JP4985526B2 - Control device for gas turbine engine - Google Patents
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Description
本発明は、圧縮機からの圧縮空気をエネルギとしてエンジンの外部に取り出す抽気型のガスタービンエンジンの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an extraction type gas turbine engine that extracts compressed air from a compressor as energy to the outside of the engine.
ガスタービンエンジンでは、圧縮機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回転軸から出力を取り出すエンジン(軸出力型エンジン)の他に、圧縮機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。
軸出力型エンジンの場合、圧縮機で過給した空気流量のほとんどが燃焼器に供給されるため、エンジンにおける燃料流量制御は、圧縮機の特性に基づいて空気流量を予測することができる。一方、抽気型エンジンの場合、圧縮機で過給した高温・高圧空気の一部(抽気流量)をエンジンの外部に取り出すので、圧縮機で過給した全空気流量と燃焼器側に流れる空気流量とが一致しない。すなわち、燃焼器に流れる空気流量は、圧縮機で過給した全空気流量から抽気流量を差し引いた残りとなる。従って、抽気型エンジンでは、軸出力型エンジンのように圧縮機の特性を利用した全空気流量の検出手段が使用できず、全空気流量の検出が困難である。 In the case of a shaft output type engine, since most of the air flow supercharged by the compressor is supplied to the combustor, the fuel flow control in the engine can predict the air flow based on the characteristics of the compressor. On the other hand, in the case of a bleed type engine, a part of the high-temperature and high-pressure air supercharged by the compressor (extraction flow rate) is taken out of the engine, so the total air flow supercharged by the compressor and the air flow rate flowing to the combustor side Does not match. That is, the flow rate of air flowing through the combustor is the remainder obtained by subtracting the extraction flow rate from the total air flow rate supercharged by the compressor. Therefore, the extraction type engine cannot use the total air flow rate detecting means utilizing the characteristics of the compressor unlike the shaft output type engine, and it is difficult to detect the total air flow rate.
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、全空気流量を直接計測することは、圧力損失等の影響によりエンジン出力の低下を招くことになるので困難である。また、マップ等を用いて全空気流量を求める方法が挙げられるが、圧縮機に流入する全空気流量を正確に求めることができない問題点があった。 A gas turbine engine uses an air flow rate that is about 10 times that of a piston engine with the same output, so directly measuring the total air flow will cause a decrease in engine output due to the effects of pressure loss and the like. Because it becomes difficult. Moreover, although the method of calculating | requiring a total air flow rate using a map etc. is mentioned, there existed a problem that the total air flow rate which flows in into a compressor cannot be calculated | required correctly.
そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することが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目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a control device for a gas turbine engine that can accurately calculate the total air flow rate flowing into the compressor. And
すなわち、本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置は、空気を圧縮機に流入させ、圧縮機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において、ガスタービンエンジンが、圧縮機からの圧縮空気をエネルギとして当該ガスタービンエンジンの外部に取り出す抽気型のガスタービンエンジンであり、圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づいて、圧縮機に流入する全空気流量を算出することを特徴とする。 That is, the control device for a gas turbine engine according to the present invention causes air to flow into the compressor, the air compressed by the compressor to flow into the combustor, a gas turbine engine rotates a turbine by the combustion gas in the combustor In this control apparatus, the gas turbine engine is an extraction-type gas turbine engine that extracts compressed air from the compressor as energy to the outside of the gas turbine engine, and the compressor consumption horsepower and turbine output during steady operation of the compressor Based on the relationship, the total air flow rate flowing into the compressor is calculated.
この発明によれば、圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づいて、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することが可能となる。従って、算出した全空気流量から燃焼器に流れる空気流量を差し引くと、抽気流量を容易に求めることができる。更に、求められた抽気流量を利用し、抽気出力を高精度に算出することができる。しかも、圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づくので、特別な装置や検出器を用いずに圧縮機に流入する全空気流量を正確に求めることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to accurately calculate the total air flow rate flowing into the compressor based on the relationship between the compressor consumption horsepower and the turbine output during the steady operation of the compressor. Therefore, the subtraction air flow can be easily obtained by subtracting the air flow flowing through the combustor from the calculated total air flow. Furthermore, the extraction output can be calculated with high accuracy by using the obtained extraction flow rate. Moreover, since it is based on the relationship between compressor power consumption and turbine output during steady operation of the compressor, it becomes possible to accurately determine the total air flow rate flowing into the compressor without using a special device or detector. .
本発明に係るガスタービンエンジンの制御装置において、圧縮機の定常運転時において、圧縮機消費馬力の値をタービン出力の値と等しくとし、圧縮機に流入する全空気流量を算出することが好適である。 In the control apparatus for a gas turbine engine according to the present invention, it is preferable to calculate the total air flow rate flowing into the compressor by setting the compressor consumption horsepower value equal to the turbine output value during steady operation of the compressor. is there.
