JPH01273835A - ガスタービン機関のサージング検出装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービン機関（以下、ガスタービンエン
ジンと呼ぶ）のエンジントラブルとなるサージングを早
急に回避するため、そのサージング発生を正確に検出す
るサージング検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より燃焼ガスによってコンプレッサタービンを回転
駆動させ、コンプレッサタービンからのガスにより出力
タービンを回転駆動させる２軸式ガスタービンエンジン
が知られている。２軸式ガスタービンエンジンの構成は
、第６図に示すようになっている。図において、１０ａ
は圧縮機、１０ｅは熱交換器、ｌＯｆは燃焼器、１８は
燃料アクチュエータ、１０ｂはコンプレッサタービン、
１０ｇは可変ノズル、２８は可変ノズルアクチュエータ
、１０Ｃは出力タービンである。作動は圧縮機１０ａに
より空気を圧縮し、熱交換器１０ｅによりさらに高温に
して燃焼器１０ｆにより燃焼させて高温ガスを作り、コ
ンプレッサタービン１０ｂを駆動する。さらにコンプレ
ッサタービン１０ｂを通ったガスは可変ノズル１０ｇを
通り、出力タービン１０ｃが駆動される。

ここでエンジン効率は、タービン入口温度Ｔ、が高い程
熱効率が良くなるために燃料制御および可変ノズル制御
を行なっている。

このようなガスタービンエンジンの特性としては、第７
図に示すように、圧縮機回転数（エンジン回転数）Ｎｌ
　に応じたサージング領域Ｓがある。

第８図及び第９図は、エンジンにサージングが発生した
際の圧縮機１０ａの出口圧力Ｐ３　、空気流ｉＧ、、圧
縮機回転数Ｎ１及び熱交換器１０ｅ上流のガス温度Ｔ６
夫々の変化を示すデータである。

これらの図からも明らかなようにエンジンにサージング
が発生すると、急激な圧縮機出口圧力Ｐ３の低下により
エンジンの運転は不能になり、また空気の脈動（第８図
）によりインペラ等に悪影響を及ぼす。そのため、エン
ジン運転中、サージング領域Ｓに入ることは防止されな
ければならない。

従って、従来は、第７図に示すような、空気流ＩＧ、と
、圧縮機出口圧力Ｐ３と大気圧Ｐ。との圧力比Ｐｓ／Ｐ
ａ　との間係よりコンプレッサの特性を予め把握し、サ
ージング領域Ｓに入らない安全な範囲で可変ノズル７の
制御、エンジン回転数（燃料流量）の制御を行っている
。

ところで、エンジンを効率よく運転しようとすると、サ
ージング領域Ｓに近い部分（Ｔ４　ライン）で運転を行
なうことが望ましいが、そうすると、長時間運転中にエ
ンジン負荷状態の変化により、サージング領域Ｓに入る
ことがある。従来このような場合には、運転者が経験的
にサージングを検知して手動にて可変ノズルおよびエン
ジン回転数の制御を行い、早急にサージングするように
していた。

また、別のサージング検知方法としては、サージングの
際急激に降下する圧縮機の出口圧力に着目し、その圧力
変化を連続的に検出し、その変化量が予め設定された値
を超えた場合、サージングと判定する装置も知られてい
る（特開昭６１−１０６９２６号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した運転者によるサージング検出は基本的に：ま運
転者自身の経験や感覚に依存するため、状況によっては
サージング検出が遅れ、サージング発生防止アクション
をとるまで時間を要してしまい、エンジンがダメージを
受けてしまう恐れがある。従って圧縮機の出口圧力の変
化度合を検出してサージングの有無を判定する方法が比
較的有効と考えられている。しかしながら一般に圧縮機
の出口圧力Ｐ３は、サージングが発生しない通常運転時
においても第１０図に示すように圧縮機の回転数Ｎ、と
可変ノズルの開度α、とによって変化するため、回転数
Ｎ１や開度α３の変化によってはサージングと判定する
設定値を超えることもあり、誤ってサージングと判定し
た場合、エンジン効率を不必要に低下させることがある
。本発明は以上の課題に鑑み、運転者の感覚に依ること
なく、正確にサージングを検出する装置を提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記目的のため本発明によれば、空気を吸収圧縮する圧
縮機の出口圧変化により機関のサージングを検出するガ
スタービン機関のサージング検出装置において、 上記圧縮機の出口圧力を検出する圧力センサと、圧縮機
の回転数を検出する回転数センサと単位時間当たりの上
記出口圧力変化を演算する圧力変化演算手段と、演算さ
れた圧縮機出口圧力変化を圧縮機回転数及び可変ノズル
開度に応じて補正する圧力変化補正手段とを備え、以っ
て補正された上記圧力変化に基づきサージングの有無を
検知することを特徴とするガスタービン機関のサージン
グ検出装置が提供される。

