JP4702385B2

JP4702385B2 - ファン制御装置

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Publication number: JP4702385B2
Application number: JP2008086621A
Authority: JP
Inventors: 政次石場
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2008274931A; US8590288B2; US20090077946A1

Description

本発明はファン制御装置に関し、特に、流体を供給されることによって回転駆動され、飛翔体の推力を発生するためのファンを制御するファン制御装置に関するものである。

従来、従来、抽気ガスタービンエンジンにより空気を供給してファンを回転駆動させ、ＶＴＯＬ（Vertical take-off and landing）機を飛行させるための推力を得ることが行われている。例えば、特許文献１では、２機のガスタービンエンジンと、２本の抽気流路を備え、抽気流路から圧縮空気を排出してファンを駆動することにより飛行するＶＴＯＬ機が開示されている。
特開２００７−２２２６８号公報

ところで、このような２機のエンジンと２系統の抽気系を有するＶＴＯＬ機においては、抽気系統の一方に異常が生じる場合や、エンジンの内の１機が故障していわゆる片肺飛行（ＯＥＩ：One Engine Inoperative）の状態となる場合がある。このようなＯＥＩも生じた場合は、ファンの駆動力の不足を補うため、正常な方のエンジンの回転速度及びタービン入口温度は定格出力点よりも上昇させられる。しかしながら、片方のエンジンが故障した直後は、正常な方のエンジンの回転速度は低い。そのため、要求される出力が急激に大きくなった場合、サージ等が発生してエンジンが過負荷状態となり、故障していない方のエンジンまでもが正常に作動しない虞がある。

また、上記のように抽気系統の一方に異常が生じた場合、正常な抽気系統で必要とされる空気量を補う必要があるが、正常な抽気系統だけで必要とされる空気量を補おうとすると、必要な空気量を供給可能となるまで時間を要し、ＶＴＯＬ機のような短時間での応答性が必要な飛翔体には不向きであるという欠点がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の流体経路における一部に異常が生じ、複数の駆動源における一部の駆動源にも異常が生じた場合において、正常な駆動源が過負荷状態となることを防止することができるファン制御装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、複数の流体経路における一部に異常が生じた場合に、必要な流量の流体を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能なファン制御装置を提供することにある。

本発明は、流体を供給されることによって回転駆動され、飛翔体の推力を発生するファンと、ファンを駆動するための流体を供給する２以上の流体供給手段と、流体供給手段とファンとの間を接続し、流体が流通可能な２以上の流体経路とからなる２以上の流体供給系統と、流体経路それぞれを流通する流体の流量を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、流体供給系統のいずれかが正常に機能していないときは、正常に機能している流体供給系統の流量を維持した後に増大させる、ファン制御装置である。

この構成によれば、制御手段は、流体供給系統のいずれかが正常に機能していないときは、正常に機能している流体供給系統の流量を維持した後に増大させるため、正常な駆動源が過負荷状態となることを防止することができる。

また、本発明は、流体を供給されることによって回転駆動され、飛翔体の推力を発生するファンと、ファンを駆動するための流体を供給する２以上の流体供給手段と、２以上の前記流体供給手段から供給された流体を集合させる流体集合手段と、流体集合手段とファンとの間を接続し、流体が流通可能な２以上の流体経路と、流体経路それぞれを流通する流体の流量を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、流体経路のいずれかが正常に機能していないときにおいて、流体供給手段のいずれかが正常に機能していないときは、正常に機能している流体経路の流量を維持した後に増大させる、ファン制御装置である。

この構成によれば、２以上の流体供給手段から供給された流体を流体集合手段に一度集合させた後、流体集合手段に集められた流体を２以上の流体経路に分けて流通させる。このような流体集合手段を設けることにより、流体供給手段から直接にファンに流体を供給する場合に比べて、フェール時の安全性を高めることができる。