このように圧縮機の定常運転時において、圧縮機消費馬力の値をタービン出力の値と等しくとすることで、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することができる。 As described above, during the steady operation of the compressor, the value of the compressor consumption horsepower is made equal to the value of the turbine output, so that the total air flow rate flowing into the compressor can be accurately calculated.
本発明によれば、圧縮機に流入する全空気流量を正確に算出することができる。 According to the present invention, the total air flow rate flowing into the compressor can be accurately calculated.
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。 Embodiments of a control apparatus for a gas turbine engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
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、抽気型で一軸式のガスタービンエンジンを燃焼制御するためのエンジン制御ECUに適用する。本実施の形態では、ガスタービンエンジンから取り出された圧縮空気を負荷装置のエネルギとして利用し、その負荷装置を駆動制御する負荷制御ECUも備えている。本実施の形態では、ガスタービンエンジン、負荷装置、エンジン制御ECU、負荷制御ECU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。 In the present embodiment, the control device for a gas turbine engine according to the present invention is applied to an engine control ECU for controlling combustion of a bleed type uniaxial gas turbine engine. In the present embodiment, a load control ECU that uses the compressed air taken out from the gas turbine engine as energy of the load device and drives and controls the load device is also provided. In the present embodiment, a system including a gas turbine engine, a load device, an engine control ECU, a load control ECU, and the like is referred to as a gas turbine engine system.
図1及び図2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。図2は、図1の負荷装置の一例である。
The gas
ガスタービンエンジンシステム1では、エンジン制御ECU2によってガスタービンエンジン3を燃焼制御している。そして、ガスタービンエンジンシステム1では、ガスタービンエンジン3で生成した圧縮空気をエンジン外部に取り出して利用するとともにエンジン内での燃焼に利用する。また、ガスタービンエンジンシステム1では、負荷制御ECU5によって複数の流量制御弁6,・・・を駆動制御する。そして、ガスタービンエンジンシステム1では、各流量制御弁6,・・・で調整された圧縮空気によって複数の負荷装置7,・・・を駆動する。例えば、このガスタービンエンジンシステム1は、垂直離着陸機に適用される。
In the gas
ガスタービンエンジン3は、圧縮機10、燃焼器11、タービン12を備えており、圧縮機10とタービン12とが回転軸13によって連結されている。圧縮機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14を介して燃焼器11に供給されると共に、抽気配管15を介して外部に取り出される。
The gas turbine engine 3 includes a
燃焼器11では、圧縮機10から圧縮空気が供給されると共に燃料アクチュエータ4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16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、燃焼ガスを排気する。燃料アクチュエータ4は、エンジン制御ECU2からの燃料制御信号を受信し、燃料制御信号に応じて燃料を燃焼器11内に供給する。
In the
ガスタービンエンジン3及びその周辺には、エンジン制御ECU2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(圧縮機10に吸気される空気の温度)を検出するための温度センサ、大気圧力P0(圧縮機10に吸気される空気の圧力)を検出するための圧力センサ、圧縮機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、燃焼器11の入口空気温度(圧縮機10の出口空気温度)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。
Various sensors (not shown) are provided in the gas turbine engine 3 and its surroundings in order to detect various state quantities necessary for control by the engine control ECU 2. For example, a temperature sensor for detecting the atmospheric temperature T0 (temperature of air sucked into the compressor 10), a pressure sensor for detecting the atmospheric pressure P0 (pressure of air sucked into the compressor 10), and a
流量制御弁6は、複数の負荷装置7に対してそれぞれ設けられ、負荷装置7に供給する圧縮空気流量を調整するための制御弁である。流量制御弁6は、分岐配管15aの中間部に設けられる。分岐配管15aは、抽気配管15から分岐された配管であり、負荷装置7の数に応じた数分ある。流量制御弁6は、電動モータなどからなるアクチュエータを備えており、アクチュエータによって弁の開度が変化する。流量制御弁6では、負荷制御ECU5から負荷流量制御信号を受信し、その負荷流量制御信号に応じてアクチュエータが駆動して弁が開閉する。
The flow
負荷装置7は、分岐配管15aの下流端に設けられ、高温高圧の圧縮空気をエネルギとして利用することが可能な負荷装置である。例えば、垂直離着陸機の場合、機体に対して垂直方向に推力を発生する推力発生用ファン20に適用され、前後左右に複数個配備される。
The
推力発生用ファン20は、図2に示すように、タービン21、減速機22、プロペラ23を備えている。供給された圧縮空気は、タービン21に導入されて膨張する。タービン21は、圧縮空気が膨張したときに発生するエネルギによって回転駆動する。そのタービン21の回転駆動力は、減速機22によって所定の減速比で減速され、プロペラ23に伝達される。この減速された回転駆動力によって、プロペラ23は、高速回転する。このプロペラ23に回転によって機体下方への空気流が発生し、機体に対して垂直方向に推力が発生する。
