JP2009156086A - ガスタービンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変入口案内翼を備える抽気型エンジンにおいて最適なエンジン制御を行うことができるガスタービンエンジンの制御装置を提供することを課題とする。
【解決手段】圧縮機１０の入口流路１９に設けられた可変入口案内翼１８で流量が調整された空気を圧縮機１０に流入させ、圧縮機１０で圧縮した空気を燃焼器１１に流入させるとともにエネルギとして取り出し、燃焼器１１における燃焼ガスによってタービン１２を回転させるガスタービンエンジン３の制御装置２であって、可変入口案内翼１８の角度に応じて可変入口案内翼１８の基準角度における圧縮機１０の過給空気流量を補正することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機からの圧縮空気をエネルギとしてエンジン外部に取り出す抽気型のガスタービンエンジンの制御装置に関する。

ガスタービンエンジンでは、コンプレッサに空気が吸入されて圧縮され、燃焼器にその圧縮空気が流入して燃料とで燃焼され、その燃焼ガスによってタービンを回転させる。ガスタービンエンジンには、タービンに連結される回転軸から出力を取り出すエンジン（軸出力型エンジン）の他に、コンプレッサからの圧縮空気の一部を出力として取り出すエンジン（抽気型エンジン）がある。例えば、特許文献１に示す抽気型エンジンの場合、取り出した圧縮空気をエネルギ源として垂直離着陸機の推力発生器で推力を発生させる。

さらに、ガスタービンエンジンには、エンジンの性能を向上させるために、コンプレッサの入口流路に可変入口案内翼（ＶＩＧＶ[Variable Inlet Guide Vane]）を設けたものがある。可変入口案内翼は、コンプレッサの容量を変化させ、コンプレッサの流量特性を可変にするデバイスである。
特開２００６−２１３１６８号公報

抽気型エンジンでは、エンジン出力を高温、高圧の空気として取り出すので、エンジンを最適制御するには抽気流量を明確にする必要がある。そこで、従来の手法では、コンプレッサの過給空気流量と燃焼器の流入空気流量を求め、そのコンプレッサの過給空気流量から燃焼器の流入空気流量を減算することにより抽気流量を求めている。しかし、コンプレッサの入口流路に可変入口案内翼を設けた場合、可変入口案内翼の角度によってコンプレッサの流量特性が変化するので、コンプレッサの過給空気流量が変化する。そのため、従来の手法では、コンプレッサの過給空気流量を高精度に求めることができず、抽気流量も高精度に求めることができない。また、ガスタービンエンジンでは、同程度の出力のピストンエンジンと比較すると１０倍程度の空気流量を使用するので、抽気流量等の空気流量を直接計測することは流路における圧力損失の増加等の影響からエンジン出力の低下を招くので困難である。その結果、従来の抽気型エンジンでは、抽気流量などを高精度に得られないので、最適なエンジン制御を行うことができない。

そこで、本発明は、可変入口案内翼を備える抽気型エンジンにおいて最適なエンジン制御を行うことができるガスタービンエンジンの制御装置を提供することを課題とする。

本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置は、圧縮機の入口流路に設けられた可変入口案内翼で流量が調整された空気を圧縮機に流入させ、圧縮機で圧縮した空気を燃焼器に流入させるとともにエネルギとして取り出し、燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンエンジンの制御装置であって、可変入口案内翼の角度に応じて可変入口案内翼の基準角度における圧縮機の過給空気流量を補正することを特徴とする。

このガスタービンエンジンでは、圧縮機に空気が吸入されて圧縮され、その圧縮空気を燃焼器に流入させるとともにエンジン外部にエネルギとして取り出す。そして、ガスタービンエンジンでは、燃焼器において流入された圧縮空気と燃料とで燃焼され、その燃焼ガスによってタービンを回転させる。さらに、ガスタービンエンジンでは、圧縮機の入口流路に可変入口案内翼が設けられ、可変入口案内翼の角度によって圧縮機の過給空気流量が変化し、圧縮機の流量特性が変化する。そこで、ガスタービンエンジンの制御装置では、可変入口案内翼が基準角度（例えば、入口流路が全開となる角度）のときの過給空気流量を基準として、可変入口案内翼の角度に応じて圧縮機の過給空気流量を補正する。このように、この制御装置では、可変入口案内翼の角度が変化し、圧縮機の流量特性が変化した場合でも、圧縮機の過給空気流量を高精度に求めることができ、この過給空気流量を用いて最適なエンジン制御を行うことができる。