また、制御手段は、正常に機能している流体供給手段が増大後の流量の流体を供給可能な状態になった後に、正常に機能している流体経路の流量を増大させることが好適である。

この構成によれば、制御手段は、正常に機能している流体供給手段が増大後の流量の流体を供給可能な状態になった後に、正常に機能している流体経路の流量を増大させるため、正常な駆動源が過負荷状態となることを確実に防止することができる。

一方、本発明は、流体を供給されることによって回転駆動され、飛翔体の推力を発生するファンと、ファンを駆動するための流体を供給する流体供給手段と、流体供給手段とファンとの間を接続し、流体が流通可能な２以上の流体経路と、ファンと流体供給手段との間を接続し、流体が流通可能なバイパス路と、を備え、バイパス路は、流体経路のいずれかが正常に機能していないときは、流体を流通させる、ファン制御装置である。

この構成によれば、バイパス路は、流体経路のいずれかが正常に機能していないときは、流体を流通させるため、単位時間内にファンに供給することができる流体の流量を増加させることができ、必要な流量の流体を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能となり、一時的に流量不足が生じることも無くなり、応答遅れを一層改善することができる。

この場合、バイパス路は、正常に機能している流体経路がファンに必要な流量の流体を供給可能な状態になるまで、流体を流通させることが好適である。

この構成によれば、正常に機能している流体経路がファンに必要な流量の流体を供給可能な状態になるまで、流体を流通させるため、必要な流量の流体を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能となり、一時的に流量不足が生じることも無くなり、応答遅れを確実に改善することができる。

また、バイパス路は、流体経路のいずれかもが正常に機能しているときは、流体を流通させないように閉鎖することが好適である。

この構成によれば、流体経路のいずれかもが正常に機能しているときは、通常に用いられる流体経路で少ない損失でファンに流体を供給することができる。また、流体経路のいずれかが正常に機能していないときは、バイパス路は流体を流通させるため、必要な流量の流体を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能となり、一時的に流量不足が生じることも無くなり、応答遅れを改善することができる。

本発明のファン制御装置によれば、正常な駆動源が過負荷状態となることを防止することができる。また、本発明のファン制御装置によれば、必要な流量の流体を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能となり、一時的に流量不足が生じることも無くなり、応答遅れを改善することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る推進ファン制御装置について添付図面を参照して説明する。

図１は、第１実施形態に係る推進ファン制御装置の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の推進ファン制御装置は、ＶＴＯＬ機の推力を発生するファンの動作を制御するためのものであり、ファン１、流量制御弁２、ＦＣＣ３、開度センサ６、空気供給系統８、集合管９、エンジン＋コンプレッサー１０，１１及び空気タンク１５を備えている。

エンジン＋コンプレッサー１０，１１は、駆動源となる圧縮空気をファン１に供給するためのものであり、空気源抽気ガスタービンエンジンとコンプレッサーとから構成されている。コンプレッサーを駆動するための動力源としては、レシプロエンジン、ロータリエンジン、電動機等も適用することができる。エンジン＋コンプレッサー１０，１１は、特許請求の範囲に記載の流体供給手段として機能する。エンジン＋コンプレッサー１０，１１の状態は、不図示のＦＡＤＥＣ（Full Authority Digital Engine Control：エンジン電子制御装置）により検出される。

空気タンク１５は、エンジン＋コンプレッサー１０，１１から供給された圧縮空気を一度集めるためのものである。空気タンク１５は、特許請求の範囲に記載の流体集合手段として機能する。

２本の空気供給系統８は、空気タンク１５からの圧縮空気を、ファン１に供給するためのものである。空気供給系統８は特許請求の範囲に記載の流体経路として機能する。空気供給系統８にはそれぞれ流量制御弁２が設けられている。２本の空気供給系統８は流量制御弁２の出口からそれぞれ集合管９に接続されている。集合管９の出口は、配管によりファン１と接続されている。

