JPH1089089A - ガスタービンエンジン排気温度制御装置および制御方法 - Google Patents
ガスタービンエンジン排気温度制御装置および制御方法Info
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Abstract
あっても、排気温度を運用限界以下に抑えるように燃料
供給ができ、さらに加速時間を短縮することができるガ
スタービンエンジン排気温度制御装置および制御方法を
提供する。 【解決手段】 制御装置12が出力する排気温度制限値
信号EGTMAXと、温度センサの検出する排気温度信号E
GTとの差信号に基づいて出力信号を発生する第1及び
第2の排気温度制御回路A、Bのうち、積分回路に接続
された第1の排気温度制御回路Aにより安定かつ精密な
排気温度制御特性を、前記第2の排気温度制御回路Bの
出力信号kを加算器26により低値選択回路29の出力
信号dへ重畳させることにより、過渡時の迅速な排気温
度制御特性とを得、いかなる作動状態においても排気温
度EGTが制限値EGTMAXを越えないように、ガスター
ビンエンジン1に供給する燃料の量を制御する。
Description
のターボファンエンジン、ターボシャフトエンジンや発
電用ガスタービン等のガスタービンエンジン排気温度制
御装置および方法に関する。
とタービンとを組み合わせた原動機であり、航空機用タ
ーボファンエンジンにおいては、タービン通過後あるい
はアフターバーナ燃焼後のガスエネルギを効果的に推力
に変換するための排気ジェットノズル等を、ターボシャ
フトエンジン、発電用ガスタービン等のガスタービンエ
ンジンにおいてはタービン通過後のガスエネルギを効果
的に回転軸出力に変換するための出力タービン等を備え
た熱機関である。
ジンの定常作動時及び負荷変動状態にある過渡作動時に
おいて、エンジンの有する性能(推力、出力等)が操作
員(または上位の装置)の要求通りに発揮されるように
するとともに、エンジン各部の温度、圧力、回転数等が
定められた制限値を満足し(制限制御という。)、エン
ジン作動が常に最適に保たれるよう供給する燃料流量等
を適切に調節することである。
て重要である。なぜなら、第1に、同じ内燃機関でも、
ピストンエンジンにおいて、シリンダが高温燃焼ガスと
冷気を交互に取り扱うので、壁温を燃焼ガス温度に比べ
低く保てるのに対し、ガスタービンエンジンでは、ター
ビン翼は回転による遠心力に加えて常に高温ガスにさら
されるため、タービン翼は強度的及び熱的に材料の限界
付近で使用されることが多く、第2に、負荷変動に強い
というガスタービンの特性を発揮するために、低負荷か
ら高負荷までの急加速性が要求されるのに対し、急加速
時は定常作動時よりも多量の燃料が供給され、燃焼ガス
温度は非常に高温となるため、タービン翼温度及び燃焼
ガス温度に対応する排気温度を制限値内に正確に制御す
ることで、間接的に燃焼ガス温度を最適に制御し、ひい
てはタービン翼の温度制限超過を防ぎ、過温度によるタ
ービン翼破損に起因するエンジン破壊を防止しているか
らである。
ンを例に挙げると、この種のエンジンの系統図の一例は
図3に示すようになり、ガスタービンエンジン1、パワ
ーレバー9、制御装置12、燃料制限装置11、油圧燃
料コントロール2により主に構成される。ここで、前記
ガスタービンエンジン1のエンジン出力が増加すると、
これに伴って流入する空気の量が増加し、吸入空気量に
応じた燃料を供給し続けるように油圧燃料コントロール
2を制御すると、さらにエンジン出力が増加してしま
う。また、ターボファンエンジンでは、排気ノズル3を
噴出する高圧ガスによって発生する推力値を直接正確に
検出することは困難であるため、燃焼ガスの温度(排気
温度)から推力値を算出している。
タービンエンジン1の吸入空気量及び操作員が前記パワ
ーレバー9の位置によって指示する出力(推力)要求に
応じて、前記ガスタービンエンジン1に供給する燃料の
量を適切に設定することにより、排気温度を直接的に制
御し、この作用に基づいて、前記ガスタービンエンジン
1の推力を間接的に制御している。このため、前記燃料
制限装置11は、前記制御装置12からの各種制限制御
信号と加速制御信号とパワーレバー指示に基づく定常制
御信号と減速制御信号と排気温度制限値信号EGTMAX
と、温度センサ10の検出する排気温度信号EGTと
を、排気温度制御回路A及び高・低値選択回路Cによっ
て演算処理し、前記油圧燃料コントロール2へ燃料供給
指令信号fを出力する。
信号EGTと前記排気温度制限値信号EGTMAXの温度
