JP4523693B2 - Control device for aircraft gas turbine engine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
航空機用エンジンの制御装置にあっては、一般に、タービン回転数が、操縦者から要求される推力を実現する目標値に一致するようにガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系(あるいは推力制御系)と、タービン回転数の加減速率に基づいて燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系などの非定常モード制御系を並列して配置すると共に、演算された指令値の最小値あるいは最大値を選択し、選択した指令値に基づいて燃料流量を決定している。その例として、防技本技報 6307号(1992年)「高性能エンジン制御装置(その2)の研究試作概要」を挙げることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術においては、演算された指令値の最小値あるいは最大値を選択、換言すれば、制御モードを切り替えるとき、切り替えられた制御系において積分器をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる場合があった。
【0004】
図12を参照して説明すると、同図(a)は従来技術における定常モード制御系の動作を示すブロック図である。従来技術における定常モード制御系の動作にあっては、検出されたタービン回転数N1と操縦者要求推力を実現する目標回転数N1comの偏差が減少するように、ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量(より詳しくはその指令値)Wfが演算される。
【0005】
この従来技術に係る制御系においては、一般に、図12(a)に示す如く、検出されたタービン回転数N1と操縦者要求推力を実現する目標回転数N1comの偏差が減少するように、比例要素KP と積分要素1/S(S:ラプラス演算子)を用い(あるいはさらに微分要素を用い)、操作量Wf(より詳しくはタービン回転数N1に基づく操作量Wfn1)が演算される。
【0006】
尚、図示の例では、予め設定されたエンジンモデルに基づいて操作量を算出する、即ち、プラントの伝達関数が与えられたとき、閉ループ伝達関数がモデルに部分的に一致するように操作量を演算する(部分)モデルマッチング手法を利用して操作量を算出している。
【0007】
図12(a)に示す従来技術にあっては、例えば加減速モード制御系などの非定常モード制御系に切り替えるとき、積分器(1/S)をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【0008】
従って、この発明の目的は上記した課題を解消することにあり、複数の制御系が並列に配置されたガスタービン・エンジンの制御装置において、制御モードが切り替えられるとき、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化するようにした航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1項にあっては、少なくとも1個のタービンを有する航空機用ガスタービン・エンジンにおいて、少なくともタービン回転数を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段、前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力を検出する操縦者要求推力検出手段、少なくとも前記検出されたタービン回転数と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系、前記検出されたタービン回転数の加減速率と目標加減速率の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系、前記定常モード制御系によって演算された指令値と前記加減速モード制御系によって演算された指令値のいずれかを選択する指令値選択手段、前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量を演算する燃料流量演算手段、および前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成した。
【0010】
定常モード制御系などで用いられる積分要素を除去すると共に、燃料流量演算手段に積分要素を配置し、その積分要素を用いて燃料流量を演算するように構成したので、換言すれば、制御モードを切り替えた後に積分を行うようにしたので、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化することができ、前記した不都合を解消することができる。
【0012】
さらに加減速モード制御系において、検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。また、ガスタービン・エンジンのヒートマスによる影響を受けることもない。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即してこの発明の一つの実施の形態に係る航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を説明する。
【0014】
図1はその装置を全体的に示す概略図である。
【0015】
尚、航空機用ガスタービン・エンジンとしてはターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンおよびターボシャフト・エンジンの4種が知られているが、以下、2軸のターボファン・エンジンを例にとって説明する。
【0016】
図1において、符号10はターボファン・エンジン(以下「エンジン」という)を示し、符号10aはエンジン本体を示す。エンジン10は機体(図示せず)の適宜位置にマウントされる。
【0017】
エンジン10はファン(ファン動翼)12を備え、ファン12は高速で回転しつつ外気から空気を吸引する。ファン12にはロータ12aが一体的に形成され、ロータ12aは対向して配置されたステータ14と共に低圧圧縮機16を構成し、そこで吸引した空気を圧縮しつつ後方に圧送する。
【0018】
尚、ファン12の付近にはセパレータ20によってダクト(バイパス)22が形成され、吸引された空気の大部分は後段(コア側)で燃焼させられることなく、ダクト22を通ってエンジン後方に噴出させられる。ファン排気は、その反作用としてエンジン10が搭載される機体(図示せず)に推力(スラスト)を生じさせる。推力の大部分は、このファン排気によって生じる。
【0019】
低圧圧縮機16で圧縮された空気は後段の高圧圧縮機24に送られ、そこでロータ24aおよびステータ24bによってさらに圧縮された後、後段の燃焼器26に送られる。
【0020】
燃焼器26は燃料ノズル28を備え、燃料ノズル28にはFCU(Fuel Control Unit 。燃料制御ユニット)30で調量された燃料が圧送される。即ち、FCU30は燃料調量バルブ32を備え、燃料ポンプ(ギヤポンプ)34によって機体の適宜位置に配置された燃料タンク36から汲み上げられた燃料は、燃料調量バルブ32で調量された後、燃料供給通路38を通って燃料ノズル28に供給される。
【0021】
噴霧された燃料は高圧圧縮機24から圧送された圧縮空気と混合し、エンジン始動時にエキサイタ(図1で図示省略)および点火プラグ(図示せず)で点火されて燃焼する。混合気は一度着火されて燃焼を開始すると、かかる圧縮空気と燃料からなる混合気を連続的に供給されて燃焼を継続する。
【0022】
燃焼によって生じた高温高圧ガスは高圧タービン40に送られ、高圧タービン40を高速回転させる。高圧タービン40は前記した高圧圧縮機のロータ24aに高圧タービン軸40aを介して接続され、前記ロータ24aを回転させる。
【0023】
高温高圧ガスは、高圧タービン40を回転駆動した後、低圧タービン42に送られ、低圧タービン42を比較的低速で回転させる。低圧タービン42は前記した低圧圧縮機16のロータ12aに低圧タービン軸42a(軸40aと同心二軸構造)を介して接続されており、前記ロータ12aおよびファン12を回転させる。
【0024】
低圧タービン42を通過した高温高圧ガス(タービン排気)は、ダクト22を通ってそのまま排出されるファン排気と混合させられてジェットノズル44からエンジン後方に噴出される。
【0025】
エンジン本体10aの外部下面の前側寄りには、アクセサリ・ドライブ・ギアボックス(以下「ギアボックス」という)50がステー50aを介して取り付けられると共に、ギアボックス50の前端には一体的に構成されたスタータおよびジェネレータ(以下「スタータ」と総称する)52が取り付けられる。尚、ギアボックス50の後端には前記したFCU30が配置される。
【0026】
エンジン10の始動時、スタータ52によって軸56が回転させられると、その回転は駆動軸58(および図示しないベベルギアなどのギア機構)を介して高圧タービン軸40aに伝えられ、燃焼に必要な空気が送り込まれる。
【0027】
他方、軸56の回転はPMA(パーマネントマグネット・オルタネータ)60と燃料ポンプ34に伝えられて燃料ポンプ34を駆動し、前記したように燃料を燃料ノズル28を介して噴霧する。よって生じた混合気は、点火されて燃焼を開始する。
【0028】
エンジン10が自立運転回転数に達すると、高圧タービン軸40aの回転が逆に駆動軸58(および図示しないベベルギアなどのギア機構)を介して軸56に伝えられ、燃料ポンプ34を駆動すると共に、PMA60とスタータ52を駆動する。それによって、PMA60は発電すると共に、スタータ52は、機体に電力を供給する。
【0029】
エンジン10において、低圧タービン軸42aの付近にはN1センサ(回転数センサ)62が配置され、低圧タービン回転数(低圧タービン軸42aの回転数)N1に比例する信号を出力すると共に、軸56の付近にはN2センサ(回転数センサ)64が配置され、高圧タービン回転数(高圧タービン軸40aの回転数)N2に比例する信号を出力する。
【0030】
またエンジン本体10aの前面の空気取り入れ口66の付近にはT1(温度センサ)センサ68およびP1センサ(圧力センサ)70が配置され、流入空気の温度T1および圧力P1に比例する信号を出力すると共に、後述するECU
(Electronic Control Unit 。電子制御ユニット)の内部にはP0センサ(圧力センサ)72が設けられ、大気圧P0に比例する信号を出力する。
【0031】
またロータ24aの下流にはP3センサ(圧力センサ)74が配置されて高圧圧縮機24の出力圧P3に比例する信号を出力すると共に、高圧タービン40と低圧タービン42の間の適宜位置にはITTセンサ(温度センサ)76が配置され、その部位の温度(エンジン代表温度)ITTに比例する信号を出力する。
【0032】
エンジン本体10aの上端位置には前記したECU(符号80で示す)が収納される。上記したセンサ群の出力は、ECU80に送られる。
【0033】
図2は、ECU80および前記したFCU30の構成、特にFCU30の構成を全体的に示すブロック図である。
【0034】