本発明の上記ガスタービンエンジンの制御装置では、圧縮機の過給空気流量と燃焼器の流入空気流量との差分により圧縮機からエネルギとして取り出される抽気流量を算出する構成としてもよい。

このガスタービンエンジンの制御装置では、可変入口案内翼の角度に応じて求められた圧縮機の過給空気流量を利用し、その圧縮機の過給空気流量から燃焼器の流入空気流量を減算することにより圧縮機からの抽気流量を算出する。このように、制御装置では、高精度に求められる圧縮機の過給空気流量を用いることにより、抽気流量を直接計測する手段無しで、抽気流量を高精度に求めることができる。この求められた抽気流量を利用することにより、圧縮機の圧縮空気をエネルギ源とする負荷出力を求めることができ、負荷を高精度に制御することができる。

本発明は、可変入口案内翼の角度に応じて圧縮機の過給空気流量を補正することにより、圧縮機の過給空気流量を高精度に求めることができ（ひいては、抽気流量を高精度に求めることができ）、最適なエンジン制御を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置の実施の形態を説明する。

本実施の形態では、本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置を、抽気型で一軸式のガスタービンエンジンを燃焼制御するためのエンジン制御ＥＣＵに適用する。本実施の形態では、ガスタービンエンジンから取り出された圧縮空気を負荷装置のエネルギとして利用し、その負荷装置を駆動制御する負荷制御ＥＣＵも備えている。本実施の形態では、ガスタービンエンジン、負荷装置、エンジン制御ＥＣＵ、負荷制御ＥＣＵなどからなるシステムをガスタービンエンジンシステムと呼ぶ。

図１〜図３を参照して、ガスタービンエンジンシステム１について説明する。図１は、本実施の形態に係るガスタービンエンジンシステムの構成図である。図２は、図１のガスタービンエンジンの模式図である。図３は、図１の負荷装置の一例である。

ガスタービンエンジンシステム１では、エンジン制御ＥＣＵ２によってガスタービンエンジン３を燃焼制御するとともに放風制御弁４及び可変入口案内翼１８を駆動制御する。そして、ガスタービンエンジンシステム１では、ガスタービンエンジン３で生成した圧縮空気をエンジン外部に取り出して利用するとともにエンジン内での燃焼に利用する。また、ガスタービンエンジンシステム１では、負荷制御ＥＣＵ５によって複数の流量制御弁６，・・・を駆動制御する。そして、ガスタービンエンジンシステム１では、各流量制御弁６，・・・で調整された圧縮空気によって複数の負荷装置７，・・・を駆動する。例えば、このガスタービンエンジンシステム１は、垂直離着陸機に適用される。

ガスタービンエンジン３は、コンプレッサ（圧縮機）１０、燃焼器１１、タービン１２を備えており、コンプレッサ１０とタービン１２とが回転軸１３によって連結されている。コンプレッサ１０では、回転軸１３の回転によって回転駆動して空気を取り込み、その取り込んだ空気を圧縮する。この高温高圧の圧縮空気は、内部配管１４を介して燃焼器１１に供給されるとともに、抽気配管１５を介して外部に取り出される。この抽気配管１５は、放風制御弁４側の排気用配管１５ａと負荷装置７側の負荷用配管１５ｂに分岐する。燃焼器１１では、コンプレッサ１０から圧縮空気が供給されるとともに燃料噴射装置１６から燃料が供給され、圧縮空気と燃料が混合して燃焼する。この高温高圧の燃焼ガスは、内部配管１７を介してタービン１２に供給される。タービン１２では、供給された燃焼ガスによって回転駆動して回転軸１３を回転させ、燃焼ガスを排気する。燃料噴射装置１６は、燃焼器１１に設けられ、エンジン制御ＥＣＵ２からの燃料制御信号を受信し、燃料制御信号に応じて燃料を燃焼器１１内に噴射する。

さらに、ガスタービンエンジン３は、可変入口案内翼１８を備えている。可変入口案内翼１８は、コンプレッサ１０に空気を取り込むための円筒状の入口配管１９内に配置され、入口配管１９の全周にわたって等間隔で多数の案内翼を有している。可変入口案内翼１８は、アクチュエータ１８ａによって案内翼の角度が変化する。可変入口案内翼１８の角度が０°（基準角度に相当）の場合に入口配管１９が全開状態となり、可変入口案内翼１８の角度が大きくなるほど入口配管１９が閉じてゆく。可変入口案内翼１８の角度は、実用上、６０°程度まで変化する。アクチュエータ１８ａは、エンジン制御ＥＣＵ２から案内翼制御信号を受信し、その案内翼制御信号に応じて駆動する。アクチュエータ１８ａのモータには位置センサが設けられ、この位置センサの検出値から可変入口案内翼１８の角度を算出できる。