差信号を常時発生する減算器21と、この温度差信号を
受け、固定値の利得をもって前記温度差信号を増幅する
増幅器24を備え、出力信号aを発生する。
12が出力する各種制限制御信号g(例えば、ガスジェ
ネレータ圧力制御信号やファン回転数制限制御信号)と
前記排気温度制御回路Aの出力信号aを常時比較して最
低値を選択出力する第1の低値選択回路27と、遅延器
により保持した回路出力信号dの前回値を前記第1の低
値選択回路27の出力信号bに対して加算器により重畳
させて積分演算を行う積分回路Dを結合する傍ら、この
積分器出力信号cと前記制御装置からの所定加速スケジ
ュールに従った加速制御信号hと前記制御装置からのパ
ワーレバー指示に従った定常制御信号iを常時比較して
最低値を選択出力する第2の低値選択回路29と、この
低値選択回路の出力信号dと前記制御装置12からの所
定減速スケジュールに従った減速制御信号jを常時比較
して高値を選択出力する高値選択回路30を備え、前記
油圧燃料コントロール2へ適切な前記燃料供給指令信号
fを出力することによって前記排気温度信号EGTを制
御する。
下、説明の便宜上、低負荷(例えば、アイドル状態)で
作動するガスタービン1に対し、操作員によるパワーレ
バー操作によって最大定格推力(出力)までの急加速が
要求される場合について説明する。
バー9のアイドル位置に対応する定常制御信号iが低値
選択回路29及び高値選択回路30において選択出力さ
れているが、急加速要求によって、パワーレバー9が最
大定格推力位置に移動すると、定常制御信号iは最大定
格推力相当と高くなる。また、急加速要求開始直後は、
排気温度制限値信号EGTMAXが排気温度信号EGTに
比べて十分余裕があるため、前記排気温度制御回路Aの
出力信号aは十分高く、同様に前記制御装置12の出力
する各種制限制御信号gも高いので、低値選択回路27
の出力信号bも高い(正値)。よって、積分回路Dの出
力信号cも高い。
制御信号hと定常制御信号iと前記出力信号cのうちで
は、加速制御信号hが選択され、出力信号dとして出力
される。さらに、前記出力信号dは、減速制御信号に比
べ十分高く、前記高値選択回路30においても選択出力
されるので、前記加速制御信号hである出力信号dが燃
料供給指令信号fとして、前記油圧燃料コントロール2
へ出力される。
て加速中、すなわち排気温度が上昇傾向にある状況にお
いて、排気温度信号EGTが排気温度制限値信号EGT
MAXに近づくと、前記排気温度制御回路Aの出力信号a
の値は、時点t1において正値から負値へ変化し(排気
温度制御回路による燃料調節の開始)、第1の低値選択
回路27の出力信号bとなる。
少を開始し、この信号cが第2の低値選択回路の出力信
号dとして、高値選択回路30へ出力される。また、通
常の加速においては、信号dが減速制御信号よりも高値
であるから、そのまま油圧燃料コントロール2へ燃料供
給指令信号fとして出力される。図4(a)と(b)の
実線は、それぞれ、前述のパワーレバー操作に対応した
急加速時の排気温度信号EGTと燃料供給指令信号fを
示したものである。
t1までは、加速制御信号hと等しいが、排気温度制御
回路による燃料調節が開始した時点t1以降、減少側に
転じており、これにともない、EGTが制限値内に保持
されていることがわかる。なお、同図において、加速時
間はT1で示されている。
における排気温度制御は、高・低値選択回路Cの低値選
択回路29に結合された積分回路Dを通じて実施してお
り、前記排気温度制御回路Aの増幅器24の増幅器利得
である固定値ゲイン22が、排気温度の積分制御の積分
ゲインに相当するが、この積分ゲインは、前記ガスター
ビンエンジンの最大定格出力において、適切な排気温度
制御特性が得られるように設定している。
の最大定格出力以外のエンジン作動状態において、適切
な排気温度制御特性が得られるとは限らない。特に、高
運動性が要求される航空機等では、迅速なエンジン加速
性が要求され、エンジン加速時間を短縮するために、前
記制御装置の所定加速スケジュールを高めて加速制御信
号を高める手段がとられるが、そうした場合、エンジン
加速中の前記油圧燃料コントロールからの燃料供給量が
増大し、エンジン加速中に排気温度が制限値を超過しや
すい状況となる。しかしながら、前述したように、エン
ジン加速中の排気温度制御特性が適切でないと、排気温
度の制限値超過、ハンティング等の望ましくない現象が
発生するため、前記加速制御信号を高めることはでき
ず、加速時間を短縮するという要求を満足することがで
きない。
合、エンジンの加速特性を向上させるため、前記制御装
