JPS6076499A - 可変ピツチプロペラのピツチ制御方法及びその制御装置 - 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】 この発明は、可変ピッチプロペラのピッチ制御に係り、
プロペラ作動効率の連続的最大化を計り、プロペラの運
航状態に応じて、ブレード角度とプロペラ回転数を共に
連続制御する可変ピッチプロペラのピッチ制御に関する
。

一般に、航空機用プロペラ、ヘリコプタ−用ローター、
船舶用プロペラ、産業用ファン及び風車の回転翼は、そ
のピッチを調整することにより、推力、吸収パワー及び
風量等の制御が容易になり、性能特性を著しく向上させ
ることができる。

例えば、航空機の場合、可変ピッチプロペラの自動ピッ
チ制御には、与えられたパワーに拘わらず設定された一
定の回転数を得るようにブレード角度を自動的に選択す
る制御方式の定速制御、あるいは、地上走行時に手動で
直接ブレード角度を変化させて推力を変える制御方式の
ベータ（β）制御が代表的である。

この定速制御方式は設定プロペラ回転数を、巡航状態で
最適となるよう選定するため、離陸時、上昇時等の巡航
状態以外の作動状態では、効率上、必ずしも最適なプロ
ペラ制御が行なわれているとは言い難い。例えば、定速
制御の場合、機構の変化あるいはエンジンパワーの変化
に対してブレード角度を変化させることによってエンジ
ンパワーとプロペラ吸収パワーを釣り合わせているが、
最適プロペラ効率は設計飛行条件である巡航条件でしか
実現できない。

また、航空機においても省資源の立場から、エネルギー
効率のすぐれた航空機、エンジン等が望まれており、特
に、エネルギー効率にすぐれた高速プロペラが注目され
、種々の研究がなされている。この点からも、効率の良
いプロペラ制御が切望されている。

さらに、プロペラ制御系は、いがなる条件下でも十分に
安定した過渡応答を有するものでなげれ３− ばならず、このため、プロペラ制御の主要素であるピッ
チ変換機構とその制御はもちろんのこと、機体、エンジ
ン、プロペラの詳細な特性とこれらの相互関係を十分に
検討した制御系が必要であるが、従来、かかる見地に立
って検討された可変ピッチプロペラのピッチ制御は皆無
であった。

この発明は、上記の現状に鑑み、任意の飛行条件に応じ
てプロペラ運用条件の最適化を実現するプロペラの適応
制御を目的とし、また、可変ピッチプロペラの作動効率
の最大化を計った自動ピッチ制御を目的とし、また、航
空機の運航条件の変化にリアルタイムに対応して、常に
最大効率状態で作動するようプロペラを制御する自動ピ
ッチ制御を目的とし、また、いかなる条件下でも十分に
安定した過渡応答を有するプロペラ制御系を目的とし、
さらに、フェザリング、リバーシング等のプロペラに要
求される多機能をも合せて制御できる自動ピッチ制御を
目的としている。

すなわち、この発明は、運航中のマツハ数、高度、大気
全部及びエンジン軸出力のデータに基づ４− いて、予め設定した可変ピッチプロペラの性能データよ
り最適プロペラ作動条件、プロペラ回転数（Ｎｓｅｔ）
とブレード角度（βｓｅｔ　）を算出し、さらに現在の
ブレード角度（β）及びプロペラ回転数（Ｎ）と比較し
て、最適プロペラ作動条件に可変ピッチ機構及びエンジ
ン出力を制御することを特徴とするβ−Ｎ複合制御なる
可変ピッチプロペラのピッチ制御方法である。

また、パイロットの選択により、β−Ｎ複合制御とβ直
接制御とを選択することを特徴とする可変ピッチプロペ
ラのピッチ制御方法であり、さらに、この発明は、速度
計と、高度計と、大気全温計と、ブレード角度検出器と
、プロペラ回転数検出器と、マツハ数、高度、大気全編
のエアーデータとパイロットの指令及び予め設定したプ
ログラムチャートにより出力制御を行なうエンジン制御
装置と、可変ピッチプロペラの性能データに基づくプロ
ペラ最大効率作動条件の記憶手段と、エンジン制御装置
からのマツへ数、高度、大気全温。