As shown in FIG. 2, the
負荷制御ECU5は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random AccessMemory)などからなり、負荷装置7の駆動を制御する電子制御ユニットである。負荷制御ECU5には、制御に必要な状態量を検出するための各種センサ(図示せず)からの検出信号が取り入れられる。例えば、垂直離着陸機に適用される場合、垂直離着陸機のパイロットによって入力される要求推力を検出するセンサからの検出信号(スロットル信号など)、機体の姿勢を検出するためのセンサからの検出信号(ジャイロ信号など)である。
The
負荷制御ECU5では、各検出信号に基づいて各負荷装置7に発生させる目標推力をそれぞれ設定し、その各目標推力とするための各流量制御弁6の目標開度(すなわち、目標空気流量)をそれぞれ設定する。さらに、負荷制御ECU5では、その目標開度とするための負荷流量制御信号をそれぞれ生成し、各負荷流量制御信号を対応する流量制御弁6にそれぞれ送信する。また、負荷制御ECU5では、目標推力に基づいて要求出力を設定し、その要求出力を示す要求出力信号をエンジン制御ECU2に送信する。なお、負荷制御ECU5のROMには目標推力などを設定するための各種マップ又は関数が記憶されている。
The
エンジン制御ECU2は、CPU、ROM、RAMなどからなり、ガスタービンエンジン3の燃焼及び抽気流量などを制御する電子制御ユニットである。エンジン制御ECU2には、上記した各種センサからの検出信号が取り入れられる。そして、エンジン制御ECU2では、負荷制御ECU5からの要求出力信号及び各検出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、エンジン制御ECU2では、その燃料流量とするための燃料制御信号を設定し、その燃料制御信号を燃料アクチュエータ4に送信する。エンジン制御ECU2のROMには燃料流量などを設定するための各種マップ又は関数が記憶されている。
The engine control ECU 2 is an electronic control unit that includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and controls the combustion and the bleed flow rate of the gas turbine engine 3. The engine control ECU 2 incorporates detection signals from the various sensors described above. Then, the engine control ECU 2 sets the fuel flow rate to be supplied to the
特に、ガスタービンエンジンシステム1では、負荷装置7のエネルギ源となる高温高圧の圧縮空気をガスタービンエンジン3の過給空気を利用するので、ガスタービンエンジン3によって負荷側で要求する空気流量を安定して供給する必要がある。このように安定して圧縮空気を供給するために、エンジン制御ECU2によってガスタービンエンジン3を最適制御する必要がある。そのために、エンジン制御ECU2では、燃焼器流入空気流量検出処理、タービン入口ガス温度検出処理、タービン出力検出処理、圧縮機の全空気流量検出処理を行う。
In particular, in the gas
図3〜図5も参照して、燃焼器流入空気流量検出処理について説明する。図3は、ガスタービンエンジンのタービンの流量特性であり、タービン膨張比とタービン流量係数との関係を示す図である。図4は、ガスタービンエンジンの燃焼器での温度特性であり、パラメータを燃焼器入口空気温度とした場合の燃焼器燃空比と燃焼器での上昇温度との関係を示す図である。図5は、図1のエンジン制御ECUにおける燃焼器流入空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。 Combustor inflow air flow rate detection processing will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flow characteristic of the turbine of the gas turbine engine, and is a diagram showing the relationship between the turbine expansion ratio and the turbine flow coefficient. FIG. 4 is a temperature characteristic in a combustor of a gas turbine engine, and is a diagram showing a relationship between a combustor fuel-air ratio and a rising temperature in a combustor when a parameter is a combustor inlet air temperature. FIG. 5 is a flowchart showing the flow of combustor inflow air flow rate detection processing in the engine control ECU of FIG.
エンジン制御ECU2では圧縮機10から燃焼器11へ流入する圧縮空気の量(流入空気流量Ga)に基づいて燃焼器11に供給する燃料流量Gfを設定しているので、流入空気流量Gaを明確にする必要がある。しかし、ガスタービンエンジンシステム1では、負荷装置7のエネルギとして利用するために圧縮機10の圧縮空気をエンジン外部に取り出すので、抽気流量Ga_eが変化する。この抽気流量Ga_eの変化によって、流入空気流量Gaが変化することになる。そこで、燃焼器流入空気流量検出処理によって、抽気流量Ga_eの変化に影響されることなく、センサを用いずに、流入空気流量Gaを高精度に求める。
The engine control ECU 2 sets the fuel flow rate Gf to be supplied to the
ガスタービンエンジンは、一般に、図3に示すようなタービン流量特性を有している。図3は、横軸をタービンの膨張比(=タービン入口ガス圧力P4/タービン出口ガス圧力P6)とし、縦軸をタービン流量係数Q4とした場合のタービンの流量特性を示している。タービンをノズルとして考えた場合、燃焼ガスの流れは、膨張比が一定値を超える領域からチョークする。このチョーク領域は、タービンが一段の単純ノズルの場合には膨張比が1.8以上でなり、タービンが二段の場合でも膨張比が2〜2.5以上でなる。 A gas turbine engine generally has a turbine flow rate characteristic as shown in FIG. FIG. 3 shows the flow characteristics of the turbine when the horizontal axis is the turbine expansion ratio (= turbine inlet gas pressure P4 / turbine outlet gas pressure P6) and the vertical axis is the turbine flow coefficient Q4. When the turbine is considered as a nozzle, the flow of combustion gas chokes from a region where the expansion ratio exceeds a certain value. The choke region has an expansion ratio of 1.8 or more when the turbine is a single-stage simple nozzle, and an expansion ratio of 2 to 2.5 or more even when the turbine is a two-stage.