置12の出力する加速制御信号を高めていくと、急加速
要求開始後、前記燃料制限装置の出力信号である燃料供
給指令信号fは、図4(b)の破線で示すように加速初
期段階で増加し、排気温度信号EGTの増加も迅速とな
る。この迅速なEGTの上昇に対し、時点t1’以降、
排気温度制御回路の作動により信号fは減少するが、減
少の度合いが緩慢なため、EGTの制限値超過及び変動
が発生する(同図(a)破線)。しかも、EGTの整定
に時間を要するため、加速時間は、T1’であり、加速
スケジュールを高める前の加速時間T1とほとんど変わ
らない。一方、図には示していないが、前記固定値ゲイ
ン22を高めると、同様の急加速要求に対し、EGTが
振動するハンティング現象が発生し、制御特性は悪化す
る。
加速スケジュールを高めて加速制御信号を高めると、過
渡作動時の排気温度制御特性が悪化し、排気温度の制限
値超過等が発生するため、加速時間を短縮することがで
きない。本発明は、上記課題を解決するためになされた
もので、定常作動時、過渡作動時等のガスタービンエン
ジンの運用におけるいかなる作動状態においても、優れ
た制御特性をもって排気温度を運用制限値以下に抑える
ように燃料供給ができ、さらに加速時間を短縮すること
ができるガスタービンエンジン排気温度制御装置および
制御方法を提供することを目的としている。
ンエンジン排気温度制御装置および制御方法は、タービ
ンとガスジェネレータとを有したガスタービンエンジン
に燃料を供給する油圧燃料コントロールと、前記ガスタ
ービンエンジンが出力する推力を制御する制御装置と、
前記制御装置の出力信号と前記ガスタービンエンジンの
温度センサが検出する排気温度信号を受けて、前記油圧
燃料コントロールが前記ガスタービンエンジンに供給す
る燃料の量を制限する燃料制限装置とから構成し、前記
燃料制限装置は、前記制御装置が出力する排気温度制限
値信号と前記排気温度信号に基づいて出力信号を発生す
る第1及び第2の排気温度制御回路と、前記の両排気温
度制御回路の出力信号と前記制御装置の出力信号に基づ
いて出力信号を発生する高・低値選択回路とを具備し、
前記第1及び第2の排気温度制御回路は、前記排気温度
制限値信号と前記排気温度信号との差を求めるそれぞれ
第1及び第2の減算器と、これら減算器出力を増幅する
それぞれ第1及び第2の増幅器とを備え、前記高・低値
選択回路は、前記制御装置が出力する各種制限制御信号
と前記第1の排気温度制御回路の出力信号を常時比較し
て最低値を選択する第1の低値選択回路と、遅延器によ
り保持した回路出力信号前回値を前記第1の低値選択回
路の出力信号に対して加算器により重畳させて積分演算
を行う積分回路を結合する傍ら、この積分回路出力信号
と前記制御装置が出力する加速制御信号と前記制御装置
が出力する定常制御信号とを常時比較して最低値を選択
する第2の低値選択回路と、前記第2の排気温度制御回
路の出力信号を前記第2の低値選択回路の出力信号に重
畳する加算器と、この加算器出力信号と前記制御装置が
出力する減速制御信号を常時比較して高値を選択する高
値選択回路とを備えることを特徴とする。本発明の好ま
しい実施の形態によれば、前記第1及び第2の排気温度
制御回路は、前記ガスジェネレータの回転数を検出する
回転センサの回転数信号を受けて前記第1及び第2の増
幅器の利得をそれぞれ決定する。また、前記第1及び第
2の排気温度制御回路は、前記回転数信号を受けて、そ
の変化分を算出するそれぞれ第1及び第2の微分回路を
具備し、前記第1の増幅器は前記第1の微分回路の出力
信号に基づいて、また前記第2の増幅器は前記第2の微
分回路の出力信号に基づいて、それぞれに利得を決定す
ることが好ましい。
の最大出力での定常作動状態だけでなく、急加速等の過
渡作動状態において、制御装置が出力する排気温度制限
値信号と排気温度信号との差信号に基づいて出力信号を
発生する第1及び第2の排気温度制御回路のうち、積分
回路に接続された前記第1の排気温度制御回路により安
定かつ精密な排気温度制御特性を、前記第2の排気温度
制御回路の出力信号を加算器により第2の低値選択回路
の出力信号へ重畳させることにより、過渡時の迅速な排
気温度制御特性とを得、前記ガスタービンエンジンのい
かなる作動状態においても排気温度が制限値を越えない
ように供給する燃料の量を制御することができる。
面に基づいて説明する。図1は、本発明のガスタービン
エンジン排気温度制御装置および制御方法の一例を示
し、同図において、図3で示す従来例と同一部分には同
一の符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。
