JPH0456136B2

JPH0456136B2 -

Info

Publication number: JPH0456136B2
Application number: JP57137916A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yoshida
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-08-10
Filing date: 1982-08-10
Publication date: 1992-09-07
Also published as: JPS5928024A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ガスタービンエンジンの制御装置に
関し、特に自動車用ガスタービンエンジンのサー
ジングを抑制する際に、サージングを検出するた
めに設けたサージ検出手段が故障したときに、そ
の異常状態を検知して、サージング抑制手段の暴
走を防ぐべくフエイルセーフを施し、以つてサー
ジングの発生を抑制するようにしたものである。

ガスタービンエンジン、特に２軸型のガスター
ビンエンジンにおいては、圧縮機を通過する空気
流量および圧縮機の入口と出口との圧力比が同時
にある一定の領域内に入ると、鳴音、振動を伴な
うサージングを生じることが知られている。サー
ジングが発生すると、エンジンの運転不能あるい
は破損といつた重大な不具合をもたらす惧れがあ
る。一方、エンジンの効率はサージングが発生す
る近傍で最大となることもよく知られており、サ
ージングを避けつつできるだけサージングに近い
ところで運転させることがガスタービンエンジン
の制御系を設計する上で最も重要な課題の一つと
なつている。

ここで、従来では、特開昭53−93212，特公昭
56−7048等に開示されているように、このような
サージングを回避するため、運転条件によつて燃
料供給量や可変ノズル開度等の制御量に対し予め
定めた所定の制限を施しておくプログラム制御が
行われていた。しかしながら、このようなプログ
ラム制御においては、いかなる運転モードにあつ
てもサージングに突入することを回避するため、
必要以上に大きなサージングマージンを必要と
し、そのために加速性能や効率の点で劣つてしま
うという弊害があつた。また、エンジンの経時変
化や空気流路の詰まり等によつて設計時点で定め
たサージングマージンが不足してしまい、サージ
ングが発生する惧れもあつた。

また、ガス発生機の回転速度について閉ループ
制御を行つている場合には、サージングが発生す
るとガス発生機の回転速度が低下するので、これ
を修正すべくより多くの燃料が供給されるように
制御され、かえつてサージングを一層助長してし
まうという制御上の問題もあつた。

このような従来の問題点に着目して、ガスター
ビンエンジンのサージングを検出し、サージング
の程度に応じてガス発生機の目標回転速度をサー
ジングを回避できる方向に補正制御するようにな
し、以ていかなる運転モードにあつてもサージン
グを確実に回避できるようにガスタービンエンジ
ンの制御装置を構成することが考えられる。

この場合に、サージングを検出するセンサが故
障すると、サージング回避のための制御は暴走し
てしまう。一般に、サージングは、ガス発生機の
加速の途中で発生しやすく、その加速が急激であ
ればあるほど、サージングの発生する可能性が高
いので、このような状態でサージング検出センサ
が故障してしまうと、サージングは抑圧されず
に、エンジンを破損する惧れが大きい。

そこで、本発明の目的は、上述のようにサージ
ング検出を行つてサージング抑制を行うにあたつ
て、そのサージング検出手段に異常が生じたとき
には、サージング抑制のための制御系にフエイル
セーフをかけ、サージングの発生を強制的に抑圧
する方向にかかる制御系を駆動するように適切に
構成配置したガスタービンエンジンの制御装置を
提供することにある。

以下に、図面に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

第１図は、本発明を適用したガスタービンエン
ジンの全体構成の１例を示す。

本例におけるガスタービンエンジンは、再生式
ガスタービンの一形式である熱交換器付２軸ガス
タービンエンジンである。

図において、１は圧縮機、２はガス発生機軸１
Ａに圧縮機１と同軸に取付けた圧縮機タービンで
ある。３はパワタービンであり、減速機４を介し
て図示しない変速機を駆動し、動力を車輪に伝え
る。５はエアフイルタであり、大気はエアフイル
タ５に取り込まれて清浄化され、圧縮機１で圧縮
された後、熱交換器６を通つて加熱されて燃焼器
７に至る。燃焼器７においては、燃料供給装置８
から供給された燃料が、上述のように熱交換器６
を介して供給された空気により燃焼される。燃焼
ガスは、圧縮機ターピン２を駆動し、さらに可変
ノズル９を介してパワタービン３を駆動した後、
熱交換器６を介して冷却されて、排気マフラ１０
から排気として大気中に排出される。

