JP3235066B2 - 閉ループ燃料制御システムおよびその制御方法 - Google Patents

閉ループ燃料制御システムおよびその制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は始動中ガスタービンエンジンへの燃料流量を
調整する燃料制御システムおよびその制御方法、特に主
ノズルへの燃料流量を測定し、この測定値を用いてエン
ジンの燃料制御装置へのトルクモータ電流を調整し、測
定された流量と必要な流量とを等しくなるよう構成して
システムの精度を増加させる新規なフイードバツク制御
ループを有する燃料制御システムに関する。
（背景技術） ガスタービンエンジンは周知の推進機能に加えて、機
械的、電気的若しくは気圧動力を広範囲の航空システム
に供給する補助動力装置として汎用されている。例えば
補助動力装置は主エンジンを始動し、圧縮空気を航空機
の環境制御システムに供給あるいは電力を供給するため
に採用され得る。従来航空機が地上にある場合補助動力
装置のみが作動されている。
近年の開発努力により航空機の設計上長距離、渡洋飛
行を可能にする双エンジン航空機が出現している。この
ような航空機の一例としては開発中のものも含めてボー
イング757、767、777およびエアバスのA300、A310、A32
0が挙げられる。双エンジン設計の欠点は主エンジンの
一が停止したとき、航空機に動力を供給する負担が他方
のエンジンのみに加わることにある。このような航空機
開発の初期においては、航空機において更に動力源が必
要であるものが考えられた。このような要件を満足させ
るため、機上で補助動力装置を始動し作動する方法が提
案されている。
ガスタービンの補助動力装置にはコンプレツサと、燃
焼器と、タービンとコンプレツサとを連結するシヤフト
とが包有され、これら構成要素は流体の流れが直列的に
なるよう構成されている。海面レベルでの通常の始動中
は、スタータモータを介して始動トルクが補助動力装置
のシヤフトに与えられる。シヤフトが回転開始するに伴
い、空気がコンプレツサ内に導入され、圧縮され燃焼器
内に放出される。同時に補助動力装置の燃料制御システ
ムにより、燃料が予めプログラムされた燃料計画に従つ
て燃焼器内に供給され、燃焼器内の燃料と空気との比が
好適な値に維持される。補助動力装置の動作速度の約10
〜20パーセントの回転速度で、燃焼器内の状態において
燃料・空気の混合気は点火可能にされる。この状態は一
般にライトオフ状態として知られる。燃料比が高温すぎ
る、あるいは低温すぎると、ライトオフ状態は生じず、
補助動力装置はハングスタートされる。ライトオフ状態
後、スタータモータのトルクに補助動力装置のタービン
からのトルクが加わる。回転速度の約50パーセントで
は、スタータモータがオフにされ補助動力装置が自己継
続状態となつて作動速度まで加速する。
補助動力装置が低温の外気温度（例えば、−70゜F）
の空気を吸引し、連続的にこの低温に晒されて冷却され
た後高い高度（例えば、40,000フイート）で補助動力装
置を始動することは、補助動力装置の燃料制御システム
上極めて困難なことである。このような低温の影響を受
けるとき補助動力装置のドラツグが増加され大きな始動
トルクが必要となる。更に低温の燃料は霧化しにくい。
霧化作用が低くなり、低空気密度が生じると、必要な空
燃比を正確に得てライトオフ状態を達すること、および
燃焼器に十分な燃料供給量を与えフレームオウト（エン
ジン停止）を防ぎ且つまた燃料量が高過ぎてタービンの
導入温度が過度に高くなることを防止することの二機能
を実現することが困難になる。
これら補助動力装置に使用される燃料制御システムは
燃料制御装置を有し、燃料制御装置は通常燃料源と燃焼
器との間に配置され、電子制御装置からの信号に応動し
て燃料を燃焼器に供給する電気・機械的な燃焼計量弁で
なる。電子制御装置の論理装置はシヤフト速度、導入
圧、導入温度およびエンジン排気温度の関数としての始
動・燃料流量信号を発生する。この論理装置にはライト
オフ前の燃料流量を指定するプログラムされた燃料流量
計画が含まれる。エンジン停止若しくはライトオフ状態
後の高いタービン導入温度を防止するため、この論理装
置は通常最大および最小燃料流量限界値を有する。燃料
