JPH01134031A

JPH01134031A - ガス・タービン・エンジンのための電力による燃料制御装置

Info

Publication number: JPH01134031A
Application number: JP25743088A
Authority: JP
Inventors: Robert C White; ロバート・シー・ホワイト
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1987-10-14
Filing date: 1988-10-14
Publication date: 1989-05-26
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: US4815278A; JP2718959B2; DE3835068A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】免哩α飢、この発明は、ガス・タービン・エンジンのための電気
的に駆動される燃料ポンプの制御部に関するものであっ
て、ここに燃料を要求する信号の正確な追跡が必須のこ
とである。より詳細には、この発明は、一定周波数の発
電機を駆動するガス・タービンのための、電気的に駆動
される燃料ポンプの制御部に関するものである。

先」１支貨！口λ朋− ガス・タービン・エンジンのための燃料ポンプは知られ
ているものであり、ここに、該ガス・タービンに対して
燃料を供給するための電気的に駆動される要素が使用さ
れている。これについては、米国特許第４，３４４，１
４１号、同第４，４２３，５９２号、同第４．４３２，
２０１号、同第４，４４１，１５６号および同第４，６
２５゜５１０号を参照されたい。ガス・タービン・エン
ジンのための電気的に駆動される燃料ポンプの速度は、
該タービンのパワー負荷とともに直接的に変動するもの
ではないという事実から、ガス・タービン・エンジンの
ための電気的に駆動される燃料ポンプにおいて、最適化
された全体的な箭力特性を有するような応答特性を持た
せることは困難であった。

発ｍヌーこの発明によれば、パワー・ティクオフにより機械的に
駆動される制御部のそれに近接するような応答特性を有
する、ガス・タービン・エンジンのための電気的に駆動
される燃料ポンプの改善された制御部が提供される。こ
の発明によれば、燃料に対する増大の要求は、所望の増
大量に直接比例させて、電力による燃料供給部に供給さ
れるパワーを増大させることで満足され、ある所定の燃
料減少比率よりも小さい燃料に対する減少の要求は、所
望の減少量に直接比例させて、電力による燃料供給部に
供給されるパワーを減少させることで満足される。そし
て、所定の燃料減少比率よりも大きい燃料に対する減少
の要求は、電気的に駆動される燃料供給部に対してブレ
ーキ機能を加えることによって満足される。

この発明による、ガス・タービン・エンジンのための電
力による燃料制御部に含まれているものは、該ガス・タ
ービン・エンジンに燃料を供給するための電力による燃
料供給部であって、該燃料供給部は、増大した燃料の供
給により、より大きいパワーをエンジンに生成させ、ま
た、減少した燃料の供給により、より小さいパワーをエ
ンジンに生成させるもの；エンジンに対する増大した燃
料の供給、および、エンジンに対する減少した燃料の供
給を選択的に行うように、該エンジンに対する燃料の要
求を特定化するための燃料要求制御部であって、該燃料
要求制御部は該特定化された燃料の要求に比例した燃料
の流れの要求信号を生成させるもの；該電力による燃料
供給部における移動要素の検知された速度に比例した速
度信号を生成させるための速度センサ；ブレーキ信号に
応答して、該電力による燃料供給部による燃料の伝達比
率にブレーキをかけるためのブレーキ機能部；および、
該速度信号および燃料の流れの要求信号に応答して該電
力による燃料供給部に加えられるパワー信号を生成させ
る制御手段であって、該エンジンに対する燃料の伝達比
率を増大するように特定化する燃料要求制御部に応答し
て、該エンジンに伝達される燃料の伝達比率が増大する
ように該電力による燃料供給部に対してパワーを加え：
燃料要求のある所定の減少比率よりも小さく、該エンジ
ンに対する燃料の伝達比率を減少するように特定化する
燃料要求制御部に応答して、該エンジンに伝達される燃
料の伝達比率が減少するように該電力による燃料供給部
に対してパワーを加え：および、燃料要求のある所定の
減少比率よりも大きく、燃料の伝達比率を減少するよう
に特定化する燃料要求制御部に応答して該エンジンに対
する燃料の伝達比率を減少するために、ブレーキ機能に
よって該電力による燃料供給部にブレーキがかかるよう
にブレーキ信号を生成させるもの；である。