前記したセンサ群に加え、機体操縦席(コックピット。図示せず)付近に設置されたスラストレバー(スロットルレバー)82の付近にはTLAセンサ(スラストレバー位置センサ)84が配置され、パイロット(操縦者)が入力したスラストレバー位置(操作者要求推力)TLAに比例する信号を出力する。TLAセンサ84の出力もECU80に入力される。尚、図2、図3、において各センサ(P0センサ、TLAセンサなど)は、その検出対象パラメータ名(P0、TLAなど)で示す。
【0035】
さらに、FCU30の適宜位置にはFMVPセンサ(バルブ位置センサ。図2で図示省略)が設けられ、燃料調量バルブ32のバルブ位置FMVPに比例する信号を出力する。FMVPセンサの出力もECU80に入力される。
【0036】
さらに、ECU80には、通信インターフェース・ユニット88を介して前記したスラストレバー82以外の機器のパイロット選択指令90、機体搭載コンピュータ(Air Data Computer あるいはADC)92からのデータ(例えばマッハ数Mn、圧力高度ALT、外気温度(より具体的には全温度TAT、真大気温度SAT))、および第2のエンジン(図示せず)のECU94からのデータが入力(あるいは出力)されると共に、コックピット内のディスプレイ96に接続されてECU80のデータを表示させる。
【0037】
ECU80は入力値に基づき、スラストレバー位置(操作者要求出力)TLAに応じて低圧タービン軸回転数(低圧タービン回転数)N1と目標回転数N1comの偏差が減少するように、エンジン10に供給すべき燃料流量の指令値(操作量)Wfを、トルクモータ98への通電電流指令値として算出してFCU30に送る。
【0038】
さらに、ECU80は検出された低圧タービン回転数N1および高圧タービン回転数N2の値のいずれかがリミット値(例えば、それぞれの最高回転数の107%相当値)を超えるか否か監視し、検出された低圧タービン回転数N1および高圧タービン回転数N2のいずれかがリミット値を超えるときはオーバースピードと判断し、エンジン10に供給すべき燃料流量が所定値、より具体的には零あるいは最小となるようにトルクモータ98への通電電流指令値を決定してFCU30に送る。
【0039】
さらに、ECU80は検出された高圧タービン回転数N2の変化率N2ドット(N2の微分値。加減速率)と目標加減速率N2ドットcomの偏差が減少するようにエンジン10に供給すべき燃料流量の指令値Wf、より詳しくはトルクモータ98への通電電流指令値を決定してFCU30に送る。
【0040】
FCU30は低圧燃料ポンプ100を備え、燃料タンク36(図2で図示省略)から汲み上げられた燃料は、フィルタ(およびオイルクーラ)102を経て前記した燃料ポンプ34で高圧化されて燃料調量バルブ32に送られる。トルクモータ98は燃料調量バルブ32に接続され、そのスプール位置を決定する。従って、高圧ポンプ34を介して圧送された燃料は、燃料調量バルブ32でそのスプール位置に応じた流量に調節(調量)される。
【0041】
調量された燃料は、シャットオフバルブ104、ドレーンバルブ106およびシャットオフ機構108を介して前記した燃料ノズル28に供給される。
【0042】
尚、低圧タービン軸42aには非常停止スイッチ110が接続されており、低圧タービン軸42aが何らかの理由から変位するとオンし、シャットオフ機構108を動作させて燃料ノズル28への燃料供給を機械的に遮断する。同様に、ソレノイド112が設けられ、パイロット選択指令90に応じてシャットオフバルブ104を動作させて燃料ノズル28への燃料供給を遮断する。
【0043】
次いで、実施の形態に係るガスタービン・エンジンの制御装置の動作、より具体的にはECU80の動作を具体的に説明する。
【0044】
図3は、そのECU80の動作を具体的に示すブロック図である。
【0045】
図示の如く、ECU80は最大N1演算部(図に「Max N1 on Condition 」と示す) 800を備え、最大N1演算部800は、マッハ数Mn、圧力高度ALT、真大気温度SAT、Anti-Iceなどのエンジンからの抽気状態A/Iに基づいて低圧タービン回転数N1の最大値N1*maxcomを演算する。
【0046】
また、ECU80はアイドル回転数演算部(図に「Idle (Ground/Flight)」と示す)802を備え、アイドル回転数演算部802は、マッハ数Mn、圧力高度ALT、真大気温度SAT,A/I,WOW(Weight-on-Wheel 。車輪負荷信号)に基づいて低圧タービン回転数N1の最小値N1*mincomと、アイドル時の高圧タービン回転数N2*idleを演算する。
【0047】
演算された低圧タービン回転数N1の最大値N1*maxcom、低圧タービン回転数N1の最小値N1*mincomおよびアイドル時の高圧タービン回転数N2*idleは、推力演算部(図に「TLA Power Setting 」と示す) 804に送られる。推力演算部804は、それら入力値と、別途入力される検出スラストレバー位置TLAおよび流入空気温度T1に基づいて前記した低圧タービン目標回転数N1comと高圧タービン目標回転数N2comを演算する。
【0048】
演算された低圧タービン目標回転数N1comと高圧タービン目標回転数N2comは、回転数フィードバック制御部(図に「Speed Feedback Control (N1/N2)」と示す。前記した定常モード制御系に相当) 806に送られる。
【0049】
回転数フィードバック制御部806は、それら入力値と、別途入力される検出低圧タービン回転数N1と高圧タービン回転数N2に基づき、検出されたタービン回転数N1と操縦者要求推力を実現する目標回転数N1comの偏差が減少するように、エンジン10に供給する操作量(燃料流量の指令値)Wfドットn1を演算すると共に、検出されたタービン回転数N2と操縦者要求推力を実現する目標回転数N2comの偏差が減少するように、操作量Wfドットn2を演算する。このように、操作量Wfは後述する如く、その微分値(ドットと表記)として演算する。
【0050】
また、ECU80は加速制御部(図に「Acceleration Control」と示す。前記した加減速モード制御系に相当) 808を備え、加速制御部808は、高圧タービン回転数N2、流入空気温度T1、流入空気圧力P1,A/Iに基づいて検出された高圧タービン回転数N2の加速率N2ドットと目標とする目標加速率N2ドットcomの偏差が減少するように、エンジン10に供給する燃料流量の指令値(操作量)Wfドットaccを演算する。
【0051】
また、ECU80はP3圧力制御部(図に「P3 Limit Control」と示す。前記した非定常モード制御系に相当) 810を備え、P3圧力制御部810は、高圧圧縮機24の出口圧力P3とPR(Power-Reserve 信号)に基づいて出口圧力P3のリミット値に相当するエンジン10に供給する燃料流量の指令値(操作量)Wfドットp3を演算する。
【0052】
また、ECU80はITT温度制御部(図に「ITT Limit Control 」と示す。前記した非定常モード制御系に相当) 812を備え、ITT温度制御部812は、タービン温度ITT、スラストレバー位置TLAおよびPRに基づいてタービン温度ITTのリミット値に相当するエンジン10に供給する燃料流量の指令値(操作量)Wfドットittを演算する。
【0053】
また、ECU80は減速制御部(図に「Deceleration Control(Dec-limit) 」と示す。前記した加減速モード制御系に相当) 814を備え、減速制御部814は、高圧タービン回転数N2、流入空気温度T1、流入空気圧力P1、A/Iに基づいて検出されたタービン回転数N2の減速率N2ドットと目標とする目標減速率N2ドットcomの偏差が減少するように、エンジン10に供給する燃料流量の指令値(操作量)Wfドットdecを演算する。
【0054】
これら演算された燃料流量の指令値(操作量)Wfは全て選択回路(図に「Select Logic」と示す。前記した指令値選択手段に相当) 820に送られ、選択回路820は、その中から決められたロジックに従い一つの値を選択して出力Wfcomとする。
【0055】
ECU80はトルクモータドライバ826を備え、トルクモータドライバ826は、入力した最大値Wfcomと検出された燃料調量バルブ32のバルブ位置FMVPとからバルブ指令値FMVCMD(より詳しくはトルクモータ通電電流指令値)を演算して出力する。
【0056】
図4は、図3の中で上記した選択回路820の内部の演算の動作を示す、図3の部分ブロック図である。
【0057】
図示の如く、選択回路820に送られる上記した燃料流量の指令値のうち、減速制御部814からの燃料流量の指令値Wfドットdecを除く全ての指令値が選択回路821(図に「Select/Low」と示す)に送られ、最小値が選択される。
【0058】
次いでその最小値と減速制御部814からの燃料流量の指令値Wfドットdecが選択回路822(図に「Select/High 」と示す)に送られ、最大値が選択される。次いで、その最大値に前回値LastWfが加算される。
【0059】
ここで、同図の説明を続ける前に、図12を再び参照してこの実施の形態に係る装置の動作を説明する。
【0060】
図12(a)に示す従来技術においては目標値N1comと検出値N1の偏差が減少するように比例要素KP と積分要素1/Sを用いて操作量Wfが演算される結果、制御モードを切り替えるとき、積分器(1/S)をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【0061】
そこで、この実施の形態においては、図12(b)に示す如く、積分要素1/Sを破線で示す選択回路824による選択点(図に「Select」と示す) の下流に移して操作量(前記燃料流量)を演算するようにした。尚、積分要素を選択点の下流に移したため、その上流においては操作量(燃料流量の指令値)は微分値Wfドットを使用することになる。
【0062】
即ち、制御モードを切り替えた後に積分を行い、制御モードでの積分要素を除去するようにした。これによって、積分器のリセットを不要とし、アルゴリズムをシンプルにすることができて、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【0063】
尚、図12(b)に示す構成においても、予め設定されたエンジンモデルに基づいて操作量を算出、より具体的には、プラントの伝達関数が与えられたとき、閉ループ伝達関数がモデルに部分的に一致するように操作量を演算する(部分)モデルマッチング手法を利用して操作量を算出する。
【0064】
図4の説明に戻ると、前回値Lastwfの加算は、この積分動作に相当する。次いで、加算値に高圧圧縮機24の出口圧P3を乗じる。これは、図3において実際は燃料流量指令値を出口圧P3で除算した値を燃料流量の指令値としていることから、その修正のためである。
【0065】
さらに、修正された値は別の選択回路823,824で所定の値と比較されて選択され、選択された値が前記したようにトルクモータドライバ826に送られるが、この発明の要旨は選択回路820内で選択、換言すれば制御モード(制御系)が切り換えられた後の操作量の演算にあるので、詳細な説明は省略する。
【0066】
同様のことは、図3に関して説明した加速制御部808の動作についても妥当する。
【0067】
