JPS6153426A - ガスタ−ビンエンジンの制御装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービンエンジンの制御装置に関し、特に
圧縮機のサージング回避技術に関するものである。

〔従来技術〕

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及び圧縮機
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
破損といった重大な不具合をもたらすおそれがある。

一方、エンジンの効率はサージングが発生する近傍で最
大となることも知られており、サージングを避けつつ、
出来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
な課題の一つとなっている。

上記のサージングを回避する技術としては、例えば、公
開特許公報昭和５３年９３２１２号や公告特許公報昭和
５６年７０４９号等に開示されているように、運転条件
によっ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
なわれていた。

又、公開特許公報昭和５９年１０８８２８号や公開特許
公報昭和５！３年第２８０２５号に記載されているよう
に、サージングの発生を直前に検知してサージングを回
避するように回転数や温度の目標値を補正することによ
りそれ以上サージングに入らないように制御する方法が
行なわれていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のごとき従来のサージング回避技術
においては、前者の方法では、いかなる運転モードにあ
ってもサージングに突入することを回避するために必要
以上に大きな余裕を持たせねばならず、その結果として
加速性能や効率の劣化をもたらすという弊害があった。

又、エンジンの経時変化や流路の詰まり等に基因して設
計時点で定めた余裕が不足してしまい、そのためサージ
ングが発生するおそれもあった６又、後者の方法では、
サージングの検出をサージングの発生直前に確実に行な
わなければならないが、エンジンの急加速時等にも対応
出来るような応答性の良い確実なプレサージ検出器を得
ることが困難であったため、常に確実にサージングを回
避する装置を実現することが困難であった。

本発明は、上記ごとき従来技術の問題点を解決すること
を目的とするものである。

〔問題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため本発明においては、サージン
グが生じる圧縮機の運転領域と正常な運転が出来る領域
との境界線を示すサージラインを予め記憶しておき、そ
のサージラインに達しない運転領域で運転するように制
御し、かつサージングの発生を検出するサージ検出手段
を設けておき、経時変化による特性の変化等によってサ
ージングが発生した場合には新たなサージラインを演算
して元のサージラインを書き換えるように構成している
。

第１図は、本発明の機能ブロック図である。

第１図において、１はエンジンの各種運転変数を検出す
るセンサ群であり、例えば後記第２図の２０〜２７に示
すごとき各種センサである。

制御手段２は、サージングが生じる圧縮機の運転領域と
正常な運転が出来る領域との境界線を示すサージライン
を予め記憶しておき、上記センサ群１の入力信号に応じ
てサージングが発生しない運転領域でエンジンを′Ｍ転
するような制御信号を出力し、その制御信号によってア
クチュエータ群３が作動してガスタービンエンジンを制
御する。

アクチュエータ群３としては、例えば後記第２図の１８
．１９及び１１等がある。

一方、サージ検出手段４は、例えば圧縮機の圧力変動等
からサージングの発生を検出する。

そして、サージングが検出された時、書換手段５はその
時の運転状態から新たなサージラインを算出し、制御手
段２が記憶しているサージラインを新たな値に書換える
。

上記のように構成したことにより本発明においては、通
常時はサージラインに到達しない運転領域において制御
を行なうので、サージングの発生するおそれがなく、か
つ最も効率の良い状態でガスタービンエンジンを運転す
ることが出来、又、何等かの原因によってサージングが
発生した場合にはその値に応じてサージラインを書換え
るので、経時変化等によってエンジンの特性が変化した
場合にも常にその特性の変化に対応して最適な制御を行
なうことが出来る。

〔発明の実施例〕

以下実施例に基づいて本発明をＪ′６細に説明する。

第２図は、本発明の一実施例図である。

第２図において、エアフィルタ６で清浄化された空気は
可変インレットガイドベーン（入口案内翼）７を通って
圧縮機８に与えられる。

圧縮機８で圧縮された空気は熱交換器９によって加熱さ
れた後、燃焼器１０において燃料供給装置１１から与え
られた燃料を燃焼させ、高温高圧のガスとなって圧縮機
タービン１２を回転させる。

圧縮機タービン１２と圧縮機８とは軸１３によって結合
されており、圧縮横８は圧縮機タービン１２によって駆
動される。

圧縮機タービン１２を出た高温高圧のガスは、可変ノズ
ル１４を介して出力タービン１５を回転させた後、熱交
換器９で吸入空気に熱エネルギーを与えた後マフラ１６
を介して大気に排出される。

