JPH07500166A - 閉ループ燃料制御システムおよびその制御方法 - 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】 閉ループ燃料制御システムおよびその制御方法（技術分野） 本発明は始動中ガスタービンエンジンへの燃料流量を調整する燃料制御システム およびその制御方法、特に主ノズルへの燃料流量を測定し、この測定値を用いて エンジンの燃料制御装置へのトルクモータ電流を調整し、測定された流量と必要 な流量とを等しくなるよう構成してシステムの精度を増加させる新規なフィード バック制御ループを有する燃料制御システムに関する。

（背景技術） ガスタービンエンジンは周知の推進機能に加えて、機械的、電気的若しくは気圧 動力を広範囲の航空システムに供給する補助動力装置として汎用されている。例 えば補助動力装置は主エンジンを始動し、圧縮空気を航空機の環境制御システム に供給あるいは電力を供給するために採用され得る。従来航空機が地上にある場 合補助動力装置のみが作動されている。

近年の開発努力により航空機の設計上長距離、波性飛行を可能にする双エンジン 航空機が出現している。このような航空機の一例としては開発中のものも含めて ボーイング７５７゜７６７．７７７およびエアバスのＡ３００、Ａ３１０、Ａ３ ２０が挙げられる。

双エンジン設計の欠点は主エンジンの−が停止したとき、航空機に動力を供給す る負担が他方のエンジンのみに加わることにある。このような航空機開発の初期 においては、航空機において更に動力源が必要であるものが考えられた。このよ うな要件を満足させるため、機上で補助動力装置を始動し作動する方法が提案さ れている。

ガスタービンの補助動力装置にはコンプレッサと、燃焼器と、タービンと、ター ビンとコンプレッサとを連結するシャフトとが包有され、これら構成要素は流体 の流れが直列的になるよう構成されている。海面レベルでの通常の始動中は、ス タータモータを介して始動トルクが補助動力装置のシャフトに与えられる。シャ フトが回転開始するに伴い、空気がコンプレッサ内に導入され、圧縮され燃焼器 内に放出される。

同時に補助動力装置の燃料制御システムにより、燃料が予めプログラムされた燃 料計画に従って燃焼器内に供給され、燃焼器内の燃料と空気との比が好適な値に 維持される。補助動力装置の動作速度の約１０〜２０パーセントの回転速度で、 燃焼器内の状態において燃料・空気の混合気は点火可能にされる。

この状態は一般にライトオフ状態として知られる。燃料比が高温すぎる、あるい は低温すぎると、ライトオフ状態は生じず、補助動力装置はハングスタートされ る。ライトオフ状態後、スタータモータのトルクに補助動力装置のタービンから のトルクが加わる。回転速度の約５０パーセントでは、スタータモータがオフに され補助動力装置が自己継続状態となって作動速度まで加速する。

補助動力装置が低温の外気温度（例えば、−７０°Ｆ）の空気を吸引し、連続的 にこの低温に晒されて冷却された後高い高度（例えば、４０．０００フィート） で補助動力装置を始動することは、補助動力装置の燃料制御システム上極めて困 難なことである。このような低温の影響を受けるとき補助動力装置のドラッグが 増加され大きな始動トルクが必要となる。更に低温の燃料は霧化しにくい。ｉ化 作用が低くなり、低空気密度が生じると、必要な空燃比を正確に得てライトオフ 状態を達すること、および燃焼器に十分な燃料供給量を与えフレームオウト（エ ンジン停止）を防ぎ且つまた燃料量が高過ぎでタービンの導入温度が過度に高く なることを防止することの二機能を実現することが困難になる。

これら補助動力装置に使用される燃料制御システムは燃料制御装置を有し、燃料 制御装置は通常燃料源と燃焼器との間に配置され、電子制御装置からの信号に応 動して燃料を燃焼器に供給する電気・機械的な燃焼計量弁でなる。電子制御装置 の論理装置はシャフト速度、導入圧、導入温度およびエンジン排気温度の関数と しの始動・燃料流量信号を発生する。

この論理装置にはライトオフ前の燃料流量を指定するプログラムされた燃料流量 計画が含まれる。エンジン停止若しくはライトオフ状態後の高いタービン導入温 度を防止するため、この論理装置は通常最大および最小燃料流量限界値を有する 。

