JPS60543B2 - ガスタ−ビンエンジンの多段軸流圧縮機の制御系統 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンェンジンの多段軸流圧縮機の制御
系統に関するものである。

鞠流圧縮機についての基本的な問題は失速又はサージで
ある。

失速又はサージは、圧縮機の圧力、直線速度および回転
数の関係が潰乱され設計特性の範囲外で運転される時に
生じる。失速又はサージは圧縮機を通る流れのスムーズ
なパターンがくづれて激しい撹乱を生じるものであり、
「失速」は、多段圧縮機の一部の段のみに起る流れの潰
乱であり、「サージ」は圧縮機を通る流れ全体の潰乱で
ある。圧縮機のサージが起る空気流量と圧力比の値は「
サージ点」と呼ばれる。

このサージ点は各圧縮機回転数に特有のものであって質
量流量対圧力比のグラフ（第２図）上に描かれた全部の
サージ点を結ぶ線を「サージ線」と呼び、これは任意の
回転数における安定な最４・流量を規定するものである
。圧縮機は通常の正常運転時の空気流量および圧力比の
値とサージが起る空気流量および圧力比の値との間に相
当な安全マージンを有するよう設計される。通常、軸流
圧縮機を広い範囲の回転数にわたって効率良く運転しか
つ上述の安全マージンを維持するために空気流制御系統
を用いることが必要である。

この制御系統は、普通、圧縮機の中圧段から柚気するこ
と又は可変静翼を設けてその角度を調節して該可変静翼
の直ぐ下流の動翼の「オフ・デザイン」のエンジン運転
条件における失速を最小限にすることに関係している。
この様な可変静翼は、通常圧縮機の空気取入口に設けら
れるが、幾つかの動翼段の前又は全動翼段の前に設けて
もよい。可変静翼は所定の旋回をその直ぐ下流の動翼に
送られる空気に与え、圧縮機の種々の条件により決る略
正しい速度と角度で空気を勤翼に送り込むのである。

したがって、可変静翼の総合効果はサージラインの位置
を調節することにある。なお「第２図中、各可変静翼の
各度１００〜５００をパラメータとする曲線は、各角度
において圧縮機回転数を一定としたときの質量流量対圧
力比の関係を示す。

可変静翼の角度を自動的に調節するために種々の方法が
用いられるが、レスポンスの速さとその可変角の大きさ
とは非常に重要である。

従って、本発明の目的は、圧縮機が「オフ・デザイン一
条件で運転されている時失速やサージが起る可能性を減
じるような可変静翼の為の効率的な制御系統を提供する
ことにある。本発明の、ガスタービン用多段軸流圧縮機
の制御系統は、上記圧縮機の１段の可変静翼、該可変静
翼の下流において該可変静翼の角度により影響を受ける
圧縮流体流の第１圧力を検出する第１検出装置、上記可
変静翼の角度とは実質的に無関係で圧縮機回転数と関数
関係にある、上記第１圧力の下流における上記圧縮流体
流の上記第１圧力より高い第２圧力を検出する第２検出
装置、上記可変静翼の角度を調節し得るように該可変静
翼と作用的に連結された作動機構、および上記両検出装
置と作用的に連結され、上記両圧力の比により決る所定
の態様で上記可変静翼の角度を調節するように上記作動
機構を作動させる制御ユニットから成るものである。

本発明の制御系統は、エンジンの運転条件の急変、例え
ば急減遠後の急加速に迅速に応答することができる。

上記第１圧力は可変静翼の段の直ぐ下流に続く４段の動
翼および静翼の１つに存在する圧力でよい。

可変静翼は圧縮機の入口に隣接して配置するのが好まし
いが、複数組の可変静翼を設け、各紙の可変静翼にそれ
ぞれ制御系統を備えてもよい。

上記の第２圧力は圧縮機の出口圧力でもよいし「該圧縮
機の下流に直列に設けられた別の圧縮機の出口圧力でも
よい。可変静翼の角度を調節するための手段は、流体増
中素子とし、上記第１および第２の圧力を用いて直接該
増中素子を作動させるのが好ましい。