流量計画および燃料流量限界値は補助動力装置の開発段
階で研究室において決定される。始動中電子制御装置は
シヤフト速度とエンジン排気温度をモニタし、好適な信
号を計量弁へ送り、設定限界値までの範囲内でこれらパ
ラメータを維持する。従つて理論上、これら燃料制御シ
ステムは閉ループシステムにされる。このようなシステ
ムの一例がシユーによる米国特許第4,627,234号に開示
されている。
従来の燃料制御システムの欠点は、高い高度で始動を
行うとき、とくに顕著になるが、低いシヤフト速度およ
び低いエンジン排気温度では、計器が電子制御装置へ使
用可能な信号を検出して与えるに充分に迅速且つ予測的
に作動できないことにある。ライトオフ直前、直後の臨
界手段の動作では、燃料制御システムが実際上開ループ
システムとして動作され、その作動態様は予めプログラ
ムされた燃料計画によつて定められる。
これら燃料制御システムの別の欠点は、異なる燃料制
御装置の実行時の変動に伴い引き起こされる。燃料制御
装置には制御レベルに高いものも低いものもあることは
当業者には周知である。制御レベルの高い燃料制御装置
としては、電子制御装置からのある入力に対しプログラ
ムされた計画の命令より迅速に燃料を供給するように構
成されており、一方制御レベルの低い燃料制御装置とし
ては、同一の入力に対して所定の計画に沿つた命令が出
されたとき、緩徐に燃料を供給するように構成される。
このとき燃料制御装置は始動に際し予め設定されてお
り、最大および最小の燃料流量限界値を有していること
により問題が生じる。最大限界値より過度の温度レベル
で生じるエンジンのサージに対し保護され得、一方最小
限界値によりエンジン停止若しくは燃料の低噴霧化に対
し保護される。高レベルの燃料制御装置の場合、限界値
は高い温度を防止するため充分低い値に維持する必要が
あるが、低いサイドの燃料制御装置では、限界値がエン
ジン停止を防止するために充分高い値に維持する必要が
ある。従つてある燃料制御装置が別の燃料制御装置お交
換されるとき問題が生じる。ここで重要な問題は緊急時
に燃料制御装置と予め設定される限界値との間が整合さ
れず、高高度でのエンジンの始動が阻止される、あるい
はエンジンが相当に損傷されることにある。
従つてシヤフト速度若しくはエンジン排気温度に左右
されず、始動中のタービンエンジンへの燃料流量を供給
し、加えて性能の異なる燃料制御装置による影響も受け
ない閉ループ式燃料制御システムの必要がある。
（発明の開示） 本発明は補助動力装置始動の初期段階で閉ループ制御
に際対しシヤフト速度若しくはエンジン排気温度に左右
されない閉ループ式燃料制御システムを提供することに
ある。
本発明の別の目的は異なる燃料制御装置に対し調整可
能な燃料制御システムを提供することにある。
本発明の他の目的は高高度での始動時に際ガスタービ
ンエンジンへ円滑に燃料を供給する方法を提供すること
にある。
上記の目的は始動時燃焼器へ供給する実際の燃料流量
を測定する流量計を備えた燃料制御システムを提供する
ことにより達成される。このシステムにおいては流量計
からの信号を用いて補助動力装置へ供給する燃料流量を
調整する閉ループ式燃料制御ループを有した電子制御装
置が包有される。
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付図面に沿い本
発明の好ましい実施例を詳述することに伴い明らかとな
ろう。
（図面の簡単な説明） 図１は本発明の原理を実施する燃料制御システムの一
例としてのガスタービンの補助動力装置の簡略断面図、
図２は図１の補助動力装置と共に使用する本発明の閉ル
ープ式燃料制御ループを示すブロツク図である。
（発明を実施するための最良の形態） 図１を参照するに、本発明による１例としての補助動
力装置が10が示される。補助動力装置10には空気導入部
14、コンプレツサ16、航空機へ圧縮空気を与えるブリー
ド部18、主燃料ノズル22および従燃料ノズル24を有した
燃焼器20、タービン26およびガス排気部28が包有され、
これら構成要素は直列的に配列される。２個の燃料ノズ
ル22、24の内、主燃料ノズル22のみが始動の初期段階で
動作する。コンプレツサ16およびタービン26は減速機32
に延びるシヤフト30上に回転可能に装着されている。