好適には、該ブレーキ機能部は再生型のブレーキ機能部
であって、発電機として動作されて燃料ポンプを駆動す
るような電動機によって実現されるものである。このブ
レーキ機能部が再生型のものであるときには、スイッチ
および電気的負荷が該電動機の出力部に加えられて、発
電機として動作されているときの電動機から発生された
電気的エネルギの消散をするようにされる６燃料の伝達比率の増大のために、制御部に含まれている
パルス幅変調器は、速度信号および燃料の流れ要求信号
に応答して、電力による燃料供給部に対してパワー信号
を供給する。このパワー信号は、一連のパルスからなる
ものであって、所与の周波数をもって繰り返しており、
戸な、その振幅は、該燃料の流れ要求信号と速度信号お
よびその積分間の差に比例している。更に、燃料の伝達
比率における所定の減少比率よりも小さい燃料の伝達比
率の減少のために、該パルス幅変調器で生成される電力
信号のパルス振幅は、該燃料の流れ要求信号と速度信号
およびその積分間の差に比例している。燃料伝達の最大
の比率は、連続的に“オン”状態にある電力信号によっ
て生成される。

制御部に更に含まれているパルス幅変調器は、ブレーキ
機能部に対してブレーキ信号を供給するものである。そ
して、このブレーキ信号は、一連のパルスからなるもの
であって、所与の周波数をもって繰り返しており、また
、また、その振幅は、減少した燃料の流れ要求信号と、
燃料伝達の所定の減少比率よりも大きい減少比率に対す
る速度信号との間の差に比例している。ブレーキ操作の
最大比率は、連続的に゛オン”状態にあるブレーキ信号
によって生成される。

ここで使用されているように、゛所定の比率”なる用語
の意味するところは、電力が取り除がれなときに、ポン
プとその電力による駆動部が減速する比率である。

ｔ　　　　　の　　■ 第１図は、この発明による制御部および電力による燃料
ポンプを備えな、通常のガス・タービン・エンジン１０
の例示図である。このガス・タービン・エンジン１０は
、任意の通常のガス・タービン　エンジンであって、駆
動補助パワー・ユニットまたはギア・ボックスを備えな
い推力エンジンのために使用されるものを含んでいる。

このエンジンの外側制御ループを構成するものは、エン
ジン・タコメータ（図示されない）、燃料の流れ要求信
号をポンプ制御部１４に加える速度制御部１２、および
、電気的に駆動される絶対変位ポンプ１７である。この
速度制御部１２は技術的には通常のものであり、ガス・
タービン・エンジンにおける回転要素の速度および燃料
要求信号を検知することによりタコメータから生成され
るエンジン速度信号に応答して、燃料の流れ要求信号を
発生させるために使用されるものである。この燃料の流
れ要求信号は、燃料がエンジンに伝達される比率を制御
するものであり、増大した燃料の供給により、より大き
いパワーをエンジン１０に生成させること、および、減
少した燃料の供給により、より小さいパワーを該エンジ
ンに生成させることを含む制御が、既知の制御技術に従
ってなされる。このエンジンの内側制御ループを構成す
るものは、タコメータ（第２図における要素１８）、ポ
ンプ制御部１４、および、電気的に駆動される絶対変位
ポンプ■７である。ポンプ制御部１４が応答するものは
、電気的に駆動される燃料ポンプの速度および燃料の流
れ要求信号を検知するタコメータによって生成される出
力信号である。このポンプ制御部１４の出力は、電動機
で駆動される燃料ポンプ１７に加えられる。