図5を参照して説明すると、(a)は従来技術における加速制御を示し、そこでは目標値N2ドットcomと検出値N2ドットの偏差が減少するように、比例要素KP 、微分要素KD および2個の積分要素1/Sを用いて操作量Wfaccが演算される。従って、この制御モードに切り替えるときも、2個の積分器(1/S)をリセットする必要があって複雑なアルゴリズムを必要とすると共に、リセットすることによって制御ハンチングを生じる不都合があった。
【0068】
そこで、この実施の形態においては、図5(b)に示す如く、図12(b)と同様に積分要素1/Sを破線で示す選択点の下流に移し、操作量を演算するようにした。
【0069】
即ち、制御モードを切り替えた後に積分を行い、制御モードでの積分要素を除去するようにした。これによって、積分器のリセットを不要とし、アルゴリズムをシンプルにすることができて、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【0070】
尚、積分要素を選択点の下流に移したため、その上流においては操作量(燃料流量の指令値)の微分値Wfドットaccを使用することとなる点も図12(b)と異ならない。
【0071】
さらに、図5(a)に示す従来技術に係る加速制御から残りの1個の積分要素を除去し、それに代えて修正値N2c(高圧タービン回転数N2に基づく修正値)のスケジュールを追加するようにした。
【0072】
図6は、その加速制御部808の詳細を示す、図3の部分ブロック図である。
【0073】
即ち、目標値と検出値の偏差と比例ゲインKP の積に、偏差の微分値に微分ゲインKD を乗じた値と、N2cのスケジュール値としてWfドットが加算されるようにした。Wfドットは、図示の如く、高圧タービン回転数N2(より詳しくはN2を大気温度比θ(=流入空気温度T1/所定温度TSTD(共に絶対温度)で算出)の平方根値で補正した値)に従って算出される。ここで、スケジュール値をN2平方根θ=28000を超えた付近から算出するのは、この付近から積分要素を除去したことによる定常誤差の影響が大きくなるためである。
【0074】
このように、加速制御においては、制御精度を向上させるために、加速モード制御系に積分要素を本来は必要とするが、積分要素を除去すると共に、この実施の形態においては、それに代えてスケジュール値を加算するように構成したので、図12(b)に関して述べたのと同様の効果を得ることができると共に、制御精度を向上させることができる。また、エンジン10のヒートマスによる影響を受けることもない。
【0075】
図7は発明者達が行ったテスト結果を示すデータ図である。
【0076】
図において、符号aは、図5(b)および図6に示す構成の比例ゲインKP 、微分ゲインKD を用いるときの、即ち、スケジュール値を加算しない場合の結果を示す。
【0077】
符号bは、比例ゲインKP 、微分ゲインKD を符合aの場合に比して増加させたときの結果を示す。また、符号cは、符合aの場合と同一の比例ゲインKP 、微分ゲインKD を用いると共に、図5(および図6)に示すスケジュール値を加算したときの結果を示す。
【0078】
図7から、図5(b)および図6に示すスケジュール値の加算が効果的であることが理解できよう。
【0079】
図8および図9は、前記した回転数フィードバック制御部806の動作を詳細に示す、図3の部分ブロック図である。図示の如く、積分要素が除去されると共に、偏差に積分ゲインKI を乗じることなどによって低圧タービン目標回転数N1comと高圧タービン目標回転数N2comに応じた燃料流量の指令値Wfドットn1、Wfドットn2が演算される。
【0080】
また、図10および図11は、前記したP3圧力制御部810およびITT温度制御部812の動作を詳細に示す、図3の部分ブロック図である。図示の如く、積分要素が除去されると共に、偏差に積分ゲインKI を乗じることなどによって出口圧力P3のリミット値に相当する燃料流量の指令値およびタービン温度ITTのリミット値に相当する燃料流量の指令値Wfドットp3、Wfドットittが演算される。
【0081】
この実施の形態においては上記の如く、全ての制御系において積分要素を除去するようにしたので、制御モードが切り替えられたとき、積分器のリセットが不要となってアルゴリズムをシンプルにすることができると共に、前記した制御ハンチングが生じるのを防止することができる。
【0082】
また、加速モード制御系においては、第2の積分要素に代えてスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。
【0083】
上記の如く、この実施の形態にあっては、少なくとも1個のタービン(より具体的には低圧タービン(42)および高圧タービン(40))を有する航空機用ガスタービン・エンジン(ターボファン・エンジン10)において、少なくともタービン回転数(低圧タービン回転数N1、高圧タービン回転数N2)を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段(N1センサ62,N2センサ64,ECU80)、前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力(スラストレバー位置TLA)を検出する操縦者要求推力検出手段(TLAセンサ84,ECU80)、少なくとも前記検出されたタービン回転数(N1)と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数(N1com)の偏差が減少するように、少なくとも積分要素(1/S)を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系(回転数フィードバック制御部806)、前記検出されたタービン回転数(N2)の加減速率(N2ドット)と目標加減速率(N2ドットcom)の偏差が減少するように、少なくとも積分要素(1/S)を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系(加速制御部808,P3圧力制御部810,ITT温度制御部812、減速制御部814)、前記定常モード制御系によって演算された指令値(Wf)と前記加減速モード制御系によって演算された指令値(Wf)のいずれかを選択する指令値選択手段(選択回路820)、前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量(その指令値Wf)を演算する燃料流量演算手段(ECU80)、および前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段(FCU30、燃料調量バルブ32、トルクモータ98など)を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、図6に示す如く、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成した。
【0085】
尚、上記した実施の形態において、航空機用ガスタービン・エンジンとしてはターボファン・エンジンを例にとったが、ターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンおよびターボシャフト・エンジンなどであっても良い。
【0086】
【発明の効果】
請求項1項にあっては、定常モード制御系などで用いられる積分要素を除去すると共に、燃料流量演算手段に積分要素を配置し、その積分要素を用いて燃料流量を演算するように構成したので、換言すれば、制御モードを切り替えた後に積分を行うようにしたので、積分器リセットを不要としてアルゴリズムを簡素化することができ、前記した不都合を解消することができる。
【0087】
さらに加減速モード制御系において、検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したので、制御精度を向上させることができる。また、ガスタービン・エンジンのヒートマスによる影響を受けることもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一つの実施の形態に係る航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置を全体的に示す概略図である。
【図2】図1装置の中のECUおよびFCUの構成を示す説明ブロック図である。
【図3】図2のECUの動作を具体的に示すブロック図である。
【図4】図3の中の選択回路820の内部の演算の動作を示す、図3の部分ブロック図である。
【図5】図3の中の加速制御部の動作を示すブロック図である。
【図6】図3の中の加速制御部の詳細を示す、図3の部分ブロック図である。
【図7】図3の中の加速制御部のスケジュール値について発明者達が行ったテスト結果を示すデータ図である。
【図8】図3の中の推力演算部の詳細を示す、図3の部分ブロック図である。
【図9】同様に図3の中の推力演算部の詳細を示す、図3の部分ブロック図である。
【図10】図3の中のP3圧力制御部の詳細を示す、図3の部分ブロック図である。
【図11】図3の中のITT温度制御部の詳細を示す、図3の部分ブロック図である。
【図12】図3の中の回転数フィードバック制御部(定常制御モード系)の動作を従来技術と対比して示すブロック図である。
【符号の説明】
10 航空機用ガスタービン・エンジン(ターボファン・エンジン)
12 ファン
12a ロータ
14 ステータ
16 低圧圧縮機
24 高圧圧縮機
24a ロータ
24b ステータ
26 燃焼器
28 燃料ノズル
30 FCU(Fuel Control Unit )
32 燃料調量バルブ
40 高圧タービン
40a 高圧タービン軸
42 低圧タービン
42a 低圧タービン軸
62 N1センサ(低圧タービン回転数検出手段)
64 N2センサ(高圧タービン回転数検出手段)
68 T1センサ
70 P1センサ
72 P0センサ
74 P3センサ
76 ITTセンサ
80 ECU(Electronic Control Unit 。電子制御ユニット)
82 スラストレバー(スロットルレバー)
92 機体搭載コンピュータ(ADC)
98 トルクモータ
806 回転数フィードバック制御部(定常制御モード系)
808 加速制御部(加減速モード制御系)
810 P3圧力制御部(非定常モード制御系)
812 ITT温度制御部(非定常モード制御系)
814 減速制御部(加減速モード制御系)
820 選択回路(指令値選択手段)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aircraft gas turbine engine control apparatus.
[0002]
[Prior art]