このタービン特性による流量係数Q4は式(1)によって定義され、チョーク領域では流量係数Q4はほぼ一定値となる特性を有する。流量係数Q4は、ガスタービンエンジンが決まればチョーク領域でエンジンに応じた固有値となる。燃焼器流入空気流量検出処理では、このガスタービンエンジンの実用域においてタービンがチョークする特性に着目し、その特性を利用して流入空気流量Gaを算出する。式(1)において、G4はタービンの流入ガス流量であり、T4はタービン入口ガス温度であり、P4はタービン入口ガス圧力である。 The flow coefficient Q4 based on the turbine characteristic is defined by the equation (1), and the flow coefficient Q4 has a characteristic that becomes a substantially constant value in the choke region. If the gas turbine engine is determined, the flow coefficient Q4 becomes a specific value corresponding to the engine in the choke region. In the combustor inflow air flow rate detection process, attention is paid to the characteristic of the choke of the turbine in the practical range of the gas turbine engine, and the inflow air flow rate Ga is calculated using the characteristic. In Equation (1), G4 is the turbine inflow gas flow rate, T4 is the turbine inlet gas temperature, and P4 is the turbine inlet gas pressure.
タービン入口ガス温度T4は、燃焼器入口空気温度T3と燃焼器における燃焼による上昇温度ΔTとの和と考えることができる。したがって、タービン入口ガス温度T4は、式(2)で算出される。ここでは、燃焼器入口空気温度T3についてセンサで容易に検出可能なので、燃焼器での上昇温度ΔTを明確にできれば、タービン入口ガス温度T4を求めることができる。 The turbine inlet gas temperature T4 can be considered as the sum of the combustor inlet air temperature T3 and the rise temperature ΔT due to combustion in the combustor. Therefore, the turbine inlet gas temperature T4 is calculated by the equation (2). Here, since the combustor inlet air temperature T3 can be easily detected by a sensor, the turbine inlet gas temperature T4 can be obtained if the rising temperature ΔT in the combustor can be clarified.
図4には、横軸を燃焼器燃空比(=燃料流量Gf/流入空気流量Ga)とし、縦軸を燃焼器での上昇温度ΔTとし、パラメータを燃焼器入口空気温度T3とした場合の熱力学に基づいて求めた燃焼器での温度上昇特性を示している。図4から判るように、燃焼器での上昇温度ΔTは、燃焼器入口空気温度T3と燃空比の関数として表すことができる。本実施の形態では、この燃焼器での上昇温度ΔTを求めるために、式(3)を構築した。式(3)において、a,b,cは定数であり、予め設定される。 In FIG. 4, the horizontal axis is the combustor fuel-air ratio (= fuel flow rate Gf / inflow air flow rate Ga), the vertical axis is the rising temperature ΔT in the combustor, and the parameter is the combustor inlet air temperature T3. The temperature rise characteristic in the combustor calculated based on thermodynamics is shown. As can be seen from FIG. 4, the rise temperature ΔT in the combustor can be expressed as a function of the combustor inlet air temperature T3 and the fuel-air ratio. In the present embodiment, Equation (3) is constructed in order to obtain the rising temperature ΔT in this combustor. In Expression (3), a, b, and c are constants and are set in advance.
式(1)を変形すると、式(4)に変形できる。この式(4)に式(2)と式(3)を組み込むと、式(5)となる。 When formula (1) is transformed, it can be transformed into formula (4). When formula (2) and formula (3) are incorporated into formula (4), formula (5) is obtained.
タービン流入ガス流量G4は、基本的には、燃焼器流入空気流量Gaと燃焼器に供給される燃料流量Gfとの和と考えることができる。したがって、タービン流入ガス流量G4は、流入空気流量Gaより燃料流量Gf分多くなると考えられる。しかし、実際のガスタービンエンジンではエンジン内部の流路において空気の漏れ等の影響が生じるので、実質的にはタービン流入ガス流量G4は燃焼器流入空気流量Gaとほぼ等しいと考えても差し支えない。したがって、タービン流入ガス流量G4=燃焼器流入空気流量Gaと仮定すると、式(5)は式(6)となる。 The turbine inflow gas flow rate G4 can be basically considered as the sum of the combustor inflow air flow rate Ga and the fuel flow rate Gf supplied to the combustor. Therefore, it is considered that the turbine inflow gas flow rate G4 is larger than the inflow air flow rate Ga by the fuel flow rate Gf. However, in an actual gas turbine engine, air leakage or the like occurs in the flow path inside the engine, so that it may be considered that the turbine inflow gas flow rate G4 is substantially equal to the combustor inflow air flow rate Ga. Therefore, assuming that the turbine inflow gas flow rate G4 = combustor inflow air flow rate Ga, Equation (5) becomes Equation (6).
