JP6835249B2 - 燃料供給制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、燃料供給制御装置に関する。
本願は、２０１７年１１月１６日に日本国に出願された特願２０１７−２２０６１２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

特許文献１には、ガスタービンエンジンの燃料供給装置が開示されている。この燃料供給装置は、モータコントローラ（燃料供給制御装置）でモータ（電動モータ）を制御して駆動することで遠心ポンプ（低圧ポンプ）とギヤポンプ（高圧ポンプ）を作動させると共に、固定オリフィスと加圧バルブとの並列流路を介して所望の燃料を燃料ノズルに供給する。また、モータコントローラは、差圧計によって検出された固定オリフィスつまり加圧バルブの前後差圧をフィードバック信号として取り込み、このフィードバック信号と、スロットルレバーの位置及び各種センサからの入力に基づいて航空機用エンジンの制御を電気的に行う制御装置であるＦＡＤＥＣ（Full Authority Digital Engine Control）から取り込んだ指令信号との差分に基づいて電動モータをフィードバック制御する。

日本国特開２０１３−２３１４０６号公報

固定オリフィスと加圧バルブは計量バルブとして機能するが、加圧バルブが開弁した後の高流量域において、前後差圧が不安定になる可能性がある。したがって、従来の燃料供給制御装置では、加圧バルブが開弁した後の高流量域において安定した燃料供給制御が困難となる可能性がある。

本開示は、上述した事情に鑑みてなされ、加圧バルブが開弁した後の高流量域において安定した燃料供給制御を実現することを目的とする。

本開示の第１の態様は、オリフィスと加圧バルブとの並列流路を燃料供給量の計量バルブとして用い、差圧計で検出された前記計量バルブの前後差圧に基づいて燃料供給ポンプを制御するように構成された燃料供給制御装置であって、前記前後差圧に基づいて第１の制御量を生成するように構成された第１の制御量生成部と、前記燃料供給ポンプの回転数に基づいて第２の制御量を生成するように構成された第２の制御量生成部と、前記回転数に基づいて前記第１の制御量あるいは前記第２の制御量を択一的に選択して出力するように構成された制御量選択部と、制御目標値に対する前記制御量選択部の出力の偏差を演算して出力するように構成された減算器と、前記減算器の出力に基づいて前記燃料供給ポンプの操作量を演算するように構成された制御演算部とを備え、前記制御量選択部は、前記回転数が所定のしきい値以下の場合に前記第１の制御量を選択し、前記回転数が前記しきい値を超えると、前記第１の制御量に代えて前記第２の制御量を選択するように構成されている。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記第１の制御量生成部は、前記前後差圧と燃料の流量との関係を示す差圧/燃料供給量変換テーブルに基づいて前記第１の制御量を生成するように構成されている。

本開示の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記第２の制御量生成部は、前記回転数と燃料の流量との関係を示す回転数/燃料供給量変換テーブルに基づいて前記第２の制御量を生成するように構成されている。

本開示の第４の態様は、第３の態様において、前記第２の制御量生成部は、前記燃料供給ポンプについて予め取得された燃料リーク量の推定値に基づいて前記回転数/燃料供給量変換テーブルの出力を補正することにより前記第２の制御量を生成するように構成されている。

本開示の第５の態様は、第１〜第４のいずれかの態様において、前記第２の制御量生成部は、前記燃料供給ポンプを駆動するモータの回転数を前記燃料供給ポンプの回転数として取り込んで前記第２の制御量を生成するように構成されている。

本開示の第６の態様は、第１〜第５のいずれかの態様において、ガスタービンに燃料を供給する場合、前記制御量選択部は、前記回転数に代えて、前記ガスタービンの回転数に基づいて前記第１の制御量あるいは前記第２の制御量を択一的に選択するように構成されている。
本開示の第７の態様は、第１〜第６のいずれかの態様において、前記制御演算部は、前記減算器の前記出力にＰＩＤ演算処理を行うことにより前記燃料供給ポンプの操作量を演算するように構成されている。