In an aircraft engine control device, generally, a command value for the flow rate of fuel supplied to a gas turbine engine is calculated so that the turbine speed matches a target value that achieves the thrust required by the operator. A stationary mode control system (or thrust control system) and an unsteady mode control system such as an acceleration / deceleration mode control system that calculates the fuel flow rate command value based on the acceleration / deceleration rate of the turbine speed are arranged in parallel. The minimum value or the maximum value of the command value thus selected is selected, and the fuel flow rate is determined based on the selected command value. As an example, there can be mentioned “Technology report 6307 (1992)“ Study prototype of high performance engine control system (Part 2) ”.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the prior art described above, the minimum or maximum value of the calculated command value is selected, in other words, when switching the control mode, it is necessary to reset the integrator in the switched control system, and a complicated algorithm is required. There is a case where control hunting is caused by resetting.
[0004]
Referring to FIG. 12, FIG. 12 (a) is a block diagram showing the operation of the steady mode control system in the prior art. In the operation of the steady mode control system in the prior art, the flow rate of fuel supplied to the gas turbine engine so that the deviation between the detected turbine rotational speed N1 and the target rotational speed N1com that realizes the driver's required thrust is reduced. (More specifically, the command value) Wf is calculated.
[0005]
In the control system according to this prior art, generally, as shown in FIG. 12 (a), a proportional element is used so that the deviation between the detected turbine speed N1 and the target speed N1com that realizes the driver's required thrust is reduced. Using KP and the integral element 1 / S (S: Laplace operator) (or using a differential element), the manipulated variable Wf (more specifically, manipulated variable Wfn1 based on the turbine speed N1) is calculated.
[0006]
In the illustrated example, the operation amount is calculated based on a preset engine model, that is, when a plant transfer function is given, the operation amount is set so that the closed-loop transfer function partially matches the model. The operation amount is calculated by using a (partial) model matching method to be calculated.
[0007]
In the prior art shown in FIG. 12A, when switching to an unsteady mode control system such as an acceleration / deceleration mode control system, the integrator (1 / S) needs to be reset and a complicated algorithm is required. In addition, there is a disadvantage that control hunting is caused by resetting.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to eliminate the above-described problems. In a control device for a gas turbine engine in which a plurality of control systems are arranged in parallel, when the control mode is switched, an integrator reset is not required. It is an object of the present invention to provide an aircraft gas turbine engine control apparatus that simplifies the above.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, according to claim 1, in an aircraft gas turbine engine having at least one turbine, an operating state of the gas turbine engine including at least the turbine speed is detected. Operating state detection means, pilot demand thrust detection means for detecting pilot demand thrust required by the pilot for the gas turbine engine, at least the detected turbine speed and the detected pilot demand thrust A steady mode control system for calculating a command value for the flow rate of fuel supplied to the gas turbine engine using at least an integral element so that the deviation of the target turbine speed for realizing In order to reduce the deviation between the acceleration / deceleration rate and the target acceleration / deceleration rate, at least the integration element is used to increase the gas turbine energy. A non-stationary mode control system including at least an acceleration / deceleration mode control system for calculating a command value of a fuel flow rate supplied to the gin, a command value calculated by the steady mode control system, and a command value calculated by the acceleration / deceleration mode control system Command value selection means for selecting any one of the above, fuel flow rate calculation means for calculating the flow rate of fuel supplied to the gas turbine engine based on the selected command value, and the gas based on the calculated fuel flow rate In a control apparatus for a gas turbine engine having fuel supply means for supplying fuel to a turbine engine, an integral element used in the steady mode control system and the unsteady mode control system is removed, and the fuel flow rate calculation means An integral element is arranged, so that the fuel flow rate calculation means is based on the command value selected using the integral element. Te is configured to calculate the fuel flow rate In the acceleration / deceleration mode control system, a schedule value corresponding to the detected turbine speed is added. It was.