このように構成される各部を駆動制御する制御
系は、制御部１１を中核となし、燃料供給装置８
および可変ノズル９を駆動する駆動装置１２を包
含するものであり、ガス発生機回転速度検出器１
３，パワタービン回転速度検出器１４，圧縮機タ
ービン入口温度検出器１５，サージセンサ１６お
よびアクセルペダルの踏み角を検出するアクセル
開度センサ１７を制御部１１の入力とする。ここ
で、サージングセンサ１６は、圧縮機１への空気
の入口側または出口側の圧力、もしくは両者の差
圧を検出する機能を有し、サージングが発生した
場合やサージングに近い状態のときに圧縮機１の
空気の入口側と出口側との圧力差に大きな変動が
生ずることを利用してサージングの発生を検出す
る。

第２図には、かかる構成のサージセンサ１６の
取付位置の１例を示す。図において、２０１は吸
入ケーシング２０２とシユラウド２０３との間に
形成された空気吸入部である。２０４はシヤフ
ト、２０５はシヤフト２０４に取り付けられた圧
縮機羽根車（ロータ）である。２０６はベーン式
のデイフユーザで、このデイフユーザ２０６とロ
ータ２０５との間にはベーンなしデイフユーザ
（空気通路）２０７が形成されている。ロータ２
０５の入口付近のシユラウド２０３には、小孔２
０８を設け、小孔２０８のロータ２０５と対向す
る開口側にサージセンサ１６を取付ける。この場
合、サージセンサ１６は、ロータ２０５の入口付
近の圧力（静圧）を検出する。また、サージセン
サ１６の他の取付位置としては、ロータ２０５の
出口付近のシユラウド２０３に設けた小孔２０９
におけるロータ２０５と対向する開口側でも構わ
ない。この場合には、サージセンサ１６は、ロー
タ２０５の出口付近の空気通路２０７での圧力
（静圧）を検出する。なお、サージセンサ１６と
して使用する圧力センサは、応答が、例えば１〜
10msと速く、サージングが発生したときの圧力
衝撃に耐えうるものを使用する。

次に上述の制御系の基本的な制御としては、主
に回転数の要求値であるアクセルペダルの踏み角
により目標回転速度を決め、その目標値に対応し
た燃料供給量を演算し、燃料噴射弁を含む燃料供
給系を駆動することによつてガス発生機を回転さ
せ、この回転速度が前述の目標回転速度に一致す
るようにフイードバツク制御（閉ループ制御）を
行う回転制御と、ガス発生機の回転速度に応じて
最も効率が良くなるように予め定めたターピン入
口温度の目標値に対し、可変ノズル９を開閉する
ことによつてタービン入口温度のフイードバツク
制御を行う温度制御との二つに加え、さらにガス
タービンエンジンのサージングを検出し、検出し
たサージングの程度に応じて燃料供給量や可変ノ
ズル９の開度をフイードバツク制御するサージン
グ制御の三つがある。