燃料制御装置40は航空機上の燃料源（図示せず）と連
通して減速機32に対して駆動可能に装着される。好まし
くは燃料制御装置40は当業者には周知な手段、電気・機
械的燃料計量弁を用い得る。燃料制御装置40の電気作動
トルクモータ42はアナログあるいはデイジタルの電子制
御装置80からの動力信号と周知の反復可能な関係を有す
る。電気作動トルクモータ42は計量弁（図示せず）に直
結され、計量弁の既知流量面積を電子制御装置80からの
既知動力信号に相当するよう弁の位置を制御する。調整
弁（図示せず）は計量弁間の圧力降下を一定に維持し、
計量され流量が動力信号と比例関数関係にされる。燃料
制御装置40は高圧燃料ポンプを介して燃料源からの燃料
を受容し、計量された燃料を導管46を介して流量分割器
50へ放出する。スタータモータ、電気発電機およびポン
プのような他の付属装置（図示せず）も減速機32に対し
て装着可能である。
流量分割器50のフイルタ52は導管46を介し計量された
燃料を受容し、電子制御装置80と電気的に接続された温
度センサ54を経て通過せしめられる。温度センサ54の下
流において、流量分割器50内の燃料量は主流路56および
従流路66に分割される。
主流量56に導入された燃料は流量計58を通過する。流
量計58はそこに通過する流量を測定し、この測定値を電
気信号に変換し、この電気信号が電子制御装置80へ送ら
れる。流量計58と導管60との間には、開放時に導管60と
ドレイン部64を連通させ、閉鎖時に主流路56と連通させ
る主ドレイン弁62が配置される。
スタートシーケンス弁68を開放するに十分な圧力があ
るとき、燃料は従流路66のみに導入される。スタートシ
ーケンス弁68が開放されるとき、燃料は主ドレイン弁62
と同様に従ドレイン弁70を経て導管72内に導入され、従
燃料ノズル24へ送られる。従ドレイン弁70の閉鎖時に
は、導管72がドレイン部64と連通状態にされる。
補助動力装置10を始動する前に、スタートシーケンス
弁68が閉鎖され、主ドレイン弁62および従ドレイン弁70
が開放される。電子制御装置80からの信号が入力される
と、燃料制御装置40は燃料源から主流量56を経て流量分
割器50への燃料を計量し、主流路56内の主ドレイン弁62
が閉鎖され、燃料は主燃料ノズル22へ流れる。この期間
中主流路56内の燃料流量は流量計58により計測される。
ライトオフ状態の後、燃料圧はスタートシーケンス弁68
が開放し、従ドレイン弁70が閉鎖し、燃料が従燃料ノズ
ル24へ流れ始めるまで増加する。
電子制御装置80の始動制御論理装置（図示せず）は指
令燃料信号WFCを発生できる。例えば（この例に限定さ
れないが）始動制御論理装置は本願と同一の譲渡人に譲
渡されたラクリツクスによる米国特許第4,337,615に開
示される。このラクリツクス発明では、加算増幅器34か
ら信号WFCが発生される。図２に示す新規な燃料制御ル
ープ100も電子制御装置80内に内蔵されることが望まし
い。
燃料制御ループ100の供給順路102には加算接合部104
と機能ブロツク106とが直列的に配設される。加算接合
部104は信号FWCを入力し、燃料量トリム信号WFTRIMと加
算して燃料量補正信号WFCTを発生する。信号WFTRIM（以
下に詳しく説明する）は零に初期化され、信号WFCTは信
号WFCと等しくなる。機能ブロツク106は信号WFCTを入力
し、図２に示すアルゴリズムを解いてトルクモータ電流
信号IFUELを発生する。燃料制御装置40は信号IFUELを入
力し、導管46を経て流量分割器50へ流れる燃料量WFを計
量する。理論上は燃料量WFは信号WFCに等する必要があ
る。一方機能ブロツク106のアルゴリズムは予めプログ
ラムされ、公称の燃料制御装置の特性を表している。上
述の如く実際の燃料制御装置は予めプログラムされた特
性における上下の特性を持たせることができる。従つて
燃料量信号WFは信号WFCと等しくない。
始動の初期段階ではこれらの信号間の差に対して補正
を行うため、燃料制御ループ100には信号WFTRIMを発生
するフイードバツク路110が包有される。燃料制御ルー
プ108の機能ブロツク112は信号WFを計測する流量計58か
らの燃料量信号FREQおよび温度センサ54から燃料温度信
