JP7429337B2 - 圧縮空気供給システム - Google Patents

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Description

本願は、ガスタービンエンジンから圧縮空気を抽出して機体に供給する圧縮空気供給システムに関する。
航空機の機体に設けられた空調パックは、ガスタービンから圧縮空気供給システムを介して供給された圧縮空気を適切な温度及び圧力に調整して客室へ供給している。圧縮空気供給システムは、比較的圧力の高い圧縮空気が抽出できることから、ガスタービンエンジンの高圧圧縮機からの圧縮空気を抽出することが多かった。
ところが、高圧圧縮機から抽出した圧縮空気をそのまま使用すると、状況によっては機体に供給する圧縮空気が機体の要求圧力よりも高くなることがある。この場合、圧縮空気を減圧しなければならず、エネルギーロスにつながるおそれがある。そこで、高圧圧縮機よりも上流から、より低圧な圧縮空気を抽出し、抽出した圧縮空気を補助圧縮機によって必要な圧力にまで昇圧してから機体に供給する圧縮空気供給システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
欧州特許第２５８４１７２号明細書
上記の補助圧縮機は、様々な状況に対応できるように高い昇圧能力が求められ、大きさが大きくなる傾向にある。本願は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、補助圧縮機の大きさを抑えることができる圧縮空気供給システムを提供することを目的とする。
本願の一態様に係る圧縮空気供給システムは、ガスタービンエンジンから圧縮空気を抽出して機体の空調パックに供給する圧縮空気供給システムであって、高圧圧縮機よりも上流から圧縮空気を抽出する低圧抽気ポートと、前記高圧圧縮機の前段部分よりも下流から圧縮空気を抽出する高圧抽気ポートと、前記低圧抽気ポートから前記空調パックに向かって延びるメイン配管と、前記メイン配管に設けられ、圧縮空気を昇圧する補助圧縮機と、
前記メイン配管と前記高圧抽気ポートとを連結する高圧抽気配管と、前記高圧抽気配管に設けられた高圧抽気弁と、前記高圧抽気弁を閉じたままでは前記メイン配管の出口圧力が前記空調パックの入口の要求圧力範囲を維持できない圧力不足状態になると判定したとき、前記高圧抽気弁を開放する制御装置と、を備えている。
この構成によれば、圧力不足状態になると判定されたとき、高圧抽気弁が開放され、高圧抽気ポートからも高圧の圧縮空気が導入されることで、圧縮空気供給システムが供給する圧縮空気の圧力を適切な範囲に維持することができる。したがって、上記の構成では、補助圧縮機にはあらゆる状況に対応できる昇圧能力は必要なく、補助圧縮機の大きさを抑えることができる。
上記の構成によれば、補助圧縮機の大きさを抑えることができる圧縮空気供給システムを提供することができる。
図１は、第１実施形態に係る圧縮空気供給システムの概略図である。 図２は、第１実施形態の制御装置による制御のフローチャートである。 図３は、第２実施形態に係る圧縮空気供給システムの概略図である。 図４は、第３実施形態に係る圧縮空気供給システムの概略図である。 図５は、第３実施形態の制御装置による制御のフローチャートである。
（第１実施形態）
はじめに、本願の第１実施形態に係る圧縮空気供給システム１００につて説明する。図１は第１実施形態に係る圧縮空気供給システム１００の概略図である。圧縮空気供給システム１００は、航空機用のガスタービンエンジン１０１から圧縮空気を抽出して、機体１０２に供給するシステムである。機体１０２に供給された圧縮空気は、空調パック１０９によって適切な温度及び圧力に調整されて客室へ供給される。例えば、空調機（Air Cycle Machine）や蒸気圧縮冷凍装置（Vapor Cycle System）などが空調パック１０９に該当する。