燃料流量計画および燃料流量限界値は補助動力装置の開発段階で研究室において 決定される。始動中電子制御装温はシャフト速度とエンジン排気温度をモニタし 、好適な信号を計量弁へ送り、設定限界値までの範囲内でこれらパラメータを維 持する。従って理論上、これら燃料制御システムは閉ループシステムにされる。

このようなシステムの一例がシューによる米国特許第４．６２７．２３４号に開 示されている。

従来の燃料制御システムの欠点は、高い高度で始動を行うとき、と（に顕著にな るが、低いシャフト速度および低いエンジン排気温度では、計器が電子制御装置 へ使用可能な信号を検出して与えるに充分に迅速且つ予測的に作動できないこと にある。ライトオフ直前、直後の臨界手段の動作では、燃料制御システムが実際 上開ループシステムとして動作され、その作動態様は予めプログラムされた燃料 計画によって定められる。

これら燃料制御システムの別の欠点は、異なる燃料制御装置の実行時の変動に伴 い引き起こされる。燃料制御装置には制御レヘルに高いものも低いものもあるこ とは当業者には周知である。制御レベルの高い燃料制御装置としては、電子制御 装置からのある入力に対しプログラムされた計画の命令より迅速に燃料を供給す るように構成されており、−力制御レヘルの低い燃料制御装置としては、同一の 入力に対し所定の計画に沿った命令が出されたとき、緩徐に燃料を供給するよう に構成される。このとき燃料制御装置は始動に際し予め設定されており、最大お よび最小の燃料流量限界値を有していることにより問題が生じる。最大限界値よ り過度の温度レヘルで生じるエンジンのサージに対し保護され得、一方最小限界 値によりエンジン停止若しくは燃料の低噴霧化に対し保護される。高レベルの燃 料制御装置の場合、限界値は高い温度を防止するため充分低い値に維持する必要 があるが、低いサイドの燃料制御装置では、限界値がエンジン停止を防止するた めに充分高い値に維持する必要がある。従っである燃料制御装置が別の燃料制御 装置と交換されるとき問題が生じる。

ここで重要な問題は緊急時に燃料制御装置と予め設定される限界値との間が整合 されず、高高度でのエンジンの始動が阻止される、あるいはエンジンが相当に損 傷されることにある。

従ってシャフト速度若しくはエンジン排気温度に左右されず、始動中のタービン エンジンへの燃料流量を供給し、加えて性能の異なる燃料制御装置による影響も 受けない閉ループ式燃料制御システムの必要がある。

（発明の開示） 本発明は補助動力装置始動の初期段階で閉ループ制御に際対しシャフト速度若し くはエンジン排気温度に左右されない閉ループ式燃料制御システムを提供するこ とにある。

本発明の別の目的は異なる燃料制御装置に対し調整可能な燃料制御システムを提 供することにある。

本発明の他の目的は高高度での始動時に際ガスタービンエンジンへ円滑に燃料を 供給する方法を提供することにある。

上記の目的は始動時燃焼器へ供給する実際の燃料流量を測定する流量計を備えた 燃料制御システムを提供することにより達成される。このシステムにおいては流 量計からの信号を用いて補助動力装置へ供給する燃料流量を調整する閉ループ式 燃料制御ループを有した電子制御装置か包有される。

本発明の他の目的、特徴及び利点は添付図面に沿い本発明の好ましい実施例を詳 述することに伴い明らかとなろう。

（図面の簡単な説明） 図１は本発明の原理を実施する燃料制御システムの一例としてのガスタービンの 補助動力装置の簡略断面図、図２は図１の補助動力装置と共に使用する本発明の 閉ループ式燃料制御ループを示すブロック図である。

（発明を実施するための最良の形態） 図１を参照するに、本発明による１例としての補助動力装置がｌＯが示される。

補助動力装置ｌＯには空気導入部１４、コンプレッサ１６、航空機へ圧縮空気を 与えるブリード部１８、主燃料ノズル２２および従燃料ノズル２４を有した燃焼 器２０、タービン２６およびガス排気部２８が包有され、これら構成要素は直列 的に配列される。２個の燃料ノズル２２．２４の内、主燃料ノズル２２のみが始 動の初期段階で動作する。コンプレッサ１６およびタービン２６は減速機３２に 延びるシャフト３０上に回転可能に装着されている。

