JP4622059B2

JP4622059B2 - ジェットエンジンの制御方法

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Publication number: JP4622059B2
Application number: JP2000210152A
Authority: JP
Inventors: 康祐海老名
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: JP2002021584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相互干渉のある複数制御を同時に行うことができるジェットエンジンの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、超音速機用ジェットエンジンの全体構成図である。この図に示すように、ジェットエンジンは、ファン１、コンプレッサ２、燃焼器３、高圧タービン４、低圧タービン５、バイパスダクト６、混合器７、排気ノズル８等からなる。また、かかるジェットエンジンのエンジン効率を向上させ、燃料消費量を低減するために、従来から、ストールマージン制御、二次空気流量制御、チップクリアランス制御、等を行っている。
【０００３】
ストールマージン制御は、巡航時等のエンジン入口状態が安定な時には、ストールマージン量を減少させて圧縮機の効率を向上させる制御である。また、二次空気流量制御は、タービン温度等の高温部が制限値以下のとき、二次空気流量を減らしてエンジン全体の効率を向上させる制御である。更に、チップクリアランス制御は、二次空気でタービンケースを冷却し、タービン翼とケース間の間隙を減少させてタービンの効率を向上させる制御である。
【０００４】
図７（Ａ）は、タービン翼温度と二次空気流量との関係図である。従来の二次空気流量制御では、圧縮機から抽気する二次空気流量流量は、タービン翼温度に対するこの図に示すようなスケジュールで決められる。このとき、タービン翼冷却のための二次空気流量を考慮してエンジンの効率が最適になるようにエンジンの可変要素（ファンＶＳＶ，圧縮機ＶＳＶ，低圧タービンＶＳＶ，排気ノズル面積、バイパス比）の制御スケジュールが予め設計時に決められる。なお、ＶＳＶとは、可変静翼角度（ＶａｒｉａｂｌｅＳｔａｔｏｒＶａｎｅ）の意である。
【０００５】
図７（Ｂ）は、チップクリアランスと二次空気流量との関係図である。従来のチップクリアランス制御では、ファンから抽気しタービンケースに流す二次空気流量は、この図に示すようなスケジュールで決められる。このとき、チップクリアランス制御で流す空気流量を考慮してエンジンの効率が最適になるようにエンジンの可変要素（ファンＶＳＶ，圧縮機ＶＳＶ，低圧タービンＶＳＶ，排気ノズル面積、バイパス比）の制御スケジュールが予め設計時に決められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のジェットエンジンの制御方法では、二次空気流量制御とチップクリアランス制御を同時に行うと、圧縮機とファンから抽気する二次空気流量が一元的には決まらない。そのため、二次空気流量のスケジュールが複雑なものになる問題点があった。
また、制御システムの変更、例えば、二次空気流量制御、チップクリアランス制御、等の機能の追加や削除があると、エンジン全体の制御プログラム（ファンＶＳＶ，圧縮機ＶＳＶ，低圧タービンＶＳＶ，排気ノズル面積、バイパス比、二次空気流量のスケジュール）をその都度変更しなければならない。しかし、制御システム全体を変更・再設計には、プログラムの作成・チェック等に多大な労力と時間が必要となる問題点があった。
【０００７】