エンジン軸出力データと上記プロペラの最大効率−動条
件に基いて最適プロペラ作動条件のプロペラ回転数（Ｎ
ｓｅｔ）とブレード角度（βｓｅｔ　）を算出する演算
手段と、上記の最適プロペラ回転数（Ｎｓｅｔ）に従っ
て現在のプロペラ回転数を制御するプロペラ回転数補正
手段と、上記の最適ブレード角度（βｓｅｔ　）に従っ
て現在のブレード角度を制御するピッチ補正手段と、か
ら構成し、上記エアーデータとエンジン軸出力データに
基づいて、常に最適プロペラ作動条件となるようブレー
ド角度とプロペラ回転数を連続制御することを特徴とす
る可変ピンチプロペラのピッチ制御Ｍ装置である。

具体的に説明すると、この発明による制御装置は、プロ
ペラ制御の主要素であるピッチ変換機構とその制御及び
機体、エンジン、プロペラの詳細な特性とこれらの相互
関係を考慮し、コンピュータを用いて、プロペラと機体
・エンジン間の制御系を一体化して、機体の運航条件の
変化にリアルタイムに対応して、常に最大効率状態で作
動するように、プロペラの作動効率の最大化を計る制御
装置であり、フライトコントローラー、エンジンコント
ローラー（ＦＡＤＥＣ）及びマツハ数、高度、大気全部
のエアーデータコンピュータとのデータリンクを形成し
、飛行状態をリアルタイムに把握し、メモリー内のプロ
ペラ性能データとを組合せることにより、最適なプロペ
ラ回転数（Ｎ　−５ｅｔ　）をめ、連続してプロペラ回
転数を制御するとともに、センサーから得た実際のプロ
ペラ回転数及びブレード角度をコンピュータにフィード
バックし、アクチュエータを介して、ピッチすなわちブ
レード角度（β）を制御し、プロペラの作動効率を連続
的に最大化するものである。

この発明は、上述する如く、プロペラの効率制御に際し
て、適応制御であるβ−Ｎ複合制御を行なうもので、プ
ロペラ回転数の変更制御をすることから、フリータービ
ンエンジンの採用が前提となる。

この発明において、速度計、高度計、大気全温計は、機
体のフライト状態を示すエアーデータを得るもので、可
変ピッチプロペラの最適作動条件を決定するのに不可欠
である。このデータは１個７− の装置で統括処理するのもよい。

ブレード角度検出器とプロペラ回転数検出器は、実際の
ブレード角度１回転数を得るもので、演算した最適値と
比較してこれを補正するために不可欠であるが、検出器
の構成は公知のいかなるものでも利用でき、例えば、プ
ロペラ回転数はマグネティックまたは光学的エンコーダ
ー、タコジェネレータ、ブレード角度はマグネティック
または光学的アブソリュートニジコーダーが利用できる
。

エンジン制御装置は、エアーデータとパイロットの指令
及び予め設定したプログラムチャートにより出力制御を
行なうもので、公知の種々の制御装置が使用でき、演算
手段により設定した最適プロペラ回転数に運航中の回転
数を制御するプロペラ回転数補正手段は、このエンジン
制御装置内に配置される構成であってもよい。

プロペラ最大効率作動条件は、当該可変ピッチプロペラ
の理論上及び実際の性能データ並びに使用するエンジン
性能・特性に基づいて、また、航空機及びプロペラに要
求される多種の機能を十分８− に果すよう考慮し、航空機の種々の走行、飛行条件、す
なわち、タキシング、ティクオフ、クライム、クルージ
ング、最大水平飛行、アプローチ、リバース等において
、可変ピッチプロペラの作動効率が常に最大となる条件
を、計算及び実験に基づき、予め設定するものであり、
かかる条件は、演算手段と同一あるいは別個の記憶手段
に記憶される必要がある。

