力に対して過剰に高くなると、コンプレッサのブレード部における空気の剥離、逆流現象である、いわゆるサージングに至るおそれがある。ガスタービン機関とファン（若しくはプロペラ）とを機械的に接続する構成においては、機関出力を軸出力として取り出すため、サージングに至ることはないが、上述したようにコンプレッサから排出される圧縮空気を利用して推力を発生させる構成においては、使用される圧縮空気量が減少するとコンプレッサの出口圧力が高くなり、サージングに至る可能性がある。そして、コンプレッサの損傷に至るおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コンプレッサにて圧縮された空気を利用して推力を発生するガスタービン機関を適切に制御する制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン機関の制御装置にあっては、ガスタービン機関の回転軸により駆動され吸入した空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサから排出される圧縮空気が流通する抽気流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気が流通する推力用空気流路に備えられ、前記推力発生手段に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、前記ガスタービン機関の回転軸の回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記圧力検出手段の検出値と前記機関回転数検出手段の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このように構成されたガスタービン機関の制御装置においては、推力発生手段はガスタービン機関の回転軸により駆動されるコンプレッサにて圧縮され抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生するが、推力発生手段にて推力を発生させる場合には推力用空気弁の開度を開き、推力発生手段にて推力を発生させる必要が無い場合には推力用空気弁の開度を閉じるというように、要求される推力に応じて推力用空気弁の開度を制御する。
【００１３】
そして、このように、推力発生手段は、ガスタービン機関の回転軸により駆動されるコンプレッサにて圧縮され抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生するため、ガスタービン機関と推力発生手段とは抽気流路のみで接続することができる。そのため、ガスタービン機関と推力発生手段とを機械的に接続する場合と比較すると、推力発生手段の配置を自由に設定することができる。また、推力発生手段の数、大きさ等をも飛行体の大きさ等に応じて自由に設定することができるので、このことも推力発生手段の配置の自由度を大きくさせる要因となる。
【００１４】
但し、吸入した空気を圧縮して排出するコンプレッサにおいては、コンプレッサの出口の圧力が入口の圧力に対して過剰に高くなると、コンプレッサのブレード部における空気の剥離、逆流現象である、いわゆるサージングに至るおそれがある。
【００１５】
そこで、本発明に係るガスタービン機関の制御装置においては、抽気流路を流通する圧縮空気の内推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路と、当該排出用空気流路を流通し大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、圧力検出手段にて検出されたコンプレッサから排出される圧縮空気が流通する抽気流路内の圧力の検出値と機関回転数検出手段にて検出されたガスタービン機関の回転軸の回転数の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段とを備えるようにした。
【００１６】
そして、前記制御手段が、例えば、検出された機関回転数に基づいて前記コンプレッサの出口の目標圧力を算出し、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より高い場合は、前記排出空気弁の開度を開くように制御することで、サージングに至らないように、一定量の圧縮空気をコンプレッサから取り出し、排出空気流路を介して大気に排出させるようにすることができる。
【００１７】
また、前記制御手段が、例えば、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より低い場合は、前記排出空気弁の開度を閉じるように制御することで、コンプレッサにて圧縮された空気を無駄に排出させずに、効率よく推力発生手段で利用させることができる。
【００１８】