制限装置において、第2の排気温度制御回路Bを備え、
高・低値選択回路Cの第2の低値選択回路29の出力信
号dには、前記第2の排気温度制御回路Bの出力信号k
を重畳させる加算器26を備えている。
第2の排気温度制御回路Bには、ガスタービンエンジン
のガスジェネレータ回転数を検出する回転センサ8から
の検出信号である回転数信号Ngを印加し、さらに、こ
の回転数信号Ngの変化分を算出する第1の微分回路2
3及び第2の微分回路33を備え、その出力信号Ng
1’及びNg2’によって増幅器24及び34の利得を
制御する。
いては、増幅器24によって減算器21の出力信号と微
分回路23の出力信号Ng1’とが乗算され、出力信号
aが低値選択回路27に印加され、第2の排気温度制御
回路Bにおいては、増幅器34によって減算器31の出
力信号と微分回路33の出力信号Ng2’とが乗算さ
れ、出力信号kが加算器26に印加される。なお、第2
の排気温度制御回路Bは、エンジン加速時に迅速な燃料
制御効果(燃料減少作用)を得るためにあるので、加速
制御信号hに従う通常のエンジン加速中に、加算器26
によって、正値の増幅器34の出力信号kが重畳され
て、低値選択回路29の出力信号dが燃料増加側にバイ
アスすることのないよう、前記出力信号kが正値となら
ないように増幅器34は設定している。
ま、加速時間を短縮するために制御装置12の所定加速
スケジュールを高めているガスタービンエンジン1にお
いて、操作員によるパワーレバー操作によって低負荷か
ら最大定格までの急加速が要求されるとすると、急加速
要求開始後は、排気温度制限値信号EGTMAXが排気温度
信号EGTに比べて十分余裕があるため、前記制御装置
12からの加速制御信号hが低値選択回路29において
選択出力され、増幅器34の上述の設定により、加算器
26の出力信号eは、低値選択回路29の出力信号dと
等しく、高値選択回路30においても本信号が選択さ
れ、燃料供給指令信号fとなって、油圧燃料コントロー
ルに供給される。
限値信号EGTMAXに近づくと、前記排気温度制御回路A
の出力信号aは、正値から負値へ変化し、低値選択回路
29の出力信号dを燃料減少側に調節するが、排気温度
制御回路Aの設定が最大定格作動での安定性を重視して
おり、本回路にもとづく燃料供給指令信号fの変化は緩
やかである。
kの負値側への変化は、図2(b)時点t1における信
号fの減少に示すように、加算器26を通じて迅速に燃
料供給指令信号fの変化となって現れ、排気温度制御回
路Aの燃料制限作用を補い、これを受けた油圧燃料コン
トロールの燃料供給により、同図(a)に示すように排
気温度信号EGTも迅速に排気温度制限値に整定する。
加速時間はTと短い。さらに、エンジンが整定後は、ガ
スジェネレータ回転数信号Ngの変化分はわずかで、排
気温度制御回路Bの作用もわずかであり、排気温度の制
御は、主として排気温度制御回路Aの作用により実施さ
れる。なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変更できる。
等の過渡作動時における排気温度制限の超過を迅速に抑
えるだけでなく、定常作動時の排気温度を安定かつ精密
に制御することによって、いかなる作動状態において
も、排気温度を運用限界以下に抑えた適切な排気温度制
御を実現し、加速時間を短縮することのできる、ガスタ
ービンエンジン排気温度制御装置および制御方法を提供
することができる。また、排気温度が運用限界に対して
十分余裕のある、通常の運転時や通常の加速時の燃料制
御に対して、排気温度制御の作用が干渉することがない
排気温度制御方式が実現可能であるという効果が得られ
る。
制御方式の一例を示す概略的な系統図である。
号波形図である。
方式を示す概略的な系統図である。
号波形図である。
数信号 a 第1の排気温度制御回路
の出力信号 b 第1の低値選択回路の出
力信号 c 積分回路の出力信号 d 第2の低値選択回路の出
力信号 e 加算器の出力信号 f 燃料供給指令信号 g 各種制限制御信号 h 加速制御信号 i 定常制御信号 j 減速制御信号 k 第2の排気温度制御回路
の出力信号
Claims (6)
- 【請求項1】 タービンとガスジェネレータとを有した
ガスタービンエンジンに供給する燃料の量を、排気温度
が制限値を越えないように制御するガスタービンエンジ
ン排気温度制御装置であって、 前記タービン通過後の高圧ガスの排気温度を検出する温
度センサと、 前記ガスタービンエンジンに燃料を供給する油圧燃料コ