流量制御弁２それぞれは、空気供給系統８の一方に異常が生じ、一系統のみで必要な空気量をファン１に供給する場合に対応可能な容量を有する。流量制御弁２は電動及び油圧駆動を用いても良い。流量制御弁２は、ＦＣＣ（Flight Control Computer：飛行制御コンピュータ）３と電線等の通信手段を用いて接続され、ＦＣＣ（Flight Control Computer：飛行制御コンピュータ）３からの弁開度制御信号４によって制御される。

流量制御弁２それぞれには、弁開度を検出する開度センサ６が接続されている。開度センサ６はＦＣＣ３と電線等の通信手段を用いて接続され、開度センサ６の開度センサ信号７はＦＣＣ３に送られる。また、ＦＣＣ３には、ＦＡＤＥＣからのエンジン＋コンプレッサー１０，１１の状態量を示す信号も入力される。ＦＣＣ３は、ＶＴＯＬ機の飛行を制御するためのもので、特許請求の範囲に記載の制御手段として機能する。

以下、本実施形態の推進ファン制御装置の動作について説明する。図２は、第１実施形態に係る推進ファン制御装置の動作を示すフロー図である。図２に示すように、ＶＴＯＬ機の飛行中において、推進制御ルーチンが起動されると、ＦＡＤＥＣから、ＦＣＣ３にエンジン＋コンプレッサー１０，１１の状態量を示す信号が入力される。（Ｓ１１）。開度センサ６は、流量制御弁２それぞれの開度を検出する（Ｓ１２）。ＦＣＣは、開度センサ６が検出した開度に基づいて、流量制御弁２それぞれの制御量を計算する（Ｓ１３）。ＦＣＣ３は計算した制御量を達成するように流量制御弁２それぞれに弁開度制御信号４を出力する（Ｓ１４）。

以下、本実施形態においてＦＣＣ３が流量制御弁２の制御量の計算する際の動作について説明する。図３は、第１実施形態に係るＦＦＣ３の流量制御弁２の制御量計算を示すフロー図である。図３に示すように、開度センサ６からの信号により流量制御弁２の片方が停止したことをＦＣＣ３が検知した場合であって（Ｓ１３１）、ＦＬＩＧＨＴモードが通常の場合、すなわち、両方のエンジン＋コンプレッサー１０，１１が正常である場合は（Ｓ１３２）、ＦＣＣ３は、図４（ｂ）に示すような故障した側の流量制御弁２の空気流量の減少を即座に相殺するため、図４（ａ）に示すように正常な側の流量制御弁２の空気流量を増加させるように、当該流量制御弁２への制御量（弁開度）を増加させる（Ｓ１３３）。

一方、開度センサ６からの信号により流量制御弁２の片方が停止したことをＦＣＣ３が検知した場合であって（Ｓ１３１）、ＦＬＩＧＨＴモードが通常でない場合、すなわち、片方のエンジン＋コンプレッサー１０，１１が異常なＯＥＩの状態である場合は（Ｓ１３２）、ＦＣＣ３内のタイマーカウンターがスタートする（Ｓ１３４）。

タイマーカウンターが、正常に機能しているエンジン＋コンプレッサー１０，１１が増大後の流量を供給可能な状態となる終了予定時間に到達するまでは、図５（ｂ）に示すような故障した側の流量制御弁２の空気流量が減少しても、図５（ａ）に示すように正常な側の流量制御弁２の空気流量を維持するために、ＦＣＣ３は、正常な側の流量制御弁２への制御量（弁開度）を維持する（Ｓ１３５）。タイマーカウンターが終了予定時間に到達した場合は（Ｓ１３５）、図５（ｂ）に示すような故障した側の流量制御弁２の空気流量の減少を相殺するために、図５（ａ）に示すように正常な側の流量制御弁２の空気流量を増加させるように、当該流量制御弁２への制御量（弁開度）を増加させる（Ｓ１３６）。