最適プロペラ作動条件の演算手段は、エンジン制御装置
からあるいは別個の装置からのマツハ数。

高度、大気全部、及びエンジン軸出力データと記憶手段
のプロペラの最大効率作動条件に基いて最適プロペラ作
動条件のプロペラ回転数（Ｎｓｅｔ）とブレード角度（
βｓｅｔ　）を算出するもので、演算手段はいかなる方
式、構成、装置であってもよい。

上記の最適プロペラ回転数（Ｎｓｅｔ）に従って現在の
プロペラ回転数を制御するプロペラ回転数補正手段と、
上記の最適ブレード角度（βｓｅｔ　）に従って運航中
のブレード角度を制御するピッチ補正手段とは、フィー
ドバック制御として別個の装置として構成する他、同一
のコンピュータであってもよく、例えば、プロペラ回転
数の補正はエンジン制御装置内で行なったり、ブレード
角度の補正をサーボモータドライブ可変ピッチ機構へ信
号制御するなど多種の構成が利用でき、上記エアーデー
タとエンジン軸出力データに基づいて、常に最適プロペ
ラ作動条件となるようブレード角度とプロペラ回転数を
連続制御できる構成であればよい。

以下に、この発明を実施例の第１図に示すこの発明によ
る可変ピッチプロペラのピッチ制御を示すフローチャー
トに基づいて詳述する。

ここでは、前記のプロペラ最大効率作動条件の記憶手段
、最適プロペラ作動条件の演算手段、プロペラ回転数及
びブレード角度の補正手段を内蔵したプロペラ・コント
ロール・ユニット（ＰＣＵ）を使用した例を説明する。

エアーデータコンピュータには、マツハ数（Ｍｎ）、高
度（Ｈ）、大気全高（’Ｃ）が各計測器より入力されて
おり、エアーデータはエンジンコントロール（例えば、
ＦＡＤＥＣ；ｆｕｌｌ　ａｕ　−ｔｈｏｒｉｔｙ　ｄｉ
ｇｉｔａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏ＋　
）に出力される。

ＦＡＤＥＣは、エンジン制御のパラメーター目算を行な
い、実際のエンジン出力をフィードバックし、アクチュ
エーターを介して出力制御を行なう。また、コックビッ
トにおいて、パイロットの操作によるパワーレバーの設
定角度に従うパワー設定指令による出力制御と、ＰＣＵ
のプロペラ回転数の補正指令による推力データ、最適プ
ロペラ回転数信号に従う出力制御が行なわれる。また、
コックビットにはＦＡＤＥＣによる制御状況、推力、プ
ロペラ回転数、やエアーデータ等が表示されるのは言う
までもない。

ＰＣＵは、ＦＡＤＥＣを通して機体側のエアーデータコ
ンピュータから、マツハ数（Ｍｎ）、高度（Ｈ）、大気
全部（℃）及びエンジン軸出力（Ｅ、５ＨＰ）の情報を
得る。そして、記憶回路には、可変ピッチプロペラの理
論上及び実際の性能１１− データ並びに使用するエンジン性能・特性並びに、航空
機及びプロペラに要求される多種の機能を十分に果すよ
う考慮し、航空機の種々の走行、飛行条件、すなわち、
タキシング、ティクオフ、クライム、クルージング、最
大水平飛行、アプローチ、リバース等において、可変ピ
ッチプロペラの作動効率が常に最大となる条件を、計算
及び実験に基づき、予め設定したプロペラ最大効率作動
条件が記憶してあり、この条件並びに上記情報に基づい
て、運航中の最適プロペラ作動条件であるプロペラ回転
数（Ｎ）とブレード角度（β）を演算し、さらに、ブレ
ード角度検出器による現在のブレード角度（β信号）及
びプロペラ回転数検出器による現在のプロペラ回転数（
Ｎ信号）がフィードバックされ、算出した最適条件と比
較されて、制御補正信号の推力（Ｔｈｒｕｓｔ　）及び
プロペラ回転数（Ｎ）の各信号はＦＡＤＥＣ及びコック
ビット表示システムへ出力される。目標ブレード角度（
βｓｅｔ　）は可変ピッチ機構のアクチュエータである
サーボモータードライバーへ出力される。

