JP3683269B2 - 閉環状ステータベーンの制御機構 - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ステータベーンとその制御部とを備えた航空機用ガスタービンエンジンに関する。
背景技術
ステータベーンは、一般的にガスタービンエンジンに用いられ、圧縮機ブレードの空気力学的な特性を制御し、その結果、圧縮流や圧縮機段の圧力低下を制御している。ステータベーンの主要な用途として、圧縮ストールを制御することがある。
一般的なステータベーン制御部は、リンケージとアームとを備えた機械的システムから大略構成され、圧縮機ブレードへ向かう空気流路内におけるステータベーンの方向を変化させている。米国特許第４，９９５，７８６号には、ガスタービンエンジンに用いられる代表的なステータベーン制御部が開示されている。このようなシステムの避けられない制限として、製造誤差やヒステリシスのほか、ステータ制御経路中の誤差に起因して、制御中のステータベーンの角度(stator vane angle)すなわち偏向（ＳＶＡ）が不正確となってしまう。このことは、特に高性能の航空機用エンジンで、エンジン設計に影響を与える。このような損失に起因して、ステータベーン制御部の入力部とステータベーンとの間の制御経路中に”スロップ(slop)”が生じる。結果として、圧縮機は必ずしも所定圧縮機速度において最適な流れで作動せず、上記制御経路中の損失に起因するベーン取付角の僅かなずれによって流れのサージを生じることもある。このことを補正するために、最悪条件、すなわち最大出力が突然要求されたときにＳＶＡが所定の状態となっていない場合に備えて、余分なサージマージンをもつように圧縮機を設計することもできる。しかしながら、このような過剰な設計は、特に急激な加速や減速の際における最大性能を制限してしまう。
発明の開示
本発明の目的は、機械的誤差に起因するＳＶＡのずれに対する補正分を必要最小限に抑えることによって、優れた圧縮能力を有するガスタービンエンジンを提供することにある。
本発明によれば、いかなる特定の圧縮機圧力（ＨＰＣ／ＰＲ）に対しても圧縮機速度の最適補正値（Ｎ２Ｃ）が得られる。すなわち圧縮機圧力から、Ｎ２Ｃの値が演算される。実際のＮ２は、実測され、補正値を与えるように温度に関して調整され、この補正値が上記演算値と比較されて、誤差(error)が得られる。上記誤差は、ＳＶＡの制御に用いられる値すなわちパラメータを生成するように変換処理される。
また、本発明に係わる一つの特徴によれば、上記パラメータは積分され、その出力は、ステータベーン制御部に供給されるＳＶＡ命令となる。
本発明に係わる他の特徴によれば、上記Ｎ２の補正値がリード／ラグ・フィルタに供給され、Ｎ２Ｃの演算値と加減算される出力が得られる。
本発明に係わる他の特徴によれば、上述した加減算の過程で得られた誤差は、乗算処理を経た後、積分されてＳＶＡ制御の信号となる。
本発明の上記特徴によって、急激な加速動作下における圧縮機の動作が向上し、また、圧縮機は、全ての圧縮機速度下において最も効率的な運転点に近づくように動作する。また、機械的なヒステリシスやフィードバックや結合誤差によるステータベーンの偏向の不正確さに起因して空気流が劇的に変化（サージ）した場合を想定した圧縮機の設計をする必要がない。本発明の他の目的，効果および特徴は、後述する説明や図面から、当業者であれば容易に理解することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、ターボファンと電子燃料制御部とを備えたガスタービンエンジンと、ステータベーンと、そのステータベーン制御部と、を示す機能ブロック図である。
図２は、本実施例に係わるステータベーン角度（ＳＶＡ）を調整する制御ステップを示すフローチャートである。
発明を実施するための最良の形態
図１に、航空機用ターボファンエンジン１０を示す。いわゆる”フルオーサリティデジタルエンジンコントロール部(full authority digital engine control)”すなわちＦＡＤＥＣは、マイクロプロセッサμ（信号処理部）を有する。このマイクロプロセッサμは、プログラム可能なものであり、図示しない良く知られている一時メモリ（例えばＲＡＭ）に適当なデータを記憶するルーチンや本発明の制御を実行する。本発明に係わる方法として、エンジンの瞬間の作動状態を示す情報がＦＡＤＥＣに入力され、エンジンへの燃料の流れを制御するとともにステータ制御部１２を制御するように、この情報がＦＡＤＥＣにおいて処理される。ステータ制御部１２は、ステータベーンＳＶの角度を調整する。なお、図には多数のコンプレッサブレード１４のうちの一つの前方にある一つのベーンが示されている。上述した特許に開示され、また良く知られているように、一般的なガスタービンエンジンにあっては、ステータベーンの多数の段が存在し、異なる圧縮機段に対応している。これらの複数の段のベーンは、本発明の主旨に沿うように、簡素化して図示されたメカニカルリンケージ１６を介してステータ制御部１２によって同期して調整される。つまり、上記メカニカルリンケージ１６が前後に移動し、ステータの方向を調整し、それによってコンプレッサブレード１４の前縁へ流れる空気流を調整している。
ＦＡＤＥＣは、動力レバーアドバンス(power lever advance)ＰＬＡを異なる大きさで作用させるスロットルレバーからエンジン出力指令を受ける。マイクロプロセッサエンジンを用いた上記ＦＡＤＥＣは、入力ライン１６．１を介して供給されるＰＬＡに応じてエンジンに供給する燃料量を増減している。エンジンからの信号はデータライン１１．１を通ってＦＡＤＥＣに入力される。これらの信号の中には、ターボファン１８部（ファンは図示せず）の速度Ｎ１，圧縮機速度Ｎ２，（良く知られたエンジンの位置の用語である位置２．５における）圧力ＰＴ_2.5および圧縮機温度ＴＥＭＰをそれぞれ示す信号が含まれている。圧力ＰＴ_2.5は、（符号２０で大略図示された）圧縮機段の先端付近の圧力であり、この圧縮機段はファン１８の直後に位置している。
図２を参照して、エンジンがある速度で作動していると仮定すると、ステップＳ１では圧力ＰＴ₃（圧縮機出口）が読み込まれる。ステップＳ２では、圧力ＰＴ_2.5が読み込まれる。ステップＳ３において、ＰＴ₃／ＰＴ_2.5の値が、値ＰＲ（圧縮機を横断する圧力）として算出される。ステップＳ４では、圧縮機に対応してＰＲに対するＮ２Ｃの値を示す記憶されたテーブルに基づいて、ＰＲに対するＮ２Ｃの値が算出される。ステップＳ５では、Ｎ２（高速ローター速度）の値すなわち実測値Ｎ２が読み込まれる。ステップＳ６では、位置２．５における温度の値が読み取られ、この値を用いてステップＳ７では、図示されるように、固定値２７３℃を用いて値Ｔ_nを算出する。ステップＳ８では、Ｔ_2.5CがＴ_nの平方根として算出される。位置２．５における高速ローター速度が、ステップＳ９において温度に関して補正されたものとして算出され、Ｎ２Ｃ_2.5が得られる。ステップＳ１０では、値Ｎ２Ｃ_2.5が、位相を変化させるフィルタ（リード／ラグすなわちＬ／Ｌ）にかけられて、値ＮＨが求められ、ステップＳ１１においてこの値がＮ２Ｃと加減算されて誤差値ＮＥが求められる。上記誤差値ＮＥは、ステップＳ１２においてゲイン係数Ｋが乗じられ、次いでステップＳ１３において積分され、ＳＶＡ（ステータベーン角度）が求められる。上記ＳＶＡは、ステップＳ１４において、ステータ制御部１２に与えられ、これによって、ステップＳ１３において算出されたＳＶＡ値の積分値に対応して、ステータベーンの角度すなわち偏向が変化する。
上記加減処理の前に上記リード／ラグ処理を設け、かつ上記加減処理の後にゲインすなわち増幅処理を行うことにより、急激な加速や減速（”ｓｎａｐ ａｃｃｅｌｓ ａｎｄ ｄｅｃｅｌｓ”）条件下にあっても、誤差信号の増大が回避され、円滑な制御が得られる。なお、他の補正、例えば比例積分を用いたフィードスルーや作動変圧特性についても、上記と同様の主旨のもとに実行されるものである。
なお、ここでは本発明の最良の実施の形態について説明したが、種々の改良や変更のほか、本発明の範囲や主旨を逸脱することなく当業者ならなし得る全部あるいは一部の変更を加えたものであっても良い。