開度センサ６からの信号により流量制御弁２の片方が停止したことをＦＣＣ３が検知していない場合は（Ｓ１３１）、ＦＣＣ３は通常の制御を行う（Ｓ１３７）。

本実施形態では、ＦＣＣ３は、空気供給経路８の流量制御弁２のいずれかが正常に機能していないときにおいて、エンジン＋コンプレッサー１０，１１のいずれかが正常に機能していないときは、正常に機能している空気供給経路８の流量を維持した後に増大させるため、正常なエンジン＋コンプレッサー１０，１１が過負荷状態となり、悪影響が生じることを防止することができる。

一方の流量制御弁２が故障し、当該空気供給系統から空気が供給できない、あるいは供給可能な空気量が減少する場合は、ファン１の駆動力が大きく減少するおそれがあるため、他方の正常な流量制御弁２の開度を増大させる必要がある。また、エンジン＋コンプレッサー１０，１１の一方が故障した場合、エンジン＋コンプレッサー１０，１１の正常な方の回転速度及びタービン入口温度を定格出力点よりも上昇させ、エンジン＋コンプレッサー１０，１１の正常な方から供給可能な空気量を増大させる必要がある。

ここで、一方の流量制御弁２と、エンジン＋コンプレッサー１０，１１の一方とが故障した場合、エンジン＋コンプレッサー１０，１１の正常な方において必要な空気量を供給可能な状態となる前に、正常な空気供給系統の流量を増大させると、抽気量の増大により、すなわち、燃焼器に流入し、タービンに対して仕事を行なう空気量が減少するため、エンジンの加速余裕がなくなり、正常なエンジンに過負荷が生じる可能性がある。

本実施形態では、エンジン＋コンプレッサー１０，１１から供給された圧縮空気は一度空気タンク１５に集められ、空気供給系統に異常が発生した場合であっても、それまでの流量を維持する期間を設け、エンジン加速のための流量、すなわち燃焼器に流入する流体を確保した後に、必要なファン推力を補うように流量制御を行うため、正常なエンジンが過負荷状態に陥ることを防止することができる。

特に、本実施形態では、ＦＣＣ３は、正常に機能しているエンジン＋コンプレッサー１０，１１が増大後の流量を供給可能な状態になった後に、正常に機能している空気供給経路８の流量を増大させるため、正常なエンジン＋コンプレッサー１０，１１が過負荷状態となることを確実に防止することができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る推進ファン制御装置の構成を示す図である。図６に示すように、本実施形態の推進ファン制御装置は、ＶＴＯＬ機の推力を発生するファンの動作を制御するためのものであり、ファン１、流量制御弁２、ＦＣＣ３、空気源５、開度センサ６、空気供給系統８、集合管９、バイパス路１２、及び電磁弁１３を備えている。

空気源５は、駆動源となる圧縮空気をファン１に供給するためのものであり、空気源抽気ガスタービンエンジンとコンプレッサーとから構成されている。コンプレッサーを駆動するための動力源としては、レシプロエンジン、ロータリエンジン、電動機等も適用することができる。空気源５は、特許請求の範囲に記載の流体供給手段として機能する。

２本の空気供給系統８は、空気源５からの圧縮空気を、ファン１に供給するためのものである。空気供給系統８は特許請求の範囲に記載の流体経路として機能する。図７及び８に示すように、空気供給系統８にはそれぞれ流量制御弁２が設けられている。２本の空気供給系統８は流量制御弁２の出口からそれぞれ集合管９に接続されている。集合管９の出口は、配管によりファン１と接続されている。

流量制御弁２それぞれは、損失の少ない仕切弁、絞り弁等であり、空気供給系統８の一方に異常が生じ、一系統のみで必要な空気量をファン１に供給する場合に対応可能な容量を有する。流量制御弁２は電動及び油圧駆動を用いても良い。流量制御弁２は、ＦＣＣ（Flight Control Computer：飛行制御コンピュータ）３と電線等の通信手段を用いて接続され、ＦＣＣ３からの弁開度制御信号４によって制御される。

流量制御弁２それぞれには、弁開度を検出する開度センサ６が接続されている。開度センサ６はＦＣＣ３と電線等の通信手段を用いて接続され、開度センサ６の開度センサ信号７はＦＣＣ３に送られる。

