JPS60222529A - 失速検出装置および方法 - 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】 技術分野 本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機の旋回失速を
検出する方法および装置に関する。

背景技術 ガスタービンエンジンで起こる圧縮機の失速には、「サ
ージ」と呼ばれる回復可能な失速と、「スタグネーショ
ン」と呼ばれる回復不可能な旋回失速とがある。このよ
うな２種類の失速は、ガスタービンエンジン分野で周知
であるので、その原因について説明する必要はないであ
ろう。敢えて言えならば、そのような失速は、エンジン
の過渡的な動作（即ち加速時および減速時）に起こるこ
とが多く、特に、推力増強装＠（即ちアフタバーナ）を
備えるエンジンにおいて、推力増強装置の始動時や、そ
の動作中に失速が起り易い。エンジンは、回復可能な失
速を起こしても、自然に正常な動作状態に戻り、その場
合、パイロットは推力低下に気付かないこともある。他
方、回復不可能な旋回失速状態では自動的には回復しな
いので、そのような失速を招く高いガス温度によりエン
ジンが激しい損傷を受ける前に、パイロットはスロット
ルを戻し、最終的にエンジンを停止させ、その後エンジ
ンを再始動しなければならない。

エンジンが回復不可能な失速状態であることに気付くの
が早いほど、エンジンを再始動できる可能性が高まる。

エンジンに回復不可能な旋回失速状態を検出する装置が
装備されていない場合、バイロットは、エンジン速度計
とエンジン温度計を監視し、その指示値に基づいて、回
復不可能な状態であるか否かを判断しなければならない
。失速（旋回失速または非旋回失速）が生じた瞬間に、
パイロットが速度計および温度計を監視したとしても、
温度およびエンジン速度の変化によってパイロットが失
速状態に気付くまでに、時間的な遅れを伴う。その失速
が回復不可能な失速であると判断し、エンジンの停止を
決断するまでに、パイロットはさらに時間を必要とする
。このような時間的な遅れによって、エンジンの再始動
に成功する可能性が減少する。従って、危険なエンジン
の停止および再始動をパイロットが不必要に行わなくて
もよいように、回復不可能な失速を検出するための装置
は、回復不可能な旋回失速と回復可能な失速とを識別で
きるものでなければならない。

米国特許第３．４２６，３２２号には、圧縮機の失速を
検出する装置が述べられている。ただし、この特許には
圧縮機失速の種類に関する記述はない。要するに、この
特許においては、排気ガス温度が所定の値を越え、エン
ジン速度が所定の上下限内にある状態が所定の時間（例
えば１０秒）続いた場合に、警報信号を発生して、エン
ジンが圧縮機失速状態であることを航空機の乗務員に知
らせる。このような装置を回復不可能な失速の警報に使
用した場合、回復不可能な失速と回復可能な失速をうま
く識別できるかどうか、定かでない。

ただ確かなことは、装置に設定された上記遅れ時間以前
に、失速状態をパイロットに知らせることはできそうも
ない、ということである。

米国特許第３．８６７．７１７号には、圧縮機前後の圧
力比が回復不可能な失速期間に急激に低下するので、そ
の圧力比が回復不可能な失速状態を示す目安としてよく
使用されることが述べられている。しかし、この特許に
述べられているように、そのような圧縮機圧力比の急激
な減少は、エンジンを普通に減速した時にも起こる。即
ち、高高度で正常に飛行している期間にも、圧縮機の圧
力比は非常に低くなることがある。このように、圧縮機
の圧力比の低下だけに依存したのでは、圧縮機の失速を
誤って指示してましうことがある。

このような誤った圧縮機失速指示を避けるために、米国
特許第３，８６７．７１７号には、タービンの排気ガス
温度も監視すべきであることが述べられている。この場
合、圧縮機の圧力比低下（経験的に定めた下限値以下）
と、タービン排気ガス温度の上昇（基準温度以上）とが
同時に起こるまで、失速信号は発生しない。

上記２つの米国特許においては、排気ガス温度の上昇を
検出することによって、回復不可能な失速状態を検出し
警報を発生する。失速が始まると直ぐに圧力比は変化す
るが、排気ガス温度の変化は緩慢であり、゛これは、回
復不可能な失速状態を高い信頼性で検出するために必要
な時間の短縮を妨げる要因となる。失速警報装置の現在
の技術水準を示す特許としては、米国特許第４．０６０
゜９８０号、同第４，１１８．９２６号、および同第４
，１３７．７１０号があり、それらの譲受人は本特許出
願人である。これら特許に述べられているような一装置
に関して、ＪＩＬＪＪＩ−乞起こすことなく、装置構成
を簡略化し、回復不可能な失速を検出するために必要な
時間を減少させるための改良が要請されている。