ガスタービンエンジン３及びその周辺には、エンジン制御ＥＣＵ２での制御に必要な各種状態量を検出するために、各種センサ（図示せず）が設けられている。例えば、大気温度Ｔ０（コンプレッサ１０に吸気される空気の温度）を検出するための温度センサ、大気圧力Ｐ０（コンプレッサ１０に吸気される空気の圧力）を検出するための圧力センサ、コンプレッサ１０の出口圧力（燃焼器１１の入口圧力）Ｐ３を検出するための圧力センサ、燃焼器１１の入口空気温度（コンプレッサ１０の出口空気温度）Ｔ３を検出するための温度センサ、回転軸１３の回転数（エンジン回転数）Ｎを検出するための回転数センサがある。

放風制御弁４は、コンプレッサ１０からの圧縮空気を大気中に排気する量を調整し、コンプレッサ１０から外部に取り出される圧縮空気の量（抽気流量）を調整するための制御弁である。この放風制御弁４による調整によって、負荷装置７側で使用する抽気流量に対してガスタービンエンジン３側から見た抽気流量を最適化する。放風制御弁４は、排気用配管１５ａの下流端に設けられる。放風制御弁４は、電動モータなどからなるアクチュエータを備えており、アクチュエータによって弁の開度が変化する。放風制御弁４では、エンジン制御ＥＣＵ２から抽気流量制御信号を受信し、その抽気流量制御信号に応じてアクチュエータが駆動して弁が開閉する。

流量制御弁６は、複数の負荷装置７に対してそれぞれ設けられ、負荷装置７に供給する圧縮空気流量を調整するための制御弁である。流量制御弁６は、分岐配管１５ｃの中間部に設けられる。分岐配管１５ｃは、負荷用配管１５ｂから分岐された配管であり、負荷装置７の数に応じた数分ある。流量制御弁６は、電動モータなどからなるアクチュエータを備えており、アクチュエータによって弁の開度が変化する。流量制御弁６では、負荷制御ＥＣＵ５から負荷流量制御信号を受信し、その負荷流量制御信号に応じてアクチュエータが駆動して弁が開閉する。

負荷装置７は、分岐配管１５ｃの下流端に設けられ、高温高圧の圧縮空気をエネルギとして利用することが可能な負荷装置である。例えば、垂直離着陸機の場合、機体に対して垂直方向に推力を発生する推力発生用ファン２０に適用され、前後左右に複数個配備される。推力発生用ファン２０は、図３に示すように、タービン２１、減速機２２、プロペラ２３を備えている。供給された圧縮空気は、タービン２１に導入されて膨張する。タービン２１は、圧縮空気が膨張したときに発生するエネルギによって回転駆動する。そのタービン２１の回転駆動力は、減速機２２によって所定の減速比で減速され、プロペラ２３に伝達される。この減速された回転駆動力によって、プロペラ２３は、高速回転する。このプロペラ２３の回転によって機体下方への空気流が発生し、機体に対して垂直方向に推力が発生する。

負荷制御ＥＣＵ５は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[ReadOnly Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]などからなり、負荷装置７の駆動を制御する電子制御ユニットである。負荷制御ＥＣＵ５には、制御に必要な状態量を検出するための各種センサ（図示せず）からの検出信号が取り入れられる。例えば、垂直離着陸機に適用される場合、垂直離着陸機のパイロットによって入力される要求推力を検出するセンサからの検出信号（スロットル信号など）、機体の姿勢を検出するためのセンサからの検出信号（ジャイロ信号など）である。負荷制御ＥＣＵ５では、各検出信号に基づいて各負荷装置７に発生させる目標推力をそれぞれ設定し、その各目標推力とするための各流量制御弁６の目標開度（すなわち、目標空気流量）をそれぞれ設定する。さらに、負荷制御ＥＣＵ５では、その目標開度とするための負荷流量制御信号をそれぞれ生成し、各負荷流量制御信号を対応する流量制御弁６にそれぞれ送信する。また、負荷制御ＥＣＵ５では、目標推力に基づいて要求出力を設定し、その要求出力を示す要求出力信号をエンジン制御ＥＣＵ２に送信する。なお、負荷制御ＥＣＵ５のＲＯＭには目標推力などを設定するための各種マップ又は関数が記憶されている。

