JP4142673B2 - ガスタービンエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの制御装置に関し、特にコンプレッサの圧力センサに異常があった際にも安全に運転を継続できるようにするための制御装置に関するものである。

航空機用ガスタービンエンジンにおいては、エンジンの運転状態を最適に制御するために種々のセンサを用いているが、コンプレッサの出口圧（Ｐ３）は、燃料流量（Ｑｆｒ）と共にＱｆｒ／Ｐ３として制御パラメータとすると、加速、減速時における空燃比特性が向上し、且つ失火し難くなることから、最も重要な制御パラメータの一つとされており、適正値を得られることが求められていた。このような制御パラメータの基礎となる値を出力するセンサが故障すると、制御パラメータが異常を呈し、エンジンの適正制御に支障を来すので、センサ故障時の対策は極めて重要である。

センサの故障対策としては、１つの計測ポイントに複数個のセンサを設け、各センサの出力値を比較して異常の有無を判定することが一般的であるが、コンプレッサの出口は、エンジンの構造上の制約や製造コストの観点から、複数個のセンサを設けることは困難である。

そこで従来は、コンプレッサの出口圧が異常値を示した場合には、センサの出力値をフィルタリングしたり、ある固定値で代替したりして対処していた。またセンサの出力値が異常を呈した際には、無負荷運転モードに移行する技術も知られている（特許文献１を参照されたい）。
特開２００３−１８４５７８号公報

しかしこの従来の対処法では、エンジンの運転状態によっては代替値と正常値との差が大きくなりすぎて減速時間が長くなってしまうことがあり、センサの異常時に安定した運転を継続するには操縦者の技量に大きく頼らざるを得ない面があった。また文献１に記載の制御方法は、定置式エンジンには有効であるが、航空機用エンジンへの適用は実質的に不可能である。

このような従来技術の不都合に鑑み、本発明は、コンプレッサの出口圧を検出するセンサの出力値が異常を示した場合にも、エンジンの運転状態を急変させずに安定した状態に比較的速やかに収束させることができるようにすることを課題とした。

このような課題を解決するために、本発明によるガスタービンエンジンの制御装置は、コンプレッサ（２）の出口圧（Ｐ３）を検出する出口圧検出手段（高圧センサ８）と、ファン（６）の入口圧（Ｐ１）を検出する入口圧検出手段（低圧センサ９）とを有するガスタービンエンジンの制御装置であって、エンジンの回転速度と吸気温度と前記入口圧検出手段の出力値との関係に基づいてコンプレッサの出口圧を推定する出口圧推定手段（高圧値推定部２４）と、前記出口圧検出手段の出力値が正常であるか否かを判別する出力値判定手段（高圧センサ出力判定部２２）と、前記出口圧検出手段の出力値が正常でないと前記出力値判定手段にて判定された場合には、前記出口圧検出手段の出力値を前記出口圧推定検出手段の出力値で置換し、更に前記出口圧推定検出手段の出力値が異常と判定された場合には、前記出口圧検出手段の出力値を前記入口圧検出手段の出力値で置換する出力選択手段（出力選択部２３）とを有する。

このような本発明によれば、コンプレッサの出口圧検出手段が異常を起こしても、安定的に運転を継続し得る代替値が与えられるため、エンジン挙動の急変を抑制し、エンジンの運転を安定的に継続することが可能となる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用された制御装置で制御されるガスタービンエンジンの概略構成を示している。このガスタービンエンジン１は、コンプレッサ２及び高圧タービン３を連結する高圧軸４と、低圧タービン５及びファン６を連結する低圧軸７とを有し、コンプレッサ２の出口圧Ｐ３を高圧センサ８で、ファン６の入口圧Ｐ１を低圧センサ９で、高圧軸４の回転速度Ｎ２を高圧軸回転センサ１０で、ファン６の入口温度Ｔ１を吸気温センサ１１で、それぞれ検出し、これらの出力値及びその他の各種運転状況検出センサの出力に基づいてエンジンが最適な応答を示すように、燃料流量制御器１５によって燃料調量弁１６を制御して燃焼室１７に供給する燃料流量が制御されるようになっている。

高圧センサ８は、高温・高圧の過酷な条件下に設けられるので、例えば故障するなどしてその出力が異常となった場合にも最低限の安定的運転を継続できるように、高圧センサ８の異常時の対応装置が設けられている。この異常時対応装置は、運転モード判別部２１と、高圧センサ出力判定部２２と、出力選択部２３と、高圧値推定部２４とからなっている。

運転モード判別部２１では、例えば、高圧軸回転センサ１０の出力値Ｎ２並びにスロットルレバーアングルセンサ１２の出力ＴＡに基づいて、モード判別値が予め設定されたモード判別値マップ３１・３２（図２、３）を参照してその時の運転状態を判別する。ここで判別される運転状態としては、始動ＳＴ、低負荷定常運転ＬＲ、加速運転ＡＣ、高負荷定常運転ＨＲ、減速運転ＤＣ、緊急時燃料遮断ＣＯなどが設定されている。なお、本実施例においては、高圧軸回転センサ１０並びにスロットルレバーアングルセンサ１２の出力値に基づくモード判別値を例示したが、これらの値を参照するだけでなく、例えば速度計や高度計の値や事前に設定したフライトスケジュールなども参照し、判別精度をより一層高めることが考えられる。

高圧値推定部２４には、吸気温センサ１１が出力するファン６の入口温度Ｔ１にて高圧軸回転センサ１０の出力値Ｎ２を補正したエンジン回転速度補正値Ｎ２Ｃと、低圧センサ９が出力するファン６の入口圧Ｐ１との関係をベンチテストで実測して設定された推定高圧値算出マップが格納されており、ファン６の入口温度Ｔ１及び入口圧Ｐ１と、高圧軸回転速度Ｎ２とを入力し、推定高圧値Ｐ３Ｅを求める。但し、Ｎ２Ｃは次式で与えられる。