また、本発明に係るガスタービン機関の制御装置においては、ガスタービン機関のコンプレッサから排出され当該ガスタービン機関の燃焼器に流入する圧縮空気が流通する燃焼用空気流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記コンプレッサから排出される圧縮空気の内、前記燃焼用空気流路を流通する圧縮空気以外の圧縮空気が流通する抽気流路と、前記抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気が流通する推力用空気流路に備えられ、前記推力発生手段に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁と、前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、前記ガスタービン機関の回転軸の回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記圧力検出手段の検出値と前記機関回転数検出手段の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
ガスタービン機関のコンプレッサにて圧縮された空気の一部を推力発生手段にて利用する構成においても、推力発生手段にて使用される圧縮空気量が減少するとサージングに至るおそれがあり、ガスタービン機関のコンプレッサの損傷に至るおそれがある。
【００２０】
そこで、本発明に係るガスタービン機関の制御装置においては、抽気流路を流通する圧縮空気の内推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路と、当該排出用空気流路を流通し大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、圧力検出手段にて検出されたコンプレッサから排出され当該ガスタービン機関の燃焼器に流入する圧縮空気が流通する燃焼用空気流路内の圧力の検出値と機関回転数検出手段にて検出されたガスタービン機関の回転軸の回転数の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段とを備えるようにした。
【００２１】
そして、前記制御手段が、例えば、検出された機関回転数に基づいて前記コンプレッサの出口の目標圧力を算出し、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より高い場合は、前記排出空気弁の開度を開くように制御することで、サージングに至らないように、一定量の圧縮空気量をコンプレッサから取り出し、排出空気流路を介して大気に排出させるようにすることができる。
【００２２】
また、前記制御手段が、例えば、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より低い場合は、前記排出空気弁の開度を閉じるように制御することで、コンプレッサにて圧縮された空気を無駄に大気に排出させずに、効率よく推力発生手段で利用させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【００２５】
ガスタービン機関１は、第１コンプレッサ２、燃焼器３、タービン４を備えている。そして、吸入空気（吸気）は第１コンプレッサ２にて圧縮され、燃焼器３において燃料供給アクチュエータ（図示省略）により供給される燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスは第１コンプレッサ２と回転軸５で直結されたタービン４を回転させた後に、排気ガスとなって大気に排出される。
【００２６】
このガスタービン機関１には第２コンプレッサ６が回転軸５で直結されており、タービン４の回転数と同じ回転数で第２コンプレッサ６が回転して吸入した空気を圧縮し、第２コンプレッサ６出口部に接続された抽気流路７へ排出する。抽気流路７は、ｎ本の推力用空気流路としての推力用空気流路８と接続されており、このｎ本の推力用空気流路８各々には、後述するＥＣＵからの指令に基づき駆動される当該推力用空気流路８内の流路面積を変更可能な制御器である電磁弁等の推力用空気弁９を介して、推力発生手段としての推力発生用ファン１０が連結されている。更に、抽気流路７には１本の排出用空気流路１１が接続されており、この排出用空気流路１１には、後述するＥＣＵからの指令に基づき駆動される当該排出用空気流路１１内の流路面積を変更可能な制御器である例えば電磁弁等の排出空気弁１２が備えられており、その下流において大気に開放されている。
【００２７】
推力発生用ファン１０の構成の概略を示したのが図２であり、推力発生用ファン１０は、主にタービン２１、減速機２２、ファン２３とから構成されている。そして、推力用空気流路８から流入した高圧の空気によりタービン２１が回転駆動され、減速機２２により減速させられてファン２３が回転し、ファン２３の回転により推力が発生する。
【００２８】
また、ガスタービン機関１には回転軸５の回転位相を検出する回転角センサ１３が設けられている。この回転角センサ１３は、回転軸５近傍に配置され所定回転角度毎（例えば６０度毎）にパルス信号を発生するものであり、このパルスは後述するＥＣＵ１４に入力され、ＥＣＵ１４は、一定時間毎にパルス信号の周波数から回転軸５の回転数（以下、「機関回転数」という。）Ｎを算出する。
【００２９】