第２圧力と第１圧力との比が増大すると、可変静翼とエ
ンジン軸線との間の角度が減じるようにするのが好まし
い。以下図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明
する。

第１図には、空気取入口１２、ファン１４、該ファンか
ら空気の供給を受けるファンダクト１６、矢張りファン
１４から空気の供給を受ける多段軸流の中圧圧縮機１８
および高圧圧縮機２０、燃焼装置２２、タービン２４ト
ジット管２６および排気ノズル２８から成るターボファ
ン型ガスタービンエンジン１０が示されている。

ファン１４と圧縮機１‐８，２０とはタービンにより駆
動され、該タービンは燃焼装置２２から送られる高温ガ
スにより駆動される。直列に配置した２個又は３個の互
に分離したタービンを用いることができ、前者の場合は
低圧タービンがファン１４および中圧圧縮機１８を駆動
し、後者の場合は、中圧タービンが中圧圧縮機１８を駆
動する。

何れの場合も、高圧圧縮機２０１ま高圧タービンにより
駆動される。中圧圧縮機１８には、一組の可変入口静翼
３０が設けられ、該静翼３０は該圧縮機の第１段動翼３
２の直前（上流側）に位置している。一組の固定静翼３
４が上記動翼３２の直後（下流側）に配置されている。
可変静翼３０の角度を調節するためにｔ各可変静翼３０
はしバー３８を介して共通の一つの環４０‘こ連結され
ている。この環４川まベルクランクレバー４２に・より
円周方向に動かされる。ベルクランクレバー４２は空気
シリンダ４４により作動される。この空気シリングは後
述の制御ユニット３６により操作される。可変入口静翼
（ＶＩＧＶ）は本発明による制御系統により自動的に調
節されるが、理想的には、第４図に示すようにエンジン
の回転数の変化に対して予め定められたスケジュールに
従って調節しなければならない。

ＶＩＧＶ角は所定の両限界の間で変化するのが好ましい
。即ち、典型例としては、エンジンの回転数の変化に従
って、エンジン軸線に対する角度が約５０ｏから１００
まで変化する。（第４図において〜エンジン回転数Ｎは
値ノＴにより修正する。これはエンジン性能に明白な影
響を有する周囲温度の変化を計算に入れるためである。
）値ＮノＴは、第３図のように圧力比ＰＨ／ＰＬで置き
替えることもできる。ＰＨは高圧圧縮機２０の出口圧力
であり、ＰＬはエンジンの空気流の他の部分から取った
低圧、例えばダクト１６内のファン流圧力である。これ
らの２つの圧力は、適当な手段で検出されＶＩＧＶ制御
ユニット３６に供給される。

この制御ユニットは、圧力比ＰＨ／ＰＬに応じて、第３
図の所定のスケジュール線に従って可変静翼の角度を調
節する（可変静翼に連結されたシリンダ４４を介して）
ようになされている。圧力ＰＨが急変し、圧力ＰＬがそ
れに充分対応して変化し得ない場合があるが、その場合
は、可変静翼の調節は、第３図のスケジュール線から外
れたものとなる。この様なことは、エンジンを急加速す
る（「スラム加速」と云う）必要がありエンジン絞り弁
を広く開いて燃焼装置に導入する燃料を増加する時に起
る。この場合、ＰＨ‘ま急増するから、エンジン回転数
が増大する前に圧力比ＰＨ／ＰＬが増大し、ＶＩＧＶ角
が減少する。これは第２図に示すように２つの効果を有
する。圧縮機１８の作動ラインは燃料の供聯合が増して
エンジンを加速する時に上昇し、ＶＩＧＶの角度は、エ
ンジン回転数に対し予め定められたスケジュール値より
小さく、セットされているから、サージラインは下降す
る。作動ラインとサージラインとの間隔に比例する安全
マージンもその結果減少する。本発明の制御系統はこの
種の効果を解消するために開発されたものである。本発
明においては、低圧ＰＬは、可変静翼３０の下流のダク
ト内の圧力とし、可変静翼に充分近い所から取り出すこ
とにより、この圧力が可変静翼の角度によりさまるよう
にした。これは、可変静翼の下流の最初の４段の動翼お
よび静翼の圧力についてもあてはまるが、可変静翼の直
ぐ下流の位置においても最も明白である。この実施例で
は、圧力Ｐｓｌ、即ち中圧圧縮機の第１段の勤翼３２の
直ぐ下流の静翼３４の圧力を用いる。この圧力はタツピ
ング３５を介して検出し、高圧はタッピング３７を介し
て検出する。従って、本発明では、圧力Ｐｓｌを勤翼３
２の直ぐ下流で検出するから圧力Ｐｓｌは可変静翼が変
化すると直ちに変化するので急加速時に生じる可変静翼
の角度の減少は迅速に検出され、その検出により可変静
翼の角度を大きな角度に回復させる。