本発明は、これらの問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的は、相互干渉のある複数の制御（例えば二次空気流量制御とチップクリアランス制御）を同時におこなっても最適なエンジンサイクルをリアルタイムに実現でき、これにより常に高いエンジン効率と低い燃料消費量を実現することができるジェットエンジンの制御方法を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、装置（ハード）の変更なしに新たな制御システムを追加し、或いは修正又は削除することが容易にできるジェットエンジンの制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、エンジンからのセンサデータとパワーレバー角によりエンジンを予め定めた基本スケジュールに従って制御する基本制御ユニット（１２）と、前記センサデータによりエンジンの最適運転条件を演算する性能追求制御ユニット（１４）とを備え、性能追求制御ユニットにより前記基本スケジュールを修正して最適化し、
前記性能追求制御ユニット（１４）は、エンジンモデル（１５）、同定モジュール（１６）及び最適化ロジック（１７）からなり、エンジンモデルにより実際のエンジン特性をシュミレートし、同定モジュールにより前記センサデータからエンジンモデルの係数を修正し、最適化ロジックによりエンジンの可変要素を振って最適となる条件を繰り返し計算で求め、この条件に基本スケジュールを修正し、
前記センサデータは、エンジン入口空気温度、エンジン入口圧力、ローター回転速度、タービン翼温度のうちの少なくとも１つであり、前記エンジンモデルの係数は、ファン効率係数、ファン流量係数、圧縮機効率係数、圧縮機流量係数、燃焼器効率、高圧タービン効率係数、高圧タービン流量係数、低圧タービン効率係数、低圧タービン流量係数、バイパス流量係数のうちの少なくとも１つであり、前記エンジンの可変要素は、ファンＶＳＶ，圧縮機ＶＳＶ，低圧タービンＶＳＶ，排気ノズル面積、バイパス比、二次空気流量のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とするジェットエンジンの制御方法が提供される。
【００１０】
前記性能追求制御ユニット（１４）は、エンジンモデル（１５）、同定モジュール（１６）及び最適化ロジック（１７）からなり、エンジンモデルにより実際のエンジン特性をシュミレートし、同定モジュールにより前記センサデータからエンジンモデルの係数を修正し、最適化ロジックによりエンジンの可変要素を振って最適となる条件を繰り返し計算で求め、この条件に基本スケジュールを修正する。また、この方法により、エンジンの各可変要素の最適条件を求め、これにより基本スケジュールを修正して最適化することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、二次空気流量制御ユニット（１８）とチップクリアランス制御ユニット（１９）とを備え、二次空気流量制御ユニットから前記性能追求制御ユニット（１４）にタービン翼温度信号を入力し、チップクリアランス制御ユニットから性能追求制御ユニットにチップクリアランス信号を入力し、性能追求制御ユニットにより前記エンジンの可変要素の最適値を決定し、二次空気流量制御ユニットに圧縮機から抽気する二次空気流量の指令値を出力し、チップクリアランス制御ユニットにファンから抽気する二次空気流量の指令値を出力する。
【００１４】
この方法により、相互干渉がある二次空気流量制御とチップクリアランス制御を同時に行っても最適なエンジンサイクルを実現できる。
【００１５】
また、個々の制御機能をユニット化してデータバスで信号の送受を行う。
個々の制御機能をエンジンコントローラ（基本制御ユニット）とは別のユニットに分散させることにより、設計の簡素化、機能の追加や削除等のシステムの柔軟性が得られる。また、個々の制御ユニットをデータバスで信号の送受を行うことで、ハードの設計変更も不要になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明のジェットエンジンの制御方法の制御ブロック図である。この図に示すように、本発明のジェットエンジンの制御方法は、基本制御ユニット１２と性能追求制御ユニット１４とを備える。基本制御ユニット１２は、いわゆるエンジンコントローラであり、エンジンからのセンサデータとパワーレバー角（ＰＬＡ）によりエンジンを予め定めた基本スケジュールに従って制御する。また、性能追求制御ユニット１４は、センサデータによりエンジンの最適運転条件を演算し、基本制御ユニット１２の基本スケジュールを修正して最適化するようになっている。
【００１８】
図１に示すように、性能追求制御ユニット１４は、エンジンモデル１５、同定モジュール１６及び最適化ロジック１７からなる。