第２図は、ポンプ制御部１４および絶対変位燃料ポンプ
／電動機１６を例示するブロック図である。ポンプ制御
部１４が応答するものは、第１図のエンジン速度制御部
１２によって生成される燃料の流れ要求信号、および、
燃料の流れを表わすタコメータ１８によって生成される
燃料ポンプ速度信号である。絶対変位燃料ポンプ／電動
機１６はパワー駆動部２０によって制御される。このパ
ワー駆動部２０は、パワー信号およびブレーキ信号によ
って駆動されるものであり、その出力信号は絶対変位燃
料ポンプ／電動機に加えられて、後述されるように、パ
ワー・モードまたはブレーキ・モードのいずれかで動作
するようにされる。パワー信号の利得およびブレーキ信
号の利得は、互いに変動することができる。第３図に示
された実施例において、パワー駆動部２０からパワー信
号への利得は、ブレーキ信号への利得の２倍である。

ブレーキ信号により、絶対変位燃料ポンプ／電動Ｖ％１
６の電動機に関連する、再生型のブレーキ機能部の制御
がなされ、ブレーキ信号に直接比例して、その回転比率
にブレーキがかけられる。ガスタービンに対する燃料伝
達比率の所望の減少比率が、ある所定の減少比率より大
きい（第４図のライン・セグメントＣ−Ｄ）ときには、
ブレーキ信号が加えられる。パワー信号により、絶対変
位燃料ポンプ／電動機の電動機に加えられるパワーのレ
ベルが制御される。ガス・タービンに対する燃料の伝達
比率を任意の現在のレベルから増大させることが所望さ
れるときには、電動機に加えられるパワーのレベルが、
ガス・タービン１０に伝達されるべき燃料の所望の増大
比率に直接比例して増大される。ガス・タービン１０に
対して伝達される燃料の比率を増大させるために、絶対
変位燃料ポンプ／電動ｆｉ１６の電動機に加えられる駆
動信号の利得は、高い比率の加速を確実にするように迅
速な応答をするために、相当に高い（第４図のライン・
セグメントＥ−Ｂ）ものでなければならない。更に、ブ
レーキ２０の励起開始を規定して、ガス・タービンに伝
達される燃料の所望の減少比率が、燃料の減少比率にお
ける所定の比率よりも小さいためには、該駆動信号のパ
ワー・レベルが、燃料の流れ要求信号における指令され
た減少比率に直接比例して減少される（第４図のライン
・セグメントＤ−Ｅ＞。

パワー信号の発生を制御するための回路については後述
される。燃料伝達の所定の減少比率よりも小さい燃料伝
達の減少比率のため、および、燃料伝達の全増大比率（
第４図のライン・セグメン）Ｄ−Ｂ）のために、パルス
幅制御部２８から出力されるパルスの幅は、積分器２２
および比例増幅器２６からの出力信号の和に直接比例し
ている。

そして、後述されるように、該パルスは第４図の点りに
おいて終わっており、また、第４図の区分Ｄ−Ｂにおい
て点りから離れて移動するときには、その幅が増大する
。積分器２２で積分されるものは、エンジン速度制御部
１２によって生成される燃料の流れ要求信号と、タコメ
ータ１８によって出力されるパルスの周波数に直接比例
したＤＣレベルを有する出力速度信号を生成させる周波
数−電圧コンバータ２４の出力との差である。この周波
数−電圧コンバータ２４は、通常の積分回路その他の既
知の回路である。差動増幅器であれば良い比例増幅器２
６が生成する出力信号は、エンジン速度制御部１２によ
って生成される燃料の流れ要求信号と、周波数−電圧コ
ンバータ２４からの出力速度信号との間の差に比例する
ものである。