図１、図７及び８に示すように、本実施形態の推進ファン制御装置はバイパス路１２を備える。バイパス路１２は、空気供給系統８の一方に異常が生じたときに、空気源５からの圧縮空気を、ファン１に供給するためのものである。バイパス路１２には、電磁弁１３が設けられている。電磁弁１３は電磁弁開度制御信号１４のＯＮ／ＯＦＦによりバイパス路１２を閉鎖あるいは開放する機能を有し、通常時はバイパス路を閉鎖している。バイパス路１２は電磁弁１３の出口からそれぞれ集合管９に接続されている。電磁弁１３は、ＦＣＣ３と電線等の通信手段を用いて接続され、ＦＣＣ（Flight Control Computer：飛行制御コンピュータ）３からの電磁弁開度制御信号１４によって制御される。電磁弁１３それぞれには、弁開度を検出する開度センサ６が接続されている。開度センサ６はＦＣＣ３と電線等の通信手段を用いて接続され、開度センサ６の開度センサ信号７はＦＣＣ３に送られる。

以下、本実施形態の推進ファン制御装置の動作について説明する。図９は、第２実施形態に係る推進ファン制御装置の動作を示すフロー図である。図９に示すように、開度センサ６からの開度センサ信号７により流量制御弁２の片方が停止したことをＦＣＣ３が検知した場合、ＦＣＣ３は、ファン１に必要な流量の空気を供給するために、正常な側の流量制御弁２の弁開度を開度センサ６で検出しつつ、図１０（ａ）に示すように、正常な側の流量制御弁２の空気流量を増加させるために、当該流量制御弁２への制御量（弁開度）を増加させる（Ｓ２１）。

もし、正常な側の流量制御弁２の弁開度が目標の開度に達していないときは（Ｓ２３）、図１０（ｂ）に示すように、ＦＣＣ３はＯＮ及びＯＦＦの電磁弁開度制御信号１４を送り電磁弁１３を開放させて、バイパス路１２にも圧縮空気を流通させる（Ｓ２４）。正常な側の流量制御弁２の弁開度が目標の開度に達したときは（Ｓ２３）、ＦＣＣ３は電磁弁１３を閉鎖させてバイパス路１２を閉じる（Ｓ２５）。

本実施形態では、バイパス路１２は、空気供給経路８の流量制御弁２のいずれかが正常に機能していないときは、圧縮空気を流通させるため、単位時間内にファン１に供給することができる空気の流量を増加させることができ、必要な流量の空気を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能となり、一時的に流量不足が生じることも無くなり、応答遅れを改善することができる。

すなわち、図１１に示すように、一般的な仕切弁あるいは絞り弁等からなる流量制御弁２は低損失ではあるが、応答性に劣るため、片方の流量制御弁２が故障した場合、流量制御弁２が必要な開度だけ開き、ファン１が必要とする空気流量を一方の空気供給経路８だけで供給することができるようになるまでの時間ｔ_ｄが長く、応答遅れの大きいものとなっている。一方、本実施形態では、応答性に優れた電磁弁１３によりバイパス路１２を開放するため、図１２に示すように、ファン１が必要とする空気流量を一方の空気供給経路８だけで供給することができるようになるまでの時間ｔ_ｄが短く、応答遅れの小さなものとできる。

また、本実施形態においては、正常に機能している空気供給経路８がファン１必要な流量を供給可能な状態になるまで、空気を流通させるため、必要な流量を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能となり、一時的に流量不足が生じることも無くなり、応答遅れを確実に改善することができる。

さらに、本実施形態においては、空気供給経路８のいずれかもが正常に機能しているときは２以上の空気供給経路８で少ない損失でファン１に圧縮空気を供給することができる。また、空気供給経路８のいずれかが正常に機能していないときは、バイパス路１２は空気を流通させるため、必要な流量を供給可能となるまでの時間を短縮することが可能となり、一時的に流量不足が生じることも無くなり、応答遅れを改善することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。