次に本発明による制御パラメータの選択処理フローについて図４を参照して説明する。

先ず、運転モード判別部２１でモードチェックを行い、その時の運転モード（始動ＳＴ、低負荷定常運転ＬＲ、加速運転ＡＣ、高負荷定常運転ＨＲ、減速運転ＤＣ、緊急時燃料遮断ＣＯのいずれか）を判別する（ステップ１）。

次いで高圧センサ出力判定部２２内に格納された基準値マップ３３（図５）を参照し、その時の運転モードに対応する基準値（例えば始動モードであれば図５のＡ〜Ｄの範囲、低負荷定常運転モードであればＢ〜Ｃの範囲）を設定する（ステップ２）。

同時に高圧センサ８の出力値Ｐ３を取り込み（ステップ３）、この値と基準値とを高圧センサ出力判定部２２で比較し、規定範囲内の値であるか否かを判別する（ステップ４）。より詳しく言うと、このステップでは、高圧センサ８の出力値Ｐ３をたとえば１０msec毎にサンプリングし、サンプリングした値を基準値と比較してその差が所定範囲を超えていたならば高圧センサ８の異常と判定する。

ここで高圧センサ８が正常と判定された場合は、出力選択部２３はその時の出力値Ｐ３を制御パラメータとして出力する（ステップ５）。他方、ここで異常と判定された場合は、前回が正常であったか否かをチェックし（ステップ６）、前回正常であった場合は、今回の異常値は一過性のものであると推定し、記憶してある前回のＰ３値を制御パラメータとして出力する（ステップ７）。この反対に前回も異常であった場合は、高圧センサ８が異常であるものと確定し、高圧値推定部２４から得た推定高圧値Ｐ３Ｅが正常か否かを判別する（ステップ８）。

この推定高圧値Ｐ３Ｅの正否判別は、基礎となる高圧軸４の回転速度Ｎ２、ファン６の入口温度Ｔ１及び入口圧Ｐ１の値を、時間履歴と所定の閾値とを参照することによって行う。なお、ファン６の入口温度Ｔ１及び入口圧Ｐ１は、機体側に２つ、エンジン側に１つ設けられた各センサから出力される３つの値を比較し、２つの値が合致したらその値を正しい値とみなすものとし、高圧軸４の回転速度Ｎ２は、機体側に２つ、エンジン側に２つ設けられた各センサから出力される４つの値を比較し、３つが合致したらその値を正しい値とみなすものとする。

ここで推定高圧値Ｐ３Ｅが正常と判定されたならば、推定高圧値Ｐ３Ｅを制御パラメータとして出力選択部２３から出力してエンジンを制御する（ステップ９）。他方、ここで推定高圧値Ｐ３Ｅが異常と判定された場合は、低圧センサ９の出力Ｐ１を制御パラメータとして出力選択部２３が出力し、エンジン制御を行う（ステップ１０）。

低圧センサ９の出力値Ｐ１、即ちファン６の入口圧は、その計測環境自体がセンサにとって比較的良好であり、またエンジン側と機体側との双方にセンサが設けられているので、高い信頼性を確保し得る。従って、高圧センサ８の出力値Ｐ３、即ちコンプレッサ２の出口圧とは異なるものの、相似した傾向の値が得られるので、求められる最低限の安定性を確保し得るエンジンの運転を継続するには、ある定数で代替したり、信頼のおけない高圧センサ８の出力値Ｐ３を補正したりして制御するよりは遙かに有利である。

また低圧センサ９の出力値P１で代替すると、P１値が小となる高空での失火の防止に、またエンジン回転速度が低いためにP１とP３との相対差が小さく且つP１の絶対値が大となる地上あるいは低空での空燃比特性の劣化の防止に、それぞれ寄与し得る。

このようにして、本発明においては、コンプレッサ２の出口圧を検出する高圧センサ８が異常を起こした場合には、最低限の安定的な運転を継続し得る代替値として、最終的にはファン６の入口圧を検出する低圧センサ９の出力値Ｐ１を与えることにより、エンジン挙動の急変を抑制し、エンジン運転の安定的な継続を実現することができる。

なお、低圧センサ９の出力値Ｐ１が異常の場合は、標準大気圧（１．００３ｋｇｆ／ｃｍ^２）の値を与えることで対処する。

本発明装置の概略構成図である。 運転モード判別値マップの概念図である。 別の運転モード判別値マップの概念図である。 本発明装置の制御フロー図である。 基準値マップの概念図である。

符号の説明

１ ガスタービンエンジン
２ コンプレッサ
６ ファン
８ 高圧センサ
９ 低圧センサ
２２ 高圧センサ出力判定部
２３ 出力選択部
２４ 高圧値推定部

Claims (1)

1. コンプレッサの出口圧を検出する出口圧検出手段と、ファンの入口圧を検出する入口圧検出手段とを有するガスタービンエンジンの制御装置であって、
   エンジンの回転速度と吸気温度と前記入口圧検出手段の出力値との関係に基づいてコンプレッサの出口圧を推定する出口圧推定手段と、
   前記出口圧検出手段の出力値が正常であるか否かを判別する出力値判定手段と、
   前記出口圧検出手段の出力値が正常でないと前記出力値判定手段にて判定された場合には、前記出口圧検出手段の出力値を前記出口圧推定検出手段の出力値で置換し、更に前記出口圧推定検出手段の出力値が異常と判定された場合には、前記出口圧検出手段の出力値を前記入口圧検出手段の出力値で置換する出力選択手段と、
   を有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。

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