本実施形態では、１つの機体１０２に複数のガスタービンエンジン１０１が搭載されており、ガスタービンエンジン１０１のそれぞれに圧縮空気供給システム１００が設けられているものとする。本実施形態のガスタービンエンジン１０１は、一般的なターボファンエンジンと同じように、ファン１０３、低圧圧縮機１０４、高圧圧縮機１０５、燃焼器１０６、高圧タービン１０７、低圧タービン１０８を備えており、上流から下流に向かってこの順で配置されている。
また、本実施形態に係る圧縮空気供給システム１００は、低圧抽気ポート１１と、高圧抽気ポート１２と、メイン配管１３と、補助圧縮機１４と、プレクーラ１５と、高圧抽気配管１６と、高圧抽気弁１７と、制御装置１８と、を備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。
低圧抽気ポート１１は、ガスタービンエンジン１０１の高圧圧縮機１０５よりも上流から圧縮空気を抽出するポートである。本実施形態では、低圧圧縮機１０４と高圧圧縮機１０５の間に対応する位置から圧縮空気を抽出する。ただし、高圧圧縮機１０５よりも上流であれば圧縮空気を抽出する位置は限定されない。例えば、ファン１０３の周辺から圧縮空気を抽出してもよい。
高圧抽気ポート１２は、ガスタービンエンジン１０１の高圧圧縮機１０５の前段部分よりも下流から圧縮空気を抽出するポートである。本実施形態の高圧抽気ポート１２は、高圧圧縮機１０５よりも下流の部分から圧縮機を抽出する。ここで、「高圧圧縮機１０５の前段部分」とは、高圧圧縮機１０５を軸方向に３分割したときに最も前方にあたる部分をいう。この高圧圧縮機１０５の前段部分には、図外のベーンの角度を調整する機構が設けられているため、構造上、高圧圧縮機１０５の前段部分から圧縮空気を抽出するのは困難である。高圧抽気ポート１２で抽出した圧縮空気は、低圧抽気ポート１１で抽出した圧縮空気よりも圧力が高い。
メイン配管１３は、低圧抽気ポート１１から機体１０２の空調パック１０９に向かって延びる配管である。つまり、低圧抽気ポート１１で抽出した圧縮空気は、このメイン配管１３内を空調パック１０９に向かって流れる。メイン配管１３の補助圧縮機１４とプレクーラ１５の間の部分には、逆止弁２１が設けられている。この逆止弁２１は、低圧抽気ポート１１からプレクーラ１５に向かう方向の流れは許容する一方、プレクーラ１５から低圧抽気ポート１１に向かう方向の流れは禁止する。また、メイン配管１３の低圧抽気ポート１１と補助圧縮機１４の間の部分には低圧抽気圧計２２が設けられている。低圧抽気圧計２２は、低圧抽気ポート１１で抽出した圧縮空気の圧力を測定する。メイン配管１３の補助圧縮機１４とプレクーラ１５の間の部分には、補助圧縮機出口圧計２３が設けられている。補助圧縮機出口圧計２３は、補助圧縮機１４の出口圧力を測定する。メイン配管１３の下流端部分には、メイン配管出口圧計２４が設けられている。メイン配管出口圧計２４は、メイン配管１３の出口圧力を測定する。
補助圧縮機１４は、メイン配管１３に設けられ、圧縮空気を昇圧する装置である。なお、補助圧縮機１４の形式は特に限定されない。補助圧縮機１４は、ガスタービンエンジン１０１の低圧圧縮機１０４から動力を得て駆動してもよく、高圧圧縮機１０５から動力を得て駆動してもよい。例えば、ガスタービンエンジン１０１の回転軸の駆動力を変速して出力する駆動装置（一例として無段変速機）を介して駆動してもよい。さらに、補助圧縮機１４は、図外の電動モータから動力を得て駆動してもよく、高圧空気を利用して駆動してもよい。補助圧縮機１４は任意の回転速度で回転駆動させることができ、これにより昇圧の程度を任意に設定することができる。
プレクーラ１５は、圧縮空気を冷却する機器である。プレクーラ１５は、メイン配管１３の補助圧縮機１４よりも下流の部分に設けられている。本実施形態のプレクーラ１５は、圧縮機を外気と熱交換させることにより冷却する。プレクーラ１５に流入する外気の流量は任意に設定でき、これにより冷却の程度を任意に設定することができる。