式(6)を分解すると、式(7)になる。ここで、Aを式(8)とし、Bを式(9)とし、Cを式(10)とし、式(7)を燃焼器流入空気流量Gaを求める式に変換すると式(11)となる。なお、タービン入口ガス圧力P4は圧縮機出口空気圧力P3に対してタービンの入口までの流路間の圧力損失分低下することが判っているので、本実施の形態では簡易的に圧縮機出口空気圧力P3を用いて式(12)によってタービン入口ガス圧力P4を求めることとする。燃焼器流入空気流量検出処理では、式(12)によってP4を求め、式(8)、式(9)、式(10)によってA、B、Cを求め、式(11)によって燃焼器流入空気流量Gaを求める。 When equation (6) is decomposed, equation (7) is obtained. Here, when A is set as Formula (8), B is set as Formula (9), C is set as Formula (10), and Formula (7) is converted into a formula for obtaining the combustor inflow air flow rate Ga, Formula (11) is obtained. . Since it is known that the turbine inlet gas pressure P4 is lower than the compressor outlet air pressure P3 by the pressure loss between the flow paths to the turbine inlet, the compressor outlet air is simplified in the present embodiment. The turbine inlet gas pressure P4 is obtained by the equation (12) using the pressure P3. In the combustor inflow air flow rate detection process, P4 is obtained from Equation (12), A, B, and C are obtained from Equation (8), Equation (9), and Equation (10), and combustor inflow air is obtained from Equation (11). The flow rate Ga is obtained.
以下、図5のフローチャートに沿って、エンジン制御ECU2における燃焼器流入空気流量検出処理について説明する。エンジン制御ECU2では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ECU2では、各種センサから検出信号を受信し、燃焼器11の入口空気温度T3及び圧縮機10の出口空気圧力P3を入力する(S10)。そして、エンジン制御ECU2では、圧縮機10の出口空気圧力P3を用いて、式(12)によりタービン12の入口ガス圧力P4を演算する(S11)。また、エンジン制御ECU2では、燃焼器11の入口空気温度T3を用いて、式(8)によりAを演算する(S12)。
Hereinafter, the combustor inflow air flow rate detection process in the engine control ECU 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. The engine control ECU 2 repeats the following processing at regular intervals. The engine control ECU 2 receives detection signals from various sensors, and inputs the inlet air temperature T3 of the
また、エンジン制御ECU2では、燃焼器11の入口空気温度T3と前回の処理で燃焼器11に供給した燃料流量Gfを用いて、式(9)によりBを演算する(S13)。また、エンジン制御ECU2では、燃焼器11に供給した燃料流量Gf、チョーク時のタービン流量係数Q4とタービン12の入口ガス圧力P4を用いて、式(10)によりCを演算する(S14)。最後に、エンジン制御ECU2では、A、B、Cを用いて、式(11)により燃焼器11の流入空気流量Gaを演算する(S15)。
Further, the engine control ECU 2 calculates B by the equation (9) using the inlet air temperature T3 of the
通常、エンジン制御ECU2では、この演算された流入空気流量Gaに基づいて、マップなどを利用して燃焼器11に供給する燃料流量Gfを設定する。そして、エンジン制御ECU2では、その燃料流量Gfを供給するための燃料制御信号を燃料アクチュエータ4に送信する。燃料アクチュエータ4では、燃料制御信号に応じて燃焼器11内に燃料を噴射する。燃焼器11では、この噴射された燃料(燃料流量Gf)と圧縮機10から流入された圧縮空気(流入空気流量Ga)で燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを発生する。
Normally, the engine control ECU 2 sets the fuel flow rate Gf supplied to the
図6を参照して、タービン入口ガス温度検出処理について説明する。図6は、図1のエンジン制御ECUにおけるタービン入口ガス温度検出処理の流れを示すフローチャートである。 The turbine inlet gas temperature detection process will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing a flow of turbine inlet gas temperature detection processing in the engine control ECU of FIG.
タービン入口ガス温度T4は、ガスタービンエンジン3において最も高温であり、非常に高温となるので、温度センサなどを用いて直接検出することが困難である。タービン入口ガス温度T4が高くなり過ぎるとタービンが故障する可能性が高くなるので、許容最高温度が決まっている。そのため、タービン入口ガス温度T4が許容最高温度以内になるようにガスタービンエンジン3が運転されるように燃焼制御する必要がある。 The turbine inlet gas temperature T4 is the highest temperature in the gas turbine engine 3 and is extremely high, so that it is difficult to directly detect it using a temperature sensor or the like. If the turbine inlet gas temperature T4 becomes too high, there is a high possibility that the turbine will fail, so the allowable maximum temperature is determined. Therefore, it is necessary to control the combustion so that the gas turbine engine 3 is operated so that the turbine inlet gas temperature T4 is within the allowable maximum temperature.