[0010]
Since the integral element used in the steady mode control system is removed, the integral element is arranged in the fuel flow rate calculation means, and the fuel flow rate is calculated using the integral element. In other words, the control mode is Since the integration is performed after the switching, the integrator can be simplified by eliminating the need for the integrator reset, and the above-described inconvenience can be solved.
[0012]
further Since the acceleration / deceleration mode control system is configured to add a schedule value according to the detected turbine speed , System The accuracy can be improved. Moreover, it is not affected by the heat mass of the gas turbine engine.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An aircraft gas turbine engine control apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0014]
FIG. 1 is a schematic view showing the entire apparatus.
[0015]
There are four known types of aircraft gas turbine engines: turbojet engines, turbofan engines, turboprop engines, and turboshaft engines. The following are examples of 2-axis turbofan engines. I will explain to you.
[0016]
In FIG. 1, reference numeral 10 indicates a turbofan engine (hereinafter referred to as “engine”), and reference numeral 10a indicates an engine body. The engine 10 is mounted at an appropriate position on the airframe (not shown).
[0017]
The engine 10 includes a fan (fan blade) 12 and the fan 12 sucks air from outside air while rotating at high speed. The fan 12 is integrally formed with a rotor 12a, and the rotor 12a constitutes a low-pressure compressor 16 together with a stator 14 disposed so as to face the rotor 12, and the sucked air is compressed and sent backward.
[0018]
A duct (bypass) 22 is formed in the vicinity of the fan 12 by the separator 20, and most of the sucked air is not burned in the rear stage (core side) and is ejected through the duct 22 to the rear of the engine. It is done. The fan exhaust produces thrust (thrust) in the airframe (not shown) on which the engine 10 is mounted as a reaction. Most of the thrust is generated by this fan exhaust.
[0019]
The air compressed by the low-pressure compressor 16 is sent to the subsequent high-pressure compressor 24, where it is further compressed by the rotor 24 a and the stator 24 b and then sent to the subsequent combustor 26.
[0020]
The combustor 26 includes a fuel nozzle 28, and fuel metered by an FCU (Fuel Control Unit) 30 is pumped to the fuel nozzle 28. That is, the FCU 30 is provided with a fuel metering valve 32, and fuel pumped up from a fuel tank 36 disposed at an appropriate position of the machine body by a fuel pump (gear pump) 34 is metered by the fuel metering valve 32, and then fuel The fuel is supplied to the fuel nozzle 28 through the supply passage 38.
[0021]
The sprayed fuel is mixed with the compressed air pumped from the high-pressure compressor 24, and is ignited and burned by an exciter (not shown in FIG. 1) and a spark plug (not shown) when the engine is started. Once the air-fuel mixture is ignited and starts to burn, the air-fuel mixture comprising compressed air and fuel is continuously supplied to continue the combustion.
[0022]
The high-temperature high-pressure gas generated by the combustion is sent to the high-pressure turbine 40 and rotates the high-pressure turbine 40 at a high speed. The high-pressure turbine 40 is connected to the rotor 24a of the high-pressure compressor described above via a high-pressure turbine shaft 40a, and rotates the rotor 24a.
[0023]
The high-temperature high-pressure gas rotates the high-pressure turbine 40 and is then sent to the low-pressure turbine 42 to rotate the low-pressure turbine 42 at a relatively low speed. The low-pressure turbine 42 is connected to the rotor 12a of the low-pressure compressor 16 through a low-pressure turbine shaft 42a (a biaxial structure concentric with the shaft 40a), and rotates the rotor 12a and the fan 12.
[0024]
The high-temperature high-pressure gas (turbine exhaust) that has passed through the low-pressure turbine 42 is mixed with the fan exhaust that is discharged as it is through the duct 22 and is ejected from the jet nozzle 44 to the rear of the engine.
[0025]
An accessory drive gearbox (hereinafter referred to as “gearbox”) 50 is attached via a stay 50a near the front side of the outer lower surface of the engine body 10a, and is integrally formed at the front end of the gearbox 50. A starter and a generator (hereinafter collectively referred to as “starter”) 52 are attached. The FCU 30 is disposed at the rear end of the gear box 50.
[0026]
When the engine 10 is started, when the shaft 56 is rotated by the starter 52, the rotation is transmitted to the high-pressure turbine shaft 40a via the drive shaft 58 (and a gear mechanism such as a bevel gear (not shown)), and air necessary for combustion is transferred. It is sent.
[0027]
On the other hand, the rotation of the shaft 56 is transmitted to a PMA (permanent magnet alternator) 60 and the fuel pump 34 to drive the fuel pump 34 and spray the fuel through the fuel nozzle 28 as described above. The resulting air-fuel mixture is ignited and starts to burn.
[0028]
When the engine 10 reaches the self-sustained operation speed, the rotation of the high-pressure turbine shaft 40a is transmitted to the shaft 56 via the drive shaft 58 (and a gear mechanism such as a bevel gear (not shown)) to drive the fuel pump 34, The PMA 60 and the starter 52 are driven. Thereby, the PMA 60 generates power, and the starter 52 supplies power to the airframe.
[0029]
In the engine 10, an N1 sensor (rotational speed sensor) 62 is disposed in the vicinity of the low pressure turbine shaft 42a, and outputs a signal proportional to the low pressure turbine rotational speed (the rotational speed of the low pressure turbine shaft 42a) N1. An N2 sensor (rotational speed sensor) 64 is disposed in the vicinity, and outputs a signal proportional to the high-pressure turbine rotational speed (the rotational speed of the high-pressure turbine shaft 40a) N2.
[0030]
A T1 (temperature sensor) sensor 68 and a P1 sensor (pressure sensor) 70 are disposed in the vicinity of the air intake 66 on the front surface of the engine body 10a, and output signals proportional to the temperature T1 and pressure P1 of the inflowing air. ECU described later
A P0 sensor (pressure sensor) 72 is provided inside (Electronic Control Unit) and outputs a signal proportional to the atmospheric pressure P0.
[0031]
A P3 sensor (pressure sensor) 74 is disposed downstream of the rotor 24a to output a signal proportional to the output pressure P3 of the high-pressure compressor 24, and at an appropriate position between the high-pressure turbine 40 and the low-pressure turbine 42. A sensor (temperature sensor) 76 is arranged, and outputs a signal proportional to the temperature (engine representative temperature) ITT of the part.
[0032]
The above-described ECU (indicated by reference numeral 80) is accommodated at the upper end position of the engine body 10a. The output of the sensor group described above is sent to the ECU 80.
[0033]
FIG. 2 is a block diagram generally showing the configuration of the ECU 80 and the FCU 30 described above, particularly the configuration of the FCU 30.
[0034]
In addition to the sensor group described above, a TLA sensor (thrust lever position sensor) 84 is disposed in the vicinity of a thrust lever (throttle lever) 82 installed in the vicinity of the aircraft control seat (cockpit, not shown). A signal proportional to the thrust lever position (operator request thrust) TLA input is output. The output of the TLA sensor 84 is also input to the ECU 80. 2 and 3, each sensor (P0 sensor, TLA sensor, etc.) is indicated by its detection target parameter name (P0, TLA, etc.).