高圧抽気配管１６は、メイン配管１３と高圧抽気ポート１２とを連結する配管である。本実施形態の高圧抽気配管１６は、メイン配管１３のプレクーラ１５よりも上流であって補助圧縮機１４及び逆止弁２１よりも下流の部分と高圧抽気ポート１２とを連結している。つまり、高圧抽気ポート１２で抽出した圧縮空気は、この高圧抽気配管１６内をメイン配管１３に向かって流れる。また、高圧抽気配管１６の高圧抽気弁１７とメイン配管１３の間の部分には高圧抽気弁出口圧計２５が設けられている。高圧抽気弁出口圧計２５は、高圧抽気弁１７の出口圧力を測定することができる。
高圧抽気弁１７は、高圧抽気配管１６に設けられた弁である。高圧抽気弁１７は開度を調整することで、高圧抽気ポート１２から抽出してメイン配管１３に供給される圧縮空気の流量及び圧力を調整することができる。
制御装置１８は、種々の制御を行う装置である。制御装置１８は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、及び、Ｉ／Ｏインターフェース等を有している。制御装置１８の不揮発性メモリには、種々のプログラム及びデータが保存されている。制御装置１８のプロセッサは、不揮発性メモリに保存されたプログラムに基づいて、揮発性メモリを用いて演算処理を行う。
制御装置１８は、低圧抽気圧計２２、補助圧縮機出口圧計２３、メイン配管出口圧計２４、及び、高圧抽気弁出口圧計２５と電気的に接続されており、低圧抽気ポート１１で抽出した圧縮空気の圧力、補助圧縮機１４の出口圧力、メイン配管１３の出口圧力、及び、高圧抽気弁１７の出口圧力を取得することができる。さらに、制御装置１８は、高圧抽気弁１７と電気的に接続されており、高圧抽気弁１７に制御信号を送信して、高圧抽気ポート１２から抽出してメイン配管１３に供給される圧縮空気の流量及び圧力を調整することができる。
また、制御装置１８は、機体１０２から種々の信号を受信する。機体１０２から送信される信号には、異常信号が含まれる。例えば、機体１０２に搭載された複数のガスタービンエンジン１０１のうち、１つのガスタービンエンジン１０１が停止した場合には、機体１０２から制御装置１８に異常信号が送信される。
図２は、本実施形態の制御装置１８による制御のフローチャートである。なお、この制御は、高圧抽気弁１７が閉じられた状態で開始される。制御が開始されると、制御装置１８は、圧力不足状態になるか否かを判定する（ステップＳ１）。
上記の「圧力不足状態」とは、高圧抽気弁１７を閉じたままではメイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲を維持できない状態をいう。要求圧力範囲は、機内圧力維持のため、及び、空調パック１０９の駆動のために要求される圧力であり、例えば、１～３気圧であってもよい。空調パック１０９は、圧縮空気供給システム１００から要求圧力範囲の圧縮空気が供給されると、その圧縮空気を適切な圧力に調整して客室へ供給することができる。さらに、「プレクーラ１５の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲を維持できない」とは、想定される外乱が入力されたときにメイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲から外れるような場合も含まれる。つまり、補助圧縮機１４が空調パック１０９の要求圧力範囲に対してある程度余裕をもって運転できない場合が含まれる。
ここで、例えば、機体１０２に搭載されたガスタービンエンジン１０１の１つが停止した場合には、それ以外のガスタービンエンジン１０１に設けられた圧縮空気供給システム１００の要求圧力範囲が増加方向にシフトする。この場合、圧縮空気供給システム１００に対する圧力不足状態になる。そこで、本実施形態では、制御装置１８は、機体１０２から、ガスタービンエンジン１０１の１つが停止した場合に送信される異常信号を受信したときは、圧力不足状態になると判定する。