このようにして、サージラインは略正しいレベルまで上
昇し、それに従って、安全マージンが増大する。これは
、第５図に図解されている。

第５図は、１可変静翼およびその次の動翼における圧力
比（Ｐｓｌ／Ｐ，）の圧縮機質量流の関数に対するグラ
フである。Ｐ，は圧縮機１８の可変静翼３０の前の入刊
こおける圧力である、質量流量が増すと比Ｐｓｌ／Ｐ，
は３本の曲線に沿って減少する。この３本の曲線は、エ
ンジンの軸線に対し可変静翼の角度が小さい場合、最適
の場合、大きい場合についてものである。ＰＨが漸増し
可変静翼が小さい角度をとるようにした場合は、質量流
量は当初は減じる。エンジンが点４８で最適ＶＩＧＶ角
を維持するオンスケジュール状態にあったと仮定すると
、比Ｐｓｌ／Ｐ，は新しい点５０に達するまで増加する
。しかし、ＰＨが突然増大する場合は、質量流量が減じ
ると共にＶＩＧＶ角は最適ＶＩＧＶ角を維持することが
できず減少する。このように、エンジンは点４８から可
変静翼の減少した角度に対して測定されるＰＨおよび質
量流量をプロットした破線５４に沿って点５２までオフ
スケジュール状態で移行する。従って、Ｐｓ・は点５０
のスケジュール値より高くなり、このＰｓｌの増加はＶ
ＩＧＶ制御ユニット３６に供給され、ＶＩＧＶ角の増大
と比ＰｓｌノＰＩの減少を生じさせる。質量流量一定の
場合は、作動点はライン４６に沿って再び点５０まで下
降し、圧縮機は再びオンスケジュ−ル状態にもどる。急
減速の際にも同様な効果が生じる。

ＶＩＧＶ角が突然増大すると、その場合サージラインが
下降するが、作動ラインも同様に下降し安全マージンは
実質上影響を受けない。ボディー（Ｂｏｄｉｅ）サージ
の場合は、急減速に引続いて直ちに急加速が起り、減速
と加速との間に安定期間が存在せず、エンジン回転数の
変化は殆ど又は全く無いが、この場合、可変静翼は予定
の設定角から迅速に動いて大きな角度へ、更に４・さな
角度を取る。サージラインが著しく下降しているため、
この様な作動状態ではサージの可能性が大きいが、圧力
Ｐｓｌを用いているから、可変静翼は迅速に角調節され
てオンスケジュール状態に保つことができるのである。
このように、本発明の制御系統は、殆ど即時の負フィー
ドバックを有し、系統を安定性に富んだものとし従って
サージの可能性を減じる可変静翼制御を与えるものであ
る。

圧力ＰＨは高圧圧縮機の出口圧力として説明したが、中
圧圧縮機又は高圧圧縮機の種々の位置から取ることがで
きる。

しかし、Ｐｓｌより高く、エンジンの定常作動状態で圧
縮機回転数とともに増大し、可変静翼の位置による影響
が低圧の制御圧を用いる場合より少し、ものでなければ
ならない。又、燃焼室の圧力に応答しなければならず、
従って、高圧圧縮機の出口圧力が最も望ましいものであ
ると考えられる。当業者には明らかなとおり、種々の機
械的、電気的、液圧的、又は空圧的系統を制御ユニット
３６の機能を果すために用いることができる。