本開示によれば、加圧バルブが開弁した後の高流量域において安定した燃料供給制御を実現することができる。

本開示の一実施形態における燃料供給装置のシステム構成図である。 本開示の一実施形態に係る燃料供給制御装置の機能構成を示すブロック図である。 本開示の一実施形態の変形例に係る燃料供給制御装置の機能構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本開示の一実施形態について説明する。
最初に、本実施形態における燃料供給装置Ｆについて、図１を参照して説明する。この燃料供給装置Ｆは、図示するようにガスタービンＧに燃料を供給する装置であり、ガスタービンＧの燃焼器（不図示）に備えられる複数の燃料ノズルＮに所望量の燃料を供給する。

なお、ガスタービンＧは、飛行のための推力源として航空機に備えられる内燃機関であり、燃焼器で得られる燃焼排ガスを後方に噴射することによって推力を得るジェットエンジンである。すなわち、本実施形態における燃料供給装置Ｆは、航空機に備えられる装置である。

このような燃料供給装置Ｆは、図１に示すように、燃料タンク１、低圧ポンプ２、高圧ポンプ３、電気モータ４、加圧バルブ５、オリフィス６、差圧計７及び燃料供給制御装置８を備える。燃料タンク１は、所定量の燃料を貯留する容器であり、低圧ポンプ２に燃料を供給する。低圧ポンプ２は、燃料を燃料タンク１から汲み出して所定圧に昇圧して高圧ポンプ３に吐出する遠心ポンプ（非容積型ポンプ）である。

高圧ポンプ３は、低圧ポンプ２から供給された低圧燃料を昇圧し、高圧燃料として各燃料ノズルＮに向けて吐出するギヤポンプ（容積型ポンプ）である。この高圧ポンプ３は、燃料供給装置ＦからガスタービンＧ（燃料ノズルＮ）に供給する燃料の供給量（燃料供給量）を最終的に設定する本実施形態における燃料供給ポンプである。

電気モータ４は、低圧ポンプ２及び高圧ポンプ３を回転駆動する動力源である。この電気モータ４は、出力軸（駆動軸）が所定の連結機（図示略）を介して低圧ポンプ２の回転軸（従動軸）及び高圧ポンプ３の回転軸（従動軸）に軸結合されている。すなわち、電気モータ４の回転数（モータ回転数）と低圧ポンプ２及び高圧ポンプ３の各回転数との間には一定の相関関係が成立する。また、この電気モータ４は、自らの回転数であるモータ回転数を第１の検出信号として燃料供給制御装置８に出力する。本実施形態では、便宜上、上記モータ回転数を燃料供給ポンプの回転数として取り扱う。

加圧バルブ５は、高圧ポンプ３の吐出口と燃料ノズルＮの流入口とを接続する燃料配管の途中部位に設けられている。加圧バルブ５は、高圧ポンプ３の吐出量が比較的低い場合は閉弁し、高圧ポンプ３の吐出量が所定値を超えると開弁する。オリフィス６は、このような加圧バルブ５と同様に、高圧ポンプ３の吐出口と燃料ノズルＮの流入口とを接続する燃料配管の途中部位に設けられている。

これら加圧バルブ５及びオリフィス６は、図示するように、燃料配管を介して並列流路を形成している。すなわち、加圧バルブ５の流入口とオリフィス６の流入口は何れも燃料配管を介して高圧ポンプ３の吐出口に接続され、また加圧バルブ５の流出口とオリフィス６の流出口とは何れも燃料配管を介して燃料ノズルＮの流入口に接続されている。このような加圧バルブ５及びオリフィス６は、高圧ポンプ３から燃料ノズルＮに供給される燃料の流量（燃料供給量）を検出する計量バルブを構成している。

