JP2009228652A - ガスタービンエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサの出口温度を検出するセンサに異常が生じた場合でも適切な燃料流量制御を継続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】コンプレッサで圧縮した空気を燃焼器に流入させ、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、コンプレッサの入口温度Ｔ０を取得する入口温度取得手段と、コンプレッサの圧縮比Ｐ３／Ｐ０を取得する圧縮比取得手段と、コンプレッサの効率ηを取得する効率取得手段と、入口温度取得手段で取得したコンプレッサの入口温度Ｔ０と、圧縮比取得手段で取得したコンプレッサの圧縮比Ｐ３／Ｐ０と、効率取得手段で取得したコンプレッサの効率ηに基づいてコンプレッサの出口温度Ｔ３を導出する出口温度導出手段とを備えることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、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出力軸から出力を取り出すエンジン（軸出力型エンジン）や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。
特開２００６−２１３１６８号公報

一般に、ガスタービンエンジンの制御装置では、タービンの入口温度がタービン許容最高温度以内になるように燃料流量制御を行っており、このタービンの入口温度を求めるためにコンプレッサの出口温度を利用している。特に、抽気型エンジンの場合、タービンが示す固有の特性値（タービンの流量係数など）を利用して燃焼器の流入空気流量（コンプレッサの圧縮空気流量の一部）を演算し、この演算された燃焼器の流入空気流量に基づいて燃料流量制御を行うことが考えられている。そして、この燃焼器の流入空気流量の演算には、コンプレッサの出口温度などが用いられる。

そのため、ガスタービンエンジンでは、コンプレッサの出口温度を温度センサによって検出している。この温度センサに異常が生じた場合、コンプレッサの出口温度が正確に得られないので、適切な燃料流量制御を継続できない虞がある。

そこで、本発明は、コンプレッサの出口温度を検出するセンサに異常が生じた場合でも適切な燃料流量制御を継続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、コンプレッサで圧縮した空気を燃焼器に流入させ、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、コンプレッサの入口温度を取得する入口温度取得手段と、コンプレッサの圧縮比を取得する圧縮比取得手段と、コンプレッサの効率を取得する効率取得手段と、入口温度取得手段で取得したコンプレッサの入口温度と、圧縮比取得手段で取得したコンプレッサの圧縮比と、効率取得手段で取得したコンプレッサの効率に基づいてコンプレッサの出口温度を導出する出口温度導出手段とを備えることを特徴とする。

この制御装置では、入口温度取得手段によりコンプレッサの入口温度を取得し、圧縮比取得手段によりコンプレッサの圧縮比を取得し、効率取得手段によりコンプレッサの効率を取得する。そして、制御装置では、出口温度導出手段により、コンプレッサの入口温度圧縮比及び効率からコンプレッサの出口温度を導出する。このように、この制御装置では、センサによる検出値を用いなくても、コンプレッサの出口温度をエンジンの他の状態量から求めることができ、このコンプレッサの出口温度を用いて燃料流量制御を行うことができる。そのため、コンプレッサの出口温度を検出するセンサに異常（故障など）が生じた場合でも、制御装置側でその代替手段として機能するので、適切な燃料流量制御（ひいては、適切なエンジンの運転）を継続できる。また、コンプレッサの出口温度を検出するセンサを増やすことなく、システムの信頼性を向上させることができ、重量増加、コストアップ、システムの複雑化を招かない。

本発明の上記ガスタービンエンジンの制御装置では、効率取得手段は、ガスタービンエンジンの回転数とコンプレッサの圧縮空気流量に基づいてコンプレッサの効率を取得する構成としてもよい。

この制御装置では、効率取得手段により、エンジン回転数とコンプレッサの圧縮空気流量からコンプレッサの効率を導出する。このように、制御装置では、センサでは検出できないコンプレッサの効率をエンジンの状態量から求めることができる。

本発明の上記ガスタービンエンジンの制御装置では、コンプレッサの圧縮空気流量は、ガスタービンエンジンの回転数と圧縮比取得手段で取得したコンプレッサの圧縮比に基づいて取得される構成としてもよい。