〔作　用〕

圧力変化補正手段は、圧縮機の出口圧力変化を、圧縮機
回転数及び可変ノズル開度に応じて補正する。そして補
正された正確な圧力変化を以ってサージングが発生して
いるか否かを判定することにより従来の誤判定を解消す
る。

〔実施例〕

以下に本発明のガスタービンエンジンのサージング検出
装置の望ましい実施例を図面を参照して説明する。

第１図には本発明によるサージング検出装置を備えた２
軸式ガスタービンエンジンを用いた自動車が概略的に示
されている。同図において、１０は２軸式のガスタービ
ンエンジンであり、この載量１０の出力はオートマチッ
クトランスミッションギア１２、ディファレンシャルギ
ア１４を介して車輪１６に伝達される。

２軸式ガスタービンエンジン１０は、ガス発生機と称せ
られる圧縮機（コンプレッサＣＮ０ａ及び圧縮機タービ
ン（コンプレッサタービンＣＴ）１０ｂが互いに同軸に
結合されており、出力タービン（パワータービンＰＴ）
１０ｃは減速ギア１０ｄを介して先のオートマチックト
ランスミッションギア１２と接続されている。吸入空気
は、圧縮機１０ａによって圧縮された後熱交換器（Ｒ）
１０ｅを介して燃焼器（Ｂ）１０ｆに送り込まれる。燃
焼器１０ｆから出るガスは、コンプレッサタービン１０
ｂに送り込まれてこれを駆動し、次いで可変ノズル１０
ｇを介して出力タービン１０ｃに送り込まれてこれを駆
動した後、熱交換器１０ｅを介して排気される。

燃焼器１０　ｆへの燃料供給流ｆｆ１ＧＦは、メータリ
ングバルブ１８によって制御される。このメータリング
バルブ１８は、制御回路２０から送り込まれる駆動信号
によって連続的もしくは間欠的に作動する。燃料タンク
２２からの燃料は燃料ポンプ２４によって加圧され、メ
ータリングバルブ１８に送り込まれる。レギユレータ２
６は、メータリングバルブ１８の入口１８ａと出口１８
ｂとの差圧が一定となるように燃料ポンプ２４で加圧さ
れた燃料を燃料タンク２２へ戻している。

部分負荷特性を改善するため、即ち、圧縮機タービン１
０ｂと出力タービン１０ｃとの仕事量の割合を変化させ
て熱効率を改善させるためにノズル取付角を可変とした
可変ノズル１０ｇは、制御回路２０から送り込まれる信
号によって作動するアクチュエータ２８によって駆動せ
しめられる。

ガスタービンエンジン１０以外では、アクセルペダル３
０の踏み込み量θａｃｃに応じた電圧を発生するポテン
ショメーク３２からその踏み込み量電圧が又、大気温セ
ンサ３４から大気温度ＴＯに応じた電圧が夫々制御回路
２０に送り込まれる。

エンジン１０内部には、例えば電磁ピックアップからな
る圧縮機回転数センサ１０ｈからは圧縮機１０ａの回転
数Ｎｌに応じた電圧が制御回路２０に入力され、圧縮機
１０ａより下流側にはその出口圧力Ｐ３に応じた電圧を
出力する圧力センサ１０ｉが設けられており、その出力
は制御回路２０に入力される。

加えて例えば熱電対等から構成される温度センサ１０ｊ
及び１０には熱交換器（Ｒ）１０ｅを介した吸入空気温
度Ｔ３５と、出力タービン１０ｃを経て熱交換器（Ｒ）
１０ｅに導入されるガス温度Ｔ６とを夫々検出し、回転
数センサ１０ｐ及び１２ａは、減速ギア１０ｄの出力軸
、オートマチックトランスミッションギア１２の出力軸
、夫々の回転数Ｎ３及びＮｐに応じた電圧を制御回路２
０に出力する。