このタービン特性による流量係数Q4の式(1)を変形し、タービン入口ガス温度T4を求める式とすると、式(13)で表される。上記したようにタービン流入ガス流量G4が燃焼器流入空気流量Gaとほぼ等しいと考えても差し支えないので、式(13)においてタービン流入ガス流量G4を燃焼器流入空気流量Gaに置き換えことができる。タービン入口ガス温度検出処理では、燃焼器流入空気流量検出処理で求めた燃焼器流入空気流量Gaを利用し、式(13)によってタービン入口ガス温度T4を求める。 If the equation (1) of the flow coefficient Q4 based on the turbine characteristics is modified to obtain the turbine inlet gas temperature T4, the equation (13) is obtained. Since the turbine inflow gas flow rate G4 can be considered to be substantially equal to the combustor inflow air flow rate Ga as described above, the turbine inflow gas flow rate G4 can be replaced with the combustor inflow air flow rate Ga in the equation (13). In the turbine inlet gas temperature detection process, the turbine inlet gas temperature T4 is obtained by Equation (13) using the combustor inflow air flow rate Ga obtained in the combustor inflow air flow rate detection process.
以下、図6のフローチャートに沿って、エンジン制御ECU2におけるタービン入口ガス温度検出処理について説明する。エンジン制御ECU2では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ECU2では、各種センサから検出信号を受信し、圧縮機10の出口空気圧力P3を入力する(S20)。また、エンジン制御ECU2では、燃焼器流入空気流量検出処理で求めた燃焼器11の流入空気流量Gaを入力する(S20)。そして、エンジン制御ECU2では、圧縮機10の出口空気圧力P3を用いて、式(12)によりタービン12の入口ガス圧力P4を演算する(S21)。さらに、エンジン制御ECU2では、チョーク時のタービン流量係数Q4、タービン12の入口ガス圧力P4と燃焼器11の流入空気流量Gaを用いて、式(13)によりタービン12の入口ガス温度T4を演算する(S22)。
Hereinafter, the turbine inlet gas temperature detection process in the engine control ECU 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. 6. The engine control ECU 2 repeats the following processing at regular intervals. The engine control ECU 2 receives detection signals from various sensors and inputs the outlet air pressure P3 of the compressor 10 (S20). Further, the engine control ECU 2 inputs the inflow air flow rate Ga of the
通常、エンジン制御ECU2では、この演算された入口ガス温度T4がタービン許容最高温度以内になるように燃料流量Gfを設定し、燃焼制御を行う。 Normally, the engine control ECU 2 sets the fuel flow rate Gf so that the calculated inlet gas temperature T4 is within the maximum allowable turbine temperature, and performs combustion control.
抽気型のガスタービンエンジンでは、圧縮機で過給した全空気流量Ga_tからエンジン外部で使用される抽気流量Ga_eを差し引いた残りの空気流量(すなわち、流入空気流量Ga)が燃焼器側に流れることになる。この燃焼器側に流れる燃焼器流入空気流量Gaは、上述の燃焼器流入空気流量検出処理により検出可能であるので、ここでは圧縮機で過給した全空気流量Ga_tを求めることができれば、抽気流量Ga_eを求めることができる。 In the extraction type gas turbine engine, the remaining air flow rate (ie, the inflow air flow rate Ga) obtained by subtracting the extraction flow rate Ga_e used outside the engine from the total air flow rate Ga_t supercharged by the compressor flows to the combustor side. become. Since the combustor inflow air flow rate Ga flowing to the combustor side can be detected by the above-described combustor inflow air flow rate detection process, here, if the total air flow rate Ga_t supercharged by the compressor can be obtained, Ga_e can be obtained.
以下、図7〜図9を参照して、抽気流量検出処理について説明する。図7は図1のエンジン制御ECUにおけるタービン出力検出処理の流れを示すフローチャートである。図8は、圧縮機効率特性を示す図である。図9は図1のエンジン制御ECUにおける圧縮機全空気流量検出処理の流れを示すフローチャートである。 Hereinafter, the extraction flow rate detection process will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a flowchart showing a flow of turbine output detection processing in the engine control ECU of FIG. FIG. 8 is a diagram showing the compressor efficiency characteristics. FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the compressor total air flow rate detection process in the engine control ECU of FIG.