この制御装置では、エンジン回転数とコンプレッサの圧縮比からコンプレッサの圧縮空気流量を導出する。このように、制御装置では、センサでは検出が困難なコンプレッサの圧縮空気流量をエンジンの状態量から求めることができる。ちなみに、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、空気流量を直接計測することによって流路における圧力損失の増加などの影響からエンジン出力の低下を招く。

本発明は、コンプレッサの出口温度をエンジンの他の状態量から求めることができるので、コンプレッサの出口温度を検出するセンサに異常が生じた場合でも適切な燃料流量制御を継続できる。

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、軸出力型で一軸式のガスタービンエンジンの燃料流量制御をするための制御装置に適用する。本実施の形態では、ガスタービンエンジン、制御装置、負荷装置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。

ガスタービンエンジンシステム１では、制御装置２によってガスタービンエンジン３を燃料流量制御する。ガスタービンエンジン３は、コンプレッサ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大気中から空気を取り込み、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、内部配管を介して燃焼器１１に供給される。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制御装置２で制御された燃料アクチュエータ１５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を回転させるとともに出力軸１４を回転させ、燃焼ガスを排気する。燃料アクチュエータ１５では、燃焼器１１に設けられ、制御装置２からの燃料流量信号を受信し、燃料流量信号に応じて燃料を燃焼器１１内に噴射する。

ガスタービンエンジン３及びその周辺には、制御装置２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の入口温度）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の入口圧力）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、コンプレッサ１０の出口温度（燃焼器１１の入口温度）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。

負荷装置４は、タービン１２の出力軸１４に連結され、タービン１２の出力を利用する負荷装置である。タービン１２では燃焼ガスが膨張する際にタービン出力を発生し、このタービン出力からエンジン運転に必要なコンプレッサ消費馬力、補機駆動馬力、機械損失等を差し引いた残りが軸出力として負荷装置４で利用される。負荷装置４としては、例えば、飛行機のターボのファンがある。

制御装置２は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[ReadOnly Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]などからなり、ガスタービンエンジン３の燃料流量などを制御する電子制御ユニットである。制御装置２には、上記した各種センサからのセンサ信号が取り入れられる。そして、制御装置２では、負荷装置４での要求出力及び各センサ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、制御装置２では、その燃料流量とするための燃料流量信号を設定し、その燃料流量信号を燃料アクチュエータ１５に送信する。なお、制御装置２のＲＯＭには各処理に用いる各種マップや関数が記憶されている。

特に、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を検出する温度センサが故障した場合、このセンサ値を使用しての燃料流量制御を継続できなくなる。そこで、エンジンのその他の状態量からコンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を推定し、推定値を使用して燃料流量制御を継続する。そのために、制御装置２では、出口温度導出処理を行う。ちなみに、燃料流量制御では、タービン１２の入口温度がタービン許容温度以内になるように燃料流量を設定しており、このタービン１２の入口温度をコンプレッサ１０の出口温度Ｔ３から用いて求めている。

なお、本実施の形態では、大気温度Ｔ０（コンプレッサ１０の入口温度）を検出するための温度センサが特許請求の範囲に記載する入口温度取得手段に相当し、制御装置２における出口温度導出処理が特許請求の範囲に記載する圧縮比取得手段と、効率取得手段、出口温度導出手段に相当する。

図２〜図６も参照して、出口温度導出処理について説明する。図２は、コンプレッサの出口温度を演算するためのブロック線図である。図３は、コンプレッサの断熱効率特性マップを示す図である。図４は、コンプレッサの断熱効率を演算するためのブロック線図である。図５は、コンプレッサの圧縮比特性マップを示す図である。図６は、コンプレッサの圧縮空気流量を演算するためのブロック線図である。