制御回路２０はマイクロコンピュータで構成され演算と
制御の機能を有する。中央処理装置（ＣＰＵ）２０ａと
プログラムを記憶させたリードオンリメモリ　（ＲＯＭ
）２０ｂと、データ等と記憶させるランダムアクセスメ
モリ　（ＲＡＭ）２０ｃと、上述した各特性を入力する
アナログ部入力ポート（ＩＮＰ−）２０ｄと、これら入
力データをデジタル変換するＡ／Ｄ変換器２０ｅと、デ
ジタル出力するキースイッチ３６、並びにシフトレバ−
３８からの信号Ｋｅｙ及びＳＰを人力するデジタル部人
力ボート　（ＩＮＰｄ）２Ｏｆと、これらの検出値をも
とに演算された結果を以って、可変ノズル１０ｇの開度
α、や、メータリングバルブ１８からの燃料流ｌＧｆを
ＩＩＩ御する信号を出力したりオートマチックトランス
ミッションギア１２にスロットル信号θｔｈ、変速信号
５ＩＳＳ２、Ｓ３を出力する出力ポート　（ＯＴＰ）２
０ｇとから成り、これらはバス２０ｈによって相互に接
続されている。

以上のように構成されるガスタービンエンジンにおいて
、本発明によれば圧縮機の出口圧Ｐ３の単位時間当たり
の変化量を、圧縮機１０ａの回転数Ｎ１　と、可変ノズ
ル１０ｇの開度α、とで補正し、補正された出口圧Ｐ３
変化量の大小に応じてサージングの有無が検出される。

以下、この出口圧Ｐ３変化を単位時間当たりの圧力変化
度合でみる場合と、圧力変化度合及びその変化幅とでみ
る場合とに分けて、サージングを検出しサージング領域
から脱出する制御回路２０の作動を説明する。

第２図は圧縮機１０ａの出口圧力Ｐ３の変化幅をサージ
ング有無の判定に用いない場合の制御フローチャートで
あって、制御回路２０内のＲＯＭ２０ｂの所定領域内に
格納されており、例えば２０ｍ５ｅｃ等の所定時間毎に
実行されるルーチンとすることができる。以下、可変ノ
ズル開度αＳ１圧縮機回転数Ｎ１、及び圧力Ｐ３の経時
間的変化モデルを示す第３図を参照して本ルーチンを説
明する。

キースイッチ３６　（第１図）を入れること（ＯＮ状態
）により始まるステップＳ、では前述したポテンショメ
ータ３２、回転数センサ１０圧力センサンザ１０】及び
その他種々のセンサ等からの出力値を入力データとして
読み込む。そして続くステップＳ２ではこれら入力デー
タを基に燃料流量Ｇｆ　、可変ノズル開度αＳ１スロッ
トル信号θｔｈ、変速信号Ｓ＋　、Ｓａ　、Ｓｌを演算
する。このステップＳ１及びＮ２は従来のガスタービン
エンジンにおいても通常実行されており、本発明と何ら
変わることはない。

次にステップＳ３では本ルーチン実行毎にステップＳ１
で読み込まれる圧縮機回転数Ｎ　、と出力データである
ところの可変ノズル開度α３とにより、例えば第１０図
に示すマツプ上の式により圧力Ｐ、（又は圧力センサ１
０ｉの出力電圧）を演算して、前回フロー実行の際演算
された圧力値Ｐ３との偏差ΔＰｓ’を求める。即ち、仮
に時間ｔ１　に読み込まれる圧縮機回転数をＮ１（１）
出口圧力をＰ３（１）、又出力される可変ノズル開度を
α２（１）とすると前回のフロー実行時間ｔ　（ｉ−＋
）から今回のフロー実行時間ｔ　（１）　　にかけての
、サージングによる圧力変化を除いた圧力偏差ΔＰ、は
、第１０図に示す式により、ΔＰ３′＝△ｆ（Ｎｌ、α
、）＝ｆ　　（Ｎｌ（１）、α５（１））　　　ｆ　（
ＮＢｔ−＋）、α５（１−１））の式で求められる。こ
の偏差ΔＰ３は圧縮１１０ａの回転数Ｎ１　と可変ノズ
ル１０ｇの開度α３が変化したことによる圧縮機出口圧
力Ｐ、の変動分を表わしている。従って次のステ、ツブ
Ｓ４では、例えば第３図の点（イ）から点（ロ）にかけ
ての出口圧力変化分Ｐ３（１）　　Ｐ３（１−１）より
ステップＳ３で求めた偏差ΔＰ３を減じ、回転数Ｎ、及
び開度α、の変化による圧力変動分を補正した純粋な圧
力変化度合を求める（下式参照）。