燃料制御装置４０は航空機上の燃料源（図示せず）と連通して減速機３２に対し 駆動可能に装着される。好ましくは燃料制御装置４０は当業者には周知な手段、 電気・機械的燃料計量弁を用い得る。燃料制御装置４０の電気作動トルクモータ ４２はアナログあるいはディジタルの電子制御装置８０からの動力信号と周知の 反復可能な関係を有する。電気作動トルクモータ４２は計量弁（図示せず）に直 結され、計量弁の既知流量面積を電子制御装置８０からの既知動力信号に相当す るよう弁の位置を制御する。調整弁（図示せず）は計量弁間の圧力降下を一定に 維持し、計量された流量が動力信号と比例関数関係にされる。燃料制御装置４０ は高圧燃料ポンプを介して燃料源からの燃料を受容し、計量された燃料を導管４ ６を介し流量分割器５０へ放出する。スタータモータ、電気発電機およびポンプ のような他の付属装置（図示せず）も減速機３２に対し装着可能である。

流量分割器５０のフィルタ５２は導管４６を介し計量された燃料を受容し、電子 制御装置８０と電気的に接続された温度センサ５４を経て通過せしめられる。温 度センサ５４の下流において、流量分割器５０内の燃料量は主流路５６および電 流［６６に分割される。

主流路５６に導入された燃料は流量計５８を通過する。流量計５８はそこに通過 する流量を測定し、この測定値を電気信号に変換し、この電気信号が電子制御装 置８０へ送られる。流量計５８と導管６０との間には、開放時に導管６０とドレ イン部６４を連通させ、閉鎖時に主流路５６と連通させる主ドレイン弁６２が配 置される。

スタートシーケンス弁６８を開放するに十分な圧力があるとき、燃料は電流路６ ６のみに導入される。スタートシーケンス弁６８が開放されるとき、燃料は主ド レイン弁６２と同様な従ドレイン弁７０を経て導管７２内に導入され、従燃料ノ ズル２４へ送られる。従ドレイン弁７０の閉鎖時には、導管７２がドレイン部６ ４と連通状態にされる。

補助動力装置ｌＯを始動する前に、スタートシーケンス弁６８が閉鎖され、主ド レイン弁６２および従ドレイン弁７０が開放される。電子制御装置８０からの信 号が入力されると、燃料制御装置４０は燃料源から主流路５６を経て流量分割器 ５０への燃料を計量し、主流路５６内の主ドレイン弁６２が閉鎖され、燃料は主 燃料ノズル２２へ流れる。この期間中主流路５６内の燃料流量は流量計５８によ り計測される。ライトオフ状態の後、燃料圧はスタートシーケンス弁６８が開放 し、従ドレイン弁７０が閉鎖し、燃料が従燃料ノズル２４へ流れ始めるまで増加 する。

電子制御装置８０の始動制御論理装置（図示せず）は指令燃料量信号ｆＦｃを発 生できる。例えば（この例に限定されないが）始動制御論理装置は本願と同一の 譲渡人に譲渡されたラクリツクスによる米国特許第４．３３７．６１５号に開示 される。このラクリツクス発明では、加算増幅器３４から信号ＷＦＣが発生され る。図２に示す新規な燃料制御ループ１００も電子制御装置８０内に内蔵される ことが望ましい。

燃料制御ループ１００の供給順路１０２には加算接合部１０４と機能ブロック１ ０６とが直列的に配設される。加算接合部１０４は信号ｆＦｃを入力し、燃料量 トリム信号’ＩＦＴＦＩＩＭと加算して燃料量補正信号１１１ＦｃＴを発生する 。信号ｆＦＴＲＩＭ　（以下に詳しく説明する）は零に初期化され、信号ｆＦｃ Ｔは信号ｆＦｃと等しくなる。機能ブロック１０６は信号ＷＦＣＴを入力し、図 ２に示すアルゴリズムを解いてトルクモータ電流信号ＩＦＵＥＬを発生する。

燃料制御装置４０は信号Ｉ　ＦＵＥＬを入力し、導管４６を経て流量分割器５０ へ流れる燃料ｆｉＷＦを計量する。理論上は燃料量ＶＦは信号ＷＦＣに等する必 要がある。−万機能ブロック１０６のアルゴリズムは予めプログラムされ、公称 の燃料制御装置の特性を表している。上述の如く実際の燃料制御装置は予めプロ グラムされた特性における上下の特性を持たせることができる。