まず、図7のフローチャートに沿って、エンジン制御ECU2におけるタービン出力検出処理について説明する。エンジン制御ECU2では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ECU2では、各種センサから検出信号を受信し、タービン12の出口圧力ガスP6、圧縮機10の出口空気圧力P3、燃焼器流入空気流量Ga、及び燃料流量Gfを入力する。
First, the turbine output detection process in the engine control ECU 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. The engine control ECU 2 repeats the following processing at regular intervals. The engine control ECU 2 receives detection signals from various sensors, and inputs an outlet pressure gas P6 of the
また、エンジン制御ECU2では、タービン入口ガス温度検出処理で求めたタービン12の入口ガス温度T4を入力する(S30)。そして、エンジン制御ECU2では、圧縮器10の出口空気圧力P3を用いて、式(12)によりタービン12の入口ガス圧力P4を演算する(S31)。また、エンジン制御ECU2では、式(14)によりタービン12のガス流量G4を演算する(S32)。
Further, the engine control ECU 2 inputs the inlet gas temperature T4 of the
また、エンジン制御ECU2では、タービン入口ガス温度T4、タービンの膨張比(=タービン入口ガス圧力P4/タービン出口ガス圧力P6)、演算したタービン12のガス流量G4を用いて、式(15)によりタービン出力Ltを演算する(S33)。式(15)において、Jは熱の仕事当量であり、Cpgはガスの比熱であり、κは比熱比であり、ηtは変数である。このηtは、タービン12のガス流量G4とタービン膨張比に基づき、タービン特性マップ等の手段から容易に推定可能なものである。
Further, the engine control ECU 2 uses the turbine inlet gas temperature T4, the turbine expansion ratio (= turbine inlet gas pressure P4 / turbine outlet gas pressure P6), and the calculated gas flow rate G4 of the
圧縮機10の消費馬力は、式(16)から求めることができる。式(16)において、Jは熱の仕事当量であり、Cpaは空気の比熱であり、Ga_tは全空気流量であり、P3/P0は圧縮機の圧力比であり、κは比熱比であり、T0は大気温度であり、ηcは圧縮機効率である。
The consumed horsepower of the
ガスタービンエンジンが定常負荷運転を実施している場合には、タービン出力Ltと圧縮機の消費馬力Lcとが、ほぼバランスしていると考えることができる。したがって、タービン出力Ltは圧縮機の消費馬力Lcとほぼ等しいと考えても差し支えない。その結果、タービン出力Lt=圧縮機の消費馬力Lcと仮定した場合、式(16)中の圧縮機効率ηc、大気温度T0、圧縮機の圧力比P3/P0及びタービン出力Ltが判れば、圧縮機10で過給された全空気流量Ga_tは式(17)から求めることができる。
When the gas turbine engine is performing steady load operation, it can be considered that the turbine output Lt and the consumed horsepower Lc of the compressor are substantially balanced. Therefore, it can be considered that the turbine output Lt is substantially equal to the consumed horsepower Lc of the compressor. As a result, assuming that the turbine output Lt = the consumed horsepower Lc of the compressor, if the compressor efficiency ηc, the atmospheric temperature T0, the compressor pressure ratio P3 / P0 and the turbine output Lt in equation (16) are known, the compression The total air flow rate Ga_t supercharged by the
式(17)の演算を行う上で圧縮機効率ηcが必要となるが、この圧縮機効率ηcは、通常では、エンジン回転数N及び圧縮機の圧力比P3/P0と関係している。図8には、横軸を圧縮機圧力比(=圧縮機出口空気圧力P3/大気圧力P0)とし、縦軸を圧縮機効率ηcとし、各エンジン回転数Nにおける効率特性を示している。このように圧縮機効率ηcをマップ化しておけば、エンジン回転数Nと、圧縮機の圧力比P3/P0から圧縮機効率ηcを容易に導くことが可能である。 Compressor efficiency ηc is required to perform the calculation of equation (17), and this compressor efficiency ηc is usually related to the engine speed N and the compressor pressure ratio P3 / P0. In FIG. 8, the horizontal axis represents the compressor pressure ratio (= compressor outlet air pressure P3 / atmospheric pressure P0), the vertical axis represents the compressor efficiency ηc, and the efficiency characteristics at each engine speed N are shown. If the compressor efficiency ηc is mapped in this way, the compressor efficiency ηc can be easily derived from the engine speed N and the pressure ratio P3 / P0 of the compressor.
次に、図9のフローチャートに沿って、エンジン制御ECU2における全空気流量の検出処理について説明する。エンジン制御ECU2では、以下の処理を一定時間毎に繰り返し行っている。エンジン制御ECU2では、各種センサから検出信号を受信し、大気温度T0、燃焼器11の入口空気温度T3、大気圧力P0、圧縮機10の出口空気圧力P3及びエンジン回転数Nを入力する。また、エンジン制御ECU2では、燃焼器流入空気流量検出処理で求めた燃焼器11の流入空気流量Ga、タービン出力検出処理で求めたタービン出力Ltを入力する(S40)。
Next, the detection process of the total air flow rate in the engine control ECU 2 will be described along the flowchart of FIG. The engine control ECU 2 repeats the following processing at regular intervals. The engine control ECU 2 receives detection signals from various sensors and inputs the atmospheric temperature T0, the inlet air temperature T3 of the
そして、エンジン制御ECU2では、圧縮機10の出口空気圧力P3を大気圧力P0で除算し、圧力比を演算する(S41)。また、エンジン制御ECU2では、エンジン回転数NとS41処理で演算した圧力比P3/P0を用いて、図8に示すマップから圧縮機効率ηcを演算する(S42)。
Then, the engine control ECU 2 calculates the pressure ratio by dividing the outlet air pressure P3 of the
続いて、エンジン制御ECU2では、大気温度T0、タービン出力Lt、圧縮機効率ηc及び圧力比P3/P0を用いて、式(17)により全空気流量Ga_tを演算する(S43)。式(17)において、Jは熱の仕事当量であり、Cpaは空気の比熱であり、κは比熱比である。また、エンジン制御ECU2では、演算した全空気流量Ga_tと燃焼器11の流入空気流量Gaを用いて、式(18)により抽気流量Ga_eを演算する(S44)。 Subsequently, the engine control ECU 2 calculates the total air flow rate Ga_t according to the equation (17) using the atmospheric temperature T0, the turbine output Lt, the compressor efficiency ηc, and the pressure ratio P3 / P0 (S43). In equation (17), J is the work equivalent of heat, Cpa is the specific heat of air, and κ is the specific heat ratio. Further, the engine control ECU 2 calculates the bleed flow rate Ga_e according to the equation (18) using the calculated total air flow rate Ga_t and the inflow air flow rate Ga of the combustor 11 (S44).