エンジン制御ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなり、ガスタービンエンジン３の燃焼及び抽気流量などを制御する電子制御ユニットである。エンジン制御ＥＣＵ２には、上記した各種センサからの検出信号が取り入れられる。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、負荷制御ＥＣＵ５からの要求出力信号及び各検出信号に基づいて燃焼器１１に供給する燃料流量を設定する。さらに、エンジン制御ＥＣＵ２では、その燃料流量とするための燃料制御信号を設定し、その燃料制御信号を燃料噴射装置１６に送信する。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、各検出信号に基づいて放風制御弁４の目標開度を設定する。さらに、エンジン制御ＥＣＵ２では、その目標開度とするための抽気流量制御信号を生成し、抽気流量制御信号を放風制御弁４に送信する。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、エンジン状態などに基づいて可変入口案内翼１８の目標角度を設定する。さらに、エンジン制御ＥＣＵ２では、その目標開度とするための案内翼制御信号を生成し、案内翼制御信号をアクチュエータ１８ａに送信する。例えば、エンジン始動時や加速時にはコンプレッサ１０の作動点がサージ領域に入り易くなるので、サージ領域を低流量側に移動させるために可変入口案内翼１８の角度を大きくする。なお、エンジン制御ＥＣＵ２のＲＯＭには流量、補正係数などを設定するための各種マップ又は関数が記憶されている。

特に、ガスタービンエンジンシステム１では、負荷装置７のエネルギ源となる高温高圧の圧縮空気をガスタービンエンジン３の過給空気を利用するので、ガスタービンエンジン３によって負荷側で要求する空気流量を安定して供給する必要がある。このように安定して圧縮空気を供給するために、エンジン制御ＥＣＵ２によってガスタービンエンジン３を最適制御する必要がある。そのために、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器空気流量検出処理、抽気流量検出処理を行う。

図４〜図６も参照して、燃焼器空気流量検出処理について説明する。図４は、ガスタービンエンジンのタービンの流量特性であり、タービン膨張比とタービン流量係数との関係を示す図である。図５は、ガスタービンエンジンの燃焼器での温度特性であり、パラメータを燃焼器入口空気温度とした場合の燃焼器燃空比と燃焼器での上昇温度との関係を示す図である。図６は、図１のエンジン制御ＥＣＵにおける燃焼器空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。

エンジン制御ＥＣＵ２ではコンプレッサ１０から燃焼器１１へ流入する圧縮空気の量（流入空気流量Ｇａ）に基づいて燃焼器１１に供給する燃料流量Ｇｆを設定しているので、流入空気流量Ｇａを明確にする必要がある。しかし、ガスタービンエンジンシステム１では、負荷装置７のエネルギとして利用するためにコンプレッサ１０の圧縮空気をエンジン外部に取り出すので、抽気流量Ｇａ＿ｅが変化する。この抽気流量Ｇａ＿ｅの変化によって、流入空気流量Ｇａが変化することになる。そこで、燃焼器空気流量検出処理によって、抽気流量Ｇａ＿ｅの変化に影響されることなく、センサを用いずに、流入空気流量Ｇａを高精度に求める。

ガスタービンエンジンは、一般に、図４に示すようなタービン流量特性を有している。図４は、横軸をタービンの膨張比（＝タービン入口ガス圧力Ｐ４／タービン出口ガス圧力Ｐ６）とし、縦軸をタービン流量係数Ｑ４とした場合のタービンの流量特性を示している。タービンをノズルとして考えた場合、燃焼ガスの流れは、膨張比が一定値を超える領域からチョークする。このチョーク領域は、タービンが一段の単純ノズルの場合には膨張比が１．８以上となり、タービンが二段の場合でも膨張比が２〜２．５以上となる。

このタービン特性による流量係数Ｑ４は式（１）によって定義され、チョーク領域では流量係数Ｑ４はほぼ一定値となる特性を有する。流量係数Ｑ４は、ガスタービンエンジンが決まればチョーク領域でエンジンに応じた固有値となる。燃焼器空気流量検出処理では、このガスタービンエンジンの実用域においてタービンがチョークする特性に着目し、その特性を利用して流入空気流量Ｇａを算出する。式（１）において、Ｇ４はタービンの流入ガス流量であり、Ｔ４はタービン入口ガス温度であり、Ｐ４はタービン入口ガス圧力である。

タービン入口ガス温度Ｔ４は、燃焼器入口空気温度Ｔ３と燃焼器における燃焼による上昇温度ΔＴとの和と考えることができる。したがって、タービン入口ガス温度Ｔ４は、式（２）で算出される。ここでは、燃焼器入口空気温度Ｔ３についてセンサで容易に検出可能なので、燃焼器での上昇温度ΔＴを明確にできれば、タービン入口ガス温度Ｔ４を求めることができる。