その一例として第６図に空圧系統を図解し、以下に説明
する。この系統の基本的概念は英国特許第１３１６７７
８号（米国特許第３７８３９０３号）明細書に記載され
ている。第６図の制御ユニット３６は、空気シリンダ４
４に直接用いるのに適した空圧出力を得ることができる
ように空圧素子別ち流体素子が用いられている。

制御に用いる２つの圧力の片方ＰＨはマニホールド管５
６に供給し「 このマニホールド管からの種々のタッピ
ソグにより、空気圧を制御圧としても、又種々の流体増
中器の駆動圧としても用いることができるようになされ
ている。管５８を通じる第１のタツピングにより、ＰＨ
がジェットコレクタ素子６０の入力オリフイスへ供給さ
れる。この素子のダンプ連結部６２は他方の制御圧Ｐｓ
，のタッピングに連結されている。ジェットコレクタ素
子６０からの出力は制御圧力Ｐｃとして出力通路６４に
現われる。当業界で周知のように、ジェットコレクタ素
子６０の出力と入力との関係は、比Ｐｃ／Ｐｓ，は殆ど
直線的にであるが極めて緩慢に比ＰＨ／Ｐｓ，と共に増
加し、飽和値に達すると、ＰＨ／Ｐｓｌの増加が停止し
、Ｐｃ／Ｐｓｌは増加を続ける。

その出力ＰＩＩはライン６４に沿って供給され第１の流
体増中素子６６の制御入力となる。マニホールド５６か
らの第２のタッピング６８はＰＨを固定の第１オリフィ
ス７０へ運ぶ。

タッピング６８はオリフィス７０を通って可変の第２オ
リフィス７２まで続き、タッピングのこれら両オリフィ
スの間に規準圧ＰＲが生じる。可変オリフイス７２は、
可変静翼３０から連結リンク７６を介して操作される閉
塞部材７４によりオリフィス断面積を変えるものとして
図示されている。従ってこのオリフィスは、断面積が可
変静翼の角度位置に従って変化する。オリフィス７２の
固定オリフィス７０の反対側は通気孔圧Ｐｏに通気され
、従ってＰＲはＰＨとＰｏの間であり、この圧力範囲内
のＰＲの値はオリフィス７２の断面積の大きさ、従って
可変静翼３０の角度位置により決る。その値はオリフイ
ス７２を固定した時、ＰＨと共に迅速に変化し、Ｐｃの
変化より迅速である。図には、可変オリフィス７２の断
面積は針弁の位置により変えるものとして図式的に示し
た。

実際には、このオリフィスは、スロットの開〇断面積を
該スロットの一部を覆うカム板の回転により変えるもの
としてもよい。云うまでもなく、カムの角度位置を可変
静翼３０の角度位置にリンクさせることは極めて簡単で
ある。可変オリフィス７２の構造がどうであっても、基
準圧ＰＲはタクト７８を通じて増中素子６６に第２の制
御入力として供給される。

この増中素子では、ダクト６５および７８の制御入力Ｐ
ｃおよびＰＲは駆動圧のジェットに対し反対方向に作用
する。この駆動圧はマニホールド５６からタッピング８
０を介して取り出したＰＨである。タッピング８０を介
して圧ＰＨは室８２に供給されノズル８４を通じてジェ
ットとなる。圧力Ｐｃと圧力ＰＲとの何れが高いかによ
り、ノズル８４から出るジェットは出力通路８６，８８
の何れか片方へ偏る。

通気路８７，８９は通気孔圧力（図示せず）に接続され
ている。流体素子技術で周知のとおり、素子６６は通路
６４，７８への入力の増中値である出力を通路８６，８
８から与える。増中素子６６から得られたこれらの出力
は、第２の増中素子９０の入力として用いる。