出力タービン１５の回転は変速機１７を介して出力とし
て外部に取り出される。

又、１８は可変インレットガイドベーン７を制御するア
クチュエータ、１９は可変ノズル１４を制御するアクチ
ェエータである。

又、２０は運転者の操作するアクセルペダルの開度を検
出するアクセル開度センサ、２１は大気温度センサ、２
２は大気圧センサ、２３はサージセンサ（詳細後述）、
２４は圧縮機の回転速度を検出する圧縮機回転センサ、
２５は圧縮機出口圧センサ、２６は圧縮機タービン出口
温度センサ、２７は吸入空気流量を検出する空気流量セ
ンサである。

又、２８はサージセンサ２３の信号からサージングが発
生しているか否かを判定するサージ判定回路（詳細後述
）である。

又、修正量・状態量演算手段２９．主制御手段３０゜余
裕演算手段３１．新サージライン演算手段３２は、例え
ばマイクロコンピュータで構成されている。

上記のアクセル開度センサ２０、大気温度センサ２１、
大気圧センサ２２．圧縮機回転センサ２４、圧縮機出口
圧センサ２５、圧縮機タービン出口温度センサ２６及び
空気流量センサ２７の各信号は修正量・状態量演算手段
２９に与えられ、それぞれ主制御装置３０に必要な形態
に加工されて出力される。

例えば、圧縮機の回転数ｎｇｇや吸入空気の流量ｇａは
、それぞれ修正回転数Ｎ乙ｇや修正流量Ｇａとして出力
される。なお、この修正回転数及び修正流量は、吸入空
気温度を標準温度にした場合の換算値であり、例えば Ｎｇｇ　＝　ｎｇｇ１０ｚ浩−７ で示される。なお、Ｔ□は吸入空気温度（大気温度）で
あり、Ｔよ、。は標準温度であり、それぞれ絶対温度に
で示した値を用いる。

又、修正量・状態量演算手段２９においては、圧縮機の
入口の圧力（大気圧）と出口の圧力との圧力比ＴＩｃも
演算して出力する。

余裕演算手段３１は、上記の修正回転数Ｎαｇ、圧力比
ｒｆｃ、修正流ｉＧａを入力し、予め記憶していたサー
ジラインの値と上記の諸量との差、すなわちサージング
を発生するまでの余裕ΔＮｇｇ、ΔＨａ、ΔＧａを演算
して出力する。

なお、上記の各余裕は、サージラインの値をＮｇｇｓ、
　ｎｃｓ、　Ｇａｓとした場合にΔＮｇｇ”ＮｇｇＳ−
Ｎｇｇ、ΔＩＴｃ＝　Ｈｃｓ　−ｎｃ、ΔＧａ＝Ｇａｓ
−Ｇａである。

主制御手段３０は、修正量・状態量演算手段２９がら与
えられる各信号、及び余裕演算手段３１から与えられる
余裕の値に応じた演算を行ない、アクセル開度センサ２
０の信号で与えられる運転者の要求に対応した性能を発
揮するようにアクチュエータ１８．１９及び燃料供給装
置１１を制御するための制御信号を出力する。

一方、余裕演算手段３１は、サージ判定回路２８の信号
によってサージングの発生が検出された場合にはそのサ
ージングが発生する修正回転数Ｎｇｇｓ、修正流量Ｇａ
ｓ、圧力比ｌＴｃ５を新サージライン演算手段３２に送
る。

新サージライン演算手段３２は、上記の諸量から新たな
サージラインを演算して書換信号Ｓ３２を余裕演算手段
３１に送り、余裕演算手段３１内で記憶しているサージ
ラインを新たな値に６ｍえる。