発明の開示 本発明の目的は、回復可能な圧縮機失速と回復不可能な
圧縮機失速を識別可能な圧縮機失速検出方法および装置
を提供することにある。本発明の他の目的は、回復不可
能な失速状態を従来装置より迅速正確に検出可能な、回
復不可能な旋回圧縮機失速の検出方法と検出装置を提供
することにある。

本発明によれば、ある修正エンジン速、度において測定
された圧縮機圧力比が、その修正エンジン速度に対して
予め決定された圧力比以下になった時に、圧縮機が回復
不可能な旋回失速状態であることを示す出力信号が出さ
れる。

各エンジン速度（エンジン吸気温度に関して標準化する
ように修正した速度）において、次のような臨界圧力比
ＰＣ＠経験的に決定できるという驚くべき事実がわかっ
た。即ち、各エンジン速度においで、圧縮機に回復不可
能な旋回失速が生じてから数分の１秒の間だけ、実際の
圧縮機圧力比は臨界圧力比を下回るが、回復可能な失速
の期間においては、実際の圧力比は臨界圧力比を殆ど下
回ることがない。従って、エンジン作動速度の全範囲に
亘って臨界圧力比の表を予め決定し、それを実際の圧力
比と常時比較することにより、回復不可能な失速の発生
を、その発生から数分の１秒以内に判定することができ
る。すなわち、実際の圧力比が表の臨界圧力比以下にな
った時に、失速を示す出力信号を発生する。

回復可能な失速の期間でも、実際の圧縮機圧力比が臨界
圧力比を下回ることが希にあるが、この場合、実際の圧
力比が臨界圧力比を下回る時間は、−数分の１秒を越え
ることはなく、発明者の経験によれば、その継続時間は
１０分の１秒未満である。

したがって、ある短い時間、実際の圧力比が臨界圧力比
を下回っていることを確認してから、回復不可能な失速
を示す信号を発生するようにすれば、検出時間をむやみ
に増大させることなく、回復不可能な失速の誤検出を完
全に防止できる。

臨界圧力比の表が、修正圧縮機ロータ速度（即ち修正エ
ンジン速度）に対して直線的な関係になることも分かっ
ている。従って、修正エンジン速度をＮ’Ｃ１圧縮機の
実際の圧力比をＰＲで表せば、Ｎ　Ｃ／　Ｐ、Ｒ’　（
以下「臨界失速比」）に関する一定の比を予め決定する
ことができる。即ち、臨界失速比が、そのような一定比
以上になると、それから数分の１秒以内に、回復不可能
な失速が生じることが分かる。

本発明は、Ｊｕｄｉｔｈ　ＦｏｓｔｅｒおよびＪｏｈｎ
　Ｓｔ：Ｊａｃｑｕｅｓによって１９８２年６月２１日
に出願された米国性５′［出願用３９０．５７３号の［
エンジン失速早期警報装置」に対する改良である。

本発明の他の特徴および効果については、特許請求の範
囲および本発明の一実施例を示ず図面から明らかになる
であろう。

実施例 以下、図面を参照し本発明の一実施例について説明する
。

第１図に、本発明の失速検出装置が概略的に示されてい
る。この図において、１０はガスタービンエンジンであ
る。本実施例においては、ガスタービンエンジン１０は
２軸推力増強ターボファンエンジンであり、低圧圧縮Ｉ
ａ１２の後段に高圧圧縮機１４が配置されている。低圧
圧縮機１２はファンを有し、それと軸１８によって連〜
した低圧タービン１６により駆動される。高圧圧縮機１
４は、それと軸２２を介して連結した高圧タービン２０
によって駆動される。燃焼器、即ちバーナ２４は、燃料
を供給され、タービン１６．２０を駆動するためのエネ
ルギーを発生する。アフタバーナ、即ち推力増強装置２
６が、タービン１６の下流側の排気ダクト２８の内部に
配置されている。

各タービンを通過したガスは、可変面積排気ノズル３０
を通じて膨張せしめられる。

２軸エンジンでは、高圧軸に回復不可能な失速が起こる
。従って、前述の関係、即ち回復不可能な失速の発生、
圧縮機の圧力比、および修正エンジン速度の関係は、修
正エンジン速度が修正高圧ロータ速度に等しい時に限っ
て有効である。同様に、回復不可能な失速期間に圧力が
異常になるのは高圧圧縮機の内部であるから、圧力比は
、少なくとも高圧圧縮１ｆｉ１’４の前後の圧力比を包
含づるものでなければならない。一般に２軸エンジンの
場合、高圧圧縮機１４の入口またはその上流側から、高
圧圧縮機の出口またはその直後（例えばバーナ２４の入
口）までの圧力比を測定づる限り、　′ここで説明して
いる回復不可能な失速の発生と圧縮比との関係は有効で
ある。本実施例においては、両方の圧縮機にまたがった
圧力比が用いられるが、高圧軸の前後の圧力比も同様に
利用可能であろう。