ントロールと、 前記ガスタービンエンジンが出力する推力を制御する制
御装置と、 前記制御装置の出力信号と前記温度センサの検出した排
気温度信号を受けて、前記油圧燃料コントロールが前記
ガスタービンエンジンに供給する燃料の量を制限する燃
料制限装置とを具備し、 前記燃料制限装置は、前記制御装置が出力する排気温度
制限値信号と前記排気温度信号に基づいて出力信号を発
生する第1及び第2の排気温度制御回路と、前記の両排
気温度制御回路の出力信号と前記制御装置の出力信号に
基づいて出力信号を発生する高・低値選択回路とを具備
することを特徴とするガスタービンエンジン排気温度制
御装置。 - 【請求項2】 前記第1及び第2の排気温度制御回路
は、前記排気温度制限値信号と前記排気温度信号との差
を求めるそれぞれ第1及び第2の減算器と、これら減算
器出力を増幅するそれぞれ第1及び第2の増幅器とを備
えることを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエ
ンジン排気温度制御装置。 - 【請求項3】 前記高・低値選択回路は、前記制御装置
が出力する各種制限制御信号と前記第1の排気温度制御
回路の出力信号を常時比較して最低値を選択する第1の
低値選択回路と、遅延器により保持した回路出力信号前
回値を前記第1の低値選択回路の出力信号に対して加算
器により重畳させて積分演算を行う積分回路を結合する
傍ら、この積分回路出力信号と前記制御装置が出力する
加速制御信号と前記制御装置が出力する定常制御信号と
を常時比較して最低値を選択する第2の低値選択回路
と、前記第2の排気温度制御回路の出力信号を前記第2
の低値選択回路の出力信号に重畳する加算器と、この加
算器出力信号と前記制御装置が出力する減速制御信号を
常時比較して高値を選択する高値選択回路とを備えるこ
とを特徴とする、請求項2に記載のガスタービンエンジ
ン排気温度制御装置。 - 【請求項4】 前記第1の排気温度制御回路により高精
度な燃料調整を、前記第2の排気温度制御回路により迅
速な燃料調整を実施し、前記ガスタービンエンジンの定
常作動時の排気温度を制御し、かつ急加速等の過渡作動
時における排気温度制限の超過を抑えることを特徴とす
る請求項3に記載のガスタービンエンジン排気温度制御
装置。 - 【請求項5】 第1及び第2の排気温度制御回路が、ガ
スジェネレータの回転数を検出する回転センサの回転数
信号を受けて、第1及び第2の増幅器の利得をそれぞれ
決定し、これにより、ガスタービンエンジンの作動状態
に応じて前記第1及び第2の排気温度制御回路の燃料調
整の利得を決定することを特徴とするガスタービンエン
ジン排気温度制御方法。 - 【請求項6】 前記第1及び第2の排気温度制御回路
は、それぞれ第1及び第2の微分回路によって前記回転
数信号の変化分を算出し、前記第1の増幅器は前記第1
の微分回路の出力信号に基づいて、また前記第2の増幅
器は前記第2の微分回路の出力信号に基づいて、それぞ
れ利得を決定し、これにより、前記ガスタービンエンジ
ンの時々刻々の作動状態に応じて前記第1及び第2の排
気温度制御回路の燃料調整の利得を適切に決定すること
を特徴とする請求項5に記載のガスタービンエンジン排
気温度制御方法。
Priority Applications (1)
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JP24375096A JP3160757B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | ガスタービンエンジン排気温度制御装置および制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH1089089A true JPH1089089A (ja) | 1998-04-07 |
JP3160757B2 JP3160757B2 (ja) | 2001-04-25 |
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JP24375096A Expired - Lifetime JP3160757B2 (ja) | 1996-09-13 | 1996-09-13 | ガスタービンエンジン排気温度制御装置および制御方法 |
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JP (1) | JP3160757B2 (ja) |
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