さらに、エンジンの回転速度が低下するアイドル時、及び、降下時などでは、補助圧縮機１４に流入する圧縮空気の圧力が小さくなり、この場合も圧力不足状態になる。そのため、本実施形態では、制御装置１８は、低圧抽気ポート１１で抽出した圧縮空気の圧力が所定の下限入力圧力を下回ったとき、圧力不足状態になると判定する。なお、低圧抽気ポート１１で抽出した圧縮空気の圧力は、低圧抽気圧計２２から取得することができる。
制御装置１８は、ステップＳ１において、圧力不足状態にならないと判定した場合（ステップＳ１でＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。一方、圧力不足状態になると判定した場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、高圧抽気弁１７を開放する（ステップＳ２）。高圧抽気弁１７を開放することにより、高圧抽気ポート１２で抽出した比較的圧力の高い圧縮空気がメイン配管１３へ供給されることになる。その結果、圧力不足状態は解消され、機体１０２へ適切な圧力の圧縮空気を供給することができる。
制御装置１８は、上記のステップＳ２を経た後、メイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲内か否かを判定する（ステップＳ３）。メイン配管１３の出口圧力はメイン配管出口圧計２４から取得することができる。
制御装置１８は、メイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲内であると判定した場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御を終了する。一方、メイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲内でないと判定した場合（ステップＳ３でＮＯ）、高圧抽気弁１７の開度を調整する（ステップＳ４）。例えば、メイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲を下回るときには、高圧抽気弁１７の開度を大きくしてメイン配管１３の出口圧力を大きくする。
ステップＳ４を経た後は、ステップＳ３及びＳ４を繰り返してメイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲に収まるまで高圧抽気弁１７の開度を調整する。メイン配管１３の出口圧力が空調パック１０９の要求圧力範囲に収まったところで、制御は終了する。
（第２実施形態）
次に、本願の第２実施形態に係る圧縮空気供給システム２００について説明する。図３は第２実施形態に係る圧縮空気供給システム２００の概略図である。図３に示すように、本実施形態に係る圧縮空気供給システム２００は、高圧抽気配管１６及び逆止弁２１の配置が第１実施形態に係る圧縮空気供給システム１００と相違する。他の構成については、第１実施形態に係る圧縮空気供給システム１００と共通する。
具体的には、本実施形態の高圧抽気配管１６は、メイン配管１３の低圧抽気ポート１１よりも下流であって補助圧縮機１４よりも上流の部分と高圧抽気ポート１２とを連結している。また、本実施形態の逆止弁２１は、メイン配管１３の低圧抽気ポート１１よりも下流であって高圧抽気配管１６が接続されている部分よりも上流の部分に設けられている。そのため、高圧抽気ポート１２で抽出した圧縮空気が、低圧抽気ポート１１へ流れることを防止できる。ただし、本実施形態では、高圧抽気弁１７を開放すると、高圧抽気ポート１２で抽出した圧縮空気のみを補助圧縮機１４の入口に供給することになる。この場合であっても、圧力不足状態は解消され、機体１０２へ適切な圧力の圧縮空気を供給することができる。なお、メイン配管１３における逆止弁２１の代わりに制御弁を設けて、高圧抽気ポート１１で抽出した圧縮空気と、低圧抽気ポート１３で抽出した圧縮空気とを混合して、補助圧縮機１４に導入する構成としてもよい。
（第３実施形態）