図５には、横軸を燃焼器燃空比（＝燃料流量Ｇｆ／流入空気流量Ｇａ）とし、縦軸を燃焼器での上昇温度ΔＴとし、パラメータを燃焼器入口空気温度Ｔ３とした場合の熱力学に基づいて求めた燃焼器での温度上昇特性を示している。図５から判るように、燃焼器での上昇温度ΔＴは、燃焼器入口空気温度Ｔ３と燃空比の関数として表すことができる。本実施の形態では、この燃焼器での上昇温度ΔＴを求めるために、式（３）を構築した。式（３）において、ａ，ｂ，ｃは定数であり、予め設定される。

式（１）を変形すると、式（４）に変形できる。この式（４）に式（２）と式（３）を組み込むと、式（５）となる。

タービン流入ガス流量Ｇ４は、基本的には、燃焼器流入空気流量Ｇａと燃焼器に供給される燃料流量Ｇｆとの和と考えることができる。したがって、タービン流入ガス流量Ｇ４は、流入空気流量Ｇａより燃料流量Ｇｆ分多くなると考えられる。しかし、実際のガスタービンエンジンではエンジン内部の流路において空気の漏れ等の影響が生じるので、実質的にはタービン流入ガス流量Ｇ４は燃焼器流入空気流量Ｇａとほぼ等しいと考えても差し支えない。したがって、タービン流入ガス流量Ｇ４＝燃焼器流入空気流量Ｇａと仮定すると、式（５）は式（６）となる。

式（６）を分解すると、式（７）になる。ここで、Ａを式（８）とし、Ｂを式（９）とし、Ｃを式（１０）とし、式（７）を燃焼器流入空気流量Ｇａを求める式に変換すると式（１１）となる。なお、タービン入口ガス圧力Ｐ４はコンプレッサ出口空気圧力Ｐ３に対してタービンの入口までの流路間の圧力損失分低下することが判っているので、本実施の形態では簡易的に出口空気圧力Ｐ３を用いて式（１２）によってタービン入口ガス圧力Ｐ４を求めることとする。燃焼器空気流量検出処理では、式（１２）によってＰ４を求め、式（８）、式（９）、式（１０）によってＡ、Ｂ、Ｃを求め、式（１１）によって燃焼器流入空気流量Ｇａを求める。

それでは、図６のフローチャートに沿って、エンジン制御ＥＣＵ２における燃焼器空気流量検出処理について説明する。エンジン制御ＥＣＵ２では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ＥＣＵ２では、各種センサから検出信号を受信し、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３及びコンプレッサ１０の出口空気圧力Ｐ３を入力する（Ｓ１０）。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、コンプレッサ１０の出口空気圧力Ｐ３を用いて、式（１２）によりタービン１２の入口ガス圧力Ｐ４を演算する（Ｓ１１）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３を用いて、式（８）によりＡを演算する（Ｓ１２）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３と前回の処理で燃焼器１１に供給した燃料流量Ｇｆを用いて、式（９）によりＢを演算する（Ｓ１３）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、前回の処理で燃焼器１１に供給した燃料流量Ｇｆ、チョーク時のタービン流量係数Ｑ４とタービン１２の入口ガス圧力Ｐ４を用いて、式（１０）によりＣを演算する（Ｓ１４）。最後に、エンジン制御ＥＣＵ２では、Ａ、Ｂ、Ｃを用いて、式（１１）により燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを演算する（Ｓ１５）。

通常、エンジン制御ＥＣＵ２では、この演算された流入空気流量Ｇａに基づいて、マップなどを利用して燃焼器１１に供給する燃料流量Ｇｆを設定する。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、その燃料流量Ｇｆを供給するための燃料制御信号を燃料噴射装置１６に送信する。燃料噴射装置１６では、燃料制御信号に応じて燃焼器１１内に燃料を噴射する。燃焼器１１では、この噴射された燃料（燃料流量Ｇｆ）とコンプレッサ１０から流入された圧縮空気（流入空気流量Ｇａ）で燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを発生する。

図７〜図１０も参照して、抽気流量検出処理について説明する。図７は、コンプレッサマップを示す図である。図８は、可変入口案内翼の角度の変化に応じたコンプレッサマップを示す図である。図９は、補正係数マップを示す図である。図１０は、図１のエンジン制御ＥＣＵにおける抽気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。