臨界圧力比Ｐ’ｃは、テス］〜エンジンを用い、希望す
る修正エンジン速度ＮＧにおいて回復不可Ｃ１比な失速
を起こすことによって、予めめることができ、その失速
発生時の実際の圧ツノ比が、その速度での臨界圧力比Ｐ
ｃである。このようなデータを臨界圧力比対修正エンジ
ン速度のグラフにプロットすると、そのデータがほぼ直
線的に降下することが確められている。最小２乗法によ
り、データに基づき、ある直線を引くことができる。こ
のようにして得られる直線が、第２図に示す直線Ａであ
る。以下、この直線Ａを「失速線」と称する。

失速線の上側はエンジンが正常に動作する領域である。

失速線の下側が、高圧圧縮機の旋回失速の領域である。

失速線は直線であるから、圧縮機の圧縮比、修正高圧ロ
ータ速度および回復不可能な失速との間の関係は次の式
で表すことができる。

ＮＧ／ＰＲ≧に ここで、Ｋは失速線Ａの勾配に等しい定数である。

この式が成立する時には、エンジンは回復不可能な失速
の直接または直前である。

再び第１図を参照して説明する。低圧圧縮機のファン入
口におけるガス流の温度Ｔ２と高圧圧縮機の速度Ｎ２が
測定され、除算器３２に送られ、この除算器は修正高圧
ロータ速度Ｎ２　Ｃ２を針線し、それを示す出力信号を
送出する。さらに詳細に説明すれば、除算器３２におい
て、測定された高圧ロータ速度が　Ｔ２１５１９により
割り算される。修正ロータ速度の決定方法そのものは本
発明の一部ではなく、当該技術分野において周知である
。

低圧圧縮機の入口の圧力（エンジン吸気圧力）ＰＴ２お
よびバーナ入口の圧力Ｐ８が測定され、除算器３４に送
られ、この除算器は比ＰＢ／ＰＴ２を計算し、両方の圧
縮機にまたがる実際の圧力比を示す出力信号ＰＲを送出
する。

除梓器３４から出力される圧力比信号と、除算器３２か
ら出力される修正高圧ロータ速度信号は除算器／比較器
３６へ送られ、比Ｎ２Ｃ２／ＰＲが針線され、この比と
所定の失速線定数にとが比較される。その比かに以上な
らば、エンジンは第２図のグラフの旋回失速領域で作動
してＪ３す、除算器／比較器３６は適当な出力信号３８
を発生する。

回復可能な失速によって生ずる過渡的な圧力低下によっ
て、エンジンが失速線の下側で作動する僅かな可能性も
なくすために、エンジンが失速領域で作動している限り
、出力信号３８は連続的にタイマー４０に供給される。

このタイマー４０は°、所定の短い時間Ｘの間、連続的
に信号３８を除算器／比較器３６から受けると、回復不
可能失速信号４２を発生する。この時間Ｘは、約０．１
秒以下でよい。タイマー３８から出る失速信号４２は、
単に回復不可能失速の発生をパイロットに知らせる目的
に用いることもできるし、その信号によって自動修正動
作、例えば自動エンジン停止・再始動を開始させること
もできるし、あるいはその両方の目的に利用することも
できる。

除算器／比較器３６は、それとほぼ同等の第３図に示す
装置３６′と置き換えることもできる。

この場合、除算器３２から与えられる修正高圧ロータ速
度信号Ｎ２Ｃ２は圧力比発生器４４に入力され、この圧
力比発生器４４は、第２図のＡのようなカーブに基づい
て臨界圧力比Ｐｃを発生する。

この臨界圧力比Ｐｃと実際の圧力比ＰＲは比較器４６に
送られ、ＰＲがＰｃ以下であるか調べられる。そうであ
れば、出力信号３８が発生してタイマー４０に与えられ
、第１図に関連して説明したような処理が進行でる。