[0035]
Further, an FMVP sensor (valve position sensor; not shown in FIG. 2) is provided at an appropriate position of the FCU 30 and outputs a signal proportional to the valve position FMVP of the fuel metering valve 32. The output of the FMVP sensor is also input to the ECU 80.
[0036]
Further, the ECU 80 receives, via the communication interface unit 88, a pilot selection command 90 for devices other than the thrust lever 82 described above, data from the airframe computer (Air Data Computer or ADC) 92 (for example, Mach number Mn, pressure altitude). ALT, outside air temperature (more specifically, total temperature TAT, true air temperature SAT), and data from ECU 94 of the second engine (not shown) are input (or output), and a display in the cockpit It is connected to 96 and the data of ECU80 is displayed.
[0037]
Based on the input value, the ECU 80 supplies the engine 10 so that the deviation between the low-pressure turbine shaft rotational speed (low-pressure turbine rotational speed) N1 and the target rotational speed N1com decreases according to the thrust lever position (operator request output) TLA. The command value (operation amount) Wf for the fuel flow should be calculated as the energization current command value for the torque motor 98 and sent to the FCU 30.
[0038]
Further, the ECU 80 monitors and detects whether any of the detected values of the low-pressure turbine rotational speed N1 and the high-pressure turbine rotational speed N2 exceeds a limit value (for example, a value corresponding to 107% of each maximum rotational speed). When either the low-pressure turbine speed N1 or the high-pressure turbine speed N2 exceeds the limit value, it is determined that the speed is overspeed, and the fuel flow to be supplied to the engine 10 is a predetermined value, more specifically, zero or minimum. Thus, an energization current command value for the torque motor 98 is determined and sent to the FCU 30.
[0039]
Further, the ECU 80 instructs the fuel flow rate to be supplied to the engine 10 so that the deviation between the detected change rate N2 dots (the differential value of N2; acceleration / deceleration rate) of the high-pressure turbine rotation speed N2 and the target acceleration / deceleration rate N2 dots com decreases. A value Wf, more specifically, an energization current command value for the torque motor 98 is determined and sent to the FCU 30.
[0040]
The FCU 30 includes a low-pressure fuel pump 100, and the fuel pumped up from the fuel tank 36 (not shown in FIG. 2) is increased in pressure by the fuel pump 34 through the filter (and oil cooler) 102, and the fuel metering valve 32. Sent to. The torque motor 98 is connected to the fuel metering valve 32 and determines its spool position. Therefore, the fuel pressure-fed through the high-pressure pump 34 is adjusted (metered) to a flow rate corresponding to the spool position by the fuel metering valve 32.
[0041]
The metered fuel is supplied to the fuel nozzle 28 through the shut-off valve 104, the drain valve 106, and the shut-off mechanism 108.
[0042]
An emergency stop switch 110 is connected to the low-pressure turbine shaft 42a. The low-pressure turbine shaft 42a is turned on when the low-pressure turbine shaft 42a is displaced for some reason, and the fuel supply to the fuel nozzle 28 is mechanically operated by operating the shut-off mechanism 108. Cut off. Similarly, a solenoid 112 is provided, and the shutoff valve 104 is operated according to the pilot selection command 90 to shut off the fuel supply to the fuel nozzle 28.
[0043]
Next, the operation of the control device for the gas turbine engine according to the embodiment, more specifically, the operation of the ECU 80 will be specifically described.
[0044]
FIG. 3 is a block diagram specifically showing the operation of the ECU 80.
[0045]
As shown in the figure, the ECU 80 includes a maximum N1 calculation unit (shown as “Max N1 on Condition” in the figure) 800. The maximum N1 calculation unit 800 includes a Mach number Mn, a pressure altitude ALT, a true atmospheric temperature SAT, an Anti-Ice, and the like. The maximum value N1 * maxcom of the low-pressure turbine speed N1 is calculated based on the bleed state A / I from the engine.
[0046]
Further, the ECU 80 includes an idle speed calculation unit (shown as “Idle (Ground / Flight)”) 802. The idle speed calculation unit 802 includes the Mach number Mn, the pressure altitude ALT, the true atmospheric temperature SAT, A / Based on I, WOW (Weight-on-Wheel, wheel load signal), the minimum value N1 * mincom of the low-pressure turbine rotational speed N1 and the high-pressure turbine rotational speed N2 * idle during idling are calculated.
[0047]
The calculated maximum value N1 * maxcom of the low-pressure turbine rotation speed N1, the minimum value N1 * mincom of the low-pressure turbine rotation speed N1, and the high-pressure turbine rotation speed N2 * idle during idling are calculated by a thrust calculation unit (“TLA Power Setting” in the figure). It is sent to 804. The thrust calculation unit 804 calculates the low-pressure turbine target rotational speed N1com and the high-pressure turbine target rotational speed N2com based on the input values, the detected thrust lever position TLA and the inflow air temperature T1 that are separately input.
[0048]
The calculated low-pressure turbine target rotational speed N1com and high-pressure turbine target rotational speed N2com are indicated by a rotational speed feedback control unit (shown as “Speed Feedback Control (N1 / N2)” in the figure, corresponding to the above-described steady mode control system) 806 Sent.
[0049]
The rotational speed feedback control unit 806, based on these input values, separately detected low-pressure turbine rotational speed N1 and high-pressure turbine rotational speed N2, the target rotational speed that realizes the detected turbine rotational speed N1 and the driver's required thrust. A manipulated variable (fuel flow rate command value) Wf dot n1 supplied to the engine 10 is calculated so that the deviation of N1com is reduced, and the target rotational speed N2com that realizes the detected turbine rotational speed N2 and the driver's required thrust. The manipulated variable Wf dot n2 is calculated so that the deviation of. In this way, the operation amount Wf is calculated as a differential value (denoted as a dot) as will be described later.
[0050]
In addition, the ECU 80 includes an acceleration control unit (shown as “Acceleration Control” in the figure, which corresponds to the above-described acceleration / deceleration mode control system) 808, and the acceleration control unit 808 includes the high-pressure turbine rotation speed N2, the inflow air temperature T1, the inflow air. The command value of the fuel flow rate supplied to the engine 10 so that the deviation between the acceleration rate N2 dots of the high-pressure turbine rotational speed N2 detected based on the pressures P1, A / I and the target acceleration rate N2 dots com decreases. (Operation amount) Wf dot acc is calculated.
[0051]
In addition, the ECU 80 includes a P3 pressure control unit (shown as “P3 Limit Control” in the figure, which corresponds to the above-described unsteady mode control system) 810, and the P3 pressure control unit 810 is connected to the outlet pressure P3 and PR of the high-pressure compressor 24. Based on (Power-Reserve signal), a command value (operation amount) Wf dot p3 of the fuel flow rate supplied to the engine 10 corresponding to the limit value of the outlet pressure P3 is calculated.
[0052]
Further, the ECU 80 includes an ITT temperature control unit (shown as “ITT Limit Control” in the figure. Equivalent to the above-described non-steady mode control system) 812. Based on the above, a command value (operation amount) Wf dot itt for the fuel flow rate supplied to the engine 10 corresponding to the limit value of the turbine temperature ITT is calculated.
[0053]
In addition, the ECU 80 includes a deceleration control unit (shown as “Deceleration Control (Dec-limit)” in the figure. Equivalent to the above-described acceleration / deceleration mode control system) 814. The deceleration control unit 814 includes the high-pressure turbine rotation speed N2, the inflow air. Fuel supplied to the engine 10 so that the deviation between the deceleration rate N2 dot of the turbine speed N2 detected based on the temperature T1, the inflow air pressure P1, and A / I and the target target deceleration rate N2 dot com decreases. The flow rate command value (operation amount) Wf dot dec is calculated.
[0054]
All the command values (operation amounts) Wf of the calculated fuel flow rate are sent to a selection circuit (shown as “Select Logic” in the figure. This corresponds to the command value selection means described above) 820, from which the selection circuit 820 According to the determined logic, one value is selected and set as an output Wfcom.
