JP7208837B2

JP7208837B2 - 航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置

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Publication number: JP7208837B2
Application number: JP2019048071A
Authority: JP
Inventors: 亮太田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: US20200347789A1; JP2020148164A; US11359550B2

Description

この発明は航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置に関する。

航空機用ガスタービン・エンジンは、少なくとも１軸のコンプレッサとタービンを備え、コンプレッサで圧縮された吸入空気を燃焼室で燃料と共に燃焼させて生じさせた高温高圧ガスでタービンを駆動して得た出力から推進力を得ていると共に、コンプレッサで圧縮された吸入空気を外部に抽気する抽気弁を備える。

このようなガスタービン・エンジンにおいては、コンプレッサでサージング状態が生じたときは、特許文献１記載の技術のように、抽気弁を開弁方向に駆動して圧縮された吸入空気を外部に抽気することで解消している。

特表２０１５－５３７１４１号公報

このように抽気弁を開弁することでサージング状態を解消しているが、吸入空気に混入する異物やエンジンで発生する異物が抽気弁に付着する惧れがあり、付着した異物が堆積すると、抽気弁の動きが悪化する。また、抽気弁の軸受や抽気弁を開閉駆動するアクチュエータの摺動部が劣化・摩耗しても抽気弁の動きは悪化する。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、抽気弁の駆動を制御することで抽気弁への異物の付着を検知して抽気弁の動きが悪化するのを防止するようにした航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明にあっては、少なくとも１軸のコンプレッサとタービンを備え、前記コンプレッサで圧縮された吸入空気を燃焼室で燃料と共に燃焼させて生じさせた高温高圧ガスで前記タービンを駆動して得た出力から推進力を得るガスタービン・エンジンと、前記コンプレッサで圧縮された吸入空気を外部に抽気する抽気弁と、前記抽気弁を開閉駆動する電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータへの通電を制御する制御部とを備えたガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置において、前記エンジンの運転状態から要求される前記抽気弁の要求開度θｒを算出し、前記抽気弁の開度θが前記算出された要求開度θｒとなるように電流値Ｉａを算出して前記電動アクチュエータへの通電を指令する要求開度通電指令部と、前記要求開度通電指令部の通電指令に応じて前記電動アクチュエータに通電された電流値Ｉａを所定電流値Ｉｂと比較し、前記電流値Ｉａが前記所定電流値Ｉｂを超えると判断されるとき、前記抽気弁が故障と推定し、前記抽気弁の開度が全開開度θｗとなると共に、前記所定電流値Ｉｂを超えるように電流値Ｉｃを算出して前記電動アクチュエータへの通電を所定時間指令する抽気弁故障推定部と、前記所定時間が経過した後、前記抽気弁の開度θが前記全開開度θｗから前記要求開度θｒまで閉弁するように電流値Ｉｄを算出して前記電動アクチュエータへの通電を指令する閉弁開度通電指令部と、閉弁開度通電指令部の指令に応じて前記電動アクチュエータに通電された電流値Ｉｄを前記所定電流値Ｉｂと比較し、前記電流値Ｉｄが前記所定電流値Ｉｂ以下と判断されるとき、前記抽気弁が正常と判定する抽気弁故障判定部とを備える如く構成した。

この発明の実施形態に係る航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置を全体的に示す概略図である。図１に示す装置の動作（処理）を示すフロー・チャートである。図２フロー・チャートの動作（処理）を説明する抽気弁の開度―負荷特性の説明図である。同様に、図２フロー・チャートの動作（処理）を説明する抽気弁の開度―電流特性の説明図である。

以下、添付図面に即してこの発明に係る航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置を実施するための形態について説明する。

図１は、その航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置を全体的に示す概略図である。

航空機用ガスタービン・エンジンとしては、ターボジェット・エンジン、ターボファン・エンジン、ターボプロップ・エンジンおよびターボシャフト・エンジンの４種が知られているが、以下、２軸のターボファン・エンジンについて説明する。

図１において、符号１０はそのターボファン・エンジン、即ち、航空機用ガスタービン・エンジン本体（以下単に「エンジン」という）を示す。エンジン１０は航空機の機体（図示せず）に取り付けられると共に、アウタケーシング１２とインナケーシング１４を備える。インナケーシング１４の内側にはベアリング１６，２０を介して低圧系シャフト２２が回転自在に支持される。