以上述べたように構成された飛行体には、当該飛行体を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１４が併設されている。このＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどからなる算術論理演算回路である。
【００３０】
ＥＣＵ１４には、上述した回転角センサ１３、第２コンプレッサ６の出口圧力Ｐ３を検出する出口圧力センサ１５、大気圧力Ｐ０を検出する大気圧センサ（図示省略）、大気の温度Ｔ０を検出する大気温センサ（図示省略）やアクセル開度センサ（図示省略）等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１４に入力されるようになっている。
【００３１】
一方、ＥＣＵ１４には、推力用空気弁９、排出空気弁１２等が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１４が推力用空気弁９、排出空気弁１２等を制御することが可能になっている。
【００３２】
このような構成において、アクセル開度センサからの出力値に基づいて予め設定されたマップにしたがってガスタービン機関１の運転状態が制御される。本実施の形態では、基本的にアクセル開度信号レベルが大きいほどガスタービン機関１は高負荷状態で運転される。
【００３３】
また、飛行体が浮上するための推力が要求される場合には、ＥＣＵ１４は推力用空気流路８の流路面積変更可能な推力用空気弁９の開度を開き、第２コンプレッサ６からの圧縮空気を、浮上するための推力を発生する推力発生用ファン１０へ多目に導くようにする。結果として、推力発生用ファン１０は、圧縮空気が膨張する際のエネルギーを利用して回転し推力を発生することとなる。
【００３４】
一方、飛行体を着陸させる場合、あるいは飛行体の姿勢をコントロールする場合には、推力発生用ファン１０の推力を絞る必要性が生じるが、その際は、推力用空気弁９の開度を絞り、推力発生用ファン１０への空気流量を減少させる。
【００３５】
このように、本実施の形態に係る飛行体は、推進装置として推力発生用ファン１０を用いており、ガスタービン機関１の回転軸５に直結された第２コンプレッサ６にて発生する圧縮空気を駆動源として使用している。かかる構成とすることにより、ガスタービン機関１と推進装置たる推力発生用ファン１０との接続は、圧縮空気が流通する抽気流路７と推力用空気流路８だけであるので、従来技術に係る飛行体のようにガスタービン機関と推進装置とを機械的に接続する必要がない。そのため、飛行体におけるガスタービン機関の搭載状態に対して、推進装置たる推力発生用ファン１０の配置の自由度を増すことが可能となり、飛行体への搭載性が向上する。推力発生用ファン１０の数や大きさも飛行体毎に任意に設定することができ、飛行体に応じて所望の推力を得るようにすることができると共に、このことも推力発生用ファン１０の配置の自由度を増している。例えば、飛行体の底部等に、推力発生用ファン１０の軸が地面に対して垂直となるように配置することで地面に対して垂直な推力を発生でき、飛行体の後部等に、推力発生用ファン１０の軸が地面に対して水平となるように配置することで地面に対して水平な推力を発生できる。
【００３６】
しかしながら、このようにガスタービン機関の運転により発生する圧縮空気を推進装置に利用する場合には次のような問題が発生する。
【００３７】
図３に示したのが、コンプレッサの一般的な特性であり、本図に示すようにコンプレッサの特性は機関回転数Ｎ毎に実線で示すような特性として表すことができる。これは、コンプレッサの回転数Ｎを一定とした場合にコンプレッサから取り出す空気流量Ｇａが多いとコンプレッサの出口の圧力Ｐ３は下がり、コンプレッサから取り出す空気流量Ｇａが少なくなるとコンプレッサの出口の圧力Ｐ３は上昇するような特性を持っていることを示している。なお、図３中、θは大気温度／標準大気温度であり、δは大気圧力／標準大気圧力を示す値である。
【００３８】
かかるコンプレッサの特性により、圧縮空気はガスタービン機関１の回転軸５に直結された第２コンプレッサ６により容易に作り出せるが、飛行体を着陸させる場合、あるいは飛行体の姿勢をコントロールする場合等において推力発生用ファン１０の圧縮空気使用量が減少した場合、第２コンプレッサ６の出口圧力が上昇してしまう。これは、従来技術のターボファンやターボシャフト方式では、機関出力を軸出力として取り出すのに対して、本実施の形態の構成では、第２コンプレッサ６にて圧縮した空気が使用されない場合、当該空気の行き場所がなくなるためである。そして、第２コンプレッサ６の出口圧力が高くなると、第２コンプレッサ６のブレード（翼）部における空気の剥離、逆流現象であるサージングという現象に至り、第２コンプレッサ６の破損に至ってしまう。なお、コンプレッサから取り出す空気流量Ｇａ等毎にいかなる範囲にてサージングが発生するかを表す領域であるサージ領域を図３に示した。本図において、例えばＮ／√θ＝８０％は、定格回転数（Ｎ／√θ＝１００％）の８０％の回転数であることを示す。
【００３９】