本発明装置は、上述の回転制御にサージング制
御の機能を加味した制御系から成り、その詳細を
第３図Ａに示す。

図において、３１は低域濾波部、３２はガス発
生機回転速度（Ngg）の目標発生部、３３は演算
部、３４は燃料供給系駆動部、３５はサージ回避
信号発生部、３６は周波数−電圧変換器（以下、
FV変換器と称する）、３７および３８は減算器で
ある。FV変換器３６は、ガス発生機回転速度検
出器１３からの検出信号１３Ｓを回転速度に比例
した電圧信号に変換し、ガス発生機回転速度信号
３６Ｓとして減算３８およびサージ回避信号発生
部３５へ送出する。サージ回避信号発生部３５
は、サージセンサ１６からのサージング信号１６
ＳとFV変換器からのガス発生機回転速度信号３
６Ｓを入力とし、サージングの程度に応じてサー
ジングを回避するためのサージ回避信号１２２Ｓ
を減算部３７へ送出するとともに、サージセンサ
１６が正常かどうかを診断し、正常でない場合に
は、サージセンサ異常診断信号１３５Ｓを低域濾
波部３１へ送出する。低域濾波部３１では、アク
セル開度センサ１７からのアクセル開度信号１７
Ｓおよびサージ回避信号発生部３５からのサージ
センサ異常診断信号１３５Ｓを入力とし、アクセ
ル開度信号１７Ｓに基づいて行われるガス発生機
の加速を制限するために、アクセル開度信号１７
Ｓを所定の時定数を有する一次遅れ回路で低域濾
波する。また、サージセンサ異常診断信号１３５
Ｓによつて、サージセンサ１６が異常と診断され
た場合は、上述の時定数の値を大きくすることに
よりアクセル開度信号１７Ｓに基づいて行われる
ガス発生機の加速をさらに制限し、サージングの
発生を定常的に制御する。

第３図Ｂは低域濾波部３１の回路構成の１例を
示し、ここでBAはバツフアアンプ、Ｒ１，Ｒ２
は抵抗、Ｃはコンデンサ、およびASWはアナロ
グスイツチである。正常状態にあつては信号１３
５Ｓの入来はないのでスイツチASWは閉成状態
にあり、時定数τは τ＝R1・Ｃとなる。しかるに、サージングが発生すると信号
１３５Ｓの入来によりスイツチASWが開き、時
定数τは τ＝（R1＋R2）・Ｃと大きくなる。

次に、目標値発生部３２では、低域濾波部３１
からの低域濾波されたアクセル開度信号３１Ｓを
入力とし、この信号に比例した目標回転速度とア
イドル時の目標回転速度とを関数発生し、これら
を加算してガス発生機の目標回転速度信号３２Ｓ
として減算部３７へ送出する。減算部３７では、
目標発生部３２の出力信号３２Ｓからサージ回避
信号１２２Ｓを減算し、減算結果を減算部３８へ
送出する。減算部３８では、減算部３７の出力信
号からガス発生機回転速度信号３６Ｓを減算し、
減算結果を回転偏差信号３８Ｓとして演算部３３
へ送出する。演算部３３、比例、積分および微分
の３要素からなるPID制御器と変化範囲を制御す
る制限器を有し、供給された回転偏差信号３８Ｓ
が次第に零になるようなPID制御信号を発生す
る。さらに、燃焼器７での吹消えや過温度を防止
するため、PID制御信号の変化範囲を予め定めた
関数特性を有する制限器で制限し、燃料制御信号
３３Ｓとして燃料供給系駆動部３４へ送出する。
燃料供給系駆動部３４はパルス幅変調器で構成
し、燃料制御信号３３Ｓを電磁式の燃料噴射弁を
駆動するのに適したパルス信号に変換し、燃料供
給系駆動信号３４Ｓとして燃料供給系８へ送り、
これにより燃料供給を制御する。

第４図Ａは、サージ回避信号発生部３５の構成
の１例を示し、ここで、１１０はサージ判定部、
１２０は関数発生部および１３０はセンサ異常診
断部である。サージ判定部１１０にはサージセン
サ１６からの出力信号１６Ｓが供給され、サージ
判定部１１０の出力は関数発生部１２０を介して
サージ回避信号として減算部３７へ送出される。
また、センサ異常診断部１３０にはガス発生機回
転速度信号３６Ｓおよびサージセンサ１６の出力
信号１６Ｓが供給され、センサ異常診断部１３０
の出力は、センサ異常診断信号１３５Ｓとして低
域濾波器３１へ送出される。

サージ判定部１１０において、１１１はフイル
タであり、サージセンサ１６からの出力信号１６
Ｓのうち不要な周波数帯域を減衰させる。１１２
はバツクグランドノイズレベル（GL）発生器で
あり、通常はバツクグランドノイズレベル電圧
（以下、BGL電圧という）１１２Ｓとしてフイル
タ１１１の出力信号を整流、平均して出力する。
また、後述する単安定マルチバイブレータ１１６
からの通電禁止信号１１６Ｓによつてサージング
と判定されてから所定の時間だけフイルタ１１１
からの信号１１１Ｓを短絡することによつて１１
２Ｓを出力する。