ｄＰ、　／ｄｔ＝＝　［Ｐ３（１）　　　（Ｐ３（１−
１）＋ΔＰ３’　）　〕／（ｔ　（１）　　　ｔ　（１
−１）　）ステップＳ５では以上のようにして求められ
た圧縮機出［コ圧力変化度合ｄｏ３／ｄｔが予め実験的
に求められた、サージングに相当する所定値ａ（例えば
−４ｋｇ／　ａｍ”、　ｓｅｃ　）より小さいか否かを
判定する。即ちサージングの場合、圧力変化は減少し、
負の値をとるため、所定値ａより小さい場合にはく絶対
値は１２１以上となる）、サージング発生と判定するこ
とになる。ステップＳ５でＹｅｓ。

即ち、サージングと認められた場合には次にステップＳ
６に進み、ステップＳ２で求めた燃料流量Ｇｆ、及び可
変ノズル開度のαＳを減じるように修正する。（本実施
例の場合、係数０．９を積算して減少させている）。こ
れは第７図に示したように例えばＮ１＝７０％の圧縮機
回転数でサージング領域Ｓにはいると（Ａ点）、可変ノ
ズル開度α。

を減少させ開き側に制御した場合、運転領域設定線Ｔ４
　は下がるが圧縮機回転数Ｎ＋は高くなりＢ点の位置に
なる。そこで燃料を減少することによりＮ１＝７０％の
回転数（０点）に制御し、現状の回転数を維持したまま
サージングを防止しようとするものである。そしてステ
ップＳ７では以上のようにして演算又は修正演算された
各位Ｇｆ。

ａｓ　、θｔｈ、Ｓ＋、３２　、Ｎ３を出力して復帰す
る。

尚、ステップＳ５でＮＯ１即ちサージングでない場合に
は、ステップＳ６をスキップしてステップＳ７に進み、
通常のデータ出力を行う。

ところで圧カセンザ１０　ｉの出力電圧に対応する圧力
Ｐ３の変動には、サージングでないその他の原因（例え
ばノイズ等）により急激に変化しても又、即座に元の圧
力値に復帰する場合がある（第３図点（ハ）参照）。第
４図はこのような状況を考慮して第２図よりさらにサー
ジング検出の信頼性を高めるため、前述した単位時間当
たりの圧力変化度合に加え、その変化幅（振幅）を検定
することによりサージングの有無を検出し、サージング
領域より脱出する制御フローチャートである。

以下、圧力Ｐ３の経時的変化モデルを示した第５図を参
考として本ルーチンを説明する。

ステップＳｌｌ〜Ｓ１４は先のステップ３１〜Ｓ４と同
様であるため説明を省略する。ステップ３１５ではステ
ップ５１４（又はＳ４）で求められた補正後の圧力変化
度合ｃｌＰ、　／ｄｔを今回、新らたに求められた圧力
変化度合ｄＰ＋ｃｉ）／ｄｔとして制御回路２０内ＲＡ
？ｖ１２０Ｃに記憶し、ステップＳ１６に進み、この値
が０よりも小さいか否か、即ち圧力変化としてはサージ
ングの可能性がある減少方向か、そうでない増加又は変
化しない方向であるかの判定をする。本ステップＳ１６
でＹｅｓの場合にはステップ３１７に進み、Ｎｏの場合
には以下のステップ３１７〜Ｓ２２をスキップしてステ
ップＳ２３に進む。