このように、コンプレッサによる圧縮空気を推進装置に利用するシステムにおいては、推進装置の使用空気量が減少した場合にサージングに至らないようにすることが重要であり、本実施の形態に係る飛行体においては、ガスタービン機関１の運転中に推力発生用ファン１０の空気使用量が低下したような場合に、排出空気弁１２の弁の開度を開くように制御して圧縮空気を大気中に排出させることにより、一定量以上の空気を圧縮機から取り出すようにする。
【００４０】
そして、排出空気弁１２の開度を制御するにあたっては、図４のフローチャートに示した制御ルーチンにしたがって実行する。
【００４１】
この制御ルーチンを、予めＥＣＵ１４のＲＯＭに記憶しておき、一定時間の経過毎に割り込み処理としてＥＣＵ１４が実行するようにするものである。
【００４２】
ＥＣＵ１４は、まず、ステップ１００において、回転角センサ１３、出口圧力センサ１５、大気圧センサ、大気温センサからの４つの入力信号に基づいて機関回転数Ｎ、大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０、コンプレッサ出口圧力Ｐ３を検出する。
【００４３】
その後、ステップ１０１において、機関回転数Ｎと予め定数として設定されたＮｓとを比較する。ここで、Ｎｓとは、例えば機関のアイドル回転数相当の値であり、排出空気弁１２を作動させなくても第２コンプレッサ６がサージングを起こさないような回転数値が選定される。したがって、本ステップではＮｓと実機関回転数Ｎとを比較することによりガスタービン機関が運転されているか否かの判断と排出空気弁１２を開く必要がある領域にあるか否かの判断を行うものである。
【００４４】
しかるべくして、実機関回転数Ｎが設定値Ｎｓ以下の場合、ガスタービン機関１はサージングに至ることはないのでステップ１１１へ進み、排出空気弁１２の開度を０％の状態とする。一方、実機関回転数ＮがＮｓ以上となった場合には機関の運転状態によりコンプレッサがサージングに至る可能性があり、排出空気弁１２の開度を調節する必要性が生じるので、ステップ１０２以降の処理を実行する。
【００４５】
ステップ１０２においては、検出値を基に目標のコンプレッサの出口圧力であるＰ３ｔの算出を行うものである。このＰ３ｔはサージ領域の判断を行うための変数であり、その特性は、図３に示したコンプレッサの特性上に図中のように示されている。この特性は、サージ領域に対し若干制御マージンを見込んで設定されるものであり、コンプレッサ毎に、機関回転数、大気圧Ｐ０、大気温Ｔ０に基づいて一義的に定まる値である。そして、この機関回転数、Ｐ０、Ｔ０及びＰ３ｔの相関関係をＥＣＵ１４のＲＯＭにマップとして記憶しておき、本ステップではステップ１００にて検出した機関回転数Ｎ、大気圧Ｐ０、大気温度Ｔ０を当該マップに代入してＰ３ｔを求めるようにしている。
【００４６】
その後、ステップ１０３に進み、ステップ１０２で求めたＰ３ｔと検出したコンプレッサ出口圧力Ｐ３との比較を行う。そして、Ｐ３とＰ３ｔが同じ値の場合にはステップ１０４へ進み、Ｐ３とＰ３ｔの値が異なる場合には、ステップ１０５へ進む。
【００４７】
ステップ１０４においては、Ｐ３とＰ３ｔが同じ値であるので、排出空気弁１２の開度の変更の必要性がないため、排出空気弁１２の開度Ｓは前回設定した値Ｓ−１をそのまま使用するようにする。
【００４８】
一方、ステップ１０５においては、Ｐ３とＰ３ｔの値が異なるので、その差分（Ｐ３−Ｐ３ｔ）をパラメータとして図５に示す特性に基づき排出空気弁１２の開度Ｓの補正量ΔＳを求めるようにする。なお、この図５の特性はコンプレッサの安定性等を考慮して予め設定されるものであり、本実施の形態においては、基本的に実コンプレッサ出口圧力Ｐ３が算出値Ｐ３ｔより大きくなった場合はコンプレッサがサージングに入る可能性があるため排出空気弁１２の開度が大きくなるように制御し、実コンプレッサ出口圧力Ｐ３が算出値Ｐ３ｔより小さくなった際には圧縮機がサージングに入る可能性はないので、排出空気弁１２の開度は小さくする方向に制御するものである。このようにして、サージングに至るのを防止するとともに、第２コンプレッサ６にて圧縮された空気が無駄に排出空気弁１２を通過して大気に排出させないようにして、機関効率を損なうことを抑制するようにする。
【００４９】
その後ステップ１０６へ進み、排出空気弁１２の開度Ｓを求める。これは、前回の開度Ｓ−１にステップ１０５にて算出した補正量ΔＳを加算するものである。
【００５０】
その後のステップは、ステップ１０６で算出した排出空気弁１２の開度Ｓが排出空気弁１２の作動範囲（０〜１００％）を超えているか否かのチェックを行い、もしこの範囲を超えているようならば、その作動範囲内に修正するものである。
【００５１】
つまり、ステップ１０７において、ステップ１０６にて算出した排出空気弁１２の開度Ｓが１００％以上であるか否かを判別する。そして、開度Ｓが１００％以上である場合はステップ１０８へ進み、開度Ｓを１００％に設定する。一方、開度Ｓが１００％より小さい場合はステップ１０９へ進む。
【００５２】
ステップ１０９においては、開度Ｓが０％より小さいか否かを判別する。そして、開度Ｓが０％より小さい場合はステップ１１０へ進み、開度を０％に設定する。一方、開度Ｓが０％以上であると判別された場合は、開度Ｓは０％から１００％の範囲内にあるので、ステップ１０６で算出した開度Ｓをそのまま使用する。