第４図ＢにこのBGL発生器１１２における信
号１１１Ｓを整流，平均化するための回路構成例
を示し、アナログスイツチSWがマルチバイブレ
ータ１１６からの通電禁止信号１１６Ｓによつて
閉成されると、フイルタ１１１からの信号１１１
ＳがこのスイツチSWから半波整流器HWR，ロ
ーパスフイルタLPFおよびアンプAMPを介して
BGL信号１１２Ｓが形成される。

次に１１３は比較器であり、フイルタ１１１か
らの出力信号１１１ＳをBGL電圧１１２Ｓと比
較し、フイルタ１１１からの出力信号１１１Ｓが
BGL電圧１１２Ｓを上回つたときに、第５図Ｂ
に示すサージング検出信号１１３Ｓを出力する。
ここで、フイルタ１１１からの出力信号１１１Ｓ
は、サージングの程度に応じて変化し、第５図Ａ
に示すように、例えばサージングの強・弱・中の
程度に応じて波形１１１Ｓ−１，１１１Ｓ−２お
よび１１１Ｓ−３のように変化する。この結果、
サージング検出信号１１３Ｓは、サージングの程
度に応じてパルスの幅および数が変化し、例え
ば、この信号１１３Ｓのパルス幅が広くかつパル
ス数が多い場合には強度のサージングが発生して
いることになる。１１４は積分器であり、サージ
ング検出信号１１３Ｓを比較的急速に充電し低速
に放電する。１１５は比較器であり、この積分器
１１４からの積分信号１１４Ｓ（第５図Ｃ参照）
を所定の電圧V₁₁₅と比較し、積分信号１１４Ｓが
所定の電圧V₁₁₅を上回つたとき第５図Ｄに示すよ
うにサージング判定信号１１５Ｓを出力するヒス
テリシス機能を有する。積分信号１１４Ｓは、サ
ージングの程度を電圧値で対応させてあり、比較
器１１５では微弱なサージング、またはサージン
グではないノズルに起因する電圧は所定の電圧
V₁₁₅と比較されることにつて棄却される。この結
果、所定の強度以上のサージングが実質的なサー
ジングと判定されることになり、サージング判定
が極めて正確かつ高感度に行える。１１６は単安
定マルチバイブレータであり、サージング判定信
号１１５Ｓの立ち上がりから所定のパルス幅を有
するパルス信号１１６Ｓ（第５図Ｅ参照）を発生
し、サージングと判定された瞬間から所定の時間
だけBGL電圧の過剰上昇を防止すべくバツクグ
ランドノイアズレベル発生部１１２へこの信号１
１６Ｓを通電禁止信号として出力する。

次に、関数発生部１２０において、１２１は単
安定マルチバイブレータであり、サージング判定
信号１１５Ｓの立ち上がりから所定のパルス幅を
有するサージパルス信号１２１Ｓ（第５図Ｆ参照）
を発生する。また、１２２積分器であり、サージ
パルス信号１２１Ｓを比較的急速に充電し低速に
放電してサージ回避信号１２２Ｓ（第５図Ｇ参照）
として出力する。

次に、センサ異常診断部１３０おいて、１３１
はフイルタであり、サージ判定部１１０のフイル
タ１１１と同じく、サージセンサ１６からの出力
信号１６Ｓから不要な周波数帯域を減衰させる。
１３２は平均回路であり、フイルタ１３１からの
出力信号１３１Ｓを整流し、平均化する。１３３
は比較器であり平均回路１３２からの平均信号１
３２Ｓを所定の基準電圧V₁₃₃と比較し、平均信号
１３２Ｓが基準電圧V₁₃₃を下回つたときに正の出
力信号１３３Ｓを発生する。また、１３４は比較
器であり、前述のガス発生機回転速度信号の電圧
が所定の基準電圧V₁₃₄を上回つているときに正の
出力信号１３４Ｓを発生する。１３５はアンドゲ
ートであり、比較器１３３および比較器１３４の
各出力信号１３３Ｓおよび１３４Ｓの論理積をと
り、これらの出力信号１３３Ｓ，１３４Ｓが共に
であるとき、正となるようなセンサ異常診断信号
１３５Ｓを発生する。ここで、サージングの発生
していない条件下で、サージセンサ１６が十分大
きな出力信号を発生しうる比較的小さなガス発生
機回転速度に相当する電圧値を基準電圧V₁₃₄の値
として与え、一方、基準電圧V₁₃₃の値を基準電圧
V₁₃₄の値以上のガス発生機回転速度のとき得られ
る比較的小さな平均信号に相当する電圧値として
予め設定しておく。この結果サージセンサ１６が
故障してサージングが発生しているにもかかわら
ず、出力信号が十分大きくならないような場合に
は、このセンサ異常診断部１３０からのセンサ異
常診断信号１３５Ｓによつてその故障を検出する
ことができる。また、サージセンサ１６の故障だ
けでなく、配線の不良やコネクタの接触不良に対
しても有効である。さらに、センサ異常診断信号
１３５Ｓをもとに、図示しない発光ダイオード等
によつてサージセンサ１６の異常を表示して、運
転者にサージセンサの異常を伝達できる。