差圧計７は、加圧バルブ５及びオリフィス６の上流側（流入口側）と下流側（流出口側）との差圧を前後差圧として検出する差圧伝送器である。この前後差圧は、燃料の流量つまりモータ回転数に応じて変化する圧力量、つまり燃料の流量に対応する物理量である。この差圧計７は、前後差圧を第２の検出信号として燃料供給制御装置８に出力する。

燃料供給制御装置８は、上述した第１の検出信号（モータ回転数）、第２の検出信号（前後差圧）及び制御目標値に基づいて電気モータ４を制御する。この燃料供給制御装置８は、書き換え可能な所定の制御プログラムを所定のハードウエアで実行することにより電気モータ４の操作量を生成するソフトウエア制御装置である。なお、上記ハードウエアは、制御プログラム等を記憶する記憶装置、制御プログラムを直接実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＵと電気モータ４との間及びＣＰＵと差圧計７との間に介在し、各種信号の授受を行うインタフェース回路等である。また、燃料供給制御装置８は、電気モータ４と差圧計７に電気的に接続されている。

このような燃料供給制御装置８は、制御プログラム（ソフトウエア）とハードウエアとの協働によって実現される機能構成要素として、図２に示す差圧/燃料供給量変換テーブル８ａ、回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂ、リーク量推定部８ｃ、加算器８ｄ、切替ロジック回路８ｅ、選択スイッチ８ｆ、減算器８ｇ及び制御演算部８ｈを備えている。

差圧/燃料供給量変換テーブル８ａは、差圧計７から第２の検出信号として入力される前後差圧と燃料供給装置Ｆから燃料ノズルＮ（ガスタービンＧ）に供給される燃料の供給量（燃料供給量）との関係を示す制御テーブルである。すなわち、この差圧/燃料供給量変換テーブル８ａは、所定帯域に亘る複数の前後差圧値に対応すると共に予め取得された複数の燃料供給量データ（データ群）を備え、差圧計７から入力される前後差圧に基づいて上記データ群を検索することにより、前後差圧に対応した燃料供給量を第１の制御量Ｓ１として選択スイッチ８ｆに出力する。即ち、差圧/燃料供給量変換テーブル８ａは、特定の前後差圧により生じる燃料供給装置Ｆから燃料ノズルＮ（ガスタービンＧ）に供給される燃料の供給量（燃料供給量）を、第１の制御量Ｓ１として選択スイッチ８ｆに出力する。なお、このような差圧/燃料供給量変換テーブル８ａは、差圧計７から入力される前後差圧に基づいて第１の制御量Ｓ１を生成する第１の制御量生成部である。

回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂは、電気モータ４から第１の検出信号として入力されるモータ回転数と上記燃料供給量との関係を示す制御テーブルである。すなわち、この回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂは、所定帯域に亘る複数のモータ回転数値に対応すると共に予め取得された複数の燃料供給量データ（データ群）を備え、電気モータ４から入力されるモータ回転数に基づいて上記データ群を検索することにより、モータ回転数に対応した燃料供給量を出力する。つまり、回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂは、特定のモータ回転数により生じる燃料供給装置Ｆから燃料ノズルＮ（ガスタービンＧ）に供給される燃料の供給量（燃料供給量）を出力する。

リーク量推定部８ｃは、高圧ポンプ３であるギヤポンプ（容積型ポンプ）について予め取得された燃料リーク量の推定値を記憶する。ギヤポンプは、一般的に吐出流体の漏れが少なく、回転数と吐出量の線形性に優れているが、経年変化等に起因して若干の漏れが発生し得る。リーク量推定部８ｃは、例えば高圧ポンプ３の初期リーク量と高圧ポンプ３の稼働時間等のリーク量の変化要因に基づいて燃料リーク量の推定値（リーク推定値）を演算して加算器８ｄに出力する。