【００１９】
図２は、エンジンモデルの制御ブロック図である。この図に示すように、エンジンモデル１５は、ジェットエンジンを構成するファン１、コンプレッサ２、燃焼器３、高圧タービン４、低圧タービン５、バイパスダクト６、混合器７、排気ノズル８の各特性をシュミレートする。
【００２０】
同定モジュール１６は、実際のエンジンの特性に合うように、センサデータからエンジンモデルの係数を修正する。なおセンサデータは、エンジン入口空気温度、エンジン入口圧力、ローター回転速度、タービン翼温度、等である。また、エンジンモデルの係数は、ファン効率係数、ファン流量係数、圧縮機効率係数、圧縮機流量係数、燃焼器効率、高圧タービン効率係数、高圧タービン流量係数、低圧タービン効率係数、低圧タービン流量係数、バイパス流量係数、等である。
【００２１】
図３は、最適化ロジックの説明図である。この図に示すように、最適化ロジック１７は、エンジンの可変要素を振って最適となる条件を繰り返し計算で求める。エンジンの可変要素とは、ファンＶＳＶ，圧縮機ＶＳＶ，低圧タービンＶＳＶ，排気ノズル面積、バイパス比、二次空気流量、等である。
【００２２】
性能追求制御ユニット１４は、上述したエンジンモデル１５、同定モジュール１６及び最適化ロジック１７の連携により得られたエンジンの最適運転条件により、基本制御ユニット１２の基本スケジュールを修正して最適化する。
【００２３】
図４は、性能追求制御ユニットと個々の制御ユニットとの関係を示す図である。この例において、本発明のジェットエンジンの制御方法では、二次空気流量制御ユニット１８とチップクリアランス制御ユニット１９とを備える。二次空気流量制御ユニット１８から性能追求制御ユニット１４にタービン翼温度信号が入力され、チップクリアランス制御ユニット１９から性能追求制御ユニット１４にチップクリアランス信号が入力される。また、性能追求制御ユニット１４によりエンジンの可変要素の最適値が決定され、二次空気流量制御ユニット１８に圧縮機から抽気する二次空気流量の指令値を出力し、チップクリアランス制御ユニット１９にファンから抽気する二次空気流量の指令値を出力する。
【００２４】
この方法によって、相互干渉がある二次空気流量制御とチップクリアランス制御を同時に行っても最適なエンジンサイクルを実現できる。
【００２５】
図５は、性能追求制御ユニットと個々の制御ユニットとの関係を示す別の図である。この例において、本発明のジェットエンジンの制御方法では、個々の制御機能をユニット化してデータバスで信号の送受を行うようになっている。従って、個々の制御機能をエンジンコントローラ（基本制御ユニット）とは別のユニットに分散させることにより、設計の簡素化、機能の追加や削除等のシステムの柔軟性が得られる。また、個々の制御ユニットをデータバスで信号の送受を行うことで、ハードの設計変更も不要になる。
【００２６】
上述したように、本発明のジェットエンジンの制御方法では、性能追求制御を用いて、制御機能の追加でズレたエンジンサイクルを自動的に補正・最適化する。また、基本制御部（設計時の制御ロジック）は、性能に影響を与える制御パラメータ（Ｘ，Ｙ，Ｚ．．．）を変数としておき、性能追求で補正・最適化された結果に基づいてパラメータ量を修正する（Ｘ＋ΔＸ、Ｙ＋ΔＹ、Ｚ＋ΔＺ．．．）。また、基本制御部と追加される制御装置間の信号のやりとりは、データバスを介して行う。
【００２７】
なお制御機能の追加・削除によってズレた分を修正量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ．．．）で修正する。修正量は性能追求制御で自動設定されるので、機能の追加、削除時に、基本制御部の変更は不要となる。また、基本となる制御部と追加される制御装置間の信号のやりとりはデータバスで行うことにより、ハード的にも基本制御部の変更が不要となる。これにより、制御システムの変更が容易となる。更に、多機能（複雑）な制御システムの設計に要する労力を減らすことができる。