次に、本願の第３実施形態に係る圧縮空気供給システム３００について説明する。図４は第３実施形態に係る圧縮空気供給システム３００の概略図である。図４に示すように、本実施形態に係る圧縮空気供給システム３００は、迂回配管３１及び迂回弁３２を備えている点で、第２実施形態に係る圧縮空気供給システム２００と相違する。他の構成については、第２実施形態に係る圧縮空気供給システム２００と共通する。
迂回配管３１は、補助圧縮機１４を迂回させて高圧抽気ポート１２で抽出した圧縮空気をメイン配管１３に供給するための配管である。迂回配管３１は、メイン配管１３のプレクーラ１５よりも上流であって補助圧縮機１４よりも下流の部分と高圧抽気配管１６の高圧抽気弁１７よりも上流の部分とを連結している。
迂回弁３２は、迂回配管３１に設けられている。迂回弁３２は、制御装置１８と電気的に接続されており、制御装置１８から制御信号を受信する。迂回弁３２は制御装置１８から制御信号を受信することで迂回弁３２は開閉する。
図５は、第３実施形態の制御装置１８による制御のフローチャートである。この制御は、高圧抽気弁１７及び迂回弁３２が閉じられた状態で開始される。本実施形態では、制御が開始されると、制御装置１８は、圧力不足状態になるか否かを判定し（ステップＳ１１）、圧力不足状態になると判定した場合は高圧抽気弁１７を開放する（ステップＳ１２）。ここまでは、第１実施形態で説明したステップＳ１及びＳ２と同じである。
続いて、制御装置１８は、ステップＳ１３において、補助圧縮機１４の出口圧力が所定の故障判定圧力を下回っているか否かを判定する。補助圧縮機１４の出口圧力が故障判定圧力を下回っている場合は、補助圧縮機１４又はその周辺の機器が故障している可能性が高い。
そこで、制御装置１８は、補助圧縮機１４の出口圧力が故障判定圧力を下回っていると判定した場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）、高圧抽気弁１７を閉じるとともに迂回弁３２を開放する。これにより、高圧抽気ポート１２で抽出した圧縮空気は、補助圧縮機１４を迂回してメイン配管１３に供給される。その結果、補助圧縮機１４又はその周辺の機器が故障していたとしても、圧縮空気供給システム１００は比較的高い圧力の圧縮空気を機体１０２に供給することができる。なお、補助圧縮機１４の出口圧力が故障判定圧力を下回っていないと判定した場合（ステップＳ１３でＮＯ）、ステップＳ１３を繰り返す。
（作用効果等）
以上説明したとおり、各実施形態に係る圧縮空気供給システムは、ガスタービンエンジンから圧縮空気を抽出して機体の空調パックに供給する圧縮空気供給システムであって、高圧圧縮機よりも上流から圧縮空気を抽出する低圧抽気ポートと、前記高圧圧縮機の前段部分よりも下流から圧縮空気を抽出する高圧抽気ポートと、前記低圧抽気ポートから前記空調パックに向かって延びるメイン配管と、前記メイン配管に設けられ、圧縮空気を昇圧する補助圧縮機と、前記メイン配管と前記高圧抽気ポートとを連結する高圧抽気配管と、前記高圧抽気配管に設けられた高圧抽気弁と、前記高圧抽気弁を閉じたままでは前記メイン配管の出口圧力が前記空調パックの要求圧力範囲を維持できない圧力不足状態になると判定したとき、前記高圧抽気弁を開放する制御装置と、を備えている。
この構成によれば、圧力不足状態になると判定されたとき、高圧抽気弁が開放され、高圧の圧縮空気が導入されることで、圧縮空気供給システムが供給する圧縮空気の圧力を適切な範囲に維持することができる。したがって、上記の構成では、補助圧縮機にはあらゆる状況に対応できる昇圧能力は必要なく、補助圧縮機の大きさを抑えることができる。
また、各実施形態に係る圧縮空気供給システムでは、前記制御装置は、前記低圧抽気ポートで抽出した圧縮空気の圧力が所定の下限入力圧力を下回ったとき、前記圧力不足状態になると判定し、前記高圧抽気弁を開放する。
この構成によれば、圧力不足状態になるか否かの判定を容易に行うことができる結果、適切なタイミングで高圧抽気弁を開放することができる。
また、各実施形態に係る圧縮空気供給システムでは、前記制御装置は、前記機体から所定の異常信号を受信したとき、前記圧力不足状態になると判定し、前記高圧抽気弁を開放する。