第２増中素子９０もマニホールド５６からタッピング９
２を介して取ったＰＨを駆動圧として用いる。この増中
素子の作用は８６，８８の入力がノズル９４からのＰＨ
のジェットを出力９６，９８の何れか片方へ偏向させる
点で増中素子６６と似ている。増中素子９０の他の部分
は通気孔の圧力に接続されている。これらの出力９６，
９８は増中素子１００‘こより更に増中される。

この増中素子１００の作用は増中素子９０と全く同じで
あるから詳細の説明は省略する。増中素子１００のダク
ト１０２，１０４の出力は出力９６，９８の増中値であ
ることは明らかである。３つの直列の増中素子６６，９
０，１００の効果は、出力通路１０２，１０４にダクト
６４，７８における制御圧Ｐｃおよび基準圧ＰＲの著し
く増中されたものを提供するにある。

増中度は、１０２，１０４の圧力で直接空氏シリンダ４
４を作動させ得る大きさとする。上述の系統の作動を理
解するために、最初、該系統は圧力Ｐｃ，ＰＲについて
安定であり、従って、１０２，１０４の出力圧は等しい
と考える。

シリンダ４４は可変静翼３０と同様に静止している。燃
焼室へ送られる燃料の流量を増してエンジンを加速する
と、ＰＨは迅速に増大するが、Ｐｓ，は急には変化しな
い。従ってＰＲはＰｃより変化が大きく、増中素子６６
の出力は８８からの出力が８６からの出力より大きくな
る。増中素子９０，１００を通過した後、１０４の圧力
は１０２の圧力より高くなり、従ってシリング４４のピ
ストンが引込み、レバー４２、リング４０、レバー３８
を介して可変静翼３０を第６図で見て反時計万向に回転
させ該静翼の角度を減じる。可変静翼がこのように回転
することにより、オリフィス７２はリンク７６を介して
開かれ、同時に、可変静翼の角度の減少のためＰｓｌが
増大する。

従って、ＰＲが減じＰｃが増し、１０２，１０４の圧力
の平衡が迅速に回復し、可変静翼３０を正しい位置に維
持する。燃焼室に送られる燃料の流量を減じることによ
りエンジンが減速されるが、これは云うまでもなく丁度
逆の効果を生じる。

しかし、やはり、Ｐｓｌの可変静翼に対する密接な関係
により、制御系統は迅速正確なしスポンスを与えること
ができる。以上の説明では、可変静翼は一組だけ設けら
れているが、静翼の各組の全部又は幾つかの粗を可変と
することができる。

可変静翼の各組は、全部の組を上述の一つの圧力比に従
って一緒に制御することもできるし、各組に対する別々
の圧力比制御を用いて各組を互に独立に制御することも
できる。或いは又、幾組かの可変静翼を１つの圧力比で
制御し、他の幾組かの可変静翼を別の１つの圧力比で制
御してもよい。複数組の静翼を可変とした場合「最初の
第１組の可変静翼の下流の任意の場所の圧力を選ぶこと
が可能であり、その場所は、可変静翼の第１組と最後の
絹との間でもよいし、最後の縄の少し下流でもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御系統を備えたガスタービンヱンジ
ンの縦断面図。 第２図は圧縮機の圧力比対空気流量のグラフ。第３図お
よび第４図はそれぞれ可変静翼角対圧力比および可変静
翼角対エンジン回転数に関係する値のグラフ。第５図は
可変静翼とそれに続く動翼との間の圧力上昇の圧縮機の
質量流量に対する関係を示すグラフ。第６図は第１図の
制御系統の図式図。３０・・・・・・可変静翼、３２・
・・・・・第１段動翼、４４・・・・・・空気シリンダ
ー、３６…・・・制御ユニット、６０，６６，９０，１
００…・・・流体素子、７０，７２……オリフイス。 片ｇ−フ・ Ｇ９．２， Ｐ９．３． 行９ム Ｆ／９．５． Ｆね．６‐