次に、第６図は第１図に示した本実施例におけ
る動作を示すタイムチヤートである。以下に、第
６図に基づいて本実施例の動作を説明する。

いま、時点Ｔ１において運転者により、第６図
Ａに示すように、アクセルペダルがやや踏まれた
状態から比較的急速に踏み込まれアクセル開度が
全開になつたとすると、低域濾波部３１を介して
目標値発生部３２で得られたガス発生機の目標回
転速度Ngg′も第６図Ｂに示すように同様に増大
する。目標回転速度Ngg′が増大すると、減算部
３７および減算部３８を順次介して得られた回転
偏差信号３８Ｓも増大するので、演算部３３で燃
料を増量する指令が出され第６図Ｅに示すように
燃料供給量wfが増大する。燃料供給量wfが増大
すると、ガス発生機の回転速度Nggが第６図Ｃに
示すよう上昇し、それ伴ないパワータービン３の
回転速度Nptも第６図Ｄに示すように次第に上昇
する。

ここで、サージングは、このようなガス発生機
の加速の途中で発生しやすい傾向があり、加速が
急であればあるほどその傾向が高まることが知ら
れている。そこで、このようなガス発生機の加速
中の時点Ｔ２において軽いサージングが発生した
ものとすると、サージセンサ１６の出力信号１６
Ｓは第６図Ｆに示すように、振幅の増大部１６Ｓ
−１が生じ、サージ回避信号発生部３５から第６
図Ｇに示すようなサージ回避信号１２２Ｓが発生
する。サージ回避信号１２２Ｓは、減算器３７で
ガス発生機の目標回転速度Ngg′をすみやかに所
定量だけ減じ、再び徐々に下に戻す（第６図Ｂ参
照）。このため、燃料供給量wfも一時的に減らさ
れるので、サージングがすみやかに消失し、エン
ジンを継続して運転できる。また、サージ回避信
号発生部３５のサージング検出感度は前述のよう
に十分に高いので、強度のサージングはもちろん
軽度のサージングもしくはサージングの前駆過程
をも検出できるので、常にサージングなしの状態
もしくはごく微弱なサージング状態に制御でき、
運転フイーリングを損なうことなく効率の良い運
転が可能となる。

なお、第６図には、ガス発生機の加速過程での
サージング回避の様子を示したが、定常状態で発
生するサージングに対しても全く同様にして制御
できることは勿論である。

また、本実施例においては、サージ回避信号発
生部３５においてサージセンサ１６の故障診断を
行うようにしたので、万一サージング発生の危険
性が最も高いガス発生機の加速時にサージセンサ
１６が故障しても、低速濾波部３１で時定数を大
にすることにより、サージングの発生を定常的に
抑圧できエンジンを破損させる惧れはない。