ステップ３１７では前回フロー実行した際、求められた
圧力変化ｄｏ３（１−１）　／ｄｔが０以上であったか
否かを判定する。即ち、本ステップ３１７は前回より今
回にかけて圧力Ｐ３が増加、又は定常の状態から減少し
たのか（第５図点（ニ）に相当）、それとも前回より圧
力Ｐ３の減少が続行しているかく点（ニ）〜（へ）に相
当）の判定であって、前者の場合にはステップＳ１８に
進み、今回求められた圧力Ｐ３を圧力Ｐ３の最大（ｆｌ
ｐｓａどしてホールドして（第５図点（ニ）参照）、ス
テップＳ１９に進み後者の場合には以前のフロー実行の
際に既に圧力最大値Ｐ３．．がホールドされているため
圧力最大値Ｐ３．を更新せず、ステップ３１ｇをスキッ
プする。ステップ３１９は第２図フローチャートのステ
ップＳ５に相当するものであって、今回求められた圧力
変化度合ｄＰ３／ｄｔが寸−ジンクの可能性のある圧力
変化所定ｆｍａより小さいか否かを判定する。そして本
ステップ３１９でＹｅｓ、即ちサージングの可能外大と
判定されたならばステップＳ２０に進み、Ｎｏ１即ちサ
ージングでないと判定されたならば以下のステップ３２
０〜Ｓ２２をスキップして後述するステップＳ２３に進
む。ステップＳ２０では今回求められた圧力Ｐ３（ｉ）
と現在ホールドされている圧力最大値Ｐ３ｍとの差の絶
対値Ｐ、を算出し、所謂、圧力変化幅を求める。次にス
テップ３２１では以上のようにして求められた圧力変化
幅Ｐ、がサージングと判定される所定値ｂ（例えば０、
５　ｋｇ／ｃｍ２）より大きいか否かが判定され、Ｙｅ
ｓの場合にのみサージング発生と判定しく第５図点（ホ
）、ステップ３２２に進み前述したステップＳ６（第２
図）と同様の処理をし、Ｎｏの場合にはステップＳ２２
をスキップしてステップ３２３に進む。ステップ３２３
では次回のフロー実行の際（即ち、次回のステツブＳ１
フ実行の際）今回求められた圧力変化ｄＰ＋　（１）　
／ｄｔをｄＰａ　（１−１）　／ｄｔとして使用するた
め、新らたにＲＡＭ、２０ｃに格納し、ステップ３２４
で以上のようにして演算（又は修正演算）された各位Ｇ
ｆ　、ａｓ、θｔｈ、Ｓ＋　、Ｓｚ、Ｓ３を出力して復
帰することになる。

以上説明した制御ルーチンは先のルーチンに比ベサージ
ングと判定するために単位時間当たりの圧力変化（第５
図に右ける曲線の傾き）と、圧力の変化幅（同、曲線の
振幅）の２条件を加味したものであって、より信頼性が
高いものである。尚、以上（７）２制御ルーチンに共通
してサージングと判定された場合の燃料温ＱＧｆ　％可
変ノズル開度α。

の修正係数を０．９としたが、当然エンジンによってこ
の値は異なり、状況に応じて適宜設定されるものである
。

〔効　果〕

以を説明したように本発明によれば、ガスタービン機関
の圧縮機の出口圧力変化を、コンプレッサタービンの回
転数、可変ノズル開度、夫々の値に応じて補正するため
正確な圧力変化が検出可能となり、それに伴って適正な
るサージング判定が可能となり、誤判定によるエンジン
効率の悪化を防止することができる。又、運転者による
感覚的なサージング判定と異なり、速やかにサージング
回避策がとれ、エンジンに悪影響を及ぼすことがなくな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の２軸式ガスタービン機関のサージング
検出装置を示す自動車構成図；第２図はサージングを検
出し、サージングを回避する制御フローヂャート図；第
３図はサージングに伴う圧縮機出口圧力、圧縮機回転数
、可変ノズル開度の経時的変化を示すモデル図：第４図
は第２図と異なる制御フローチャート図；第５図は出口
圧力の経時的変化モデルを示す図；第６図は２軸式ガス
タービン機関の概略的構成図；第７図はガスタービン載
量のサージング領域を示す特性図；第８図及び第９図は
サージング発生に伴う圧力、回転数、空気流量、ガス温
度の変化を示す図；第１０図は圧縮機の出口圧力と圧縮
機回転数及び可変ノズル開度との関係を示すグラフ。 １０・・・ガスタービンエンジン、 １０ａ・・・圧縮機、　　　　１０ｇ・・・可変ノズル
、１０ｈ・・・圧縮機回転数センサ、 １０　ｉ・・・圧縮機出口圧力センサ、２０・・・制御
回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、空気を吸引圧縮する圧縮機の出口圧力変化により機
   関のサージングを検出するガスタービン機関のサージン
   グ検出装置であって、 上記圧縮機の出口圧力を検出する圧力センサと、圧縮機
   の回転数を検出する回転数センサと、単位時間当たりの
   上記出口圧力変化を演算する圧力変化演算手段と、演算
   された圧縮機出口圧力変化を圧縮機回転数及び可変ノズ
   ル開度に応じて補正する圧力変化補正手段とを備え、以
   って補正された上記圧力変化に基づきサージングの有無
   を検知することを特徴とするガスタービン機関のサージ
   ング検出装置。