コンプレッサ１０において大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０の空気を断熱的に圧力Ｐ０まで圧縮するときのコンプレッサ１０の断熱効率をηとし、圧縮比をＰ３／Ｐ０とすると、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３は、式（１）によって求めることができる。式（１）において、γは空気の比熱比であり、定数とみなせるので、出口温度Ｔ３は、大気温度Ｔ０、断熱効率η、圧縮比Ｐ３／Ｐ０を変数とする関数となる。したがって、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を検出する温度センサが故障した場合に、式（１）を利用することにより、センサ検出可能な大気温度Ｔ０、圧縮比Ｐ３／Ｐ０とセンサ検出不能な断熱効率ηの値からコンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を演算することができる（図２参照）。

センサ検出不能なコンプレッサ１０の断熱効率ηは、図３に示すコンプレッサの断熱効率特性マップを利用して求めることができる。図３には、横軸をコンプレッサ１０の圧縮空気流量Ｇａとし、縦軸をコンプレッサ１０の断熱効率ηとして、各エンジン回転数Ｎにおけるコンプレッサの断熱効率特性マップを示している。図３において、実線の曲線は、定格のエンジン回転数Ｎを１００％とし、各エンジン回転数Ｎにおける圧縮空気流量Ｇａに対する断熱効率ηを表している。エンジン回転数Ｎが１００％は、ガスタービンエンジン３における許容最高回転数である。このコンプレッサの断熱効率特性マップを利用することにより、センサ検出可能なエンジン回転数Ｎとセンサ検出不能な圧縮空気流量Ｇａの値からコンプレッサ１０の断熱効率ηを演算することができる（図４参照）。

センサ検出不能なコンプレッサ１０の圧縮空気流量Ｇａは、図５に示すコンプレッサの圧縮比特性マップを利用して求めることができる。図５には、横軸をコンプレッサ１０の圧縮空気流量Ｇａとし、縦軸をコンプレッサ１０の圧縮比Ｐ３／Ｐ０として、各エンジン回転数Ｎにおけるコンプレッサの圧縮比特性マップを示している。図５において、実線の曲線は、各エンジン回転数Ｎにおける圧縮空気流量Ｇａに対する圧縮比Ｐ３／Ｐ０を表している。このコンプレッサの圧縮比特性マップを利用することにより、センサ検出可能なエンジン回転数Ｎと圧縮比Ｐ３／Ｐ０の値からコンプレッサ１０の圧縮空気流量Ｇａを演算することができる（図６参照）。

そこで、出口温度導出処理では、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３の温度センサが故障と判定した場合、他の状態量のセンサ値を用いてコンプレッサの圧縮比特性マップからコンプレッサ１０の圧縮空気流量Ｇａを求め、この圧縮空気流量Ｇとセンサ値を用いてコンプレッサの断熱効率特性マップからコンプレッサ１０の断熱効率ηを求め、この断熱効率ηとセンサ値を用いて式（１）によりコンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を求める。

それでは、図７のフローチャートに沿って、制御装置２における出口温度導出処理について説明する。図７は、図１の制御装置におけるコンプレッサ出口温度導出処理の流れを示すフローチャートである。制御装置２では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。

制御装置２では、各種センサから検出信号を受信し、大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３、出口圧力Ｐ３及びエンジン回転数Ｎを入力する（Ｓ１）。

制御装置２では、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を検出する温度センサに対する故障診断を行い（Ｓ２）、この温度センサが故障しているか否かを判定する（Ｓ３）。この故障診断方法は、どのような方法でもよく、従来の方法を適用する。Ｓ３にて温度センサが正常と判定した場合、制御装置２では、その温度センサによるセンサ値の出口温度Ｔ３を使用し（Ｓ８）、燃料流量制御を行う（Ｓ９）。

Ｓ３にて温度センサが故障していると判定した場合、制御装置２では、コンプレッサ１０の出口圧力Ｐ３（センサ値）を大気圧力Ｐ０（センサ値）で除算し、コンプレッサ１０の圧縮比Ｐ３／Ｐ０を演算する（Ｓ４）。そして、制御装置２では、コンプレッサの圧縮比特性マップから、エンジン回転数Ｎ（センサ値）と演算した圧縮比Ｐ３／Ｐ０に対応するコンプレッサ１０の圧縮空気流量Ｇａを演算する（Ｓ５）。さらに、制御装置２では、コンプレッサの断熱効率特性マップから、エンジン回転数Ｎ（センサ値）と演算した圧縮空気流量Ｇａに対応するコンプレッサ１０の断熱効率ηを演算する（Ｓ６）。