低圧系シャフト２２の軸方向中間部の外周には筒状の高圧系シャフト２４が相対回転自在かつ共軸に嵌合される。高圧系シャフト２４は前部がベアリング２６を介してインナケーシング１４に回転自在に支持されると共に、後部がベアリング３０を介して低圧系シャフト２２に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト２２の前端にはファン３２が固定され、そこで吸入された空気の一部はアウタケーシング１２とインナケーシング１４の間に配置されたファンステータ３４を通過し、さらにその一部がアウタケーシング１２とインナケーシング１４の間に配置される環状のバイパスダクト３６を通過して後方に流出すると共に、残部がインナケーシング１４の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ４０と遠心式の高圧コンプレッサ４２に流入する。

低圧コンプレッサ４０は、インナケーシング１４の内部に固定されたステータベーン４０ａと、外周にコンプレッサブレードを有すると共に、低圧系シャフト２２に固定される低圧コンプレッサホイール４０ｂとを備える。

高圧コンプレッサ４２も同様に、インナケーシング１４の内部に固定されたステータベーン４２ａと、外周にコンプレッサブレードを有すると共に、高圧系シャフト２４に固定される高圧コンプレッサホイール４２ｂとを備える。

高圧コンプレッサホイール４２ｂの外周に接続されるディヒューザ４４の後方には燃焼室４６が配置され、その内部には燃料供給系から圧送される燃料を噴射する燃料噴射ノズル５０が設けられる。燃焼室４６では噴射された燃料が空気と混合して燃焼し、燃焼によって発生した燃焼ガスが高圧タービン５２と低圧タービン５４に供給される。

高圧タービン５２は、インナケーシング１４の内部に固定されたノズルガイドベーン５２ａと、外周にタービンブレードを有すると共に、高圧系シャフト２４に固定される高圧タービンホイール５２ｂとを備える。

低圧タービン５４も、インナケーシング１４の内部に固定されたノズルガイドベーン５４ａと、外周にタービンブレードを有すると共に、低圧系シャフト２２に固定される低圧タービンホイール５４ｂとを備える。

高圧系シャフト２４がスタータモータ（図示せず）で駆動されると、高圧コンプレッサホイール４２ｂで吸引された空気が燃焼室４６に供給されて燃料と混合して燃焼し、よって生じた燃料ガスが高圧タービンホイール５２ｂと低圧タービンホイール５４ｂを駆動する。

その結果、低圧系シャフト２２と高圧系シャフト２４が回転し、ファン３２と低圧コンプレッサホイール４０ｂと高圧コンプレッサホイール４２ｂが空気を圧縮して燃焼室４６に供給することでエンジン１０の駆動が継続される。

エンジン１０の運転中にファン３２が吸込んだ空気の一部はバイパスダクト３６を通過して後方に噴射され、前記した機体に推力を付与する。また、ファン３２が吸入した空気の残部は燃焼室４６で燃料と共に燃焼して低圧系シャフト２２と高圧系シャフト２４を駆動した後、後方に噴射されて同様に前記した機体に推力を付与する。

エンジン１０の付近にはＥＣＵ（Electronic Control Unit 。電子制御ユニット（制御部））６０が配置される。ＥＣＵ６０はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ（図示せず）などから構成されるマイクロコンピュータを備え、容器に収容されてエンジン１０の付近に配置される。

また、低圧コンプレッサ４０に続く高圧コンプレッサ４２のステータベーン４２ａの下流の通路には、低圧コンプレッサ４０と高圧コンプレッサ４２で圧縮された吸入空気を外部に抽気する抽気弁（Breed-off valve）６２が設けられる。

抽気弁６２は例えばバタフライ弁からなり、そのシャフトにはＤＣモータからなる電動アクチュエータ６４が接続され、抽気弁６２を開閉駆動する。抽気弁６２の弁体（バタフライ）は閉弁位置で間隙が最小になるように構成される。

電動アクチュエータ６４はＥＣＵ６０内の駆動回路（図示せず）に接続されており、ＥＣＵ６０による駆動回路を介して通電指令がなされるとき、バッテリ（図示せず）から駆動回路を介して電動アクチュエータ６４に電流が通電されることで、その駆動が制御される。

抽気弁６２が開弁されると、吸入空気は矢印で示すように孔（図示せず）を通って流れ、バイパスダクト３６からエンジン１０の外部に抽気される。電動アクチュエータ６４には開度センサ６６が設けられて抽気弁６２の開度θを検出する。