抽気型のガスタービンエンジンでは、エンジン出力として高温高圧の圧縮空気の形で取り出すので、コンプレッサで過給した全空気流量Ｇａ＿ｔから多くの空気流量が抽気されてエンジン外部で利用されることになる。したがって、実際のガスタービンエンジンでは抽気流量Ｇａ＿ｅが非常に多いため、この流量をセンサなどを用いて直接検出することが困難である。しかし、抽気型エンジンとして抽気流量Ｇａ＿ｅが判っていないと、実際の負荷量（出力量）を求めることができない。そこで、燃焼器空気流量検出処理によって燃焼器流入空気流量Ｇａを高精度に求めることができるので、この燃焼器流入空気流量Ｇａを利用して、抽気流量Ｇａ＿ｅも求めることができる。

抽気型のガスタービンエンジンの場合、コンプレッサで過給した全空気流量Ｇａ＿ｔからエンジン外部で使用される抽気流量Ｇａ＿ｅを差し引いた残りの空気流量Ｇａが燃焼器に流入することになる。ここで、流入空気流量Ｇａは燃焼器空気流量検出処理で求められるので、全空気流量Ｇａ＿ｔが判れば、抽気流量Ｇａ＿ｅを求めることができる。そこで、この全空気流量Ｇａ＿ｔをコンプレッサマップを利用して求める。

図７には、横軸を修正全空気流量とし、縦軸を圧力比（＝コンプレッサ出口空気圧力Ｐ３／大気圧力Ｐ０）として、各修正回転数におけるコンプレッサマップを示している。図７において、θ＝大気温度Ｔ０／標準大気温度であり、δ＝大気圧力Ｐ０／標準大気圧力であり、Ｎはエンジン回転数である。修正回転数はθを用いてエンジン回転数を無次元化したものであり、横軸の修正全空気流量はθとδを用いて全空気流量Ｇａ＿ｔを無次元化したものであり、縦軸の圧力比も無次元である。このように無次元にするのは、大気温度Ｔ０や大気圧力Ｐ０が変化すれば、空気の密度が変化し、コンプレッサ特性が変わるので、大気温度Ｔ０や大気圧力Ｐ０が変化してもコンプレッサ特性が変わらないようにするためである。また、図７において、斜線で示す領域はコンプレッサのサージングが発生する領域であり、コンプレッサのサージングを回避するようにガスタービンエンジンを運転する必要がある。このコンプレッサマップは、実験などによって予め設定される。なお、図７に示すコンプレッサ特性は、可変入口案内翼が基準角度である０°の場合（全開状態）のときの基本特性である。

図７において、実線の曲線は、定格の修正回転数を１００％とし、各修正回転数におけるコンプレッサが示す特性を表す。エンジン回転数Ｎ（修正回転数）が１００％がガスタービンエンジンにおける許容最高回転数であり、６０％がアイドル回転数である。したがって、コンプレッサマップを利用することにより、圧力比とエンジン回転数Ｎ（すなわち、コンプレッサの回転数）に応じた修正回転数が判れば、コンプレッサの作動点Ｓにおける修正全空気流量（ひいては、全空気流量Ｇａ＿ｔ）を求めることができる。

しかし、コンプレッサの入口流路に可変入口案内翼を設けた場合、可変入口案内翼の角度に応じて、コンプレッサ特性が変化する。つまり、可変入口案内翼の角度が０°から大きくなるほど、コンプレッサの入口流路の開度が小さくなるので、コンプレッサに流入する流量が減少する。このように、可変入口案内翼の角度によって、コンプレッサの容量が変化し、コンプレッサ特性（コンプレッサマップ）が変化する。

図８には、可変入口案内翼の角度が０°の場合のコンプレッサマップＭ１（図７に示すコンプレッサマップと同一）と角度が６０°の場合のコンプレッサマップＭ２を示している。図８から判るように、可変入口案内翼の角度が０°から大きくなると、コンプレッサのサージ領域が低流量側に移動し、コンプレッサの流量特性が変化する。

上記したように図７に示す基本特性のコンプレッサマップから全空気流量Ｇａ＿ｔを求めた場合、可変入口案内翼が無い場合（可変入口案内翼の角度が０°の場合）の全空気流量となる。したがって、コンプレッサの入口流路に可変入口案内翼を設けた場合、可変入口案内翼の角度に応じて、基本特性のコンプレッサマップから求めた全空気流量を補正する必要がある。そこで、この基本特性での全空気流量を補正するために、可変入口案内翼の角度に応じた補正係数を求めるようにする。