そして、制御装置２では、大気温度Ｔ０（センサ値）、演算した圧縮比Ｐ３／Ｐ０と断熱効率ηを用いて、式（１）によりコンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を演算する（Ｓ７）。制御装置２では、この推定値の出口温度Ｔ３を使用し、燃料流量制御を行う（Ｓ９）。

このガスタービンエンジンシステム１（特に、制御装置２）によれば、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３を検出する温度センサが故障した場合（温度センサに異常が生じた場合）でも、コンプレッサ１０の出口温度Ｔ３をエンジンの他の状態量から推定することができ、このコンプレッサの出口温度Ｔ３の推定値を用いて適切な燃料流量制御（ひいては、適切なエンジンの運転）を継続して行うことができる。このように、温度センサが故障した場合でも制御装置２側でその代替手段として機能するので、温度センサの数を増やすことなく、システムの信頼性を向上させることができ、重量増加、コストアップ、システムの複雑化も招かない。

また、制御装置２では、センサで検出不能なコンプレッサ１０の断熱効率ηをコンプレッサの断熱効率特性マップを利用してエンジンの状態量から求めることができる。また、制御装置２では、センサでは検出が困難なコンプレッサ１０の圧縮空気流量Ｇａをコンプレッサの圧縮比特性マップを利用してエンジンの状態量から求めることができる。

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、本実施の形態では一基の一軸式の軸出力型のガスタービンエンジンに適用したが、抽気型エンジンにも適用可能であり、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る。

また、本実施の形態ではコンプレッサの圧縮空気流量をコンプレッサの特性マップを用いて求める構成としたが、他の方法で求めてもよい。圧縮空気流量をセンサで検出できるのであれば、センサ値を用いてもよい。

また、本実施の形態ではコンプレッサの断熱効率をコンプレッサの特性マップを用いて求める構成としたが、他の方法で求めてもよい。

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。 本実施の形態に係るコンプレッサの出口温度を演算するためのブロック線図である。 コンプレッサの断熱効率特性マップ（エンジン回転数をパラメータとした圧縮空気流量と断熱効率とのマップ）を示す図である。 本実施の形態に係るコンプレッサの断熱効率を演算するためのブロック線図である。 コンプレッサの圧縮比特性マップ（エンジン回転数をパラメータとした圧縮空気流量と圧縮比とのマップ）を示す図である。 本実施の形態に係るコンプレッサの圧縮空気流量を演算するためのブロック線図である。 図１の制御装置におけるコンプレッサ出口温度導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…制御装置、３…ガスタービンエンジン、４…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…出力軸、１５…燃料アクチュエータ

Claims (3)

1. コンプレッサで圧縮した空気を燃焼器に流入させ、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、
   前記コンプレッサの入口温度を取得する入口温度取得手段と、
   前記コンプレッサの圧縮比を取得する圧縮比取得手段と、
   前記コンプレッサの効率を取得する効率取得手段と、
   前記入口温度取得手段で取得したコンプレッサの入口温度と、前記圧縮比取得手段で取得したコンプレッサの圧縮比と、前記効率取得手段で取得したコンプレッサの効率に基づいて前記コンプレッサの出口温度を導出する出口温度導出手段と
   を備え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. 前記効率取得手段は、前記ガスタービンエンジンの回転数と前記コンプレッサの圧縮空気流量に基づいて前記コンプレッサの効率を取得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。
3. 前記コンプレッサの圧縮空気流量は、前記ガスタービンエンジンの回転数と前記圧縮比取得手段で取得したコンプレッサの圧縮比に基づいて取得されることを特徴とする請求項２に記載するガスタービンエンジンの制御装置。

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