以上、実施例に関連して本発明の詳細な説明したが、当
業者であれば、特許請求の範囲に定義した本発明の精神
および範囲から逸脱覆ることなく、本発明を種々変形し
て実施し得ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の失速検出装置を組込ｌνだ２軸ターボ
フアンエンジンの概略構成図、第２図は本発明において
利用されるエンジンのパラメータの関係を示すグラフ、
第３図は第１図中の除算器／比較器と置き換え可能なブ
ロックの例を示づブロック図である。 １０・・・ガスタービンエンジン、１２・・・低圧圧縮
機、１４・・・高圧圧縮機、１６・・・低圧タービン、
２０・・・高圧タービン、２４・・・バーナ、３２．３
４・・・除算器、３６・・・除算器／比較器、４０・・
・タイマー、４４・・・圧力比発生器、４６・・・比較
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）圧縮機を有するガスタービンエンジンにおける回
   復不可能な旋回失速を検出するための失速検出装置であ
   って、 前記圧縮機の速度Ｎを検出し、その速度を示ず速度信号
   を発生する手段と、 エンジン吸気温度Ｔを検出し、その温度を示す温度信号
   を発生する手段と、 前記速度信号およｄ前記温度信号を受けて、修正圧縮機
   速度ＮＧを示す修正速度信号を発生する手段と、 前記圧縮機前後の実際の圧力比ＰＲを検出し、その圧力
   比を示す圧力比信号を発生する圧力比検出手段と、前記
   圧力比信号および前記修正速度信号を受け、前記圧力比
   ＰＲが前記修正圧縮機速度ＮＧに正比例して変化する所
   定のｌａ　Ｐ　ｃ以下の時に、前記圧縮機に失速が起こ
   っていること示す出力信号を発生する手段と、 からなることを特徴とＪる失速検出装置。 （２）前記比較手段の出力信号を受け、当該出力信号を
   所定時間連続的に受けた場合に、回復不可能な旋回失速
   が前記圧縮機に起きていることを示す出力信号を発生す
   るタイマ一手段を備えることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の失速検出装置。 （３）前記ガスタービンエンジンは高圧圧縮機および低
   圧圧縮機を備える２軸エンジンであり、当該高圧圧縮機
   は入口および出口を備え、前記圧縮機速度Ｎは当該高圧
   圧縮機の速度であり、前記圧力比検出手段は、前記高圧
   圧縮機の入口またはその上流の位置から前記高圧圧縮機
   の出口またはその直後の位置までの圧力比を測定する手
   段を含み、しかして前記圧力比ＰＲは少なくとも前記高
   圧圧縮機の前後の圧力比を含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載の失速検出装置。 （４）前記比較手段は、前記修正速度信号を受けて臨界
   圧力比Ｐｃを示す信号を発生する臨界圧力比発生器を含
   むことを特徴とする特許請求の範囲第、１項に記載の失
   速検出装置。 （５ン前記比較手段は、前記の修正速度信号および実際
   の圧力比信号を受けて、それらに基づき値Ｎ　Ｃ／　Ｐ
   　Ｒをに１粋し、ＮＧ／Ｐｂが所定の定数に以上の時に
   、回復不可能な旋回失速が前記圧縮機に起こっているこ
   とを示す出力信号を発生する手段を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の失速検出装置。 （６〉圧縮機を有するガスタービンエンジンにおいて回
   復不可能な圧縮機旋回失速を検出する方法であって、 圧縮機速度Ｎを検出する段階と、 エンジン吸気温度Ｔを検出する段階と、前記圧縮機速度
   Ｎおよび前記エンジン吸気温度下から修正圧縮機速度Ｎ
   Ｏを計算する段階と、前記圧縮機前後の圧力比ＰＲを検
   出する段階と、該圧力比Ｐｐが修正エンジン速度に正比
   例して変化する所定の値Ｐｃ以下の時に回復不可能な失
   速が前記圧縮機で起きていることを示す出力信号を発生
   する段階と、 からなることを特徴とする失速検出方法。 （７）前記圧力比ＰＲが前記所定の値Ｐｃを下回る期間
   が所定時間を越えるまで、前記出力信号は発生されない
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の失速検
   出方法。 （８）前記エンジンは２軸エンジンであり、Ｎは高圧軸
   の速度であり、ＰＲは少なくとも高圧軸前後の圧力比を
   含む圧縮機圧力比であることを特徴とする特許請求の範
   囲第７項に記載の失速検出方法。 （，９）ＮＣ／Ｐｃは全ての修正圧縮機速度に亘って一
   定であることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載
   の失速検出方法。 （１０）圧縮機を有するガスタービン１ンジンにおいて
   回復不可能な圧縮機旋回失速を検出づる方法であって、 圧縮機°速度Ｎを検出する段階と、 エンジン吸気温度Ｔを検出する段階と、前記圧縮機速度
   Ｎおよび前記エンジン吸気温度■から修正圧縮機速度Ｎ
   Ｏを計算し、該修正圧縮機速度ＮＯに依存し、かつ該修
   正圧縮機速度ＮＣに正比例して変化する所定の臨界圧力
   比Ｐｃを発生する段階と、 前記圧縮機前後の圧力比ＰＲを検出する段階と、該圧力
   比ＰＲが前記臨界圧力比Ｐｃ以下の時に失速信号を発生
   する段階と、 からなることを特徴とする失速検出方法。 （１１）所定の短い時間、連続的にＰＲがＰｃ以下の場
   合に限り、前記失速信号が発生されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１０項に記載の失速検出方法。