図９には、横軸を可変入口案内翼の角度（α）とし、縦軸を補正係数（κ）として、パラメータをエンジン回転数の修正回転数とした補正係数マップを示している。補正係数は、可変入口案内翼の角度が０°のときの基本特性での値を基準にした補正係数であり、０〜１．０の値である。可変入口案内翼の角度が０°の場合には補正係数は１．０であり、角度が大きくなるほど補正係数は小さくなる。また、修正回転数が１００％の場合に補正係数が最も小さくなり、修正回転数が小さくなるほど補正係数が大きくなる。この補正係数マップは、実験などによって予め設定される。

この補正係数マップを利用することにより、可変入口案内翼の角度とエンジン回転数（すなわち、コンプレッサの回転数）に応じた修正回転数が判れば、補正係数を求めることができる。この補正係数を基本特性のコンプレッサマップから求めた全空気流量に乗算することにより、可変入口案内翼の角度に応じた全空気流量Ｇａ＿ｔを求めることができる。

抽気流量検出処理では、この全空気流量Ｇａ＿ｔと燃焼器空気流量検出処理で求めた燃焼器流入空気流量Ｇａを利用して抽気流量Ｇａ＿ｅを求め、さらに、抽気出力Ｌｅを求める。

それでは、図１０のフローチャートに沿って、エンジン制御ＥＣＵ２における抽気流量検出処理について説明する。エンジン制御ＥＣＵ２では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ＥＣＵ２では、各種センサから検出信号を受信し、大気温度Ｔ０、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３、大気圧力Ｐ０、コンプレッサ１０の出口空気圧力Ｐ３及びエンジン回転数Ｎを入力する（Ｓ２０）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器空気流量検出処理で求めた燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを入力する（Ｓ２０）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、アクチュエータ１８ａの位置センサからの検出信号を受信し、その検出値から可変入口案内翼１８の角度αを演算する（Ｓ２０）。

そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、コンプレッサ１０の出口空気圧力Ｐ３を大気圧力Ｐ０で除算し、圧力比を演算する（Ｓ２１）。また、エンジン制御ＥＣＵ２では、エンジン回転数Ｎと大気温度Ｔ０を用いて、式（１３）により修正回転数を演算する（Ｓ２２）。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、コンプレッサマップ（式（１４））から、演算した圧力比と修正回転数に対応するコンプレッサ１０の作動点Ｓにおける修正全空気流量を求める（Ｓ２３）。

また、エンジン制御ＥＣＵ２では、補正係数マップ（式（１５））から、可変入口案内翼１８の角度αと修正回転数に対応する補正係数κを求める（Ｓ２４）。さらに、エンジン制御ＥＣＵ２では、式（１６）により、大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０と求めた修正全空気流量からコンプレッサ基本特性（可変入口案内翼１８の角度が０°）での全空気流量を求めるとともにその全空気流量に補正係数κを乗算して、コンプレッサ１０の全空気流量Ｇａ＿ｔを演算する（Ｓ２５）。そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、演算した全空気流量Ｇａ＿ｔと燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを用いて、式（１７）により抽気流量Ｇａ＿ｅを演算する（Ｓ２６）。

そして、エンジン制御ＥＣＵ２では、燃焼器１１の入口空気温度Ｔ３、演算した抽気流量Ｇａ＿ｅと圧力比を用いて、式（１８）により抽気出力Ｌｅを演算する（Ｓ２７）。式（１８）において、Ｊは熱の仕事当量であり、Ｃｐａは空気の比熱であり、ｋは比熱比である。ここでは、抽気流量Ｇａ＿ｅの圧縮空気が持つ熱エネルギから抽気出力Ｌｅを求めている。

エンジン制御ＥＣＵ２では、この実際の抽気出力Ｌｅと負荷制御ＥＣＵ５からの要求出力に基づいて燃焼器１１に供給する燃料流量Ｇｆを設定し、燃焼制御を行う。

このガスタービンエンジンシステム１（特に、エンジン制御ＥＣＵ２）によれば、可変入口案内翼１８の角度に応じてコンプレッサ１０の全空気流量Ｇａ＿ｔを求めているので、可変入口案内翼１８の角度変化によってコンプレッサ特性が変化した場合でも、コンプレッサ１０の全空気流量Ｇａ＿ｔを高精度に求めることができる。この高精度な全空気流量Ｇａ＿ｔにより、最適なエンジン制御を行うことができる。特に、可変入口案内翼１８の角度に応じた補正係数κを求め、この補正係数κによってコンプレッサ基本特性での全空気流量を補正することにより、簡単にコンプレッサ１０の全空気流量Ｇａ＿ｔを求めることができる。