Claims (5)

1. ステータと、ステータ制御部と、エンジンを制御するためのエンジン作動パラメータに応答する信号処理部を有するエンジン制御部と、を備えるガスタービンエンジンにおいて、
   上記信号処理部は、圧縮機の前後の圧力と圧縮機速度との間の予め記憶された対応関係に基づいて、圧縮機の前後の瞬間圧力に対する圧縮機速度を示す第１の信号を供給する手段と、上記対応関係を記憶する手段と、実際の圧縮機速度と上記第１の信号で示される圧縮機速度との差異を示す誤差信号を表す第３の信号を得るために、上記第１の信号を実際の圧縮機速度を示す第２の信号と加減算する手段と、ステータの偏向を示す第４の信号を得るために、上記第３の信号を積分する手段と、上記第４の信号をステータ制御部に与える手段と、を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. さらに、上記信号処理部が、上記第４の信号を得るために、記憶されているゲイン係数で上記第３の信号を増幅する手段を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. さらに、上記信号処理部が、上記第２の信号を上記第１の信号と加減算する前に、上記第２の信号の位相を補正する手段を有することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
4. さらに、上記信号処理部が、それぞれ異なる圧縮機段における圧縮機圧力を示す２つの信号を受けて、上記瞬間圧力を測定する手段と、上記２つの信号の比を測定する手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
5. さらに、上記信号処理部が、それぞれ異なる圧縮機段における圧縮機圧力を示す２つの信号を受けて、上記瞬間圧力を測定する手段と、上記２つの信号の比を測定する手段と、を有することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。

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