以上説明したように、本発明によれば、ガスタ
ービンエンジンのサージングを検出し、サージン
グが発生した場合にはガス発生機の目標回転速度
を比較的すみやかに減じた後、再び元の状態に
徐々に戻すようになしてサージングについての閉
ループ制御を行うにあたり、サージング検出手段
に異常があるか否かを常に検知し、異常が検知さ
れたときには、ガス発生機の目標回転速度の加速
度を所定値以下に制限するようにフエイルセーフ
制御を行い、以つてサージングの発生を強制的に
抑圧するようにしたので、サージングを回避しな
がらサージング領域に近い状態で運転を行うと共
にサージング検出不能の故障時には運転状態はサ
ージング領域から多少遠ざかるのでエンジン効率
は若干低下するものの、エンジンを破損したりす
る惧れはなく、全体として、運転性を損なうこと
なく、加速性に優れた効率の良い運転性を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用したガスタービンエンジ
ンの構成図、第２図は第１図示のサージセンサの
取付位置を示す部分断面図、第３図Ａは第１図示
のエンジンの制御系を示すブロツク図、第３図Ｂ
は第３図Ａに示す低域濾波部の１例を示す回路
図、第４図Ａは第３図Ａに示すサージ回避信号発
生部の詳細ブロツク図、第４図Ｂは第４図Ａに示
すBGL発生器の一部を示す詳細ブロツク図、第
５図Ａ〜Ｇは第３図Ａに示す各部の信号波形図、
第６図Ａ〜Ｇは第１図示のエンジン各部の動作を
示すタイムチヤートである。１…圧縮機、１Ａ…ガス発生機軸、２…圧縮機
タービン、３…パワータービン、４…減速機、５
…エアフイルタ、６…熱交換器、７…燃焼器、８
…燃料供給装置、９…可変ノズル、１０…排気マ
フラ、１１…制御部、１２…駆動装置、１３…ガ
ス発生機回転速度検出器、１４…パワータービン
回転速度検出器、１５…圧縮機タービン入口温度
検出器、１６…サージセンサ、１７…アクセル開
度センサ、３１…低域濾波部、３２…目標値発生
部、３３…演算部、３４…燃料供給系駆動部、３
５…サージ回避信号発生部、３６…FV変換器、
３７，３８…減算器、１１０…サージ判定部、１
１１…フイルタ、１１２…バツクグランドノイズ
レベル発生器、１１３…比較器、１１４…積分
器、１１５…比較器、１１６…単安定マルチバイ
ブレータ、１２０…関数発生部、１２１…単安定
マルチバイブレータ、１２２…積分器、１３０…
センサ異常診断部、１３１…フイルタ、１３２…
平均回路、１３３…比較器、１３４…比較器、１
３５…アンドゲート、１６Ｓ…サージング信号、
１２２Ｓ…サージ回避信号、１３５Ｓ…サージセ
ンサ異常診断信号。

Claims

【特許請求の範囲】１ガス発生機の回転速度を所定の目標回転速度
に一致させるように閉ループ制御を行うガスター
ビンエンジンの制御装置において、サージングの
発生を検出するサージ検出手段と、該サージ検出
手段からの出力に基づき発生したサージングの強
さを判定するサージ判定手段と、該サージ判定手
段からの判定出力に基づいてサージングを回避す
るように前記ガス発生機の目標回転速度を補正す
る補正手段と、前記サージ検出手段の異常を検知
する異常検知手段と、該異常検知手段により前記
サージ検出手段の異常が検知されたときにガス発
生機の加速度を所定値以下に制御するサージ制御
手段とを具備したことを特徴とするガスタービン
エンジンの制御装置。２特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
て、前記サージ判定手段、前記サージ検出手段か
らの出力を所定の基準値と比較する比較手段を有
し、該比較手段により前記出力が前記基準値を越
えたことが判定されたときに前記補正手段に向け
てサージングが発生した旨の判定出力を送給する
ことを特徴とするガスタービンエンジンの制御装
置。３特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
装置において、前記補正手段は、前記サージ判定
手段からサージングが発生した旨の判定出力が供
給されたときに、前記ガス発生機の目標回転速度
を所定量だけ速やかに減少させた後、再び徐々に
増加させるように前記目標回転数を補正すること
を特徴とするガスタービンエンジンの制御装置。４特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
の項に記載の装置において、前記サージ検出手段
は発生したサージングの強さに応じて振幅が変動
するサージ検知出力を発生し、前記異常検知手段
は前記サージ検知出力の振幅が所定の振幅よりも
小さくなつたことを検知したときに前記サージ検
出手段の異常判定を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。