詳細な図示は省略するが、エンジン１０の適宜位置には、低圧タービン５４の回転数Ｎ１を検出するＮ１センサ７２と、高圧タービン５２の回転数Ｎ２を検出するＮ２センサ７４と、吸入空気の温度Ｔ１を検出するＴ１センサ７６と、吸入空気の圧力Ｐ１を検出するＰ１センサ８０と、機速Ｍｎ（マッハ数）を検出するＭｎセンサ８２と、高度ＡＬＴを検出するＡＬＴセンサ８４などの種々のセンサ群が配置される。

これらセンサの出力はＥＣＵ６０に送られる。さらに、機体コックピット側８６からはスロットル操作（スロットル操舵角）を示す信号がＥＣＵ６０に送られる。

図２はこの抽気弁駆動制御装置の動作、より具体的にはＥＣＵ６０の処理を説明するフロー・チャートである。図示の処理は、エンジン１０を搭載した航空機が地上にあるとき、あるいはフライト中にあるときに実行される。

以下、説明すると、Ｓ１０（Ｓ：処理ステップ）において前記したＮ１センサ７２などの出力から検出されたエンジンの運転状態から要求される要求開度θｒを算出し、抽気弁６２の開度θが算出された要求開度θｒとなるように電流値Ｉａを算出して電動アクチュエータ６４への通電を指令する。

図３は抽気弁６２の開度θに対する負荷（抽気弁６２に作用する吸入空気の圧力）を示す特性図である。図示の如く、負荷は抽気弁６２の開度θが半開度付近にあるとき最も大きく、全閉開度θｃあるいは全開開度θｗに向かうにつれて減少する。尚、図３で完全に閉弁されたときの開度をθｃ０と示すが、この実施形態において抽気弁６２は開度θｃ０ではなく、微小開度だけ開弁された角度θｃを全閉開度とする。

また、図４は電動アクチュエータ６４の出力（抽気弁６２の開閉駆動力）Ｆに対する電流値の特性を示す説明図である。図４で最小駆動力Ｆｌに相応する電流をＩｌ、基準駆動力Ｆｒに相応する電流をＩｂ（所定電流値）、電動アクチュエータ６４の構造上与え得る最大駆動力Ｆｈに相応する電流をＩｈとする。また、通常の状態で要求開度θｒに相当する電流値はＩｌとＩｂの中間付近に設定される。従って、Ｓ１０で算出される電流値ＩａもＩｌとＩｂの間で算出される。

図２フロー・チャートにおいては次いでＳ１２に進み、通電指令された電流値Ｉａを所定電流値Ｉｂと比較し、電流値Ｉａが所定電流値Ｉｂを超えるか否か判断する。

Ｓ１０においては開度センサ６６から検出された抽気弁６２の開度θが要求開度θｒとなるように電流値が算出されるが、その算出値は続いて述べるように異物が付着していなければ本来的にはＩｂ未満となるはずである。従ってＳ１２の判断は通例否定されてＳ１４に進み、抽気弁６２が正常と判定する。換言すれば、異物が付着していない、あるいは抽気弁６２の軸受や電動アクチュエータ６４の摺動部が劣化していないと判定する。

他方、Ｓ１２で肯定されるときはＳ１６に進み、抽気弁が故障（異物付着あるいは摺動部劣化）と推定する。即ち、算出される電流値ＩａはＩｌとＩｂの間で算出される筈であるが、抽気弁６２は弁体と通路の内面との間に異物が付着、あるいは電動アクチュエータ６４の摺動部が劣化していれば、開閉駆動時の機械的な抵抗が増えて電動アクチュエータ（ＤＣモータ）６４への通電電流が増加する結果、電流Ｉａが所定電流Ｉｂを超えることが生じ得る。

次いでＳ１８に進み、抽気弁６２の開度θが全開開度θｗとなるように電流値Ｉｃを算出して電動アクチュエータ６４への通電を、所定時間の間、指令する。電流値Ｉｃは所定電流値Ｉｂを超える値となるように算出される。即ち、異物が付着したと判断されるので、それを圧縮吸入空気で吹き飛ばして除去するように抽気弁６２の開度θが全開開度θｗとなるように電動アクチュエータ６４に通電する。

次いでＳ２０に進み、抽気弁６２の開度θが全開開度θｗから要求開度θｒまで閉弁（閉弁方向に移動）するように電流値Ｉｄを算出して電動アクチュエータ６４への通電を指令する。電流値Ｉｄは本来的にはＩａと同様な値であり、図４でＩｌとＩｈの間に算出される。