【００２８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法によれば、性能追求制御ユニット１４により基本スケジュール１２を修正して最適化するので、相互干渉のある複数の制御を同時に行う場合でも、性能追求制御ユニットにより最適条件を求め、最適なエンジンサイクルをリアルタイムに実現できる。また、基本制御ユニット（エンジンコントローラ）とは別に性能追求制御ユニットを備えるので、このユニットにより装置（ハード）の変更なしに新たな制御システムを追加し、或いは修正又は削除することが容易にできる。
【００３０】
また、個々の制御機能をエンジンコントローラ（基本制御ユニット）とは別のユニットに分散させることにより、設計の簡素化、機能の追加や削除等のシステムの柔軟性が得られる。更に、個々の制御ユニットをデータバスで信号の送受を行うことで、ハードの設計変更も不要になる。
【００３１】
従って、本発明のジェットエンジンの制御方法は、相互干渉のある複数の制御（例えば二次空気流量制御とチップクリアランス制御）を同時におこなっても最適なエンジンサイクルをリアルタイムに実現でき、これにより常に高いエンジン効率と低い燃料消費量を実現することができ、かつ装置（ハード）の変更なしに新たな制御システムを追加し、或いは修正又は削除することが容易にできる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のジェットエンジンの制御方法の制御ブロック図である。
【図２】エンジンモデルの制御ブロック図である。
【図３】最適化ロジックの説明図である。
【図４】性能追求制御ユニットと個々の制御ユニットとの関係を示す図である。
【図５】性能追求制御ユニットと個々の制御ユニットとの関係を示す別の図である。
【図６】超音速機用ジェットエンジンの全体構成図である。
【図７】ジェットエンジンの機能スケジュールの例である。
【符号の説明】
１ファン、２コンプレッサ、３燃焼器、４高圧タービン、
５低圧タービン、６バイパスダクト、７混合器、８排気ノズル、
１２基本制御ユニット、１４性能追求制御ユニット、
１５エンジンモデル、１６同定モジュール、１７最適化ロジック、
１８二次空気流量制御ユニット、１９チップクリアランス制御ユニット

Claims

エンジンからのセンサデータとパワーレバー角によりエンジンを予め定めた基本スケジュールに従って制御する基本制御ユニット（１２）と、前記センサデータによりエンジンの最適運転条件を演算する性能追求制御ユニット（１４）とを備え、性能追求制御ユニットにより前記基本スケジュールを修正して最適化し、
前記性能追求制御ユニット（１４）は、エンジンモデル（１５）、同定モジュール（１６）及び最適化ロジック（１７）からなり、エンジンモデルにより実際のエンジン特性をシュミレートし、同定モジュールにより前記センサデータからエンジンモデルの係数を修正し、最適化ロジックによりエンジンの可変要素を振って最適となる条件を繰り返し計算で求め、この条件に基本スケジュールを修正し、
前記センサデータは、エンジン入口空気温度、エンジン入口圧力、ローター回転速度、タービン翼温度のうちの少なくとも１つであり、前記エンジンモデルの係数は、ファン効率係数、ファン流量係数、圧縮機効率係数、圧縮機流量係数、燃焼器効率、高圧タービン効率係数、高圧タービン流量係数、低圧タービン効率係数、低圧タービン流量係数、バイパス流量係数のうちの少なくとも１つであり、前記エンジンの可変要素は、ファンＶＳＶ，圧縮機ＶＳＶ，低圧タービンＶＳＶ，排気ノズル面積、バイパス比、二次空気流量のうちの少なくとも１つである、ことを特徴とするジェットエンジンの制御方法。
二次空気流量制御ユニット（１８）とチップクリアランス制御ユニット（１９）とを備え、二次空気流量制御ユニットから前記性能追求制御ユニット（１４）にタービン翼温度信号を入力し、チップクリアランス制御ユニットから性能追求制御ユニットにチップクリアランス信号を入力し、性能追求制御ユニットにより前記エンジンの可変要素の最適値を決定し、二次空気流量制御ユニットに圧縮機から抽気する二次空気流量の指令値を出力し、チップクリアランス制御ユニットにファンから抽気する二次空気流量の指令値を出力する、ことを特徴とする請求項１に記載のジェットエンジンの制御方法。
個々の制御機能をユニット化してデータバスで信号の送受を行う、ことを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載のジェットエンジンの制御方法。