【００５３】
そして排出空気弁１２の開度Ｓが決定されたらステップ１１２へ進む。そして本ステップにおいて、上記のようにして決定された排出空気弁１２の開度の信号をドライバー回路に出力し、ドライバー回路では開度信号に応じた開度となるように排出空気弁１２をフィードバック制御するようにする。
【００５４】
このようにすることで、ガスタービン機関１がいかなる運転状態にあっても、第２コンプレッサ６がサージングに至ることを防止することができる。
【００５５】
また、第２コンプレッサ６にて圧縮された空気を推力発生用ファン１０が利用する場合には排出空気弁１２を閉じるように制御するので、機関効率を損なうことを抑制することができる。
【００５６】
（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態に係るガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【００５７】
第１の実施の形態においては、推力発生用ファン１０にて使用する圧縮空気を発生させるための第２コンプレッサ６を回転軸５に直結していたが、本実施の形態においては、ガスタービン機関１６のコンプレッサ１７に抽気流路７を接続し、コンプレッサ１７にて発生した圧縮空気の一部を推力発生用ファン１０を駆動するためにも用いるように構成されている。そして、コンプレッサ１７にて圧縮された空気を燃焼器３に流入させるための空気流路である燃焼用空気流路１８にコンプレッサ出口圧力Ｐ３を検出する出口圧力センサ１５が備えられている。その他の構成は第１の実施の形態と同一であり、同一の構成部品については、図１と同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００５８】
かかる構成においては、コンプレッサ１７にて圧縮された空気は、燃焼器３に送られると共に推力発生用ファン１０にも送られるため、第１の実施の形態の第１コンプレッサ２と比較するとより多くの圧縮空気を発生する必要があるが、第１の実施の形態では必要となる第２コンプレッサ６が不要となるという利点がある。
【００５９】
そして、このように構成された飛行体においても、上述したコンプレッサの特性により、圧縮空気はコンプレッサ１７により容易に作り出せるが、飛行体を着陸させる場合、あるいは飛行体の姿勢をコントロールする場合等において推力発生用ファン１０の圧縮空気使用量が減少した場合、コンプレッサ１７にて圧縮された空気の内抽気流路７へ流入する空気量が減少し、コンプレッサ１７の出口圧力が上昇してしまう。そして、コンプレッサ１７の出口圧力が高くなると、上述したサージングという現象に至るので、推力発生用ファン１０の使用空気量が減少した場合にサージングに至らないようにすることが重要であり、本実施の形態に係る飛行体においても、ガスタービン機関１６の運転中に推力発生用ファン１０の空気使用量が低下したような場合に、排出空気弁１２の弁の開度を開くように制御して圧縮空気を大気中に排出させるようにし、一定量以上の空気を圧縮機から取り出すようにする。
【００６０】
そして、排出空気弁１２の開度を制御するにあたっては、第１の実施の形態と同様に図４のフローチャートに示した制御ルーチンにしたがって実行する。その詳細な説明は省略するが、概略としては以下のようにして、排出空気弁１２の開度を制御する。
【００６１】
つまり、ＥＣＵ１４は、まず、回転角センサ１３、出口圧力センサ１５、大気圧センサ、大気温センサからの４つの入力信号に基づいて機関回転数Ｎ、大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０、コンプレッサ１７の出口圧力Ｐ３を検出する。
【００６２】
その後、検出した機関回転数Ｎと予め定数として設定されたＮｓとを比較し、実機関回転数Ｎが設定値Ｎｓ以下の場合、コンプレッサ１７はサージングに至ることはないので排出空気弁１２の開度を０％の状態とする。
【００６３】
一方、実機関回転数ＮがＮｓ以上である場合には、検出値を基に目標のコンプレッサの出口圧力であるＰ３ｔを算出し、検出したコンプレッサ出口圧力Ｐ３との比較を行う。そして、Ｐ３とＰ３ｔが同じ値の場合には、排出空気弁１２の開度Ｓは前回設定した値Ｓ−１をそのまま使用するようにする。
【００６４】
一方、Ｐ３とＰ３ｔの値が異なる場合は、その差分（Ｐ３−Ｐ３ｔ）をパラメータとして排出空気弁１２の開度Ｓの補正量ΔＳを求め、前回の開度Ｓ−１に加算する。その後、算出した開度Ｓが、作動範囲（０〜１００％）を超えているか否かのチェックを行い、もしこの範囲を超えているようならば、その作動範囲内に修正する。開度Ｓが、前記作動範囲内にある場合は、ステップ１０６で算出した開度Ｓをそのまま使用する。
【００６５】
そして上述のようにして排出空気弁１２の開度Ｓを設定した後は、この開度の信号をドライバー回路に出力し、ドライバー回路では開度信号に応じた開度となるように排出空気弁１２をフィードバック制御するようにする。
【００６６】