パルス幅制御部２８で生成される出力パルス列のパルス
幅は、積分器２２および比例増幅器２６からの出力信号
の和の間の差に直接比例して変動するものである。クロ
ック部３０から供給される出力クロック信号は、パルス
幅制御部２８のタイムベースの同期をとるために使用さ
れて、該パルス幅制御部２８によって生成される出力信
号が、クロック部３０からの出力と同一の比率であるよ
うにされる。通常のＤ−タイプのフリップ・フロップで
あれば良いフリップ・フロップ回路３２は、パルス幅変
調されたパワー信号を生成するために使用される。この
パワー信号はパワー駆動部２０に加えられて、絶対変位
燃料ポンプ／電動機１６の電動機を駆動するようにされ
る。ブレーキ・スレッショルド回路３４で生成される１
対の反対の状態の出力信号ＱおよびＱは、比例増幅器２
６の出力がゼロを通る毎にその状態を変化させる。この
ブレーキ・スレッショルド回路３４は、ゼロ・クロス検
出器であれば良い。出力信号Ｑは線３６によってフリッ
プ・フロップ３２のデータ入力部に加えられる。このＱ
がハイである限りは、フリップ・フロップ３２からの出
力はハイであることができる。クロック部３０の出力は
フリップ・フロツプ回路３２のクロックを付与する。パ
ルス幅制御部２８からの出力信号により、後述されるよ
うなタロツク信号の各サイクルの開にパワー信号がリセ
ットされる時点が決定される。フリップ・フロッグ回路
３２からの出力駆動７３号は、燃料が伝達されるべき最
大の増大比率を特定する燃料の流れ要求信号に対して、
連続的に°゛オンである。ブレーキ・スレッショルド回
路３４からの出力Ｑがハイであるときには、フリップ・
フロップ３２によって出力される個別のパルスの持続時
間は、パルス幅制御部２８に１って出力されるパルスの
持続時間に比例している。パルス幅制御部によって出力
される各パルスの持続時間は、ハイになるクロック部３
０からの出力パルスと、ハイになるパルス幅制御部２８
からの出力パルスとの間の時間に等しい。

この発明におけるブレーキ機能は、第２図における以下
の諸要素によって達成される。所定の減少比率よりも大
きい、燃料伝達の全減少比率（第４図のライン・セグメ
ンｌ−Ｃ−Ｄ　”）のために、パルス幅制御部４０がら
出力されるパルスは、比例増幅器２６の出力に直接比例
した幅を有していて第４図の点りで終わり、第４図の区
分Ｃ−Ｄにおいて点りから離れて移動する点で動作する
ときに、その幅が増大するものである。比例増幅器２６
によって出力された信号であって、燃料の流れ要求信号
と速度信号との間の差に比例している前記の信号は、ブ
レーキ用パルス幅制御部４ｏに加えられる。この制御部
４０がら生成される一連の出力パルスは、クロック部３
０によって生成される出力パルスと同一の基礎繰り返し
比率を有している。

上述されたように、これらのパルスの幅は、燃料の流れ
要求信号と速度信号との間の差に直接比例している。フ
リップ・フロップ３２と等価のフリップ・フロップ４２
は、ブレーキ２ｏに対するブレーキを出力させる機能を
果たすものである。好適には、このブレーキ機能は再生
型のブレーキとして実現される。ただし、ここで理解さ
れるべきことは、この発明で実施されるブレーキは、絶
対変位燃料ポンプ／を動機に関連しているということで
ある。知られているように、電動機はブレーキとして動
作されて、その機能が発電機に変換され、発生された電
力の消散によりブレーキがかかる装置からのパワーが取
り込まれる。好適には、ブレーキ機能が再生型のブレー
キによって実現されたときには、電界効果トランジスタ
が電動機に接続され、この電界効果トランジスタには、
ブレーキ信号のパルス列が加えられ、抵抗と直列のドレ
イン経路に対する電源を選択的に短絡するようにされて
、ブレーキ信号のパルスの持続時間に直接比例する持続
時間だけ、発生された電流が電界効果トランジスタおよ
び関連の抵抗を通して流れるようにされる。電動機が発
電機として動作されているときに燃料ポンプに加えられ
るブレーキの大きさは、フリップ・フロッグ回路４２に
よって出力されるパルスの持続時間に直接比例している
。ブレーキ　スレッショルド回路３４からの出力信号Ｑ
がハイであるときには、フリップ・フロップ回路４２に
よって出力される個別のパルスの持続時間は、パルス幅
制御部４０によって出力されるパルスの持続時間に比例
している。各パルスの持続時間は、ハイになるクロック
部３ｏがらの出力と、ハイになるパルス幅制御部４ｏが
らの出力パルスとの間の時間に等しい。ブレーキ・スレ
ッショルド回路３４からの出力Ｑは線３７によってクリ
ップ・フロップ４２のデータ入力部に加えられる。