１２− また、ＰＣＵは、パイロットからのフェザリング指令、
リバース指令の如く、航空機の機能指令が発せられた場
合に、ただちに、ＦＡＤＥＣ及び可変ピッチ機構へ出力
制御できる構成であり、過回転をチェックしその防止を
計るリミッタも有し、ＰＣＵの制御状態を自己診断して
、コックビットに表示する構成でもある。

上記の制御系統は、運航中のマツハ数、高度、大気全部
及びエンジン軸出力のデータに基づいて、予め設定した
可変ピッチプロペラの性能データより最適プロペラ作動
条件、プロペラ回転数（Ｎ−ｓｅｔ　）とブレード角度
（βｓｅｔ　）を算出し、さらに現在のブレード角度（
β）及びプロペラ回転数（Ｎ）と比較して、最適プロペ
ラ作動条件に可変ピッチ機構及びエンジン出力を制御す
ることにより、プロペラと機体・エンジン間の制御系を
一体化して、機体の運航条件の変化にリアルタイムに対
応して、プロペラを常に最大効率状態で作動させること
ができる。

次に、上述したプロペラ制御系統において、β−Ｎ複合
制御を実現するための制御ブロックダイヤグラムを第２
図に基づいて説明する。

ＰＣＵには、フライト状態情報としてマツハ数（Ｍｎ）
、大気全部（℃）、高度（Ｈ）１機構（■）、エンジン
軸出力（ＥＳ）ＩＰ）が入力され、これに基づいて、最
適プロペラ回転数（Ｎｓｅｔ）、効率（η）、最適ブレ
ード角度（βｓｅｔ　）が演算され、制御対象のプロペ
ラ回転数を検出器で検出したものを適切に選択したサン
プル幅でサンプルし、離散時間系列としてデジタルフィ
ルターにフィードバック入力し、目標プロペラ回転数（
Ｎ−ｓｅｔ　）との偏差に基づいて操作量系列をサンプ
ル幅ごとに出力し、それをＤ／Ａ変換してホールドした
ものを可変ピッチｍ構のサーボモータードライバーに加
えてブレード角度を変化させ、ブレード角度変化に伴な
いプロペラ回転数が変化して目標値まで制御される。

第２図において、ＰＮＰは吸収馬力、ΔＭはトルク、ω
は角速度、ｎはｒｐｓ　、　Ｎはｒ四、Ｗｆは燃料量流
、Ｊはアドバンスレイジオ、Ｔｈｒｕｓｔは推力、ＤＲ
ＡＧは機体抵抗を示す。

以上に詳述したβ−Ｎ複合制御によるプロペラ・コント
ロールは、第３図に示すプロペラ制御モード選択フロー
チャートの如く、直接βコントロールとβ−Ｎ複合制御
とを自由に選択できるようになし、航空機に要求される
種々の機能、フェザリング、ピッチロック、リバース、
等の選択及び故障時の対応とを考慮したプロペラ制御シ
ステムとすることもでき、運航中のあらゆる条件におい
て、安全性と高効率が達成できる。

次に、この発明によるβ−Ｎ複合制御によるプロペラ制
御の効果を評価するため、現用のターボプロップエンジ
ン（６３Ｅ　６Ｏ−１９）について、従来の定速制御と
、β−Ｎ複合制御のプロペラ作動条件の比較を行なった
。このときの飛行条件は、高度０．５０００ｆｔ、１０
０００ｆｔ、１５０００ｆｔ、機構　５０〜１６０ｍイ
、エンジン出力２５００１−Ｉ　Ｐとした。

得られた結果は、第４図のプロペラ作動状態比較、と第
５図及び第６図のプロペラ効率比較に示す。第４図は、
横軸にアドバンスレイジオ、縦軸１５− にパワー係数をとり、プロペラ効率曲線群中に、プロペ
ラの作動状態をプロットして比較したものである。