号TFUELを入力し、内部に示すルツクアツプ表を解いて
測定した燃料量信号WFMEASを発生する。信号WFMEASは比
例制御装置114に対し並列に供給され、加算接合部116に
対し積分制御装置118と直列的に供給される。加算接合
部116は信号WFCと信号WFMEASとを加算してその差に等し
いエラー信号WFEを発生する。信号WFEは次に積分制御装
置118へ供給される。比例制御装置114および積分制御装
置118からの出力信号は加算接合部120で加算されて信号
WFTRIMを発生する。信号WFTRIMはスイツチ122およびリ
ミタ124を経て通過され加算接合部104に達する。リミタ
124は信号WFTRIMの絶対値に関し予め設定された限界値
を有する。この構成により信号WFTRIMの発生によつて正
の過度なタービン導入温度が確実に防止され得、且つ信
号WFTRIMによつて負温度でのエンジン停止が防止され
る。
比例制御装置114、フイードバツク路110および積分制
御装置118の新規な構成により、燃料制御ループ100は信
号WFCと信号WFCTとの間で経路ゲインを１に維持し、一
方比例制御装置114および積分制御装置118のゲインを独
立的に調整可能で、燃料量エラーを迅速に補正するに必
要なループ安定性および迅速な応答が得られる。供給順
路102のゲインは１であるので、供給順路102は高いゲイ
ン若しくは極めて早い流速計を必要とせずに信号WFCの
変化に対し迅速に過渡応答を行い得る。従つて信号WFC
に対する信号WFCTの応答は瞬時でありフィードバツク路
110の応答速度により制限されない。この結果補助動力
装置の始動の初期段階で受ける低燃料量時に、燃料の実
際の流量と命令される流量との間の精度が大きく増進さ
れ、高高度でも極めて信頼性の高い始動が実現可能にな
る。
補助動力装置10の始動時にスイツチ122によつてフイ
ードバツク路110がオンされる。信号発生器128は信号WF
Cを入力しオンあるいはオフ信号（図２に示すように、
オンは１オフでは０）を発生する。信号発生器128は信
号WFCが増加し、予め設定された最大値より小さければ
オン信号を発生し、信号WFCが減少し最大値より小さな
予め設定した最小値より小さいときオン信号を発生す
る。これらの値の使用できない空間において、ラツチ12
2が信号ノイズに対し反復的にオン・オフすることが防
止される。
アンドゲート126は信号発生器128からオン・オフ信号
を、補助動力装置10から速度信号を、且つ流量計58から
流量計故障信号をそれぞれ入力する。信号発生器128が
オン信号を発生し、補助動力装置のシヤフト速度Ｎがそ
の動作速度Nsより小さく、流量計58が故障信号を発生し
ていない場合、スイツチ122によりフイードバツク路110
がオンされる。この構成が採用されないときは、スイツ
チ122によりフイードバツク路110がオフされ、信号WFTR
IMが零に初期設定される。同時に積分制御装置118のリ
セツト機能130により積分制御装置118の出力が初期設定
され、この結果フイードバツク路110が再びオンされる
と信号WFTRIMが零となる。
フロントページの続き (72)発明者 キヤノン，デニス エル. アメリカ合衆国 アリゾナ州 85250, スコツツデイル，セイジ ドライブ 8562 イースト (56)参考文献 米国特許4627234（ＵＳ，Ａ) 英国特許出願公開1404501（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02C 9/28 F02C 7/26

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】予め設定された始動計画からの燃料流量信
    号を機能発生器に与え、燃料制御装置の制御信号を発生
    してガスタービンエンジンへの燃料流量を調整する工程
    と、燃料制御装置からエンジンへの実際の燃料流量を測
    定し測定燃料量信号を発生する工程と、測定燃料量信号
    の大きさに比例関係を持つ大きさを有する第１のトリミ
    ング信号を発生する工程と、測定燃料量信号と計画され
    た信号とを加算してその差に等しいエラー信号を発生す
    る工程と、エラー信号の時間の関数として積分に関連す