このＱがハイの状態にある限りは、フリップ・フロップ
４２の出力はハイであることができる。

パワー信号およびブレーキ信号でパワー駆動部２０にパ
ルス出力が開始される、第４図における所定の点りは、
種々の装置パラメータによって決定される。パワーの増
大および減少の間のガス・タービンの全体的な燃料の流
れ特性、および、ポンプの慣性および容量により、Ｘ軸
に沿って配される点りの場所が効果的に決定される。こ
の発明は、いかなる特定の燃料通流装置にも、また、ラ
イン・セグメントＣ−Ｂによって表されるような、燃料
の特定の増大比率または減少比率の選択にも限定される
ものではない。

第３Ａ図−第３Ｃ図は、第２図における速度制御部１４
の好適な実現の、電気的な概略例示図である０通常の集
積回路がそれらの産業上の指定により同定されている０
点線で規定された一連のボックスは、第２図において使
用された同一の参照数字によって同定されていて、第３
図の電気的な回路の概略図が第２図で符号が付されたブ
ロックと相関されている。ここで理解されるべきことは
、この発明を実施する際に、別異の実現の仕方を使用で
きるということである。なお、抵抗値および容量値は省
略されている。

第４図は、電動機／ポンプ１６に供給され、または、こ
れから取り出されるパワーと、供給される燃料および要
求される燃料の間の差との関係を示すグラフ図である。

ここで、正のＹ軸が表わすものは、絶対変位燃料ポンプ
／ｉＥ動機１６を駆動するときに使用されるパワー信号
であり、また、負のＹ軸が表わすものは、ブレーキをか
けることで装置から取り出されるパワーである。その横
座標が表わすものは、供給される燃料と要求される燃料
との間の差である。燃料が要求される安定な状態の比率
は、Ｘ軸上のゼロ点で表わされている。

第１図のエンジン速度制御部１２に入力されている燃料
要求信号が、Ｘ軸上のゼロ点における安定な状態から変
化したときには、該燃料要求信号は特性線Ｃ−Ｂに沿っ
て、Ｙ軸における正または負の方向に移動する。

燃料の流れ要求信号によって特定化される燃料伝達の変
化比率が、所定の減少比率よりも小さい伝達の減少比率
および伝達の全増大比率の双方を含む区分Ｄ−Ｂにおい
て動いているときに、絶対変位燃料ポンプ／電動機１６
に対してパワー信号が加えられる。ここで理解されるべ
きことは、第４図では直線による特性線が例示されてい
るけれども、この発明においては、他の燃料の流れの特
性線も使用できるということである。ポンプ制御部１４
が区分Ｄ−Ｂにおいて動作しているときには、フリップ
・フロップ回路３２からの出力パワー信号は、クロック
部３０のパルス繰り返し周波数に等しいパルス繰り返し
周波数、および、積分器２２および比例増幅器２６から
の出力の和に比例したパルス幅を有している。その動作
が点りまで移動したときにはパルスの出力は終わり、ま
た、燃料要求が区分Ｄ−Ｈに沿って点りから離れていく
と、これに直接比例して増大する。燃料伝達の減少比率
がライン区分Ｃ−Ｄにおける点りよりも大きいときには
、ブレーキ信号が、パワー駆動部２０によって、絶対変
位燃料ポンプ／電動機１６に対して加えられる。ポンプ
制御部１４が区分Ｃ−Ｄに沿って動作しているときには
、出力ブレーキ信号は、クロック部３０の周波数に等し
い繰り返し周波数、および、比例増幅器２６がらの出力
信号の大きさに比例したパルス幅を有している。