加算器８ｄは、回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂから入力された燃料供給量にリーク量推定部８ｃから入力されたリーク推定値を加算して補正し、この加算結果である補正された燃料供給量を第２の制御量Ｓ２として選択スイッチ８ｆに出力する。すなわち、この第２の制御量Ｓ２は、モータ回転数に対応した燃料供給量がリーク推定値によって補正されており、モータ回転数に対応した燃料供給量よりも高圧ポンプ３の実吐出量に近い燃料供給量を示す。
なお、このような回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂ、リーク量推定部８ｃ及び加算器８ｄは、電気モータ４から入力されるポンプ回転数に基づいて第２の制御量Ｓ２を生成する第２の制御量生成部を構成している。

切替ロジック回路８ｅは、モータ回転数に基づいて切替信号Ｃを生成するロジック回路である。すなわち、この切替ロジック回路８ｅは、モータ回転数が所定の切替しきい値以下の場合に第１の制御量Ｓ１を選択スイッチ８ｆに選択させ、またモータ回転数が上記切替しきい値を超えると、第１の制御量Ｓ１に代えて第２の制御量Ｓ２を選択スイッチ８ｆに選択させる切替信号Ｃを生成する。

ここで、上記切替しきい値は、上述した加圧バルブ５が開弁する直前のモータ回転数に設定されている。すなわち、切替ロジック回路８ｅは、加圧バルブ５が閉弁している状態つまり燃料の流量が比較的小さな低流量域では、第１の制御量Ｓ１を選択させる切替信号Ｃを生成して選択スイッチ８ｆに出力する。一方、加圧バルブ５が開弁する直前の状態から開弁した状態つまり燃料の流量が比較的大きな高流量域では、第２の制御量Ｓ２を選択させる切替信号Ｃを生成して選択スイッチ８ｆに出力する。

また、切替ロジック回路８ｅは、モータ回転数が切替しきい値の近傍を変動する場合における切替動作の不安定、つまり第１の制御量Ｓ１と第２の制御量Ｓ２とが頻繁に切り替わる現象を回避するために、モータ回転数が増加傾向にある場合に採用する切替しきい値とモータ回転数が減少傾向にある場合に採用する切替しきい値とを異なる値とする。すなわち、この切替ロジック回路８ｅは、第１の制御量Ｓ１と第２の制御量Ｓ２との切替動作にヒステリシス特性を持たせている。

選択スイッチ８ｆは、上記切替信号Ｃに基づいて第１の制御量Ｓ１あるいは第２の制御量Ｓ２を択一的に選択する。この選択スイッチ８ｆは、自らが選択した制御量（第１の制御量Ｓ１あるいは第２の制御量Ｓ２）を減算器８ｇに出力する。なお、この選択スイッチ８ｆ及び上記切替ロジック回路８ｅは、本実施形態における制御量選択部を構成している。

減算器８ｇは、ＦＡＤＥＣから入力された制御目標値（燃料の流量に関する制御目標値）に対する選択スイッチ８ｆの出力（燃料供給量）の偏差（燃料供給量偏差）を演算し、この燃料供給量偏差を制御演算部８ｈに出力する。制御演算部８ｈは、減算器８ｇから入力される燃料供給量偏差に所定の演算処理（ＰＩＤ演算処理）を施すことにより電気モータ４の操作量を生成する。ここで、高圧ポンプ３は電気モータ４によって回転駆動されるので、制御演算部８ｈが生成する操作量は、電気モータ４の操作量であると共に高圧ポンプ３の操作量でもある。

続いて、本実施形態に係る燃料供給制御装置８の動作について詳しく説明する。
この燃料供給制御装置８は、基本的な動作として燃料供給量が制御目標値と等しくなるように電気モータ４（高圧ポンプ３）の操作量を生成して高圧ポンプ３（燃料供給ポンプ）に出力することにより高圧ポンプ３をフィードバック制御する。すなわち、燃料供給制御装置８の減算器８ｇによって演算された偏差が制御演算部８ｈに入力されることにより、燃料供給量を制御目標値に等しくする操作量が生成される。