この構成においても、圧力不足状態になるか否かの判定を容易に行うことができる結果、適切なタイミングで高圧抽気弁を開放することができる。
また、第１実施形態に係る圧縮空気供給システムでは、前記高圧抽気配管は、前記メイン配管の前記補助圧縮機よりも下流の部分と前記高圧抽気ポートとを連結している。
この構成によれば、圧力不足状態になったときに、圧縮空気供給システム内に高圧の圧縮空気が導入されることで、圧縮空気供給システムが供給する圧縮空気の圧力を適切な範囲に維持することができる。
また、第１実施形態に係る圧縮空気供給システムでは、前記メイン配管の出口圧力が前記空調パックの要求圧力範囲に収まるように前記高圧抽気弁の開度を調整する。
この構成によれば、圧縮空気供給システムは適切な圧力の圧縮空気を空調パックに供給することができる
また、第２及び第３実施形態に係る圧縮空気供給システムでは、前記高圧抽気配管は、前記メイン配管の前記低圧抽気ポートよりも下流であって前記補助圧縮機よりも上流の部分と前記高圧抽気ポートとを連結している。
この構成であっても、圧力不足状態になったときに、圧縮空気供給システム内に高圧の圧縮空気が導入されることで、圧縮空気供給システムが供給する圧縮空気の圧力を適切な範囲に維持することができる。
また、第３実施形態に係る圧縮空気供給システムでは、前記メイン配管の前記プレクーラよりも上流であって前記補助圧縮機よりも下流の部分と前記高圧抽気配管の前記高圧抽気弁よりも上流の部分とを連結する迂回配管と、前記迂回配管に設けられた迂回弁と、を備え、前記制御装置は、前記高圧抽気弁を開放したときに、前記補助圧縮機の出口圧力が所定の故障判定圧力を下回った場合には、前記高圧抽気弁を閉じるとともに前記迂回弁を開放する。
この構成によれば、補助圧縮機又はその周辺の機器が故障したとしても、圧縮空気供給システムは比較的高い圧力の圧縮空気を機体に供給することができる。
１１ 低圧抽気ポート
１２ 高圧抽気ポート
１３ メイン配管
１４ 補助圧縮機
１５ プレクーラ
１６ 高圧抽気配管
１７ 高圧抽気弁
１８ 制御装置
２１ 逆止弁
３１ 迂回配管
３２ 迂回弁
１００ 圧縮空気供給システム
１０１ ガスタービンエンジン
１０２ 機体
１０３ ファン
１０４ 低圧圧縮機
１０５ 高圧圧縮機
１０６ 燃焼器
１０７ 高圧タービン
１０８ 低圧タービン
１０９ 空調パック

Claims (1)

  1. ガスタービンエンジンから圧縮空気を抽出して機体の空調パックに供給する圧縮空気供給システムであって、
    高圧圧縮機よりも上流から圧縮空気を抽出する低圧抽気ポートと、
    前記高圧圧縮機の前段部分よりも下流から圧縮空気を抽出する高圧抽気ポートと、
    前記低圧抽気ポートから前記空調パックに向かって延びるメイン配管と、
    前記メイン配管に設けられ、圧縮空気を昇圧する補助圧縮機と、
    前記メイン配管の前記補助圧縮機よりも下流の部分に設けられ、圧縮空気を冷却するプレクーラと、
    前記メイン配管の前記低圧抽気ポートよりも下流であって前記補助圧縮機よりも上流の部分と前記高圧抽気ポートとを連結する高圧抽気配管と、
    前記高圧抽気配管に設けられた高圧抽気弁と、
    前記メイン配管の前記プレクーラよりも上流であって前記補助圧縮機よりも下流の部分と前記高圧抽気配管の前記高圧抽気弁よりも上流の部分とを連結する迂回配管と、
    前記迂回配管に設けられた迂回弁と、
    前記高圧抽気弁を閉じたままでは前記メイン配管の出口圧力が前記空調パックの要求圧力範囲を維持できない圧力不足状態になると判定したとき、前記高圧抽気弁を開放する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記高圧抽気弁を開放したときに、前記補助圧縮機の出口圧力が所定の故障判定圧力を下回った場合には、前記高圧抽気弁を閉じるとともに前記迂回弁を開放する、圧縮空気供給システム。
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