第５図に例示されているものは、絶対変位燃料ポンプ／
電動機１６に対して加えられるブレーキ信号またはパワ
ー信号を発生させるために使用される信号のタイミング
図である。第５図に例示されている信号は、フリップ・
フロップ回路３２または４２のいずれかからの出力の発
生に使用される信号を表わすものである。第５図のＡで
例示されているクロック信号は、固定周波数のパルス列
である。第５図のＢおよびＣは、それぞれに、第５図の
Ｄに例示されているようなエラー信号に対してＢ−Ｃに
沿って移動する動作シーケンスのための、パルス幅制御
部４０およびパルス幅制御部２８の出力を例示している
。安定な状態は、燃料の要求において、より小さい変化
比率に比例的に対応するような、エラー信号の正の最大
値からゼロまでの移動とともに、ゼロ点によって表され
る。

エラー信号の負の最大値からゼロまでの移動は、燃料の
要求において、より小さい増大比率に比例的に対応して
いる。ここで注意されるべきことは、第５図のＢにおけ
るパルスのデユーティ・サイクルは、第４図での点りの
場所の結果として、正のエラー信号に対してゼロになる
こと、および、ゼロ・エラー信号が表していることは、
第５図のＣで表されるように、装置にパワーを入力させ
ること、ということである。

この発明の説明はその好適な実施例についてなされたけ
れども、理解されるべきことは、この発明の精神および
範囲から逸脱することなく、多種多様の修正が可能なこ
とである。そして、このような修正の全ては、この発明
の特許請求の範囲に入るべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の電力によるポンプおよびその制御
部を含んでいるガス・タービン・エンジンを例示するブ
ロック図、第２図は、この発明の′１π力による燃料制
御部を例示するブロック図、第３Ａ図ないし第３Ｃ図は
、第１図におけるこの発明のポンプ制御部の好適な実現
を例示する電気的な概略図５第４図は、供給される燃料
と燃料の流れを要求刷る信号との間の差に対して、電動
機および関連のポンプにより供給される／取り出される
パワーを例示するグラフ図、第５図は、第２図の装置に
よって生成される種々の信号を例示する波形図である。１０：ガス・タービン・エンジン、１２：エンジン速度制御部、１４：ポンプ制御部、１６：絶対変位燃料ポンプ／電動機、１８：タコメータ、２０：パワー駆動部、２２：精分器、２４：周波数−電圧コンバータ、２６：比例増幅器、２８：駆動用パルス幅制御部、３０：クロック部、３２．４２：フリップ・フロップ回路、３４ニブレーキ
・スレッショルド部、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ガス・タービン・エンジンのための電力による燃
料制御装置であつて：（ａ）パワー信号に応答してガス・タービン・エンジンに燃料を供給するための、電力による燃
料供給手段であって、該燃料供給手段は、増大した燃料
の供給により該エンジンをして増大したパワーを生成せ
しめ、また、減少した燃料の該エンジンへの供給により
該エンジンをして減少したパワーを生成せしめるもの；（ｂ）該エンジンに対して供給される燃料を増大せしめること、および、該エンジンに対して供
給される燃料を減少せしめることを選択的に行うための
、該エンジンに対する燃料要求の特定化手段であって、
該特定化された燃料要求に比例した燃料の流れの要求信
号の生成を特定化するためのもの；（ｃ）該電力による燃料供給手段における移動要素の検知された速度に比例した信号を生成させ
るための検知手段；（ｄ）ブレーキ信号に応答して、電力による燃料供給手段による燃料の伝達比率にブレーキをか
ける手段；および（ｅ）３個の区分を有する応答特性に従って、該電力による燃料供給手段およびブレーキ手段をそ
れぞれに制御するための、該速度信号および燃料の流れ
の要求信号に応答して該ブレーキ信号およびパワー信号
を生成させる制御手段であって；その第１の区分におい
ては、該ブレーキ手段は、該特定化手段で特定化された
燃料のある所定の減少比率よりも大きい燃料の減少比率
に対するブレーキ信号によって励起され、その第２の区
分においては、該電力による燃料供給手段は、該特定化
手段で特定化されたある所定の減少比率よりも小さい燃
料の減少比率に対するパワー信号によって励起され、そ
して、その第３の区分においては、該電力による燃料供
給手段は、該特定化手段で特定化された燃料の増大比率
に対するパワー信号によって励起されるもの；からなる、前記ガス・タービン・エンジンのための電力による燃料制御装置。