次いでＳ２２に進み、電流値Ｉｄが電流値Ｉｂ以下か否か判断し、Ｓ２２で肯定されるときはＳ２４に進んで抽気弁６２が正常（異物除去した）と判断する。

一方、Ｓ２２で否定されるときはＳ２６に進み、抽気弁６２が故障と判定し、電動アクチュエータ６４への電流値Ｉｃの通電を継続、より具体的には抽気弁６２の開度θが全開開度θｗとなるように電流値Ｉｃの通電を継続する。

上記した如く、この実施形態にあっては、少なくとも１軸のコンプレッサ（低圧コンプレッサ４０、高圧コンプレッサ４２）とタービン（低圧タービン５４、高圧タービン５２）を備え、コンプレッサ４０，４２で圧縮された吸入空気を逆流燃焼室４６で燃料と共に燃焼させて生じさせた高温高圧ガスでタービン５４，５２を駆動して得た出力から推進力を得るエンジン１０と、コンプレッサ４０，４２で圧縮された吸入空気を外部に抽気する抽気弁６２と、抽気弁を開閉駆動する電動アクチュエータ６４と、電動アクチュエータへの通電を制御するＥＣＵ（制御部）６０とを備えたガスタービン・エンジン１０の抽気弁駆動制御装置において、前記装置、より詳しくは前記制御部（ＥＣＵ）６０が、前記エンジンの運転状態から要求される前記抽気弁の要求開度θｒを算出し、前記抽気弁の開度θが前記算出された要求開度θｒとなるように電流値Ｉａを算出して前記電動アクチュエータへの通電を指令する要求開度通電指令部（６０ａ，Ｓ１０）と、前記要求開度通電指令部の通電指令に応じて前記電動アクチュエータに通電された電流値Ｉａを所定電流値Ｉｂと比較し、前記電流値Ｉａが前記所定電流値Ｉｂを超えると判断されるとき、前記抽気弁が故障と推定し、前記抽気弁の開度が全開開度θｗとなると共に、前記所定電流値Ｉｂを超えるように電流値Ｉｃを算出して前記電動アクチュエータへの通電を所定時間指令する抽気弁故障推定部（６０ｂ，Ｓ１２，Ｓ１６，Ｓ１８）と、前記所定時間が経過した後、前記抽気弁の開度θが前記全開開度θｗから前記要求開度θｒまで閉弁するように電流値Ｉｄを算出して前記電動アクチュエータへの通電を指令する閉弁開度通電指令部（６０ｃ，Ｓ２０）と、閉弁開度通電指令部の指令に応じて前記電動アクチュエータに通電された電流値Ｉｄを前記所定電流値Ｉｂと比較し、前記電流値Ｉｄが前記所定電流値Ｉｂ以下と判断されるとき、前記抽気弁が正常と判定する抽気弁故障判定部（６０ｄ，Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２６）とを備える如く構成した。

このように、この実施形態に係る装置においてＥＣＵ（制御部）６０は、要求開度通電指令部（６０ａ，Ｓ１０）と、抽気弁故障推定部（６０ｂ，Ｓ１２，Ｓ１６，Ｓ１８）と、閉弁開度通電指令部（６０ｃ，Ｓ２０）と、抽気弁故障判定部（６０ｄ，Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２６）とを備える、あるいは要求開度通電指令部（６０ａ，Ｓ１０）として機能する如く構成した。

これにより、この実施形態に係るガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置においては、抽気弁６２の駆動を制御することで抽気弁６２への異物の付着を検知して異物を除去することで抽気弁６２の動きが悪化するのを防止することができる。また、抽気弁６２の軸受や電動アクチュエータ６４の摺動部の劣化を検知して故障する前に部品を交換することも可能となり、それによっても抽気弁６２の動きが悪化するのを防止することができる。さらに、抽気弁６２に異物が付着しても除去できるため、サージングや低圧コンプレッサ４０や高圧コンプレッサ４２の性能低下の影響を最小限に抑えることができると共に、抽気し過ぎによる燃費の悪化や、燃焼室４６への空気量に減少による過温度も防ぐことができる。

また、前記抽気弁故障判定部（６０ｄ，Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２６）は、前記通電された電流値Ｉｄが前記所定電流値Ｉｂを超えると判断されるとき、前記抽気弁が故障と判定し、前記電動アクチュエータへの前記電流値Ｉｃの通電を継続するように指令する如く構成したので、上記した効果に加え、異物を除去できない場合であっても、電流値Ｉｃの通電によって抽気弁６２を強制的に開弁させることとなり、サージングを確実に回避することができる。