このようにすることで、ガスタービン機関１６がいかなる運転状態にあっても、コンプレッサ１７がサージングに至ることを防止することができる。また、コンプレッサ１７にて圧縮された空気を推力発生用ファン１０が利用する場合には排出空気弁１２を閉じるので、機関効率を損なうことを抑制することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスタービン機関の制御装置によれば、ガスタービン機関とコンプレッサにて圧縮された空気を利用して駆動する推力発生手段たるファン（若しくはプロペラ）とを抽気流路のみで接続させることができるので、例えば飛行体におけるファン（若しくはプロペラ）の配置に自由度をもたせることができる。
【００６８】
また、コンプレッサにて圧縮された空気を適当量だけ大気に排出させるようにすることで、サージングに至るのを防止するとともに、コンプレッサにて圧縮された空気が無駄に大気に排出させないようにして、機関効率を損なうことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係る推力発生用ファンの概略構成を示す図である。
【図３】コンプレッサの特性を示す図である。
【図４】実施の形態に係る排出空気弁の開度を制御する制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図５】コンプレッサ出口の実際の圧力及び目標の圧力と、排出空気弁の開度の補正量との相関関係を示す図である。
【図６】第２の実施の形態にガスタービン機関の制御装置を適用する飛行体の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン機関
２ 第１コンプレッサ
３ 燃焼器
４ タービン
５ 回転軸
６ 第２コンプレッサ
７ 抽気流路
８ 推力用空気流路
９ 推力用空気弁
１０ 推力発生用ファン
１１ 排出用空気流路
１２ 排出空気弁
１３ 回転角センサ
１４ ＥＣＵ
１５ 出口圧力センサ
１６ ガスタービン機関
１７ コンプレッサ
１８ 燃焼用空気流路
２１ タービン
２２ 減速機
２３ ファン
Claims (3)
- ガスタービン機関の回転軸により駆動され吸入した空気を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサから排出される圧縮空気が流通する抽気流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段と、
前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気が流通する推力用空気流路に備えられ、前記推力発生手段に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁と、
前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、
前記ガスタービン機関の回転軸の回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記圧力検出手段の検出値と前記機関回転数検出手段の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン機関の制御装置。 - ガスタービン機関のコンプレッサから排出され当該ガスタービン機関の燃焼器に流入する圧縮空気が流通する燃焼用空気流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記コンプレッサから排出される圧縮空気の内、前記燃焼用空気流路を流通する圧縮空気以外の圧縮空気が流通する抽気流路と、
前記抽気流路を流通する圧縮空気を利用して推力を発生する推力発生手段と、
前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気が流通する推力用空気流路に備えられ、前記推力発生手段に流入する圧縮空気の量を調節する推力用空気弁と、
前記抽気流路を流通する圧縮空気の内前記推力発生手段に流入する圧縮空気以外の圧縮空気を大気に排出させる排出用空気流路に備えられ、大気に排出される圧縮空気の量を調節する排出空気弁と、
前記ガスタービン機関の回転軸の回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記圧力検出手段の検出値と前記機関回転数検出手段の検出値とに基づいて前記排出空気弁の開度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするガスタービン機関の制御装置。 - 前記制御手段は、検出された機関回転数に基づいて前記コンプレッサの出口の目標圧力を算出し、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より高い場合は、前記排出空気弁の開度を開くように制御し、前記圧力検出手段にて検出された圧力が前記目標圧力より低い場合は、前記排出空気弁の開度を閉じるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン機関の制御装置。
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