第５図と第６図は、横軸に機構、縦軸にプロペラ効率を
取ったもので、巡航領域ではどちらの制御方法も効率差
はないが、低速領域では、β−Ｎ複合制御方法のほうが
、最大５％もプロペラ効率が高いことが分る。フライト
ミッションに占める巡航領域以外の領域は、４７５海里
のミッションで約３２％、１５００海里のミッションで
は約１２％と報告されているから、短距離ミッションで
はβ−Ｎ複合制御方法の効果が大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は、この発明による可変ピッチプロペラのピッチ
制御を示すフローチャートであり、第２図はこの発明に
お番ノるデジタル制御を示すブロックダイアグラムであ
る。第３図は、この発明によるβ−Ｎ複合制御を選択可
能に構成したプロペラ制御のモード選択を示すフローチ
ャートである。 第４図は従来の定速制御と本発明のβ−Ｎ複合制１６− 御のプロペラ作動状態を比較したグラフであり、横軸は
アドバンスレイジオ、縦軸はパワー係数を示す。第５図
と第６図はプロペラ効率を比較したグラフであり、横軸
に機構、縦軸に効率を示し、グラフ中、○はβ−Ｎ複合
制御の場合であり、★は従来の定速制御の場合であり、
第５図は高度Ｏの場合。第６図は高度５０００ｆｔの場
合を示す。 出願人　社団法人　日本航空宇宙工業会出願人　住友精
密工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　運航中のマツハ数、高度、大気全編及びエンジン軸
   出力のデータに基づいて、予め設定した可変ピッチプロ
   ペラの性能データより最適プロペラ作動条件、プロペラ
   回転数（Ｎｓｅｔ）とブレード角度（βｓｅｔ　）を算
   出し、さらに現在のブレード角度（β）及びプロペラ回
   転数（Ｎ）と比較して、最適プロペラ作動条件に可変ピ
   ッチ機構及びプロペラ回転数を制御することを特徴とす
   る可変ピッチプロペラのピッチ制御方法。 ２　直接ブレード角度（β）制御と、運航中のマツハ数
   、高度、大気全編及びエンジン軸出力のデータに基づい
   て、予め設定した可変ピッチプロ′ベラの性能データよ
   り最適プロペラ作動条件、プロペラ回転数（Ｎｓｅｔ＞
   とブレード角度（βｓｅｔ　）を算出し、さらに現在の
   ブレード角度（β）及びプロペラ回転数（Ｎ）と比較し
   て、最適プロペラ作動条件に可変ピッチ機構及びプロペ
   ラ回転数を制御する制御とを選択可能にしたことを特徴
   とする可変ピッチプロペラのピッチ制御方法。 ３　速度計と、高度計と、大気全濡計と、ブレード角度
   検出器と、プロペラ回転数検出器と、マツハ数、高度、
   大気全部のエアーデータとパイロットの指令及び予め設
   定したプログラムチャートにより出力制御を行なうエン
   ジン制御装置と、可変ピッチプロペラの性能データに基
   づく最大効率作動条件の記憶手段と、エンジン制御装置
   からのマツハ数、高度、大気全温、エンジン軸出力デー
   タと上記プロペラの最大効率作動条件に基いて最適プロ
   ペラ作動条件のプロペラ回転数（Ｎｓｅｔ）とブレード
   角度（βｓｅｔ　）を算出する演算手段と、上記の最適
   プロペラ回転数（Ｎｓｅｔ）に従って現在のプロペラ回
   転数を制御するプロペラ回転数補正手段と、上記の最適
   ブレード角度（βｓｅｔ　）に従って現在のブレード角
   度を制御するピッチ補正手段と、から構成し、上記エア
   ーデータとエンジン輸出力データに基づいて、常に最適
   プロペラ作動条件となるようブレード角度とプロペラ回
   転数を連続制御することを特徴とする可変ピッチプロペ
   ラのピッチ制御装置。