従って燃料量信号ＷＦは信号ＷＦＣと等しくない。

始動の初期段階ではこれらの信号間の差に対し補正を行うため、燃料制御ループ １００には信号ｆＦＴＲＩＭを発生するフィードバック路１１０が包有される。

燃料制御ループ１０８の機能ブロック１１２は信号ＩＦを計測する流量計５８か らの燃料量信号ＦＲＥＱおよび温度センサ５４から燃料温度信号ＴＦＵＥＬを入 力し、内部に示すルックアツプ表を解いて測定した燃料量信号ｆＦＭＥＡｓを発 生する。信号ＷＦＭＥＡＳは比例制御装置１１４に対し並列に供給され、加算接 合部１１６に対し積分制御装置１１８と直列的に供給される。加算接合部１１６ は信号ｆＦｃと信号ＩＦＭＥＡｓとを加算してその差に等しいエラー信号ｆＦＥ を発生する。信号ＷＦＥは次に積分制御装置１１８へ供給される。比例制御装置 １１４および積分制御装置１１８からの出力信号は加算接合部１２０で加算され て信号ＷＦＴＲＩＭを発生する。信号ＷＦＴＲＩ旧よスイッチ１２２およびリミ タ１２４を経て通過され加算接合部１０４に達する。リミタ１２４は信号ｆＦＴ ＲＩＭの絶対値に関し予め設定された限界値を有する。この構成により信号ｆＦ ＴＲＩＭの発生によって正の過度なタービン導入温度が確実に防止され得、且つ 信号ＷＦＴＲＩＭによって負温度でのエンジン停止が防止される。

比例制御装置１１４、フィードバック路１１０および積分制御装置１１８の新規 な構成により、燃料制御ループ１００は信号ｆＦｃと信号ｆＦｃＴとの間で経路 ゲインを１に維持し、−力比例制御装置１１４および積分制御装置１１８のゲイ ンを独立的に調整可能で、燃料量エラーを迅速に補正するに必要なループ安定性 および迅速な応答が得られる。供給順路１０２のゲインは１であるので、供給順 路１０２は高いゲイン若しくは極めて早い流速計を必要とせずに信号ＷＦＣの変 化に対し迅速゛に過渡応答を行い得る。従って信号ＷＦＣに対する信号ｆＦｃＴ の応答は瞬時でありフィードバック路１１０の応答速度により制限されない。こ の結果補助動力装置の始動の初期段階で受ける低燃料量時に、燃料の実際の流量 と命令される流量との間の精度が大きく増進され、高高度でも極めて信頼性の高 い始動が実現可能になる。

補助動力装置ＩＯの始動時にスイッチ１２２によってフィードバック路１１０が オンされる。信号発生器１２８は信号ＷＦＣを入力しオンあるいはオフ信号（図 ２に示すように、オンは１オフでは０）を発生する。信号発生器１２８は信号Ｗ ＦＣが増加し、予め設定された最大値より小さければオン信号を発生し、信号Ｉ Ｆｃが減少し最大値より小さな予め設定した最小値より小さいときオン信号を発 生する。これらの値の使用できない空間において、ラッチ１２２が信号ノイズに 対し反復的にオン・オフすることが防止される。

アンドゲート１２６は信号発生器１２８からオン・オフ信号を、補助動力装置Ｉ Ｏから速度信号を、且つ流量計５８から流量計故障信号をそれぞれ入力する。信 号発生器１２８がオン信号を発生し、補助動力装置のシャフト速度Ｎがその動作 速度Ｎｓより小さく、流量計５８が故障信号を発生していない場合、スイッチ１ ２２によりフィードバック路１１０がオンされる。この構成が採用されないとき は、スイッチ１２２によりフィードバック路１１０がオフされ、信号ｆＦＴＲＩ Ｍが零に初期設定される。同時に積分制御装置１１８のリセット機能１３０によ り積分制御装置１１８の出力が初期設定され、この結果フィードバック路１１０ が再びオンされると信号ＷＦＴＲＩＭが零となる。