ここで、この燃料供給制御装置８では、選択スイッチ８ｆで選択された第１の制御量Ｓ１あるいは第２の制御量Ｓ２が制御量として減算器８ｇに入力される。また、この選択スイッチ８ｆにおける制御量の選択は、切替信号Ｃに基づいて行われる。この切替信号Ｃは、モータ回転数が所定の切替しきい値以下の場合に第１の制御量Ｓ１を選択スイッチ８ｆに選択させ、またモータ回転数が上記切替しきい値を超えると、第１の制御量Ｓ１に代えて第２の制御量Ｓ２を選択スイッチ８ｆに選択させる。

すなわち、モータ回転数が切替しきい値以下の場合、つまり加圧バルブ５が閉弁しており燃料供給量が比較的小さな低流量領域では、計量バルブの前後差圧に基づいて差圧/燃料供給量変換テーブル８ａ（第１の制御量生成部）で生成された第１の制御量Ｓ１が制御目標値に等しくなるように高圧ポンプ３がフィードバック制御される。

一方、モータ回転数が切替しきい値を超えた場合、つまり加圧バルブ５が開弁する直前の状態から開弁した状態の燃料供給量が比較的大きな高流量域では、計量バルブの前後差圧を用いることなく、モータ回転数及びリーク推定値に基づいて第２の制御量生成部（回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂ、リーク量推定部８ｃ及び加算器８ｄ）で生成された第２の制御量Ｓ２が制御目標値に等しくなるように高圧ポンプ３がフィードバック制御される。

このような本実施形態によれば、加圧バルブ５が開弁した後の高流量域においてモータ回転数及びリーク推定値に基づいて生成された第２の制御量Ｓ２を用いて高圧ポンプ３をフィードバック制御するので、高流量域において安定した燃料供給制御を実現することができる。

また、本実施形態によれば、加圧バルブ５が閉弁している低流量域においては、計量バルブの前後差圧に基づいて生成された第１の制御量Ｓ１を用いて高圧ポンプ３をフィードバック制御するので、低流量域においても安定した燃料供給制御を実現することができる。

また、本実施形態によれば、第１の制御量Ｓ１は、差圧/燃料供給量変換テーブル８ａ（第１の制御量生成部）を用いて生成されるので、実際の燃料供給量に高精度に対応した制御量である。したがって、本実施形態によれば、加圧バルブ５が開弁する前の低流量域において高精度な燃料供給制御を実現することができる。

また、本実施形態によれば、第２の制御量Ｓ２は、回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂを用いて生成されるので、実際の燃料供給量に高精度に対応した制御量である。したがって、本実施形態によれば、加圧バルブ５が開弁した後の高流量域において高精度な燃料供給制御を実現することができる。

さらに、本実施形態によれば、回転数/燃料供給量変換テーブル８ｂに加えてリーク量推定部８ｃ及び加算器８ｄを設けることにより、モータ回転数だけではなくリーク推定値を加味した第２の制御量Ｓ２を生成する。したがって、本実施形態によれば、実際の燃料供給量に高精度に対応した燃料供給量を生成することができ、よって加圧バルブ５が開弁した後の高流量域においてより高精度な燃料供給制御を実現することができる。

なお、本開示は上記各実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、モータ回転数を燃料供給ポンプの回転数として取り扱ったが、本開示はこれに限定されない。例えば、高圧ポンプ３の回転数を検出する回転センサを設け、この回転センサの出力を燃料供給ポンプの回転数として取り込んでもよい。

また、本開示の一実施形態の変形例を示す図３に示されるように、ＦＡＤＥＣからガスタービンＧの回転数を示す信号（エンジン回転数信号）を取り込んでもよい。この場合、上記実施形態の切替ロジック回路８ｅは、モータ回転数に代えて、ガスタービンＧの回転数に基づいて切替信号Ｃを生成するロジック回路であっても良い。また、選択スイッチ８ｆは、このような切替信号Ｃに基づき、モータ回転数に代えて、ガスタービンＧの回転数に基づいて、第１の制御量Ｓ１あるいは第２の制御量Ｓ２を択一的に選択しても良い。この場合も、この選択スイッチ８ｆ及び切替ロジック回路８ｅは、本開示の一実施形態の変形例における制御量選択部を構成している。その他の構成は、上記実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