[0055]
The ECU 80 includes a torque motor driver 826. The torque motor driver 826 determines the valve command value FMMVCMD (more specifically, the torque motor energization current command value) from the input maximum value Wfcom and the detected valve position FMVP of the fuel metering valve 32. Is calculated and output.
[0056]
FIG. 4 is a partial block diagram of FIG. 3 showing an operation operation inside the selection circuit 820 described above in FIG.
[0057]
As shown in the figure, among the fuel flow rate command values sent to the selection circuit 820, all command values except the fuel flow rate command value Wf dot dec from the deceleration control unit 814 are selected by the selection circuit 821 ("Select / The minimum value is selected.
[0058]
Next, the minimum value and the command value Wf dot dec of the fuel flow rate from the deceleration control unit 814 are sent to the selection circuit 822 (shown as “Select / High” in the figure), and the maximum value is selected. Next, the previous value LastWf is added to the maximum value.
[0059]
Here, before continuing the description of the figure, the operation of the apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIG. 12 again.
[0060]
In the prior art shown in FIG. 12 (a), the operation amount Wf is calculated using the proportional element KP and the integral element 1 / S so that the deviation between the target value N1com and the detected value N1 is reduced. As a result, the control mode is switched. In some cases, it is necessary to reset the integrator (1 / S), which requires a complicated algorithm, and resetting the control causes hunting.
[0061]
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 12B, the integral element 1 / S is moved downstream of a selection point (shown as “Select” in the drawing) by the selection circuit 824 indicated by a broken line. The fuel flow rate) is calculated. Since the integral element is moved downstream of the selection point, the differential value Wf dot is used for the operation amount (fuel flow rate command value) upstream thereof.
[0062]
That is, the integration is performed after switching the control mode, and the integration element in the control mode is removed. This eliminates the need for resetting the integrator, simplifies the algorithm, and prevents the above-described control hunting from occurring.
[0063]
In the configuration shown in FIG. 12B as well, the operation amount is calculated based on a preset engine model. More specifically, when a plant transfer function is given, the closed loop transfer function is included in the model. The operation amount is calculated by using a (partial) model matching method for calculating the operation amount so as to be consistent with each other.
[0064]
Returning to the description of FIG. 4, the addition of the previous value Lastwf corresponds to this integration operation. Next, the added value is multiplied by the outlet pressure P3 of the high-pressure compressor 24. This is because the value obtained by dividing the fuel flow rate command value by the outlet pressure P3 in FIG. 3 is actually used as the fuel flow rate command value.
[0065]
Further, the corrected value is selected by comparing with a predetermined value in another selection circuit 823, 824, and the selected value is sent to the torque motor driver 826 as described above. Since it is in the calculation of the operation amount after the selection within 820, in other words, the control mode (control system) is switched, the detailed description is omitted.
[0066]
The same applies to the operation of the acceleration control unit 808 described with reference to FIG.
[0067]
Referring to FIG. 5, (a) shows the acceleration control in the prior art, in which the proportional element Kp, the differential elements KD and 2 so that the deviation between the target value N2 dots com and the detected value N2 dots is reduced. The manipulated variable Wfacc is calculated using the integral elements 1 / S. Therefore, when switching to this control mode, it is necessary to reset the two integrators (1 / S), which requires a complicated algorithm, and there is a disadvantage that control hunting is caused by resetting.
[0068]
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 5B, the integral element 1 / S is moved downstream of the selection point indicated by the broken line to calculate the operation amount, as in FIG. 12B. .
[0069]
That is, the integration is performed after switching the control mode, and the integration element in the control mode is removed. This eliminates the need for resetting the integrator, simplifies the algorithm, and prevents the above-described control hunting from occurring.
[0070]
Since the integration element is moved downstream of the selection point, the differential value Wf dot acc of the operation amount (fuel flow rate command value) is used upstream thereof, which is not different from FIG.
[0071]
Further, the remaining one integral element is removed from the acceleration control according to the prior art shown in FIG. 5A, and a schedule of a correction value N2c (correction value based on the high-pressure turbine rotational speed N2) is added instead. I made it.
[0072]
FIG. 6 is a partial block diagram of FIG. 3 showing details of the acceleration control unit 808.
[0073]
That is, the product of the deviation between the target value and the detected value and the proportional gain Kp, the value obtained by multiplying the differential value of the deviation by the differential gain KD, and the Wf dot as the N2c schedule value are added. As shown in the figure, the Wf dot is in accordance with the high-pressure turbine rotational speed N2 (more specifically, the value obtained by correcting N2 with the square root value of the atmospheric temperature ratio θ (= incoming air temperature T1 / predetermined temperature TSTD (both absolute temperatures)) Calculated. Here, the reason why the schedule value is calculated from the vicinity exceeding N2 square root θ = 28000 is that the influence of the steady error due to the removal of the integral element from this vicinity becomes large.
[0074]
As described above, in the acceleration control, an integral element is originally required in the acceleration mode control system in order to improve the control accuracy. However, the integral element is removed, and in this embodiment, a schedule is replaced instead. Since the configuration is such that the values are added, the same effect as described with reference to FIG. 12B can be obtained, and the control accuracy can be improved. In addition, the engine 10 is not affected by the heat mass.
[0075]
FIG. 7 is a data diagram showing test results conducted by the inventors.
[0076]
In the figure, symbol a indicates the result when the proportional gain KP and the differential gain KD having the configurations shown in FIGS. 5B and 6 are used, that is, when the schedule value is not added.
[0077]
A symbol b indicates a result when the proportional gain Kp and the differential gain KD are increased as compared with the case of the symbol a. Symbol c indicates the result when the same proportional gain Kp and differential gain KD as in the case of symbol a are used, and the schedule values shown in FIG. 5 (and FIG. 6) are added.
[0078]
From FIG. 7, it can be understood that the addition of the schedule values shown in FIGS. 5B and 6 is effective.
[0079]
8 and 9 are partial block diagrams of FIG. 3 showing the operation of the above-described rotation speed feedback control unit 806 in detail. As shown in the figure, the integral element is removed and the fuel flow rate command values Wf dot n1 and Wf dot n2 corresponding to the low pressure turbine target rotational speed N1com and the high pressure turbine target rotational speed N2com are obtained by multiplying the deviation by the integral gain KI. Is calculated.
[0080]
FIGS. 10 and 11 are partial block diagrams of FIG. 3 showing the operations of the P3 pressure control unit 810 and the ITT temperature control unit 812 in detail. As shown in the figure, the integral element is removed, and the fuel flow rate command value corresponding to the limit value of the outlet pressure P3 and the fuel flow rate command corresponding to the limit value of the turbine temperature ITT are obtained by multiplying the deviation by the integral gain KI. The value Wf dot p3 and Wf dot itt are calculated.
[0081]
In this embodiment, as described above, since the integral element is removed in all the control systems, when the control mode is switched, it is not necessary to reset the integrator, and the algorithm can be simplified. At the same time, the above-described control hunting can be prevented from occurring.
[0082]
In the acceleration mode control system, the schedule value is added instead of the second integration element, so that the control accuracy can be improved.