また、燃焼器空気流量検出処理により、抽気流量Ｇａ＿ｅの変化に影響されることなく、特別な計測手段無しで、燃焼器１１の流入空気流量Ｇａを高精度に求めることができる。この流入空気流量Ｇａを用いることにより、高精度な燃料流量制御を行うことができ、安定したエンジン運転を行うことができる。

また、抽気流量検出処理により、特別な計測手段無しで、抽気流量Ｇａ＿ｅを高精度に求めることができる。この抽気流量Ｇａ＿ｅを用いることにより、抽気型エンジンとしての負荷量（出力量）を把握することができ、高精度な燃焼制御及び負荷制御を行うことができる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態ではガスタービンエンジンシステムとして一基の一軸式のガスタービンエンジンを用いて垂直離着陸機に適用する例を示したが、複数のガスタービンエンジンによって構成されるシステムにも適用可能であり、複数の軸式のガスタービンエンジンにも適用可能であり、１つの負荷装置しか備えないシステムにも適用可能であり、抽気した圧縮空気をエネルギとして利用する様々な他の負荷装置に適用可能である。

また、本実施の形態では放風制御弁を備え、抽気流量を調整可能な構成としたが、放風制御弁を備えない構成としてもよい。

また、本実施の形態ではタービンのチョーク領域での固有値から燃焼器流入空気流量を求める構成としたが、他の手法によって燃焼器流入空気流量を求めてもよい。

また、本実施の形態ではコンプレッサマップを利用してコンプレッサの全空気流量を求める構成としたが、他の手法によってコンプレッサの全空気流量を求めてもよい。

また、本実施の形態ではコンプレッサ基本特性（可変入口案内翼の角度が０°）での全空気流量を可変入口案内翼の角度に応じた補正係数によって補正してコンプレッサの全空気流量を求める構成としたが、他の手法によって全空気流量を求めてもよい。例えば、可変入口案内翼の角度が０°の基本のコンプレッサマップの他に可変入口案内翼の各角度に応じて基本マップから補正したコンプレッサマップを多数用意し、これらのコンプレッサマップから可変入口案内翼の角度に応じたコンプレッサの全空気流量を直接求めるようにしてもよい。

また、本実施の形態ではタービン入口ガス圧力Ｐ４をコンプレッサ出口空気圧力Ｐ３で簡易的に求める構成としたが、他の方法によって求める方法としてもよいし、あるいは、センサなどで計測するようにしてもよい。

本実施の形態に係るガスタービンエンジンシステムの構成図である。 図１のガスタービンエンジンの模式図である。 図１の負荷装置の一例である。 ガスタービンエンジンのタービンの流量特性であり、タービン膨張比とタービン流量係数との関係を示す図である。 ガスタービンエンジンの燃焼器での温度特性であり、パラメータを燃焼器入口空気温度とした場合の燃焼器燃空比と燃焼器での上昇温度との関係を示す図である。 図１のエンジン制御ＥＣＵにおける燃焼器空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。 コンプレッサマップ（修正回転数をパラメータとした修正全空気流量と圧力比とのマップ）を示す図である。 可変入口案内翼の角度の変化に応じたコンプレッサマップを示す図である。 補正係数マップ（修正回転数をパラメータとした可変入口案内翼の角度と補正係数とのマップ）を示す図である。 図１のエンジン制御ＥＣＵにおける抽気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１…ガスタービンエンジンシステム、２…エンジン制御ＥＣＵ、３…ガスタービンエンジン、４…放風制御弁、５…負荷制御ＥＣＵ、６…流量制御弁、７…負荷装置、１０…コンプレッサ、１１…燃焼器、１２…タービン、１３…回転軸、１４，１７…内部配管、１５…抽気配管、１５ａ…排気用配管、１５ｂ…負荷用配管、１５ｃ…分岐配管、１６…燃料噴射装置、１８…可変入口案内翼、１８ａ…アクチュエータ、１９…入口配管、２０…推力発生用ファン、２１…タービン、２２…減速機、２３…プロペラ

Claims (2)

1. 圧縮機の入口流路に設けられた可変入口案内翼で流量が調整された空気を圧縮機に流入させ、圧縮機で圧縮した空気を燃焼器に流入させるとともにエネルギとして取り出し、燃焼器における燃焼ガスによってタービンを回転させるガスタービンエンジンの制御装置であって、
   前記可変入口案内翼の角度に応じて前記可変入口案内翼の基準角度における前記圧縮機の過給空気流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制御装置。
2. 前記圧縮機の過給空気流量と前記燃焼器の流入空気流量との差分により前記圧縮機からエネルギとして取り出される抽気流量を算出することを特徴とする請求項１に記載するガスタービンエンジンの制御装置。

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