また、前記抽気弁故障判定部（６０ｄ，Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２６）は、前記抽気弁６２が故障と判定されるとき、前記抽気弁の開度θが全開開度θｗとなるように前記電動アクチュエータ６４への前記電流値Ｉｃの通電を継続するように指令する如く構成したので、上記した効果に加え、サージングを一層確実に回避することができる。

尚、上記において、抽気弁６２をバタフライバルブとしたが、それに限定されるものではなく、圧縮吸入空気を抽気できる構造であれば、どのようなものでも良い。また、電動アクチュエータ６４をＤＣモータで構成したが、電流値を制御することで抽気弁６２を開閉駆動できる構造であれば、どのようなものでも良い。

また、エンジン１０を２軸のターボファン・エンジンを例にとって説明したが、エンジン１０はそれに限られるものではなく、１軸のターボ・ファンでもよい。さらに、エンジン１０は、ターボジェット・エンジン、ターボプロップ・エンジン、ターボシャフト・エンジンであっても良い。

１０航空機用ガスタービン・エンジン（エンジン）、１２アウタケーシング、１４インナケーシング、１６，２０ベアリング、２２低圧系シャフト、２４高圧系シャフト、２６，３０ベアリング、３２ファン、３４ファンステータ、３６バイパスダクト、４０低圧コンプレッサ、４０ａステータベーン、４０ｂ低圧コンプレッサホイール、４２高圧コンプレッサ、４２ａステータベーン、４２ｂ高圧コンプレッサホイール、４４ディヒューザ、４６燃焼室、５０燃料噴射ノズル、５２高圧タービン、５２ａノズルガイドベーン、５２ｂ高圧タービンホイール、５４低圧タービン、５４ａノズルガイドベーン、５４ｂ低圧タービンホイール、６０電子制御ユニット（ＥＣＵ。制御部）、６２抽気弁、６４電動アクチュエータ、６６開度センサ、７０電流センサ、７２Ｎ１センサ、７４Ｎ２センサ、７６Ｔ１センサ、８０Ｐ１センサ、８２Ｍｎセンサ、８４ＡＬＴセンサ、８６機体コックピット側

Claims

少なくとも１軸のコンプレッサとタービンを備え、前記コンプレッサで圧縮された吸入空気を燃焼室で燃料と共に燃焼させて生じさせた高温高圧ガスで前記タービンを駆動して得た出力から推進力を得るガスタービン・エンジンと、前記コンプレッサで圧縮された吸入空気を外部に抽気する抽気弁と、前記抽気弁を開閉駆動する電動アクチュエータと、前記電動アクチュエータへの通電を制御する制御部とを備えたガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置において、
前記エンジンの運転状態から要求される前記抽気弁の要求開度θｒを算出し、前記抽気弁の開度θが前記算出された要求開度θｒとなるように電流値Ｉａを算出して前記電動アクチュエータへの通電を指令する要求開度通電指令部と、
前記要求開度通電指令部の通電指令に応じて前記電動アクチュエータに通電された電流値Ｉａを所定電流値Ｉｂと比較し、前記電流値Ｉａが前記所定電流値Ｉｂを超えると判断されるとき、前記抽気弁が故障と推定し、前記抽気弁の開度が全開開度θｗとなると共に、前記所定電流値Ｉｂを超えるように電流値Ｉｃを算出して前記電動アクチュエータへの通電を所定時間指令する抽気弁故障推定部と、
前記所定時間が経過した後、前記抽気弁の開度θが前記全開開度θｗから前記要求開度θｒまで閉弁するように電流値Ｉｄを算出して前記電動アクチュエータへの通電を指令する閉弁開度通電指令部と、
閉弁開度通電指令部の指令に応じて前記電動アクチュエータに通電された電流値Ｉｄを前記所定電流値Ｉｂと比較し、前記電流値Ｉｄが前記所定電流値Ｉｂ以下と判断されるとき、前記抽気弁が正常と判定する抽気弁故障判定部と、
を備えたことを特徴とする航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置。
前記抽気弁故障判定部は、前記通電された電流値Ｉｄが前記所定電流値Ｉｂを超えると判断されるとき、前記抽気弁が故障と判定し、前記電動アクチュエータへの前記電流値Ｉｃの通電を継続するように指令することを特徴とする請求項１に記載の航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置。
前記抽気弁故障判定部は、前記抽気弁が故障と判定されるとき、前記抽気弁の開度θが全開開度θｗとなるように前記電動アクチュエータへの前記電流値Ｉｃの通電を継続するように指令することを特徴とする請求項２に記載の航空機用ガスタービン・エンジンの抽気弁駆動制御装置。