続いて、エンジン制御ECU2では、圧力比P3/P0、燃焼器入口温度T3及び演算した抽気流量Ga_eを用いて、式(19)により抽気出力Leを演算する(S45)。式(19)において、Jは熱の仕事当量であり、Cpaは空気の比熱であり、κは比熱比である。エンジン制御ECU2では、この実際の抽気出力Leと負荷制御ECU5からの要求出力に基づいて燃焼器11に供給する燃料流量Gfを設定し、燃焼制御を行う。
Subsequently, the engine control ECU 2 calculates the bleed output Le according to the equation (19) using the pressure ratio P3 / P0, the combustor inlet temperature T3, and the calculated bleed flow rate Ga_e (S45). In equation (19), J is the work equivalent of heat, Cpa is the specific heat of air, and κ is the specific heat ratio. The engine control ECU 2 sets the fuel flow rate Gf to be supplied to the
本実施形態によれば、圧縮機10の定常運転時における圧縮機消費馬力Lcの値をタービン出力Ltの値と等しくとすることにより、圧縮機10に流入する全空気流量Ga_tを正確に算出することが可能となる。従って、算出した全空気流量Ga_tから燃焼器11に流れる空気流量Gaを差し引くと、抽気流量Ga_eを容易に求めることができる。更に、求められた抽気流量Ga_eを利用し、抽気出力Leを高精度に算出することができる。しかも、圧縮機10の定常運転時における圧縮機消費馬力Lcとタービン出力Ltとの関係に基づくので、特別な装置や検出器を用いずに圧縮機10に流入する全空気流量Ga_tを正確に求めることができる。
According to the present embodiment, the total air flow rate Ga_t flowing into the
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。 As mentioned above, although embodiment which concerns on this invention was described, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.
例えば、本実施の形態ではガスタービンエンジンシステムとして一基の一軸式のガスタービンエンジンを用いて垂直離着陸機に適用する例を示したが、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り、1つの負荷装置しか備えないシステムにも適用可能であり、抽気した圧縮空気をエネルギとして利用する様々な他の負荷装置に適用可能である。 For example, in the present embodiment, an example in which a single-shaft gas turbine engine is used as a gas turbine engine system and applied to a vertical take-off and landing aircraft is shown, but the present invention can also be applied to a system constituted by a plurality of gas turbine engines. It can be applied to a plurality of shaft type gas turbine engines, can be applied to a system having only one load device, and is applied to various other load devices using extracted compressed air as energy. Is possible.
また、本実施の形態ではタービン入口ガス圧力P4を圧縮機出口空気圧力P3で簡易的に求める構成としたが、他の方法によって求める方法としてもよいし、あるいは、センサなどで計測するようにしてもよい。 Further, in the present embodiment, the turbine inlet gas pressure P4 is simply obtained from the compressor outlet air pressure P3. However, it may be obtained by another method or may be measured by a sensor or the like. Also good.
1…ガスタービンエンジンシステム、2…エンジン制御ECU、3…ガスタービンエンジン、10…圧縮機、11…燃焼器、12…タービン。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ガスタービンエンジンが、前記圧縮機からの圧縮空気をエネルギとして当該ガスタービンエンジンの外部に取り出す抽気型のガスタービンエンジンであり、
前記圧縮機の定常運転時における圧縮機消費馬力とタービン出力との関係に基づいて、前記圧縮機に流入する全空気流量を算出することを特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。 Allowed to flow into the air compressor, the air compressed by the compressor to flow into the combustor, the control device for a gas turbine engine rotates a turbine by the combustion gases before Symbol combustor,
The gas turbine engine is an extraction type gas turbine engine that extracts compressed air from the compressor as energy to the outside of the gas turbine engine,
A control apparatus for a gas turbine engine, characterized in that a total air flow rate flowing into the compressor is calculated based on a relationship between a compressor consumption horsepower and a turbine output during steady operation of the compressor.
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