（２）上記実施形態では、燃料供給量偏差にＰＩＤ演算処理を行う制御演算部８ｈを採用したが、本開示はこれに限定されない。制御演算部８ｈの制御演算処理には、単純なＰＩＤ演算処理の他に種々の形態が考えられる。

（３）上記実施形態では、ガスタービンＧを燃料の供給先としたが、本開示はこれに限定されない。

本開示に係る燃料供給制御装置によれば、加圧バルブが開弁した後の高流量域において安定した燃料供給制御を実現することができる。

Ｆ 燃料供給装置
Ｇ ガスタービン
Ｎ 燃料ノズル
１ 燃料タンク
２ 低圧ポンプ
３ 高圧ポンプ（燃料供給ポンプ）
４ 電気モータ
５ 加圧バルブ
６ オリフィス
７ 差圧計
８ 燃料供給制御装置
８ａ 差圧/燃料供給量変換テーブル（第１の制御量生成部）
８ｂ 回転数/燃料供給量変換テーブル（第２の制御量生成部）
８ｃ リーク量推定部（第２の制御量生成部）
８ｄ 加算器（第２の制御量生成部）
８ｅ 切替ロジック回路（制御量選択部）
８ｆ 選択スイッチ（制御量選択部）
８ｇ 減算器
８ｈ 制御演算部

Claims (7)

1. オリフィスと加圧バルブとの並列流路を燃料供給量の計量バルブとして用い、差圧計で検出された前記計量バルブの前後差圧に基づいて燃料供給ポンプを制御するように構成された燃料供給制御装置であって、
   前記前後差圧に基づいて第１の制御量を生成するように構成された第１の制御量生成部と、
   前記燃料供給ポンプの回転数に基づいて第２の制御量を生成するように構成された第２の制御量生成部と、
   前記回転数に基づいて前記第１の制御量あるいは前記第２の制御量を択一的に選択して出力するように構成された制御量選択部と、
   制御目標値に対する前記制御量選択部の出力の偏差を演算して出力するように構成された減算器と、
   該前記減算器の出力に基づいて前記燃料供給ポンプの操作量を演算するように構成された制御演算部とを備え、
   前記制御量選択部は、前記回転数が所定のしきい値以下の場合に前記第１の制御量を選択し、前記回転数が前記しきい値を超えると、前記第１の制御量に代えて前記第２の制御量を選択するように構成されている燃料供給制御装置。
2. 前記第１の制御量生成部は、前記前後差圧と燃料の流量との関係を示す差圧/燃料供給量変換テーブルに基づいて前記第１の制御量を生成するように構成されている請求項１に記載の燃料供給制御装置。
3. 前記第２の制御量生成部は、前記回転数と燃料の流量との関係を示す回転数/燃料供給量変換テーブルに基づいて前記第２の制御量を生成するように構成されている請求項１または２に記載の燃料供給制御装置。
4. 前記第２の制御量生成部は、前記燃料供給ポンプについて予め取得された燃料リーク量の推定値に基づいて前記回転数/燃料供給量変換テーブルの出力を補正することにより前記第２の制御量を生成するように構成されている請求項３に記載の燃料供給制御装置。
5. 前記第２の制御量生成部は、前記燃料供給ポンプを駆動するモータの回転数を前記燃料供給ポンプの回転数として取り込んで前記第２の制御量を生成するように構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料供給制御装置。
6. ガスタービンに燃料を供給する場合、
   前記制御量選択部は、前記回転数に代えて、前記ガスタービンの回転数に基づいて前記第１の制御量あるいは前記第２の制御量を択一的に選択するように構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料供給制御装置。
7. 前記制御演算部は、前記減算器の前記出力にＰＩＤ演算処理を行うことにより前記燃料供給ポンプの操作量を演算するように構成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料供給制御装置。

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