次に、サージセンサ２３とサージ判定回路２８について
詳細に説明する。

まず第３図は、サージセンサ２３の取付図であり、圧縮
機８の主要部断面図を示す。

第３図において、５１は空気吸入部であり、吸入ケーシ
ング５２とシュラウド５３との間に形成されている。

又、５４はシャフト、５５はシャフト５４に取付られた
圧縮機ロータ（羽根車）である。

５６はベーン式のディフューザであり、このディフュー
ザ５６とロータ５５との間には空気通路５７が形成され
ている。

ロータ５５の入口付近にあるシュラウド５３には小穴５
８が設けられ、この小穴５８のロータ５５と対向する開
口側にサージセンサ２３を取付ける。

この場合にはサージセンサ２３はロータ５５の入口付近
の圧力（静圧）を検出する。

又、サージセンサ２３の他の取付位置としては、ロータ
５５の出口付近のシュラウド５３に設けた小穴５９にお
けるロータ５５と対向する開口側でもかまわない。

この場合にはサージセンサ２３は、ロータ５５の出口付
近における空気通路５７での圧力（静圧）を検出する。

なお、サージセンサ２３として使用する圧力センサは、
応答が例えば１〜１０ｍ５ｅｃと速く、サージングが発
生した時の圧力衝撃に耐え得るものを使用する。

次に第４図は、サージ判定回路２８のブロック図であり
、第５図は、第４図の回路における信号波形図である。

第４図の回路において、フィルタ１１１はサージセンサ
２３の信号Ｓ２３から不要な周波数帯域を減衰させた信
号を出力する。

又、１１２はバックグランドノイズレベル（ＢＧＬ）発
生器であり、通常はバックグランドノイズレベル電圧（
Ｂ　Ｇ　Ｌ　電圧）Ｓ１１２としてフィルタ１１１の出
力信号５１１１を整流平均して出力する。

又、バックグランドノイズレベル発生器１１２は、サー
ジングと判定されてから所定時間の間は単安定マルチバ
イブレータ１１６からの通電禁止信号５ＩＬ６によって
フィルタ１１１からの入力を遮断する。

次に１１３は比較器であり、フィルタ１１１からの出力
信号５１１１をＢＧＬ電圧Ｓ　１１２と比較し、５１１
１が５１１２を上回った時にサージング検出信号５１１
３を出力する。

なお、フィルタ１１１からの出力信号５１１１はサージ
ングの程度に応じて変化し、例えば、サージングの強、
弱、中の程度に応じて第５図に示す波形５ｉｌｌ（，５
ＬＬＬ−２及゛び５ｉｌｌ−３のように変化する。

その結果、サージング検出信号５１１３はサージングの
程度に応じてパルスの幅及び数が変化し、例えば、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を示す。

次に１１４は積分器であり、サージング検出信号５１１
３を比較的急速に充電し、ゆっくりと放電する。

１１５は比較器であり、積分器１１４からの積分信号５
１１４を所定の電圧ＶＩＩＳと比較し、積分信号５１１
４が所定の電圧ｖ１１５を上回った時にサージング判定
信号５１１５を出力する。

積分信号５１１４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又はサー
ジングではないノイズに基因する電圧を所定の電圧■１
１５と比較することによって除去する。

その結果、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、サージング判定を極め
て正確にかつ高感度に行なうことが出来る。

又、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５１１５の立上り時点から所定のパルス幅
を有する通電禁止信号８１１６を出力する。そして前記
のごとく、この信号８１１６によってＢＧＬ発生器１１
２に入力する信号５１１１を遮断する。

すなわち、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るためにＢＧＬ発生
器１１２への信号入力を禁止する。

上記のようにしてサージングの判定を行なうことが出来
る。

なお、上記の説明においては、圧縮機の圧力の変動を計
測することによってサージングを検出する例を示したが
、圧縮機の入口温度を計測することによってサージング
を検出することも出来る。

次に、第２図の装置における本発明の演算について詳細
に説明する。

まず第６図は、サージラインの特性図であり、（Ａ）は
圧力比ｒＩｃと修正流量Ｇａとで表わしたサージライン
、（Ｂ）は修正回転数Ｎｇｇと修正流量Ｇａとで表わし
たサージライン、（Ｃ）は圧力比ｒＩｃと修正回転数Ｎ
ｇｇとで表わしたサージラインを示し、いずれも各サー
ジラインの左上方がサージング範囲、右下方が正常運転
範囲である。

又、（Ａ）において破線は修正回転数に対応した動作曲
線を示す。

次に、第７図は本発明の演算を示すフローチャートの一
実施例図である。なお、この演算は、例えば５００　ｍ
ｓ毎に繰返し実行される。

第７図において、まず、アクセル開度、回転数ｎαｇ、
空気流量ｇａ及びその他のセンサの出力を読込み、次に
修正回転数Ｎｇｇと修正流量Ｇａとを計算する。

次に、Ｐｌで、予め記憶しているサージライン上のサー
ジングが発生する修正回転数Ｎ　３ｇｓ　＝ＡＧａ＋Ｂ
を演算する。

これは前記第６図（Ｂ）における直線近似の式を用いた
ものであり、Ａ及びＢは定数であり、Ａはサージライン
の傾斜、ＢはＹ切片を示す。

次に、Ｐ２でサージ判定回路の出力を読込み、Ｐ３でサ
ージングが発生しているか否かを判定する。

Ｐ３でＮｏの場合には、Ｐ４に行き通常の燃料可変要素
の制御を行なう。

この制御においては、修正回転数の余裕、すなわちΔＮ
ｇｇ”　Ｎｇｇｓ−ＮＩＪを演算し、その余裕が出来る
だけ小さくかつサージラインに到達しないように制御す
る。

なおサージラインは、一般にサージングが発生すると推
定される値から所定の余裕（例えば２％）を持った値に
設定されているが、サージラインに余裕を持たせず、Ｐ
４の制御において所定の余裕を持たせるように制御して
も良い。