第１実施形態に係る推進ファン制御装置の構成を示す図である。第１実施形態に係る推進ファン制御装置の動作を示すフロー図である。第１実施形態に係るＦＦＣの流量制御弁の制御量計算を示すフロー図である。双方のエンジンが正常運転時における流量制御弁の空気流量の変移を示すグラフ図であり、（ａ）は正常側の流量制御弁の空気流量を示し、（ｂ）は故障側の流量制御弁の空気流量を示す。ＯＥＩ移行時における流量制御弁の空気流量の変移を示すグラフ図であり、（ａ）は正常側の流量制御弁の空気流量を示し、（ｂ）は故障側の流量制御弁の空気流量を示す。第２実施形態に係る推進ファン制御装置の構成を示す図である。第２実施形態に係る推進ファンを示す平面図である。第２実施形態に係る推進ファンを示す斜視図である。第２実施形態に係る推進ファン制御装置の動作を示すフロー図である。一方の流量制御弁の故障時における弁の開度の変移を示すグラフ図であり、（ａ）は正常側の流量制御弁の開度を示し、（ｂ）は電磁弁の開度を示す。従来の推進ファン制御装置における推進ファンに供給される空気流量の変移を示すグラフ図である。第２実施形態の推進ファンに供給される空気流量の変移を示すグラフ図である。

符号の説明

１…推進ファン、２…流量制御弁、３…ＦＣＣ、４…弁開度制御信号、５…空気源、６…開度センサ、７…開度センサ信号、８…空気供給系統、９…集合管、１０，１１…エンジン＋コンプレッサー、１２…バイパス路、１３…電磁弁、１４…電磁弁開度制御信号、１５…空気タンク。

Claims

流体を供給されることによって回転駆動され、飛翔体の推力を発生するファンと、
前記ファンを駆動するための前記流体を供給する２以上の流体供給手段と、前記流体供給手段と前記ファンとの間を接続し、前記流体が流通可能な２以上の流体経路とからなる２以上の流体供給系統と、
前記流体経路それぞれを流通する前記流体の流量を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記流体供給系統のいずれかが正常に機能していないときは、正常に機能している前記流体供給系統の流量を維持した後に増大させる、ファン制御装置。
流体を供給されることによって回転駆動され、飛翔体の推力を発生するファンと、
前記ファンを駆動するための前記流体を供給する２以上の流体供給手段と、
２以上の前記流体供給手段から供給された流体を集合させる流体集合手段と、
前記流体集合手段と前記ファンとの間を接続し、前記流体が流通可能な２以上の流体経路と、
前記流体経路それぞれを流通する前記流体の流量を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記流体経路のいずれかが正常に機能していないときにおいて、前記流体供給手段のいずれかが正常に機能していないときは、正常に機能している前記流体経路の流量を維持した後に増大させる、ファン制御装置。
前記制御手段は、正常に機能している前記流体供給手段が増大後の流量の流体を供給可能な状態になった後に、正常に機能している前記流体経路の流量を増大させる、請求項１又は２に記載のファン制御装置。
流体を供給されることによって回転駆動され、飛翔体の推力を発生するファンと、
前記ファンを駆動するための前記流体を供給する流体供給手段と、
前記流体供給手段と前記ファンとの間を接続し、前記流体が流通可能な２以上の流体経路と、
前記ファンと前記流体供給手段との間を接続し、前記流体が流通可能なバイパス路と、
を備え、
前記バイパス路は、前記流体経路のいずれかが正常に機能していないときは、前記流体を流通させる、ファン制御装置。
前記バイパス路は、正常に機能している前記流体経路が前記ファンに必要な流量の流体を供給可能な状態になるまで、前記流体を流通させる、請求項４に記載のファン制御装置。
前記バイパス路は、前記流体経路のいずれかもが正常に機能しているときは、前記流体を流通させないように閉鎖する、請求項４又は５に記載のファン制御装置。