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンエンジンの作業流体を圧縮する多段軸
   流圧縮機のための制御系統において、上記圧縮機の一段
   の可変静翼、該可変静翼の下流における圧縮流体流の上
   記可変静翼の角度の影響を受ける第１の圧力を検出する
   第１検出装置、上記第１の圧力の下流における上記圧縮
   流体の上記可変静翼の角度とは実質的に無関係でありエ
   ンジンの圧縮機回転数と関数関係にあり、かつ上記第１
   の圧力より高い第２の圧力を検出する第２検出装置、上
   記可変静翼の角度を調節し得るように該可変静翼と作用
   的に連結された作動機構、および上記両検出装置と作用
   的に連結され上記両圧力の圧力比により決る所定の態様
   で上記可変静翼の角度を調節するように上記作動機構を
   作動させる制御ユニツトから成ることを特徴とする制御
   系統。 ２ 特許請求の範囲第１項の制御系統において、上記圧
   縮機が上記可変静翼の直ぐ下流に交互に配置された少く
   とも４段の動翼および静翼を有し、上記第１の圧力が上
   記４段の動翼および静翼のうちの１段における圧力であ
   る制御系統。 ３ 特許請求の範囲第２項の制御系統において、上記少
   くとも４段の動翼および静翼の最上流の第１段が動翼段
   であり該第１段の直ぐ下流の第２段が静翼段であり、上
   記第１の圧力が該第２段の静翼段における圧力である制
   御系統。 ４ 特許請求の範囲第１項の制御系統において、上記第
   ２検出装置がエンジンの上記圧縮機の出口端における上
   記第２の圧力を検出する制御系統。 ５ 特許請求の範囲第１項の制御系統において、上記圧
   縮機が直列に配置された複数基の軸流圧縮機から成る制
   御系統。 ６ 特許請求の範囲第５項の制御系統において、上記複
   数基の軸流圧縮機が低圧圧縮機と高圧圧縮機とから成り
   、低圧圧縮機が上記可変静翼を有し、高圧圧縮機の出口
   端において上記第２検出装置が上記第２の圧力を検出す
   る制御系統。 ７ 特許請求の範囲第１項の制御系統において、上記両
   検出装置が圧力タツピングを有している制御系統。 ８ 特許請求の範囲第７項の制御系統において、上記制
   御ユニツトが、上記タツピングから供給される上記第１
   の圧力および第２の圧力の上記圧力比に基いて作用する
   流体素子を有する制御系統。 ９ 特許請求の範囲第８項の制御系統において、上記作
   動機構が空気シリンダを有し、上記流体素子が生じる空
   圧出力を上記空気シリンダに接続して該空気シリンダを
   作動させることにより上記可変静翼の角度を上記圧力比
   に基いて調節する制御系統。 １０ 特許請求の範囲第８項の制御系統において、上記
   流体素子は直列に固定オリフイスと可変オリフイスとを
   設けたダクトを有し、該ダクトは上記固定オリフイス側
   の端に上記第２の圧力を受け、可変オリフイス側の端が
   通気孔圧力に連通し、上記可変オリフイスと上記可変静
   翼の１つとを連動させる連結手段を設けてそれにより上
   記可変オリフイスの断面積が可変静翼の角度に従って所
   定の態様で変化するようにし、上記ダクトの両オリフイ
   スの間の圧力が上記制御ユニツトの基準圧となる制御系
   統。 １１ 特許請求の範囲第１０項の制御系統において上記
   流体素子は駆動入力部、ダンプ接続部、および出力部を
   有するジエツトコレクタ素子を有し、上記駆動入力部は
   上記第２の圧力を受け上記ダンプ接続部は上記第１の圧
   力を受け、上記出力部が上記制御ユニツトの制御圧を提
   供する制御系統。 １２ 特許請求の範囲第１１項の制御系統において、上
   記流体素子は上記基準圧と制御圧とを増巾して上記空気
   シリンダを作動させるのに適当な出力を提供するように
   なされた流体増巾素子を含む制御系統。