[0083]
As described above, in this embodiment, an aircraft gas turbine engine (turbofan engine 10) having at least one turbine (more specifically, a low pressure turbine (42) and a high pressure turbine (40)). ), Operating state detecting means (N1 sensor 62, N2 sensor 64, ECU 80) for detecting the operating state of the gas turbine engine including at least the turbine speed (low pressure turbine speed N1, high pressure turbine speed N2), Pilot required thrust detection means (TLA sensor 84, ECU 80) for detecting a pilot required thrust (thrust lever position TLA) required by the pilot for the gas turbine engine, at least the detected turbine speed (N1) ) And the target turbine speed (N1) that realizes the detected driver's required thrust om), a steady mode control system (rotational speed feedback control unit 806) for calculating a command value of the flow rate of fuel supplied to the gas turbine engine using at least an integral element (1 / S) so as to reduce the deviation of om). The gas turbine engine uses at least an integral element (1 / S) so that the deviation between the detected acceleration / deceleration rate (N2 dot) and the target acceleration / deceleration rate (N2 dot com) of the turbine rotation speed (N2) decreases. An unsteady mode control system (acceleration control unit 808, P3 pressure control unit 810, ITT temperature control unit 812, deceleration control unit 814) including at least an acceleration / deceleration mode control system for calculating a command value of a fuel flow rate supplied to Select either the command value (Wf) calculated by the mode control system or the command value (Wf) calculated by the acceleration / deceleration mode control system Command value selection means (selection circuit 820), fuel flow rate calculation means (ECU 80) for calculating the flow rate of fuel to be supplied to the gas turbine engine (command value Wf) based on the selected command value, and the calculation In the control apparatus for a gas turbine engine provided with fuel supply means (FCU 30, fuel metering valve 32, torque motor 98, etc.) for supplying fuel to the gas turbine engine based on the fuel flow rate, the steady mode control system And an integral element used in the non-stationary mode control system is removed, and an integral element is arranged in the fuel flow rate calculation means, so that the fuel flow rate calculation means is based on the command value selected using the integral element. Configured to calculate the fuel flow rate. Further, the acceleration / deceleration mode control system is configured to add a schedule value corresponding to the detected turbine speed, as shown in FIG. It was.
[0085]
In the above-described embodiment, a turbofan engine is used as an example of an aircraft gas turbine engine. However, a turbojet engine, a turbofan engine, a turboprop engine, a turboshaft engine, and the like may be used. May be.
[0086]
【The invention's effect】
According to the first aspect, the integral element used in the steady mode control system or the like is removed, the integral element is arranged in the fuel flow rate calculation means, and the fuel flow rate is calculated using the integral element. Therefore, in other words, since the integration is performed after the control mode is switched, the integrator can be simplified by eliminating the need for resetting the integrator, and the inconveniences described above can be eliminated.
[0087]
further Since the acceleration / deceleration mode control system is configured to add a schedule value according to the detected turbine speed , System The accuracy can be improved. Moreover, it is not affected by the heat mass of the gas turbine engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an overall control apparatus for an aircraft gas turbine engine according to an embodiment of the present invention.
2 is an explanatory block diagram showing a configuration of an ECU and an FCU in the apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a block diagram specifically showing the operation of the ECU of FIG. 2;
4 is a partial block diagram of FIG. 3 showing an operation operation inside the selection circuit 820 in FIG. 3;
5 is a block diagram showing an operation of an acceleration control unit in FIG. 3. FIG.
6 is a partial block diagram of FIG. 3 showing details of the acceleration control unit in FIG. 3;
7 is a data diagram showing test results conducted by the inventors for the schedule value of the acceleration control unit in FIG. 3; FIG.
8 is a partial block diagram of FIG. 3 showing details of a thrust calculation unit in FIG. 3;
9 is a partial block diagram of FIG. 3 showing the details of the thrust calculation unit in FIG. 3 as well.
10 is a partial block diagram of FIG. 3 showing details of the P3 pressure control unit in FIG. 3;
11 is a partial block diagram of FIG. 3 showing details of the ITT temperature control unit in FIG. 3;
12 is a block diagram showing the operation of the rotation speed feedback control unit (steady control mode system) in FIG. 3 in comparison with the prior art.
[Explanation of symbols]
10. Aircraft gas turbine engine (turbofan engine)
12 fans
12a rotor
14 Stator
16 Low pressure compressor
24 High pressure compressor
24a rotor
24b Stator
26 Combustor
28 Fuel nozzle
30 FCU (Fuel Control Unit)
32 Fuel metering valve
40 High-pressure turbine
40a High-pressure turbine shaft
42 Low pressure turbine
42a Low pressure turbine shaft
62 N1 sensor (low-pressure turbine rotation speed detection means)
64 N2 sensor (high-pressure turbine rotation speed detection means)
68 T1 sensor
70 P1 sensor
72 P0 sensor
74 P3 sensor
76 ITT sensor
80 ECU (Electronic Control Unit)
82 Thrust lever (throttle lever)
92 Aircraft Computer (ADC)
98 torque motor
806 Speed feedback controller (steady control mode system)
808 Acceleration control unit (acceleration / deceleration mode control system)
810 P3 pressure controller (unsteady mode control system)
812 ITT temperature controller (unsteady mode control system)
814 Deceleration control unit (acceleration / deceleration mode control system)
820 selection circuit (command value selection means)

Claims (1)

少なくとも1個のタービンを有する航空機用ガスタービン・エンジンにおいて、
a.少なくともタービン回転数を含む前記ガスタービン・エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段、
b.前記ガスタービン・エンジンに対して操縦者から要求される操縦者要求推力を検出する操縦者要求推力検出手段、
c.少なくとも前記検出されたタービン回転数と前記検出された操縦者要求推力を実現する目標タービン回転数の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する定常モード制御系、
d.前記検出されたタービン回転数の加減速率と目標加減速率の偏差が減少するように、少なくとも積分要素を用いて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量の指令値を演算する加減速モード制御系を少なくとも含む非定常モード制御系、
e.前記定常モード制御系によって演算された指令値と前記加減速モード制御系によって演算された指令値のいずれかを選択する指令値選択手段、
f.前記選択された指令値に基づいて前記ガスタービン・エンジンに供給する燃料流量を演算する燃料流量演算手段、
および
g.前記演算された燃料流量に基づいて前記ガスタービン・エンジンに燃料を供給する燃料供給手段、
を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記定常モード制御系および非定常モード制御系で用いられる積分要素を除去すると共に、前記燃料流量演算手段に積分要素を配置し、よって前記燃料流量演算手段は、前記積分要素を用いて前記選択された指令値に基づいて前記燃料流量を演算するように構成し、さらに前記加減速モード制御系において、前記検出されたタービン回転数に応じたスケジュール値を加算するように構成したことを特徴とする航空機用ガスタービン・エンジンの制御装置。
In an aircraft gas turbine engine having at least one turbine,
a. An operating state detecting means for detecting an operating state of the gas turbine engine including at least the turbine rotational speed;
b. A pilot request thrust detecting means for detecting a pilot request thrust required by the pilot for the gas turbine engine;
c. A command for a fuel flow rate to be supplied to the gas turbine engine using at least an integral element so that a deviation between at least the detected turbine speed and a target turbine speed that realizes the detected driver's required thrust is reduced. Steady mode control system that calculates values,
d. An acceleration / deceleration mode control system for calculating a command value of a fuel flow rate to be supplied to the gas turbine engine using at least an integral element so that a deviation between the detected acceleration / deceleration rate of the turbine rotation speed and a target acceleration / deceleration rate is reduced; A non-stationary mode control system, including at least
e. Command value selection means for selecting either a command value calculated by the steady mode control system or a command value calculated by the acceleration / deceleration mode control system;
f. Fuel flow rate calculation means for calculating a flow rate of fuel supplied to the gas turbine engine based on the selected command value;
And g. Fuel supply means for supplying fuel to the gas turbine engine based on the calculated fuel flow rate;
A control device for a gas turbine engine comprising: an integral element used in the steady mode control system and the unsteady mode control system is removed, and an integral element is disposed in the fuel flow rate calculation means, and thus the fuel flow rate calculation The means is configured to calculate the fuel flow rate based on the selected command value using the integration element , and further in the acceleration / deceleration mode control system, a schedule value corresponding to the detected turbine speed control system for a gas turbine aeroengine, characterized by being configured to sum a.
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