一方、Ｐ３でＹＥＳの場合には、Ｐ５に行きサージ回避
制御を行なう。

例えば、前記第６図の（Ｂ）の曲線から判るように修正
回転数Ｎｇｇが一定の値の場合には修正流量Ｇａの値を
大きくするように制御すればサージングを回避すること
が出来る。

そのためには１例えば第２図のアクチュエータ１９を制
御して可変ノズルＩ４の角度を開くように制御すること
により、修正流量Ｇａを増加させてやれば良い。

次にＰ６において、実際にサージングが発生した時の修
正回転数Ｎｇｇと修正流量Ｇａとから新しいサージライ
ンを計算する。

モしてＰｌにおいて、サージラインの記憶値を新たに計
算した値に書換える。

例えば、前記Ｐ１におけるＡとＢとの値を書換えれば新
たなサージラインにすることが出来る。

なお、ＡとＢの両方の定数を書換えることも出来るが、
一般にサージラインは平行移動することが経験的に知ら
れているので、Ｙ切片の定数Ｂのみを岩゛換えても良い
。

また、前記第６図の例においては、サージラインを直線
近似又は折れ線近似で示しているが、曲線近似で与えて
もよいことは勿論である。

又、前記第２図の例においては、サージ判定回路をマイ
クロコンピュータとは別個の回路として設けた場合を示
しているが、サージセンサ２３の信号をマイクロコンピ
ュータで信号処理することによってサージングの発生を
判定することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、経時変化等によっ
てサージングの特性が変化した場合でも、常に正しいサ
ージラインに書換えるように構成しているので、安全で
しかも確実にサージングが生ずる直前の運転領域で運転
することが出来る。

そのため、サージングを回避しながら効率の良い運転を
実現することが出来、燃費性能を向上させることが出来
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の機能を示すブロック図、第２図は本発
明の一実施例図、第３図はサージセンサの取付図、第４
図はサージ判定回路の一実施例図、第５図は第４図の回
路における信号波形図、第６図はサージラインの特性図
、第７図は本発明の演算を示すフローチャートの一実施
例図である。 符号の説明 １・・・センサ群　　　　　２・・・制御手段３・・・
アクチュエータ群　４・・・サージ検出手段５・・・書
換手段　　　　　６・・・エアフィルタ７・・・可変イ
ンレットガイドベーン ８・・・圧縮機　　　　　　９・・・熱交換器１０・・
・燃焼器　　　　　　１１・・・燃料供給装置Ｉ２・・
・圧縮機タービン　　１３・・・軸１４・・・可変ノズ
ル　　　　１５・・・出力タービン１６・・・マフラ　
　　　　　１７・・・変速機１８．１９・・アクチュエ
ータ ２０・・・アクセル開度センサ ２１・・・大気温度センサ　　２２・・・大気圧センサ
２３・・・サージセンサ　　　２４・・・圧縮機回転セ
ンサ２５・・・圧縮機出口圧センサ ２６・・・圧縮機タービン出口温度センサ２７・・・空
気流量センサ　　２８・・・サージ判定回路２９・・・
修正量・状態量演算手段 ３０・・・主制御手段　　　　３１・・・余裕演算手段
３２・・・新す−ジライン演算手段 才１　図 中３図 ら３ 矛４ド ′ｆ″５図 ５１１６　　　　’ 予６　隅 （Ａ） サージライン （Ｂ） う・６図 ５０　　　　イ暑正ロ車大数Ｎ、、　　　　　ＩＬＩＵ
；ＦＶ圀

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. サージングが生じる圧縮機の運転領域と正常な運転が出
   来る領域との境界線を示すサージラインを予め記憶して
   おき、そのサージラインに達しない運転領域で運転する
   ように制御する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
   手段によってサージングが検出された場合に新たなサー
   ジラインを演算して元のサージラインを書換える書換手
   段とを備えたガスタービンエンジンの制御装置。