国際調査報告 １−ＩＮｍＩムー１．＋ｈ−〜＋　ＰＣＴ／ＬＩＳ　９２１０８６１７フロント ページの続き （７２）発明者　キャノン、デニス　エル。

アメリカ合衆国　アリシナ州　８５２５０．スコツツブイル、セイジ　ドライブ 　８５６２イースト

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．予め設定された始動計画からの燃料流量信号を機能発生器に与え、燃料制御 装置の制御信号を発生してガスタービンエンジンヘの燃料流量を調整する工程と 、燃料制御装置からエンジンヘの実際の燃料流量を測定し測定燃料量信号を発生 する工程と、測定燃料量信号に応答し計画された信号をトリミング処理し測定燃 料量信号と計画された信号と実質的に同一にするトリミング処理工程とを包有し てなる、始動の初期段階でガスタービンエンジンヘの燃料量を調整する方法。
2. ２．トリミング処理工程には、測定燃料量信号の大きさに比例関係を持つ大きさ を有する第１のトリミング信号を発生する工程と、測定燃料量信号と計画された 信号とを加算してエラー信号を発生する工程と、エラー信号の時間の関数として 積分に関連する大きさを有する第２のトリミング信号を発生する工程と、第１お よび第２のトリミング信号を加算して第３のトリミング信号を発生する工程と、 機能発生器の前に第３のトリミング信号と計画された信号とを加算する工程と、 前の工程を反復し第３のトリミング信号を実質的に零にする工程とが包有されて なる請求の範囲項１の方法。
3. ３．更に第３のトリミング信号の大きさを制限してエンジンの過度な温度を防止 し、エンジン停止を防止して第２のトリミング信号を予め設定して第３のトリミ ング信号を零に初期設定する工程を包有してなる請求の範囲項２の方法。
4. ４．更にエンジンの始動時にのみトリミング処理工程をスイツチオンするスイツ チング工程を包有してなる請求の範囲項１の方法。
5. ５．スイツチング工程には、エンジンの回転速度を測定し、測定された速度を予 め設定した速度と比較する測定工程と、実際の燃料流量を測定する工程が好適に 機能していることを示す信号を入力する工程と、計画された燃料流量信号を予め 設定した最大および最小燃料流量と比較する工程と、測定された回転速度が予め 設定した速度より低く、測定工程が機能し、計画された信号が増加し、予め設定 した最大値より低いとき始動することを決定する工程とが包有されてなる請求の 範囲項４の方法。
6. ６．始動時にガスタービンエンジンの燃料制御装置を制御する燃料制御システム において、エンジンの電子制御装置は予めプログラムされた計画から指令燃料流 量信号を発生し、燃料制御システムは指令信号とトリミング信号とを加算する加 算装置と加算装置の出力を燃料制御装置の制御信号に変換する装置とを直列的に 有する供給経路と、燃料制御装置からの燃料流量出力を測定し測定された燃料流 量を示す信号を発生する装置と、測定された信号をトリミング信号に変換する装 置とを直列的に包有するフィードバツク路とを備えてなる。
7. ７．フイードバツク路の変換装置には比例制御装置と積分制御装置とが包有され 、フィードバツク路のゲインを１にしてなる請求の範囲項６の燃料制御システム 。
8. ８．フイードバツク路の変換装置には、測定された信号を入力し測定された信号 に比例する第１の出力信号を伝達する第１の制御装置と、第１の出力信号および 指令された信号を入力しこれらの信号の差を示すエラー信号を発生する第１の比 較器装置と、エラー信号を入力し積分を示す大きさを有する第２の出力信号をエ ラー信号の大きさの時間関数として伝達する第２の制御装置と、第１および第２ の出力信号を入力しトリミング信号を発生する第２の比較器装置とが包有されて なる請求の範囲項６の燃料制御システム。
9. ９．更に第２の比較器装置と加算装置との間に配置され、ゲート装置からの信号 に応答しフイードバツク路をオンオフするスイツチ装置を備え、ゲート装置は複 数の信号を入力し複数の信号はエンジンが始動動作中であり測定装置が動作可能 であるときオン信号を伝達し、複数の信号が入力されないときはゲート装置がオ フ信号を伝達してなる請求の範囲項８の燃料制御システム。
10. １０．第２の制御装置はゲート装置から伝達された信号を入力し、信号がオフ信 号のとき第２の出力信号の大きさをリセツトしてトリミング信号を零にしてなる 請求の範囲項９の燃料制御システム。