    る大きさを有する第２のトリミング信号を発生する工程
    と、第１および第２のトリミング信号を加算して第３の
    トリミング信号を発生する工程と、機能発生器の前に第
    ３のトリミング信号と計画された信号とを加算する工程
    と、上記の工程を反復し第３のトリミング信号を実質的
    に零にする工程とが包有されてなる、始動の初期段階で
    ガスタービンエンジンへの燃料量を調整する方法。
  2. 【請求項２】第３のトリミング信号の大きさを制限して
    エンジンの過度な温度を防止し、エンジン停止を防止し
    て第２のトリミング信号を予め設定して第３のトリミン
    グ信号を零に初期設定する工程を包有してなる請求の範
    囲項１の方法。
  3. 【請求項３】エンジンの始動時にのみトリミング処理工
    程をスイツチオンするスイツチング工程を包有してなる
    請求の範囲項１の方法。
  4. 【請求項４】スイツチング工程には、エンジンの回転速
    度を測定し、測定された速度を予め設定した速度と比較
    する測定工程と、実際の燃料流量を測定する工程が好適
    に機能していることを示す信号を入力する工程と、計画
    された燃料流量信号を予め設定した最大および最小燃料
    流量と比較する工程と、測定された回転速度が予め設定
    した速度より低く、測定工程が機能し、指令燃料流量信
    号が増加し、予め設定した最大値より低いとき始動する
    ことを決定する工程とが包有されてなる請求の範囲項３
    の方法。
  5. 【請求項５】始動時にガスタービンエンジンの燃料制御
    装置を制御する燃料制御システムにおいて、エンジンの
    電子制御装置は予めプログラムされた計画に基づいて指
    令燃料流量信号を発生し、燃料制御システムは指令信号
    とトリミング信号とを加算する加算装置と加算装置の出
    力を燃料制御装置の制御信号に変換する装置とを直列的
    に有する供給経路と、燃料制御装置からの燃料流量出力
    を測定し測定された燃料流量を示す信号を発生する装置
    と、測定された信号をトリミング信号に変換する装置と
    を直列的に包有するフイードバツク路とを備え、フイー
    ドバツク路の変換装置には比例制御装置と積分制御装置
    とが包有され、フイードバツク路のゲインを、供給経路
    のゲインに影響を与えることなく、調節可能に構成され
    てなる燃料制御システム。
  6. 【請求項６】フイードバツク路のゲインは１にされる請
    求の範囲項５の燃料制御システム。
  7. 【請求項７】フイードバツク路の変換装置には、測定さ
    れた信号を入力し測定された信号に比例する第１の出力
    信号を伝達する第１の制御装置と、第１の出力信号およ
    び指令された信号を入力しこれらの信号の差を示すエラ
    ー信号を発生する第１の比較器装置と、エラー信号を入
    力し積分を示す時間関数として伝達する第２の制御装置
    と、第１および第２の出力信号を入力しトリミング信号
    を発生する第２の比較器装置とが包有されてなる請求の
    範囲項５の燃料制御システム。
  8. 【請求項８】第２の比較器装置と加算装置との間に配置
    され、ゲート装置からの信号に応答しフイードバツク路
    をオンオフするスイツチ装置を備え、ゲート装置は複数
    の信号を入力し複数の信号はエンジンが始動動作中であ
    り測定装置が動作可能であるときオン信号を伝達し、複
    数の信号が入力されないときはゲート装置がオフ信号を
    伝達してなる請求の範囲項７の燃料制御システム。
  9. 【請求項９】第２の制御装置はゲート装置から伝達され
    た信号を入力し、信号がオフ信号のとき第２の出力信号
    の大きさをリセツトしてトリミング信号を零にしてなる
    請求の範囲項８の燃料制御システム。
JP50720493A 1991-10-11 1992-10-09 閉ループ燃料制御システムおよびその制御方法 Expired - Fee Related JP3235066B2 (ja)

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